一种不动型双远心变焦扫描成像系统及主结构参数确定方法与流程

1.本发明涉及图像处理技术领域，特别是一种不动型双远心变焦扫描成像系统及主结构参数确定方法。


背景技术：

2.计算鬼成像技术是突破传统成像系统信号处理极限获得多维度、多谱段场景信息的最有效方式之一，适用于监控、遥感和强散射介质条件下成像等领域。为解决远距离下光子传输的不确定性为测量基底带来退化以及大范围动态场景下数据量突增噪声的计算负担，空频复用与异构多视点通道相结合的成像新体制是有效的方式，而这就要求计算鬼成像光学成像系统需要集成变焦、扫描等功能。基于计算鬼成像技术的光学成像仪可分成两个部分，主动照明模块与信号接收模块，其中，主动照明模块包含光源和数字微镜器件(digital micromirror device,dmd)，而信号接收模块主要由单光子探测器和聚光透镜组成。传统的计算鬼成像光学系统若要实现变焦和扫描功能，则必须增设变焦模块和扫描模块，即增添多组透镜、转镜和机械结构，不仅系统结构将变得复杂而降低可靠性，实时性也将因机械变焦和扫描结构难以实现。


技术实现要素：

3.本专利从计算鬼成像新体制需求的快速精准变焦和扫描功能出发，针对上述传统计算鬼成像光学系统的缺陷，提出一种不动型双远心变焦扫描成像系统及主结构参数的确定方法。
4.为此，本发明提出的不动型双远心变焦扫描成像系统包括激光调制光源系统、不动型双远心变焦扫描照明系统和单光子成像系统；可实现高均匀度和平行度的主动照明调制光束、快速精确的主动照明光束实时变焦缩放和扫描，以及空频复用与异构多视点通道相结合的计算鬼成像；
5.进一步地，本发明公开了一种不动型双远心变焦扫描成像系统主结构参数确定方法，包括以下步骤：
6.s1：采用高斯括号法分析系统的高斯解特性，提取出能够评价所述不动型双远心变焦扫描成像系统变焦缩放能力的变焦评价参数；
7.s2：根据矢量像差理论、赛德尔像差系数和斯涅尔定律，提出制约所述不动型双远心变焦扫描成像系统扫描性能的显著参数及其关联数学模型，进而提取出扫描评价参数用于评价所述系统的高精度扫描能力；
8.s3：结合所述变焦评价参数和所述扫描评价参数建立非线性全局评价函数，并对所述非线性全局评价函数进行最优解检索，获得具有良好变焦缩放能力和高精度扫描能力的不动型双远心变焦扫描成像系统主结构。
9.进一步地，所述不动型双远心变焦扫描成像系统主结构由n个光学元件组成，其中第m个和第n个是moems器件，将第1至第m个光学元件等效的视为一个光焦度为φ1的光学组
元1，将第m 1至第n个光学元件等效的视为一个光焦度为φ2的光学组元2，运用高斯括号法进行分析可得不动型双远心变焦扫描成像系统的等效光焦度φ
system
为：
10.φ
system
＝1c
n
＝[φ1,
‑
e
′1,
…
,φ
m
,
‑
e
′
m
,
…
,φ
n
]
[0011]
＝[φ1,
‑
e
′
m
,φ2]≈0
[0012]
其中，
i
c
j
代表高斯常量，φ
i
(i＝1,2,
…
,n)为光学系统不同光学元件的光焦度，e
′
i
(i＝1,2,
…
,n
‑
1)为光学系统光学元件i和光学元件i 1之间的等效间隔。
[0013]
优选地，步骤s1中的所述变焦评价参数为所述不动型双远心变焦扫描成像系统变焦缩放特性的误差项。
[0014]
进一步地，所述不动型双远心变焦扫描成像系统的变焦缩放能力的变焦评价参数a
zoom
为：
[0015][0016]
其中，标量a
zoom
表征不动型双远心变焦扫描成像系统变焦缩放特性的误差项，β
min
和β
max
分别表示系统的最小变焦缩放倍率和最大变焦缩放倍率，和分别表示moems器件1的最小光焦度和最大光焦度，和则分别表示moems器件2的最小光焦度和最大光焦度。
[0017]
优选地，步骤s2中的所述评价不动型双远心变焦扫描成像系统高精度扫描成像能力的扫描评价参数包括所述不动型双远心变焦扫描成像系统的光焦度、初阶畸变和扫描光束中心角度的误差项。
[0018]
进一步地，所述不动型双远心变焦扫描成像系统的光焦度的误差项a
foc
为：
[0019]
a
