[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于叠层扫描的相位差波前探测和图像复原方法，其特征在于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：其中，D_k(f_x,f_y)是调制光阑处在第k个扫描位置时图像传感器采集的子图像的傅里叶变换，H_k(f_x,f_y)是调制光阑处在第k个扫描位置时对应的光学通道的光学传递函数，是H_k(f_x,f_y)的共轭，K为扫描的次数，f_x，f_y为像平面频域的坐标；2)根据傅里叶光学，估计出第k个光学通道的点扩散函数，系统的波前相位分布由泽尼克多项式来表征：其中Zn(u,v)表示第n阶泽尼克多项式，αn表示第n阶泽尼克多项式的系数；3)目标函数E演变为关于变量α_n的函数E(α)，采用最优化算法寻找使目标函数最小的解，求得待测的波前畸变4)根据求得的波前畸变，利用下式复原图像R：该方法利用的装置包括成像系统(1)，空间调制单元(2)，图像传感器(3)和计算机(4)；其中空间调制单元(2)放置于成像系统(1)的出瞳面上，图像传感器置于成像系统(1)的像平面上，并输入到计算机(4)中；成像目标发出的光波进入到成像系统(1)中，受到空间调制单元(2)的叠层调制后，在图像传感器(3)上成像，该图像存储在计算机(4)中，最后利用算法对所有子图像进行处理得到探测的波前以及恢复的图像；该方法需要对成像系统的光瞳平面进行叠层扫描的空间调制，用于调制的小孔径光阑在光瞳二维平面内依次平移一定的距离完成扫描，并保证相邻平移位置间光瞳平面上被光阑扫描的区域内存在一定的交叠，交叠部分对应的像差使采集的子图像含有部分相同的相位信息，而非交叠部分对应的像差则在采集的子图像中引入了相位差异；该方法子图像之间的相位差异隐藏在已知的扫描位置信息里，而不是引入的额外像差，因此，采集的子图像得以保留更多的细节信息，从而提高波前探测的范围和精度；该方法叠层扫描不仅可以由机械移动平台完成，也可以由数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)或者空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)快速光学器件来完成，其相应速度也足够保证本发明对准静态像差的探测；该方法通过引入离焦量来产生不同的光学通道，采用空间调制的方式得到含有相位差异的子图像，使图像得以保留更多细节信息，能够对更大范围的波前畸变进行更为准确的测量，提高了相位差法的波前探测能力；该方法采用小孔径光阑对光瞳平面进行空间调制，使得一般的CCD像素尺寸都满足光学系统要求的奈斯奎特采样频率，保证了相位差算法的有效性，扩大了相位差法的应用领域；该方法采用空间调制和相位差法相结合，以较小的时间代价消除了系统对其他光学元件的需求，避免引入额外的相位误差，使整套系统也更紧凑，成本更低廉，使用更方便。