[发明专利]一种透射式数字成像系统设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种透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，透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，现在传统的数字成像系统主要由透射式光学系统和探测器系统组成，如图1所示，目标通过透射式光学系统成像在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(特别是对于日常的消费相机，如卡片式相机、单镜头反射式相机)来说并非是必要的组成部分，特别是在数字图像处理软硬件技术件日新月异的今天，如果不充分使用数字处理技术，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。

透射式数字成像系统的传统设计方法中，光学系统设计通过光线追迹理论来选择光学元件平衡像差(离焦、畸变、像散、慧差、场曲、球差、色差)，由于各级次的像差数量繁多，远远多于光学系统结构参数的数量，且受加工装调工艺和玻璃材料类型的限制，使每种像差都会有一定的残留，影响成像结果的清晰度，数字处理仅作为一个成像效果修正的非必要环节，即便需要对成像结果进行增强处理光学设计也并不考虑数字处理的设计要求；而在设计数字处理算法时，仅从数字图像字节信息出发，利用信号处理理论对图像进行清晰度的增强使图像尽可能的满足应用需求，也不考虑光学系统的设计参数对算法设计的影响。

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，导致光学系统的结构十分复杂。为了“完美”校正像差，光学系统通常需要复杂的十到三十片透镜构成，同时也使得成像系统体积重量大、研发周期漫长、成本高昂。例如，我们日常使用的单反镜头通常由10-20片透镜组成，每个镜片的焦点都要在一条直线上，否则成像就会“差之毫厘，失之千里”，大大提高了镜头加工和装配的难度，并且镜片数量越多光能利用率也越低。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。

因此，为了简化透射式的光学镜头，节省成本，就需要对传统设计方法进行改进，发挥数字处理的优势，使数字处理能够一定意义上替代光学镜头中的部分光学镜片。

发明内容

本发明技术解决问题：提供一种透射式数字成像系统设计方法，使数字处理能够补偿光学系统设计的遗留像差，从而放宽对光学系统的要求，一定程度上简化透射式光学系统。

本发明技术解决方案：一种透射式数字成像系统设计方法，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，主要包括噪声先验信息、纹理先验信息、图像统计先验信息。

(11)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噪声等。具体可以参考现有技术得以理解，在此不做赘述。(RafaelC.GonzalezandRichardE.Woods.DigitalimageProcessing.3rdEdition.PrenticeHallPTR,2007.)；

(12)纹理先验信息：纹理是自然图像的固有特征,它往往反映了目标内部的精细结构以及具有不规则性和相似性的振荡行为。具体可以参考现有技术得以理解，在此不做赘述。(D.MumfordandJ.Shah.Optimalapproximationsbypiecewisesmoothfunctionsandassociatedvariationalproblems.Comm.PureAppl.Math.,42:577-685,1989.)；

(13)噪声先验信息反应了数字成像系统的噪声成分与程度，纹理先验信息反应了图像中自然景物纹理保持特性，这两方面先验信息都用来对数字处理校正像差时加以约束提高求解的精确度，设计参数集合表示为Ω_Target。

(2)建立光学成像系统模型

如图5所示，光学成像系统包括光学子系统和探测器子系统，光学子系统由一系列球面镜片组成。

(21)各个单色像差对光学调制传递函数的影响如图2所示，色差与入射波长有关，可以通过不同折射率和色散的材料组合成双胶合透镜在一段特定的波长范围对人眼不敏感，用数字处理的方法补偿像差的难以程度排序为：

畸变＜慧差＜像散＝场曲＜离焦≤球差＜色差