什么是光电成像 光电成像课件
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光电成像物理基础 光电成像课件
光电成像原理 12
复合模型
0 .5
M T F e y ef M K 1T 2 s 1 P I 1 F 0 f2 1 2 X 1 e 2 N fe 2 M o p tf
其中， Ff11expf2 f0 2
Mopt f exp 22e2 f 2 e 02 Csphd3 2
光电成像原理 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。
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 n 1 和 n 2
图像信号
S n1 n2
Байду номын сангаас图像噪声
N n1 n2
光电成像原理 14
图像信噪比
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
光电成像原理
光电成像原理
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
1 0 5 c d/m 2~ 1 0 4 c d/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。
➢ 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。
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
复合模型
0 .5
M T F e y ef M K 1T 2 s 1 P I 1 F 0 f2 1 2 X 1 e 2 N fe 2 M o p tf
其中， Ff11expf2 f0 2
Mopt f exp 22e2 f 2 e 02 Csphd3 2
光电成像原理 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。
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 n 1 和 n 2
图像信号
S n1 n2
Байду номын сангаас图像噪声
N n1 n2
光电成像原理 14
图像信噪比
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
光电成像原理
光电成像原理
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
1 0 5 c d/m 2~ 1 0 4 c d/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。
➢ 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。
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
第一章_光电成像技术概论
域。
人类视觉系统的局限 性
灵敏度
光 谱
分辨力
空 间
时 间
夜 视
非可见光
微小
遥视
记 录
人眼的局限性大大地限制了人类获得光信息的 能力，因而需要扩展人眼的功能。
第一，要扩展人眼在低照度下的视觉能力，提供各种 夜视装备以便能在低照度下进行科研和生产活动，或 在夜间进行侦察和战斗。 第二，要扩展人眼对电磁波波段的敏感范围。已制成 将红外线、紫外线和 X射线的光图像转换成可见光图 像的直视式或电视式光电子学装置。利用这些原理还 可以扩展到观察中子和其他带电粒子所形成的图像。 第三，要扩展人眼对光学过程的时间分辨本领，例如 已经做到在几十飞秒（1015 秒）内就可观察到信息的 变化。
（SPRITE)、热释电探测器）。
人眼固有的物理限制：
灵敏度的限制:
（E= 50-100 lx;E<0.1lx难看清)；
分辨力的限制：(分辨角仅有 0.020 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) 。
在很早以前人类就为开拓自身的视见能力而进行 了探索。取得了不少有成效的进展。 灯具的出现，改善了人类夜晚的照明环境。 望远镜的出现，为人类延伸了视见距离。 显徽镜的应用，为人类观察微小物体提供了方便。 可是，在扩展视见光谱范围和视见灵敏度方面却 经历 了漫长时间，才有所进展。 这一进展是由光电成像技术所开拓的。 目前光电成像技术已成为信息时代的重要技术领
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。
光电成像系统课件
方面展现出巨大的潜力，为光电成像系统的发展提供了新的方向。
光电成像系统的小型化与集成化
总结词
光电成像系统的小型化与集成化是当前 的重要趋势，它们能够提高系统的便携 性和集成度，满足各种应用需求。
VS
详细描述
随着微电子技术和微纳加工工艺的不断发 展，光电成像系统的小型化与集成化已经 成为现实。通过将多个光电探测器、信号 处理电路和存储器等集成在一个芯片上， 可以实现小型化和集成化的光电成像系统 。这种系统具有更高的便携性和集成度， 可以广泛应用于医疗、安防、通信等领域 。
