Структура и качество оптического изображения - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника реферат

Основные характеристики структуры изображения. Свойство линейности. Свойство инвариантности к сдвигу (условие изопланатизма). Функция рассеяния точки. Оптическая передаточная функция. Схема формирования оптического изображения. Зрачковая функция.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
«Структура и качество оптического изображения»
Основные характеристики структуры изображения
Изображающие приборы могут давать изображение различного качества с точки зрения передачи структуры предмета. Структура и форма светового поля в пространстве изображений подобна структуре и форме предмета, однако оптическая система вносит в эту структуру свои изменения, оценка которых есть оценка качества изображения.
Передача структуры предмета или изображения - это отображение оптической системой мелких деталей объекта. Для описания такого отображения необходимо математическое описание предмета и изображения в виде функций и . Эти функции описывают зависимость распределения интенсивности от пространственных координат.
Представим предмет в виде совокупности бесконечного количества светящихся точек. Для того, чтобы считать, что изображение предмета - это совокупность изображений соответствующих точек предмета, оптическая система должна удовлетворять свойствам линейности и инвариантности к сдвигу.
Изображение суммы объектов равно сумме изображений каждого объекта:
. (1)
То есть, если предмет - это сумма точек , то изображение - сумма изображений этих точек . Изображающие оптические системы полностью линейны.
Свойство инвариантности к сдвигу (условие изопланатизма)
При смещении точки ее изображение только смещается на пропорциональную величину (рис.1):
, (2)
В отличие от условия линейности, условие изопланатизма в оптических системах соблюдается приблизительно, поскольку характер изображения при смещении изменяется. Изопланатизм, как правило, не соблюдается в пределах всего поля, обычно он соблюдается только при небольших смещениях.
Изопланатическая зона - это зона, в пределах которой соблюдается условие изопланатизма. Чем больше размер изопланатической зоны, тем лучше изопланатизм. Если зона полностью перекрывает предмет, то система полностью изопланатична. Мы будем рассматривать структуру изображения в пределах одной изопланатической зоны.
В идеальной оптической системе точка изображается в виде точки, а в реальной оптической системе точка изображается в виде пятна рассеяния (рис.2).
Рисунок 2 - Изображение точки в пределах изопланатической зоны.
Основной характеристикой, описывающей передачу структуры предмета оптической системой является функция рассеяния точки .
Функция рассеяния точки (ФРТ, point spread function, PSF) - это функция, описывающая зависимость распределения освещенности от координат в плоскости изображения, если предмет - это светящаяся точка в центре изопланатической зоны.
Зная функцию рассеяния точки, можно найти изображение любого предмета, если разложить его на точки и найти ФРТ от каждой точки. Если есть предмет , то каждая его точка изображается в виде функции , то есть ФРТ смещается в точку с координатами (рис.2), а изображение всего предмета будет представлять собой сумму этих изображений:
Если увеличение V принять за единицу, то выражение (3) становится сверткой (конволюцией).
Функция изображения есть свертка функции предмета с функцией рассеяния точки:
Гармонический периодический объект
Предмет кроме разложения на отдельные точки можно разложить на другие элементарные части - периодические решетки.
Периодическая решетка - это структура с белыми и черными полосами.
Гармоническая периодическая решетка - это структура, интенсивность которой описывается гармонической функцией (рис.3).
В электронике существует аналог гармонической решетки - периодический во времени сигнал на входе прибора.
Рисунок 3 - Гармоническая периодическая решетка
Гармоническая периодическая решетка описывается выражением:
, (5)
где a - вещественная амплитуда, b - сдвиг, T - период, - угол ориентации.
Вместо периода можно использовать пространственную частоту , а вместо вещественной амплитуды и сдвига - комплексную амплитуду:
, (6)
Тогда интенсивность гармонической решетки в комплексной форме:
, (7)
Величину можно выразить как , тогда интенсивность гармонической решетки будет зависеть от двух координат ( x , y ):
где - частота в направлении x, - частота в направлении y.
