09-光电成像系统(1)资料

Q
孔径光阑的确定方法 入瞳和出瞳
孔径光阑 与轴上物点位置有关,具有限制轴上物 点的成像光束孔径角的作用。
L
D
确定系统孔径光阑的方法:将
系统中各光阑分别经其前面
D
的光学元件成像于系统的物
F
F 空间,其中对轴上点张角最小
P
的那个像所对应的光阑即为
D
孔径光阑A.S.
D
光瞳（pupil）
入射光瞳（入瞳）——孔径光阑经其前方光学系统所成的像。
调制对比度定义：
M b1 bo
I
b1
b0
o
x
设输入信号的调制度为M0 ( f )，经过成像系统后输出 信号的调制度为M ( f ) ，则成像系统对某一频率 f 的调 制传递函数MTF定义为：
M0
M（f ) MTF ( f )
Mo( f )
x
M
x
调制传递函数（MTF）与空间频率的关系
M
对 比 度
最小弥散圆 主光线
弧矢焦线 子午焦线
像散(Astigmatism) 远离轴上物点发出的窄光束经透镜后不再交于一点
子午平面
像
面
物
面
光轴
物点
弧矢平面
➢ 子午平面：轴外物点和光轴所确定的平面。子午平面内的 光束称子午光束。
➢ 弧矢平面：过主光线且与子午平面垂直的平面。弧矢平面 内的光束称弧矢光束
像散（轴外点细光束）
成像系统传递函数的概念:
成像系统可以看作是一个低通线性滤波器，给成 像系统输入一个正弦信号（即给出一个光强正弦分布 的目标），输出仍然是同一频率的正弦信号（即目标 成的像仍然是同一空间频率的正弦分布），只不过像 的对比度有所降低，位相发生移动。
对比度降低的程度和位相移动的大小是空间频率 的函数，被称为成像系统的对比(调制)传递函数 （MTF）和位相传递函数（PTF）。
P
F1 u u1 o1
u2
o2
P' P
u1
F1
o1
o2 u2 u ' P'
孔径光阑的确定是以成象物体的确定为前提的，即同一系统中， 当物体的位置不同时，孔径光阑可能会不同。
P1
u1 P2
u2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
P1’
P2’
孔径光阑与物点位置的关系
L A.S
Q
D
P
D
孔径光阑 A. S.的作用：
P 限制成像光束口径
控制到达像面的光能
孔径光阑在物空间中的等效孔径 出射光瞳(出瞳)： 限制出射光束的有效孔径,
孔径光阑对后方光学系统所成的像
孔径光阑在像空间中的等效孔径
视场光阑(Field stop)
视场光阑—限制成像 范围的光阑
L
Q Q1
PF
F.S
D
F
P
Q1
Q
D
视场光阑 F. S.的作用： 限制物面上能成像的范围,限制视场的大小
A 探测器
MRTD的测试图案
MRTD的定义和测试:
具有不同空间频率，高宽比为7：1的四条带目标图案处于 均匀的背景中。成像系统对某一组四条带图案成像，调节目标 相对背景的温差，从零逐渐增大，直到在显示屏上刚能分辨出 条带图案为止。此时的温差就是在该空间频率下的最小可分辨 温差。分别对不同空间频率的条带图案重复上述测量过程，可 得到MRTD曲线。
成清晰像 的最佳像面不为平面
像散和场曲的校正：
像点 轨迹
透 镜
屏幕
光轴
加光阑
复合透镜
非球面透镜；
畸变(Distortion)
物平面
枕形畸变
桶形畸变
引起像的变形，不影响像的清晰度。
光阑消除畸变
色差(Chromatic aberration)
（1）位置色差
12 3
不同波长的光，焦距不同, 像的位置不同。在1,2,3三 截面上,形成的光环半径不 同.
P’
sin u u u3 u5 u7 u9 3! 5! 7! 9!
非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略
球面系统不能理想成像 出现三级以上像差
sin u u u3 u5 u7 u9 3! 5! 7! 9!
