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專利名稱：估計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的波前的至少一個(gè)變形或者通過(guò)所述光學(xué)系統(tǒng)觀察到的物體的方法以及相 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及估計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的波前的至少一個(gè)變形或者通過(guò)所述光學(xué)系統(tǒng)觀察到的物體的方法和設(shè)備。
本發(fā)明特別應(yīng)用于高分辨率成像和波束成形的領(lǐng)域。
光學(xué)系統(tǒng)和/或光傳播介質(zhì)可以導(dǎo)致變形。此外，當(dāng)變形使光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量下降時(shí)，本發(fā)明可以估計(jì)(恢復(fù))被觀察的物體。

背景技術(shù)：
由于在來(lái)自于被觀察物體的波的傳播路徑上存在像差(aberration)或其他擾動(dòng)，通過(guò)光學(xué)儀器獲得的圖像的質(zhì)量通常變差。
實(shí)際上，存在于儀器的光瞳中的這些相位變形削弱了傳輸功能。
已經(jīng)開(kāi)發(fā)出幾種被稱為表面波分析儀(Wave Surface AnalyzersWSA)的設(shè)備，用于通過(guò)將光瞳相位變換為可測(cè)量的強(qiáng)度變化來(lái)測(cè)量光瞳的相位。
這些設(shè)備用在以閉環(huán)方式運(yùn)行的系統(tǒng)中，其中閉環(huán)具有可以控制所接收的波的相位的部件(變形鏡、相位偏移器等)，這些設(shè)備可以去除觀察到的擾動(dòng)。此外，可以利用WSA的信息恢復(fù)(估計(jì))被觀察的物體。
現(xiàn)在，已經(jīng)存在各種表面波分析儀，特別可以參考由F.Roddier指導(dǎo)的G.Rousset發(fā)表的“Wave-front sensors，Adaptive Optics inAstronomy”，chap.5，pp.91-130，Cambridge University Press，Cambridge1999。
為了校正具有任何光瞳的光學(xué)系統(tǒng)的像差，即無(wú)論是單片式的光學(xué)系統(tǒng)還是由一系列組合的或非組合的子光瞳構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)，所謂的焦平面技術(shù)都是有吸引力的方案。
實(shí)際上，與必須提取指向輔助光學(xué)器件的光的一部分的平面光瞳設(shè)備(這使光學(xué)安裝復(fù)雜化)不同，焦平面方法可以測(cè)量波前的變形，還可以在單一框架中組合所有的子光瞳，這使光-機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。
由于成像器件通常安裝在相機(jī)的焦平面中，有利地在相機(jī)附近使用WSA，以便測(cè)量光學(xué)器件的變形。
如果已知器件的輸入光瞳，則所謂的“相位恢復(fù)”技術(shù)可以估計(jì)與光瞳平面中和焦平面中的已知限制最相容的像差，且這只需要光源點(diǎn)的焦面像的數(shù)據(jù)。但是，這種技術(shù)應(yīng)當(dāng)用于具有非中心對(duì)稱式光瞳設(shè)置的器件，以便在沒(méi)有任何符號(hào)歧義的情況下估計(jì)變形(或“相位畸變(aberrant phase)”)。
在相反的情況下，或者對(duì)于延長(zhǎng)的物體的觀察，僅有焦面像的數(shù)據(jù)不足以唯一地再次發(fā)現(xiàn)像差。
在一般情況下(未知物體和/或任意配置)，在存在完全已知的相位變形(或調(diào)制)的焦平面附近獲得所謂的差異圖像，通過(guò)使用多個(gè)所謂的差異圖像，可以消除相位的不確定性；最常見(jiàn)的是，由于應(yīng)用的簡(jiǎn)化，其是一個(gè)甚至多個(gè)離焦圖像。
然后基于由選擇像差構(gòu)成的使到圖像的距離的標(biāo)準(zhǔn)最小化的方法來(lái)估計(jì)相位畸變。
因此執(zhí)行尋找變形，其產(chǎn)生與數(shù)據(jù)最接近的圖像模型，上述最小化通常在傅里葉平面中執(zhí)行。
