图像探测器的亚像素响应函数测量方法

本发明涉及光学图像探测，更具体地涉及一种图像探测器的亚像素响应函数测量方法。

背景技术：

1、科学级光学图像探测器，例如ccd(电荷耦合器件)或者cmos(互补金属氧化物半导体)探测器，广泛地应用于光学遥感、生物学、天文学、成像系统等领域。研究图像探测器的科学成像能力，可以提升其在天文学研究中的科学产出，有利于揭开更多的天文奥秘。为了以可承受的成本实现天文大视场观测，许多空间天文仪器都以欠采样模式运行。在这种情况下，亚像素灵敏度的变化可能会产生重要影响，例如影响测光精度、引力透镜测量等。为了引力透镜科学研究，需要对探测器像素内的响应进行精确的测量。

2、在申请号为202011181240.8的中国专利申请中提出了一种图像探测器亚像素响应变化测量方法及系统，用于测量探测器亚像素响应。为了得到非常小的艾里斑，该方法中需要使用光学显微镜物镜。光学显微物镜通常采用多片透射镜片组成，存在较大的光学像差，此时若仍然采用理想情况下的艾里斑响应轮廓模型，最终会导致响应函数测量结果存在较大的误差。此外，真实的亚像素响应函数并非就是艾里斑轮廓模型，也可能是其他分布的轮廓，该专利申请中的方法不能将光学测量系统的点扩散函数进行解耦。

3、在论文(kavaldjiev d,ninkov z.subpixel sensitivity map for a charge-coupled device[j].optical engineering,1998,37(3):948-954.doi:10.1117/1.601788.)中提出了一种亚像素响应函数测量直接方法，该方法通过移动小光斑，以扫描覆盖整个像素。每个扫描位置对应该像素的一个灰度值数据读出，多次扫描后可以得到诸多位置的灰度值，最终从位置信息和灰度值数据中拼接出该像素的亚像素响应函数。由于像素的灰度值读出数据其实反应的是该像素内所有光子总和，即使该像素内的光子能量分布发生变化，该像素的灰度值读出数据也不会发生变化。因此，这种直接测量方法并不能完全反应像素内的响应函数，只有当小光斑的尺寸远远小于探测器像素尺寸时，这种直接测量方法才能够测量出真实的亚像素响应函数。理论上，由于受到光学系统衍射极限的限制，现实中可能无法获得尺寸非常小的光斑。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种图像探测器的亚像素响应函数测量方法，以克服现有技术的不足，实现简单、高效、操作方便的亚像素响应函数测量。

2、基于上述目的，本发明提供一种图像探测器的亚像素响应函数测量方法，包括以下步骤：

3、s100：搭建图像探测器的亚像素响应函数测量系统；

4、s200：利用图像探测器的亚像素响应函数测量系统采集图像数据；

5、s300：对图像数据进行重构，得到卷积重构图像；

6、s400：根据卷积重构图像确定亚像素响应函数。

7、进一步地，所述图像探测器的亚像素响应函数测量系统包括微位移平台、控制器和沿光传输方向依次排列的激光光源、第一光阑、准直透镜、第二光阑、会聚透镜、图像探测器，所述图像探测器设于所述微位移平台上，所述控制器分别与所述微位移平台和所述图像探测器相连。

8、进一步地，所述激光光源、所述第一光阑、所述准直透镜、所述第二光阑、所述会聚透镜、所述图像探测器、所述微位移平台和所述控制器均设于气浮光学平台上。

9、进一步地，步骤s200具体包括：

10、s210：打开所述激光光源，以发出激光，所述激光依次经过所述第一光阑、所述准直透镜、所述第二光阑和所述会聚透镜后形成一个光斑投射在所述图像探测器上，通过所述控制器控制所述微位移平台移动，以调整所述图像探测器的位置，使光斑位于所述图像探测器的中心附近；

11、s220：通过所述控制器控制所述微位移平台按预设的移动轨迹进行平移，并在平移至预设的各采样点时，控制所述图像探测器采集各采样点处的光斑图像，作为图像数据。

12、进一步地，任意两个相邻的采样点之间的间距相同。

13、进一步地，步骤s300具体包括：

14、s310：对各采样点处的光斑图像进行裁剪，在裁剪时保留每一幅光斑图像的相对位置信息，以得到各裁剪后的图像，各裁剪后的图像均包括第一数量的像素且保留光斑的全部信息；

15、s320：分别对各裁剪后的图像进行去噪处理，得到各去噪后的图像，作为各基础图像；

16、s330：分别对各基础图像进行像素扩充，得到各扩充后的图像，各扩充后的图像均包括第二数量的像素，第二数量为第一数量的预设倍数；

17、s340：将各扩充后的图像依次相加，得到重构后的图像；

18、s350：将重构的图像按照所述移动轨迹进行平移，以得到分别与各采样点处的光斑图像一一对应的各平移后的重构图像；分别对各平移后的重构图像进行像素合并，得到分别与各采样点处的光斑图像一一对应的各虚拟观测图像，各虚拟观测图像均包括第一数量的像素；

19、s360：针对每一幅采样点处的光斑图像，将该采样点处的光斑图像减去对应的虚拟观测图像，得到与该采样点处的光斑图像对应的残差图像；

20、s370：分别对各残差图像进行像素扩充，得到各扩充后的残差图像，各扩充后的残差图像均包括第二数量的像素；将每一幅扩充后的残差图像与重构后的图像相加，得到该扩充后的残差图像对应的重构后的虚拟采样图像；

21、s380：将各重构后的虚拟采样图像重新作为各基础图像，并执行步骤s330-s340，以重新得到重构后的图像；

22、s390：判断重新得到的重构后的图像是否满足预设要求，若是，则将该重新得到的重构后的图像作为卷积重构图像，若否，则重复执行步骤s350-s380，直至重新得到的重构后的图像满足预设要求为止。

23、进一步地，步骤s320具体包括：

24、针对每一幅裁剪后的图像，计算未被光斑覆盖区域的灰度值的平均值，作为该裁剪后的图像的噪声信号，将该裁剪后的图像减去该噪声信号，得到该裁剪后的图像对应的去噪后的图像。

25、进一步地，扩充后的图像与去噪后的图像满足如下关系式：

26、

27、其中，is为扩充后的图像，i为去噪后的图像，x，y为扩充后的图像的像素坐标，i，j为去噪后的图像的像素坐标，m为预设倍数，为向上取整符号，k为采样点的序号，k为采样点总数。

28、进一步地，步骤s400具体包括：

29、s410：根据测量系统参数，利用傅里叶变换方法模拟计算出测量系统的点扩散函数；

30、s420：根据点扩散函数和卷积重构图像进行迭代计算，以得到亚像素响应函数。

31、进一步地，所述点扩散函数满足如下关系式：

32、h(x,y)＝|fft(p(x,y))|2

33、

34、其中，h(x,y)为点扩散函数，fft表示二维傅里叶运算，p(x,y)为测量系统的光瞳函数；a(x,y)为圆形孔径函数，为系统光学像差，q为虚数单位；

35、所述亚像素响应函数的迭代公式为：

36、

37、其中，fl(x,y)为第l-1次迭代得到的亚像素响应函数，fl+1(x,y)为第l次迭代得到的亚像素响应函数，亚像素函数的初始值f0(x,y)为g(x,y)，g(x,y)为卷积重构图像。