一种基于相位编码的超分辨成像系统及超分辨方法

本发明属于计算光学成像技术，具体为一种基于相位编码的超分辨成像系统及超分辨方法。

背景技术：

1、超分辨成像是通过采集单帧或多帧低分辨率图像对目标场景进行细节恢复，从而提升探测器的细节分辨能力的成像技术。然而，限制探测器的分辨率的本质是像元尺寸过大导致奈奎斯特采样不足，图像的高频信息混叠到低频中从而出现图像马赛克的现象。其中一个提升图像分辨率的方式是缩小像元物理尺寸，虽然缩小像元能带来分辨率的提升，但同时由于单位面积进光量的减少导致信噪比急剧下降，且从硬件水平上提升像素分辨率的方式已经到达物理极限，难以再继续突破。目前可以在成像系统的孔径平面加入特定的图案进而改变光瞳形状实现点扩散函数的变化，并采集多帧编码图案经过算法重建后也能实现分辨率的提升，但目前所采用的编码掩膜基于强度掩膜，其牺牲一定的光通量以换取点扩散函数的各向异性调控。因此，如何在不损失光通量的同时实现成像系统的编码调控，成为孔径编码超分辨成像系统亟需解决的问题。

2、波前编码技术是通过在光学成像系统的孔径平面中加入一块特殊设计的相位掩膜板对波前进行调制，成像系统的光学传递函数或点扩散函数对离焦不敏感，从而在探测器上形成差异不大的模糊中间像，并通过数字滤波的手段恢复出清晰图像。波前编码所加入的相位掩膜板通常是对石英晶体刻蚀得到的，其基本不损失光通量即可实现编码调控，通过设计相位掩膜板的参数以满足超分辨亚像素级光强调控，但波前编码一般用于拓展成像系统的景深，并未应用到超分辨成像调控中。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于相位编码的超分辨成像系统及超分辨方法，该发明搭建了基于相位编码的超分辨成像系统，通过优化设计编码相位函数的形式，以实现在不损失光通量的前提下提供各向异性的点扩散函数调控，从而在高信噪比调控下实现2.5倍的像素分辨率的提升。

2、实现本发明目的的技术方案为：一种基于相位编码的超分辨成像系统，包括成像主镜头1、4f中继镜头2、相位掩膜板3、4f中继镜头4、相机5、电动旋转台6，将成像主镜头1的孔径平面中继成像到相位掩膜板3，相位掩膜板3处于4f中继透镜一2的后焦面上，通过电动旋转台6旋转相位掩膜板3以实现对成像主镜头1的孔径平面的调制并减少成像系统的像差，中继透镜一2设置在成像主镜头1与相位掩膜板3之间，4f中继透镜二4设置在相位掩膜板3与相机5之间，相机5位于4f中继透镜二4的后焦面上，成像主镜头1、相位掩膜板3、相机5分别固定安装在光学平台上，在调节成像主镜头的焦距时，相机5与相位掩膜板3相对于成像主镜头1的位置保持不变，成像主镜头对物体成像的一级像面落在4f中继透镜一前焦面上。

3、一种基于相位编码的超分辨成像方法，具体步骤为：

4、步骤1：构建如权利要求1所述的基于相位编码的超分辨成像系统，通过电动旋转台6控制旋转相位掩膜板3并依次记录n幅相位编码低分辨率图像及对应的光学传递函数；

5、步骤2：将所有相位编码低分辨率图像进行求和取平均后上采样得到初始化的高分辨率物体振幅，并对初始化的高分辨率物体振幅作傅里叶变换，得到初始化的高分辨率物体频谱；

