专利名称：提高光学成像质量的装置及方法
技术领域：
本发明属于一种光学成像技术领域，具体地说，是一种提高光学成像质量的装置及方法。
背景技术：
目前，在信息光学中，利用光学器件如傅立叶透镜、光栅、全息干板等直接实现光学图像的傅立叶变换、图像滤波、图像相关运算等，这一技术已逐步开始应用于图像模式识别、空间滤波、噪声抵消等。如图3所示光学成像系统由氦氖激光器、扩束镜、针孔、准直透镜、第一傅立叶透镜、第二傅立叶透镜和第一光电转换器组成，氦氖激光器生成的光束经所述扩束镜处理后将光束发送给针孔，该针孔将光束扩散到所述准直透镜后，得到相干性较好的平行光束，光束照射原始的输入图像，并将所述输入图像的光信息透射到所述第一傅立叶透镜上，在第一傅立叶透镜的谱面上聚焦后，再透射到所述第二傅立叶透镜上，经第二傅立叶透镜将图像信息由所述第一光电转换器采集，该第一光电转换器连接有计算机，计算机利用第一光电转换器采集的图像信息获得输出光学图像相对应的成像数据fout1(m，n)。
可以用计算机计算出它与原始输入图像相比的均方误差值MSE是MSE=Σ0≤m≤MΣ0≤n≤N(fin(m,n)-fout1(m,n))2M×N;]]>其峰峰信噪比值PSNR值是
PSNR=10log10255*255MSE.]]>其中fin(m，n)为输入图像的像素点的值，fout1(m，n)为输出图像的像素点的值；m和n分别为图像的空间位置坐标值，M和N是数字图像的尺寸，255为常用的8bit灰度图像的最大灰度值。
如4f光学系统的输出图像峰峰信噪比值PSNR只有17-20dB左右。
其缺点是由于相干噪声以及透镜的像差、色差和光学器件制造工艺、光学系统定位误差等因素的影响，导致传统光学成像系统的误差很大。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高光学成像质量的装置及方法，能克服相干噪声以及透镜的像差、色差和光学器件制造工艺、光学系统定位误差等因素的影响，减少光学成像系统的误差。
为达到上述目的，本发明所述的一种提高光学成像质量的装置，包括光学成像系统，该光学成像系统由光源、光学成像设备和第一光电转换器组成，其中光学成像设备从光源获取输入光学图像的信息，并将该输入光学图像的信息透射到所述第一光电转换器上，由该第一光电转换器采集，将采集到的输出光学图像信息转换为成像数据fout1(m，n)后，再传送给计算机；其关键在于还包括差值采集系统，所述差值采集系统由第一分光器、第二分光器、光学减法器和第二光电转换器组成，其中第一分光器在所述光学成像设备的前端获取输入光学图像的信息，并透射到所述光学减法器上；第二分光器在所述光学成像设备的后端获取所述输出光学图像信息，并反射到所述光学减法器上，所述光学减法器对两组图像信息进行相减得到差值图像，该差值图像被所述第二光电转换器采集，该第二光电转换器将差值图像的信息转换为差值数据e(m，n)后，再传送给所述计算机；所述计算机获得最终成像数据fout2(m，n)
fout2(m，n)＝fout1(m，n)-e(m，n)。
所述光源由氦氖激光器、扩束镜、针孔、准直透镜组成，其中氦氖激光器生成的光束经所述扩束镜后透射到针孔，并由该针孔将光束扩散到所述准直透镜后，得到相干性较好的平行光束，光束照射所述输入光学图像给所述光学成像设备；所述光学成像设备由第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜组成，所述输入光学图像的信息经过所述第一傅立叶透镜后，在第一傅立叶透镜的谱面处得到频谱，再继续透射到所述第二傅立叶透镜，经第二傅立叶透镜将所述输出光学图像的信息照射到所述第一光电转换器；所述光学减法器由第一反光镜、第一成像透镜、第一液晶光阀、偏振分光棱镜、第二液晶光阀、第三傅立叶透镜、光栅和第四傅立叶透镜组成，其中所述第一反光镜接收到所述第一分光器反射出的所述输入光学图像信息后，反射到所述第一成像透镜上，再透射过第一成像透镜，成像到所述第一液晶光阀，再由所述偏振分光棱镜读出；所述第二分光器反射出的所述输出光学图像信息反射到所述第二液晶光阀后，再由所述偏振分光棱镜读出；所述偏振分光棱镜同时将两组图像信息照射到所述第三傅立叶透镜，由第三傅立叶透镜聚焦到所述光栅上，并被光栅调制后，透射到所述第四傅立叶透镜上，由所述第四傅立叶透镜透射到所述第二光电转换器上，并得到所述差值采集系统获得的差值数据e(m，n)；所述光学减法器设置有补充光源，该补充光源由第二反光镜、准直透镜、针孔、扩束镜和第二氦氖激光器组成，所述第二氦氖激光器生成光束经所述扩束镜扩束，再由所述针孔照射所述准直透镜上，由准直透镜生成一组平行光被所述第二反光镜反射到所述偏振分光棱镜上，并被偏振分光棱镜分成二路光线分别透射到所述第一液晶光阀和第二液晶光阀上，作为所述差值采集系统的光能输入。
