累加相邻光电探测器积累信号的图像采集的制作方法
【专利说明】累加相邻光电探测器积累信号的图像采集
[0001]本发明涉及一种图像采集仪器，在该仪器中，通过相邻光电探测器产生的积累信号被累加在一起。本发明还涉及一种在该种仪器中实施的方法。
[0002]本发明的目的在于，当成像和检测条件产生频谱混叠时，或者当图像的信噪比不足时，提高所采集图像的质量。
[0003]该图像采集仪器的一个特点是其调制传递函数，或MTF。该函数的特点在于仪器能够在采集图像中修复具有可变尺寸的图像采集场景的图形。因此，对强度呈正弦变化并且由图像中的空间频率确定的图形来说，调制传递函数是图像与场景之间的对比率。调制传递函数通过改变图形的空间频率以及通过根据该空间频率确定图像中的对比度而获得。
[0004]在一种已知方式中，通过仪器进行的图像的采集具有低通滤波效应。该效应表现为调制传递函数随着图像中图形的空间频率的增加而减小。
[0005]多个作用方面以这些作用方面乘积的形式共同构成了调制传递函数，以构成整套仪器的调制传递函数。第一作用方面由仪器中所使用的成像光学器件产生。该第一作用方面是图像中空间频率的一个递减函数，而且对于大于截止频率fc的空间频率来说大体上为零。该截止频率通过以下公式给出:fc= 1/(Ν.λ)，其中:
[0006]λ为用于形成图像且源于仪器所成像的场景的辐射的波长，以及Ν为成像光学器件的数值孔径:N = f/D，其中f和D分别是这些光学仪器的光瞳的焦距和直径。
[0007]因此，与图像中大于截止频率fc的空间频率相对应的场景的光谱分量通过光学器件自身被移除出图像。也就是说，由光学器件形成的场景的图像只包含其空间频率小于截止频率fe的光谱分量。
[0008]调制传递函数的第二作用方面由仪器中所使用的图像传感器产生。该传感器位于成像光学器件的焦平面上，而且包括至少一排光电探测器，这些光电探测器具有相同的个体维度并且沿排以间距P对齐，间距P是常数。
[0009]在一种已知方式中，当积累信号分别在每个光电探测器中被读取以构成所采集图像的不同像素时，这种传感器产生图像的采样，采样频率fE等于1/P。
[0010]当通过光电探测器进行的采样的频率&小于截止频率匕的两倍时，频谱混叠由于采样程度不足而发生。频谱混叠涉及场景的光谱分量，场景的图像中的空间频率为fE/2和之间。这些光谱分量的强度显示为累加到小于fE的那些空间频率上。由与传感器提供图像的光谱分量的真实表示的能力相关的采样频率fE的一半构成的限值被称为奈奎斯特频率。
[0011]当假设图像传感器很完善时，其对于调制传递函数的作用方面的值，对于等于采样频率fE的一半的图像中的空间频率来说，当每个光电探测器分别产生与不同图像像素相对应的积累信号时，等于辛克函数sine (31/2)?0.64。在前述公式中，辛克函数sine (x)为正弦基函数，或当应用到自变量x时为[sin(x)]/x。
[0012]由成像光学器件和图像传感器产生的调制传递函数的值仍对于采样频率&的一半有效。频谱混叠之后在所采集图像中产生伪影，尤其当该图像与相同场景的另一个图像而不是与一个更大的采样频率合并时是可见的。
[0013]减少这些伪影的解决方案包括缩减光电探测器的尺寸以减小其在该排传感器中的间距P。这样，图像的采样增加。但是带有更小光电探测器的图像传感器更加复杂。待处理的数据率将更大，这也导致了所装载的数据处理链更加复杂。此外，由于不同的限制，而且尤其是当设想了多目的任务时，由于相同传感器的其他用途，可能对所使用的图像传感器有所要求。也就是说，可能对光电探测器的个体维度和间距有所要求。
[0014]减少由于频谱混叠而产生的伪影的另一个解决方案包括减小成像光学器件的光瞳的尺寸。因此，以一半采样频率的调制传递函数的值减小。这样，具有小于采样频率的空间频率的图像的光谱分量的对比中的混叠频率的寄生作用方面下降。然而，成像光学器件对于多种功能是共同的。尤其是，这些光学仪器对于几个同时使用的图像采集路径是共同的，例如带有不同于辐射波长的间隔。成像光学器件的光瞳的尺寸之后得到确定，不需要根据每个成像路径的传感器进行分别适应。
