一種編碼掩模光學成像系統的建模方法
【專利摘要】一種編碼掩模光學成像系統的建模方法：根據編碼掩模成像系統的結構，按照編碼掩模成像系統的成像原理得到整個編碼掩模成像系統基本模型；將整個編碼掩模成像系統基本模型視為由兩個模塊級聯構成；將由兩個模塊級聯構成的整個編碼掩模成像系統基本模型中的點擴散函數代入整個編碼掩模成像系統基本模型得到整個編碼掩模成像系統模型：g(x,y)＝h1(x,y)*h2(x,y)*go(x,y)+n(x,y)。本發明能夠更為方便快速地得到系統的點擴散函數，省去了實際系統制作、搭建和調試的準備過程，并且避免了實際測量中可能出現的操作誤差。能夠為編碼掩模成像系統的結構設計、尤其是編碼掩模的碼型設計提供重要的指導性作用，也便于以此模型為基礎進行進一步的理論研究和推廣。
【專利說明】一種編碼掩模光學成像系統的建模方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種編碼掩模光學成像系統的建模方法。特別是涉及一種用于對編碼掩模光學成像系統中的透鏡系統和掩模結構的傳輸特性進行描述的編碼掩模光學成像系統的建模方法。
【背景技術】
[0002]編碼掩模成像系統最早起源于X射線等重粒子射線的探測和成像過程中。由于遠距離輻射的重粒子射線無法被傳統的光學透鏡系統聚焦到探測器上，故使用具有一定碼型結構的編碼掩模對到達探測系統的重粒子射線進行調制，并需要對探測到結果配合相應的圖像解碼技術來對原始重粒子的福射源場景進行還原和成像(E.E.Fenimore, andT.M.Cannon, "Coded aperture imaging with uniformly redundant arrays, 〃ApplOptics 17，337-347(1978))?
[0003]如今，編碼掩模成像技術已經被廣泛應用于可見光成像、紅外成像等領域，以此來改善或是控制光學系統的點擴散函數，從而提高原有成像系統的圖像分辨率。比如，Gottesman教授將光學掩模加在光學系統前，用來提高整個光學系統直接成像的點擴散函數的尖銳度(S.R.Gottesmanj 〃Coded apertures: past, present, and futureapplicat1n and design,〃in Adaptive Coded Aperture Imaging and Non-1magingSensors (San Diego, CA，2007)，p.671405) ；Levin教授在可見光相機的光闌處放置編碼掩模擋光板，來調整成像系統點擴散函數對場景景深的敏感程度，從而以單幅圖像成功還原出原始場景的景深信息(A.Levin, R.Fergus, Fr，D.Durand, and W.Τ.Freeman, 〃Image anddepth from a convent1nal camera with a coded aperture, 〃in ACM SIGGRAPH 2007papers (ACM, San Diego, California, 2007)，p.70) ；QinetiQ 公司在光路中加入可調制編碼掩模，通過對同一場景使用不同碼型的編碼掩模，得到不同點擴散函數下的光學探測結果，進而通過多巾貞處理的方法，實現對原始場景的高分辨率成像(C.Slingerj M.Eismannj N.Gordon, K.Lewis, G.McDonald, M.McNiej D.Payne, K.Ridley, M.Strensj G.De Villiersj andR.Wilson，〃An investigat1n of the potential for the use of a high resolut1nadaptive coded aperture system in the mid-wave infrared, 〃in Adaptive CodedAperture Imaging and Non-1maging Sensors (San Diego，CA，2007)，p.671408)。
