光电成像系统的性能优化
光电仪器中的光学系统设计与性能评估考核试卷
10.在评估光学系统的性能时，可以通过_______测试来评估系统的成像质量。
四、判断题（本题共10小题，每题1分，共10分，正确的请在答题括号中画√，错误的画×）
1.光电仪器中的光学系统设计时，焦距与物距、像距之间遵循库克定律。（）
5.在光学设计中，为了减少彩色像差，常采用_______和_______两种透镜材料组合。
6.光电仪器中的光学系统通常需要通过_______来控制进入系统的光通量。
7.光学系统中的视场角是指从光学系统_______所能观察到的角度范围。
8.在Zemax等光学设计软件中，通过调整_______和_______来优化光学系统的性能。
19.以下哪些技术可以用于减少光学系统中的彩色像差？（）
A.使用复消色差透镜
B.优化透镜材料的选择
C.调整透镜的曲率
D.增加透镜的数量
20.在光学系统性能评估中，以下哪些测试可以用于检测像质？（）
A.星点测试
B.瑞利判据
C.模板测试
D.波前畸变测试
（注：请考生在答题括号内填写选项字母，每题1.5分。）
A.焦距
B.畸变
C.分辨率
D.景深
5.以下哪种材料常用于制造光学透镜？（）
A.铜
B.铝
C.玻璃
D.塑料
6.在光学系统中，第一近轴光线指的是：（）
A.通过光心的光线
B.与光轴平行且通过物点的光线
C.通过物点的最边缘的光线
D.与光轴成一定角度的光线
7.以下哪种像差是由于光线通过透镜不同部分时速度不同引起的？（）
三、填空题（本题共10小题，每小题2分，共20分，请将正确答案填到题目空白处）
光机扫描仪像质评价与优化设计
外多光谱扫描仪可见近红外谱段 （ ６ 的图像 质量 Ｂ） 明显好于其短波红外谱段 （ ７ Ｂ ） Ｂ 和 ８ 的图像质量 。 由于 Ｂ 的调制传递函数（ Ｔ ） Ｂ 和 Ｂ ６ Ｍ Ｆ比 ７ ８的 Ｍ Ｆ Ｔ
略低 ， 导致 町 和 Ｂ 的图像 质量 比 Ｂ 差 的主要原 ８ ６ 因是 和 Ｂ 的信噪比（Ｎ ） Ｂ 的 ｓ Ｒ明显低。 ８ ｓＲ 比 ６ Ｎ 相关的研究工作表 明 ， 为了获得更好的图像质量或
—
ｂｏｍ Ｉａ ｅ ｅｔ ｇｍｏ ｏ ｕａ ，ｏ ｔ ａ —ｍｅｈ ｎｃｌｓａ ｎ ｒ ｓｓｌ ｗ ｄ ｌ ｓｄ ｉ ｎ ｅｄ ． ｈｓｐ ｐ ｒ ｉ— ｒｏ ｉ ｇ ｒｉ ｇ ｔｎ ｒ ｐ ｐ ｌｒ ｐｉ ｌ ｎ ｓ ｉ ｅ ｃ ｃ ａ ｉａ ｎ ｅ ｔｌ ｉｅｙｕｅ ｍａ ｙｆ ｌｓ Ｔ ｉ ａ ｅ ｓ ｃ ｉ ｉ ｎ ｉ ｄ
维普资讯
第 ２ 卷第 １ ７ 期
２Ｏ ０６年 ０ ３月
航天返回与遥感
Ｓ Ａ Ｅ ＲＡ ’ Ｃ ＶＥ Ｙ ＆ Ｒ Ｍ 匝 Ｓ ＮＳ Ｇ Ｐ Ｃ Ｃ 兀 ＲＥ Ｏ Ｒ Ｅ Ｅ ｌ ３
光机扫描仪像质评价 与优化设计
马 文坡
（ 空间机电研究 所 ， 北京 北京 １０７） ００６
Ｃ ＳＥ ｅｉ ｇ ｕ ｌｙｅ ａｕ ｔ ｎ ａ ｄ ｔ ｄ ｏ ｄ ｓ ｎｏ ｏ ｔ ａ —ｍｅｈ ｎｃ ａ ｎ ｒ ｔ ｒｔ ｉ ｕｓｓｔｅｅ ａｕ ｔ ｎ Ｕ ＳＳｔ ｅ ｑ ａｉ ｖ ａｉ ｎ ａ ｅｆ ｅｉ ｆ ｐｉｌ ｈ ｍａ ｔ ｌ ｏ ｒ ｇ ｃ ｃ ａ ｉａ ｓ ｎ ｅ ．Ｉ ｆ ｓ ｙｄｓ ｓｅ ｖｌａ ｏ ｌｃ ｌ ｉ ｃ ｈ ｉ
红外多光谱扫描仪（ Ｓ） 删 ｓ为例 ， 介绍了通过对 Ｇ Ｄ Ｍ Ｆ Ｓ Ｒ进行折 中考虑 来对光机扫描仪进行优化设 Ｓ、Ｔ 和 Ｎ 计 的思路 。 关键词 光机扫描仪 像质评价 优化设计
光电信号处理方法
光电信号的增强
光电信号的增强主要通过光电倍增管、 雪崩二极管等器件实现，这些器件可 以在放大信号的同时，进一步提高信 号的信噪比。
