光电成像原理第三章
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设光电成像系统接收到来自景物两个相邻像元的辐射 量子数分别为 图像信号 图像噪声
n1 和 n2
S = n1 − n2
= N
光电成像原理
n1 + n2
14
图像信噪比
n1 − n2 SNR = n1 + n2
光电成像输出图像信号、噪声、信噪比
设景物两个相邻像元的亮度分别为B1和B2，且 B1 > B2 每一像元是边长为h的正方形 令光电成像系统接收孔径为r，光电转换量子效率为η， 有效积分时间为τ，物距为L，像元对系统的张角为α 光电成像系统输出光电子数
光电成像原理
7
四、人眼的分辨力
人眼能区别两发光点的最小角距离称为极限分辨角θ
其倒数称为眼睛的分辨力，也称为视觉锐度
眼睛分辨力与眼睛构造有关：
视角、瞳孔直径
还与目标亮度、形状以及景物
对比度有关
光电成像原理
8
经验公式
1 θ= 0.618 − 1.13 d
光电成像原理
9
五、视觉系统的调制传递函数MTF
Nr ≥ 2
Nr < 2
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α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α’
Nr = α
α'
光电成像原理
4
η—噪声引起的衰减因子
− ( SNR − 1) 1 − exp η = 0
P2
1 2π
∫
C CT −1
σ
−∞
u2 exp − du 2
CT —50%探测概率的阈值对比度 σ—标准偏差
σ = 0.39
光电成像原理
3
P3—探测到的目标被识别的概率，要求目标有足够的细节
2 Nr − 1 1 − exp − P3 = 2 0
成像探测器 信号传输及 显示
光电成像原理
3
人眼的视觉特性 — 视觉适应、灵敏度、分辨力与调制传递函数等 一、人眼的视觉适应与光谱响应
人眼观察的视场亮度范围
10−5 cd / m 2 ~ 104 cd / m 2
当视场亮度发生突变时，人眼要稳定到突变后的正常视
觉状态需要经历一定时间，这种特性称为适应。分为明 暗适应和色彩适应。
+4 +5 +4 +4 +4 +4
Ec Eg Ev
+4 +4 +4
光电成像原理
+
+
ED
磷原子
14
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。
光电成像原理
18
光电成像原理
19
图中斜线上标注的数字是图像对比度 斜线表示了理想的光电成像系统的图像探测极限，斜线
下部区域满足图像探测方程，称为图像可探测域，上部 称为图像不可探测域
图中横线代表光学系统像差对图像探测的限制 辐射亮度较低时，光电成像系统探测灵敏度受限于光电
子噪声；辐射亮度较高时，系统探测灵敏度受限于光学 系统像差。
几种能带形式
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。
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
9
光热效应 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。 光子效应与光热效应的区别 光子效应
光电成像原理
11
空带 导带 导带(价带) 禁带 价带 满带 满带 金属能带图 半导体能带图 绝缘体能带图 满带 价带 禁带
光电成像原理
12
半导体类型
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。
+4 +4 +4
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。
Bmα C ≥
2 2
2
π D τη Q
2
( SNR )min
人眼阈值信噪比SNRmin与观察图像有关。
光电成像原理
17
方程左侧包含的是表征图像的参数，右侧包含的是表征
光电成像系统的参数。
方程取“=”时，代表图像探测的临界情况，表明了理
想光电成像系统的极限探测灵敏阈。
图像探测灵敏阈 ——选定光电成像系统的接收孔径、量子效率、 有效积分时间，用可探测图像细节的最小张角(分 辨力)与最低辐射亮度关系曲线，表示光电成像系 统的图像探测特性。
有关 目标衬度、对比度：
Lt − L b C= Lb
6
光电成像原理
人眼视觉在一定背景亮度下，可探测的最小衬度对比度，
称为阈值对比度，或称亮度差灵敏度
背景亮度、对比度、目标张角之间关系
Wald 定律： Rose 定律： Blackwell 实验：
Lb • C 2 • α x = const Lb • C 2 • α 2 = const
指数型
≥ f0 = 0.1 ~ 0.4cyc / mrad )
MTFeye ( f ) exp ( −kf ) = f ≥ f0
— 美国热成像系统模型采用
Barten模型
MTFeye ( f = ) afM exp ( −bf ) 1 + c exp ( bf ) a= δ (1 + 0.7 / L )
M opt ( f )
其中， F ( f ) =− 1 1 − exp − f 2 f 02
M opt ( = f ) exp ( −2π 2σ e2 f 2 ) = σe
(
)
σ + ( Csph d
2 0
3 2
)
光电成像ห้องสมุดไป่ตู้理
13
图像探测理论与图像探测方程