光学成像系统为传统公知的典型光学系统，获得输入光学图像的成像数据fout1(m，n)并输出给计算机，光学差值采集系统从典型光学系统光路中截取输入光学图像和典型光学系统的输出光学图像信息，并作为差值采集系统的两组输入图像信息，由偏振分光棱镜处理后，两组输入图像信息再经过第三傅立叶透镜和第四傅立叶透镜，并被光栅调制，由第二光电转换器生成差值数据e(m，n)并输出给计算机。
所述第一分光器位于所述输入光学图像和第一傅立叶透镜之间，并将所述输入光学图像的部分光信息反射到所述第一反光镜上，第一反光镜再反射到所述第一成像透镜，第一成像透镜使输入光学图像倒立后，成像到所述第一液晶光阀，被所述偏振分光棱镜读出，作为光学差值采集系统的第一路图像信息输入；所述第二分光器位于所述第二傅立叶透镜和第一光电转换器之间，并将第二傅立叶透镜生成的图像信息反射到所述第二液晶光阀，被所述偏振分光棱镜读出，作为光学差值采集系统的第二路差值图像信息输入；所述第二氦氖激光器生成光束经所述扩束镜扩束，再由所述针孔滤波后照射所述准直透镜上，由准直透镜生成一组平行光被所述第二反光镜反射到所述偏振分光棱镜上，并被偏振分光棱镜分成二路光线分别透射到所述第一液晶光阀和第二液晶光阀上，作为光学差值采集系统的光能输入。
所述第二液晶光阀和偏振分光棱镜之间的光路上设置有玻片。
玻片可以改变光程。
所述光源由氦氖激光器、扩束镜、针孔、准直透镜组成，其中氦氖激光器生成的光束经所述扩束镜后透射到针孔，并由该针孔将光束扩散到所述准直透镜后，得到相干性较好的平行光束，光束照射所述输入光学图像给所述光学成像设备；
所述光学成像设备由第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜组成，所述输入光学图像的信息经过所述第一傅立叶透镜后，在第一傅立叶透镜的谱面处得到频谱，再继续透射到所述第二傅立叶透镜，经第二傅立叶透镜将所述输出光学图像的信息照射到所述第一光电转换器；所述光学减法器由第一反光镜、第一成像透镜、第二成像透镜、分光镜、第三傅立叶透镜、光栅和第四傅立叶透镜组成，其中其中所述第一反光镜接收到所述第一分光器反射出的所述输入光学图像信息后，反射到所述第一成像透镜上，并透过第一成像透镜和第二成像透镜，再透过所述分光镜；所述第二分光器反射出的所述输出光学图像信息照射到所述分光镜上，所述分光镜同时将两组图像信息照射到所述第三傅立叶透镜，由第三傅立叶透镜聚焦到所述光栅上，并被光栅调制后，透射到所述第四傅立叶透镜上，由所述第四傅立叶透镜透射到所述第二光电转换器上，并得到所述差值采集系统获得的差值数据e(m，n)。
所述输入光学图像位于所述第一成像透镜前方的两倍焦距处，所述第一液晶光阀位于所述第一成像透镜后方的两倍焦距处；所述第一光电转换器位于所述第二傅立叶透镜的一倍焦距处，所述第二液晶光阀位于所述第二傅立叶透镜的一倍焦距处。
保证光学差值采集系统获得准确的差值图像信息。
一种提高光学成像质量的方法，其关键在于步骤一、利用光学成像系统对输入光学图像进行成像采集，得到与输入光学图像相对应的成像数据fout1(m，n)；
所述光学成像系统由光源、光学成像设备和第一光电转换器组成，其中光学成像设备从光源获取输入光学图像的信息，并将该输入光学图像的信息透射到所述第一光电转换器上，由该第一光电转换器采集，将采集到的输出光学图像信息转换为成像数据fout1(m，n)后，再传送给计算机；步骤二、在光学成像系统的基础上并行有差值采集系统，该差值采集系统获取所述光学成像系统输出光学图像信息和输入光学图像的信息，得出差值数据e(m，n)；所述差值采集系统由第一分光器、第二分光器、光学减法器和第二光电转换器组成，其中第一分光器在所述光学成像设备的前端获取输入光学图像的信息，并反射到所述光学减法器上；第二分光器在所述光学成像设备的后端获取所述输出光学图像信息，并反射到所述光学减法器上，所述光学减法器对两组图像信息进行相减得到差值图像，该差值图像被所述第二光电转换器采集，该第二光电转换器将差值图像的信息转换为差值数据e(m，n)后，再传送给计算机；步骤三、利用所述计算机处理所述成像数据fout1(m，n)和差值数据e(m，n)，获得最终成像数据fout2(m，n)fout2(m，n)＝fout1(m，n)-e(m，n)。
步骤一是利用公知的光学系统获取成像数据fout1(m，n)，步骤二是在在公知的光学系统上并行一个光学差值采集系统，以获取差值数据e(m，n)，步骤三是将经过原光学系统的成像数据fout1(m，n)和经过差值采集系统的差值数据e(m，n)都记录下来，然后从前者中减去后者，得到相对准确的所述最终成像数据fout2(m，n)。本发明应用于提高光学系统成像质量、减小误差，简便有效，改造成本低。另外由于光学处理具有的快速、并行且互联密度高的优点，将大大节省图像处理的时间。
