一种成像镜头及图像处理方法与流程

本发明涉及光学，特别是一种成像镜头及图像处理方法。

背景技术：

1、偏振是光的重要物理特性之一，地表或大气中的目标在反射、散射、透射和辐射电磁波时会产生由自身特性所决定的特定偏振信息，这些偏振信息能用来分析目标的形状、表面粗糙度、纹理走向和材料的理化特性等。传统的成像设备是将光的强度和波长信息编码成亮度和光谱进行成像，不能获得目标偏振信息。偏振成像技术作为一项前沿技术，它在传统成像的基础上增加了偏振维的信息，不仅能提供二维空间的光强分布，还能获得目标和背景的偏振信息，在环境、农业、生物、医学等领域应用广阔。

2、变焦物镜作为偏振成像系统的前置光学装置承担了获取目标光信息的关键任务。目前为了降低变焦物镜的成本，两种方案为主，一是使用塑料透镜代替玻璃透镜；二是全部使用标准球面透镜而不使用非球面透镜。如白虎冰, 缪礼. 大口径长焦距变焦光学系统设计[j]. 应用光学,2018,39(5):58-63所述，该设计整个系统全部采用球面系统，没有使用非球面、衍射面等特殊球面，这降低了整体系统的设计、加工难度以及制造成本，该设计透镜数超过9块，整个系统较为复杂，装配误差较大。又如王海燕等.低成本高变倍光学变焦手机摄像镜头设计[j]. 激光与光电子学进展,2011,48(12): 5.,其主要利用光学塑料制成的镜片，虽然加工成本较低，但却对温度敏感，温度变化较大时，会严重影响镜头成像质量，对于工作在红外波段的物镜，由于红外光的热效应，同样不适用，这大大限制了变焦镜头的工作场景，因此不能被广泛应用。

3、解决图像融合目前的方案有两种，传统方法和基于深度学习的方法。传统方法按照理论不同又可分为多尺度变换、稀疏表示、子空间等。其中，多尺度分析方法为最常用的方法，如拉普拉斯金字塔（lp）、低通比率金字塔（rp）、离散小波变换（dwt）、双树复小波变换（dtcwt）、引导过滤（gf）、多分辨率奇异值分解（msvd）、非下采样轮廓变换（nsct）等。以上这些方法均需要针对不同的源图像采取同样的图像变换，这对融合偏振图像并不是最佳的方法，并且大多数方法中的活动水平测量和融合规则设计都是手动设计的，难以应对不同的场景。基于深度学习的方法是近几年提出的一种流行的方法，通过一个无监督的深度网络（pfnet）来解决偏振图像融合问题，网络包括编码器（encoder）、特征融合（featurefusion）和解码器（decoder），特别地，该网络在编码器中添加了密集块（dense block）以此从源图像中获得更多特征，同时采用定制的多尺度加权结构相似性网络损失函数和源图像的平均和融合图像的平均绝对差值作为网络损失函数训练网络，得到了较为理想的融合效果，同时避免了手动设计活动水平测量和融合规则，这使得深度学习的方法更适用于工程化。

4、偏振成像系统就是利用偏振成像技术实现目标图像重构，变焦物镜作为偏振成像系统的前置光学装置承担了获取目标光信息的关键任务，因此偏振成像光学系统的设计非常重要。偏振成像系统工作在近红外波段且需要远距离成像，但市面上近红外变焦镜头较少且价格较为昂贵，一方面是因为变焦物镜普遍使用较多非球面，对变焦镜头大量调研发现大多变焦镜头镜片数量大于9片，导致加工和装配成本较高；另一方面是因为要实现10倍的连续变倍设计难度相对较高。

5、直接由偏振成像系统获取的偏振图像还需要经过图像增强等算法处理后进一步提高图像质量，图像融合是图像增强的一种方法，传统的图像融合算法通常需要图像变换、活动水平测量和融合规则设计三个步骤来融合两幅图像，大多数方法都是针对不同的源图像采取同样的图像变换，这对融合偏振图像并不是最佳的方法。大多数方法中的活动水平测量和融合规则设计都是手动设计的，难以应对不同的场景。

6、本发明公开了一种成像镜头及图像处理方法。本发明设计的光学镜头，采用正组补偿，利用zemax（光学产品设计与仿真软件）优化变焦系统，可以仅使用7片标准球面透镜实现20mm-200mm的10倍连续变焦，焦距范围大，镜头成像质量良好，系统凸轮曲线平滑无断点，有效降低了偏振成像系统变焦物镜的加工成本。本发明提供的偏振图像融合算法，是基于深度学习的方法，利用分组密集连接网络学习端到端的映射，以无监督的方式训练网络，以此方式得到的融合图像在视觉直观感受和各项客观评价指标上均优于传统图像融合方法，同时避免了手动设计活动水平测量和融合规则，这种方法在工程上更加实用。

