光電成像原理

1、 光電成像原理2成像是將客觀景物轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像的過程，是一種重要的信息成像是將客觀景物轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像的過程，是一種重要的信息獲取方式獲取方式人眼直接觀測人眼直接觀測受限于視覺性能：光譜范圍、靈敏度、受限于視覺性能：光譜范圍、靈敏度、 時空限制等時空限制等光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)+膠片記錄膠片記錄利用光化學(xué)作用，拓展人眼的視利用光化學(xué)作用，拓展人眼的視見性能，時效性差見性能，時效性差光電成像光電成像光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)+成像器件，基于光電器件，利用成像器件，基于光電器件，利用光電效應(yīng)，在光譜響應(yīng)、探測靈敏度、分辨光電效應(yīng)，在光譜響應(yīng)、探測靈敏度、分辨能力和實時性等方面突破能力和實時性等方面突破 光電成像原理3光電成

2、像技術(shù)已深入到人們?nèi)粘Ｉ?、國民?jīng)濟、國防建光電成像技術(shù)已深入到人們?nèi)粘Ｉ?、國民?jīng)濟、國防建設(shè)的各個領(lǐng)域，是人類文明和發(fā)展的基本需要。設(shè)的各個領(lǐng)域，是人類文明和發(fā)展的基本需要。光電轉(zhuǎn)換器件作為光學(xué)成像系統(tǒng)圖像接收器，構(gòu)成光電成光電轉(zhuǎn)換器件作為光學(xué)成像系統(tǒng)圖像接收器，構(gòu)成光電成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)所涉及的理論知識和技術(shù)問題。像系統(tǒng)，該系統(tǒng)所涉及的理論知識和技術(shù)問題。光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換器件是系統(tǒng)的核心器件是系統(tǒng)的核心 光電成像原理4 光電成像原理5 光電成像原理6第一章第一章 緒緒 論論 光電成像技術(shù)發(fā)展過程、應(yīng)用特點、系統(tǒng)構(gòu)成及分光電成像技術(shù)發(fā)展過程、應(yīng)用特點、系統(tǒng)構(gòu)成及分類、光電成像器件特性介紹類、

3、光電成像器件特性介紹 光電成像技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)基礎(chǔ)知識、基本理論，以光電光電成像技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)基礎(chǔ)知識、基本理論，以光電轉(zhuǎn)換器件為主線，介紹光電成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、工作原理、轉(zhuǎn)換器件為主線，介紹光電成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、工作原理、性能分析、設(shè)計思想和設(shè)計要點等性能分析、設(shè)計思想和設(shè)計要點等 光電成像原理7第二章第二章 光電成像原理及物理基礎(chǔ)光電成像原理及物理基礎(chǔ)第三章第三章 輻射源與典型景物輻射輻射源與典型景物輻射第四章第四章 輻射在大氣中的傳輸輻射在大氣中的傳輸 人眼視覺特性及圖像探測理論，光學(xué)系統(tǒng)成像及特人眼視覺特性及圖像探測理論，光學(xué)系統(tǒng)成像及特性，光電探測器物理效應(yīng)性，光電探測器物理效應(yīng) 電磁波輻

4、射度量體系、自然和人工輻射源、景物電磁波輻射度量體系、自然和人工輻射源、景物目標(biāo)輻射特性以及輻射定律目標(biāo)輻射特性以及輻射定律 大氣是輻射傳輸媒介，大氣傳輸特性影響光電成大氣是輻射傳輸媒介，大氣傳輸特性影響光電成像系統(tǒng)探測效果，輻射校正方法像系統(tǒng)探測效果，輻射校正方法 光電成像原理8第五章第五章 直視型真空成像器件物理及其成像系統(tǒng)直視型真空成像器件物理及其成像系統(tǒng)第六章第六章 固體成像器件物理及其成像系統(tǒng)固體成像器件物理及其成像系統(tǒng)第七章第七章 紅外成像器件物理及其成像系統(tǒng)紅外成像器件物理及其成像系統(tǒng) 像管成像物理過程、器件性能參數(shù)，微光夜視光電像管成像物理過程、器件性能參數(shù)，微光夜視光電成像系