所述光源由氦氖激光器、扩束镜、针孔、准直透镜组成，其中氦氖激光器生成的光束经所述扩束镜后透射到针孔，并由该针孔将光束扩散到所述准直透镜后，得到相干性较好的平行光束，光束照射所述输入光学图像给所述光学成像设备；所述光学成像设备由第一傅立叶透镜和第二傅立叶透镜组成，所述输入光学图像的信息经过所述第一傅立叶透镜后，在第一傅立叶透镜的谱面处得到频谱，再继续透射到所述第二傅立叶透镜，经第二傅立叶透镜将所述输出光学图像的信息照射到所述第一光电转换器。
所述光学减法器由第一反光镜、第一成像透镜、第一液晶光阀、偏振分光棱镜、第二液晶光阀、第三傅立叶透镜、光栅和第四傅立叶透镜组成，其中所述第一反光镜接收到所述第一分光器反射出的所述输入光学图像信息后，反射到所述第一成像透镜上，再透射过第一成像透镜，成像到所述第一液晶光阀，再由所述偏振分光棱镜读出；所述第二分光器反射出的所述输出光学图像信息反射到所述第二液晶光阀后，再由所述偏振分光棱镜读出；所述偏振分光棱镜同时将两组图像信息照射到所述第三傅立叶透镜，由第三傅立叶透镜聚焦到所述光栅上，并被光栅调制后，透射到所述第四傅立叶透镜上，由所述第四傅立叶透镜透射到所述第二光电转换器上，并得到所述差值采集系统获得的差值数据e(m，n)；所述光学减法器设置有补充光源，该补充光源由第二反光镜、准直透镜、针孔、扩束镜和第二氦氖激光器组成，所述第二氦氖激光器生成光束经所述扩束镜扩束，再由所述针孔照射所述准直透镜上，由准直透镜生成一组平行光被所述第二反光镜反射到所述偏振分光棱镜上，并被偏振分光棱镜分成二路光线分别透射到所述第一液晶光阀和第二液晶光阀上，作为所述差值采集系统的光能输入。
在所述光学成像系统的光路上并行有所述光学差值采集系统，该光学差值采集系统采用全光处理形式获取光学成像系统中的差值数据e(m，n)。
所述计算机获得相对准确的所述最终成像数据fout2(m，n)fout2(m，n)＝fout1(m，n)-e(m，n)。
计算机可以采用Matlab、C语言、Fortrun等语言获得该最终成像数据fout2(m，n)。
通过对本发明与现有光学成像系统的比较验证，可以获得比现有光学成像系统更高的峰峰信噪比值PSNR值。
所述光学减法器也可以由第一反光镜、第一成像透镜、第二成像透镜、分光镜、第三傅立叶透镜、光栅和第四傅立叶透镜组成，其中所述第一反光镜接收到所述第一分光器反射出的所述输入光学图像信息后，反射到所述第一成像透镜上，并透过第一成像透镜和第二成像透镜，再透过所述分光镜；所述第二分光器反射出的所述输出光学图像信息照射到所述分光镜上，所述分光镜同时将两组图像信息照射到所述第三傅立叶透镜，由第三傅立叶透镜聚焦到所述光栅上，并被光栅调制后，透射到所述第四傅立叶透镜上，由所述第四傅立叶透镜透射到所述第二光电转换器上，并得到所述差值采集系统获得的差值数据e(m，n)。
本发明的显著效果是能克服相干噪声以及透镜的像差、色差和光学器件制造工艺、光学系统定位误差等因素的影响，减少光学成像系统的误差，同时具有快速、并行且互联密度高的优点，节省图像处理的时间。
图1是本发明的原理图；图2是提高光学系统成像质量的方法流程图；
图3现有光学成像系统的结构示意图；图4是实施例1的结构示意图；图5是实施例2的结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1如图1所示提高光学成像质量的装置，由光学成像系统、差值采集系统和计算机组成31，其中光学成像系统由光源、光学成像设备30和第一光电转换器11组成，光学成像设备30从光源获取输入光学图像5的信息，并将该输入光学图像5的信息透射到所述第一光电转换器11上，由该第一光电转换器11采集，将采集到的输出光学图像信息转换为成像数据fout1(m，n)后，再传送给计算机31；所述差值采集系统由第一分光器6、第二分光器10、光学减法器和第二光电转换器21组成，其中第一分光器6在所述光学成像设备30的前端获取输入光学图像5的信息，并透射到所述光学减法器上；第二分光器10在所述光学成像设备30的后端获取所述输出光学图像信息，并反射到所述光学减法器上，所述光学减法器对两组图像信息进行相减得到差值图像，该差值图像被所述第二光电转换器21采集，该第二光电转换器21将差值图像的信息转换为差值数据e(m，n)后，再传送给所述计算机31；所述计算机31获得最终成像数据fout2(m，n)fout2(m，n)＝fout1(m，n)-e(m，n)。
如图4所示所述光源由氦氖激光器1、扩束镜2、针孔3、准直透镜4组成，其中氦氖激光器1生成的光束经所述扩束镜2后透射到针孔3，并由该针孔3将光束扩散到所述准直透镜4后，得到相干性较好的平行光束，光束照射所述输入光学图像5给所述光学成像设备30；
