《光电成像原理》第1章课件

第一章概论第二章光学系统和光学传递函数第三章直视型电真空成像原理第四章光阴极第五章电子图像的成像理论第六章电子图像的发光显示第七章电视型电真空成像原理课程主要内容第八章固体成像器件的成像原理及应用《光电成像原理》第1章第一章绪论§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《光电成像原理》第1章

信息获取是信息传输、处理、显示和存储的前提，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=50-100lx;E<0.1lx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)。《光电成像原理》第1章人类视觉系统的局限性灵敏度分辨力时间空间光谱夜视非可见光微小遥视记录《光电成像原理》第1章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《光电成像原理》第1章微光成像技术：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。光电成像主体技术微光成像技术红外热成像技术《光电成像原理》第1章2025/1/18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10~20km；《光电成像原理》第1章

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。《光电成像原理》第1章§1.2光电成像技术的发展简史1873年－史密斯(W．Smith)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了光电发射的基本定律。《光电成像原理》第1章1936年－格利胥(Görlich)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。《光电成像原理》第1章§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、λ、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。《光电成像原理》第1章

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。《光电成像原理》第1章光电成像器件分类（工作模式）直视型光电成像器件电视型用于直接观察的仪器中，器件本身具有图像转化、增强和显示等部分用于电视摄像和热电成像，功能仅仅包括图像转换，将可视图像或辐射图像转换为视频电信号《光电成像原理》第1章直视成像系统（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。

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。《光电成像原理》第1章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。《光电成像原理》第1章类型：

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《光电成像原理》第1章

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）。《光电成像原理》第1章§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。《光电成像原理》第1章

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《光电成像原理》第1章

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。

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《光电成像原理》第1章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γ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、γ射线等。《光电成像原理》第1章

问题：是否光电成像的增强作用不受任何限制呢?

一个景物细节能否被探测到与三项因素有关：①亮度L；②张角；③对比度C。

§1.5

光电成像对视见灵敏阈的扩展下面分析证明，光电成像存在着图像探测的极限值（图像探测灵敏阈）。图像探测特性曲线

图像探测方程

《光电成像原理》第1章一、信号与噪声的概念图像是以辐射光子数分布实现对景物的再现。辐射光子数差异表现在图像的亮暗上，这就构成了图像信号。辐射光子在数量上有随机涨落，光子数起伏构成图像噪声。

光电成像仪器能否分辨目标细节大小（目标远近）的实质是由被分辨目标细节上光子数的统计涨落规律所限制的结果。

例如：面元A和B，面积均2mm2，对比度为10％，白天正常照度(104lx)下，A面元约为109个光子，A与B相差108个光子(1亿)；在10-3lx夜天光照度下，同一面元只能反射100个光子，光子数差只有10个光子。《光电成像原理》第1章

按统计规律，光子数涨落符合泊松(Possion)统计分布，其涨落的方均根(光子噪声)等于其光子数平均值的平方根，即

由上述数据:

c＝10％，E=10-3lx，图像信号为10个光子数，而光子数方均根也是10个光子。结论：在微光条件下观察距离有限，或在正常照度下要分辨的目标细节的尺寸有限的根本原因光子数的统计涨落规律所限制的结果。《光电成像原理》第1章二、光电成像的图像探测方程

根据光子数统计涨落规律，可推导出人眼视觉三要素(L、c、α)与系统信噪比（S/N）λ联系起来的光电成像系统的视觉特性方程。《光电成像原理》第1章

面元A和B的照度为E0，反射特性服从朗伯分布，反射光强度分别为

其中：σ为每流明光通量每秒所包含的光子数目。对色温Ｔc＝2856K钨丝光源。σ≈1.3×1016光子数/lm.s。

通过大气和系统物镜后，到光敏面A’和B’上的光子数通量式中：D为物镜口径(mm)；r为观察距离(m)；τ为物镜及大气的总透过率(％)

《光电成像原理》第1章信号

噪声

由于亮、暗两个像元都伴随有量子起伏的噪声，其差值的起伏噪声可以利用概率公式求出。考虑亮、暗两个像元的量子数不相关，两者的协方差为零。

人眼正是基于对被观察目标上相邻面元上反射(或自辐射)的光子数之差来分辨目标的。在工程实践中，对比度c（衬度）