技术实现思路

1、针对上述问题，提供一种成像镜头及图像处理方法，通过采用正组补偿，利用zemax优化变焦系统，仅用7片标准球面透镜即可实现20mm-200mm的10倍连续变焦，焦距范围大，镜头成像质量良好，系统凸轮曲线平滑无断点，有效降低了偏振成像系统变焦物镜的加工成本；通过基于深度学习的偏振图像融合算法，利用分组密集连接网络学习端到端的映射，以无监督的方式训练网络，得到的融合图像在视觉直观感受和各项客观评价指标上均优于传统图像融合方法，同时避免了手动设计活动水平测量和融合规则设计。

2、为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是。

3、一种成像镜头，包括用于获取目标光的变焦物镜；所述变焦物镜采用7片表面均为标准球面的透镜构成；所述变焦物镜包括由物方到像方依次共轴设置的前固定组、变倍组、补偿组、后固定组和像面；所述前固定组、补偿组和后固定组具有正光焦度，所述变倍组具有负光焦度。

4、优选的，所述前固定组包括一片凸面向物方的双胶合正透镜；所述变倍组包括一片凹面向像方的弯月正透镜和一片双凸型负透镜；所述补偿组包括两片凸面均朝向物方的正透镜一和正透镜二；所述后固定组包括两片凸面朝物方的正透镜三和正透镜四；所述前固定组、后固定组、像面的位置和f数在变焦过程中均保持不变。

5、优选的，所述变倍组中的弯月正透镜和双凸型负透镜在变焦过程中间距保持不变，一同做移动曲线为直线的变倍运动。

6、优选的，所述补偿组中的正透镜一和正透镜二在变焦过程中间距保持不变。

7、优选的，所述正透镜一和正透镜二在所述变倍组做变倍运动时，一同做移动曲线为曲线的补偿运动来以保持物体在像方的像面位置不变。

8、优选的，所述补偿组和所述后固定组中部共轴设有光阑。

9、优选的，所述变倍组的总移动行程为96mm。

10、优选的，所述补偿组的总移动行程为34.48mm。

11、优选的，所述的一种成像镜头总长=280mm，工作波长=940nm，水平视场角范围2w=1.7°-17°，全视场在120lp/mm处的mtf>0.3，f数=3.3，最大畸变<4%，有效焦距efl=20mm-200mm。

12、优选的，一种图像处理方法，包括编码器（encoder）和解码器（decoder），包括以下步骤：

13、步骤1：所述编码器（encoder）用于接收输入图像s0和dolp，先通过1个卷积层粗略提取浅层特征，再经过分组密集连接块（gdb）提取两幅源图像深层特征图；

14、步骤2：所述两幅源图像深层特征图沿深度方向连接（concat）并相互融合得到融合特征图；

15、步骤3：所述融合特征图通过所述解码器（decoder）进行解码，并输出（output）融合图像；所述解码器（decoder）由依次串联的4个卷积层构成。

16、优选的，所述分组密集连接块（gdb）是由三个密集块（dense block）级联构成，其输出包含了每个密集块（dense block）的输入和级联密集块的输出。

17、优选的，所述密集块（dense block）的每个输出作为输入反馈到下一层，以保留更多有用信息并抑制过拟合现象。

18、优选的，所述的一种图像处理方法采用多尺度加权结构相似度（mswssim）和平均绝对误差（mae）作为网络损失函数，以无监督的深度学习方式训练网络。

19、由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果。

20、 （1）本发明采用正组补偿，利用zemax优化变焦系统，可仅通过7片标准球面透镜实现20mm-200mm的10倍连续变焦，可实现较大的变倍比，焦距范围大，镜头成像质量良好，系统凸轮曲线平滑无断点，有效降低了偏振成像系统变焦物镜的制造与加工成本。同时可大幅度简化变焦过程中手动调节变倍组与补偿组的调制与操作过程。

21、（2）本发明通过使用玻璃透镜可有效避免在近红外波段工作时，塑料透镜会产生热效应而变形的问题，镜头成像品质有保证。

22、（3）本发明的7片光学透镜的表面全部采用标准球面设计，无需自行定制与加工不规则非球面透镜，可有效降低变焦物镜的加工成本，提高镜头的成像质量。

23、（4）本发明基于深度学习的方法，利用分组密集连接网络学习端到端的映射，以无监督的方式训练网络，以此方式得到的融合图像在视觉直观感受和各项客观评价指标上均优于传统图像融合方法，同时避免了手动设计活动水平测量和融合规则，该方法在工程上更加实用。