[发明专利]一种反射式数字成像系统的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种反射式数字成像系统设计方法。

背景技术

随着电子技术和材料工艺的飞速发展，反射式成像系统经已经由卤化银胶片成像式发展为数字成像，并因其适用于长焦距、大口径、波长无选择性的优点，被广泛的应用于气象观测，资源调查，环境监测，海洋遥感，空间摄影测量，侦察和预警，行星恒星等空间物理现象观测，空间目标搜索等领域，如图1所示，成像系统的光学系统通常由主镜、次镜、校正镜组组成，显然校正镜的加入使得传统的纯反射式系统变为了折反射式系统，目标通过光学系统成像在CCD或COMS探测器上形成数字图像，人们再针对应用需求利用图像处理算法对数字图像进行或多或少的修正，而数字图像处理对于传统的反射式数字成像系统来说并非是必要的组成部分，这样，在数字处理迅猛发展的今天，就一定意义上失去了所谓“数字”成像的特点，并没有完全的挖掘出数字成像的全部优点。

反射式光学系统一般不考虑色差的影响，光学系统主要针对离焦、畸变、像散、慧差、场曲、球差等单色光学像差进行校正，传统的设计方法主要分为两个步骤：第一步，用基于光线追迹的方法对光程差函数(或者波像差)进行优化来设计光学系统。光程差函数(或者波像差)是光学系统优化设计首要考虑的因素，其可以通过离焦、畸变、像散、慧差、场曲、球差来表示，光学系统设计就是要平衡这些像差，使镜头出瞳光程差函数平方的均值最小，但是各种像差级次繁多，远远多于系统设计参数数量，导致每种像差都会有一定残留，影响图像清晰度。第二步，在光学系统设计完毕后，需要根据需求对光学系统的成像结果进行数字处理来提高图像的视觉效果即成像清晰度，处理算法主要包括提高信噪比和提高对比度。总的来说传统的设计方法是一种顺序队列式的设计，光学设计和数字处理设计相互独立，其缺点主要表现在：

(1)光学系统设计的优劣成为决定成像质量的唯一环节，导致光学系统的结构十分复杂。为了“完美”校正像差，反射式系统通常都采用非球面，而非球面由于各点曲率半径都不相同给加工带了很大困难，同时它的检测也不能用传统的球面检测方法，需要专门的辅助设备，这必然都带来加工周期、成本的增加。另外，校正镜组的引入削弱了反射式系统对成像波长无选择性的优势，降低了系统适用场合。

(2)数字处理提高图像的清晰度主要包括提高信噪比和提高对比度，图像信噪比表征了成像系统噪声程度，目标对比度表征了成像系统的调制传递函数MTF影响。图像数字处理中，平滑滤波可以提高图像信噪比，锐化滤波可以提高对比度，然而提高信噪比和提高对比度相互制约、难以兼顾，图像平滑必然降低对比度，图像锐化引入卷积算法必然会使噪声放大或引入新的噪声。

(3)光学设计和数字处理设计相互独立、不成体系。光学设计不考虑数字处理的需求，数字处理也不考虑光学设计指标对算法的影响，这使光学器件约束导致的光学设计的缺陷，和处理算法约束导致的数字处理设计的缺陷，两者在最终的数字图像上只能是相加或者放大，而无法相互抵消。

总之，传统设计中，即便光学系统和数字处理算法都已经设计的“非常好”，但是，一个“最优”的光学系统和一个“最优”的数字处理算法的组合并非意味着一个“最优”的数字成像系统，这样的组合只能实现成像系统的局部最优而非全局最优。因此，需要对传统的设计方法进行改进，使光学系统设计和数字信号处理有机结合，为简化光学系统提供一种解决途径。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种反射式数字成像系统设计方法，通过数字图像处理算法校正光学像差，从而放宽对光学系统的严格要求，降低反射式数字成像系统的复杂度。

本发明技术解决方案：一种反射式数字成像系统的设计方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)分析像差对成像清晰度损失的影响

在反射式光学系统由于光学设计、光学材料、光学加工装调等限制引起的光学像差有：离焦、畸变、像散、慧差、场曲、球差。根据波像差理论和泽尼克多项式，能够得到当光学系统仅含有一种单色像差时的点扩散函数，对离焦、畸变、像散、慧差、球差、场曲的点扩散函数分别做傅里叶变换再取模值即可得到每种像差的调制传递函数，而调制传递函数能够更直观的表示出各个单色像差对成像清晰度的影响，如图2所示，表示当光学系统仅含有一种单色像差时的调制传递函数曲线，且每种像差引起的波相差值均相等。