增强后的光电信号可以更好地满足后 续处理的需求，提高整个光电系统的 性能和可靠性。
03 光电信号的数字化处理
数字信号处理的基本概念
数字信号
将连续时间信号转换为离散时间信号的过程。
小波变换
将信号分解成不同频率的子信号，可以对信号进行多尺度分析。
04 光电信号的调制与解调
调制与解调的基本概念
调制
将低频信号转换为高频信号的过程， 以便传输或处理。
解调
将调制后的高频信号还原为低频信号 的过程。
模拟调制技术
AM（调幅）
通过改变载波的振幅传递信息。
FM（调频）
通过改变载波的频率传递信息。
微型化
利用人工智能和机器学习等技术，实现光 电信号处理的智能化和自主化。
随着微纳技术的发展，光电信号处理将朝 着微型化的方向发展，实现更小体积、更 低功耗的系统。
02 光电信号的采集与预处理
光电信号的采集
1
光电信号的采集是光电信号处理的第一步，其目 的是将光信号转换为电信号，以便后续处理。
2
常用的光电信号采集器件包括光电二极管、光电 晶体管、光电池等，它们能够将光信号转换为电 流或电压信号。
光电信号处理
利用电子学和信息处理技术对光电信号进行采集、传 输、转换、增强、分析和理解的过程。
光电信号处理的应用领域
光学通信
利用光电信号处理技术实现高速、大容量的信息 传输。
环境监测
利用光电信号处理技术实现对大气、水质等环境 参数的实时监测。
ABCD
生物医学成像
显示与成像知识点
▪试述光电成像技术对视见光谱域的延伸以及所受到的限制。
▪2、光电成像技术在哪些领域得到广泛的应用？▪3、光电成像技术突破了人眼的哪些限制？▪4、光电成像器件可分为哪两大类？各有什么特点？▪5、怎样评价光电成像系统的光学性能？有哪些方法和描述方式？人眼的视觉缺陷第一，有限的视见光谱域（光谱的限制）看不见红外图像和紫外图像第二，有限的视见灵敏域（灵敏度的限制）光线太暗的地方能见度不高第三，有限的视见分辨率（分辫力的限制）目标太小了看不清楚第四，对视觉信号无记忆能力（时间上的限制）看过但是不记得有效的波谱区是:亚毫米波、红外辐射、可见光、紫外辐射、射线、射线等。
将波动方程应用于讨论电磁波成像就可知，只要像空间两点的距离大于衍射极限，即可分辨其间的光强分布，也就是能构成图像信息。
根据简化的电磁波衍射理论模型，两个像点间能够被分辨的最短距离为d，它等于式中，是电磁波的波长，是电磁波在像空间的介质折射率，是电磁波在像方的会聚角。
从这一衍射公式可知：当电磁波的波长增大时，所能获得的图像分辨力将显著降低。
因此对波长超过毫米数量级的电磁波，如果用有限孔径和焦距的成像系统所获得的图像分辨力将会很低。
所以基本上排除了波长较长的电磁波的成像作用。
目前光电成像对光谱长波阈的延伸仅扩展到亚毫米波成像。
除了衍射造成分辨力下降而限制了长波的电磁波用于成像而外，同时用于成像的电磁波也存在一个短波限制。
通常把这个短波限确定在射线(Roentgen)与射线(Gamma)的波段。
这是因为波长更短的辐射具有极强的穿透能力，所以宇宙射线难以在普通条件下聚焦成像。
光电成像器件按其工作方式可分为：直视型非直视型(扫描型或电视型)在非直视型光电成像器件中，又可根据其工作原理区分为以下几种。
第一种是光电摄像器件。
第二种是光电导摄像器件。
第三种是光电增强型摄像器件。
第四种是热释电摄像器件。
第五种是电荷耦合摄像器件。
第六种是通过光机扫描成像的探测器单元及探测器阵列。
光信息科学与技术和光电信息科学与工程
光信息科学与技术和光电信息科学与工程光信息科学与技术与光电信息科学与工程是两个与光学相关的学科领域，它们在现代科技发展中起着重要的作用。
本文将分别介绍光信息科学与技术和光电信息科学与工程的基本概念、研究方向和应用领域。