所謂的相位差法通常應(yīng)用于延伸物體上的相位測(cè)量。
但是，通過(guò)這種方法，可以估計(jì)被觀察的物體。換言之，通過(guò)去除變形來(lái)恢復(fù)被觀察的物體。
但是，無(wú)論該方法用于估計(jì)物體還是像差，這種方法都需要很大的計(jì)算次數(shù)，這難以與實(shí)時(shí)估計(jì)系統(tǒng)的需要相容。
實(shí)際上，如果N是由差異獲得的圖像的數(shù)量，每次迭代至少要執(zhí)行2N次傅里葉變換，而且在實(shí)際中可能需要執(zhí)行大約五十次迭代。
因此，為了減小所需的迭代數(shù)，已經(jīng)進(jìn)行了研究 -首先，試圖找到用于由單片式配置執(zhí)行的模擬測(cè)試的更好的最小化算法， -其次，通過(guò)對(duì)單片式或分離式望遠(yuǎn)鏡所進(jìn)行的研究，修改所使用的標(biāo)準(zhǔn)。
這些方法需要多次迭代以達(dá)到收斂，因此其計(jì)算次數(shù)隨著所求的像差的數(shù)量增加。因此，估計(jì)被觀察物體的計(jì)算次數(shù)也是龐大的。
有時(shí)在閉環(huán)中執(zhí)行小像差的測(cè)量(即殘余像差)，但是這種測(cè)量?jī)H用于單片式配置(即用于測(cè)量比離焦更大的級(jí)的變形)，且傳感器的性能不具有良好的特性。
因此，所有這些迭代方法都需要強(qiáng)大的計(jì)算功能。
現(xiàn)在，在地面儀器上不會(huì)引起任何問(wèn)題的適當(dāng)處理器的使用對(duì)于計(jì)算機(jī)能力受限的片上(on-board)應(yīng)用變得十分重要。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明用于通過(guò)在觀察系統(tǒng)的焦平面附近獲取的一個(gè)或多個(gè)圖像，通過(guò)非迭代的單純的解析方法來(lái)估計(jì)觀察系統(tǒng)的波前變形或者通過(guò)系統(tǒng)觀察到的物體。
因此，根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種用于估計(jì)觀察系統(tǒng)的波前的至少一個(gè)變形或者通過(guò)該系統(tǒng)觀察到的物體的方法。
特別地，本發(fā)明的方法的特征在于在觀察系統(tǒng)的焦平面附近，在至少一個(gè)差異平面(diversity plane)中獲取至少一個(gè)差異圖像(diversity image)，其中差異圖像包括已知的差異變形(diversitydeformation)；在每個(gè)差異平面中，根據(jù)至少以下各項(xiàng)來(lái)確定圖像模型將系統(tǒng)的物理光瞳分解為多個(gè)子光瞳，將每個(gè)子光瞳上的所求變形分解為由待定系數(shù)加權(quán)的至少一個(gè)已知變形的形式；通過(guò)系統(tǒng)光瞳的自動(dòng)相互關(guān)聯(lián)確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；根據(jù)所求的變形系數(shù)將自動(dòng)相互關(guān)聯(lián)的每一項(xiàng)線性化，其中在已知的差異變形附近執(zhí)行該線性化；觀察到的物體和噪音；通過(guò)確定的圖像模型和獲得的圖像，估計(jì)所求的變形或觀察到的物體。
圖像模型還是通過(guò)系統(tǒng)觀察到的物體的函數(shù)以及線性化的傳遞函數(shù)的函數(shù)。
本發(fā)明的方法適用于延長(zhǎng)的物體，且不需要任何迭代因此使計(jì)算時(shí)間最小化。
本發(fā)明的方法基于觀察系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的線性化。通過(guò)線性化，可以獲得被觀察物體的變形的估計(jì)。
特別地，觀察系統(tǒng)的傳遞函數(shù)在每個(gè)差異平面中被線性化，并且觀察系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是所求變形和與每個(gè)差異平面相關(guān)的已知差異變形的至少一個(gè)函數(shù)。
通過(guò)已知的方案，可以通過(guò)符合邏輯的計(jì)算次數(shù)估計(jì)出變形，因?yàn)樵谶@些方案中，估計(jì)是基于距離標(biāo)準(zhǔn)的最小化被迭代執(zhí)行的。此外，通過(guò)該方案，不能在一次迭代中直接估計(jì)被觀察的物體。
