光電成像技術(shù)論文(2)
光電成像技術(shù)論文篇二
光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化
摘 要：在光電成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化，可以提升成像系統(tǒng)的分辨率。本文主要對(duì)光電系統(tǒng)的性能優(yōu)化、系統(tǒng)誤差、平均函數(shù)和信噪比進(jìn)行探討，以期設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)光電成像系統(tǒng)的過程中，可以根據(jù)實(shí)際情況來選取合理的優(yōu)化措施。
關(guān)鍵詞：光電成像;性能優(yōu)化;光學(xué)設(shè)計(jì)
前言：對(duì)光電成像系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)主要涉及光學(xué)系統(tǒng)和光電成像系統(tǒng)的優(yōu)化。在對(duì)光電成像系統(tǒng)的優(yōu)化過程中，涉及材料、機(jī)械和電子等多門學(xué)科。隨著科技的不斷發(fā)展，陣列探測(cè)器更新?lián)Q代的速度相對(duì)較快，為了滿足陣列探測(cè)器的發(fā)展需求，加強(qiáng)對(duì)光電成像系統(tǒng)的研究，并且對(duì)其進(jìn)行性能優(yōu)化具有重要的價(jià)值。
1.對(duì)光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化
對(duì)光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化目標(biāo)主要是對(duì)光學(xué)和電學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且提升光電成像系統(tǒng)的性能，同時(shí)降低系統(tǒng)的制作成本。在光電成像系統(tǒng)中，探測(cè)器的性能主要是由電荷擴(kuò)散、幾何尺寸和位相時(shí)鐘等因素決定。在使用的過程中，探測(cè)器的性能同樣受到環(huán)境、運(yùn)輸和溫度等因素的影響。
在設(shè)計(jì)師對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)成像倍率和瞬時(shí)視場(chǎng)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(jì)孔徑;同時(shí)要根據(jù)尺寸來設(shè)計(jì)相應(yīng)的視場(chǎng)角;另外，要根據(jù)使用換環(huán)境和加工難度來設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳遞函數(shù)余量。在理想的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)器函數(shù)的截止頻率為1/d，當(dāng)艾里斑直徑為1個(gè)像元時(shí)，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(gè)像元時(shí)，系統(tǒng)明顯的缺乏采樣，繼而會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器受到一定程度的限制。當(dāng)系統(tǒng)傳遞相應(yīng)的頻譜時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致成像失真[1]。
針對(duì)系統(tǒng)成像的失真問題，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)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(gè)方面：第一，當(dāng)系統(tǒng)的艾里斑直徑為2個(gè)像元時(shí)，系統(tǒng)同樣欠缺采樣，這種設(shè)計(jì)方式主要應(yīng)用于航空相機(jī)和空間相機(jī)，其傳遞函數(shù)相比于設(shè)計(jì)值較低。第二，當(dāng)艾里斑函數(shù)為3個(gè)像元時(shí)，光電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)較為容易達(dá)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(gè)像元時(shí)，光電系統(tǒng)的分辨率相對(duì)較高，適用于實(shí)驗(yàn)室等設(shè)計(jì)環(huán)境。由此可見，在光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jìn)而可以達(dá)到光電系統(tǒng)的使用性能[2]。
2 系統(tǒng)誤差對(duì)函數(shù)的影響
在光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于涉及、制造和使用的過程中會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的誤差，繼而會(huì)降低傳遞函數(shù)，從而會(huì)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(gè)方面：
2.1波像差對(duì)函數(shù)的影響
在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，波像差會(huì)對(duì)系統(tǒng)的分辨率產(chǎn)生較大的影響，而在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，加工環(huán)境、設(shè)計(jì)和使用等變化均可以影響波像差的變化，從而會(huì)影響光電成像系統(tǒng)的使用性能。在光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)，系統(tǒng)的下降因子會(huì)達(dá)到在最低值。因此，在設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)光學(xué)成像系統(tǒng)的過程中，需要對(duì)波像差和函數(shù)下降因子進(jìn)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(duì)函數(shù)的影響
在光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)焦，當(dāng)調(diào)焦過程中出現(xiàn)誤差，對(duì)系統(tǒng)的函數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)離焦的彌散斑直徑是d的時(shí)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(cè)器像元的尺寸分別為10%d-d時(shí)，離焦函數(shù)的下降幅度越來越大。在設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過程中，為了保證系統(tǒng)的分散率，必須將探測(cè)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(duì)函數(shù)的影響
在光電成像系統(tǒng)的使用過程中，在曝光時(shí)間內(nèi)，像在像面內(nèi)會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)，從而會(huì)在一定程度上導(dǎo)致函數(shù)下降。像移主要包括線性異動(dòng)、高頻隨機(jī)振動(dòng)和正弦振動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)的線性位移數(shù)值為d時(shí)，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(cè)器像元的尺寸分別為10%d、20%d、30%d、40%d、50%d和d時(shí)，像移的下降幅度會(huì)逐漸增大。
在光電成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(duì)于光學(xué)遙感中的光電成像系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)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(jì)師根據(jù)實(shí)際使用要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)，才可以達(dá)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(cè)器取樣會(huì)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(jì)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(duì)光電成像系統(tǒng)的性能進(jìn)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(huì)逐漸縮小，并且逐漸趨于標(biāo)準(zhǔn)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(jì)過程中，設(shè)計(jì)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(biāo)。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(duì)系統(tǒng)的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。
在公式5中，Se為信號(hào)電子數(shù)，Ne為噪聲電子數(shù)，De為暗信號(hào)輸出的電子數(shù)。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師要根據(jù)實(shí)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(jì)關(guān)系著其分辨率的大小，繼而會(huì)影響人們對(duì)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(jì)師在設(shè)計(jì)光電成像系統(tǒng)的過程中，可以合理的設(shè)計(jì)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。
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