光电成像.ppt

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1、西安邮电学院 电子工程学院,光电成像原理与技术 E-mail: ,本节内容安排（16-1）,1. 光电成像原理的产生与发展 2. 光电成像对视见光谱域的延伸 3. 光电成像技术的应用 4. 光电成像器件的类型 5. 光电成像的特性,光电成像原理的产生与发展,图像信息的重要性：人通过眼睛获取的信息占人能获取信息的80%以上。 人眼的局限性：灵敏度，分辨率，时间，空间，光谱。 灵敏度方面：夜间无照明时视觉很差 分辨率方面：没有足够的视角和对比度就难以辨别 时间方面：变化过去的影像无法存在视觉上 空间方面：隔开的空间人眼将无法观察 光谱方面：只对电磁波很窄的可见光敏感,电磁波谱及常见无线电频率分布,

2、实验证明，不仅无线电波是电磁波，光、X射线、射线也都是电磁波。它们的区别仅在于频率或波长有很大差别。光波的频率比无线电波的频率要高很多，光波的波长比无线电波的波长短很多；而X射线和射线的频率则更高，波长则更短。为了对各种电磁波有个全面的了解，人们按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来，这就是电磁波谱。 无线电波： 长波（波长在几公里至几十公里）100KHz 中波（波长约在3公里至约50米）100KHz6MHz 短波（波长约在50米至约10米）6MHz30MHz 微波（波长范围约10米至1毫米）30MHz30GHz 无线电广播和通信使用中波和短波，电视、雷达、手机使用微波。,电磁波谱及常见无线

3、电频率分布,可见光：波长约 800 至 400 纳米（通常是780至380纳米），人眼可见的光。1微米=1000纳米。能使人眼产生视觉效应的电磁波段,电磁波谱及常见无线电频率分布,红外线 波长范围在0.76750mm之间的电磁波。红外线最显著的性质是热效应 紫外线 波长范围在410-710-9m之间的电磁波。紫外线有明显的生理作用 X 射线(伦琴射线) 波长比紫外线更短的电磁波，其波长范围在10-7 10-13m之间。 X 射线具有很强的穿透能力 射线 在原子核内部的变化过程(常称衰变)发出的一种波长极短的电磁波， 射线可应用于对金属探伤等,1873年史密斯(WSmith) 首先发现了光电导现

4、象；1900年普朗克(Planck)于提出了光的量子属性；1887年赫兹(Hertz)首先发现了紫外辐射对放电过程的影响，1929年科勒(Koller)制成了第一个实用的光电发射体（银氧铯光阴极），随后利用这一技术研制成功了红外变像管，实现了将不可见的红外图像转换成可见光图像。此后，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。 1963年西蒙(Simon)提出了负电子亲和势光阴极理论，伊万思(Evans)等人在该理论的指导下研制成功了负电子亲和势镓砷光阴极。高量子效率光阴极的出现使微光图像的增强技术达到了实用阶段。利用像增强器，人类突破了视见灵敏阈的限制。,光

5、电成像技术的发展,Maxwells equations,光电成像对视见光谱域的延伸,光电成像对视见光谱域的延伸,核心思想是：变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场 麦克斯韦方程组微分形式：在电磁场的实际应用中， 经常要知道空间逐点的电磁场量和电荷、电流之间的关系。从数学形式上，就是将麦克斯韦方程组的积分形式化为微分形式 该方程表明:一切辐射现象都可以通过求解一定边界下的maxwell方程来确定,光电成像对视见光谱域的延伸,电磁波的波动方程 该方程电磁波传递图像信息物空间和像空间的定量关系，通过经典电磁场理论可

6、以处理电磁波全部的成像问题,（E沿y方向）,（H 沿z方向）,光电成像技术的应用,紫外成像技术 真空型紫外成像技术 紫外变像管 固体型紫外成像技术 紫外探测器 微光夜视技术 微光像增强器技术 像增强器、ICCD等 BCCD、EBCCD、EMCCD 近红外成像技术 真空型近红外成像技术 红外变像管 固体型近红外成像技术 CCD、红外探测器 红外热成像技术 真空型热成像技术 热释电摄像管（热电视） 制冷型热成像技术 非制冷型热成像技术,光电成像技术涉及的相关研究领域：,光电成像技术的应用,(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