使用取決于系統(tǒng)的每個(gè)差異平面中的線性化系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的圖像模型這一事實(shí)可以簡(jiǎn)化具有兩個(gè)未知數(shù)的方程的系統(tǒng)(物體和擾動(dòng))，以便不經(jīng)過(guò)物體或擾動(dòng)(相位)的迭代進(jìn)行求解。
優(yōu)選地，觀察系統(tǒng)是光學(xué)觀察系統(tǒng)，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是光學(xué)傳遞函數(shù)、聲學(xué)成像(acoustic imaging)。
此外，根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及一種用于估計(jì)觀察系統(tǒng)的波前的至少一個(gè)變形或者通過(guò)系統(tǒng)觀察到的物體的設(shè)備。
本發(fā)明的設(shè)備的特征在于，所述設(shè)備包括在觀察系統(tǒng)的焦平面附近、在至少一個(gè)差異平面中獲取至少一個(gè)差異圖像的裝置，其中差異圖像包括已知的差異變形；并且在每個(gè)差異平面中，所述設(shè)備包括根據(jù)至少以下各項(xiàng)來(lái)確定圖像模型的裝置將系統(tǒng)的物理光瞳分解為多個(gè)子光瞳；將每個(gè)子光瞳上的所求變形分解為由待定系數(shù)加權(quán)的至少一個(gè)已知變形的形式；通過(guò)系統(tǒng)的光瞳的自動(dòng)相互關(guān)聯(lián)確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；作為所求的變形系數(shù)的函數(shù)將自動(dòng)相互關(guān)聯(lián)的每一項(xiàng)線性化；在已知的差異變形附近執(zhí)行該線性化；觀察到的物體和噪音；通過(guò)確定的圖像模型和獲得的圖像，估計(jì)所求的變形或觀察到的物體。
由于該設(shè)備適合應(yīng)用于不需要任何迭代的方法，其兼容于很強(qiáng)的實(shí)時(shí)限制并且被完全集成在片上系統(tǒng)中。
本發(fā)明的設(shè)備可以與校正裝置結(jié)合使用在閉環(huán)中，所述校正裝置用于光學(xué)系統(tǒng)的波前的變形的實(shí)時(shí)校正和/或用于進(jìn)一步估計(jì)通過(guò)觀察系統(tǒng)觀察到的物體。
最后，根據(jù)第三方面，本發(fā)明涉及一種片上系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的第一方面所述的方法的裝置。



參考附圖，根據(jù)以下純粹示例性以及非限制性的描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將更加明顯，其中 圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的用于估計(jì)波前的變形的設(shè)備； 圖2顯示可選的根據(jù)本發(fā)明的用于估計(jì)被觀察物體的設(shè)備； 圖3顯示具有三個(gè)子光瞳的配置； 圖4a和4b分別顯示一種具有三個(gè)子光瞳的光學(xué)系統(tǒng)的配置和與零像差相關(guān)的傳遞函數(shù)； 圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的用于估計(jì)變形的方法的第一實(shí)施例； 圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的用于估計(jì)變形的方法的第二實(shí)施例； 圖7顯示對(duì)于作為單鏡片望遠(yuǎn)鏡(monolithic telescope)的近似值的具有18個(gè)子光瞳的配置的被觀察物體的估計(jì)。

具體實(shí)施例方式 圖1顯示用于估計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的波前的變形或者通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)觀察的物體的設(shè)備。
通過(guò)在設(shè)備1的計(jì)算裝置30中執(zhí)行的解析方法估計(jì)光學(xué)系統(tǒng)20(在此以光學(xué)成像器件為例進(jìn)行顯示)的入射和/或定位變形10。