6、步骤3：选取第k幅光学传递函数对高分辨率物体频谱进行编码得到高分辨率调制图像频谱，并对高分辨率调制图像频谱作傅里叶逆变换后降采样得到低分辨率调制图像；

7、步骤4：求低分辨率编码调制图像与相位编码低分辨率图像的比值为低分辨率更新矩阵，并上采样低分辨率更新矩阵得到高分辨率更新矩阵；

8、步骤5：利用高分辨率更新矩阵对高分辨率调制图像进行空域约束得到高分辨率更新调制图像，并作傅里叶变换得到高分辨率更新调制图像频谱；

9、步骤6：利用空域约束后高分辨率更新调制图像频谱与空域约束前的高分辨率调制图像频谱相减得到调制图像频谱增量，并采用自适应步长调整编码图像频谱增量与光学传递函数反卷积的比例以更新后高分辨率物体频谱；

10、步骤7：对下一幅相位编码低分辨率图像以及下一个光学传递函数，重复迭代步骤3～6，直到所有相位编码低分辨率图像都遍历一次。

11、步骤8：重复步骤3～7，直到相位编码低分辨率图像与低分辨率调制图像的均方误差小于收敛阈值。

12、优选地，基于相位编码的超分辨成像系统的相位掩膜板的参数按照以下方法确定：

13、确定相位掩膜函数w(x,y)的表达式，具体为：

14、w(x,y)＝αx2+βyn

15、式中，n为幂指数参数，α，β为相位掩膜参数，(x,y)为x-y坐标轴。

16、设计相位掩膜板3的幂指数参数n、相位掩膜参数α，β的取值将成像系统的光学传递函数形状设置为单缝形状。

17、优选地，对相位掩膜板3等角度ω旋转n次并依次记录对应的编码图案patternk，旋转角度以及对应的光学传递函数otfk的表达式为：

18、

19、其中，表示对patternk进行自相关操作，max(...)表示取最大值操作，patternk为第k幅编码图案，otfk为第k幅光学传递函数，ω为旋转角度，n为旋转次数。

20、优选地，步骤2中的高分辨率物体振幅具体为：

21、

22、式中，imresize(a,b,c)表示将a按照c插值格式将图像变换至b尺寸，表示傅里叶变换，表示第iter＝1次迭代中第k＝1幅相位编码对应的高分辨率物体振幅，即初始化的高分辨率物体振幅，为相位编码低分辨率图像，表示第iter＝1次迭代中第k＝1幅相位编码对应的高分辨率物体频谱，即初始化的高分辨率物体频谱，hrsize为高分辨率图尺寸，'nearest'为最邻近插值格式。

23、优选地，利用高分辨率更新矩阵对高分辨率调制图像进行空域约束得到高分辨率更新调制图像的具体公式为：

24、

25、式中，表示为第iter次迭代中第k幅相位编码对应的高分辨率更新调制图像。

26、优选地，利用空域约束后高分辨率更新调制图像频谱与空域约束前的高分辨率调制图像频谱相减得到调制图像频谱增量，并采用自适应步长调整编码图像频谱增量与光学传递函数反卷积的比例以更新后高分辨率物体频谱的具体公式为：

27、

28、其中，δimageiter,k表示第iter次迭代中第k幅相位编码对应的调制图像频谱增量，表示第iter次迭代中第k幅相位编码对应的高分辨率更新调制图像频谱，表示第iter次迭代中第k幅相位编码对应的高分辨率调制图像频谱，表示第iter次迭代中第k幅相位编码对应的高分辨率更新物体频谱，表示第iter次迭代中第k幅相位编码对应的高分辨率物体频谱，otfk表示第k幅光学传递函数，stepsize表示为自适应步长参数，ε表示正则化参数。

29、本发明与现有技术相比，其显著优点：相对基于强度编码掩膜超分辨成像系统而言，本发明能够在不损失信号能量的前提下获取点扩散函数的各向异性调控，其提升的分辨能力不亚于强度编码掩膜调控，进而突破奈奎斯特采样频率实现高分辨率、高信噪比成像。此外，相比于一般的基于微扫描的超分辨成像系统而言，本发明的超分辨成像系统结构简单，测量快速，操作简易，无需加入复杂的机械扫描装置即可实现稳定的分辨率提升，最终可将成像目标分辨率提升2.5倍以上。

30、下面结合附图对本发明作进一步详细描述。