三级像差(或初级像差)----5种：
1) 球差(spherical aberration) 2) 慧差(coma) 3) 像散(astigmatism) 4) 场曲(curvature of field) 5) 畸变(distortion)
光电图像处理
（九）光电成像系统01
电子工程学院光电子技术系
主要内容
一、光电成像原理 二、光学系统的像差 三、典型的光学系统 四、红外成像系统的综合特性 五、微光像增强器件
一、光电成像原理
1. 光电成像系统的基本结构
扫描成像系统
下图所示为一简单的机械扫描成像设备原理装置，入射 光到一可转动的平面反射镜上，当平面镜转动时，平面镜反 射的光束的方向就会发生改变，达到扫描成像的目的。
B’ B
A’
孔径光阑
视场光阑
3. 光电成像系统的基本技术参数
1）光学系统的通光口径（有效孔径、入瞳直径）D 决定了光学系统接收的能量。
孔径光阑
有效孔径
u
u’
D
Ie
d R
有效孔径 D
成像系统接收的辐射通量（光功率）：
e
Ie
(D / 2)2 R2
2）光学系统的焦距 f
f
3) 相对孔径 D/f
相对孔径定义为光学系统的入瞳直径(通光孔径)D与 焦距f之比，相对孔径的倒数叫F 数。
所经历的时间称为滞留时间 d 。
二、光学系统的像差（ aberration)
理想成像
物空间
像空间
光 学 系 统
实物成实象
傍轴条件下可以看作理想成像，它 要求成像光束的孔径小且仪器的视 场小。
像差的基本概念
任何偏离理想成像的现象，称为像差 像差包括单色像差和色像差。 单色像差中包括球差、彗差、像散、像场弯曲、畸变
空
间
区
域
面阵器件
2. 成像光学系统中的光阑(stop)
(1)孔径光阑(Aperture stop)
光阑：光学系统中凡是对光能量具有限制作用的元件。如： 光学系统中的透镜的外缘、开孔、光屏等。
孔径光阑（有效光阑）：在光学系统中，对整个系统光能量 的传播范围起决定性限制作用的那一个光阑。
孔径光阑
孔径光阑
相对孔径 D
f
F数
f D
相对孔径决定红外成像光学系统的衍射分辨率及像面
上的辐照度。
衍射分辨率:
1.22
D/ f
/
像面照度： E ( D)2
f
应具有尽可能大的相对孔径，
以提高系统的灵敏度。
F数
f D
表达照相机光圈大小是用F数（ = 镜头的焦距 / 镜头口径的直径）
完整的光圈值系列如下： F1， F1.4， F2， F2.8， F4， F5.6，
像差
单色像差(monochromatic aberration) 色像差(chromatic aberration)
单色像差的来源
P
-u
u’
P’
sin u u u3 u5 u7 u9 3! 5! 7! 9!
近轴条件下： sin u u
球面系统在近轴条件下可以理想成像
物像一一对应
P
-u u’
Wh f
h
f 探测器
WH WV
5）瞬时视场角α、β
瞬时视场
探测器 a
b
b
f
处理器
a
f
观察视场
扫描机构
WV
a
b
b a
f
f
•
6) 帧时Tf和帧速 F
对于扫描光电成像系统，完成一帧扫描所需的时间
称为帧时Tf，单位时间完成的帧数称为帧速
•
F
，显
然有：
Tf
1
•
F
7) 滞留时间
对光机扫描系统而言，物空间一点扫过单元探测器
球差(Spherical aberration)
轴上物点发出的大孔径光线不聚焦于一点
图示：不同大小球差的照片 加光阑；
球差的校正：
复合透镜，如正负透镜组合、 球面曲率及折射率的配合等； 非球面透镜；
变折射率透镜
中间折射率大
彗差(Coma)
轴外傍轴物点发出的宽光束经透镜折射后不再交于一 点，而在像面上形成彗星状弥散斑
温度为TT的均匀方形黑体目标，处在 温度为TB(TT＞TB)的均匀黑体背景中 构成测试图案。红外成像仪对这个图 案进行观察，当系统的基准电子滤波 器输出的信号电压峰值和噪声电压的 均方根值之比为1时，黑体目标和黑 体背景的温差称为噪声等效温差。
WV W
TT
W TB
WH
NETD测试图案
NETD是表征红外成像系统性能的关键指标。
出射光瞳（出瞳）——孔径光阑经其后方光学系统所成的像。
B ''
孔径光阑
入 瞳
B'
出 瞳
P
u F1
o1
入射孔径角
B ''
B
入
瞳
o2 u '
P'
直 径
B
B'
例
出瞳--孔径光阑对
后方系统成的像
孔径光阑
u
u’
在这个系统中，孔径光阑同时也是入瞳
入射光瞳(入瞳)： 限制入射光束的有效孔径, 是孔径光阑对前方光学系统所成的像
瞬时视场
探测器
处理器
观察视场
扫描机构
成像设备工作原理图
1）串联扫描
探测器
