[发明专利]一种基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原方法

说明书

本发明涉及一种基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原方法，可用于恢复波前畸变，并且能够有效复原受像差影响的模糊图像。本发明将一个小孔径的光阑在成像系统的光瞳平面内以叠层扫描的方式进行移动，并用图像传感器记录下相应的受不同像差影响的子图像。通过使用基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原算法对记录的系列子图像进行处理，可以探测出系统的波前畸变并复原图像。本发明采用小孔径的光阑进行空间扫描以产生含有相位差异的子图像，相对于目前用于相位差法的各种技术，更容易满足奈斯奎特采样频率，像差探测范围大，并且无需离焦光路和各种衍射器件，具有系统紧凑，使用方便等优点。

技术领域

本发明涉及波前探测和图像复原的技术领域，特别涉及一种基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原方法。

背景技术

相位差法首先由Gonsalves R A提出，通过在待测波前中添加已知的离焦像差，根据得到的焦面光强分布和多幅位于不同离焦面的光强分布，基于最小二乘，采用GS算法可有效探测波前畸变，同时恢复受像差污染的模糊图像。该技术因结构简单、测量精度高以及对光源无特殊要求，在遥感和波前探测领域得到了广泛的应用，受到了国内外科研工作者的广泛关注和研究。例如美国亚利桑那光学中心、洛克希德-马丁公司下属实验室等国外科研机构相继搭建了实验平台对相位差技术进行研究，力图完善其算法性能并拓展其应用；在国内，中科院光电所自适应光学重点实验室也开展了相关研究，提出了多种改良的相位差波前探测器。

但是，目前相位差法仍然存在多种局限：相位差法本质上是一种基于图像的反演技术，需要根据采集的光强信息来提取波前信息和复原图像，作为先验信息而人为引入的像差势必会使图像丢失部分信息，从而影响波前探测的精度以及复原图像的质量，相位差法对波前畸变的探测能力因此受到制约；在对于分辨率有很高要求的应用领域，例如天文观测，成像系统的口径需要做得很大，常见CCD的像元尺寸很难满足奈斯奎特采样定律，在后端算法处理中往往需要做插值，从而影响相位差算法的复原精度；目前广泛应用的相位差波前探测和成像系统都需要额外的光学元件，常见的如分光镜和反射镜，特殊的如发明专利CN102331303使用的光栅，以及发明专利CN102564612B提出的组合棱镜，这些光学元件的使用可以保证图像采集的实时性、增强对高频像差的探测能力，却增加了系统的体积、复杂度和成本，并引入额外的系统误差以及未知像差，严重影响算法精度。

本发明提出一种基于叠层扫描的相位差新方法及装置，采用小孔径光阑进行空间调制来产生相位差异图像，没有引入额外像差，使原图像得以保留更多细节信息，小孔径光阑的使用，也使一般的CCD像素尺寸都可以满足光学系统要求的奈斯奎特采样频率，从而提高了波前探测的精度和图像复原的质量。另外，本发明无需离焦光路和额外的光学元件，具有光路紧凑、使用便捷、成本低廉等优点。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题和实现的复杂程度，本发明提出了一种基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原方法。

本发明采用的技术方案是：一种基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原方法，该方法包含以下步骤：

第一步，将小孔径的光阑在成像系统的光瞳平面内以叠层扫描的方式进行平移，并用图像传感器依次记录下与各扫描位置所对应的受不同像差影响的子图像；

第二步，使用基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原算法对序列子图像进行处理，得到待测的畸变波前和复原的图像，处理算法流程如下：

1)根据极大似然估计或最小二乘优化理论建立目标函数E：