图像信号与图像噪声 — 图像是以辐射量子数分布再现的景物。辐射量 子数差异表示图像的亮暗，构成图像信号。
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。
光电成像原理
1
目标探测与识别模型 — 美国Rand模型
PR = P 1•P 2 •P 3 •η
P1—搜索一个确定的面积，扫视到目标的概率
3t P 1 − exp − K 1 = A kA s ( T )
光电成像原理
50%概率时所需的等效 条带周期数 1.0±0.25 1.4±0.35 4.0±0.8 6.4±1.5
6
第二节 光电探测物理效应
1、概 述 2、半导体物理基础知识 4、光伏效应 5、光电发射效应 6、光热效应
光电成像原理
7
一、概 述
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：光子效应和光热效应 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。
光电成像原理
20
第一节
人眼视觉与图像探测
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
P [ Acq ] = P [ Iden ] • P [ Re c ] • P [Clas ] • P [ Det ] • P [ Look ]
光热效应
量子性，与光子能量 hν 有关； 对光波频率有选择性； 响应速度快。
积累效应，与光子能量hν没有直接 关系； 对光波频率没有选择性； 响应速度较慢； 易受环境温度变化影响。
10
光电成像原理
二、半导体物理基础知识
能带
晶体中的电子分布的许可能态 能量分布不连续 能带中包含一定能量范围内准连续分布的能级
−0.2 1 2
光电成像原理
,b = 0.30 (1 + 100 L )
0.15
,c = 0.06
12
复合模型
1 = MTFeye ( f ) M K
2 Φ0 T 1 1 1 f 2 + 2 + + 2 X e Ne 2 η s PI (1 − F ( f ) ) ω −0.5
光电成像物理基础
人眼视觉及图像探测 光学系统成像模型 光电探测物理效应
光电成像原理
1
第一节
人眼视觉及图像探测
人眼视觉特性与视觉模型 图像探测理论与图像探测方程 目标探测与识别
光电成像原理
2
人眼视觉特性与视觉模型
人眼构造及成像机理
光学成像系统 角膜、瞳孔、 房水、晶状体、 玻璃体等 视网膜 视神经、大脑 中枢
2
2π Bm r 2α 2τη QC 2
其中
1 = Bm ( B1 + B2 ) 2
光电成像原理
B1 − B2 C= B1 + B2
16
光电成像的图像探测方程 ——光电成像系统要求输出图像的信噪比高于探 测要求的阈值信噪比
2π Bm r 2α 2τη QC 2 ≥ ( SNR )min
图像探测方程
n = π Br 2α 2τη Q
光电成像原理
= 1.3 ×1016 个 Q
lm • s
15
输出图像信号 输出图像噪声 输出图像信噪比
= SNR
= S π ( B1 − B2 ) r 2α 2τη Q
N= n1 + n2 =
π ( B1 + B2 ) r 2α 2τη Q
= B1 + B2
π ( B1 − B2 ) r 2α 2τη Q
内光电效应 光子效应 外光电效应 光电导效应 光伏效应 光磁效应 光电发射效应
8
光电成像原理
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。
觉的视见函数
光电成像原理
5
二、人眼的绝对视觉阈值
全黑视场中，人眼完全暗适应情况下，能够感觉到的最
小光刺激值，以入射到瞳孔中的最小照度值表示。
在一定的背景亮度下，人眼能够观察到的最小照度值
Emin = 3.5 ×10−5 Lb
三、人眼的阈值对比度
人眼的视觉敏锐程度与背景亮度和目标在背景中的衬度
700 AT P 1 − exp − t 1 = G AS
光电成像原理
2
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 基于Blackwell 阈值对比 度实验数据，并对其进行 修正，P50图2-11
lg ( CT + 2 ) lg (α + 0.5 ) = 1
光电成像原理
4
明视觉响应与亮适应
视场亮度 ≥ 3cd / m 2
暗视觉响应与暗适应
— 明视觉响应
亮适应 — 对视场亮度从暗突然变亮的适应，约需2~3min
−5 2 视场亮度 ≤ 3 ×10 cd / m
— 暗视觉响应
暗适应 — 对视场亮度从亮突然变暗的适应，约需40~60min
明视觉与暗视
眼球光学系统的MTF
— 低通滤波函数
视网膜的MTF
— 光学弥散板+光学纤维
光电成像原理
10
视觉系统的MTF
— 各部分MTF乘积
光电成像原理
11
四种典型人眼视觉模型
高斯型
— 频率响应是窄带调谐滤波器的包络线
CTFeye ( = f ) exp ( −2π 2σ e 2 f 2 )
(f
光电成像原理
+4 +4
+4
+4
+4
+4
Ec Ev Eg
13
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。 硅原子 多余电子
SNR—输出显示的信噪比
SNR ≥ 1
SNR < 1
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
5
探测水平 探测（发现） 定向 识别 辨别
