光電成像系統與人眼視覺的匹配問題論文

光電成像系統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為代表的光電成像系統在軍事和民用上有著廣泛的用途，但光電成像系統與人眼視覺的匹配問題仍是按現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，說明了在這種匹配系統中存在系統的最佳匹配，且匹配狀態直接影響光電成像系統的總體設計，并對如何描述這種關系進行一些說明和分析。

　　關鍵詞：光電技術論文

　　前言：對光電成像系統性能的評價主要涉及光學系統和光電成像系統的優化。在對光電成像系統的優化過程中，涉及材料、機械和電子等多門學科。隨著科技的不斷發展，陣列探測器更新換代的速度相對較快，為了滿足陣列探測器的發展需求，加強對光電成像系統的研究，并且對其進行性能優化具有重要的價值。

　　1.對光電成像系統的性能優化

　　對光電成像系統的性能優化目標主要是對光學和電學內容進行設計，并且提升光電成像系統的性能，同時降低系統的制作成本。在光電成像系統中，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境、運輸和溫度等因素的影響。

　　在設計師對光學系統進行設計時，要根據成像倍率和瞬時視場角來決定光學系統的焦距;并且要根據信噪比來設計孔徑;同時要根據尺寸來設計相應的視場角;另外，要根據使用換環境和加工難度來設計相應的傳遞函數余量。在理想的光學系統設計中，艾里斑直徑為2.44λF，光學系統函數的截止頻率為1/λF，探測器函數的截止頻率為1/d，當艾里斑直徑為1個像元時，艾里斑直徑為d，光學函數截止頻率為2.44/d。但是當艾里斑為一個像元時，系統明顯的缺乏采樣，繼而會導致探測器受到一定程度的限制。當系統傳遞相應的頻譜時，將會導致成像失真[1]。

　　針對系統成像的失真問題，設計師在設計系統的過程中，可以采用增加空間采樣頻率的方式來提升系統的分辨率。其主要體現在以下幾個方面：第一，當系統的艾里斑直徑為2個像元時，系統同樣欠缺采樣，這種設計方式主要應用于航空相機和空間相機，其傳遞函數相比于設計值較低。第二，當艾里斑函數為3個像元時，光電系統的傳遞函數較為容易達到0.1，其一般應用于中小型的光電成像系統。第三，當艾里斑函數為4個像元時，光電系統的分辨率相對較高，適用于實驗室等設計環境。由此可見，在光電成像系統的性能優化設計中，增加系統空間采樣頻率的方式可以較好的提升系統的分辨率，進而可以達到光電系統的使用性能[2]。

　　2 系統誤差對函數的影響

　　在光學成像系統的設計中，由于涉及、制造和使用的過程中會出現相應的誤差，繼而會降低傳遞函數，從而會影響光電成像系統的使用性能。根據科學研究顯示，其影響性能的因素主要體現在以下幾個方面：

　　2.1波像差對函數的影響

　　在光學系統的設計中，波像差會對系統的分辨率產生較大的影響，而在系統的設計中，加工環境、設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的使用性能。在光電系統的設計中，其下降因子與波像差之間的關系如公式1所示：

　　在公式1中，Wmrs是系統的波像差，單位是波長，ATF(v)是函數的下降因子，表示空間頻率。當系統的Wmrs=0.05，0.07，0.1和0.125時，系統的下降因子會達到在最低值。因此，在設計師設計光學成像系統的過程中，需要對波像差和函數下降因子進行合理的分析，以便可以保證系統的使用性能[3]。

　　2.2離焦對函數的影響

　　在光學成像系統的設計中，需要對系統進行調焦，當調焦過程中出現誤差，對系統的函數會產生較大的影響。當離焦的彌散斑直徑是d的時候，離焦的函數如公式2所示：

　　在公式2中，MTF(u)為離焦，當探測器像元的尺寸分別為10%d-d時，離焦函數的下降幅度越來越大。在設計師設計系統的過程中，為了保證系統的分散率，必須將探測器的像元尺寸控制在30%d以內，以便可以保證光電成像系統的使用效率。

　　2.3像移對函數的影響

　　在光電成像系統的使用過程中，在曝光時間內，像在像面內會出現移動，從而會在一定程度上導致函數下降。像移主要包括線性異動、高頻隨機振動和正弦振動。當系統的線性位移數值為d時，系統函數如公式3所示：

　　在公式3中，ud主要代表空間頻率，當系統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。

　　在光電成像系統的設計過程中，光電的函數主要是由波像差、離焦和像移的乘積得到。對于光學遙感中的光電成像系統，在設計的過程中，可以將空間頻率設置在0.5左右，在光電系統加工后，其函數應該控制在0.2左右。而系統最終應用的函數應該控制在0.1左右[4]。因此，在光電成像系統的使用過程中，只有設計師根據實際使用要求來進行設計，才可以達到最佳的使用性能。

　　3 系統的平均傳遞函數

　　在光電成像系統中，光學傳遞函數在線性空間內屬于不變的系統，但是探測器取樣會不斷的發生變化。在系統的使用中，為了滿足系統的使用需求，設計師可以采用平均函數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的性能進行優化。在光電成像系統的使用中，隨著系統sin函數和cos數值的不斷增加，系統的相位值會逐漸縮小，并且逐漸趨于標準理論值。在數據的使用過程中，規定相應的相位等于0.因此，在光電成像系統的設計過程中，設計師應該盡量的減少函數的數值，以便可以保證系統的分辨率。

　　4 系統的信噪比

　　在光電成像系統的使用過程中，信噪比是影響系統的重要指標。在信噪比的使用過程中，主要分為紅外系統信噪比和光系統信噪比。其分別如公式4和公式5所示。

　　在公式4中，主要表示紅外系統的信噪比，其中F為孔徑數，L為地面的輻射亮度。通過公式4，可以較好的對系統的數值進行計算。

　　在公式5中，Se為信號電子數，Ne為噪聲電子數，De為暗信號輸出的電子數。在系統的設計中，設計師要根據實際情況來合理的選擇信噪比的數值。

　　結語：光電成像系統的設計關系著其分辨率的大小，繼而會影響人們對光電系統的使用性能。希望通過本文的相關介紹，設計師在設計光電成像系統的過程中，可以合理的設計像移、離焦和波像差，以便可以更好的提升光電系統的使用性能。

　　參考文獻：

　　[1]石涵，都東，蘇志宏，等.醫用全身正電子發射成像探測系統技術的研發熱點和進展[J].生物醫學工程學雜志，2015，01(12)：218-224.

　　[2]張穎，牛燕雄，呂建明，等.星載光電成像系統建模與性能評估[J].激光與光電子學進展，2015，02(13)：148-154.

　　[3]喬健.艦載光電成像系統探測能力分析[J].光學精密工程，2013，10(10)：2520-2526.

　　[4]馬東璽，張文博，范大鵬.光電跟蹤伺服系統的輸入多采樣率滿意控制[J].紅外與激光工程，2011，12(12)：2484-2491.

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