浅谈光学成像系统的成像体制

要学好光学设计，先要了解一些基础的知识。一般情况下，光学成像系统的成像体制主要包含两种：凝视型成像和扫描式成像。

凝视型成像

凝视型成像指的是不需要传动装置进行扫描，用面阵探测器直接探测目标物体的二维回波信号。采用面阵探测器，光源发射出的光照射整个目标视场，一次性探测整个目标视场内全部像素。通常来说，高分辨率和高成像速率在光学成像中是相互矛盾的，所以需要协调考虑它们的关系。如果对成像速率的要求不高，对成像的分辨率有很高的要求时，那么就可以考虑使用这种技术。这种方法是利用激光的发射方式，将激光射向目标，并在同一时间内将整个目标视场完全覆盖，再由二维阵列探测器对反射回波信号进行检测。例如凝视型成像激光雷达，激光器发出大功率脉冲扩束激光照射向目标后反射回来，接收端采用高速电子快门和高灵敏度的ICCD相机一次性采集所有阵列的光学图像信号。这种技术存在的缺点是无法采用高灵敏度、高增益的雪崩光电二极管探测器、需要发射功率足够大的激光器、成本高等。当然也有优点，则是成像的速度快且不需要扫描器。

扫描式成像

扫描式成像是指将目标物体分为若干个点，使用单元探测器，每次只探测一个像素点，探测每个像素点时，光束汇聚在这个像素点上，通过传动装置带动扫描机构对目标物体进行逐点逐行逐列扫描，最终得到每个像素点的成像信息的一种探测方式。由于激光器和探测器技术的发展已经非常成熟，所以大多数激光成像的研究都采用这种扫描方式。为了获得目标的距离，激光器发射一束窄光束，可以通过测量光束的往返时间来确定。扫描装置将发射端发出的窄光束照射向目标，回波信号强度会反映目标的反射率特性。根据扫描图样，扫描器对各个不同位置的目标点进行激光扫描照射，再由系统接收端接收，最终获取目标的相关信息。扫描成像技术因其成本低、可靠性高而得到迅速地发展，成为目前光电检测和成像的重要方法之一。在探测系统中，也将光学成像系统划分为：主动照明成像系统和环境光照明成像系统。

主动照明成像

主动照明成像是利用人工装置作为照明光源来增加目标的反射信号强度，由系统接收器采集目标反射光并对其进行成像。与环境光照明成像系统相比，主动照明成像系统最突出的优势就是不受环境光源影响，能全天候成像，本身就携带辐射光源，成像对比度高且作用距离更远。通过对激光光束的发射角度和发射方向进行控制，使得激光光束照亮目标物体的主要部位或直接覆盖整个目标视场，利用接收器接收目标反射光，实现对目标物体的探测和识别。在一定范围内图像质量与入射光的光强呈正相关，因此在能见度较低的成像环境下，可以通过增强反射信号强度（增加人造光源装置），克服环境光照明成像的固有缺陷，进而提高图像质量。

环境光照明成像

环境光照明成像指的是利用自然光照明的成像系统。这种没有照明光源的系统利用目标物体本身发出的光或成像环境周围的光，所以会受到很多因素的限制，并且容易受到成像环境的影响，从而产生光照不均匀的图像。环境光照明成像仅能满足日常普通摄影的需求，而对于在一些如高散射性、夜视、弱光条件下的目标探测，环境光照明成像将不再能满足成像的需求。

在水下拍摄时，对于这种没有发光光源的成像系统而言，其成像质量会受到以下三个方面的影响：第一，水质的浑浊程度。水中的微粒介质会对在水中传播的光束造成吸收和散射作用，从而影响图像的成像质量和成像效果。第二，被测目标物体在水下的深度。一般情况下会在河床或者海床进行测量工作，光在不同深度层级的水下传输时，由于入射光波和目标反射光传输过程中会产生吸收和散射的损耗，随着探测深度的不断加深，成像精度会降低。第三，水面环境。由于自然光的照射是一个动态过程，因此会受到云层厚度、天气状况、大气悬浮颗粒等因素的影响。由此可见，在能见度较低的场景下，环境光照明成像系统将难以检测和识别目标。

编辑：黄飞