光电成像技术chapter1-绪论

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1、徐美芳 信息工程专业 中北大学信息与通信工程学院 QQ：50578426 E-mail：xmf0129,第一讲 绪 论,第一章 绪论 第二章 人眼的视觉特性与图像探测 第三章 辐射源与典型景物辐射 第四章 辐射在大气中的传输 第五章 直视型电真空成像器件成像物理 第六章 直视型光电成像系统与特性分析 第七章 电视型电真空成像器件成像物理 第八章 固体成像器件成像原理及应用,课程主要内容,主要参考教材,1黄德修，半导体光电子学，机械工业出版社 2朱京平，光电子技术基础，科学出版社 3安毓英等，光电子技术，电子工业出版 4周炳坤，激光原理，国防工业出版社 5刘德明等，光纤技术及其应用，电子科技大学

2、出版社 6曾光宇等，光电检测技术，北京交通大学出版社 7张建奇等，光电成像系统建模及性能评估理论 ，西安电子科技大学出版社 8常本康等，红外成像阵列与系统，科学出版社,课程介绍,光电成像原理与应用是电子信息工程专业的专业必修基础课程。 先修课程：高等数学、大学物理、半导体 物理、电磁场与电磁波等。 学时：40 教材：光电成像原理与技术,北京理工大学出版社，2010年第1版，白延柱等,第一章 绪论,1.1 光电成像技术的意义和作用,1.3 光电成像系统的构成和分类,1.4 光电成像对视见光谱域的延伸,1.5 光电成像对视见灵敏阈的扩展,1.2 光电成像技术的历史沿革,信息获取是信息传输、处理、显

3、示和存储的前提，是人类认识客观世界的首要步骤。人类感知世界首先靠自己的感觉器官，眼睛具有对信息并行处理功能，它所获得的信息占总获得信息量的80%以上。,1.1 光电成像技术的意义和作用,人眼固有的物理限制：,灵敏度的限制: （E= 50-100 lx;E0.1lx难看清)；,分辨力的限制：(分辨角仅有 左右）；,时间上的限制: (视觉逗留时间0.02s) ；,光谱的限制:(人眼敏感区400-650nm) 。,光电成像技术的必要性：,可以扩展人眼对微弱光图像的探测能力；,可以将超快速现象存储下来；,可以开拓人眼对不可见辐射的接收能力；,可以捕捉人眼无法分辨的细节；,景物信息的光谱、强度、速度及时

4、空分布千差万别。人类的直观视觉只能有条件的提供图像信息。,以光电转换技术、光电子理论和半导体物理为基础，通过各类光电成像器件来完成成像过程的技术。,什么是光电成像技术,微光成像技术：真空光电子成像技术的总称。它以光子光电子为景物图像的信息载体，基于器件的外光电效应、电子倍增和电光转换等原理，对夜天微弱光或其他非可见光照明下的景物，进行图像摄取、转换和增强，最后显示为人眼可见的图像。,红外热成像技术：利用景物自身的红外辐射空间分布，以红外光子、光生载流子为景物图像信息载体，通过红外探测器的内光电效应(光电导或光生伏特)及特定扫描读出和TV显示等原理，再现被观察的景物为可见光图像。,光电成像主体技

5、术,微光成像技术,红外热成像技术,2019/10/18,不同处：,微光像增强器（或变像管）,体积小、重量小、成本低、操作简便、维护容易，微光直视仪器夜天光下视距几百几千米；微光电视仪器视距可达1020km；,热成像系统的特点 由目标与背景的辐射差产生图像信号, 被动式工作，不易被对方发现和干扰，全天候工作； 红外辐射具有比可见光更强的透过雾/霾/雨/雪能力作用距离远 能透过伪装或复杂背景，探测出隐蔽的热目标或温差部位，甚至能识别出刚离去的飞机、坦克和人等所留下的热痕轮廓 计算机图像处理软件改善图像质量，且系统大都设置视频输出，便于通过电视观察、录象和与通用视频计算机接口系统的连接。,1.2 光