foc
＝|1c
n
|
[0020]
其中，1c
n
为高斯常量；进一步地，1c
n
＝[φ1,
‑
e
′1,
…
,φ
m
,
‑
e
′
m
,
…
,φ
n
]＝[φ1,
‑
e
′
m
,φ2]。
[0021]
进一步地，根据矢量像差理论，所述不动型双远心变焦扫描成像系统的初阶畸变的误差项a
abe
为：
[0022][0023]
其中，所述不动型双远心变焦扫描成像系统主结构中包括n个光学元件，为第j个光学元件的等效视场，a
j
＝(u'
j
‑
u
j
)/(1/n
j 1
‑
1/n
j
)；u
j
和u'
j
分别表示第j个光学元件的边缘光线入射角和出射角，n
j
表示第j个光学元件后的折射率，h
j
表示第j个光学元件的边缘光线高度，表示第j个光学元件的中心光线高度，和分别表示第j个光学元件的中心光线入射角和出射角，c
j
表示第j个光学元件面形的顶点曲率，k
j
表示第j个光学元件面形的二次曲面常数。
[0024]
进一步地，所述不动型双远心变焦扫描成像系统的扫描光束中心角度的误差项a
cen
为：
[0025][0026]
其中，θ
x
和θ
y
分别表示系统设计实际的出射光束的中心角度，和则分别表示系统设计要求的系统出射光束的中心角度。
[0027]
进一步地，非线性全局评价函数能够综合评价所述不动型双远心变焦扫描成像系统的变焦缩放能力和高精度扫描能力，所述非线性全局评价函数具体如下：
[0028][0029]
其中，上标l表示变焦系统的第l个采样焦距点，m表示采样焦距点的数量，e
j
表示第j个和第j 1个光学元件之间的等效间隔，α
j
表示第j个光学元件面形的倾斜角，c
i
、c
m
和c
n
分别表示第i个、第m个和第n个光学元件面形的顶点曲率，k
i
、k
m
和k
n
分别表示第i个、第m个和第n个光学元件面形的二次曲面参数，ν
i
(i＝1,2,3)表示对应项的权重；||||1表示1范数。
[0030]
优选地，步骤s3中采用全局优化算法来对所述非线性全局评价函数进行全局最优解检索，求解得到令所述非线性全局评价函数的数值最小的解集，根据该解集获得具有良好变焦缩放能力和高精度扫描能力的不动型双远心变焦扫描成像系统。
[0031]
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
[0032]
摒除结构复杂且响应慢的机械运动器件，采用moems器件，并充分利用其响应速度快、控制精度高的特点，实现实时变焦和扫描功能。
[0033]
在本发明的一些实施例中，还具有如下有益效果：
[0034]
主动照明模块采用了平行光源搭配双远心光学系统结构，可实现远距离精确均匀照射；
[0035]
在设计阶段同时评价不动型双远心变焦扫描成像系统的变焦能力和成像质量，并建立非线性全局评价函数进行最优结构检索，可快速高效地获得满足设计需求的光学系统参数。
附图说明
[0036]
图1是不动型双远心变焦扫描成像系统的初始状态示意图；
[0037]
图2是不动型双远心变焦扫描成像系统的变焦状态示意图；
[0038]
图3是不动型双远心变焦扫描成像系统的扫描状态示意图；
[0039]
图4是不动型双远心变焦扫描成像系统主结构的近轴光线追迹模型示意图；
[0040]
图5是基于面对称光学系统的光轴光线追迹模型示意图；
[0041]
图6是主结构参数确定方法的流程图。
具体实施方式
[0042]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
[0043]
如附图1
‑
3所示，本发明实施例中的不动型双远心变焦扫描成像系统由激光调制
光源系统1、不动型双远心变焦扫描照明系统2和单光子成像系统3三个部分组成，附图中的4代表目标物体。激光调制光源系统1采用微镜阵列(dmd)空间光调制器对激光光源进行调制,获得光强调制的平行光束。不动型双远心变焦扫描照明系统2采用了moems(micro
‑
opto
‑
electro
‑
