一种基于CCD阵列像素响应函数频域标定的无像差图像重
构方法
技术领域
[0001] 本
发明属于光学计量探测器标定技术领域，涉及一种基于像素响应函数的频域标定的探测器无像差成像的频域重构方法。
背景技术
[0002] 光电成像探测器阵列的出现，以其便于数字化存储、传输和处理，无论是在军用上还是民用上几乎完全替代了胶片。电荷
耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)是最常用的探测器阵列之一，它能够把光学影像转化为离散的数字化电
信号，其最小的工作单元为像素。随着超大规模集成
电路工艺的发展，CCD的分辨
力、灵敏度、
稳定性等技术指标有了大幅度的提高，已被广泛应用于工业检测、
机器视觉、宇航遥感、微光夜视、成像制导、数字全息、自动监控等诸多领域。
[0003] CCD的
辐射响应特性反映了输入光强分布与输出灰度分布之间的关系，该特性直接关系到相应测量系统的
精度，辐射响应性能参量主要包括辐射响应度、像素间响应非均匀性、非线性度、暗噪声等，对其进行标定的目的是建立CCD输出灰度分布与对应的输入光强分布的相对关系，为CCD采集的图像变换为入射光的
能量分布提供转换基准。经过多年发展，CCD标定方法相继出现并不断改进，主要有能量卡计法、尖劈分光法、双缝夫琅和费衍射法、小孔夫琅和费衍射法等。这些方法考虑的最小单位均为一个像素，即简单的认为一个像素内的不同部位对于光的响应是一致的，标定的是单个像素的平均响应，并未考虑像素内部的响应分布及相邻像素间的串扰。由于像素尺寸的限制，即使是理想的CCD阵列也会引起成像的调制
对比度的下降(MTF<1)，影响成像
质量。而实际的器件由于结构特点、工艺的不均匀性及相邻像素的串扰等原因，像素内不同
位置对光的响应并不一致，且像素尺寸、网格分布也存在微小的差异。忽略这些因素将影响成像数据分析的正确性和观测结果的真实性。
[0004] 通常用像素响应函数(PRF)来表征像素内不同位置处的光敏元对入射光的响应输出，其定义为单位强度的点源照射在在阵列不同位置处时某一个像素的响应输出。研究表明，像素中心响应要高于像素边缘，且毗邻的像素之间有一定的串扰。国外早在20世纪末期就开展了较多的对于CCD的PRF的理论建模计算与实验测量的工作。通过接近衍射极限的聚焦光斑(亚微米尺寸)扫描CCD的不同像素位置可离散的测量像素的PRF，由于受聚焦光学系统衍射极限的限制，聚焦光斑的大小不能无限小，故其
分辨率有一定的限制，且该方法的扫描区域只能达到数个像素，测量范围小、速度慢，不适于实际工程应用。
发明内容
[0005] 本发明的技术解决的问题是：克服传统定标技术的局限性，提供
一种基于CCD阵列像素响应函数频域标定的无像差图像重构方法，在频域空间标定像素响应函数，在考虑像素间响应非均匀性的同时，重点考虑了单个像素内部的响应非均匀性及像素间的串扰，同时能标定出像素的几何位置的微小偏差，在此
基础上提出的成像频域重构
算法，能近乎完美的复现入射到CCD感光面上的光场强度分布，使探测器的调制传递函数接近于1，实现无像差成像。
[0006] 本发明的技术解决方案是：
[0007] 一种基于CCD阵列像素响应函数频域标定的无像差图像重构方法，步骤如下：
[0008] (1)搭建探测器阵列像素响应函数频域标定系统。使用相干性好、功率输出稳定的
激光器，并在自由空间中、
波导结构中或光纤中把单中
激光束等分成若干束；在这些激光束中设置检相、移相装置，用于检测并移动激光束的
相位；依次在这些激光束中选择任意两路激光，使得它们彼此干涉，形成干涉场。在干涉场平面处放置待定标的CCD相机及标准辐射度计，调节CCD平面与标准辐射度计的感光面共面，并通过数据线及控制线与计算机相连；
[0009] (2)固定空间
频率下的
数据采集。具体的过程如下：
[0010] (2.1)打开激光器，调节激光器输出功率设置在规定值，选择两路输出激光束，此时所对应的空间频率记为(kx1,ky1)，待激光器预热完成输出激光模式及功率稳定后，将标准辐射度记移入测量光路，分别单独遮挡两束出射激光，在计算机控制下采集记录标准辐射度记的读数I11，I21；去除遮挡，将待标定CCD移入测量光路，则此时入射的干涉场的光强度分布如式(1)所示，(x,y)为CCD上的空间坐标位置，设置CCD的曝光时间与增益值为规定值，在计算机控制下采集一组图像并取平均值，保存该平均值图像数据，记为Imn1为此时第(m，n)像素的像素输出值；
[0011]
