[发明专利]一种单片式宽波段衍射计算成像方法

说明书

本发明公开了一种单片式宽波段衍射计算成像方法，解决了应用传统衍射元件成像时成像系统结构复杂、成本高、波段窄的问题。本发明提供的衍射计算成像方法，可以在仅使用单片衍射镜片的情况下，实现可见光波段下高色彩保真度的清晰成像。本发明涉及光学设计与图像处理领域，包括如下步骤：根据应用需求对传统衍射元件进行消色差优化设计，根据消色差优化后的衍射元件的点扩散函数设计复原算法，使用该算法对消色差衍射透镜的成像图像进行复原，最终实现可见光波段下单片衍射元件的计算成像，具有低成本、轻量化、宽波段等优势，同时保持高色彩保真度的清晰成像。

技术领域

本发明涉及光学计算摄影领域，尤其涉及一种单片式宽波段衍射计算成像方法。

背景技术

降低光学系统复杂性的高质量成像技术一直以来都是工业生产和科研工作的研究目标。为了获得高分辨率图像，传统折/反射式光学系统的做法是增大系统口径或引入多个光学元件来补偿像差，增加了成像系统结构的复杂性、制造成本以及成像系统的质量。衍射光学元件具有超薄和轻巧的物理结构，大而灵活的设计空间和更好的聚焦性能以及离轴成像性能，这些有点使其成为解决高质量成像与轻量化简单光学系统之间矛盾的途径之一。

然而，由于衍射本身存在的严重波长依赖性，在应用衍射光学元件成像时会出现强烈的色散，非设计波段的成像会出现大直径模糊，从而大大降低了宽波段成像时的图像质量，甚至在单个色彩通道的波长范围内也会出现色散模糊，因此传统衍射光学元件的应用常局限于窄波段成像系统。

随着现代计算机计算能力的飞速发展，计算成像技术已可将图像重建算法作为光学系统的虚拟组件进行引入，将光学系统的负担转移到计算机计算能力上。计算成像技术可以先采集后处理，经光学系统采集的信息需要经过图像端处理才能直接使用，其将光学设计与算法设计相结合，以最终经过处理后的图像质量作为目标来优化光学系统，所以光学部分的设计会根据后端处理方式不同而选择不同的设计目标(不一定以图像清晰度作为目标)，这也是计算成像区别于传统光学设计方法的地方。目前这一技术已使得一些超轻型单片镜成像系统问世，并且为进一步突破衍射光学元件在成像系统上的应用时所面临的带宽、视场、系统质量、复杂性等限制提供了方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：应用传统衍射元件成像时成像系统结构复杂、成本高、波段窄的问题，实现低成本、轻量化、宽波段、保持高色彩保真度的清晰成像。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种单片式宽波段衍射计算成像方法，包括如下步骤：

步骤1：设置优化消色差衍射透镜的设计参数，所述的设计参数包括光学孔径、设计波段、优化迭代次数，根据设计波段进行等间隔密集采样得到N个优化波长，记为[λ₁,λ₂,…,λ_N]，然后生成N个分别以λ₁,λ₂,…,λ_N作为设计波长的传统位相菲涅尔衍射透镜的台阶结构；

步骤2：在光学孔径面按径向划分N个等面积区域，记为S₁,S₂,…,S_N，区域S_i的结构与设计波长为λ_i的传统位相菲涅尔衍射透镜台阶结构相同，将S₁,S₂,…,S_N组合形成分区消色差衍射透镜；

步骤3：将所述分区消色差衍射透镜的所有台阶高度作为参数输入，使用粒子群优化算法进行优化迭代，优化的成本函数为各个波长的点扩散函数与所有波长的平均点扩散函数的差值的加权和，当成本函数小于设定值或达到最大迭代次数时，所述的优化迭代即停止，此时得到的台阶结构即为优化消色差衍射透镜的台阶结构；

步骤4：对一幅由所述优化消色差衍射透镜退化的图像，通过双三次样条插值，对其进行0.5倍下采样得到低尺度图像，通过Tikhonov正则化对其进行第一次去卷积复原；