mechanical system，微光机电系统)器件，具体地，不动型双远心变焦扫描照明系统2包括moems器件21和moems器件22，可同时实现实时变焦和扫描功能，并且不动型双远心变焦扫描照明系统采用了平行光源搭配双远心光学系统结构，可实现远距离精确均匀照射。单光子成像系统3收集由调制光束照射目标产生的漫反射信息。
[0044]
在系统设计过程中需要确定结构需求(例如面形数量、光瞳孔径等)和变焦扫描需求(例如系统的缩放倍率、扫描范围、moems器件的光焦度变化范围等)。
[0045]
不动型双远心变焦扫描成像系统为采用圆锥曲面的包含两个moems器件的光学系统结构，基于该系统结构分析其高斯解特性。不动型双远心变焦扫描成像系统由n个光学元件组成，其中第m个和第n个是moems器件，如图4所示，将第1至第m个光学元件等效的视为一个光焦度为φ1的光学组元1，将第m 1至第n个光学元件等效的视为一个光焦度为φ2的光学组元2。n
i
表示第i个元件前的折射率，f1和f1′
分别是光学组元1的前焦点和后焦点，f2和f2′
则分别是光学组元2的前焦点和后焦点。s
f1
和s
′
f1
分别是光学组元1的前焦距和后焦距，s
f2
和s
′
f2
则分别是光学组元2的前焦距和后焦距。定义φ
i
(i＝1,2,
…
,n)为光学系统不同光学元件的光焦度，e
′
i
(i＝1,2,
…
,n
‑
1)为光学系统光学元件i和光学元件i 1之间的等效间隔。为了描述光学系统第i个组元到第j个组元的的一阶特性，k.tanaka定义了四个高斯常量(generalized gaussian constants,ggc’s),分别用
i
a
j
，
i
b
j
，
i
c
j
和
i
d
j
表示，它们的表达式如下：
[0046][0047]
运用高斯括号法进行分析可得系统等效光焦度φ
system
为：
[0048][0049]
高斯括号法的近轴追迹公式如下：
[0050][0051]
其中，h
j
为第j个圆锥曲面的边缘光线高度，h
i
为第i个圆锥曲面的边缘光线高度，u
i
为第i个圆锥曲面的边缘光线入射角，u'
j
为第j个圆锥曲面的边缘光线出射角。
[0052]
根据式(3)，光学组元1的后焦距s
′
f1
，光学组元2的前焦距s
f2
，可表示为：
[0053][0054][0055]
式(4)、(5)分别是关于moems器件的光焦度φ
m
和φ
n
的单调函数，所以不动型双远心变焦扫描成像系统的变焦缩放倍率可由φ
m
和φ
n
来表示，如式(6)所示，β表示系统的变焦缩放倍率。
[0056][0057]
不动型双远心变焦扫描能力的变焦评价参数，如式(7)所示。
[0058][0059]
其中，标量a
zoom
为表征不动型双远心变焦扫描成像系统变焦缩放特性的误差项；β
min
和β
max
分别表示系统的最小变焦缩放倍率和最大变焦缩放倍率；和分别表示moems器件1的最小光焦度和最大光焦度，和则分别表示moems器件2的最小光焦度和最大光焦度。
[0060]
不动型双远心变焦扫描成像系统的系统参数可控变量只有moems器件的面形参数和偏转角度，因此，对于系统结构作出以下约束条件：首先，定义系统的光轴光线(optical axis ray，oar)为系统零视场点的中心光线，为保证系统在变焦过程中oar是固定不变的，在系统的设计过程中，只采用倾斜表面的方法来实现无遮挡的系统离轴，这一约束条件对于不动型双远心变焦扫描成像系统各光学元件以及出射光束的稳定非常重要，此外，光学元件面形的非球面部分不会对系统的归一化视场向量造成影响；其次，假定设计的离轴光学系统是关于yoz面对称的，因此，光学元件面形的球面部分将不会对系统的归一化视场向量造成x方向的偏移；基于系统固定oar的光线追迹，可以直接计算得到系统的视场偏移向量
[0061]
根据矢量像差理论，分析上述不动型双远心变焦扫描成像系统，离轴光学系统第j个光学元件的等效视场如式(8)所示。本技术的像差理论分析以离轴光学系统为例，但也适用于同轴光学系统(即视场偏移矢量为零)。
[0062]
[0063]
其中，表示归一化的视场向量，表示第j个光学元件的视场偏移矢量。
[0064]