所述光学成像设备30由第一傅立叶透镜7和第二傅立叶透镜9组成，所述输入光学图像5的信息经过所述第一傅立叶透镜7后，在第一傅立叶透镜7的谱面8处得到频谱，再继续透射到所述第二傅立叶透镜9，经第二傅立叶透镜9将所述输出光学图像的信息照射到所述第一光电转换器11；所述光学减法器由第一反光镜12、第一成像透镜13、第一液晶光阀14、偏振分光棱镜15、第二液晶光阀16、第三傅立叶透镜18、光栅19和第四傅立叶透镜20组成，其中所述第一反光镜12接收到所述第一分光器6反射出的所述输入光学图像5信息后，反射到所述第一成像透镜13上，再透射过第一成像透镜13，成像到所述第一液晶光阀14，再由所述偏振分光棱镜15读出；所述第二分光器10反射出的所述输出光学图像信息反射到所述第二液晶光阀16后，再由所述偏振分光棱镜15读出；所述偏振分光棱镜15同时将两组图像信息照射到所述第三傅立叶透镜18，由第三傅立叶透镜18聚焦到所述光栅19上，并被光栅19调制后，透射到所述第四傅立叶透镜20上，由所述第四傅立叶透镜20透射到所述第二光电转换器21上，并得到所述差值采集系统获得的差值数据e(m，n)；所述光学减法器设置有补充光源，该补充光源由第二反光镜22、准直透镜23、针孔24、扩束镜25和第二氦氖激光器26组成，所述第二氦氖激光器26生成光束经所述扩束镜25扩束，再由所述针孔24照射所述准直透镜23上，由准直透镜23生成一组平行光被所述第二反光镜22反射到所述偏振分光棱镜15上，并被偏振分光棱镜15分成二路光线分别透射到所述第一液晶光阀14和第二液晶光阀16上，作为所述差值采集系统的光能输入。
光学成像系统为现有的4f光学系统，该4f光学系统获得输入光学图像的成像数据fout1(m，n)并输出给计算机，光学差值采集系统从4f光学系统的光路中截取输入光学图像和输出光学图像信息，并作为差值采集系统的两组输入图像信息，由偏振分光棱镜15处理后，两组输入图像信息再经过第三傅立叶透镜18和第四傅立叶透镜20，并被光栅19调制，由第二光电转换器21生成差值数据e(m，n)并输出给计算机。
所述第一分光器6和第二分光器10为50％分光镜。
所述第一分光器6位于所述输入光学图像5和第一傅立叶透镜7之间，并将所述输入光学图像5的部分光信息反射到所述第一反光镜12上，第一反光镜12再反射到所述第一成像透镜13，第一成像透镜13使输入光学图像5倒立后，成像到所述第一液晶光阀14，被所述偏振分光棱镜15读出，作为光学差值采集系统的第一路图像信息输入；所述第二分光器10位于所述第二傅立叶透镜9和第一光电转换器11之间，并将第二傅立叶透镜9生成的图像信息反射到所述第二液晶光阀16，被所述偏振分光棱镜15读出，作为光学差值采集系统的第二路差值图像信息输入；所述第二氦氖激光器26生成光束经所述扩束镜25扩束，再由所述针孔24滤波后照射所述准直透镜23上，由准直透镜23生成一组平行光被所述第二反光镜22反射到所述偏振分光棱镜15上，并被偏振分光棱镜15分成二路光线分别透射到所述第一液晶光阀14和第二液晶光阀16上，作为光学差值采集系统的光能输入。
如图4所示所述第二液晶光阀16和偏振分光棱镜15之间的光路上设置有玻片17。
该玻片为1/4滤玻片17，可以改变光程。
第一光电转换器11和第二光电转换器21可以采用光电耦合器。
实施例2该实施例2与实施例1结构原理一致，其区别在于如图5所示所述光源由氦氖激光器1、扩束镜2、针孔3、准直透镜4组成，其中氦氖激光器1生成的光束经所述扩束镜2后透射到针孔3，并由该针孔3将光束扩散到所述准直透镜4后，得到相干性较好的平行光束，光束照射所述输入光学图像5给所述光学成像设备30；所述光学成像设备30由第一傅立叶透镜7和第二傅立叶透镜9组成，所述输入光学图像5的信息经过所述第一傅立叶透镜7后，在第一傅立叶透镜7的谱面8处得到频谱，再继续透射到所述第二傅立叶透镜9，经第二傅立叶透镜9将所述输出光学图像的信息照射到所述第一光电转换器11；所述光学减法器由第一反光镜12、第一成像透镜13、第二成像透镜13’、分光镜15’、第三傅立叶透镜18、光栅19和第四傅立叶透镜20组成，其中其中所述第一反光镜12接收到所述第一分光器6反射出的所述输入光学图像5信息后，反射到所述第一成像透镜13上，并透过第一成像透镜13和第二成像透镜13’，再透过所述分光镜15’；所述第二分光器10反射出的所述输出光学图像信息照射到所述分光镜15’上，所述分光镜15’同时将两组图像信息照射到所述第三傅立叶透镜18，由第三傅立叶透镜18聚焦到所述光栅19上，并被光栅19调制后，透射到所述第四傅立叶透镜20上，由所述第四傅立叶透镜20透射到所述第二光电转换器21上，并得到所述差值采集系统获得的差值数据e(m，n)。