然后，所估計(jì)的像差40可以被改變方向以便朝向光學(xué)系統(tǒng)20，從而被校正。
解析方法還可以恢復(fù)物體50。
應(yīng)指出，觀察器件可以是單片式的，或者具有分離的光瞳21。
在具有分離的光瞳的情況下，設(shè)備可以位于系統(tǒng)的下游，以便重新組合光束23。
安裝在成像傳感器24附近的傳感器25在完全已知的相位條件下產(chǎn)生至少一個(gè)差異圖像(diversity image)26。
應(yīng)指出，如果物體是未知的，則需要多個(gè)差異圖像27、28。
差異圖像是其中加入了已知的差異變形(diversity deformation)的圖像。
由于出現(xiàn)在光的光程上的像差，由φC表示的成像傳感器上的畸變相位可能與由φS表示的傳感器上顯示的畸變相位不同。
由于被觀察的物體可以是任意的，因此該測(cè)量方法不需要引入?yún)⒖荚矗灰虼藞D像直接來(lái)自于被觀察的物體。
通過(guò)一個(gè)或多個(gè)傳感器，例如由CCD或CMOS型矩陣構(gòu)成的傳感器，優(yōu)選地通過(guò)Shannon采樣，來(lái)獲得圖像。
應(yīng)指出，從被觀察的物體，可以 -獲得圖像，一個(gè)或多個(gè)已知變形將被加入該圖像，以便獲得差異圖像， -同時(shí)獲得(如果可能，或者在最壞的情況下，在足夠短的時(shí)間內(nèi))所需數(shù)量的差異圖像。
波前的像差的測(cè)量是基于所獲得的圖像的使用，其中所獲得的圖像包含畸變相位φS以及差異變形。
然后，所估計(jì)的像差40可以被校正裝置22校正，校正裝置例如是變形鏡。
在所述方法中，根據(jù)求解后的變形，以及所有的相關(guān)物理參數(shù)，例如引入的相位調(diào)制和光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)檢測(cè)特性，將獲得的圖像建模成物體。
然后，我們將自己定位在以d表示的差異平面(diversity plane)上，同時(shí)引入完全已知的相位φd，并且我們應(yīng)認(rèn)為變形產(chǎn)生相位φa(在每個(gè)子光瞳上分別是φdn和φan)。
差異平面d表示獲得差異圖像的位置。
因此，這就是在可能的已知的附加像差，例如離焦，存在時(shí)的焦面像。在這種情況下，差異平面可以是焦外面(extra-focal plane)，則在這種情況下，已知的差異變形是離焦。
但是，差異變形可以是任意的。
圖2顯示了用于估計(jì)被觀察物體的實(shí)施例。
在分離的傳感器上或者在相同的傳感器上生成至少兩個(gè)差異圖像25。在后一種情況下，可以連續(xù)完成圖像的獲取。圖2顯示以連續(xù)方式獲取的圖像的時(shí)間曲線圖。為此，方框25包括光學(xué)隊(duì)列中的允許引入差異變形的任何系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)可以是膜、雙壓電晶片反光鏡、電子光學(xué)系統(tǒng)等。
通過(guò)考慮光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)(光瞳形狀、觀察波長(zhǎng)等)且可以在兩個(gè)圖像的所有幀上估計(jì)被觀察物體50的專用印刷電路的方式來(lái)應(yīng)用用于估計(jì)被觀察物體的方法(見(jiàn)圖2)。
圖3顯示具有NT＝3個(gè)子光瞳的配置。
用p表示光瞳配置的傳輸，其中光瞳配置由位于位置Un且均具有由φn表示的相位的NT個(gè)子光瞳構(gòu)成。
以如下公式表示光瞳傳輸 其中j2＝-1。
應(yīng)指出，即使器件只包括一個(gè)單一的光瞳，也可以執(zhí)行上述分解(參考公式(1))。
如果畸變相位是零，則光瞳傳輸是理想的，其值為1。
應(yīng)指出，光瞳或子光瞳的形狀可以是任意的，例如圓形、六邊形或正方形等。
可以以不同的已知變形的基項(xiàng)(base)來(lái)表示畸變相位，例如澤尼克多項(xiàng)式的基項(xiàng)
其中，akn表示子光瞳n上的k級(jí)像差，NZ表示相關(guān)多項(xiàng)式的數(shù)量(即所求系數(shù)的數(shù)量)。
公式(1)和(2)允許在事先已知的基項(xiàng)中分解光瞳和相位。則余下的工作是確定該雙分解的系數(shù)akn。