以三组元面对称光学系统为例的光轴光线追迹模型如图5所示，其中，表示第j个光学元件光学表面的单位法矢量，o
j
表示第j个光学元件面形的顶点，s
j
表示第j个光学元件的光学表面，第j个光学元件面形顶点o
j
处的倾斜角α
j
与oar入射角相等，也与矢量和oar的夹角相等。
[0065]
基于每个系统光学元件的oar局部坐标，图5的矢量可以由式(9)表示。
[0066][0067]
其中，srm
j
和srn
j
分别表示矢量沿着y和z方向的归一化方向余弦。因此，系统第j个光学元件的倾斜角α
j
可以由式(10)表示。
[0068]
α
j
＝arcsin(srm
j
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0069]
因此，根据斯涅尔定律，以物方平面入射至系统的oar为参考，顺时针为负角度，逆时针为正角度，不动型双远心变焦扫描成像系统的扫描范围可由x轴和y轴两个方向进行量化，其中表示系统x方向的扫描范围，则表示系统y方向的扫描范围，而θ
x
和θ
y
则分别表示系统设计实际的出射光束的中心角度。具体如式(11)所示。
[0070][0071]
其中，δ
x
和δ
y
分别表示moems器件2在x方向和y方向的可偏转角度。
[0072]
因此，可在系统设计阶段通过对系统扫描光束中心角度(θ
x
,θ
y
)的约束，来实现对不动型双远心变焦扫描成像系统扫描范围的调控。
[0073]
所以表征不动型双远心变焦扫描成像系统扫描光束中心角度的误差项a
cen
，可由式(12)表示。
[0074][0075]
其中，和分别表示系统设计要求的系统出射光束的中心角度。
[0076]
此外，系统的视场偏移矢量可由式(13)表示。
[0077][0078]
其中，表示第j个光学元件在y方向的视场偏移矢量；表示第j个光学元件的边缘光线出射角；表示第j个光学元件的中心光线高度；c
j
表示第j个光学元件面形的顶点曲率。
[0079]
根据矢量像差理论，结合同轴系统赛德尔像差系数，可解析得到表征系统初阶像差的参数。畸变作为双远心光学系统的重要像质指标，在本发明中被选取为描述不动型双远心变焦扫描成像系统的出射光束均匀度的评价指标。由于设计系统为双远心照明系统，
故只需考虑系统的中心零度视场。此外，系统光焦度则被选取为描述系统出射光束平行度的评价指标。
[0080]
根据矢量像差理论，离轴系统的初阶畸变系数可以表示为
[0081][0082]
其中，
[0083][0084][0085]
矢量a
abe
为表征不动型双远心变焦扫描成像系统初阶畸变的误差项；w
311j
表示同轴系统第j个光学元件的初阶畸变系数；表示离轴系统第j个光学元件的等效视场；s
ⅴ
j
表示同轴系统第j个光学元件的第五赛德尔像差系数，上标sph和asph分别表示球面和非球面；h
j
表示第j个光学元件的边缘光线高度，表示第j个光学元件的中心光线高度，u
j
和u'
j
分别表示第j个光学元件的边缘光线入射角和出射角，和分别表示第j个光学元件的中心光线入射角和出射角；c
j
表示第j个光学元件面形的顶点曲率，k
j
表示第j个光学元件面形的二次曲面参数，n
j
表示第j个光学元件前的折射率。
[0086]
而根据式(2)，双远心系统的光焦度φ
system
应为零，所以表征不动型双远心变焦扫描成像系统光焦度的误差项a
foc
，可由式(17)表示。
[0087]
a
f
o
c
＝|1c
n
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0088]
结合上述不动型双远心变焦扫描成像系统的高斯解特性分析和初阶像差分析，运用系统变焦扫描过程中的系统参数变量和不变量，建立一个可以直接综合评价变焦扫描系统变焦缩放能力和高精度扫描能力的非线性全局评价函数e。其中，变焦扫描系统的初阶像差(主要为畸变)、系统的变焦能力(如变焦缩放倍率)以及系统的高斯特性(如系统的光焦度)都将作为综合评价指标。该非线性全局评价函数具体如式(18)所示。
[0089][0090]