7、 (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,微光夜视：白天，我们人眼能看到自然界中的景物，是因为眼睛接收到它们表面反射太阳的直射光、或是散射光。夜晚，由于没有太阳光照明，人眼就看不见自然界中的景物了。但在多数夜间，仍有月光、星光、大气辉光存在，自然界中的景物表面仍然要反射这些微弱的光线，于是我们人眼还能模糊的看到近处景物、大景物的轮廓。在夜间观察，基本矛盾是人眼接收到的光强不足。解决这个问题的基本思路是：1）使用大口径的望远镜，尽可能多的得到光能量；2）象电子学那样，设法对微弱的光图像进行放大；3）用红外线探照灯或红外照明弹对景物进行照明；4）利用景物在红外波段的辐

8、射能量实现热成像。用不同的技术解决这个问题，就形成了不同的夜视方法。,光电成像技术的应用,微光夜视技术是用电真空和电子光学等技术，实现光子图像电子图像光子图像的转换，在转换过程中，通过对电子图像的增强实现对光子图像的增强，进而达到在有微弱光线照明下的夜间观察的一种技术。 微光夜视技术的核心是微光图像增强器，是一个由光电阴极、电子光学部件、荧光屏等三大部分组成的电真空器件。其工作原理是：景物反射的微弱可见光和近红外光汇聚到光电阴极上，光电阴极受激向外发射电子，在这一过程中，实现把景物的光强分布图像变成与之对应的电子数密度分布图像；在电子光学部件中，输入一个电子，可以输出成千上万个电子，因此，光电

9、阴极的电子数密度分布图像就被成千上万倍的增强了，所谓的“微光图像增强”就是在这一过程中实现的；,光电成像技术的应用,光电成像技术的应用,最后，经过倍增的大量电子轰击荧光屏，实现电子图像光子图像的转变，得到增强微光图像供人眼观察。 微光夜视技术发展的初期，使用的核心器件是近红外光图像变像管，可将其看成是一种电子倍增效率比较低的微光图像增强器。为提高观察距离，采用红外线探照灯对景物照明，这种装置称为主动红外夜视仪。用红外照明弹对景物照明，也可增加微光夜视仪的观察距离。,光电成像技术的应用,红外热成像：光线是大家熟悉的。光线是什么？光线就是可见光，是人眼能够感受的电磁波。可见光的波长为：0.380.

10、78微米。比0.38微米短的电磁波和比0.78微米长的电磁波，人眼都无法感受。比0.38微米短的电磁波位于可见光光谱紫色以外，称为紫外线，比0.78微米长的电磁波位于可见光光谱红色以外，称为红外线。红外线，又称红外辐射，是指波长为0.781000微米的电磁波。其中波长为0.782.0微米的部分称为近红外，波长为2.01000微米的部分称为热红外线。,光电成像技术的应用,目标的热图像和目标的可见光图像不同，它不是人眼所能看到的目标可见光图像，而是目标表面温度分布图像，换一句话说，红外热成像使人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。 我们周围的物体只有当

11、它们的温度高达1000以上时，才能够发出可见光。相比之下，我们周围所有温度在绝对零度（-273）以上的物体，都会不停地发出热红外线。例如，我们可以计算出，一个正常的人所发出的热红外线能量，大约为100瓦。所以，热红外线（或称热辐射）是自然界中存在最为广泛的辐射。热辐射除存在的普遍性之外，还有另外两个重要的特性。,光电成像技术的应用,热辐射除存在的普遍性之外，还有另外两个重要的特性。 1大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对35微米和814微米的热红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口” 。利用这两个窗口，可以使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方