光信息科学与技术是指研究光作为信息传递和处理的媒介的学科。
它主要研究光的产生、传输、探测和处理等方面的基本理论和技术方法。
光信息科学与技术的研究方向包括光纤通信、光存储、光传感、光计算等。
在光纤通信方面，光信息科学与技术的研究者致力于提高光纤通信的传输速率和传输距离，以满足日益增长的信息传输需求。
在光存储方面，研究者们通过利用光的特殊性质，开发出了高密度、高速度的光存储技术，为大容量数据存储提供了新的解决方案。
在光传感方面，光信息科学与技术的研究者通过设计和制备新型的光传感器，实现对光、电、磁、化学等信号的高灵敏度检测和测量。
在光计算方面，研究者们通过利用光的并行处理能力，开发出了光计算的新方法和新设备，为信息处理提供了更快速、更高效的解决方案。
光电信息科学与工程是指研究光电子器件和系统的设计、制造和应用的学科。
它主要研究光电子器件和系统的基本原理、制备技术和应用方法。
光电信息科学与工程的研究方向包括光电器件、光电系统和光电材料等。
在光电器件方面，研究者们通过设计和制备新型的光电子器件，如光电二极管、光电晶体管、光电效应器件等，实现对光信号的探测、放大和处理。
在光电系统方面，研究者们通过组合和优化不同的光电子器件，构建出各种光电系统，如光通信系统、光成像系统、光测量系统等，实现对光信号的传输、处理和应用。
在光电材料方面，研究者们通过研究和开发新型的光电材料，如半导体材料、光学材料、光电功能材料等，提高光电子器件的性能和稳定性，推动光电信息科学与工程的发展。
光信息科学与技术和光电信息科学与工程在现代科技中有着广泛的应用。
在通信领域，光纤通信技术已经成为主要的信息传输方式，提供了高速、大容量的通信能力。
光电专业必学知识点总结
光电专业必学知识点总结第一，光电基础知识：光电技术是用光来传输、处理信息，其基础知识包括光波特性、光学成像、光的干涉和衍射等。
在这部分的学习中，学生需要了解光的波粒二象性、光的传播特性、光的相互作用等基本概念，同时还需要学习光的成像原理、光的干涉和衍射现象等内容。
第二，光电器件与器件制造技术：光电器件是光电技术的核心部分，它包括光电二极管、光电晶体管、光电探测器等。
在这部分的学习中，学生需要了解不同光电器件的结构和工作原理，以及光电器件的性能参数和制造工艺。
此外，还需要学习光电器件的测试方法和应用技术。
第三，光电传感技术：光电传感技术是一种重要的感知技术，它包括光电传感器的种类、工作原理、应用领域以及实际应用案例等内容。
在这部分的学习中，学生需要了解各种光电传感器的结构和特点，以及光电传感技术在工业自动化、环境监测、智能交通等方面的应用。
第四，光电测量与控制技术：光电测量与控制技术是一种重要的检测和控制技术，它包括光电仪器的种类、工作原理、精度和分辨率等。
在这部分的学习中，学生需要了解光电仪器的设计和校准原理，以及光电测量与控制技术在精密测量、自动化控制、医学影像等方面的应用。
第五，光电信息处理技术：光电信息处理技术是一种重要的信息处理技术，它包括光电数字转换技术、光电信号处理技术、光电成像技术等。
在这部分的学习中，学生需要了解光电信息处理技术的基本原理、算法和硬件实现，以及光电信息处理技术在通信、图像处理、光纤传感等方面的应用。
第六，光电系统集成技术：光电系统集成技术是一种重要的系统集成技术，它包括光电器件的组装、调试和测试技术，以及光电系统的设计和优化方法。
在这部分的学习中，学生需要了解光电系统集成技术的基本原理和技术，以及光电系统集成技术在通信网、光学仪器等领域的应用及发展趋势。
以上是光电专业的一些必学知识点总结，其中所涉及到的内容十分庞杂，学生需要在学习光电专业的过程中注重理论知识与实践技能的结合，不断提升自己的动手能力和创新能力，为今后在光电领域的发展和应用做好充分的准备。
