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1、显示与成像显示与成像显示与成像显示与成像成像成像-光电成像是一门研究光电成像是一门研究光电成像光电成像的的转转换、增强、传输和贮存换、增强、传输和贮存的学科的学科-光电成像光电成像技术。技术。成像系统是将客观世界中的信息以各种方成像系统是将客观世界中的信息以各种方式转换成图像信息的科学系统。式转换成图像信息的科学系统。成像：提高了认识世界探求自然真理的能成像：提高了认识世界探求自然真理的能力，丰富了人类的视觉世界，改变了人们力，丰富了人类的视觉世界，改变了人们的生活方式。的生活方式。显示显示-从光源发出的光经调制加载信号后从光源发出的光经调制加载信号后通过传输媒质到接收端，接收端再将所需通过传
2、输媒质到接收端，接收端再将所需信息解调并以信息解调并以图像、图形、数码、字符等图像、图形、数码、字符等形式提供给人们以视觉上的感受形式提供给人们以视觉上的感受。这一技。这一技术称为显示技术术称为显示技术-电子显示技术。电子显示技术。显示技术显示技术display technique 利用电子技术利用电子技术提供变换灵活的视觉信息的技术。提供变换灵活的视觉信息的技术。显示与成像之间的关系：显示与成像之间的关系：同步扫描同步扫描视频信号视频信号 景物景物光学成像光学成像光电变换光电变换图像分割图像分割 传送传送同步扫描同步扫描视频解调视频解调图像再现图像再现摄像部分摄像部分显像部分显像部分光电成像
3、系统原理方框图光电成像系统原理方框图 课程内容安排课程内容安排光电成像系统概论光电成像系统概论光学基础知识光学基础知识(几何光学几何光学 光学元件光学元件)光学系统光学系统(放大镜放大镜显微镜显微镜望远镜望远镜)光电成像器件光电成像器件(摄像管摄像管CCDCMOS微通道板微通道板像管像管)的结构、工作原理、特性参数及应用的结构、工作原理、特性参数及应用显示系统概论显示系统概论光的基础知识光的基础知识显示器件的结构、工作原理显示器件的结构、工作原理、工艺流程、特性参、工艺流程、特性参数、材料及应用数、材料及应用(CRTLCDLED OLED PDP LPD VFD 电子纸和投影显示电子纸和投影显
4、示DLP等等)本课程的主要任务是使学生掌握有关光电成像、显示的基本概念，理解各种光电成像、显示的原理、基本结构和构成材料，熟悉各种光电成像、显示器的制造工艺，为今后从事光电成像、显示器的技术工作奠定基础。第一部第一部 第一章第一章 成像概论成像概论现代人类是生活在信息时代，获取图像信息是人类文现代人类是生活在信息时代，获取图像信息是人类文明生存和发展的基本需要。据统计，通过人眼获取的明生存和发展的基本需要。据统计，通过人眼获取的信息占人类能够获取的信息的信息占人类能够获取的信息的80以上。但是由于视以上。但是由于视觉性能的限制，通过直接观察所获得的图像信息是有觉性能的限制，通过直接观察所获得的
5、图像信息是有限的。限的。首先是灵敏度的限制，首先是灵敏度的限制，夜间无照明时人的视觉能力很差；夜间无照明时人的视觉能力很差；其次是分辫力的限制，其次是分辫力的限制，没有足够的视角和对比就难以辫认；没有足够的视角和对比就难以辫认；又有时间上的限制，又有时间上的限制，已变化过的景象无法留在视觉上；已变化过的景象无法留在视觉上；还有光谱的限制，还有光谱的限制，人眼只对人眼只对电磁波谱电磁波谱中很窄的可见光区敏感。中很窄的可见光区敏感。总之，人类的直观视觉只能有条件的提供图像信息。总之，人类的直观视觉只能有条件的提供图像信息。在很早以前人类就为开拓自身的视见能力而进行在很早以前人类就为开拓自身的视见能
6、力而进行了探索。取得了不少有成效的进展。了探索。取得了不少有成效的进展。灯具的出现，改善了人类夜晚的照明环境。灯具的出现，改善了人类夜晚的照明环境。望远镜的出现，为人类延伸了视见距离。望远镜的出现，为人类延伸了视见距离。显徽镜的应用，为人类观察微小物体提供了方便。显徽镜的应用，为人类观察微小物体提供了方便。可是，在扩展视见光谱范围和视见灵敏度方面却可是，在扩展视见光谱范围和视见灵敏度方面却经历经历 了漫长时间，才有所进展。了漫长时间，才有所进展。这一进展是由光电成像技术所开拓的。这一进展是由光电成像技术所开拓的。目前光电成像技术已成为信息时代的重要技术领目前光电成像技术已成为信息时代的重要技术
