光电成像原理

1、 光电成像原理2成像是将客观景物转变为图像的过程，是一种重要的信息成像是将客观景物转变为图像的过程，是一种重要的信息获取方式获取方式人眼直接观测人眼直接观测受限于视觉性能：光谱范围、灵敏度、受限于视觉性能：光谱范围、灵敏度、 时空限制等时空限制等光学系统光学系统+胶片记录胶片记录利用光化学作用，拓展人眼的视利用光化学作用，拓展人眼的视见性能，时效性差见性能，时效性差光电成像光电成像光学系统光学系统+成像器件，基于光电器件，利用成像器件，基于光电器件，利用光电效应，在光谱响应、探测灵敏度、分辨光电效应，在光谱响应、探测灵敏度、分辨能力和实时性等方面突破能力和实时性等方面突破 光电成像原理3光电成

2、像技术已深入到人们日常生活、国民经济、国防建光电成像技术已深入到人们日常生活、国民经济、国防建设的各个领域，是人类文明和发展的基本需要。设的各个领域，是人类文明和发展的基本需要。光电转换器件作为光学成像系统图像接收器，构成光电成光电转换器件作为光学成像系统图像接收器，构成光电成像系统，该系统所涉及的理论知识和技术问题。像系统，该系统所涉及的理论知识和技术问题。光电转换光电转换器件是系统的核心器件是系统的核心 光电成像原理4 光电成像原理5 光电成像原理6第一章第一章 绪绪 论论 光电成像技术发展过程、应用特点、系统构成及分光电成像技术发展过程、应用特点、系统构成及分类、光电成像器件特性介绍类、

3、光电成像器件特性介绍 光电成像技术领域相关基础知识、基本理论，以光电光电成像技术领域相关基础知识、基本理论，以光电转换器件为主线，介绍光电成像系统结构组成、工作原理、转换器件为主线，介绍光电成像系统结构组成、工作原理、性能分析、设计思想和设计要点等性能分析、设计思想和设计要点等 光电成像原理7第二章第二章 光电成像原理及物理基础光电成像原理及物理基础第三章第三章 辐射源与典型景物辐射辐射源与典型景物辐射第四章第四章 辐射在大气中的传输辐射在大气中的传输 人眼视觉特性及图像探测理论，光学系统成像及特人眼视觉特性及图像探测理论，光学系统成像及特性，光电探测器物理效应性，光电探测器物理效应 电磁波辐

4、射度量体系、自然和人工辐射源、景物电磁波辐射度量体系、自然和人工辐射源、景物目标辐射特性以及辐射定律目标辐射特性以及辐射定律 大气是辐射传输媒介，大气传输特性影响光电成大气是辐射传输媒介，大气传输特性影响光电成像系统探测效果，辐射校正方法像系统探测效果，辐射校正方法 光电成像原理8第五章第五章 直视型真空成像器件物理及其成像系统直视型真空成像器件物理及其成像系统第六章第六章 固体成像器件物理及其成像系统固体成像器件物理及其成像系统第七章第七章 红外成像器件物理及其成像系统红外成像器件物理及其成像系统 像管成像物理过程、器件性能参数，微光夜视光电像管成像物理过程、器件性能参数，微光夜视光电成像系

5、统构成及特性分析成像系统构成及特性分析 CCD器件的物理基础与工作原理、结构特性与性器件的物理基础与工作原理、结构特性与性能参数，电视型光电成像系统特性分析能参数，电视型光电成像系统特性分析 红外探测器工作原理、工作条件与性能参数，典红外探测器工作原理、工作条件与性能参数，典型红外探测器，红外热成像系统构成与特性分析型红外探测器，红外热成像系统构成与特性分析 光电成像原理9白廷柱、金伟其，白廷柱、金伟其，光电成像原理与技术光电成像原理与技术， 北京理工大学出版社北京理工大学出版社向世明、倪国强，向世明、倪国强，光电子成像器件原理光电子成像器件原理， 国防工业出版社国防工业出版社安毓英、曾小东，