二维扫描示意图
水平扫描示意
水平扫描示意
水平扫描示意
水平扫描示意
垂直扫描示意
垂直扫描示意
垂直扫描示意
垂直扫描示意
光机扫描设备光路图
2) 并联扫描
3）串并联混合扫描
延迟
1
N
N i
Si
凝视成像系统
物
光学系统
f 空间频率 fc
这个函数的具体形式则完全由成像系统的成像性能所决定， 因此传递函数客观地反映了成像系统的成像质量，成像系统存 在一个截止频率 fc，对这个频率，正弦目标的像的对比降低到0。 标经系统成像后对比降低和信息衰减。
两种不同镜头的调制传递函数
成像过程中各个环节的调制传递函数
（1）光学系统的调制传递函数MTF0 （2）探测器的MTFd （3）电子线路的MTFe （4) 显示器的MTFm （5）大气的MTFom （6）人眼调制传递函数MTFeye
设有亮暗相间的等宽度条纹图案， 两相邻条形中心之间距离称为空间 周期（mm），的倒数称为空间频 率。
线性周期
Tx
x
f 1 T
lp/mm
观察距离R(m)
O 观察点
物体结构的分解：
➢ 通常所谓的分辩率，是将物体结构分解为线或点， 这只是分解物体方法的一种。
➢ 另一种方法是将物体结构分解为各种频率的谱，即 认为物体是由各种不同的空间频率组合而成的。这样 成像系统的特性就表现为它对各种物体结构频率的响 应：透过特性、对比度和位相的传输。
（2）放大率色差
不同 颜色的光 放大率不
同
单个透镜的色差，无法消除。但是把一对不同材料的 凸、凹透镜胶合起来，可对选定的两种波长消除色差。
色差(Chromatic aberration) P
色差的产生
P
n1
色差的消除
n2
P’
三、 典型的光学系统 （1）透射式红外光学系统
（2）反射式红外光学系统 牛顿光学系统：
Q
屏 幕
彗星状弥散斑
Q1
Q2
Q3
注意：球差和彗差往往同时存在，消除球差后才明显 观察到彗差。
不同大小慧差的照片 加光阑；
慧差的校正： 复合透镜； 非球面透镜；
像散(Astigmatism)和场曲（Curvature of field）
轴外物点发 出的同心光 束，水平方 向和竖直方 向的光线的 聚焦点在不 同平面上
F8， F11， F16， F22， F32， F44， F64。特别要注意的是光
圈F值愈小，表示在同一单位时间内的光通量愈多，而且上一
级的进光量刚是下一级的一倍，例如光圈从F8调整到F5.6，进
光量便多一倍，我们也说光圈开大了一级。
F数
f D
4) 观察视场角WH 、WV
W
tg W h / 2 2f
卡塞格伦系统：
格利高利系统：
（3）折反射组合式光学系统 施密特系统：
透射式光学系统与反射式光学系统比较：
➢透射式光学系统设计、装调精度要求低，加工 装调难度小；但口径大于200mm时重量太大，一 般不采用透射式；
➢反射式光学系统波段宽，没有色差，大口径光 学系统一般采用反射式 。
四、红外成像系统的综合特性
物 面
物点
像散使轴外物点的像变成 两条分离的线。 竖直面上的光线,交于 子午焦线.水平面上的 光线，交于弧矢交线。
TS
像 面
光轴
子午 焦线
弧矢
焦线 量像 最的 好质
场曲 （Curvature of field） （像场弯曲）
垂直于光轴的平面物体只有在近轴区域才近 似成像为一个平面，对较大物面，像面不是 平面而是曲面。
实际测量时，为了取得良好的结果，通常要求目标尺寸W超 过系统瞬时视场若干倍，目标和背景的温差T超过NETD数 十倍，使信号峰值电压Vs远大于均方根噪声电压Vn,然后按下 式计算NETD。
T NETD
Vs /Vn
Vs
Vn
3. 最小可分辨温差（MRTD）
MRTD是景物空间频率的函数。
D H H:D=7:1
（7）系统的传递函数MTF 成像系统总的传递函数为各分系统传递函数的乘积：
MTF MTFo MTFd MTFe MTFm MTFom MTFeye
人眼能接收感知的极限调制度为0.026，目视仪器 各个环节的传递函数值可以以此作为考虑的出发点。
2. 噪声等效温差（NETD）
NETD（Noise Equivalent Temperature Difference）的 定义和测量方法
红外成像系统性能的综合量度指标：
空间分辨率—— 调制传递函数（MTF） 温度分辨率—— 噪声等效温差（NETD）
最小可分辨温差（MRTD） 最小可探测温差（MDTD）
1. 调制传递函数（MTF）
成像系统的传输特性分析
Q●
P'
P● U 1
Q'
爱里斑
为了分析成像系统的特性，引入空间频率的概念。
空间频率定义为周期量在单位空间上变化的周期数， 单位是线对/毫米，即lp/mm 。