定义 在视场中发现一个目标 可大致区分目标是否对称及方 位 可将目标分类（坦克？卡车？ 人？） 可区分出目标型号及其他特征
n1 和 n2
S = n1 − n2
= N
光电成像原理
n1 + n2
14
图像信噪比
n1 − n2 SNR = n1 + n2
光电成像输出图像信号、噪声、信噪比
设景物两个相邻像元的亮度分别为B1和B2，且 B1 > B2 每一像元是边长为h的正方形 令光电成像系统接收孔径为r，光电转换量子效率为η， 有效积分时间为τ，物距为L，像元对系统的张角为α 光电成像系统输出光电子数
光电成像原理
7
四、人眼的分辨力
人眼能区别两发光点的最小角距离称为极限分辨角θ
其倒数称为眼睛的分辨力，也称为视觉锐度
眼睛分辨力与眼睛构造有关：
视角、瞳孔直径
还与目标亮度、形状以及景物
对比度有关
光电成像原理
8
经验公式
1 θ= 0.618 − 1.13 d
光电成像原理
9
五、视觉系统的调制传递函数MTF
Nr ≥ 2
Nr < 2
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α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α’
Nr = α
α'
光电成像原理
4
η—噪声引起的衰减因子
− ( SNR − 1) 1 − exp η = 0
P2
1 2π
∫
C CT −1
σ
−∞
u2 exp − du 2
CT —50%探测概率的阈值对比度 σ—标准偏差
σ = 0.39
光电成像原理
3
P3—探测到的目标被识别的概率，要求目标有足够的细节
2 Nr − 1 1 − exp − P3 = 2 0
成像探测器 信号传输及 显示
光电成像原理
3
人眼的视觉特性 — 视觉适应、灵敏度、分辨力与调制传递函数等 一、人眼的视觉适应与光谱响应
人眼观察的视场亮度范围
10−5 cd / m 2 ~ 104 cd / m 2
当视场亮度发生突变时，人眼要稳定到突变后的正常视
觉状态需要经历一定时间，这种特性称为适应。分为明 暗适应和色彩适应。
+4 +5 +4 +4 +4 +4
Ec Eg Ev
+4 +4 +4
光电成像原理
+
+
ED
磷原子
14
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。
光电成像原理
18
光电成像原理
19
图中斜线上标注的数字是图像对比度 斜线表示了理想的光电成像系统的图像探测极限，斜线
下部区域满足图像探测方程，称为图像可探测域，上部 称为图像不可探测域
图中横线代表光学系统像差对图像探测的限制 辐射亮度较低时，光电成像系统探测灵敏度受限于光电
子噪声；辐射亮度较高时，系统探测灵敏度受限于光学 系统像差。
几种能带形式
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。
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
9
光热效应 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。 光子效应与光热效应的区别 光子效应
光电成像原理
11
空带 导带 导带(价带) 禁带 价带 满带 满带 金属能带图 半导体能带图 绝缘体能带图 满带 价带 禁带
光电成像原理
12
半导体类型
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。
+4 +4 +4
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。
Bmα C ≥
2 2
2
π D τη Q
2
( SNR )min
人眼阈值信噪比SNRmin与观察图像有关。
光电成像原理
17
方程左侧包含的是表征图像的参数，右侧包含的是表征
光电成像系统的参数。
方程取“=”时，代表图像探测的临界情况，表明了理
想光电成像系统的极限探测灵敏阈。
图像探测灵敏阈 ——选定光电成像系统的接收孔径、量子效率、 有效积分时间，用可探测图像细节的最小张角(分 辨力)与最低辐射亮度关系曲线，表示光电成像系 统的图像探测特性。
有关 目标衬度、对比度：
Lt − L b C= Lb
6
光电成像原理
人眼视觉在一定背景亮度下，可探测的最小衬度对比度，
称为阈值对比度，或称亮度差灵敏度
背景亮度、对比度、目标张角之间关系
Wald 定律： Rose 定律： Blackwell 实验：
Lb • C 2 • α x = const Lb • C 2 • α 2 = const
指数型
≥ f0 = 0.1 ~ 0.4cyc / mrad )
MTFeye ( f ) exp ( −kf ) = f ≥ f0
— 美国热成像系统模型采用
Barten模型
MTFeye ( f = ) afM exp ( −bf ) 1 + c exp ( bf ) a= δ (1 + 0.7 / L )
M opt ( f )
其中， F ( f ) =− 1 1 − exp − f 2 f 02
M opt ( = f ) exp ( −2π 2σ e2 f 2 ) = σe
(
)
σ + ( Csph d
2 0
3 2
)
光电成像ห้องสมุดไป่ตู้理
13
图像探测理论与图像探测方程
图像信号与图像噪声 — 图像是以辐射量子数分布再现的景物。辐射量 子数差异表示图像的亮暗，构成图像信号。