Любой объект, как было сказано выше, можно разложить на элементарные гармонические объекты, тогда изображение - это совокупность изображений элементарных объектов. Эти изображения для реальных оптических систем всегда имеют искажения, что связано с законом сохранения энергии. Идеальные оптические системы нарушают закон сохранения энергии, так как они для сохранения неизменной структуры предмета должны передавать бесконечно большую энергию.
Изображение гармонического объекта можно описать, если в выражение (9.3) подставить в качестве распределения интенсивности на предмете функцию (8):
Если выразить координаты предмета и изображения в едином масштабе, то V=1, следовательно:
Двойной интеграл в выражении (9.10) - это некоторая функция , зависящая от пространственных частот.
Обозначим , и запишем распределение интенсивности на изображении гармонического объекта в следующем виде:
. (11)
Как показывают соотношения (8) и (11), изображение от предмета отличается только комплексной амплитудой, то есть изображение гармонической решетки любой оптической системы есть гармоническая решетка с той же частотой. Поэтому гармоническую решетку удобно использовать для исследования и оценки передачи структуры изображения. Изменение комплексной амплитуды гармонической решетки - это и есть действие оптической системы.
Оптическая передаточная функция (ОПФ)
Оптическая передаточная функция (optical transfer function, OTF) характеризует передачу структуры предмета оптической системой как функция пространственных частот:
. (12)
ОПФ связана с ФРТ интегральным преобразованием - преобразованием Фурье:
где F - обозначение Фурье преобразования:
ФРТ показывает, как оптическая система изображает точку, а ОПФ показывает, как оптическая система изображает гармоническую решетку, то есть как меняется комплексная амплитуда решетки в зависимости от частоты.
Оптическая передаточная функция - это комплексная функция:
. (15)
Модуль ОПФ называется модуляционной передаточной функцией (МПФ) или частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ). Аргумент (фаза) ОПФ называется фазовой передаточной функцией (ФПФ) или частотно-фазовой характеристикой (ЧФК).
Частотно-контрастная характеристика показывает передачу вещественной амплитуды гармонического объекта:
, (16)
где a - амплитуда на предмете, a - амплитуда на изображении.
Амплитуда изображения гармонического объекта тесно связана с контрастом. Контраст для периодических (гармонических) изображений (рис.9.4) определяется выражением:
. (17)
Рисунок 4 - Контраст гармонического объекта.
. Абсолютный контраст получается, когда (рис.5.а). Контраст в изображении нулевой , когда - изображение практически отсутствует (рис.5.б).
Рисунок 5 - Абсолютный и нулевой контраст гармонического объекта
Чем больше контраст, тем лучше различаются мелкие детали изображения. Изображение нельзя зарегистрировать или увидеть в случае, если:
, (18)
где - порог контраста, зависящий от приемника изображения (например, для глаза ).
Контраст для изображения гармонического объекта может быть выражен через постоянную a 0 и a переменную составляющие изображения гармонического объекта (рис.6):
. (19)
Рисунок 6 - Постоянная и переменная составляющие изображения гармонического объекта
Если , то ЧКХ, как следует из выражения (16) будет определяться следующим соотношением:
, (20)
где k - контраст изображения, k - контраст предмета.
Частотно-контрастная характеристика показывает зависимость контраста изображения гармонической решетки от частоты решетки, если считать, что на предмете контраст единичный (рис.7). Для идеальной оптической системы ЧКХ - прямая, параллельная оси.
Рисунок 7 - Частотно-контрастная характеристика.
Для ближнего типа предмета или изображения пространственная частота измеряется в [лин/мм]. Для дальнего типа пространственная частота измеряется в [лин/рад].
Итак, передача структуры изображения описывается ФРТ или ОПФ, которые связаны через взаимно однозначные преобразования Фурье. Наглядно отобразить двумерную функцию ОПФ можно в виде:
- изометрического изображения “поверхности” ,
Схема формирования оптического изображения
Существует два фактора, которые влияют на структуру и качество изображения в оптической системе: дифракция и аберрации. Эти факторы действуют совместно. Если аберрации малы и преобладает дифракция, то такие системы называются дифракционно-ограниченными . Если аберрации велики, и дифракция теряется на фоне аберраций, то такие системы называются геометрически-ограниченными (формирование изображения вполне корректно описывается с позиций геометрической оптики, без привлечения теории дифракции).