7、领域。域。人眼的视觉缺陷人眼的视觉缺陷第一，有限的视见光谱域第一，有限的视见光谱域 看不见红外图像和紫外图像看不见红外图像和紫外图像第二，有限的视见灵敏域第二，有限的视见灵敏域 光线太暗的地方能见度不高光线太暗的地方能见度不高第三，有限的视见分辨率第三，有限的视见分辨率 目标太小了看不清楚目标太小了看不清楚第四，对视觉信号无记忆能力第四，对视觉信号无记忆能力 看过但是不记得看过但是不记得 人眼的局限性大大地限制了人类获得光信息的人眼的局限性大大地限制了人类获得光信息的能力，因而需要扩展人眼的功能。能力，因而需要扩展人眼的功能。第一，要扩展人眼在低照度下的视觉能力，提供各种第一，要扩展人眼在低照
8、度下的视觉能力，提供各种夜视装备以便能在低照度下进行科研和生产活动，或夜视装备以便能在低照度下进行科研和生产活动，或在夜间进行侦察和战斗。在夜间进行侦察和战斗。第二，要扩展人眼对电磁波波段的敏感范围。已制成第二，要扩展人眼对电磁波波段的敏感范围。已制成将红外线、紫外线和将红外线、紫外线和 X射线的光图像转换成可见光图射线的光图像转换成可见光图像的直视式或电视式光电子学装置。利用这些原理还像的直视式或电视式光电子学装置。利用这些原理还可以扩展到观察中子和其他带电粒子所形成的图像。可以扩展到观察中子和其他带电粒子所形成的图像。第三，要扩展人眼对光学过程的时间分辨本领，例如第三，要扩展人眼对光学过程
9、的时间分辨本领，例如已经做到在几十飞秒（已经做到在几十飞秒（秒）内就可观察到信息的秒）内就可观察到信息的变化。变化。光电成像技术的必要性光电成像技术的必要性光电成像技术为人类有效地扩展了自身的视觉能力。光电成像技术为人类有效地扩展了自身的视觉能力。第一，可以扩展人眼对微弱光图像的探测能力；第一，可以扩展人眼对微弱光图像的探测能力；第二，可以将超快速现象存储下来；第二，可以将超快速现象存储下来；第三，可以开拓人眼对不可见辐射的接收能力；第三，可以开拓人眼对不可见辐射的接收能力；第四，可以捕捉人眼无法分辨的细节。第四，可以捕捉人眼无法分辨的细节。经典光学方法可以解决所有这些问题吗？经典光学方法可以
10、解决所有这些问题吗？1、1 光电成像技术的产生及发展光电成像技术的产生及发展 光电成像原理是在人类探索和研究光电成像原理是在人类探索和研究光电效光电效应应的进程中产生和发展的。的进程中产生和发展的。1873年，年，W.Smith 发现了光电导现象；发现了光电导现象；1900年，普朗克提出光的量子属性；年，普朗克提出光的量子属性；1916年，爱因斯坦完善了光与物质内部电年，爱因斯坦完善了光与物质内部电子能态相互作用的量子理论；子能态相互作用的量子理论；人类从此揭示了人类从此揭示了内光电效应内光电效应的本质。的本质。在相继的大量研究工作中，伴随着近代物在相继的大量研究工作中，伴随着近代物理学的发展
11、建立了半导体理论和研制出各理学的发展建立了半导体理论和研制出各类光电器件。类光电器件。由此导致内光电效应的广泛应用。开拓了由此导致内光电效应的广泛应用。开拓了人类探测光子的技术手段，为扩展视见光人类探测光子的技术手段，为扩展视见光谱范围创造了基本条件。谱范围创造了基本条件。人类在探索内光电效应的同时也探索了人类在探索内光电效应的同时也探索了外外光电效应光电效应。1887年由赫兹年由赫兹(Hertz)首先发现了紫外辐射首先发现了紫外辐射对放电过程的影响。第二年哈尔瓦克对放电过程的影响。第二年哈尔瓦克(Hallwacks)实验证实了紫外辐射可使金属实验证实了紫外辐射可使金属表面发射负电荷。其后由斯