[0015]最后，大家已熟知通过将沿该排传感器的相邻光电探测器“分箱”来为采集的图像改变光电探测器的有效尺寸和有效间距。为此，光电探测器以成排分段的形式集合到一起，沿排连续而且独立。通过“相邻光电探测器分箱”意思是一种方式，用于从光电探测器读取积累信号，在光电探测器中，来自属于相同段的光电探测器的各自的信号被累加到一起。图3阐明了用于读取图像传感器的这种方式，正如本发明之前所知。在该图中，附图标记10表示图像传感器1的个别光电探测器，而且Sl’，S2’，S3’，S4’等表示光电探测器10的连续和独立的组对。光电探测器的这种分箱的结果尤其是:
[0016]-图像的空间采样频率被除以二，代表成像性能下降；而且
[0017]-相对于使用在如其所采集的图像中的每个强度值的信噪比提高。
[0018]目的为通过接受分辨率的下降而增加信噪比的光电探测器的这种分箱同样导致了或恶化了由频谱混叠弓I起的图像伪影。
[0019]从这种情况出发，本发明的第一个目标包括更有效地减少由所采集的图像中的频谱混叠而产生的伪影。
[0020]本发明的第二个目的是提高构成所采集图像的每个强度值的信噪比。
[0021]最后，本发明的补充性目的是避免使图像采集仪器和/或所采集图像的处理过于复杂，也避免仪器的成本上升。尤其是，本发明的一个补充性目的是为了避免提高保持恒定的成像光学器件的截止频率的图像的采样频率。
[0022]为了实现这些目的中的至少一个或其他目的，本发明提出了一种图像采集仪器，包括:
[0023]-如上所述的成像光学器件以及一排光电探测器；以及
[0024]-控制器，其适于控制光电探测器分别产生的积累信号的读数。
[0025]此外控制器适于在排内界定一连串段，每个段都包括相同数量的相邻光电探测器，称为段长，而且适用于通过累加属于相同段的那些光电探测器来控制积累信号的读数。也就是说，控制器适于分箱光电探测器。
[0026]控制器也适于界定段，这样，一排中两个连续段之间的偏移长度M，以若干光电探测器表示，沿排为恒定，而且大于1/(2.fc.p)。这样，仪器便具有了由光电仪器形成的图像的一个新采样频率fE，等于1/(Μ.ρ)。该新采样频率fE小于截止频率“的两倍。本发明仪器因此在频谱混叠发生的情况下运行。这些特点意味着偏移长度Μ非零。
[0027]本发明仪器也具有以下额外特点:段长严格大于偏移长度M，而且严格小于该相同偏移长度Μ的两倍。
[0028]该额外特点使图像传感器对于仪器的调制传递函数(MTF)的作用减小。目前，MTF的减小与空间光学仪器专家通常所寻求的相违背，当寻求图像质量得到提高时，专家宁愿以增加MTF为目的。然而，通过减小图像传感器对于MTF的作用，在所采集图像中具有虚假的空间频率的场景的光谱分量的寄生作用减小。通过根据本发明的光电探测器的分箱而获取的图像因此具有更少的因频谱混叠产生的伪影，尤其当该图像与另一个具有更强的采样频率的图像合并时会出现。
[0029]由于本发明的结果，用于在读取期间将积累信号累加到一起的光电探测器的两个连续段通过至少一个光电探测器彼此重叠。此外，该重叠部分小于每段长的一半。
[0030]此外，产生所采集图像的每个强度值的每段的积累信号的累加为信噪比显示出改进值。实际上，与该强度值相对应的收集辐射的总表面积与为了应用本发明而使用的段长成比例。
[0031]本发明也提出了一种图像采集方法，包括以下步骤:
[0032]-提供成像光学器件；
[0033]-将该排光电探测器设置在成像光学器件的焦平面上；
[0034]-在该排内界定一连串段，每段都包含相同数量的相邻光电探测器，称为段长；以及
[0035]-通过累加属于相同段的光电探测器的积累信号，控制由光电探测器分别产生的积累信号的读数。
[0036]在本发明方法中，在该排两个连续段之间的偏移长度Μ，以若干光电探测器表示，沿该排为常量，而且大于1/(2..ρ)。
[0037]本发明方法的特点在于段长严格大于偏移长度M，而且同时严格小于该偏移长度Μ的两倍。
[0038]现在，由于仪器的调制传递函数对于这些空间频率的值，具有处于成像光学器件的截止频率及后者的一半之间的空间频率的图像的光谱分量的对比在实践上较低。在这种情况下，而且对于本发明的优选实施例，该排中两个连续段之间的偏移长度Μ大于1/(fc * P)可能是有利的。因此两个连续段的重叠更小。所采集的图像的空间采样频率&于是小于截止频率fc，另外还小于两倍的fc。为仪器所选择的图像传感器因此可以比较便宜，而且图像数据的数量减少。
[0039]尤其是，