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。
光电成像原理
1
目标探测与识别模型 — 美国Rand模型
PR = P 1•P 2 •P 3 •η
P1—搜索一个确定的面积，扫视到目标的概率
3t P 1 − exp − K 1 = A kA s ( T )
光电成像原理
50%概率时所需的等效 条带周期数 1.0±0.25 1.4±0.35 4.0±0.8 6.4±1.5
6
第二节 光电探测物理效应
1、概 述 2、半导体物理基础知识 4、光伏效应 5、光电发射效应 6、光热效应
光电成像原理
7
一、概 述
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：光子效应和光热效应 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。
光电成像原理
20
第一节
人眼视觉与图像探测
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
P [ Acq ] = P [ Iden ] • P [ Re c ] • P [Clas ] • P [ Det ] • P [ Look ]
光热效应
量子性，与光子能量 hν 有关； 对光波频率有选择性； 响应速度快。
积累效应，与光子能量hν没有直接 关系； 对光波频率没有选择性； 响应速度较慢； 易受环境温度变化影响。
10
光电成像原理
二、半导体物理基础知识
能带
晶体中的电子分布的许可能态 能量分布不连续 能带中包含一定能量范围内准连续分布的能级
−0.2 1 2
光电成像原理
,b = 0.30 (1 + 100 L )
0.15
,c = 0.06
12
复合模型
1 = MTFeye ( f ) M K
2 Φ0 T 1 1 1 f 2 + 2 + + 2 X e Ne 2 η s PI (1 − F ( f ) ) ω −0.5
光电成像物理基础
人眼视觉及图像探测 光学系统成像模型 光电探测物理效应
光电成像原理
1
第一节
人眼视觉及图像探测
人眼视觉特性与视觉模型 图像探测理论与图像探测方程 目标探测与识别
光电成像原理
2
人眼视觉特性与视觉模型
人眼构造及成像机理
光学成像系统 角膜、瞳孔、 房水、晶状体、 玻璃体等 视网膜 视神经、大脑 中枢
2
2π Bm r 2α 2τη QC 2
其中
1 = Bm ( B1 + B2 ) 2
光电成像原理
B1 − B2 C= B1 + B2
16
光电成像的图像探测方程 ——光电成像系统要求输出图像的信噪比高于探 测要求的阈值信噪比
2π Bm r 2α 2τη QC 2 ≥ ( SNR )min
图像探测方程
n = π Br 2α 2τη Q
光电成像原理
= 1.3 ×1016 个 Q
lm • s
15
输出图像信号 输出图像噪声 输出图像信噪比
= SNR
= S π ( B1 − B2 ) r 2α 2τη Q
N= n1 + n2 =
π ( B1 + B2 ) r 2α 2τη Q
= B1 + B2
π ( B1 − B2 ) r 2α 2τη Q
内光电效应 光子效应 外光电效应 光电导效应 光伏效应 光磁效应 光电发射效应
8
光电成像原理
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。
觉的视见函数
光电成像原理
5
二、人眼的绝对视觉阈值
全黑视场中，人眼完全暗适应情况下，能够感觉到的最
小光刺激值，以入射到瞳孔中的最小照度值表示。
在一定的背景亮度下，人眼能够观察到的最小照度值
Emin = 3.5 ×10−5 Lb
三、人眼的阈值对比度
人眼的视觉敏锐程度与背景亮度和目标在背景中的衬度
700 AT P 1 − exp − t 1 = G AS
光电成像原理
2
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 基于Blackwell 阈值对比 度实验数据，并对其进行 修正，P50图2-11
lg ( CT + 2 ) lg (α + 0.5 ) = 1
光电成像原理
4
明视觉响应与亮适应
视场亮度 ≥ 3cd / m 2
暗视觉响应与暗适应
— 明视觉响应
亮适应 — 对视场亮度从暗突然变亮的适应，约需2~3min
−5 2 视场亮度 ≤ 3 ×10 cd / m
— 暗视觉响应
暗适应 — 对视场亮度从亮突然变暗的适应，约需40~60min
明视觉与暗视
眼球光学系统的MTF
— 低通滤波函数
视网膜的MTF
— 光学弥散板+光学纤维
光电成像原理
10
视觉系统的MTF
— 各部分MTF乘积
光电成像原理
11
四种典型人眼视觉模型
高斯型
— 频率响应是窄带调谐滤波器的包络线
CTFeye ( = f ) exp ( −2π 2σ e 2 f 2 )
(f
光电成像原理
+4 +4
+4
+4
+4
+4
Ec Ev Eg
13
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。 硅原子 多余电子
SNR—输出显示的信噪比
SNR ≥ 1
SNR < 1
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
5
探测水平 探测（发现） 定向 识别 辨别
定义 在视场中发现一个目标 可大致区分目标是否对称及方 位 可将目标分类（坦克？卡车？ 人？） 可区分出目标型号及其他特征