[0004]可見，編碼掩模成像系統的根本目的是通過加載編碼掩模來對整個成像系統的點擴散函數進行控制。目前，對于編碼掩模成像系統的點擴散函數基本上是以實際測量為主要的獲取方式。該方法直觀準確，但是光學系統設計和優化過程中往往需要反復測試來得到成像結果，使得操作過程繁雜。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是，提供一種可以對編碼掩模光學成像系統的成像方式和成像結果進行定量描述和分析，并作為計算機模擬仿真的依據，從而簡化獲取點擴散函數過程的編碼掩模光學成像系統的建模方法
[0006]本發明所采用的技術方案是:一種編碼掩模光學成像系統的建模方法，包括如下步驟:
[0007]I)根據編碼掩模成像系統的結構，按照編碼掩模成像系統的成像原理得到整個編碼掩模成像系統基本模型:
[0008]g (χ, y) = h (χ, y) *g。(x, y) +η (x, y)，式中，
[0009]h(x, y)為整個編碼掩模成像系統的系統函數又叫作點擴散函數，g0(x, y)為原始場景，n(x，y)為背景噪聲，g(x，y)為成像結果，*為卷積運算，x、y是位于探測器平面上的、原點位于探測器平面中心的平面直角坐標系的橫坐標和縱坐標；
[0010]2)將整個編碼掩模成像系統基本模型視為由兩個模塊級聯構成:編碼掩模與理想聚焦透鏡組的成像部分h (x, y)，以及實際透鏡組的非理想聚焦成像部分h2 (x, y)，根據波動光學成像原理，將整個編碼掩模成像系統基本模型中的點擴散函數h(x，y)表示為:
[0011]h (x, y) = hi (x, y) *h2 (x, y)；
[0012]3)將步驟2)所述的整個編碼掩模成像系統基本模型中的點擴散函數h(x，y)代入步驟I)得到整個編碼掩模成像系統模型:
[0013]g (X，y) = Ii1 (χ, y) *h2 (x, y) *g。(x, y) +η (χ, y)。
[0014]所述的編碼掩模與理想聚焦透鏡組的成像部分Ii1 (x, y)是根據傅立葉光學原理得到:
[0015]hjx’y) = |F{t(x，y)} I2，
[0016]其中，t(x，y)為編碼掩模的碼型結構，F為傅立葉變換符號；
[0017]所述的實際透鏡組的非理想聚焦成像部分h2(x，y)是根據實際測量或是產品手冊得到:
[0018]h2(x, y) = f1 (x, y)
[0019]式中，fx (x, y)是實際透鏡組的非理想聚焦成像的點擴散函數；
[0020]將Ill (x, y)和h2 (x, y)代入整個編碼掩模成像系統模型，最終得到整個編碼掩模成像系統模型:
[0021 ] g (χ, y) = IF {t (x, y)} 12^f1 (x, y) *g。(χ, y) +η (χ, y)。
[0022]將入射光與χ軸和y軸夾角分別設為Y和δ，并代入步驟2)中的整個編碼掩模成像系統基本模型中的點擴散函數h(x，y)得到:
[0023]h(x, y ； Y , δ ) = K1 (x, y ； Y , δ ) ^h2 (χ, y ； Y , δ )，
[0024]其中，記光波經過編碼掩模理想成像系統到達探測器平面上的振幅分布為U(χ，y ；Y, S )，則有:
[0025]hi (x, y ； Y , δ ) = U (χ, y ； Y , δ ) |2,
[0026]h2(x,y ；Υ, δ)是按照入射光的傾斜角度通過實際測量或是產品手冊來得到，
[0027]因此，編碼掩模成像系統的點擴散函數h(x，y)的表達按照入射光的傾斜角度(Y , δ)修正為:
[0028]h(x, y ； Y , δ ) = U (x, y ； Y , δ ) 2^f1 (χ, y ； Y , δ )，并代入整個編碼掩模成像系統模型，最終得到整個編碼掩模成像系統模型:
[0029]g(x, y ； Y , δ ) = U (x, y ； Y , δ ) 2^f1 (χ, y ； Y , δ ) *g。(χ, y ; γ，δ )+η (χ, y ；Y, δ )
[0030]根據光學波動原理，U (x，y ; Y，δ )滿足:
【權利要求】
1.一種編碼掩模光學成像系統的建模方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)根據編碼掩模成像系統的結構，按照編碼掩模成像系統的成像原理得到整個編碼掩模成像系統基本模型:
g (X，y) = h (X，y) *g0 (X，y) +n (x, y),式中， h(x, y)為整個編碼掩模成像系統的系統函數又叫作點擴散函數，g()(X，y)為原始場景，n(x, y)為背景噪聲，g(x, y)為成像結果，*為卷積運算，X、y是位于探測器平面上的、原點位于探測器平面中心的平面直角坐標系的橫坐標和縱坐標； 2)將整個編碼掩模成像系統基本模型視為由兩個模塊級聯構成:編碼掩模與理想聚焦透鏡組的成像部分hjx，y)，以及實際透鏡組的非理想聚焦成像部分h2(x，y)，根據波動光學成像原理，將整個編碼掩模成像系統基本模型中的點擴散函數h(x，y)表示為:
h (X，y) = hi (X，y) *h2 (x, y)； 3)將步驟2)所述的整個編碼掩模成像系統基本模型中的點擴散函數h(x，y)代入步驟I)得到整個編碼掩模成像系統模型:
g (X，y) = K (X，y) *h2 (X，y) *g。(x, y) +η (χ, y)。
2.根據權利要求1所述的一種編碼掩模光學成像系統的建模方法，其特征在于，所述的編碼掩模與理想聚焦透鏡組的成像部分Ii1(Xj)是根據傅立葉光學原理得到:
K (x, y) = F{t(x, y)} |2, 其中，t(x，y)為編碼掩模的碼型結構，F為傅立葉變換符號； 所述的實際透鏡組的非理想聚焦成像部分h2(x，y)是根據實際測量或是產品手冊得到:
h2(x，y) = fi (χ, y) 式中，^(χ, y)是實際透鏡組的非理想聚焦成像的點擴散函數； 將匕“，y)和1!2(1，y)代入整個編碼掩模成像系統模型，最終得到整個編碼掩模成像系統模型:
g(x, y) = IF {t (x, y)} 12^f1 (x, y) *g。(χ, y) +η (χ, y)。
3.根據權利要求1所述的一種編碼掩模光學成像系統的建模方法，其特征在于，將入射光與χ軸和y軸夾角分別設為Y和S，并代入步驟2)中的整個編碼掩模成像系統基本模型中的點擴散函數h(x，y)得到:
h(x, y ； Y , δ ) = h^x, y ； y , δ ) *h2 (x, y ； y , δ )， 其中，記光波經過編碼掩模理想成像系統到達探測器平面上的振幅分布為U(x’y;Y, S )，則有:
h! (x, y ； Y , δ ) = U(x, y ； γ , δ ) |2， h2(x,y ；Υ, δ)是按照入射光的傾斜角度通過實際測量或是產品手冊來得到， 因此，編碼掩模成像系統的點擴散函數h(x，y)的表達按照入射光的傾斜角度(Y，δ)修正為:
h(x, y ； Y , δ ) = U(x, y ； y , δ ) 2^f1 (χ, y ； γ , δ )，并代入整個編碼掩模成像系統模型，最終得到整個編碼掩模成像系統模型:
g(x, Y ; Y , δ ) = U(x, y ； Y , δ ) 12^f1 (χ, y ； Y , δ ) ^go (χ, y ； γ , δ ) +η (χ, y ； Y , δ ) 根據光學波動原理，U (χ，y ; Y，δ )滿足:
其中，f為編碼掩模成像系統中透鏡組的焦距長度，單位為米； λ為編碼掩模成像系統所使用的入射波波長，單位為米； i為復數單位； U0為編碼掩模成像系統所使用的入射波的幅度值，單位為米； k為編碼掩模成像系統所使用的入射波的波數； rQ為編碼掩模成像系統中，入射波在編碼掩模的入射點位置到在探測平面成像點位置的距離，單位為米。
【文檔編號】G06F17/50GK104182579SQ201410412361
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月20日 優先權日:2014年8月20日
【發明者】張傲, 汪清, 金杰, 楊敬鈺, 孫懿 申請人:天津大學