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光電成像系統(tǒng)與人眼視覺的匹配問題論文
摘 要：以電視、激光成像和熱成像系統(tǒng)為代表的光電成像系統(tǒng)在軍事和民用上有著廣泛的用途，但光電成像系統(tǒng)與人眼視覺的匹配問題仍是按現(xiàn)有理論和方法難以準確解釋或定量描述的普遍問題。從理論上闡述了此問題的本質(zhì)，說明了在這種匹配系統(tǒng)中存在系統(tǒng)的最佳匹配，且匹配狀態(tài)直接影響光電成像系統(tǒng)的總體設(shè)計，并對如何描述這種關(guān)系進行一些說明和分析。
關(guān)鍵詞：光電技術(shù)論文
前言：對光電成像系統(tǒng)性能的評價主要涉及光學(xué)系統(tǒng)和光電成像系統(tǒng)的優(yōu)化。在對光電成像系統(tǒng)的優(yōu)化過程中，涉及材料、機械和電子等多門學(xué)科。隨著科技的不斷發(fā)展，陣列探測器更新?lián)Q代的速度相對較快，為了滿足陣列探測器的發(fā)展需求，加強對光電成像系統(tǒng)的研究，并且對其進行性能優(yōu)化具有重要的價值。
1.對光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化
對光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化目標主要是對光學(xué)和電學(xué)內(nèi)容進行設(shè)計，并且提升光電成像系統(tǒng)的性能，同時降低系統(tǒng)的制作成本。在光電成像系統(tǒng)中，探測器的性能主要是由電荷擴散、幾何尺寸和位相時鐘等因素決定。在使用的過程中，探測器的性能同樣受到環(huán)境、運輸和溫度等因素的影響。
在設(shè)計師對光學(xué)系統(tǒng)進行設(shè)計時，要根據(jù)成像倍率和瞬時視場角來決定光學(xué)系統(tǒng)的焦距;并且要根據(jù)信噪比來設(shè)計孔徑;同時要根據(jù)尺寸來設(shè)計相應(yīng)的視場角;另外，要根據(jù)使用換環(huán)境和加工難度來設(shè)計相應(yīng)的傳遞函數(shù)余量。在理想的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中，艾里斑直徑為2.44λF，光學(xué)系統(tǒng)函數(shù)的截止頻率為1/λF，探測器函數(shù)的截止頻率為1/d，當(dāng)艾里斑直徑為1個像元時，艾里斑直徑為d，光學(xué)函數(shù)截止頻率為2.44/d。但是當(dāng)艾里斑為一個像元時，系統(tǒng)明顯的缺乏采樣，繼而會導(dǎo)致探測器受到一定程度的限制。當(dāng)系統(tǒng)傳遞相應(yīng)的頻譜時，將會導(dǎo)致成像失真[1]。
針對系統(tǒng)成像的失真問題，設(shè)計師在設(shè)計系統(tǒng)的過程中，可以采用增加空間采樣頻率的方式來提升系統(tǒng)的分辨率。其主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，當(dāng)系統(tǒng)的艾里斑直徑為2個像元時，系統(tǒng)同樣欠缺采樣，這種設(shè)計方式主要應(yīng)用于航空相機和空間相機，其傳遞函數(shù)相比于設(shè)計值較低。第二，當(dāng)艾里斑函數(shù)為3個像元時，光電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)較為容易達到0.1，其一般應(yīng)用于中小型的光電成像系統(tǒng)。第三，當(dāng)艾里斑函數(shù)為4個像元時，光電系統(tǒng)的分辨率相對較高，適用于實驗室等設(shè)計環(huán)境。由此可見，在光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化設(shè)計中，增加系統(tǒng)空間采樣頻率的方式可以較好的提升系統(tǒng)的分辨率，進而可以達到光電系統(tǒng)的使用性能[2]。
2 系統(tǒng)誤差對函數(shù)的影響
在光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計中，由于涉及、制造和使用的過程中會出現(xiàn)相應(yīng)的誤差，繼而會降低傳遞函數(shù)，從而會影響光電成像系統(tǒng)的使用性能。根據(jù)科學(xué)研究顯示，其影響性能的因素主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
2.1波像差對函數(shù)的影響
在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計中，波像差會對系統(tǒng)的分辨率產(chǎn)生較大的影響，而在系統(tǒng)的設(shè)計中，加工環(huán)境、設(shè)計和使用等變化均可以影響波像差的變化，從而會影響光電成像系統(tǒng)的使用性能。在光電系統(tǒng)的設(shè)計中，其下降因子與波像差之間的關(guān)系如公式1所示：