CHAPTER
05
光电成像系统的发展趋势与挑 战
新型光电材料与器件的研发
总结词
新型光电材料与器件的研发是光电成像系统发展的关键，它们能够提高系统的性能和效 率，为未来的光电成像系统提供更多可能性。
详细描述
随着科技的不断发展，新型光电材料与器件的研发已经成为光电成像系统的重要发展趋 势。这些新型材料和器件能够提高光电成像系统的响应速度、灵敏度和稳定性，从而提 升成像质量。例如，近年来发展迅速的钙钛矿材料和二维材料，在光电转换和光电器件
CHAPTER
06
光电成像系统的实际应用案例
医疗诊断中的光电成像系统
总结词
光电成像系统在医疗诊断中发挥着重要作 用，能够提供高分辨率、高对比度的图像
，帮助医生准确诊断病情。
内窥镜系统
通过将内窥镜与光电成像系统相结合，医 生可以在不开刀的情况下观察患者体内情
况，提高诊断的准确性和安全性。
光学显微镜
科研领域中的光电成像系统
总结词
光电成像系统在科研领域中 具有广泛的应用，能够提供 高精度、高灵敏度的图像， 促进科学研究的深入发展。
光电成像系统的小型化与集成化
总结词
光电成像系统的小型化与集成化是当前 的重要趋势，它们能够提高系统的便携 性和集成度，满足各种应用需求。
VS
详细描述
随着微电子技术和微纳加工工艺的不断发 展，光电成像系统的小型化与集成化已经 成为现实。通过将多个光电探测器、信号 处理电路和存储器等集成在一个芯片上， 可以实现小型化和集成化的光电成像系统 。这种系统具有更高的便携性和集成度， 可以广泛应用于医疗、安防、通信等领域 。
CHAPTER
05
光电成像系统的发展趋势与挑 战
新型光电材料与器件的研发
总结词
新型光电材料与器件的研发是光电成像系统发展的关键，它们能够提高系统的性能和效 率，为未来的光电成像系统提供更多可能性。
详细描述
随着科技的不断发展，新型光电材料与器件的研发已经成为光电成像系统的重要发展趋 势。这些新型材料和器件能够提高光电成像系统的响应速度、灵敏度和稳定性，从而提 升成像质量。例如，近年来发展迅速的钙钛矿材料和二维材料，在光电转换和光电器件
CHAPTER
06
光电成像系统的实际应用案例
医疗诊断中的光电成像系统
总结词
光电成像系统在医疗诊断中发挥着重要作 用，能够提供高分辨率、高对比度的图像
，帮助医生准确诊断病情。
内窥镜系统
通过将内窥镜与光电成像系统相结合，医 生可以在不开刀的情况下观察患者体内情
况，提高诊断的准确性和安全性。
光学显微镜
科研领域中的光电成像系统
总结词
光电成像系统在科研领域中 具有广泛的应用，能够提供 高精度、高灵敏度的图像， 促进科学研究的深入发展。
光电成像原理第一章
8
四、成绩：平时40%,，考试60%
光电成像原理
9
第一章
绪
论
光电成像技术的产生和发展 光电成像系统适用范围 光电成像系统构成及分类 光电成像器件特性描述
光电成像原理
10
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 应的进程中产生和发展的
1873年，W. Smith 首先发现了硒的光电导现象 1887年，Hertz 首次发现了光电发射现象 1900年，Planck 创立量子理论
光电成像原理
像增强器：电子倍增……
特点
2
电视型光电成像器件 — 用于电学量记录图像的系统中 大多基于内光电效应（光电导、光伏）、光 热效应 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 真空器件：光电摄像管、热释电摄像管…… 固体器件：CCD、CMOS、IRFPA
特点
电视型
光电成像原理
6
第五章 直视型真空成像器件及其成像系统
像管成像物理，像管性能参数，微光夜视光电成像 系统及其特性分析
第六章 固体成像器件及其成像系统
CCD器件成像物理，CCD成像器件结构与性能参 数，电视型光电成像系统及其特性分析，CMOS成 像器件介绍
第七章 红外热成像器件及其成像系统
红外探测器成像物理，典型红外探测器，红外热 成像系统总体设计
紫外 适用辐射波段 可见光 红外 工作模式(辐射来源) 主动 被动 挥扫 推扫 全色 光谱 激光
图像获取方式
框幅式 扫描式 折射 反射 折反射
光电成像原理
光学系统结构形式
1
变像管：红外、紫外、X射线 直视型 光电成像器件类型 电视型 直视型光电成像器件 — 用于人眼直接观察图像的系统中 器件本身具有图像转换、增强及显示部分 基于外光电效应，即光电发射效应 工作于真空环境下
四、成绩：平时40%,，考试60%
光电成像原理
9
第一章
绪
论
光电成像技术的产生和发展 光电成像系统适用范围 光电成像系统构成及分类 光电成像器件特性描述
光电成像原理
10
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 应的进程中产生和发展的
1873年，W. Smith 首先发现了硒的光电导现象 1887年，Hertz 首次发现了光电发射现象 1900年，Planck 创立量子理论
光电成像原理
像增强器：电子倍增……
特点
2
