[发明专利]提高图像分辨率的方法和装置

说明书

本发明涉及含焦平面阵列(FPA)器件的光电成像系统，较具体地涉及突破FPA对这种成像系统图像分辨率的限制的方法与装置。

例如含电荷耦合器件(CCD)、光敏二极管阵列等FPA的光电成像系统在国防和民用方面有着广泛的应用。其成像过程可简单描述如下：目标被光学系统成像到FPA的各光敏元上，经抽样转换成一个代表以FPA的像元距倒数为抽样频率的目标图像的电信号，通过低通滤波等适当的电路(模拟或数字)的处理后，最后由显示器、打印机等设备重现出人眼能够接受的连续图像形式。

根据香浓(Shannon)抽样定理，当经过光学系统的目标图像在抽样前仍含有超过探测阵列奈奎斯特(Nyquist)频率(二分之一抽样频率)的高频成分时，则抽样后，这些高频成分将叠加到奈奎斯特频率之内的频率(以下称为“低频”)成分上，产生混淆。混淆不仅使这些高频所对应的图像精细结构无法辨认，而且还会因对低频成分的干扰而引起对目标图像的错误理解。所以如何减少混淆、提高分辨率，是增强光电成像系统像质所亟待解决的问题。

一种提高光电成像系统分辨率的方法是加大光学系统的焦距，使FPA像元距在物面上(目标面)的反向投影减小，从而等效于增加了抽样频率和奈奎斯特带宽(NBW)。但是，若维持原来的视场范围，则必须增加FPA的大小，即增加像元数，这样，无论采用长焦距镜头还是加大的FPA都将使系统的尺寸、重量和造价大幅增加。另一种提高光电成像系统分辨率的途径是直接减小像元距。但是，即使不考虑材料处理的工艺难度，像元尺寸也要受到聚焦到光敏元上的电磁辐射的波长的物理限制。例如，若将红外光敏元减小到与红外波长接近的3μm甚至更小的尺寸，则红外辐射能量就无法通过这种材料转换成电信号。

因此，目前的技术一般采用微扫描法来提高光电成像系统分辨率。它主要用微扫描装置使目标图像相对于探测阵列进行亚像元位移而得到同一目标的一系列抽样图像，在各方向需要移动的亚像元距离取决于各方向需要的微扫描级数，如2×2的微扫描在两个方向上都需要半个像元距的位移，共4帧图像，3×3微扫描需要三分之一像元距的位移，共9帧图像。其后将这些图像合成一帧抽样频率提高的图像，使系统NBW和分辨能力提高。提高的倍数等于微扫描级数。大多微扫描都采用了反射装置，例如见美国专利No.4,517,603(Epsztein and Guyot)、No.4,755,876(Dangler)和No.4,633,317(Uwira et al.)等，这种技术灵活性比较好，但也存在不少缺点，例如由于反射，光路发生弯折，透镜的最小F数(其定义为透镜焦距与孔径直径的比值)便受到渐晕限制；而且为了安装弯折光路的对应元件，透镜后面的工作距离还必须设计得足够大。少数微扫描没有采用反射装置，如美国专利No.5,291,327(McEwen)中提出的利用转盘控制透射区域的微扫描技术，但又引入了一些新的问题：一张转盘只对应一种亚像元位移、灵活性差；帧频严重受限于转盘旋转速度和透射区域大小等因素。无论通过什么方法实施微扫描，均是为了获得同一目标相同抽样频率、均匀亚像元位移的多帧抽样图像，从频域上看，这些图像的相位因子恰好均分一个圆周，所以混淆频谱能够相互抵消。这就要求微扫描必须具有足够高的位移精度，使得相位因子能够恰好均分一个圆周。然而精度要求还会随着微扫描级数的增加或实际像元尺寸的减小，即所需亚像元位移的减小，而成倍上升，使得高频振动的小位移的机械装置变得更复杂。况且对于二维图像还需要控制两个方向上的机械位移。因此微扫描装置的价格向来昂贵，这也是其尚未被广泛使用的一个主要原因。

本发明的目的是避免上述不利因素，为提高光电成像系统分辨率提供结构简单、成本较低的微变焦方法与装置以及专门用于消除周期目标莫尔赝像的双倍率方法与装置。