如图4、5所示所述输入光学图像5位于所述第一成像透镜13前方的两倍焦距处，所述第一液晶光阀14位于所述第一成像透镜13后方的两倍焦距处；所述第一光电转换器11位于所述第二傅立叶透镜9的一倍焦距处，所述第二液晶光阀16位于所述第二傅立叶透镜9的一倍焦距处。
保证光学差值采集系统获得准确的差值图像信息。
实施例3如图1、2所示一种提高光学成像质量的方法，其中步骤一、利用光学成像系统对输入光学图像5进行成像采集，得到与输入光学图像5相对应的成像数据fout1(m，n)；所述光学成像系统由光源、光学成像设备30和第一光电转换器11组成，其中光学成像设备30从光源获取输入光学图像5的信息，并将该输入光学图像5的信息透射到所述第一光电转换器11上，由该第一光电转换器11采集，将采集到的输出光学图像信息转换为成像数据fout1(m，n)后，再传送给计算机31；步骤二、在光学成像系统的基础上并行有差值采集系统，该差值采集系统获取所述光学成像系统输出光学图像信息和输入光学图像5的信息，得出差值数据e(m，n)；所述差值采集系统由第一分光器6、第二分光器10、光学减法器和第二光电转换器21组成，其中第一分光器6在所述光学成像设备30的前端获取输入光学图像5的信息，并反射到所述光学减法器上；第二分光器10在所述光学成像设备30的后端获取所述输出光学图像信息，并反射到所述光学减法器上，所述光学减法器对两组图像信息进行相减得到差值图像，该差值图像被所述第二光电转换器21采集，该第二光电转换器21将差值图像的信息转换为差值数据e(m，n)后，再传送给计算机31；步骤三、利用所述计算机31处理所述成像数据fout1(m，n)和差值数据e(m，n)，获得最终成像数据fout2(m，n)fout2(m，n)＝fout1(m，n)-e(m，n)。
步骤一是利用公知的光学系统获取成像数据fout1(m，n)，步骤二是在在公知的光学系统上并行一个光学差值采集系统，以获取差值数据e(m，n)，步骤三是将经过原光学系统的成像数据fout1(m，n)和经过差值采集系统的差值数据e(m，n)都记录下来，然后从前者中减去后者，得到相对准确的所述最终成像数据fout2(m，n)。本发明应用于提高光学系统成像质量、减小误差，简便有效，改造成本低。另外由于光学处理具有的快速、并行且互联密度高的优点，将大大节省图像处理的时间。
如图4所示所述光源由氦氖激光器1、扩束镜2、针孔3、准直透镜4组成，其中氦氖激光器1生成的光束经所述扩束镜2后透射到针孔3，并由该针孔3将光束扩散到所述准直透镜4后，得到相干性较好的平行光束，光束照射所述输入光学图像5给所述光学成像设备30；所述光学成像设备30由第一傅立叶透镜7和第二傅立叶透镜9组成，所述输入光学图像5的信息经过所述第一傅立叶透镜7后，在第一傅立叶透镜7的谱面8处得到频谱，再继续透射到所述第二傅立叶透镜9，经第二傅立叶透镜9将所述输出光学图像的信息照射到所述第一光电转换器11。
所述光学减法器由第一反光镜12、第一成像透镜13、第一液晶光阀14、偏振分光棱镜15、第二液晶光阀16、第三傅立叶透镜18、光栅19和第四傅立叶透镜20组成，其中所述第一反光镜12接收到所述第一分光器6反射出的所述输入光学图像5信息后，反射到所述第一成像透镜13上，再透射过第一成像透镜13，成像到所述第一液晶光阀14，再由所述偏振分光棱镜15读出；所述第二分光器10反射出的所述输出光学图像信息反射到所述第二液晶光阀16后，再由所述偏振分光棱镜15读出；所述偏振分光棱镜15同时将两组图像信息照射到所述第三傅立叶透镜18，由第三傅立叶透镜18聚焦到所述光栅19上，并被光栅19调制后，透射到所述第四傅立叶透镜20上，由所述第四傅立叶透镜20透射到所述第二光电转换器21上，并得到所述差值采集系统获得的差值数据e(m，n)；
所述光学减法器设置有补充光源，该补充光源由第二反光镜22、准直透镜23、针孔24、扩束镜25和第二氦氖激光器26组成，所述第二氦氖激光器26生成光束经所述扩束镜25扩束，再由所述针孔24照射所述准直透镜23上，由准直透镜23生成一组平行光被所述第二反光镜22反射到所述偏振分光棱镜15上，并被偏振分光棱镜15分成二路光线分别透射到所述第一液晶光阀14和第二液晶光阀16上，作为所述差值采集系统的光能输入。
在所述光学成像系统的光路上并行有所述光学差值采集系统，该光学差值采集系统采用全光处理形式获取光学成像系统中的差值数据e(m，n)。
所述计算机获得相对准确的所述最终成像数据fout2(m，n)fout2(m，n)＝fout1(m，n)-e(m，n)计算机可以采用Matlab、C语言、Fortrun等语言获得该最终成像数据fout2(m，n)。