[0012] (2.2)更换光纤的插孔通道，重复步骤(2.1)，即可获得不同(kxj,kyj)下的I1j，I2j，Imnj，其中j＝1、2、3……J，J代表光纤的插孔通道总的组合数；
[0013] (3)非线性最小二乘拟合标定像素响应函数的各阶系数。像素响应函数的频域表达式如式(2)所示，式中xmn,ymn为像素(m，n)的理论中心点坐标，Δxm,Δym为像素实际中心点与理论中心点的偏移量，qmn0,qmn1,qmn2,...为像素响应函数的各阶系数，实际取的级次越多， 的精度越高；
[0014]
[0015] 本发明的像素响应输出值满足式(3)的表达式，将第(2)步获取的数据代入式(3)，获得一组由J个非线性方程构成的方程组，为保证方程组有解，标定系数Δxm,Δym,qmn0,qmn1,qmn2,...qmnL的个数必须小于等于方程个数，即要求J≥L+3，通过非线性最小二乘拟合即可得到标定系数；
[0016]
[0017] (4)对阵列规模为N×N的CCD，基于像素网格的结构，使用式(4)所示的离散频率形式，离散步长 其中p为像素尺寸；
[0018]
[0019] 对任意的入射光场的光强分布S(x,y)，任意像素(m，n)的像素输出值I'mn用式(5)所示频域的离散形式表示，其中 为入射光场的傅里叶变换值， 已通过频域标定得到，求解由N×N个线性方程构成的线性方程组可求得
[0020]
[0021] (5)入射光场的光强分布S(x,y)可以通过对 的傅里叶逆变换获得，将步骤(4)中求得的 代入公式(6)所示的离散表达式，即可求得重构的入射光场的强度分布；
[0022]
[0023] 本发明原理：本发明方法构建了像素响应函数的频域模型，利用高稳定的同频激光在远场产生正弦干涉条纹，通过改变同频激光的相对位置获得不同空间频率的条纹光场来对像素响应函数进行频域标定，分别求取各个像素响应函数的各阶定标系数，在此基础上结合傅里叶光学的方法，提出了一种CCD成像的重构算法，可实现CCD探测器的无像差成像。在CCD的成像过程中，由于探测器像素内外响应的不均匀性、CCD规格的不精准性等因素，获取的数字化
图像对比度相比理论值显著下降，对应的传递函数显著小于1。目前，人们广泛采用平场校正的方法对探测器的响应进行定标，即通过测量探测器阵列对均匀光场响应的差异来标定各个像素的响应误差。这种方法标定的最小单位为一个像素，只能标定出整个像素的平均响应。相比平场校正法，本发明所涉及的方法则可以在频域上标定出像素内部的响应分布函数，同时还能标定出各像素相对位置的微小偏移，重构的图像无
采样模糊，调制传递函数(MTF)趋近于1，对比度无下降，具有定标精度高，应用前景广的特点。
[0025] (1)本发明引入像素响应函数的概念，以表征单个像素内部的响应非均匀性及相邻像素间的串扰，较之传统的像素间响应非均匀性矫正的最小单位为一个像素，该模型更为准确。
[0026] (2)本发明提供了一种利用双激光干涉条纹进行像素响应函数频域标定的方法，能标定出像素响应函数的频域近似表达式，同时能标定出像素的几何位置的微小偏差，较传统的平场矫正方法，本发明标定参数更为丰富，标定结果更为精确。
[0027] (3)本发明提出了一种利用频域的像素响应函数及CCD阵列的响应输出图像的频域图像重构算法，通过该方法能近乎完美的复现入射到CCD感光面上的光场强度分布，使探测器的调制传递函数接近于1，实现CCD的无像差成像，从而减少光学仪器光学链中由于CCD引起的像差及成像退化，提高观测结果的真实性。
附图说明
[0028] 图1是CCD探测器阵列像素响应函数频域标定系统组成图；
[0029] 图2是用于频域标定的双激光干涉场示意图；
[0030] 图3是标定得到的归一化的平场矫正系数图、X向及Y向的位置偏移图；
[0031] 图4示意了入射到CCD感光面的光场强度分布图像、CCD响应输出图像及频域重构图像的对比。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图及优选
实施例对本发明作进一步的详述。
[0033] 本发明具体实现如下：
[0034] 步骤1：搭建探测器阵列像素响应函数频域标定系统
[0035] 本定标系统的组成图如图1所示，由高稳定的激光器1、光纤耦合及分束系统2、光纤3、多通道光纤孔板4、标准辐射度计6、一维移动平台7和计算机8组成。激光器
波长采用632.8nm激光，光纤耦合及分束器将激光耦合进光纤并分成两束，多通道光纤孔板用于固定光纤出射头，从光纤出射的两球面波在远场小面积范围内可近似为平面波，产生干涉。为保证干涉场的稳定性及重复性，要求激光器的出光具有极高的稳定性，同时孔板上的光纤安装孔位置稳定，要求孔板材料的