12、的情况。正是由于这个特点，热红外成像技术军事上提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。 2物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析，从而为工业生产，节约能源，保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。,光电成像器件的类型,直视型,光电成像器件,电视型,光电成像器件的类型,直视型：通过光电效应将入射图像转换为电子图像，而后能量增强，增强的电子图像轰击荧光屏，激发荧光屏产生可见光图像。主要结构：光电发射体，电子光学系统，微通道板，壳体等。根据它工作波段不同可分为： 1.接收非可见辐射图像

13、，如红外变像管等，特点是入射图像和出射图像的光谱不同，因此叫作：变像管。 2.接收微弱可见光辐射图像，如带有微通道板的像增强器等，特点是入射图像极其微弱，经过器件内部电子图像能量增强后通过荧光屏输出人眼能够正常观看的光学图像，因此叫作：像增强器。,光电成像器件的类型,光电成像器件的类型,电视型：完成将二维空间的可见光图像或辐射图像转换成一维时间的视频电信号。获得的电信号经过放大处理和传输等环节后，由显像装置还原输出二维空间的图像。 工作方式：接收二维光学或热图像，利用光敏面的光电效应或热电（敏）相应将其转换为二维电荷图像并进行适当时间的存储，而后通过电子束扫描或电荷耦合转移等形式，输出一维时间

14、信号。 只能完成摄像功能，不直接输出图像，又称非直视型光电成像器件。 如：CCD，CMOS成像等。,光电成像器件的特性,光电转换特性 转换系数（增益） 光电灵敏度（响应度）峰值波长，截止波长 时间响应特性 惰性 脉冲响应函数与瞬时调制传递函数,光电成像器件的特性,噪声特性 各种噪声来源与信噪比 噪声等效输入与探测率 图像分辨特性 分辨力 点扩散函数与光学传递函数,光电成像器件的特性,光电转换特性 转换系数（增益）G：评价直视型光电成像器件的输入量与输出量的依存关系的重要参数光电成像器件在法线方向输出的亮度L与输入的辐照度E的比值。 表示单色光的增益,光电成像器件的特性,光电转换特性 光电灵敏度

15、（响应率）：评价电视型光电成像器件的输入量与输出量的依存关系的重要参数电视型成像器件输出的信号值与光敏面的有效面积上输入的辐照通量（功率）的比值。 峰值波长：单色灵敏度取最大值。 截止波长：单色灵敏度下降为峰值的一半所对应的波长。,光电成像器件的特性,时间响应特性 惰性：产生时间响应的滞后。 余辉：对直视型成像器件而言，当入射辐射瞬间截止时，荧光屏的发光下降过程滞后产生余辉。余辉的时间常数表示为惰性。 三场惰性：工程上，取输入照度截止后，电视摄像器件的第三场输出信号的相对值为惰性指标。 时间常数（弛豫时间）：如果输入辐射瞬间截止，其输出的信号衰减函数为B(t)时，则惰性的时间常数定义为：,光电

16、成像器件的特性,当惰性的衰减函数呈负指数时，即 可求出这一惰性的时间常数为：,光电成像器件的特性,主要研究下降过程的滞后 脉冲响应函数：当光电成像器件的入射辐射为脉冲函数（如采用ns或ps的窄激光脉冲照明时），得到的输出信号是时间的函数，取其归一化的函数为脉冲响应函数。该参数可以全面定量地分析光电成像的时间响应特性。 瞬时调制传递函数：光电成像系统所输出的归一化时间频谱函数与理想输出（无惰性）的归一化时间频谱函数的比。描述光电成像在频率域的时间响应特性，如P(t)为输出的时间响应函数，则,光电成像器件的特性,噪声特性 散粒噪声：具有泊松分布的量子涨落噪声。起因：带电粒子的量子性带电粒子发射或穿