其中，上标l表示变焦系统的第l个采样焦距点；m表示采样焦距点的数量；e
j
表示第j个和第j 1个光学元件之间的等效间隔，α
j
表示第j个光学元件面形的倾斜角，c
i
、c
m
和c
n
分别表示第i个、第m个和第n个光学元件面形的顶点曲率；k
i
、k
m
和k
n
分别表示第i个、第m个和第n个光学元件面形的二次曲面参数；ν
i
(i＝1,2,3)表示对应项的权重；||||1表示1范数。
[0091]
上述不动型双远心变焦扫描成像系统的结构参数确定方法具体包括如下步骤：
[0092]
a1、确定不动型双远心变焦扫描成像系统的结构需求(如面形数量、光瞳孔径等)和变焦扫描需求(如系统的缩放倍率、扫描范围、moems器件的光焦度变化范围等)；
[0093]
a2、采用高斯括号法分析不动型双远心变焦扫描成像系统的高斯解特性，提取出能够评价系统变焦缩放能力的变焦评价参数；
[0094]
a3、根据矢量像差理论、赛德尔像差系数和斯涅尔定律，提出制约不动型双远心变焦扫描成像系统扫描性能的显著参数及其关联数学模型，进而提取出扫描评价参数用于评价所述系统的高精度扫描能力；
[0095]
a4、结合所述变焦评价参数和所述扫描评价参数建立不动型双远心变焦扫描成像系统非线性全局评价函数，并对所述非线性全局评价函数进行最优解检索；
[0096]
a5、判断是否满足优化终止条件，若不满足，返回步骤a4，若满足，进入下一步；
[0097]
a6、将检索得到的最优解数据转换成不动型双远心变焦扫描成像系统主结构参数；
[0098]
a7、输出不动型双远心变焦扫描成像系统主结构参数。
[0099]
综上所述，不动型双远心变焦扫描成像系统的设计过程主要有三个关键点：1)运用高斯括号法分析不动型双远心变焦扫描成像系统主结构，提取出能够评价不动型双远心变焦扫描成像系统变焦缩放能力的变焦评价参数，在moems器件光焦度变化范围有限的条件下，实现要求的变焦缩放范围；2)根据矢量像差理论与赛德尔像差系数，解析地表征不动型双远心变焦扫描成像系统的畸变系数，再结合斯涅尔定律，在保证光束的平行度和均匀度的前提下，实现高精度扫描功能；3)建立能综合评价不动型双远心变焦扫描成像系统的变焦缩放能力和高精度扫描能力的非线性全局评价函数，通过运用全局优化算法(如遗传算法)对该评价函数进行全局最优解检索，可以直接获得具有良好变焦缩放能力和高精度扫描能力的不动型双远心变焦扫描系统主结构。
[0100]
本发明提出一种计算机存储介质，其中存储有能够在处理器中运行的程序，程序在被处理器运行的过程中能够实现上述不动型双远心变焦扫描成像系统的主结构参数确定方法。
[0101]
本发明上述实施例提出的不动型双远心变焦扫描成像系统及主结构参数的确定方法具有以下三个优点：
[0102]
(1)复合型传感，不动型双远心变焦扫描成像系统运用dmd获得光强调制的平行光束，并通过不动型双远心变焦扫描照明系统可同时实现光束缩放和扫描两个功能，最后运用单光子成像系统，收集由调制光束照射目标产生的漫反射信息，最终可实现空频复用与异构多视点通道相结合的计算鬼成像。
[0103]
(2)成像性能高，采用moems器件来实现系统的变焦和扫描功能，摈弃了传统的变焦系统需要采用的运动部件，有效提高了系统变焦和扫描的速度和精度，此外通过分析不动型双远心变焦扫描成像系统的高斯解特性和初阶像差系数，提取出了能评价系统变焦缩放能力的变焦评价参数a
zoom
、评价系统出射光束质量的扫描评价参数a
abe
和a
foc
，以及能评价系统扫描中心精度的扫描评价参数a
cen
，在设计阶段就保证了系统的变焦缩放精度和扫描精度。
[0104]
(3)设计方法高效，建立了能同时评价不动型双远心变焦扫描成像系统变焦缩放能力和高精度扫描能力的非线性全局评价函数e，将系统高斯结构设计问题转化为利用非
线性全局评价函数e检索最优解问题，进而实现了不动型双远心变焦扫描成像系统最优高斯结构的自动检索，极大地提高了此类复杂光学系统的设计效率。
[0105]
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。