CCD成像原理
CCD成像原理CCD（Charge-Coupled Device）是一种广泛应用于数码相机、摄像机和天文望远镜等光学成像设备中的器件，其成像原理是基于光电转换和信号传输的物理过程。
CCD成像原理的理解对于提高成像设备的性能和质量具有重要意义。
首先，CCD成像原理的核心是光电转换。
当光线照射到CCD表面时，光子会激发半导体中的电子，使其跃迁到导带中，产生电荷。
这些电荷被储存在CCD的像素单元中，形成图像的原始信息。
因此，CCD的光电转换效率直接影响着图像的清晰度和色彩还原度。
其次，CCD成像原理涉及信号传输过程。
经过光电转换后，CCD需要将储存的电荷信号传输到读出电路中进行放大和处理。
这一过程需要经过行、列驱动器的控制，将电荷信号逐行逐列地传输到输出端。
因此，CCD的信号传输速度和稳定性对于图像的帧率和抗干扰能力具有重要影响。
此外，CCD成像原理还涉及信噪比的问题。
在光电转换和信号传输的过程中，CCD会受到来自外部环境和器件本身的噪声干扰，影响图像的质量和准确性。
因此，CCD的设计需要考虑如何降低噪声干扰，提高信噪比，以获得更清晰、更真实的图像。
在实际应用中，CCD成像原理的理论基础需要与工程实践相结合，以实现更高水平的成像性能。
例如，在数码相机中，CCD传感器的像素数量和尺寸决定了图像的分辨率和细节表现能力；在工业检测设备中，CCD的灵敏度和动态范围决定了其在光强不均匀环境下的成像效果。
总之，CCD成像原理是光电转换和信号传输的物理过程，对于成像设备的性能和质量具有重要影响。
理解和应用CCD成像原理，有助于优化成像设备的设计和制造，提高图像的清晰度和准确性，满足不同领域对于成像质量的需求。
光场成像技术
南京理工大学课程考核论文课程名称：图像传感与测量论文题目：光场成像技术姓名：陈静学号： 314101002268 成绩：任课教师评语：签名：年月日光场成像技术一、引言光作为一种在分布在空间中的电磁场，具有振幅、相位、波长等多种属性，帮助人类感知物体的明暗、位置和色彩。
然而，传统的光学成像只能捕获到光辐射在二维平面上的投影强度，而丢失了其他维度的光学信息。
光场成像作为一种计算成像的方法，利用现代信息处理技术的优势，不仅克服了传统成像在原理上的某些局限性，同时也降低了成像能力对于物理器件性能的依赖性[1]。
光场成像指的是光场的采集以及将光场处理为图像的过程。
国外对光场成像技术的研究相对较早[2]，早在1903年Ives便发明了运用真空成像技术的双目视差显示系统，它通过在主透镜的像面处放置针孔面阵列，从而使原像面处的光辐射按角度进行重分布后记录在光探测器上，避免了角度信息的丢失。
1908年，Lippman发明的集成照相术被后世广泛运用于三维全息成像，通过用微透镜阵列代替针孔面阵列，在底片上接收到有微小差别的一系列基元图像，消除了Ives 装置中的弥散斑。
Gershun在1936年提出光场的概念，将其定义为光辐射在空间各个位置向各个方向的传播。
他提出了到达空间不同点处的光辐射量连续变化，能够通过几何分析进而积分的方法来计算像面上每点的光辐射量的观点。
但由于计算量庞大的缺点和能够进行高次运算的计算机尚未出现的局限性，当时未能对其理论进行验证。
1948 年，Gabor利用2束相干光干涉记录下物体衍射未聚焦的波前，获得第一张全息图。
如果把这张全息图看作是包含方向和位置信息的光辐射函数，那么这其实也是一张特殊的光场图像，而非传统只记录强度信息的二维图像。
二十世纪六七十年代，Okoshi、Dudnikov、Dudley、Montebello等学者对IP技术进行了不断的改进，微透镜阵列在成像方面的作用也得以凸显。