通过对本发明与现有光学成像系统的比较验证，可以获得比现有光学成像系统更高的峰峰信噪比值PSNR值所述光学减法器也可以由第一反光镜12、第一成像透镜13、第二成像透镜13’、分光镜15’、第三傅立叶透镜18、光栅19和第四傅立叶透镜20组成，其中所述第一反光镜12接收到所述第一分光器6反射出的所述输入光学图像5信息后，反射到所述第一成像透镜13上，并透过第一成像透镜13和第二成像透镜13’，再透过所述分光镜15’；所述第二分光器10反射出的所述输出光学图像信息照射到所述分光镜15’上，所述分光镜15’同时将两组图像信息照射到所述第三傅立叶透镜18，由第三傅立叶透镜18聚焦到所述光栅19上，并被光栅19调制后，透射到所述第四傅立叶透镜20上，由所述第四傅立叶透镜20透射到所述第二光电转换器21上，并得到所述差值采集系统获得的差值数据e(m，n)。
通过实施例可以将本发明与现有光学成像系统作比较，可以验证本发明能获得比现有光学成像系统更高的峰峰信噪比值PSNR值选用图像处理中常用的标准图像中1024×1024点的lena(m，n)作为原始输入图像，它经过现有光学成像系统后得到输出lena1(m，n)，与原始输入图像相比的均方误差值MSE1是MSE1=Σ0≤m≤1024Σ0≤n≤1024(lena(m,n)-lenal(m,n))21024×1024.]]>其峰峰信噪比值PSNR1值是PSNR1=10log10255×255MSE=20.9865dB.]]>而使用本发明后将得到比lena1(m，n)更准确的输出图像lena2(m，n)，它与原始输入图像相比的均方误差值MSE2是MSE2=Σ0≤m≤1024Σ0≤n≤1024(lena(m,n)-lena2((m,n))21024×1024.]]>其峰峰信噪比值PSNR2值是PSNR2=10log10255×255MSE1=23.0135dB.]]>在本例中，在误差采集装置的误差平均值是理论值的平均值的50％的条件下得到上述结果。如果误差采集装置的精度更高，效果会更好。
其工作情况如下氦氖激光器1发出的高斯光束经过扩束镜2、针孔滤波器3和准直透镜4组成的扩束准直系统后得到相干性较好的平行光，照射原始的输入光学图像5后，被第一分光器6分成两束，其中一束为透射光，另一束为反射光。其中透射光继续透射到第一傅立叶透镜7和第二傅立叶透镜9组成的标准4f系统，被第一光电转换器11采集并输出到计算机；其中反射光经分光镜6反射到第一反光镜12，照射到差值采集系统，经过第一成像透镜13成像到第一液晶光阀14上面。
另外从第二氦氖激光器26发出的高斯光束经过扩束镜25、针孔24和准直透镜23组成的扩束准直系统后得到相干性较好的平行光，被偏振分光棱镜15反射到第一液晶光阀14上面，并从第一液晶光阀14反射回来，读出图像，透过偏振分光棱镜15后照射第三傅立叶透镜18，构成差值采集系统的输入之一。从第二傅立叶透镜9出来的光照射到第二液晶光阀16上面，并先后通过1/4波片17和偏振分光棱镜15，被偏振分光棱镜15读出，再照射到第三傅立叶透镜18，构成差值采集系统的输入之二。进入差值采集系统的两个输入经过第三傅立叶透镜18和第四傅立叶透镜20，并被光栅19调制，在第四傅立叶透镜20的谱面得到差值采集系统的输出，并用第二光电转换器21采集输入计算机。
计算机获得所述最终成像数据fout2(m，n)为fout2(m，n)＝fout1(m，n)-e(m，n)。
权利要求
1.一种提高光学成像质量的装置，包括光学成像系统，该光学成像系统由光源、光学成像设备(30)和第一光电转换器(11)组成，其中光学成像设备(30)从光源获取输入光学图像(5)的信息，并将该输入光学图像(5)的信息透射到所述第一光电转换器(11)上，由该第一光电转换器(11)采集，将采集到的输出光学图像信息转换为成像数据fout1(m，n)后，再传送给计算机(31)；其特征在于还包括差值采集系统，所述差值采集系统由第一分光器(6)、第二分光器(10)、光学减法器和第二光电转换器(21)组成，其中第一分光器(6)在所述光学成像设备(30)的前端获取输入光学图像(5)的信息，并透射到所述光学减法器上；第二分光器(10)在所述光学成像设备(30)的后端获取所述输出光学图像信息，并反射到所述光学减法器上，所述光学减法器对两组图像信息进行相减得到差值图像，该差值图像被所述第二光电转换器(21)采集，该第二光电转换器(21)将差值图像的信息转换为差值数据e(m，n)后，再传送给所述计算机(31)；所述计算机(31)获得最终成像数据fout2(m，n)fout2(n，n)＝fout1(m，n)-e(m，n)。
