淺談光學(xué)成像系統(tǒng)的成像體制

要學(xué)好光學(xué)設(shè)計(jì)，先要了解一些基礎(chǔ)的知識(shí)。一般情況下，光學(xué)成像系統(tǒng)的成像體制主要包含兩種：凝視型成像和掃描式成像。

凝視型成像

凝視型成像指的是不需要傳動(dòng)裝置進(jìn)行掃描，用面陣探測(cè)器直接探測(cè)目標(biāo)物體的二維回波信號(hào)。采用面陣探測(cè)器，光源發(fā)射出的光照射整個(gè)目標(biāo)視場(chǎng)，一次性探測(cè)整個(gè)目標(biāo)視場(chǎng)內(nèi)全部像素。通常來(lái)說(shuō)，高分辨率和高成像速率在光學(xué)成像中是相互矛盾的，所以需要協(xié)調(diào)考慮它們的關(guān)系。如果對(duì)成像速率的要求不高，對(duì)成像的分辨率有很高的要求時(shí)，那么就可以考慮使用這種技術(shù)。這種方法是利用激光的發(fā)射方式，將激光射向目標(biāo)，并在同一時(shí)間內(nèi)將整個(gè)目標(biāo)視場(chǎng)完全覆蓋，再由二維陣列探測(cè)器對(duì)反射回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。例如凝視型成像激光雷達(dá)，激光器發(fā)出大功率脈沖擴(kuò)束激光照射向目標(biāo)后反射回來(lái)，接收端采用高速電子快門和高靈敏度的ICCD相機(jī)一次性采集所有陣列的光學(xué)圖像信號(hào)。這種技術(shù)存在的缺點(diǎn)是無(wú)法采用高靈敏度、高增益的雪崩光電二極管探測(cè)器、需要發(fā)射功率足夠大的激光器、成本高等。當(dāng)然也有優(yōu)點(diǎn)，則是成像的速度快且不需要掃描器。

掃描式成像

掃描式成像是指將目標(biāo)物體分為若干個(gè)點(diǎn)，使用單元探測(cè)器，每次只探測(cè)一個(gè)像素點(diǎn)，探測(cè)每個(gè)像素點(diǎn)時(shí)，光束匯聚在這個(gè)像素點(diǎn)上，通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行逐點(diǎn)逐行逐列掃描，最終得到每個(gè)像素點(diǎn)的成像信息的一種探測(cè)方式。由于激光器和探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，所以大多數(shù)激光成像的研究都采用這種掃描方式。為了獲得目標(biāo)的距離，激光器發(fā)射一束窄光束，可以通過(guò)測(cè)量光束的往返時(shí)間來(lái)確定。掃描裝置將發(fā)射端發(fā)出的窄光束照射向目標(biāo)，回波信號(hào)強(qiáng)度會(huì)反映目標(biāo)的反射率特性。根據(jù)掃描圖樣，掃描器對(duì)各個(gè)不同位置的目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行激光掃描照射，再由系統(tǒng)接收端接收，最終獲取目標(biāo)的相關(guān)信息。掃描成像技術(shù)因其成本低、可靠性高而得到迅速地發(fā)展，成為目前光電檢測(cè)和成像的重要方法之一。在探測(cè)系統(tǒng)中，也將光學(xué)成像系統(tǒng)劃分為：主動(dòng)照明成像系統(tǒng)和環(huán)境光照明成像系統(tǒng)。

主動(dòng)照明成像

主動(dòng)照明成像是利用人工裝置作為照明光源來(lái)增加目標(biāo)的反射信號(hào)強(qiáng)度，由系統(tǒng)接收器采集目標(biāo)反射光并對(duì)其進(jìn)行成像。與環(huán)境光照明成像系統(tǒng)相比，主動(dòng)照明成像系統(tǒng)最突出的優(yōu)勢(shì)就是不受環(huán)境光源影響，能全天候成像，本身就攜帶輻射光源，成像對(duì)比度高且作用距離更遠(yuǎn)。通過(guò)對(duì)激光光束的發(fā)射角度和發(fā)射方向進(jìn)行控制，使得激光光束照亮目標(biāo)物體的主要部位或直接覆蓋整個(gè)目標(biāo)視場(chǎng)，利用接收器接收目標(biāo)反射光，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的探測(cè)和識(shí)別。在一定范圍內(nèi)圖像質(zhì)量與入射光的光強(qiáng)呈正相關(guān)，因此在能見(jiàn)度較低的成像環(huán)境下，可以通過(guò)增強(qiáng)反射信號(hào)強(qiáng)度（增加人造光源裝置），克服環(huán)境光照明成像的固有缺陷，進(jìn)而提高圖像質(zhì)量。

環(huán)境光照明成像

環(huán)境光照明成像指的是利用自然光照明的成像系統(tǒng)。這種沒(méi)有照明光源的系統(tǒng)利用目標(biāo)物體本身發(fā)出的光或成像環(huán)境周圍的光，所以會(huì)受到很多因素的限制，并且容易受到成像環(huán)境的影響，從而產(chǎn)生光照不均勻的圖像。環(huán)境光照明成像僅能滿足日常普通攝影的需求，而對(duì)于在一些如高散射性、夜視、弱光條件下的目標(biāo)探測(cè)，環(huán)境光照明成像將不再能滿足成像的需求。

在水下拍攝時(shí)，對(duì)于這種沒(méi)有發(fā)光光源的成像系統(tǒng)而言，其成像質(zhì)量會(huì)受到以下三個(gè)方面的影響：第一，水質(zhì)的渾濁程度。水中的微粒介質(zhì)會(huì)對(duì)在水中傳播的光束造成吸收和散射作用，從而影響圖像的成像質(zhì)量和成像效果。第二，被測(cè)目標(biāo)物體在水下的深度。一般情況下會(huì)在河床或者海床進(jìn)行測(cè)量工作，光在不同深度層級(jí)的水下傳輸時(shí)，由于入射光波和目標(biāo)反射光傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生吸收和散射的損耗，隨著探測(cè)深度的不斷加深，成像精度會(huì)降低。第三，水面環(huán)境。由于自然光的照射是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此會(huì)受到云層厚度、天氣狀況、大氣懸浮顆粒等因素的影響。由此可見(jiàn)，在能見(jiàn)度較低的場(chǎng)景下，環(huán)境光照明成像系統(tǒng)將難以檢測(cè)和識(shí)別目標(biāo)。

編輯：黃飛