光学系统设计时成像探测器采样频率与自身截止频率关系

paperpaperSCI · 发表于 2019-4-24 14:59

本帖最后由 paperpaperSCI 于 2019-4-24 15:09 编辑

问题如下：在设计光学系统时，成像探测器采样频率与光学系统自身截止频率之间有什么关联？
成像探测器采样频率是确定值？我觉得采样频率要高于光学系统自身截止频率，采样时才不至于丢失信息，但是具体怎么界定关系范围不是很清楚唉。

oy87188 · 发表于 2019-4-24 15:12

本帖最后由 oy87188 于 2019-4-24 15:18 编辑

你好，之前看了这一块，我觉得光学的空间分辨率往往受到探测器的采样频率和光学系统自身的截止频率的双重限制。

对于一个光学系统而言，F/#=f/D,其空间衍射极限为：

d=1.22*Lambda*F/#

其系统的空间截止频率可以表示为

Ec=1/(Lambda*F/#)

而对于其探测器而言，其像素大小为p，其对应的采样频率为

E2=1/p

其探测器的奈奎斯特频率为采样频率的一半为

EN=1/2p；

我们可以定义一个Q值为：

Q=(1/p)/(Lambda*F/#)=2*EN/Ec

故成像系统的设计参量Q定义为探测器的采样频率与光学系统衍射截止频率之比。

1、当Q=1时

周期性出现的频谱将发生混叠，导致图像不清晰

2、当Q=2时

探测器的采样频率恰好为光学截止频率的2倍，不发生混叠，EN和Ec之间没有空白区域

3、当Q=3时

周期性复现的频谱之间虽然没有混叠但是EN和Ec之间有一段区域缺少空间频率信息，将导致其图像发生模糊，具体的表征如图1所示。

所以设计一个Q=2的结构设计在光学组件和探测器之间可以有最佳的空间频率覆盖度。

还有其他问题可以多多交流哦

zhaoyumulin · 发表于 2019-4-24 23:09

光学系统截止频率一般受探测限制。对于无限远成像的光想学习通截止频率为1/(lamda*F),但利用探测器接收时，截止频率为奈奎斯特频率为1/(2*pixel size)

dxydl · 发表于 2019-6-13 10:59

oy87188 发表于 2019-4-24 15:12
你好，之前看了这一块，我觉得光学的空间分辨率往往受到探测器的采样频率和光学系统自身的截止频率的双重限 ...

这里我有点疑问：
光学系统截止频率即MTF值=0时的频率，这个时候以这个MTF值接收器一般是无法分辨该频率的，即相当于有一个空白区，所以是否应该进行针对接收器的 MTF-频率阈值曲线进行补正，以整个系统（光学+接收器）的截止频率作为Ec.
但是这样就有一个问题：无法被分辨的光到底会对接收器产生什么影响？
比如说接收器对MTF0.2以下的频率无法分辨，那么这些频率的信号到底会怎么样呢？

参考图片：《光学设计》-袁旭沧 p.389 图 11-15
图中向上的曲线为接收器阈值曲线

oy87188 · 发表于 2019-6-13 22:25

dxydl 发表于 2019-6-13 10:59
这里我有点疑问：
光学系统截止频率即MTF值=0时的频率，这个时候以这个MTF值接收器一般是无法分辨该频率 ...

这个问题确实比较专业，建议在社区单独提问一下

damow · 发表于 2023-8-23 13:47

请问大佬们，1/（2*像元尺寸）是传感器可以分辨的物，这个和光学放大倍数有关吗？比如4微米的像元大小，2倍是8微米，5倍的光学放大倍数，那可以实际分辨的物体大小是1.6微米吗？

一共八下 · 发表于 2023-9-22 13:56

damow 发表于 2023-8-23 13:47
请问大佬们，1/（2*像元尺寸）是传感器可以分辨的物，这个和光学放大倍数有关吗？比如4微米的像元大小，2 ...

如果你的5倍放大镜头的光学分辨率*放大倍数小于2*像元尺寸，则4um像元的物分辨尺寸为2*4um/5倍放大=1.6um，但如果你的5倍放大镜头的光学分辨率*放大倍数大于2*像元尺寸，则传感器能分辨的物方尺寸要跟着镜头的分辨率来

arcman · 发表于 2023-10-5 09:27

本帖最后由 arcman 于 2023-10-5 09:44 编辑

实际上，成像探测器采样频率就是sensor的解像力（每1mm可以解析的线对），分为全频、半频、四分之一频。对于黑白解析的芯片全频的解像力计算公式为：1000/（pixel大小）/2；但是对于彩色(RGB)而言，Sensor是以每4pixel解析1点，所以Sensor此时的计算公式为：中心：1000/（pixel大小）/sqrt（2）边缘：1000/（pixel大小）/sqrt（2）
而你说的采样频率要高于光学系统自身截止频率，实际上就是你在设计一个光学系统时，应当根据sensor的pixel来确定空间频率这一横坐标，并以此来提高设计的mtf值。如图：

且1.MTF曲线越高越好
2.MTF曲线越平直越好
3.S曲线（弧氏曲线）与T曲线（子午曲线）越重合越好（镜头像散小）
4.所有视场的曲线需要更加聚集（清晰度致）

damow · 发表于 2023-10-8 13:30

arcman 发表于 2023-10-5 09:27
实际上，成像探测器采样频率就是sensor的解像力（每1mm可以解析的线对），分为全频、半频、四分之一频。对 ...

您好，对于彩色探测器的计算能说的更详细一些吗？您文中给出的中心和边缘的计算公式好像是一样的呢。

arcman · 发表于 2023-10-9 14:41

damow 发表于 2023-10-8 13:30
您好，对于彩色探测器的计算能说的更详细一些吗？您文中给出的中心和边缘的计算公式好像是一样的呢。

您好关于计算方法，黑白探测器的输入错误
纠正过来应该是1000/pixel大小/2

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