随着计算机技术的不断发展和微透镜制作精度的提高，Adelson于1992年将光场理论成功运用到计算机视觉，并提出全光场理论。
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光电成像系统的性能优化
作者：胡超超
来源：《科学与财富》2016年第04期
摘 要：在光电成像系统的设计中，对其性能进行优化，可以提升成像系统的分辨率。本
文主要对光电系统的性能优化、系统误差、平均函数和信噪比进行探讨，以期设计师在设计光
电成像系统的过程中，可以根据实际情况来选取合理的优化措施。
关键词：光电成像；性能优化；光学设计
前言：对光电成像系统性能的评价主要涉及光学系统和光电成像系统的优化。在对光电成
像系统的优化过程中，涉及材料、机械和电子等多门学科。随着科技的不断发展，阵列探测器
更新换代的速度相对较快，为了满足阵列探测器的发展需求，加强对光电成像系统的研究，并
且对其进行性能优化具有重要的价值。
1.对光电成像系统的性能优化
对光电成像系统的性能优化目标主要是对光学和电学内容进行设计，并且提升光电成像系
统的性能，同时降低系统的制作成本。在光电成像系统中，探测器的性能主要是由电荷扩散、
几何尺寸和位相时钟等因素决定。在使用的过程中，探测器的性能同样受到环境、运输和温度
等因素的影响。
在设计师对光学系统进行设计时，要根据成像倍率和瞬时视场角来决定光学系统的焦距；
并且要根据信噪比来设计孔径；同时要根据尺寸来设计相应的视场角；另外，要根据使用换环
境和加工难度来设计相应的传递函数余量。在理想的光学系统设计中，艾里斑直径为2.44λF，
光学系统函数的截止频率为1/λF，探测器函数的截止频率为1/d，当艾里斑直径为1个像元
时，艾里斑直径为d，光学函数截止频率为2.44/d。但是当艾里斑为一个像元时，系统明显的
缺乏采样，继而会导致探测器受到一定程度的限制。当系统传递相应的频谱时，将会导致成像
失真[1]。
针对系统成像的失真问题，设计师在设计系统的过程中，可以采用增加空间采样频率的方
式来提升系统的分辨率。其主要体现在以下几个方面：第一，当系统的艾里斑直径为2个像元
时，系统同样欠缺采样，这种设计方式主要应用于航空相机和空间相机，其传递函数相比于设
计值较低。第二，当艾里斑函数为3个像元时，光电系统的传递函数较为容易达到0.1，其一
般应用于中小型的光电成像系统。第三，当艾里斑函数为4个像元时，光电系统的分辨率相对
较高，适用于实验室等设计环境。由此可见，在光电成像系统的性能优化设计中，增加系统空
间采样频率的方式可以较好的提升系统的分辨率，进而可以达到光电系统的使用性能[2]。
2 系统误差对函数的影响
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在光学成像系统的设计中，由于涉及、制造和使用的过程中会出现相应的误差，继而会降
低传递函数，从而会影响光电成像系统的使用性能。根据科学研究显示，其影响性能的因素主
要体现在以下几个方面：
2.1波像差对函数的影响
在光学系统的设计中，波像差会对系统的分辨率产生较大的影响，而在系统的设计中，加
工环境、设计和使用等变化均可以影响波像差的变化，从而会影响光电成像系统的使用性能。
在光电系统的设计中，其下降因子与波像差之间的关系如公式1所示：
在公式1中，Wmrs是系统的波像差，单位是波长，ATF（v）是函数的下降因子，表示空
间频率。当系统的Wmrs=0.05，0.07，0.1和0.125时，系统的下降因子会达到在最低值。因