然后，用a表示尺寸為Nax 1的矢量，元(element)akn是對(duì)應(yīng)于該矢量的所求的像差，Na是所求的未知數(shù)的數(shù)量、等于NTxNZ。例如，對(duì)于將求得前三級(jí)的澤尼克項(xiàng)(NZ＝3)的具有六個(gè)子光瞳的器件(NT＝6)，Na＝18。
在頻率平面中，通過(guò)光瞳的自動(dòng)校正給出在第d個(gè)差異平面上獲得的光學(xué)傳遞函數(shù)Fd 應(yīng)指出，如果NT是子光瞳的數(shù)量，則光學(xué)傳遞函數(shù)具有中心峰，是NT個(gè)獨(dú)立的峰之和加上NT(NT-1)個(gè)附屬的峰。此外，應(yīng)指出，還可以將光瞳分解為多個(gè)子光瞳。
在NT＝3的情況下，如圖4b所示的光學(xué)傳遞函數(shù)每個(gè)峰P0、P1、......、P6(作為附屬峰的峰P1被中心峰P0隱藏)來(lái)自于光瞳n與光瞳n’的相互關(guān)聯(lián)，并且是以下兩個(gè)函數(shù)的乘積 -只包含差異像差d的函數(shù)Fd，n，n’(因此，F(xiàn)d，n，n’表示無(wú)畸變的相互關(guān)聯(lián)峰)， -取決于所求的像差和差異的函數(shù)Ψ。
如果傳感器上的相位φS小，可以將光學(xué)傳遞函數(shù)的每個(gè)峰表示如下 其中Ψa＝Ψ-1(4) 其可以根據(jù)像差相對(duì)于矢量x被線性化。可以根據(jù)兩種情況來(lái)執(zhí)行線性化。
情況1 如果求解的是平移(pistons)和較高的模式，則可以通過(guò)以下方式在差異像差附近將表達(dá)式ΨA展開(kāi)為第一級(jí) 其中x＝a(5) 其中“●”表示矩陣積。
情況2 如果只應(yīng)用/求解平移，則光學(xué)傳遞函數(shù)的表達(dá)式在每個(gè)差異平面上都是準(zhǔn)確的，且具有如下表述 其中x＝exp(jα) (6) α是akn和akn’的一系列線性組合。
因此，光學(xué)傳遞函數(shù)的形狀和所求的變形之間有直接聯(lián)系。
一旦通過(guò)上述方法確定了矢量x并且考慮了上述兩種情況，則可以通過(guò)公式(5)和(6)從x推導(dǎo)像差。
在第d個(gè)差異平面上獲得的圖像的傅里葉變換由以下公式給出 其中～是傅里葉變換算子，

表示在頻率平面中的物體的譜(spectrum)，bd是獲得的圖像id中包含的噪音。
測(cè)量原理基于以下事實(shí)，即，隨后將求解產(chǎn)生與所獲得的圖像盡可能接近的模型的變形和/或物體，其相當(dāng)于最小化重建模型與在每個(gè)平面中獲得的數(shù)據(jù)之間的距離的標(biāo)準(zhǔn)J。該標(biāo)準(zhǔn)例如是二次的。
在傅里葉域中，該標(biāo)準(zhǔn)表示為 其中Nd是差異平面的數(shù)量，Nf是定義光學(xué)傳遞函數(shù)的頻率的數(shù)量，id是在第d個(gè)平面上獲得的圖像，

是頻域中的圖像模型。
雖然物體通常是未知的，但是可以用固定的畸變相位來(lái)表示物體，以便消除固定的畸變相位。實(shí)際上，公式(8)在相位上是非線性的，但是在物體上是二次的。因此，通過(guò)固定相位，對(duì)于由如下公式表示的物體存在解析解
其中Fd*表示Fd的共軛；

和

是與物體上的可能調(diào)整有關(guān)的項(xiàng)(如果沒(méi)有調(diào)整，則這些項(xiàng)等于零)；此外，

是被系數(shù)β(默認(rèn)情況下β＝1)加權(quán)的噪音(σ2)和物體(S0(υ))的光譜能量密度，且

表示平均物體。
通過(guò)公式(8)可以獲得新的標(biāo)準(zhǔn)J’，其不再直接取決于所求的變形 其中

是取決于平均物體的調(diào)整項(xiàng)。
通常，通過(guò)非常多的計(jì)算次數(shù)迭代執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)J’的最小化。
代替迭代算法，測(cè)量方法使用解析算法，該解析算法假設(shè)WSA上具有小的相位φS。
特別地，在操作點(diǎn)附近使用該算法，即在φS-φC附近，或者例如以小畸變相位φ使用該算法(操作點(diǎn)接近零)。
因此，在低的φS假設(shè)的范圍內(nèi)，可以 -將標(biāo)準(zhǔn)J’的分母展開(kāi)到零級(jí)，其相當(dāng)于將該標(biāo)準(zhǔn)J’看作與所求變形無(wú)關(guān)的權(quán)項(xiàng)， -將圖像形成模型表示為像差的單一函數(shù)，其相當(dāng)于在每個(gè)平面中在固定差異像差附近將光學(xué)傳遞函數(shù)的峰線性化，換言之，其相當(dāng)于線性化由公式(3)表示的光學(xué)傳遞函數(shù)。