6、安毓英、曾小东，光电探测原理光电探测原理， 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社王庆有，王庆有，光电技术光电技术，电子工业出版社，电子工业出版社常本康、蔡毅，常本康、蔡毅，红外成像阵列与系统红外成像阵列与系统， 科学出版社科学出版社 参考书参考书 光电成像原理10 光电成像原理11课堂教学、思考练习、课堂讨论课堂教学、思考练习、课堂讨论考核方法：平时考核方法：平时30%、考试、考试70% 光电成像原理12光电成像技术的产生和发展光电成像技术的产生和发展光电成像系统适用范围光电成像系统适用范围光电成像系统构成及分类光电成像系统构成及分类光电成像器件特性描述光电成像器件特性描述 光电成像原

7、理13光电成像技术的产生和发展光电成像技术的产生和发展 光电成像技术是在人类探索和研究光电效光电成像技术是在人类探索和研究光电效应的进程中产生和发展的应的进程中产生和发展的 1873年，年，W. Smith 首先发现了硒的光电导现象首先发现了硒的光电导现象 1887年，年，Hertz 首次发现了光电发射现象首次发现了光电发射现象 1900年，年，Planck 创立量子理论创立量子理论 1905年，年，Einstein 首次将量子理论应用于光电发首次将量子理论应用于光电发射效应射效应 光电成像原理14 1929年，年，Koller 制成了银氧铯光阴极，随后研制成功红制成了银氧铯光阴极，随后研制成

8、功红外变像管，此后相继出现了紫外变像管和外变像管，此后相继出现了紫外变像管和X射线变像管射线变像管 1963年，年，Simon 提出负电子亲和势光阴极理论，产生了提出负电子亲和势光阴极理论，产生了高量子效率的像增强器高量子效率的像增强器 光电成像器件应用于电视技术，光电析像管、电视摄像光电成像器件应用于电视技术，光电析像管、电视摄像管、硅靶摄像管等，至固体摄像器件管、硅靶摄像管等，至固体摄像器件CCD、CMOS、IRFPA等，光电成像技术进一步走向小型化、低成本、等，光电成像技术进一步走向小型化、低成本、高清晰高清晰 1916年，年，Einstein 完善了光与物质内部电子能态相互作完善了光与

9、物质内部电子能态相互作 用用的量子理论，揭示了光电效应的本质的量子理论，揭示了光电效应的本质 光电成像原理15光电成像系统工作光谱范围光电成像系统工作光谱范围电磁波谱范围电磁波谱范围 光电成像原理16根据衍射理论，两个像点间能够被分辨的最短距离根据衍射理论，两个像点间能够被分辨的最短距离 0.61sindn光电成像系统有长波限和短波限光电成像系统有长波限和短波限 波长范围波长范围： 1mm 10nm 频率范围频率范围： 3101131016 Hz有效波谱区域包括：亚毫米波、红外辐射、可见光、紫有效波谱区域包括：亚毫米波、红外辐射、可见光、紫外辐射、外辐射、X射线、射线、 射线射线 光电成像原理

10、17光电成像系统构成及分类光电成像系统构成及分类辐射源辐射源传输传输介质介质光学光学成像成像系统系统光电光电转换转换器件器件信号信号处理处理图像图像重现重现u辐射源辐射源 自然、人工源，目标、背景的辐射特性自然、人工源，目标、背景的辐射特性u传输介质传输介质 大气光学特性大气光学特性 光电成像原理18u光学成像系统光学成像系统 辐射收集，目标的辐射图像辐射收集，目标的辐射图像u光电转换器件光电转换器件 辐射图像转换为电子图像辐射图像转换为电子图像u信号处理信号处理 器件驱动，信号采集、放大、滤波等器件驱动，信号采集、放大、滤波等u图像重现图像重现 电子图像转换为可视图像，荧光屏、显示器电子图像