6、电成像技术的发展简史,1873年史密斯(WSmith) 发现了光电导现象； 1900年普朗克(Planck) 提出了光的量子属性； 1916年爱因斯坦(Einstein)完善了光与物质内部电子能态相互作用的量子理论，揭示了内光电效应的本质。,1929年科勒(Koller)制成了第一个实用的光电发射体。研制成功了红外变像管。相继出现了紫外变像管和X射线变像管，使人类的视见光谱范围获得了更有成效的扩展。,1887年赫兹(Hertz) 发现了紫外辐射对放电过程的影响，第二年哈尔瓦克(Hallwacks)实验证实了紫外辐射可使金属表面发射负电荷，其后由斯托列托夫、勒纳(Lenard)和爱因斯坦相继建立

7、了光电发射的基本定律。,1936年格利胥(Grlich)研制出锑铯光阴极； 1955年萨默(Sommer)研制出锑钾钠铯多碱光阴极。 1963年西蒙(Simon)提出了负电子亲和势光阴极理论，伊万思(Evans)等人研制成功了负电子亲和势镓砷光阴极。 高量子效率光阴极使微光图像的增强技术达到了实用阶段。,30年代，开始电视技术的研究。以弗兰兹沃思(Fransworth)开发的光电析像管为起端的电视摄像技术，使不必面对目标即可观察成为可能。相继出现了超正析像管、分流摄像管、视像管、二次电子导电、硅电子增强靶、热释电摄像管等。,1970年，玻伊尔(Boyle)和史密斯(Smith)开发出具有自扫描

8、功能的电荷耦合器件(CCD)，诞生了固体摄像器件，使电视摄像技术产生了质的飞跃，尤其是在各种红外探测器件出现后，采用红外焦平面探测器件的凝视红外热成像技术将人类的视见能力扩展提高到一个新的阶段。,1.3 光电成像系统构成和分类,光电成像过程-实质上是对景物信息源在多维空间(x、y、z、t、p)上被传递和再现的过程； 光电探测过程-是电压或电流信号的时间分布(“景物”)，通过探测器件或网络，在维时域上被传递和再现的过程，即所谓“时域成像”过程。,光电成像系统框图,针对不同目的，将必要的光、机、电、算、控硬件巧妙地结合起来，研制成特定的仪器，即可完成观察、瞄淮、测距、跟踪、制导、检测、计量等任务。

9、,光电成像技术涉及的相关研究领域：,(1)人眼的视觉特性； (2)各种辐射源及目标、背景特性； (3)大气光学特性对辐射传输的影响； (4)成像光学系统； (5)光辐射探测器及致冷器； (6)信号的电子学处理； (7)图像的显示。,光电成像器件分类（工作模式）,直视成像系统（像管）：,成像过程：,辐射图像（外光电效应） 电子图像 能量增强（电磁场，电场的聚焦加速） 电子倍增（二次发射） 荧光屏产生可见光图像。,光电发射体、电子光学系统、微通道板、荧光屏 、保持高真空的管壳。,基本结构：,两类：,接受非可见辐射的直视型成像器件（红，紫，x）。,特点：入射图像与输出图像的光谱完全不同，统称变像管。

10、,接受微弱可见光图像（像增强器）,特点：输入光学图像极微弱，输出图像增强。,非直视型光电成像器件,光学图像或热图像光敏面（光电效应或热电效应）电荷图像产生出视频信号（电子束扫描或电荷耦合转移方式）。,基本结构：,电真空式：光敏靶、电子枪、扫描系统、保真空的管壳。,固体式：光敏面阵、电荷耦合转移读出电路。,成像过程：,特点：,可并入图像处理、视频信号转发和多路显示等功能，图像显示质量得到改善、易远距传送和多人观察。 在制导、跟踪和机器人自动目标识别和检测控制中的应用，创造了有利条件。,类型：,热释电摄像器件：基于铁电体的热释电效应,光电摄像器件：基于外光电效应 （超正析像管和分流摄像管）。,光电

11、导摄像器件：基于内光电效应（视像管、异质结靶光电导摄像管和硅靶摄像管）。,光电增强型摄像器件：基于外光电效应并附加电子增强物理过程,（二次电子导电摄像管和硅电子增强靶摄像管）。,（TGS)热释电摄像管和氟铍酸三甘肽（TGFB)热释电摄像管）。,（硫酸三甘肽,电荷耦合摄像器件(CCD)或CMOS：基于内光电效应在光敏面阵上产生信号电荷，通过时序控制电极电位形成势阱变化完成电荷的转移和自扫描，或者通过二维移位寄存读出电路选址并顺序读出信号电荷，在输出端输出视频电信号,光机扫描成像的探测器单元及探测器阵列：分立的光电器件采用内光电效应或热电效应。器件本身不构成图像，仅完成图像局部点的光电转换，通过光