與已知技術(shù)不同，通過(guò)線性化每個(gè)峰，可以考慮緊湊的配置和冗余的配置(包括彼此重合的光學(xué)傳遞函數(shù)的峰)。
該線性化標(biāo)準(zhǔn)可以表示如下 Ni是圖像中的像素的數(shù)量，通常128x 128是或者256x 256。
在Nf個(gè)頻率上定義數(shù)字化的傳遞函數(shù)，即在與記錄的圖像空間相容的空間中被定義因此被像素化的傳遞函數(shù)，其中Nf≤Ni。因此，矩陣A的尺寸是Nf x Na，矩陣B的尺寸是Nf x 1。
當(dāng)該新標(biāo)準(zhǔn)是二次的時(shí)，可以將波前的變形簡(jiǎn)單地表述如下
其中

表示實(shí)部的算子(real part operator)。
則可以從x推導(dǎo)出所求的像差。
為了限定標(biāo)準(zhǔn)，可以 -考慮圖像之間的不同的權(quán)重； -引入圖像過(guò)濾； -包括處理延伸圖像效果； -包括尋找差異圖像之間的微分傾斜跳動(dòng)(differential tiltjitters)； -加入調(diào)整項(xiàng)。
所執(zhí)行的“限定”由所涉及的矩陣A和B的修改來(lái)表示，但是測(cè)量方法的基本原理不變。
以上我們已經(jīng)看出，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，可以找到像差；實(shí)際上，通過(guò)用固定畸變相位來(lái)表示公式(9)以及通過(guò)將其重新用于由公式(8)給出的最初標(biāo)準(zhǔn)，我們已經(jīng)消除了公式(9)中的物體。
例1 如果求解的是平移和其他像差，在前述的情況1中，我們已經(jīng)描述可以在x＝a的條件下將光學(xué)傳遞函數(shù)展開(kāi)到一級(jí)，因此設(shè)定 Fd≈Ld+Md其中以及 其中Ld是線性的x部分，md是固定部分。
則矩陣A和B表示為 其中 以及 通過(guò)公式(12)，計(jì)算的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于迭代的情況。
實(shí)際上，由于矩陣AHA的大小是Na x Na并且Na＜＜Nf，因此矩陣AHA的逆矩陣的大小不變；則計(jì)算時(shí)間被減小到執(zhí)行Nd次傅里葉變換所需的時(shí)間。
圖5顯示估計(jì)器30(如圖1所示)。其中詳細(xì)描述了用于具有由26和27表示的兩個(gè)差異圖像的非限制形情況的實(shí)施例，在該實(shí)施例中，可以估計(jì)平移和高級(jí)模式(相應(yīng)地，以a為函數(shù)的一級(jí)展開(kāi))。
在每個(gè)差異平面中執(zhí)行估計(jì)像差的方法 -計(jì)算矩陣L1、L231和M1、M232， -然后，L1和L2與圖像27和26的傅里葉變換相乘， -符號(hào)⊙表示線性操作，例如項(xiàng)與項(xiàng)相乘或連續(xù)的線性操作， -通過(guò)M1和M2來(lái)執(zhí)行同類操作。因此在輸出處獲得大小為Nfx Na的矩陣A12、A3133，以及大小為Nfx1的矩陣B12、B2134， -根據(jù)公式10，然后減去所獲得的矩陣，以便形成矩陣A35和B36， -操作37根據(jù)公式11計(jì)算項(xiàng)

-在本實(shí)施例的a＝x的范圍內(nèi)，在算子37的輸出處直接獲得所求的像差。
例2 還可以通過(guò)其他方式來(lái)考慮上述的估計(jì)像差的過(guò)程。
實(shí)際上，從估計(jì)像差的表達(dá)式(見(jiàn)公式12)開(kāi)始，可以解析表達(dá)某些項(xiàng)。
特別是，可以通過(guò)將重建符R應(yīng)用于來(lái)自于差異圖像的誤差信號(hào)來(lái)確定像差；事先定義并計(jì)算一次R，以用于在系統(tǒng)中定義的全部物理參數(shù)；應(yīng)指出，在這種情況下，最初考慮的物體是平均物體，這需要事先了解被觀察的場(chǎng)景。
但應(yīng)指出，在用于閉環(huán)中的范圍內(nèi)，可以在所述環(huán)穩(wěn)定過(guò)程中逐漸調(diào)節(jié)該物體。
在這種情況下，可以簡(jiǎn)化公式(12)。則波前的變形表示為
其中表示矩陣的串聯(lián)，因此I的大小是NdNf，元

是差異圖像的傅里葉變換，R是大小為NaxNfNd的重建符。