5、統(tǒng)構(gòu)成及特性分析成像系統(tǒng)構(gòu)成及特性分析 CCD器件的物理基礎(chǔ)與工作原理、結(jié)構(gòu)特性與性器件的物理基礎(chǔ)與工作原理、結(jié)構(gòu)特性與性能參數(shù)，電視型光電成像系統(tǒng)特性分析能參數(shù)，電視型光電成像系統(tǒng)特性分析 紅外探測器工作原理、工作條件與性能參數(shù)，典紅外探測器工作原理、工作條件與性能參數(shù)，典型紅外探測器，紅外熱成像系統(tǒng)構(gòu)成與特性分析型紅外探測器，紅外熱成像系統(tǒng)構(gòu)成與特性分析 光電成像原理9白廷柱、金偉其，白廷柱、金偉其，光電成像原理與技術(shù)光電成像原理與技術(shù)， 北京理工大學(xué)出版社北京理工大學(xué)出版社向世明、倪國強，向世明、倪國強，光電子成像器件原理光電子成像器件原理， 國防工業(yè)出版社國防工業(yè)出版社安毓英、曾小東，

6、安毓英、曾小東，光電探測原理光電探測原理， 西安電子科技大學(xué)出版社西安電子科技大學(xué)出版社王慶有，王慶有，光電技術(shù)光電技術(shù)，電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社常本康、蔡毅，常本康、蔡毅，紅外成像陣列與系統(tǒng)紅外成像陣列與系統(tǒng)， 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 參考書參考書 光電成像原理10 光電成像原理11課堂教學(xué)、思考練習(xí)、課堂討論課堂教學(xué)、思考練習(xí)、課堂討論考核方法：平時考核方法：平時30%、考試、考試70% 光電成像原理12光電成像技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展光電成像技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展光電成像系統(tǒng)適用范圍光電成像系統(tǒng)適用范圍光電成像系統(tǒng)構(gòu)成及分類光電成像系統(tǒng)構(gòu)成及分類光電成像器件特性描述光電成像器件特性描述 光電成像原

7、理13光電成像技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展光電成像技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展 光電成像技術(shù)是在人類探索和研究光電效光電成像技術(shù)是在人類探索和研究光電效應(yīng)的進程中產(chǎn)生和發(fā)展的應(yīng)的進程中產(chǎn)生和發(fā)展的 1873年，年，W. Smith 首先發(fā)現(xiàn)了硒的光電導(dǎo)現(xiàn)象首先發(fā)現(xiàn)了硒的光電導(dǎo)現(xiàn)象 1887年，年，Hertz 首次發(fā)現(xiàn)了光電發(fā)射現(xiàn)象首次發(fā)現(xiàn)了光電發(fā)射現(xiàn)象 1900年，年，Planck 創(chuàng)立量子理論創(chuàng)立量子理論 1905年，年，Einstein 首次將量子理論應(yīng)用于光電發(fā)首次將量子理論應(yīng)用于光電發(fā)射效應(yīng)射效應(yīng) 光電成像原理14 1929年，年，Koller 制成了銀氧銫光陰極，隨后研制成功紅制成了銀氧銫光陰極，隨后研制成

8、功紅外變像管，此后相繼出現(xiàn)了紫外變像管和外變像管，此后相繼出現(xiàn)了紫外變像管和X射線變像管射線變像管 1963年，年，Simon 提出負電子親和勢光陰極理論，產(chǎn)生了提出負電子親和勢光陰極理論，產(chǎn)生了高量子效率的像增強器高量子效率的像增強器 光電成像器件應(yīng)用于電視技術(shù)，光電析像管、電視攝像光電成像器件應(yīng)用于電視技術(shù)，光電析像管、電視攝像管、硅靶攝像管等，至固體攝像器件管、硅靶攝像管等，至固體攝像器件CCD、CMOS、IRFPA等，光電成像技術(shù)進一步走向小型化、低成本、等，光電成像技術(shù)進一步走向小型化、低成本、高清晰高清晰 1916年，年，Einstein 完善了光與物質(zhì)內(nèi)部電子能態(tài)相互作完善了光與