2.根据权利要求1所述的一种提高光学成像质量的装置，其特征在于所述光源由氦氖激光器(1)、扩束镜(2)、针孔(3)、准直透镜(4)组成，其中氦氖激光器(1)生成的光束经所述扩束镜(2)后透射到针孔(3)，并由该针孔(3)将光束扩散到所述准直透镜(4)后，得到相干性较好的平行光束，光束照射所述输入光学图像(5)给所述光学成像设备(30)；所述光学成像设备(30)由第一傅立叶透镜(7)和第二傅立叶透镜(9)组成，所述输入光学图像(5)的信息经过所述第一傅立叶透镜(7)后，在第一傅立叶透镜(7)的谱面(8)处得到频谱，再继续透射到所述第二傅立叶透镜(9)，经第二傅立叶透镜(9)将所述输出光学图像的信息照射到所述第一光电转换器(11)；所述光学减法器由第一反光镜(12)、第一成像透镜(13)、第一液晶光阀(14)、偏振分光棱镜(15)、第二液晶光阀(16)、第三傅立叶透镜(18)、光栅(19)和第四傅立叶透镜(20)组成，其中所述第一反光镜(12)接收到所述第一分光器(6)反射出的所述输入光学图像(5)信息后，反射到所述第一成像透镜(13)上，再透射过第一成像透镜(13)，成像到所述第一液晶光阀(14)，再由所述偏振分光棱镜(15)读出；所述第二分光器(10)反射出的所述输出光学图像信息反射到所述第二液晶光阀(16)后，再由所述偏振分光棱镜(15)读出；所述偏振分光棱镜(15)同时将两组图像信息照射到所述第三傅立叶透镜(18)，由第三傅立叶透镜(18)聚焦到所述光栅(19)上，并被光栅(19)调制后，透射到所述第四傅立叶透镜(20)上，由所述第四傅立叶透镜(20)透射到所述第二光电转换器(21)上，并得到所述差值采集系统获得的差值数据e(m，n)；所述光学减法器设置有补充光源，该补充光源由第二反光镜(22)、准直透镜(23)、针孔(24)、扩束镜(25)和第二氦氖激光器(26)组成，所述第二氦氖激光器(26)生成光束经所述扩束镜(25)扩束，再由所述针孔(24)照射所述准直透镜(23)上，由准直透镜(23)生成一组平行光被所述第二反光镜(22)反射到所述偏振分光棱镜(15)上，并被偏振分光棱镜(15)分成二路光线分别透射到所述第一液晶光阀(14)和第二液晶光阀(16)上，作为所述差值采集系统的光能输入。
3.根据权利要求2所述的一种提高光学成像质量的装置，其特征在于所述第二液晶光阀(16)和偏振分光棱镜(15)之间的光路上设置有玻片(17)。
4.根据权利要求1所述的一种提高光学成像质量的装置，其特征在于所述光源由氦氖激光器(1)、扩束镜(2)、针孔(3)、准直透镜(4)组成，其中氦氖激光器(1)生成的光束经所述扩束镜(2)后透射到针孔(3)，并由该针孔(3)将光束扩散到所述准直透镜(4)后，得到相干性较好的平行光束，光束照射所述输入光学图像(5)给所述光学成像设备(30)；所述光学成像设备(30)由第一傅立叶透镜(7)和第二傅立叶透镜(9)组成，所述输入光学图像(5)的信息经过所述第一傅立叶透镜(7)后，在第一傅立叶透镜(7)的谱面(8)处得到频谱，再继续透射到所述第二傅立叶透镜(9)，经第二傅立叶透镜(9)将所述输出光学图像的信息照射到所述第一光电转换器(11)；所述光学减法器由第一反光镜(12)、第一成像透镜(13)、第二成像透镜(13’)、分光镜(15’)、第三傅立叶透镜(18)、光栅(19)和第四傅立叶透镜(20)组成，其中其中所述第一反光镜(12)接收到所述第一分光器(6)反射出的所述输入光学图像(5)信息后，反射到所述第一成像透镜(13)上，并透过第一成像透镜(13)和第二成像透镜(13’)，再透过所述分光镜(15’)；所述第二分光器(10)反射出的所述输出光学图像信息照射到所述分光镜(15’)上，所述分光镜(15’)同时将两组图像信息照射到所述第三傅立叶透镜(18)，由第三傅立叶透镜(18)聚焦到所述光栅(19)上，并被光栅(19)调制后，透射到所述第四傅立叶透镜(20)上，由所述第四傅立叶透镜(20)透射到所述第二光电转换器(21)上，并得到所述差值采集系统获得的差值数据e(m，n)。
5.根据权利要求1所述的一种提高光学成像质量的装置，其特征在于所述输入光学图像(5)位于所述第一成像透镜(13)前方的两倍焦距处，所述第一液晶光阀(14)位于所述第一成像透镜(13)后方的两倍焦距处；所述第一光电转换器(11)位于所述第二傅立叶透镜(9)的一倍焦距处，所述第二液晶光阀(16)位于所述第二傅立叶透镜(9)的一倍焦距处。
