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大多数图像质量的讨论都围绕分辨率，分辨率被认为是唯一决定系统性能的。 但是，分辨率是一个比较复杂的概念。
相机分辨率取决于光学模糊直径和检测器尺寸。 Schade将它们组合起来以创建等效分辨率, 该分辨率可由方程式Fλ/ d表示, 其中 F 是焦距比, λ是平均波长, d是检测器尺寸. 在空间域中,2.44Fλ/ d 是艾里斑直径与探测器尺寸之比. 在频域中, 它是检测器截止值与光学截止值之比 (如图1). 图1. 系统MTF为MTFSYS = MTFOPTICS x MTFDETECTOR.由于检测器MTF 为主导, 因此这是一个受检测器限制的系统 (Fλ/ d = 0.1).
了解这两种极限情况很重要 (表1).例如, 当在检测器受限区域中操作时, 更改孔径直径不会显著影响分辨率. 相反, 当处于光学受限区域时, 更改检测器尺寸影响最小. 从探测器极限到光学极限的过渡是渐进的, 介于0.41 < Fλ/ d < 1.0之间.
Schade的等效分辨率
Schade引入了等效分辨率的概念. 结合了光学和检测器MTF,作为一种系统方法: 其中, u 是空间频率变量, 单位为周期/毫米.Schade强调了 MTF 相对较高的那些空间频率, 使MTF做平方. REQ 无法直接测量, 它是表达系统分辨率的数学结构. 随着MTF的增加, REQ 减少, 分辨率“提高” (越小越好).
其中, ROPTICS = 1.845 Fλ and RDETECTOR = d. 这种方法使我们能够独立分析光学和检测器的分辨率, 然后将它们组合为系统分辨率. 将等效分辨率表示为:
随着Fλ/ d的减小, REQ 接近d (测器限制操作). 对于较大的Fλ/ d值, 系统受到光学限制, 等效分辨率提高. 将艾里斑 (d = 2.44Fλ) 与检测器尺寸相匹配, 将产生等效分辨率, 该分辨率比实际检测器尺寸大25% (如图2).与受探测器限制的图像相比, 该图像有些模糊, 对于某些应用程序可能是可以接受的. 与受探测器限制的图像相比, 在光学受限的区域中, 图像肯定显得模糊.
图2. 不同的Fλ/d比创建的图像.
CCD相机
典型的 1/2 英寸格式CCD 数组中的检测器尺寸约为10μm. 由于它们在可见光光谱区域工作, 因此平均波长为0.5μm.将焦距比减小到 2 以下不会显著提高分辨率, 因为系统在检测器限制区域内运行 (图3).数学方法允许值既不是物理上可实现的 (例如, F=0) 也不是实际的 (例如, F=50), 我们必须选择适用范围. 但是, 这些极值表明在检测器限制区域和光学限制区域中的限制性能.
红外热像仪 例如，考虑一个长波红外 (LWIR) 的摄影机.LWIR 检测器的典型尺寸约为 25μm. 该光谱窗口的平均波长为 10μm. 因为艾里斑直径等于探测器尺寸时 F = 1.02, 所以LWIR 摄像机往往受到光学限制 (图4).由于波长明显更长, 因此LWIR 相机无法提供与 CCD 相机相同的分辨率或图像清晰度.
范围表现：
尽管通常使用检测器角度对数来计算最大范围, 但由于未考虑光学分辨率, 因此它提供了过于乐观的范围. 作为一个汇总指标，REQ可以提供比单个指标更好的系统性能指标，例如探测器尺寸或模糊直径。如探测器尺寸或模糊直径. 因此, 更实际的测距性能指标是：
随着焦比的增加, 模糊也增加, 检测范围减小 (图5).
光学设计人员可以选择孔径直径和焦距. 检测器通常只有几种尺寸, 设计人员有几种选择. 系统方法创建了具有适当 Fλ/ d 的光学检测器组合. 尽管我们为衍射受限的光学器件而努力, 但是在检测器受限的区域中操作时这并不是必需的. 只要模糊直径足够小于检测器尺寸, 就可以接受具有最小像差的光学组件. 简而言之, 质量更好的光学组件不一定提供更好的分辨率.
图3. 典型的1/2英寸格式CCD相机的等效分辨率(d=10μm). 受探测器限制, 操作于F=8.2 (Fλ/ d=0.41) 处的垂直虚线的左侧; 而受光学限制, 操作于F=20 (Fλ/ d = 1.0) 的右侧. 对于实际的光学系统, 最小焦比约为1.0,理论极限为0.5.
但是, 小心还是必须的. 如果将相同的光学组件放置在具有较小检测器的相机上 (移入光学组件受限区域), 则像差可能会令人反感. 请注意, 我们指定的摄像头系统具有特定的光学检测器组合 (Fλ/ d). 任何其他组合可能无法提供所需的性能.
图4. 典型LWIR 摄像机的等效分辨率 (d = 25μm). 受探测器限制的操作位于 F = 1.02 处的垂直虚线的左侧; 而受光学限制的位于 F = 2.5 的右侧. 注意, 图3和4中两个轴上的比例尺不同
世界总认为产品越小越好, 检测器的尺寸在缩小, 从而允许系统设计人员创建更小的摄像机. 但是, 这给光学设计者带来了负担. 例如, 用1/4英寸格式数组替换1/2英寸格式数组需要将焦比降低2倍, 以将等效分辨率降低2倍. 此外, 灵敏度与(d/F)2 成正比. 如果检测器尺寸减小2倍, 则焦距比也必须减小2倍才能保持相同的敏感度.
图5. 使用1/2英寸格式的CCD相机和固定的50mm焦距镜头对1m 目标做检测. 假定大气传输是一致的, 孔径随着焦比的增加而减小
统设计有许多相互竞争的要求. 为了使像差最小, 通常需要高焦比的透镜系统. 为了获得最大的灵敏度, 低焦比系统是设计选择. 为了获得最大范围的性能, 似乎需要长焦距镜头. 对于固定的孔径, 这意味着较高的焦比. 但是, 更长的焦距镜头不会在光学受限的情况下提高测距性能.
该分析将分辨率描述为比率 Fλ/ d的函数. 图3至图5说明了波长和检测器尺寸固定的特定摄像机的性能. 系统性能图将根据所选变量而有所不同 (例如, 与固定 D 的变化 FL相比, 固定FL的变化D). 无论选择什么变量, 成像系统最终都将变为检测器受限或光学受限的. 虽然MTF和等效分辨率方法提供了描述系统性能的数学方法, 但它们无法提供图像.
图6. MAVIISS 设置的图形用户界面, 应用于 50毫米镜头的1/2英寸格式CCD.右下方的MTF 与图1相同, 图像与图2相同 (Fλ/ d = 0.1).
同样重要的采样伪影, 但在一般图像中不太明显. 边缘模糊和定相效果在 “探测器数组: 驯服不规则形状问题” 中进行了描述. 采样效果会随着诸如条形码目标 (USAF 1951目标) 和条形码之类的周期性模式而加重. MAVIISS仿真所有成像系统, 从低填充系数到超分辨率算法为任何输入场景创建的过采样. 其功能丰富的图形用户界面 (图6) 使用户可以轻松且快速地在系统设计中使用, 重要参数的值由滑动条控制. 由于其执行速度快, 随着重要参数的更改, MAVIISS可提供几乎流畅的图像更改.
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发表于 2019-12-15 16:05
发表于 2020-1-6 20:22
