[发明专利]一种数字成像系统的光学和数字联合设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字成像系统的光学和数字联合设计方法。

背景技术

随着电子技术和材料工艺的飞速发展，成像系统经已经由卤化银胶片成像式发展为数字成像，现在传统的数字成像系统主要由光学系统和探测器系统组成，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数字成像系统来说并非是必要的组成部分，这样，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。

传统的数字成像系统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、色差来表示，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，来满足成像系统设计要求。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，主要包括提高信噪比、提高对比度等。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相互独立。

传统设计方法使光学系统设计的优劣成为决定成像质量的唯一环节，为了“完美”校正像差，光学镜头通常需要多片镜片构成，镜片的曲率也可能是非球面的，这导致镜头加工、装调、检测异常困难，使成像系统体积重量大、研发周期漫长、成本高昂。然而，不管镜片数量再多、曲率再复杂也远不及各个级次像差的数量，每种像差仍会有一定的残留，影响成像的清晰度。另外，尽管可以通过锐化提高对比度和平滑提高信噪比的数字处理方式来提高图像的清晰度，但是提高信噪比和提高对比度相互制约、难以兼顾，图像平滑使邻域内像素灰度值相加取平均必然降低对比度，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。并且光学设计和数字处理设计在设计上相互独立，不成体系。

因此，需要对传统设计方法进行改进，使光学系统设计和数字信号处理有机结合，为简化数字成像系统提供一种解决途径。

发明内容

本发明技术解决问题：提供一种使光学设计和数字处理相互联系的数字成像系统设计方法，使数字处理能够有效的补偿光学系统的遗留像差，实现光学设计和数字处理设计的联合迭代优化，用数字处理分担光学系统的压力，一定程度上降低了光学系统的复杂度。

本发明技术解决方案：一种数字成像系统的光学和数字联合设计方法，实现步骤如下：

(1)建立成像目标的先验模型

成像目标先验模型包含光学设计和数字处理设计所需的成像目标先验信息，主要包括物理先验信息、噪声先验信息、纹理先验信息、成像过程先验信息。

(11)物理先验信息：功率谱密度函数反应了目标空间频率的变化范围，具体可以参考现有技术得以理解，在此不做赘述。(P.D.Welch.The use of fast Fourier transforms for the estimation of power spectra:A method based on time averaging over short modified periodograms.IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics 15,70-73(1967).)；

(12)噪声先验信息：噪声是一个随机过程,噪声灰度值是一个随机向量,按照其统计特性可分为：高斯噪声、Gamma噪声、泊松噪声、瑞利噪声。在空间域,噪声灰度值是随机跳变的；在频率域,噪声信息在高频段，具体可以参考现有技术得以理解，在此不做赘述。(Rafael C.Gonzalez and Richard E.Woods.Digital image Processing.3rd Edition.Prentice Hall PTR,2007.)；