此，在设计师设计光学成像系统的过程中，需要对波像差和函数下降因子进行合理的分析，以
便可以保证系统的使用性能[3]。
2.2离焦对函数的影响
在光学成像系统的设计中，需要对系统进行调焦，当调焦过程中出现误差，对系统的函数
会产生较大的影响。当离焦的弥散斑直径是d的时候，离焦的函数如公式2所示：
在公式2中，MTF（u）为离焦，当探测器像元的尺寸分别为10%d-d时，离焦函数的下降
幅度越来越大。在设计师设计系统的过程中，为了保证系统的分散率，必须将探测器的像元尺
寸控制在30%d以内，以便可以保证光电成像系统的使用效率。
2.3像移对函数的影响
在光电成像系统的使用过程中，在曝光时间内，像在像面内会出现移动，从而会在一定程
度上导致函数下降。像移主要包括线性异动、高频随机振动和正弦振动。当系统的线性位移数
值为d时，系统函数如公式3所示：
在公式3中，ud主要代表空间频率，当系统探测器像元的尺寸分别为10%d、20%d、
30%d、40%d、50%d和d时，像移的下降幅度会逐渐增大。
在光电成像系统的设计过程中，光电的函数主要是由波像差、离焦和像移的乘积得到。对
于光学遥感中的光电成像系统，在设计的过程中，可以将空间频率设置在0.5左右，在光电系
统加工后，其函数应该控制在0.2左右。而系统最终应用的函数应该控制在0.1左右[4]。因
此，在光电成像系统的使用过程中，只有设计师根据实际使用要求来进行设计，才可以达到最
佳的使用性能。
3 系统的平均传递函数
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在光电成像系统中，光学传递函数在线性空间内属于不变的系统，但是探测器取样会不断
的发生变化。在系统的使用中，为了满足系统的使用需求，设计师可以采用平均函数的方式来
表示空间频率的变化，以便可以更好的对光电成像系统的性能进行优化。在光电成像系统的使
用中，随着系统sin函数和cos数值的不断增加，系统的相位值会逐渐缩小，并且逐渐趋于标
准理论值。在数据的使用过程中，规定相应的相位等于0.因此，在光电成像系统的设计过程
中，设计师应该尽量的减少函数的数值，以便可以保证系统的分辨率。
4 系统的信噪比
在光电成像系统的使用过程中，信噪比是影响系统的重要指标。在信噪比的使用过程中，
主要分为红外系统信噪比和光系统信噪比。其分别如公式4和公式5所示。
在公式4中，主要表示红外系统的信噪比，其中F为孔径数，L为地面的辐射亮度。通过
公式4，可以较好的对系统的数值进行计算。
在公式5中，Se为信号电子数，Ne为噪声电子数，De为暗信号输出的电子数。在系统的
设计中，设计师要根据实际情况来合理的选择信噪比的数值。
结语：光电成像系统的设计关系着其分辨率的大小，继而会影响人们对光电系统的使用性
能。希望通过本文的相关介绍，设计师在设计光电成像系统的过程中，可以合理的设计像移、
离焦和波像差，以便可以更好的提升光电系统的使用性能。
参考文献：
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生物医学工程学杂志，2015，01（12）：218-224.
[2]张颖，牛燕雄，吕建明，等.星载光电成像系统建模与性能评估[J].激光与光电子学进
展，2015，02（13）：148-154.
[3]乔健.舰载光电成像系统探测能力分析[J].光学精密工程，2013，10（10）：2520-2526.
[4]马东玺，张文博，范大鹏.光电跟踪伺服系统的输入多采样率满意控制[J].红外与激光工
程，2011，12（12）：2484-2491.
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