第一节 人眼视觉与图像探测 光电成像课件

光电成像原理 1 目标探测与识别 人眼对目标的探测识别过程可以分为以下阶段： 搜索(Look)、探测(Det)、分类(Clas)、识别(Rec)、辨别(Iden) 人眼对目标的搜索概率 搜索概率是目标与背景特性、成像系统特性、观察人员状 态等多方面因素的复杂函数。 第一节第一节 人眼视觉与图像探测人眼视觉与图像探测 光电成像原理 2 目标探测与识别模型 美国Rand模型 P1搜索一个确定的面积，扫视到目标的概率 光电成像原理 3 P2扫视到的目标被探测的概率，涉及人眼视觉系统的对 比度探测 CT 50%探测概率的阈值对比度 标准偏差 基于Blackwell 阈值对比 度实验数据，并对其进行 修正，P50图2-11 光电成像原理 4 P3探测到的目标被识别的概率，要求目标有足够的细节 Nr由目标临界尺寸中所包含的独立可探测点确定 确定实际目标像对人眼的张角和目标显示对比度C 确定使C满足90%探测概率的CT 确定该CT条件下的最小可探测目标张角 光电成像原理 5 噪声引起的衰减因子 SNR输出显示的信噪比 约翰逊(Johnson)准则 用目标等效条带图案可分辨力来评价成像系统对目 标的识别能力 光电成像原理 6 探测水平定义50%概率时所需的等效 条带周期数 探测（发现）在视场中发现一个目标1.00.25 定向可大致区分目标是否对称及方 位 1.40.35 识别可将目标分类（坦克？卡车？ 人？） 4.00.8 辨别可区分出目标型号及其他特征6.41.5 光电成像原理 7 第二节第二节 光电探测物理效应光电探测物理效应 1 1、概、概 述述 2 2、半导体物理、半导体物理基础知识基础知识 4 4、光伏效应、光伏效应 5 5、光电发射、光电发射效应效应 6 6、光热效应、光热效应 光电成像原理 8 一、概一、概 述述 光电探测器光电探测器：能把光辐射量转换为电量(电流或电压)的器件。 按物理效应分为：光子效应光子效应和光热效应光热效应 光子效应光子效应 探测器吸收光子后，直接引起材料原子或分子内的电子 状态改变。 光子效应 内光电效应 外光电效应 光电导效应 光伏效应 光磁效应 光电发射效应 光电成像原理 9 内光电效应： 光照射在某些物质材料上，在材料内部激发出导电载流子，使材料 电导率变化或在材料内部建立内电场的现象。 这种效应多发生于半导体材料。 外光电效应： 光照射在物质材料上，使电子从材料中逸出，在外电场作用下形成真 空中的光电子流的现象。 这种效应发生于金属、金属氧化物和半导体材料。 外光电效应和内光电效应的区别 受光照而激发的电子，前者逸出物质表面形成光电子流，而后者则在 物质内部参与导电。 光电成像原理 10 光辐射能量被探测元件吸收后，引起材料晶格热运动，使 探测元件温度升高，导致探测元件的电量变化。 主要有温差电效应、热释电效应等。 光热效应 光子效应与光热效应的区别 光子效应 u量子性，与光子能量 h 有关； u对光波频率有选择性； u响应速度快。 光热效应 u积累效应，与光子能量h没有直接 关系； u对光波频率没有选择性； u响应速度较慢； u易受环境温度变化影响。 光电成像原理 11 二、半导体物理二、半导体物理基础知识基础知识 能带 几种能带形式 u晶体中的电子分布的许可能态 u能量分布不连续 u能带中包含一定能量范围内准连续分布的能级 满带：完全被电子填满的能带。满带中的电子不起导电作用。 价带：价电子填充的能带。对于金属来说，价带不是满带。对 于半导体，绝对零度时，价带是满带。 导带：未被电子填满的能带。在电场作用下，由于电子运动可 以形成电流。 禁带：价带和导带之间的能量间隙。绝缘体的禁带很宽，半导 体的禁带较窄。 光电成像原理 12 导带(价带) 满带 金属能带图 半导体能带图 导带 价带 满带 禁带 空带 价带 满带 禁带 绝缘体能带图 光电成像原理 13 1. 本征半导体：I 型半导体 没有任何外来杂质和晶格缺陷的理想半导体称为本征半导体 。 半导体类型 特 点： 在绝对零度时，不受外界影响的情况下， 价带是满带，导带是空带，因此不能导电 。 在热运动或外界的影响下，价电子跃迁到 导带，产生自由电子和空穴，构成导电载 流子，具有导电性。 本征半导体电子和空穴成对出现，导带中 的电子浓度n和价带中的空穴浓度p相等。 Ec Ev Eg +4 +4+4 +4 +4 +4 +4 +4+4 光电成像原理 14 2. 杂质半导体：II 型半导体 半导体中掺一定的其它元素，不仅可以影响起电导情况，而且可以 决定导电的类型。 N型半导体： 能对半导体导带提供导电电子，电导主要靠导带中的电子，为电子 型导电。 施主杂质：能够提供导带电子的杂质。V族元素，如磷、砷、锑等。 