12、托列托夫表面发射负电荷。其后由斯托列托夫 、勒、勒纳纳 和爱因斯坦相继建立了光电发射的基本和爱因斯坦相继建立了光电发射的基本定律。定律。在此基础上于在此基础上于1929年科勒年科勒(Koller)制成了第一个制成了第一个实用的光电发射体实用的光电发射体 银氧艳光阴极。随后利用这银氧艳光阴极。随后利用这一技术研制成功了红外变像管。实现了将不可见一技术研制成功了红外变像管。实现了将不可见的红外图像转换成可见光图像。相继又出现了紫的红外图像转换成可见光图像。相继又出现了紫外变像管和外变像管和X射线变像管，从而使人类的视见光射线变像管，从而使人类的视见光谱范围获得了更有成效的扩展。谱范围获得了更有成效
13、的扩展。30年代，人类致力于年代，人类致力于电视技术电视技术的研究；的研究；在在1934年就成功地研制出光电摄像管年就成功地研制出光电摄像管(Iconoscope)，用于室内、外的广播电视摄像。，用于室内、外的广播电视摄像。但是，它的灵敏度很低，信噪比很低，需要高于但是，它的灵敏度很低，信噪比很低，需要高于10 000 lx的照度才能获得较为清晰的图像，使它的照度才能获得较为清晰的图像，使它的应用受到限制。的应用受到限制。现代图像与视频技术，经历了长久的发展历史现代图像与视频技术，经历了长久的发展历史 1947年研制出的超正析像管年研制出的超正析像管(Imaige Orthico)的的灵敏度有
14、所提高，但是最低照度仍要求在灵敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2000 lx以上。以上。1954年投放市场的高灵敏摄像管年投放市场的高灵敏摄像管(Vidicon)基本基本具有了成本低，体积小，结构简单的特点使广播具有了成本低，体积小，结构简单的特点使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展。电视事业和工业电视事业有了更大的发展。1965年推出的氧化铅摄像管年推出的氧化铅摄像管(Plumbicon)成功地成功地取代了超正析像管，发展了彩色电视摄像机，使取代了超正析像管，发展了彩色电视摄像机，使彩色广播电视摄像机的发展产生了一次飞跃，诞彩色广播电视摄像机的发展产生了一次飞跃，诞生了生了1英寸、英
15、寸、12英寸，甚至于英寸，甚至于13英寸英寸(8mm)靶面的彩色摄像机。然而，氧化铅摄像管抗强光靶面的彩色摄像机。然而，氧化铅摄像管抗强光的能力低，余辉效应影响了它的采样速率。的能力低，余辉效应影响了它的采样速率。1976年又相继研制出灵敏度更高，成本更低年又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管的硒靶管(Saticon)和硅靶管和硅靶管(Siticon)，以不，以不断满足人们对图像传感器日益增长的需要。断满足人们对图像传感器日益增长的需要。1970年，年，美国贝尔电话实验室美国贝尔电话实验室玻伊尔与玻伊尔与Smith开拓出一种具有自扫描功能的电荷耦开拓出一种具有自扫描功能的电荷耦合器件，合器
16、件，使图像传感器从真空电子束扫描方使图像传感器从真空电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式。式发展成为固体自扫描输出方式。从而使电从而使电视技术有质的飞跃。视技术有质的飞跃。尤其在发展红外尤其在发展红外CCD方方面所开拓的凝视红外热成像技术，已成为人面所开拓的凝视红外热成像技术，已成为人类目前扩展视见能力的最有效手段。类目前扩展视见能力的最有效手段。CCDCCD图像传感器不但具有固体器件的所有优图像传感器不但具有固体器件的所有优点，而且它的点，而且它的自扫描自扫描输出方式输出方式消除消除了由电了由电子束扫描所造成的图像光电转换的子束扫描所造成的图像光电转换的非线性非线性失真失真。即。即CCDCCD图像传感器的输出信号能够不图像传感器的输出信号能够不失真地将光学图像转换成视频电视图像。失真地将光学图像转换成视频电视图像。而且，它的而且，它的体积、重量、功耗和制造成本体积、重量、功耗和制造成本等方面的优点等方面的优点是电子束摄像管根本无法达是电子束摄像管根本无法达到的。到的。CCDCCD图像传感器的诞生和发展使人类进入了图像传感器的诞生和发展使人类进入了广泛应用图像传感器的新时代。广泛应