11、转换为可视图像，荧光屏、显示器辐射特性辐射特性 紫外紫外可见光可见光红外红外微波微波全色全色光谱光谱激光激光 光电成像原理19工作模式工作模式 主动主动被动被动成像特点成像特点 凝视凝视扫描扫描挥扫挥扫推扫推扫成像系统形式成像系统形式 折射折射反射反射折反射折反射 光电成像原理20光电成像器件光电成像器件 直视型直视型电视型电视型变像管：红外、紫外、变像管：红外、紫外、X射线射线像增强器：电子倍增像增强器：电子倍增u直视型光电成像器件直视型光电成像器件 用于人眼直接观察的系统中用于人眼直接观察的系统中器件本身具有图像转换、增强及显示部分器件本身具有图像转换、增强及显示部分基于外光电效应，即光电

12、发射效应基于外光电效应，即光电发射效应工作于真空环境下工作于真空环境下特点特点 光电成像原理21u电视型光电成像器件电视型光电成像器件 用于电视摄像和热成像系统中用于电视摄像和热成像系统中大多基于内光电效应（光电导、光伏）、光大多基于内光电效应（光电导、光伏）、光热效应热效应将二维空间图像转换为一维视频信号将二维空间图像转换为一维视频信号一维信号重现为二维图像需要显像装置一维信号重现为二维图像需要显像装置特点特点电视型电视型真空器件：光电摄像管、热释电摄像管真空器件：光电摄像管、热释电摄像管固体器件：固体器件：CCD、CMOS、IRFPA 光电成像原理22光电成像器件特性描述光电成像器件特性描

13、述表征表征光电转换能力光电转换能力：转换系数、灵敏度：转换系数、灵敏度表征表征时间响应的动态特性时间响应的动态特性：惰性、脉冲响应函数、瞬时：惰性、脉冲响应函数、瞬时调制传递函数调制传递函数表征表征噪声特性噪声特性：噪声特点、信噪比、噪声等效功率：噪声特点、信噪比、噪声等效功率表征表征图像分辨特性图像分辨特性：分辨力、点扩散函数、光学传递函数：分辨力、点扩散函数、光学传递函数 光电成像原理23光电成像器件的转换特性光电成像器件的转换特性描述光电成像器件输入物理量与输出物理描述光电成像器件输入物理量与输出物理量之间的依从关系量之间的依从关系输出物理量转换特性输入物理量 光电成像原理24一、转换系

14、数一、转换系数对于变像管，输入物理量为红外、紫外、对于变像管，输入物理量为红外、紫外、X射射线等非可见光辐射，输出物理量为可见光辐射线等非可见光辐射，输出物理量为可见光辐射LGE 00mmLK MKMd数学表达式数学表达式 0mEEEd 光电成像原理25二、亮度增益二、亮度增益对于像增强器，输入物理量微弱可见光辐射，对于像增强器，输入物理量微弱可见光辐射，输出物理量为可见光辐射输出物理量为可见光辐射11LGE 00mmommK MKMdGK EKEd 10mmEK EKEd数学表达式数学表达式光增益光增益二者关系二者关系1oGG 光电成像原理26三、光电灵敏度（响应率）三、光电灵敏度（响应率）

15、对于电视型光电成像器件，输入物理量为辐射对于电视型光电成像器件，输入物理量为辐射通量（光功率），输出物理量为电信号通量（光功率），输出物理量为电信号定义定义 根据输出信号形式：电压灵敏度、电流灵敏度根据输出信号形式：电压灵敏度、电流灵敏度 根据输入辐射：光谱灵敏度、积分灵敏度根据输入辐射：光谱灵敏度、积分灵敏度idiRdP光电流光电流i (i (或光电压或光电压u)u)与入射光功率与入射光功率P P之间的之间的光电特性曲线的斜率光电特性曲线的斜率uduRdP或或分类分类 光电成像原理27 0umuuRPAEEd 0imiiRPAEEd输入全色辐射输入全色辐射 输入单波段辐射输入单波段辐射uuuRP dAEiiiRP dAE P P 光功率谱密度函数光功率谱密度函数 R R 随波长变化，引入随波长变化，引入相对光谱灵敏度相对光谱灵敏度R(R( ) ) mRRRR( ) 曲线称为光谱灵敏度曲线曲线称为光谱灵敏度曲线 光电成像原理28以以电压响应电压响应为例为例0000duP R duRPdPP dmR)(RRmP)(PP定义相对光谱灵敏度为定义相对光谱灵敏度为 R()