圖6中顯示的具有兩個(gè)圖像的非限制性框架中的相應(yīng)的估計(jì)方法表現(xiàn)出兩個(gè)相位。
在第一相位，事先確定重建符假設(shè)WSA上的小相位φS，通過(guò)在兩個(gè)差異平面上獲得的傳遞函數(shù)31.1和32.2的組合31，計(jì)算與圖像相關(guān)的大小為NaxNf的模型。然后獲得兩個(gè)矩陣31.3和31.4。
在第二相位，子重建符31.3與圖像27的傅里葉變換矩陣相乘；在矩陣31.4和圖像26之間執(zhí)行同樣的操作。
然后，減去所獲得的兩個(gè)矩陣32和33，以便獲得x函數(shù)，x函數(shù)將用于推導(dǎo)所求的34處的像差40。
然后，還可以用圖像來(lái)調(diào)節(jié)重建符中使用的物體(圖6中虛線所示)。
以上我們已經(jīng)描述了使用光學(xué)傳遞函數(shù)的峰的線性化來(lái)尋找像差，一旦確定了光學(xué)傳遞函數(shù)，就可以利用光學(xué)傳遞函數(shù)找回物體，特別是在物體未知時(shí)。
例3 通過(guò)使用公式(9)所述的以像差為函數(shù)的物體表達(dá)式，一旦估計(jì)了像差，就可以將其重新應(yīng)用于表達(dá)式中，以便找到物體。
當(dāng)然，可以通過(guò)可能的過(guò)濾操作、邊緣效果的處理等等限定物體的尋找。
圖7顯示通過(guò)由十八個(gè)子光瞳構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)觀察的物體的估計(jì)。每個(gè)光瞳(由子光瞳構(gòu)成)非常接近單片式望遠(yuǎn)鏡的光瞳，這顯示本設(shè)備可以應(yīng)用于例如具有六邊形子光瞳的望遠(yuǎn)鏡中。
在所示情況中，觀察儀器被等于λ/10的相位擾動(dòng)影響，該擾動(dòng)來(lái)自于任意提取了八個(gè)澤尼克模式(離焦、兩個(gè)像散、兩個(gè)彗差、兩個(gè)三元彗差、球差)。
通過(guò)儀器上的相位假設(shè)和參考物體模擬兩個(gè)圖像焦平面上的圖像和具有良好的信號(hào)-噪音比的離焦1 rad rms的平面上的圖像。
通過(guò)這兩個(gè)圖像，在子光瞳上專門估計(jì)相位擾動(dòng)(特別是平移-略微傾斜-傾斜)。
然后使用估計(jì)的相位，通過(guò)在焦平面中測(cè)量的圖像的去卷積重建物體。
圖7顯示通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)字處理估計(jì)的物體非常接近于觀察到的物體，特別是細(xì)節(jié)(例如停車場(chǎng)上的汽車)比沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何處理的焦面像清晰得多。
權(quán)利要求
1.一種用于估計(jì)觀察系統(tǒng)(20)的波前的至少一個(gè)變形(10)或者通過(guò)所述觀察系統(tǒng)(20)觀察到的物體的方法，其特征在于，
在觀察系統(tǒng)的焦平面附近，在至少一個(gè)差異平面中獲取至少一個(gè)差異圖像(26-28)，其中差異圖像包括已知的差異變形，并且在每個(gè)差異平面中，
根據(jù)至少以下各項(xiàng)來(lái)確定圖像模型
將系統(tǒng)的物理光瞳分解為多個(gè)子光瞳，
將每個(gè)子光瞳上的所求變形分解為由待定系數(shù)加權(quán)的至少一個(gè)已知變形的形式；
通過(guò)系統(tǒng)(20)的光瞳的自動(dòng)相互關(guān)聯(lián)確定系統(tǒng)(20)的傳遞函數(shù)；
根據(jù)所求的變形系數(shù)將自動(dòng)相互關(guān)聯(lián)的每一項(xiàng)(P0-P6)線性化，在已知的差異變形附近執(zhí)行該線性化；
觀察到的物體和噪音；
通過(guò)確定的圖像模型和獲得的圖像，估計(jì)所求的變形或觀察到的物體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，待估計(jì)的所述變形和所述物體使二次估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)最小化。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述子光瞳是圓形、六邊形或者正方形的。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述變形表示為澤尼克的基項(xiàng)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述差異變形是任意的。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，如果所求的變形是