9、物質(zhì)內(nèi)部電子能態(tài)相互作 用用的量子理論，揭示了光電效應(yīng)的本質(zhì)的量子理論，揭示了光電效應(yīng)的本質(zhì) 光電成像原理15光電成像系統(tǒng)工作光譜范圍光電成像系統(tǒng)工作光譜范圍電磁波譜范圍電磁波譜范圍 光電成像原理16根據(jù)衍射理論，兩個像點間能夠被分辨的最短距離根據(jù)衍射理論，兩個像點間能夠被分辨的最短距離 0.61sindn光電成像系統(tǒng)有長波限和短波限光電成像系統(tǒng)有長波限和短波限 波長范圍波長范圍： 1mm 10nm 頻率范圍頻率范圍： 3101131016 Hz有效波譜區(qū)域包括：亞毫米波、紅外輻射、可見光、紫有效波譜區(qū)域包括：亞毫米波、紅外輻射、可見光、紫外輻射、外輻射、X射線、射線、 射線射線 光電成像原理

10、17光電成像系統(tǒng)構(gòu)成及分類光電成像系統(tǒng)構(gòu)成及分類輻射源輻射源傳輸傳輸介質(zhì)介質(zhì)光學(xué)光學(xué)成像成像系統(tǒng)系統(tǒng)光電光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器件器件信號信號處理處理圖像圖像重現(xiàn)重現(xiàn)u輻射源輻射源 自然、人工源，目標(biāo)、背景的輻射特性自然、人工源，目標(biāo)、背景的輻射特性u傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì) 大氣光學(xué)特性大氣光學(xué)特性 光電成像原理18u光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng) 輻射收集，目標(biāo)的輻射圖像輻射收集，目標(biāo)的輻射圖像u光電轉(zhuǎn)換器件光電轉(zhuǎn)換器件 輻射圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像輻射圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像u信號處理信號處理 器件驅(qū)動，信號采集、放大、濾波等器件驅(qū)動，信號采集、放大、濾波等u圖像重現(xiàn)圖像重現(xiàn) 電子圖像轉(zhuǎn)換為可視圖像，熒光屏、顯示器電子圖像

11、轉(zhuǎn)換為可視圖像，熒光屏、顯示器輻射特性輻射特性 紫外紫外可見光可見光紅外紅外微波微波全色全色光譜光譜激光激光 光電成像原理19工作模式工作模式 主動主動被動被動成像特點成像特點 凝視凝視掃描掃描揮掃揮掃推掃推掃成像系統(tǒng)形式成像系統(tǒng)形式 折射折射反射反射折反射折反射 光電成像原理20光電成像器件光電成像器件 直視型直視型電視型電視型變像管：紅外、紫外、變像管：紅外、紫外、X射線射線像增強器：電子倍增像增強器：電子倍增u直視型光電成像器件直視型光電成像器件 用于人眼直接觀察的系統(tǒng)中用于人眼直接觀察的系統(tǒng)中器件本身具有圖像轉(zhuǎn)換、增強及顯示部分器件本身具有圖像轉(zhuǎn)換、增強及顯示部分基于外光電效應(yīng)，即光電

12、發(fā)射效應(yīng)基于外光電效應(yīng)，即光電發(fā)射效應(yīng)工作于真空環(huán)境下工作于真空環(huán)境下特點特點 光電成像原理21u電視型光電成像器件電視型光電成像器件 用于電視攝像和熱成像系統(tǒng)中用于電視攝像和熱成像系統(tǒng)中大多基于內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)、光伏）、光大多基于內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)、光伏）、光熱效應(yīng)熱效應(yīng)將二維空間圖像轉(zhuǎn)換為一維視頻信號將二維空間圖像轉(zhuǎn)換為一維視頻信號一維信號重現(xiàn)為二維圖像需要顯像裝置一維信號重現(xiàn)為二維圖像需要顯像裝置特點特點電視型電視型真空器件：光電攝像管、熱釋電攝像管真空器件：光電攝像管、熱釋電攝像管固體器件：固體器件：CCD、CMOS、IRFPA 光電成像原理22光電成像器件特性描述光電成像器件特性描