热膨胀系数低。插孔通道的个数与需要标定的频域像素响应函数的系数的个数相关，例如，频域像素响应函数取到其二次项系数，则需要标定的系数总共有6个(Δxm,Δym,qmn0,qmn1,qmn2,qmn3)，需投射不少于6组的干涉条纹场，至少需要
4个通道 在远场位置处安装一维平移台，将标准辐射度计与待标定CCD固定于平移台上，调节三者的位置，使CCD与标准辐射度计的感光面共面，通过数据线及控制线与计算机相连，计算机用于控制一维平移台的移动及CCD与标准辐射度计的数据采集。
[0036] 本发明实施例中，激光器波长采用632.8nm激光，标定其他波长只需跟换相应的激光器即可，本发明仍然适用。
[0037] 本发明实施例中，标定的CCD范围取中心区域30×30的像素阵列，改变标定CCD像素的规模，本发明仍然适用。
[0038] 本发明实施例中，光纤耦合及分束器将激光耦合进光纤并分成两束，为操作方便可分束成与插孔通道数一致的多束激光，配以相应的光
开关。
[0039] 步骤2：固定空间频率下的数据采集
[0040] (2.1)打开激光器，调节激光器输出功率设置在规定值，选择孔板上两个通道插入光纤，此时所对应的空间频率记为(kx1,ky1)，待激光器预热完成输出激光模式及功率稳定后，计算机控制平移台，将标准辐射度记移入测量光路，分别单独遮挡两光纤出射端口，在标准辐射度计感光面位置处将得到两个均匀的光场，计算机控制下采集记录标准辐射度记的读数I11，I21；去除对光纤的遮挡，将待标定CCD移入测量光路，则此时CCD感光面处入射的干涉场的光强度分布如式(1)所示：
[0041]
[0042] 这里要求 的幅值在CCD的动态范围以内，过强或过弱则需重新调整激光器的输出功率。
[0043] 设置CCD的积分时间与增益值为规定值，计算机控制下采集一组图像并取平均值，保存该平均值图像数据，记为Imn1(m＝1,2,...,30；n＝1,2,...,30)，即第(m，n)像素的像素输出值。
[0044] (2.2)更换光纤的插孔通道，重复步骤(2.1)，即可获得不同(kxj,kyj)下的I1j，I2j，Imnj，其中j＝1、2、3……J，J代表光纤的插孔通道总的组合数，本本实施例中使用的通道数为5个，则 最多能标定到三次项系数，图2即为该10组干涉场示意图。
[0045] 步骤3：非线性最小二乘拟合标定像素响应函数的各阶系数。像素响应函数的频域表达式如式(2)所示：
[0046]
[0047] 本发明的像素响应输出值满足式(3)的表达式：
[0048]
[0049] 将步骤3获取的数据代入式(3)，获得一组由J个非线性方程构成的方程组，本实施例中J＝10，标定到三次项系数，通过对每一个像素进行一次非线性最小二乘拟合，即可得到各个像素的标定系数，共30×30＝900个像素，9000个系数，图3为本实施例标定得到的前三个系数结果图。
[0050] 步骤4：本实施例中，对阵列规模为30×30的CCD，基于像素网格的结构，使用式(4)所示的离散频率形式，式中p为像素尺寸：
[0051]
[0052] 步骤5：对于CCD感光面上一未知的入射光场强度分布S0(x,y)，在规定的积分时间及增益条件下，CCD相机将输出一幅图像I，第(m,n)像素的像素输出值为I'mn，可用式(5)所示频域的离散形式表示：
[0053]
[0054] 本发明实施例中， 求解由30×30个线性方程构成的线性方程组可求得
[0055] 步骤6：将步骤5中求得的 代入公式(6)所示的离散表达式，即可求得重构的入射光场的强度分布：
[0056]
[0057] 图4示意了本发明实施例中，入射到CCD感光面的光场强度分布S0(x,y)、CCD响应输出图像I，及频域重构得到的光场强度分布S(x,y)。重构图像消除了CCD离散采样的成像模糊，对比度得到了提高，再现了入射光场的强度分布。
[0058] 本发明的频域标定及图像重构方法，可以扩展到多种波长、多种CCD阵列规模的像素响应函数的定标及数字图像的后处理，可极大程度上减少光学仪器的光学链中由于CCD引起的像差及成像退化，提高观测结果的真实性，在高精度成像测量(如位置和光度的测量)领域具有很好的应用前景。
[0059] 提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附
权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和
修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