6.一种提高光学成像质量的方法，其特征在于步骤一、利用光学成像系统对输入光学图像(5)进行成像采集，得到与输入光学图像(5)相对应的成像数据fout1(m，n)；所述光学成像系统由光源、光学成像设备(30)和第一光电转换器(11)组成，其中光学成像设备(30)从光源获取输入光学图像(5)的信息，并将该输入光学图像(5)的信息透射到所述第一光电转换器(11)上，由该第一光电转换器(11)采集，将采集到的输出光学图像信息转换为成像数据fout1(m，n)后，再传送给计算机(31)；步骤二、在光学成像系统的基础上并行有差值采集系统，该差值采集系统获取所述光学成像系统输出光学图像信息和输入光学图像(5)的信息，得出差值数据e(m，n)；所述差值采集系统由第一分光器(6)、第二分光器(10)、光学减法器和第二光电转换器(21)组成，其中第一分光器(6)在所述光学成像设备(30)的前端获取输入光学图像(5)的信息，并反射到所述光学减法器上；第二分光器(10)在所述光学成像设备(30)的后端获取所述输出光学图像信息，并反射到所述光学减法器上，所述光学减法器对两组图像信息进行相减得到差值图像，该差值图像被所述第二光电转换器(21)采集，该第二光电转换器(21)将差值图像的信息转换为差值数据e(m，n)后，再传送给计算机(31)；步骤三、利用所述计算机(31)处理所述成像数据fout1(m，n)和差值数据e(m，n)，获得最终成像数据fout2(m，n)fout2(m，n)＝fout1(m，n)-e(m，n)。
7.根据权利要求6所述的一种提高光学成像质量的方法，其特征在于所述光源由氦氖激光器(1)、扩束镜(2)、针孔(3)、准直透镜(4)组成，其中氦氖激光器(1)生成的光束经所述扩束镜(2)后透射到针孔(3)，并由该针孔(3)将光束扩散到所述准直透镜(4)后，得到相干性较好的平行光束，光束照射所述输入光学图像(5)给所述光学成像设备(30)；所述光学成像设备(30)由第一傅立叶透镜(7)和第二傅立叶透镜(9)组成，所述输入光学图像(5)的信息经过所述第一傅立叶透镜(7)后，在第一傅立叶透镜(7)的谱面(8)处得到频谱，再继续透射到所述第二傅立叶透镜(9)，经第二傅立叶透镜(9)将所述输出光学图像的信息照射到所述第一光电转换器(11)。
8.根据权利要求6所述的一种提高光学成像质量的方法，其特征在于所述光学减法器由第一反光镜(12)、第一成像透镜(13)、第一液晶光阀(14)、偏振分光棱镜(15)、第二液晶光阀(16)、第三傅立叶透镜(18)、光栅(19)和第四傅立叶透镜(20)组成，其中所述第一反光镜(12)接收到所述第一分光器(6)反射出的所述输入光学图像(5)信息后，反射到所述第一成像透镜(13)上，再透射过第一成像透镜(13)，成像到所述第一液晶光阀(14)，再由所述偏振分光棱镜(15)读出；所述第二分光器(10)反射出的所述输出光学图像信息反射到所述第二液晶光阀(16)后，再由所述偏振分光棱镜(15)读出；所述偏振分光棱镜(15)同时将两组图像信息照射到所述第三傅立叶透镜(18)，由第三傅立叶透镜(18)聚焦到所述光栅(19)上，并被光栅(19)调制后，透射到所述第四傅立叶透镜(20)上，由所述第四傅立叶透镜(20)透射到所述第二光电转换器(21)上，并得到所述差值采集系统获得的差值数据e(m，n)；所述光学减法器设置有补充光源，该补充光源由第二反光镜(22)、准直透镜(23)、针孔(24)、扩束镜(25)和第二氦氖激光器(26)组成，所述第二氦氖激光器(26)生成光束经所述扩束镜(25)扩束，再由所述针孔(24)照射所述准直透镜(23)上，由准直透镜(23)生成一组平行光被所述第二反光镜(22)反射到所述偏振分光棱镜(15)上，并被偏振分光棱镜(15)分成二路光线分别透射到所述第一液晶光阀(14)和第二液晶光阀(16)上，作为所述差值采集系统的光能输入。
9.根据权利要求6所述的一种提高光学成像质量的方法，其特征在于所述光学减法器由第一反光镜(12)、第一成像透镜(13)、第二成像透镜(13’)、分光镜(15’)、第三傅立叶透镜(18)、光栅(19)和第四傅立叶透镜(20)组成，其中所述第一反光镜(12)接收到所述第一分光器(6)反射出的所述输入光学图像(5)信息后，反射到所述第一成像透镜(13)上，并透过第一成像透镜(13)和第二成像透镜(13’)，再透过所述分光镜(15’)；所述第二分光器(10)反射出的所述输出光学图像信息照射到所述分光镜(15’)上，所述分光镜(15’)同时将两组图像信息照射到所述第三傅立叶透镜(18)，由第三傅立叶透镜(18)聚焦到所述光栅(19)上，并被光栅(19)调制后，透射到所述第四傅立叶透镜(20)上，由所述第四傅立叶透镜(20)透射到所述第二光电转换器(21)上，并得到所述差值采集系统获得的差值数据e(m，n)。
全文摘要
本发明公开了一种提高光学成像质量的装置及方法，装置包括光学成像系统和计算机(31)，光学成像系统将输出光学图像信息传送给计算机(31)；其特征在于还包括差值采集系统，所述差值采集系统获取差值数据e(m，n)后，再传送给所述计算机(31)；计算机(31)获得最终成像数据f
文档编号G02B27/00GK101017244SQ20071007816
公开日2007年8月15日 申请日期2007年2月2日 优先权日2007年2月2日
发明者田逢春, 刘伟, 陈建军, 徐鑫, 刘云宏, 唐光菊, 李立 申请人:重庆大学