多余电子 磷原子 硅原子 Ec Ev Eg ED + 光电成像原理 15 P型半导体： 能对半导体价带提供空穴，导电主要靠价带的空穴，为空穴型导电。 受主杂质：能够提供价带空穴的杂质。III族元素硼、铝、镓、铟等。 特点： 施主能级位于半导体导带底之下，与之靠近； 施主杂质电离能小于半导体禁带宽度； 电子是多数载流子(多子)，空穴是少数载流子（少子），空穴是 本征激发产生的。 空穴 硼原子 硅原子 Eg Ec Ev EA - - 光电成像原理 16 特点： 受主能级位于半导体价带顶之上，与之靠近； 受主杂质电离能小于半导体禁带宽度； 空穴是多数载流子(多子)，电子是少数载流子（少子），电子是本征 激发产生的。 半导体材料对光辐射的吸收 当光辐射照射在半导体上时，半导体吸收光辐射能量，价带的电子 获得辐射能后将跃迁到导带，产生新的电子空穴对，形成非平衡载流子 ，非平衡载流子是产生内光电效应的本质原因。 半导体对光辐射的吸收分为本征吸收、杂质吸收、载流子吸收、激 子和晶格吸收五种光吸收效应。 光电成像原理 17 三、光伏效应三、光伏效应 又称为光生伏特效应，是一种内光电效应。 不同类型的半导体在其接触面处形成内部自建电场又称为电势垒 、结，在结区产生电位差。当照射光激发出电子空穴对时，自建电场将电 子空穴分开，在结的两侧形成电荷堆积，形成光伏效应。 1、PN结 PNPN结形成前结形成前 Ec Ec EvEv EFp EFn PN + + + + + + + + + + + + N型半导体 多子电子 少子空穴 P型半导体 多子空穴 少子电子 光电成像原理 18 P P型材料和型材料和NN型材料结紧密接触，型材料结紧密接触， 内电场E 空间电荷区 多子扩散电流 少子漂移电流 耗尽层 因多子浓度差 形成内电场 多子的扩散空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移 PN结合 光电成像原理 19 PN Ecp Evp EFp EFn Ecn Evn E 达到热平衡达到热平衡 内电场E 多子扩散电流 少子漂移电流 耗尽层 扩散电流 漂移电流 总电流0 自建电场电势差 光电成像原理 20 光生载流子导致PN结少子浓度变化， 加速少子扩散，减弱空间电荷势垒高度 光照下的光照下的PNPN结结 PN 光生电流 反向饱和电流 光生电压 光电成像原理 21 四、四、光电发射效应光电发射效应 外光电效应 光电发射效应：在光照下，物体向表面以外空间发射电子的现象。 发射出来的电子光电子 能产生光电发射效应的物体光电发射体，在光电管中称为光阴极 。 光电子形成的电流光电流 光电成像原理 22 1.斯托列托夫定律第一定律 当入射辐射的光谱分布不变时，入射辐射通量越大(携带的光子数越 多)，激发电子逸出光电发射体表面的数量也越多，因而发射的光电流就 增加，所以光电流正比于入射辐射通量。 其中 电子离开发射体表面的动能，m电子质量， v电子离开时的速度 光子能量 光电发射体的功函数，即电子逸出功 2. 爱因斯坦定律 第二定律 光电发射体发射的光电子的最大动能随入射光辐射频率的增 加而线性增加，与入射光辐射的强度无关。 光电方程光电方程 光电成像原理 23 电子逸出功E的概念建立在材料的能带结构基础上 E EVAC EF EC 金属材料的光电发射体 E EVAC EV EC Eg 半导体材料的光电发射体 光电成像原理 24 物理意义 光电发射效应的有、无只与入射光的波长(频率) 有关，与入射光的强 度无关。 光电效应的产生，唯一的取决于入射光的波长(频率)以及光电 发射体的能级结构。 光电效应的强弱既与入射光的强度有关，也与入射光的波长(频率)有 关。 入射光的强弱反映入射光子数的多少；入射光的波长(频率)不 同，光电发射体对其的响应度不同。 光电发射的红域频率和红域波长 h=6.610-34J.s=4.1310-15eV.s C=31014m/s 光电成像原理 25 光电发射的过程 入射光辐射被光电发射体吸收，电子激发跃迁到高能级； 高能电子向材料表面运动，在运动过程中，不断同材料中的晶格和其它粒 子碰撞，损失部分能量； 能够到达材料表面的电子，必须具有足够的动能克服材料表面的束缚势垒 ，才能逸出成为光电子，否则不能逸出。 光电阴极 一般的，把光电发射体镀在金属或透明材料上形成光电阴极。 有反射式和透射式两类。 光电阴极材料：(1) 金属材料；(2) 表面吸附一层其它元素的金属；(3) 半导 体材料。 光电成像原理 26 基于探测器材料吸收光辐射能量以后温度升高的现象，特点是入射 光辐射与物质中的晶格相互作用，晶格因吸收光能而增加振动能量 光热效应可以产生温差电效应、电阻率变化效应、自发极化强度的 变化效应、气体体积和压强的变化效应等等 温差电效应：光辐射入射到导体或半导体上产生温度梯度，从而产生温 差电势，由电动势的高低可以测定出