12、机扫描装置逐点扫描完成光电成像过程。,（CCD、CMOS、IRFPA）。,（光电导型单元探测器、光伏型单元探测器、扫积型探测器（SPRITE)、热释电探测器）。,1.4 光电成像对视见光谱域的延伸,全部波段电磁波都可成为图像信息的载体,麦克斯韦方程组定量描述的电磁场取决于辐射源及传播介质的性质。一切辐射现象都可通过求解一定边界条件下的麦克斯韦方程组来确定。,讨论成像过程的电磁场，通常处于不包括辐射源的理想非导电各向同性的介质中。,对（1）式施加运算，并应用基本关系式,再应用（2）、（3）式得,同理，磁场矢量满足波动方程,要搞清楚电磁波如何传递图像信息，确定物空间和像空间场分布之间的定量关系。

13、问题归结为已知初始条件及边界条件下，求解波动方程。,方便计算，即求复数形式的波动方程频域波动方程。,便可得到 满足亥姆霍兹方程,其解是平面波,同理,结论：全波段电磁波都可成为图像信息的载体,光电成像对光谱波长的延伸也要受限制,用波动方程讨论成像问题时，像空间两点的距离大于衍射极限，可分辨出其间的光强分布，也就构成图像信息。,排除长波长电磁波的成像。 目前，长波阈的延伸仅扩展到亚毫米波段。,短波限x射线与射线波段。波长更短的辐射具有极强的穿透能力，宇宙射线难以在普通条件下聚焦成像。,结论：有效波谱区是亚毫米波、红外辐射、可见光、紫外辐射、x射线、射线等。,1.5 光电成像技术的应用范畴,人们采用

14、光电成像技术突破了人类视觉的部分限制，特别是突破了人眼在低照度和有限光谱响应下的视觉限制。 视觉机能在时间和空间两个方面也得到了扩展。 时间上的扩展如数码照相、印刷、静电复印、摄录像等。 空间上的扩展如电视、微光观察镜等可以将肉眼不能直接观察到的远处的图像传输到视网膜上。,图像记录以随时可看和长时间保存为特点； 图像传输以即时可看和长距离传输为特点。 两者的特点可以互补， -如在电视方面发展了图像记录 录像技术； -在照相方面发展了图像传输传真技术等。 除了视觉机能的空间扩大和时间延长，即图像传输和图像记录技术外，正在发展扩大的是视觉识别技术，例如，将超出人类视觉响应能力的红外和紫外图像转换成

15、可见光图像或者将细节模糊的图像处理成细节清晰的图像处理技术。 由此可见，图像与视觉是密切相关的。,随着科学技术的迅速发展，包括微光与红外成像技术在内的光电成像技术受到普遍重视且不断地开拓着新的应用领域，光电成像技术的应用如表1-1所示。,如表1-1光电成像技术的应用,由表-中所列举的光电成像技术应用情况可以看出，光电成像技术就是利用光电变换和信号处理技术获取目标图像。 它在工农业生产、科学研究和国防建设中占有重要地位。 综上所述，光电成像技术所研究的内容可以概括为以下四个方面：,光电成像技术所研究的内容, 在空间上扩大人类视觉机能的图像传输技术； 在时间上扩大人类视觉能力的图像记录、存储技术；

16、 扩大人类视觉光谱响应范围的图像变换技术； 扩大人类视觉灵敏机能的图像增强技术。,就获取目标图像的基本过程而论，光电成像技术所涉及的内容相当广泛，主要包括： 各种辐射源及目标、背景特性； 大气光学特性对辐射传输的影响； 成像的光学系统； 光辐射探测器及制冷器； 信号的电子学处理； 图像的显示； 人眼的视觉特性。,光电成像技术所涉及的内容,1.5 光电成像器件的特性,表示光电成像特性的参数可分为四大类。 第一类是光电转换特性的参数。 主要有：灵敏度 (响应率)、转换系数 (增益)。 第二类是时间响应特性。 主要有：惰性 (余辉)、脉冲响应函数、瞬时调制传递函数。 第三类是噪声特性。 主要有：噪声、噪声等效输入 (探测率)、信噪比。 第四类是光学特性。 主要有：分辨力、光学传递函数。,1)光电转换特性 转换系数 (增益