1.5 光学成像原理¶

光学成像系统的任务是将目标场景的辐射信息转化为可存储、可处理的数字图像。从目标发出或反射的光，经过大气传输、光学系统收集、探测器采样、电子学处理，最终形成图像数据。理解这条完整链路中每个环节的物理机制和关键参数，是评估和设计光电成像系统的基础。

一、成像链路全貌¶

目标辐射/反射
     ↓
大气传输（衰减、散射、湍流）
     ↓
光学系统（收集、聚焦）
     ↓
探测器（光电转换、采样）
     ↓
电子学（放大、A/D转换）
     ↓
图像处理（校正、增强）
     ↓
最终图像

每个环节都会引入信号衰减或噪声，最终图像质量是全链路的综合结果。

成像系统所感知的目标辐射分为两类：

探测器感知的是其感光面上的辐照度，而目标特性由辐亮度描述。光学系统将目标辐亮度转化为像面辐照度。

大气对光的影响主要有三种：

主要大气窗口：

光学系统承担三项核心任务：

对于朗伯目标（漫反射体），像面辐照度与目标辐亮度的关系：

$$E_{像} = \frac{\pi}{4} \cdot \frac{L \cdot \tau_{opt}}{(F/#)^2}$$

其中 $\tau_{opt}$ 为光学系统透过率，$F/#$ 为 F 数。F 数越小（口径越大），像面越亮。

单个像元对应的地面（或目标面）角度范围，称为瞬时视场（Instantaneous Field of View，IFOV）：

$$\text{IFOV} = \frac{p}{f}$$

其中 $p$ 为探测器像元尺寸，$f$ 为焦距。IFOV 决定了系统的地面分辨率（GSD）。

探测器将入射光子转换为电荷（光生载流子），再由读出电路转为电压信号。关键参数：

探测器对连续图像进行离散采样。根据奈奎斯特定理，像元间距 $p$ 能无混叠采样的最高空间频率为 $1/(2p)$。

为避免混叠，光学系统的截止频率不应超过探测器奈奎斯特频率（见 1.4 傅里叶光学）。

信噪比是衡量成像系统性能的核心指标之一：

$$\text{SNR} = \frac{S}{\sqrt{N_{shot}^2 + N_{read}^2 + N_{dark}^2}}$$

提高 SNR 的途径： - 增大光学口径（提高信号 $S$） - 降低 F 数（提高像面辐照度） - 增加积分时间（累积更多光子） - 降低探测器温度（减少暗电流）

"分辨率"在工程上有多种含义，需区分使用：

实际系统分辨率受衍射、像差、探测器采样三者共同约束，取最严苛的那个。

Lloyd, Thermal Imaging Systems, Plenum Press — 红外成像系统分析经典
Holst, Electro-Optical Imaging System Performance (5th Edition), JCD Publishing
Boreman, Basic Electro-Optics for Electrical Engineers, SPIE

2026-03-03