17、越势垒时，每一瞬间数量不恒定。（白噪声噪声的功率谱密度与频率无关）光电发射量子噪声、扫描电子束热发射量子噪声、载流子穿越势垒的量子噪声 产生复合噪声：半导体成像器件中，光敏面在稳定的入射激发条件下，每瞬间产生的载流子数目不一定，同时，载流子的复合及被俘获的过程也是随机的，只有在很长时间内累计的平均值是确定的。,光电成像器件的特性,热噪声：又称约翰逊噪声，是导电体内电子无规则热运动所形成的瞬间电流。光电导与电阻性元件都产生热噪声。（白噪声） 低频噪声（1/f噪声或称电流噪声）：机理不明，其等效电流值近似与频率倒数成正比。 电荷耦合器件(CCD)的转移噪声：电荷包转移过程中要产生转移损失和界面态俘

18、获损失，这两项损失构成的。,光电成像器件的特性,噪声等效功率NEP ：当红外辐射被探测器接收时，由该辐射功率产生的输出信号均方根值正好等于探测器本身的噪声均方根值。表示红外探测器最小可探测的功率值。它是温度、辐射的调制频率和测量带宽的函数。 探测率D：噪声等效功率的倒数。,光电成像器件的特性,比探测率（归一化探测率）D*：为便于比较不同情况下探测器的性能，排除探测器面积、测量带宽的因素而规定的。 分辨特性：光电成像过程中由于种种原因而产生像差，造成输出图像的亮度分布不能准确再现输入图像的亮度分布，定量描述这种图像失真程度的性能指标如下： 分辨力 ：以人眼作为接收器所判定的极限分辨能力。通常用光

19、电成像系统在一定距离内能够分辨的等宽黑白条纹数表示。,光电成像器件的特性,对直视型成像器件：取输入像面上每毫米能分辨的等宽黑白条纹数(lp/mm)。 对电视型成像器件：取扫描线方向相对于帧高的距离内所能分辨的等宽黑白条纹数表示分辨力。简称：电视线（TVL）；也可用视频带宽fV表示。 如电视线为n，电视幅面宽高比为，行扫描频率fh为：,1、电视图像的宽高比： 图像宽度高度之比，一般为4：3。 2、帧频与场频： 帧频为每秒钟电视屏幕变化的数目。一般场频为50赫兹，帧频为25赫兹。在电视中采用隔行扫描的方式。 3、扫描行数与行频：组成每帧图像的行数行频。 我国现行电视制式（PLA制式）：宽高比为4：

20、3，场频为50赫兹，行频为15625赫兹，场周期为20毫秒，其中正程扫描时间为18.4毫秒，逆程扫描时间为1.6毫秒，行周期为64微秒，其中正程扫描时间为52微秒，逆程扫描时间为12微秒。,光电成像器件的特性,光电成像器件的特性,点扩散函数与光学传递函数 设光电成像系统的输入图像分布函数为g(x, y)，输出图像分布函数为h(,），当光电成像系统满足线性及时间、空间不变性的成像条件时，可以建立如下关系：,上式中p(,）为光电成像的点扩散函数。它是由输入(x, y)函数分布的图像所得到的输出图像分布函数。表示只有在坐标原点有一个单位的输入光，而其他处为零的集合点图像。上式说明：光电成像的输出图像

21、分布函数可以由它的输入图像分布函数与点扩散函数卷积来确定，故点扩散函数可以完全定量地描述光电成像的成像特性。,光电成像器件的特性,设光电成像系统的输入图像分布函数为g(x, y)，输出图像分布函数为h(,），当光电成像系统满足线性及时间、空间不变性的成像条件时，可以将它的输入输出图像分布变换成频谱函数来进行分析。它们的傅里叶变换即频谱函数可表示为：,可以建立成像关系：,光电成像器件的特性,这里的O(fx,fy)为光电成像系统的光学传递函数OTF，即输出图像频谱与输入图像频谱之比。显然它是点扩散函数的傅里叶变换。该函数是复函数，可以写成调制传递函数MTF与相位传递函数PTF的乘积。 光学传递函数不仅可以描述单一成像过程的成像特性，而且可以用来分析多环节线性串联的光电成像系统的特性。,