平移，則每個(gè)差異平面中的傳遞函數(shù)的線性化是準(zhǔn)確的；
任意的，則每個(gè)差異平面中的傳遞函數(shù)的線性化是近似的。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法被應(yīng)用于一個(gè)或多個(gè)集成電路。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述觀察系統(tǒng)選擇自以下組中光學(xué)觀察系統(tǒng)、電子顯微鏡、伽馬射線望遠(yuǎn)鏡、聲學(xué)成像。
9.一種片上系統(tǒng)，包括適合應(yīng)用根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法的裝置。
10.一種用于估計(jì)觀察系統(tǒng)(20)的波前的至少一個(gè)變形(10)或者通過(guò)所述觀察系統(tǒng)(20)觀察到的物體的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括
在觀察系統(tǒng)的焦平面附近、在至少一個(gè)差異平面中獲取至少一個(gè)差異圖像(26-28)的裝置，其中差異圖像包括已知的差異變形；并且在每個(gè)差異平面中，所述設(shè)備包括
根據(jù)至少以下各項(xiàng)來(lái)確定圖像模型的裝置
將系統(tǒng)的物理光瞳分解為多個(gè)子光瞳，
將每個(gè)子光瞳上的所求變形分解為由待定系數(shù)加權(quán)的至少一個(gè)已知變形的形式；
通過(guò)系統(tǒng)(20)的光瞳的自動(dòng)相互關(guān)聯(lián)確定系統(tǒng)(20)的傳遞函數(shù)；
根據(jù)所求的變形系數(shù)將自動(dòng)相互關(guān)聯(lián)的每一項(xiàng)(P0-P6)線性化；在已知的差異變形附近執(zhí)行該線性化；
觀察到的物體和噪音；
通過(guò)確定的圖像模型和獲得的圖像，估計(jì)所求的變形或觀察到的物體。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備還包括用于將所求變形發(fā)送到觀察系統(tǒng)的校正裝置的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10和11所述的設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備還包括連續(xù)獲取差異圖像的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于估計(jì)觀察系統(tǒng)的波前的至少一個(gè)變形或者通過(guò)該系統(tǒng)觀察到的物體的方法，其特征在于在觀察系統(tǒng)的焦平面附近，在至少一個(gè)差異平面中獲取至少一個(gè)差異圖像，其中差異圖像包括已知的差異變形；在每個(gè)差異平面中，根據(jù)至少以下各項(xiàng)來(lái)確定圖像模型將系統(tǒng)的物理光瞳分解為多個(gè)子光瞳；將每個(gè)子光瞳上的所求變形分解為由待定系數(shù)加權(quán)的至少一個(gè)已知變形的形式；通過(guò)系統(tǒng)光瞳的自動(dòng)相互關(guān)聯(lián)確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；作為所求的變形系數(shù)的函數(shù)將自動(dòng)相互關(guān)聯(lián)的每一項(xiàng)線性化，其中在已知的差異變形附近執(zhí)行該線性化；觀察到的物體和噪音；通過(guò)確定的圖像模型和獲得的圖像，估計(jì)所求的變形或觀察到的物體。
文檔編號(hào)G01M11/02GK101779112SQ200880025262
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2008年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
發(fā)明者F·卡桑, I·莫克爾, L·米尼耶 申請(qǐng)人:國(guó)家研究和航空航天研究局