13、述表征表征光電轉(zhuǎn)換能力光電轉(zhuǎn)換能力：轉(zhuǎn)換系數(shù)、靈敏度：轉(zhuǎn)換系數(shù)、靈敏度表征表征時間響應(yīng)的動態(tài)特性時間響應(yīng)的動態(tài)特性：惰性、脈沖響應(yīng)函數(shù)、瞬時：惰性、脈沖響應(yīng)函數(shù)、瞬時調(diào)制傳遞函數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)表征表征噪聲特性噪聲特性：噪聲特點、信噪比、噪聲等效功率：噪聲特點、信噪比、噪聲等效功率表征表征圖像分辨特性圖像分辨特性：分辨力、點擴散函數(shù)、光學(xué)傳遞函數(shù)：分辨力、點擴散函數(shù)、光學(xué)傳遞函數(shù) 光電成像原理23光電成像器件的轉(zhuǎn)換特性光電成像器件的轉(zhuǎn)換特性描述光電成像器件輸入物理量與輸出物理描述光電成像器件輸入物理量與輸出物理量之間的依從關(guān)系量之間的依從關(guān)系輸出物理量轉(zhuǎn)換特性輸入物理量 光電成像原理24一、轉(zhuǎn)換系

14、數(shù)一、轉(zhuǎn)換系數(shù)對于變像管，輸入物理量為紅外、紫外、對于變像管，輸入物理量為紅外、紫外、X射射線等非可見光輻射，輸出物理量為可見光輻射線等非可見光輻射，輸出物理量為可見光輻射LGE 00mmLK MKMd數(shù)學(xué)表達式數(shù)學(xué)表達式 0mEEEd 光電成像原理25二、亮度增益二、亮度增益對于像增強器，輸入物理量微弱可見光輻射，對于像增強器，輸入物理量微弱可見光輻射，輸出物理量為可見光輻射輸出物理量為可見光輻射11LGE 00mmommK MKMdGK EKEd 10mmEK EKEd數(shù)學(xué)表達式數(shù)學(xué)表達式光增益光增益二者關(guān)系二者關(guān)系1oGG 光電成像原理26三、光電靈敏度（響應(yīng)率）三、光電靈敏度（響應(yīng)率）

15、對于電視型光電成像器件，輸入物理量為輻射對于電視型光電成像器件，輸入物理量為輻射通量（光功率），輸出物理量為電信號通量（光功率），輸出物理量為電信號定義定義 根據(jù)輸出信號形式：電壓靈敏度、電流靈敏度根據(jù)輸出信號形式：電壓靈敏度、電流靈敏度 根據(jù)輸入輻射：光譜靈敏度、積分靈敏度根據(jù)輸入輻射：光譜靈敏度、積分靈敏度idiRdP光電流光電流i (i (或光電壓或光電壓u)u)與入射光功率與入射光功率P P之間的之間的光電特性曲線的斜率光電特性曲線的斜率uduRdP或或分類分類 光電成像原理27 0umuuRPAEEd 0imiiRPAEEd輸入全色輻射輸入全色輻射 輸入單波段輻射輸入單波段輻射uuuRP dAEiiiRP dAE P P 光功率譜密度函數(shù)光功率譜密度函數(shù) R R 隨波長變化，引入隨波長變化，引入相對光譜靈敏度相對光譜靈敏度R(R( ) ) mRRRR( ) 曲線稱為光譜靈敏度曲線曲線稱為光譜靈敏度曲線 光電成像原理28以以電壓響應(yīng)電壓響應(yīng)為例為例0000duP R duRPdPP dmR)(RRmP)(PP定義相對光譜靈敏度為定義相對光譜靈敏度為 R()