Рисунок 8 - Схема формирования оптического изображения.
Рассмотрим формирование изображения некоторой точки (рис.8). Гомоцентрический пучок лучей выходит из точки A 0 , и после идеальной оптической системы сходится в точке A 0 . Наряду с пучками лучей можно также рассматривать сферические волновые фронты S w и S w . Действие реальной оптической системы сводится к следующим факторам:
- преобразование расходящегося пучка лучей (волнового фронта) в сходящийся,
- ограничение размеров проходящего пучка лучей или волнового фронта,
- ослабление интенсивности (энергии) проходящего поля,
- нарушение гомоцентричности пучка или сферичности волнового фронта, то есть изменение фазы проходящего поля.
Рассмотрим поле на выходной сфере (в области выходного зрачка). Волновой фронт близок к выходной сфере, но отличается от нее на величину волновой аберрации. Поле на волновом фронте . Оптический путь из центра предмета до волнового фронта для всех лучей одинаковый, так как волновой фронт - поверхность равного эйконала. Поскольку для формирования изображения важна разность фаз между выходной сферой и волновым фронтом, а не сама фаза, то можно принять, что фаза волнового фронта равна нулю =0. При отсутствии аберраций амплитуда поля единичная, следовательно поле на волновом фронте . Набег фазы от выходной сферы до волнового фронта:
, (21)
где - расстояние между волновым фронтом и выходной сферы вдоль луча.
Поле на выходной сфере математически можно представить в виде:
где - волновая аберрация, - зрачковая функция.
В выражении (22) учитывается одновременно ограничение пучков и наличие аберраций.
Зрачковая функция (pupil function, PF) показывает влияние оптической системы на прохождение электромагнитного поля от точки предмета до выходного зрачка и в общем случае в канонических координатах описывается выражением:
где - канонические зрачковые координаты, - функция пропускания по зрачку, - область зрачка в канонических координатах.
Теперь нужно перейти от поля на выходном зрачке к полю на изображении. Вблизи изображения геометрическая оптика не применима, поэтому для описания поля на изображении следует использовать теорию дифракции.
Рисунок 9 - Формирование комплексной амплитуды в плоскости изображения.
Для вычисления комплексной амплитуды поля в плоскости изображения применим принцип Гюйгенса в форме интеграла Гюйгенса-Френеля. Рассматриваемая область находится вблизи центра выходной сферы (рис. 9):
. (23)
Используя зрачковую функцию, выражение (9.23) можно записать в виде:
. (24) Поскольку и, то множитель можно представить в виде . Множитель , следовательно его можно вынести за интеграл, и не учитывать, так как нас интересует только относительное распределение комплексной амплитуды. Тогда выражение (24) преобразуется так:
Рисунок 10 - Связь с радиусом выходной сферы и расстоянием
Отрезок , причем - для крайнего луча, а для остальных лучей: , . Теперь интеграл (25) можно записать так:
Введем канонические (приведенные) координаты на предмете и изображении:
. (27)
Тогда в канонических координатах получим:
Так как зрачковая функция вне зрачка равна нулю, интегрирование происходит внутри зрачка. Комплексная амплитуда в изображении точки в канонических координатах, как следует из выражения (28), связана со зрачковой функцией через обратное преобразование Фурье:
. (29)
Комплексная амплитуда поля в изображении точки есть обратное Фурье-преобразование от зрачковой функции в канонических координатах.
Функция рассеяния точки - это распределение не амплитуды поля, а интенсивности, то есть квадрата модуля комплексной амплитуды . Тогда для ФРТ можно получить следующее выражение:
. (30)
Оптическую передаточную функцию также можно выразить в канонических координатах:
, (31)
где - канонические пространственные частоты :
Канонические частоты безразмерные: . В этих координатах получаем простую связь зрачковой функции с оптической передаточной функцией:
. (33)
Это выражение в соответствии со свойством преобразования Фурье можно представить через автокорреляцию зрачковой функции:
где - площадь зрачка в канонических координатах.
1. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. и др. Теория оптических систем. - М.: Машиностроение, 2004
2. Дубовик А.С. Прикладная оптика. - М.: Недра, 2002
3. Нагибина И.М. и др. Прикладная физическая оптика. Учебное пособие.- М.: Высшая школа, 2002
Назначение телевизионной системы: формирование изображения передаваемой сцены, предназначенного для восприятия человеком. Подача сигнала с выхода устройства обработки и усиления на анализатор. Формирование оптического изображения, элементы светоделения. реферат [2,0 M], добавлен 12.07.2010
Принцип действия обобщенного волоконно-оптического датчика. Оптическая схема модуляции света. Классификация фазовых (интерферометрических) датчиков. Внешний вид интерферометра световолоконного автоматизированного ИСА-1, технические характеристики. доклад [847,6 K], добавлен 19.07.2015
Передаточная функция, блок-схема системы управления, состоящей из последовательно соединенных регулятора и объекта. Определение коэффициентов усиления. Параметры системы при различных регуляторах. Расчет электрической схемы с учетом разрешенных элементов. лабораторная работа [290,1 K], добавлен 12.07.2013
Переключатель телевизионных каналов. Усилитель промежуточной частоты изображения. Канал сигнала звукового сопровождения. Автоматическая регулировка усиления, подстройка частоты и фазы, частоты гетеродина. Цепи кинескопа. Усиление радиосигнала изображения. дипломная работа [1,1 M], добавлен 25.03.2015
Дефокусировка, продольное смещение плоскости изображения. Сферическая аберрация, ею обладают все линзы со сферическими поверхностями. Структура пучка лучей при наличии комы. Условия апланатизма и изопланатизма. Закон синусов Аббе (условие апланатизма). реферат [121,8 K], добавлен 15.01.2009
Восстановление изображения предмета. Деформация поверхности жидкости под действием звукового давления. Голограммы, записанные с помощью сканирующего источника света. Технология хранения информации. Запись и считывание голограммы оптического диска. курсовая работа [66,3 K], добавлен 04.06.2009
Разработка системы на основе микроконтроллера для обработки изображения, принимаемого от прибора с зарядовой связью (ПЗС). Принцип работы ПЗС. Схема электрическая принципиальная. Программы для захвата сигналов от ПЗС на микроконтроллер и их обработки. курсовая работа [1,3 M], добавлен 22.09.2012
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу .

© 2000 — 2021



Структура и качество оптического изображения реферат. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Курсовая работа по теме Пути совершенствования организации входного контроля на складах филиала УМ-11 ОАО 'Гомельпромстрой'
Курсовая работа по теме Учет затрат и исчисление себестоимости услуг машинно-тракторного парка
Диссертации В Российской Империи
Сочинение по теме Фёдор Александрович Абрамов. Пути-перепутья
Сочинение Читать
Статья На Тему Ценностные Основания Личностно-Ориентированного Воспитания
Курсовая работа: Исследование медиапространства Томской области
Нужны Ли Штольцы России Сочинение 10 Класс
Доклад: Электронное государство
Реферат: Режимы и способы хранения зерновых масс
Дипломная Работа На Тему Межличностные Отношения В Медицинском Коллективе
Реферат: Метрология, стандартизация и сертификация
Оптическая Система Реферат
Курсовая работа: Проблемы функционирования налоговой системы России. Основные направления налоговой политики
Реферат: Теории памяти. Скачать бесплатно и без регистрации
Сочинение Про Крымские Горы
Реферат по теме Роль и место женщины в общине
Реферат по теме Отражение безвозмездной передачи основных средств в налоговом учете
Курсовая работа: Административно-правовое регулирование. Скачать бесплатно и без регистрации
Контрольная Работа 8 Неравенство
Возникновение юридического лица - Государство и право курсовая работа
Расчет характеристик сигналов и каналов связи - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника курсовая работа
Строение цитоплазмы. Органеллы цитоплазмы. Клеточные включения - Биология и естествознание реферат