在公式1中，Wmrs是系統(tǒng)的波像差，單位是波長，ATF(v)是函數(shù)的下降因子，表示空間頻率。當(dāng)系統(tǒng)的Wmrs=0.05，0.07，0.1和0.125時，系統(tǒng)的下降因子會達到在最低值。因此，在設(shè)計師設(shè)計光學(xué)成像系統(tǒng)的過程中，需要對波像差和函數(shù)下降因子進行合理的分析，以便可以保證系統(tǒng)的使用性能[3]。
2.2離焦對函數(shù)的影響
在光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計中，需要對系統(tǒng)進行調(diào)焦，當(dāng)調(diào)焦過程中出現(xiàn)誤差，對系統(tǒng)的函數(shù)會產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)離焦的彌散斑直徑是d的時候，離焦的函數(shù)如公式2所示：
在公式2中，MTF(u)為離焦，當(dāng)探測器像元的尺寸分別為10%d-d時，離焦函數(shù)的下降幅度越來越大。在設(shè)計師設(shè)計系統(tǒng)的過程中，為了保證系統(tǒng)的分散率，必須將探測器的像元尺寸控制在30%d以內(nèi)，以便可以保證光電成像系統(tǒng)的使用效率。
2.3像移對函數(shù)的影響
在光電成像系統(tǒng)的使用過程中，在曝光時間內(nèi)，像在像面內(nèi)會出現(xiàn)移動，從而會在一定程度上導(dǎo)致函數(shù)下降。像移主要包括線性異動、高頻隨機振動和正弦振動。當(dāng)系統(tǒng)的線性位移數(shù)值為d時，系統(tǒng)函數(shù)如公式3所示：
在公式3中，ud主要代表空間頻率，當(dāng)系統(tǒng)探測器像元的尺寸分別為10%d、20%d、30%d、40%d、50%d和d時，像移的下降幅度會逐漸增大。
在光電成像系統(tǒng)的設(shè)計過程中，光電的函數(shù)主要是由波像差、離焦和像移的乘積得到。對于光學(xué)遙感中的光電成像系統(tǒng)，在設(shè)計的過程中，可以將空間頻率設(shè)置在0.5左右，在光電系統(tǒng)加工后，其函數(shù)應(yīng)該控制在0.2左右。而系統(tǒng)最終應(yīng)用的函數(shù)應(yīng)該控制在0.1左右[4]。因此，在光電成像系統(tǒng)的使用過程中，只有設(shè)計師根據(jù)實際使用要求來進行設(shè)計，才可以達到最佳的使用性能。
3 系統(tǒng)的平均傳遞函數(shù)
在光電成像系統(tǒng)中，光學(xué)傳遞函數(shù)在線性空間內(nèi)屬于不變的系統(tǒng)，但是探測器取樣會不斷的發(fā)生變化。在系統(tǒng)的使用中，為了滿足系統(tǒng)的使用需求，設(shè)計師可以采用平均函數(shù)的方式來表示空間頻率的變化，以便可以更好的對光電成像系統(tǒng)的性能進行優(yōu)化。在光電成像系統(tǒng)的使用中，隨著系統(tǒng)sin函數(shù)和cos數(shù)值的不斷增加，系統(tǒng)的相位值會逐漸縮小，并且逐漸趨于標準理論值。在數(shù)據(jù)的使用過程中，規(guī)定相應(yīng)的相位等于0.因此，在光電成像系統(tǒng)的設(shè)計過程中，設(shè)計師應(yīng)該盡量的減少函數(shù)的數(shù)值，以便可以保證系統(tǒng)的分辨率。
4 系統(tǒng)的信噪比
在光電成像系統(tǒng)的使用過程中，信噪比是影響系統(tǒng)的重要指標。在信噪比的使用過程中，主要分為紅外系統(tǒng)信噪比和光系統(tǒng)信噪比。其分別如公式4和公式5所示。
在公式4中，主要表示紅外系統(tǒng)的信噪比，其中F為孔徑數(shù)，L為地面的輻射亮度。通過公式4，可以較好的對系統(tǒng)的數(shù)值進行計算。
在公式5中，Se為信號電子數(shù)，Ne為噪聲電子數(shù)，De為暗信號輸出的電子數(shù)。在系統(tǒng)的設(shè)計中，設(shè)計師要根據(jù)實際情況來合理的選擇信噪比的數(shù)值。
結(jié)語：光電成像系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)系著其分辨率的大小，繼而會影響人們對光電系統(tǒng)的使用性能。希望通過本文的相關(guān)介紹，設(shè)計師在設(shè)計光電成像系統(tǒng)的過程中，可以合理的設(shè)計像移、離焦和波像差，以便可以更好的提升光電系統(tǒng)的使用性能。
參考文獻：
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