电视型光电成像器件 — 用于电学量记录图像的系统中 大多基于内光电效应（光电导、光伏）、光 热效应 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 真空器件：光电摄像管、热释电摄像管…… 固体器件：CCD、CMOS、IRFPA
特点
电视型
光电成像原理
6
第五章 直视型真空成像器件及其成像系统
像管成像物理，像管性能参数，微光夜视光电成像 系统及其特性分析
第六章 固体成像器件及其成像系统
CCD器件成像物理，CCD成像器件结构与性能参 数，电视型光电成像系统及其特性分析，CMOS成 像器件介绍
第七章 红外热成像器件及其成像系统
红外探测器成像物理，典型红外探测器，红外热 成像系统总体设计
紫外 适用辐射波段 可见光 红外 工作模式(辐射来源) 主动 被动 挥扫 推扫 全色 光谱 激光
图像获取方式
框幅式 扫描式 折射 反射 折反射
光电成像原理
光学系统结构形式
1
变像管：红外、紫外、X射线 直视型 光电成像器件类型 电视型 直视型光电成像器件 — 用于人眼直接观察图像的系统中 器件本身具有图像转换、增强及显示部分 基于外光电效应，即光电发射效应 工作于真空环境下
光电成像技术
——都是二维图像
是由于光强在二维空间不均匀分布而形成的，光电图像传 感器就是把这些光信号转变成二维“电气”图像 二维“电气”图像质量是由所用的光电传感器的性质决 定的 电子图像 超正析像管 光 电 图 电阻图像 摄像管 像 传 感 器 电荷图像 面阵CCD
二、光电成像系统的原理
显像部分的原理
显像部分要做的工作主要有两个：图像的分割和扫描
二、光电成像系统的原理
在日常生活中的光电成像技术应用最广 泛的有CCD和CMOS两种图像传感器
二、光电成像系统的原理
CCD(电荷耦合器件)是一种由时钟脉 冲电压来产生和控制半导体势阱的变化， 实现存储和传递电荷信息的固态电子器 件。根据电荷包存储方式的不同可以分 为表面沟道CCD器件（SCCD）和体沟道或 埋沟道CCD器件（BCCD）。
四、基本案例
CCD应用
CCD的光敏度比较高，而且价格也比较高，一般应用在遥 感、 图文传真机
四、基本案例
CMOS应用
计算里的可擦写芯片
四、基本案例
CMOS应用
早期的CMOS器件采用“被动单元”（无源）结构 不仅成像质量差而且电路性能也较差，无法与CCD相 比，不过后来出现“主动像元”（有源）结构不仅提 高了光电灵敏度、减少了噪声，而且在功能、功耗、 尺寸和价格等方面要由于CCD，所以应用越来越广泛。 CMOS成像器
二、光电成像系统的原理
转移型面阵CCD虽然有效光面积大， 转移速度快，转移效率高等特点，但电 路比较复杂，因此它的应用范围受到限 制。
二、光电成像系统的原理
面阵CMOS成像器，它可以做成彩色也可 以做成黑白，特点是：像素尺寸小，填充因子 大，光谱响应范围宽，量子效率高等等
二、光电成像系统的原理
是由于光强在二维空间不均匀分布而形成的，光电图像传 感器就是把这些光信号转变成二维“电气”图像 二维“电气”图像质量是由所用的光电传感器的性质决 定的 电子图像 超正析像管 光 电 图 电阻图像 摄像管 像 传 感 器 电荷图像 面阵CCD
二、光电成像系统的原理
显像部分的原理
显像部分要做的工作主要有两个：图像的分割和扫描
二、光电成像系统的原理
在日常生活中的光电成像技术应用最广 泛的有CCD和CMOS两种图像传感器
二、光电成像系统的原理
CCD(电荷耦合器件)是一种由时钟脉 冲电压来产生和控制半导体势阱的变化， 实现存储和传递电荷信息的固态电子器 件。根据电荷包存储方式的不同可以分 为表面沟道CCD器件（SCCD）和体沟道或 埋沟道CCD器件（BCCD）。
四、基本案例
CCD应用
CCD的光敏度比较高，而且价格也比较高，一般应用在遥 感、 图文传真机
四、基本案例
CMOS应用
计算里的可擦写芯片
四、基本案例
CMOS应用
早期的CMOS器件采用“被动单元”（无源）结构 不仅成像质量差而且电路性能也较差，无法与CCD相 比，不过后来出现“主动像元”（有源）结构不仅提 高了光电灵敏度、减少了噪声，而且在功能、功耗、 尺寸和价格等方面要由于CCD，所以应用越来越广泛。 CMOS成像器
二、光电成像系统的原理
转移型面阵CCD虽然有效光面积大， 转移速度快，转移效率高等特点，但电 路比较复杂，因此它的应用范围受到限 制。
二、光电成像系统的原理
面阵CMOS成像器，它可以做成彩色也可 以做成黑白，特点是：像素尺寸小，填充因子 大，光谱响应范围宽，量子效率高等等
二、光电成像系统的原理
第7章 光电成像技术 7-PPT课件
2019/3/11
8
4 光电成像原理
系统由光学像系统、光电变换系统、图像分割、 同步扫描和控制系统、视频信号处理系统、荧光 屏显示系统等构成。
2019/3/11
9
$5、电视制式
1．电视图像的宽高比：观测试验得， W:H = 4:3 2．帧频与场频：电影画面重复频率不得低 于每秒48次。电影采用每秒投影24幅画面， 两幅之间用遮光伐挡一次。电视场采用隔 行扫描，奇数场/偶数场，两场合为一帧。 即场频 50Hz ，帧频 25Hz 。 PAL 制式，每 帧 画 面 625 行 ， 行 正 程 52us ， 行 逆 程 12us。NTSC制式60Hz.
2019/3/11
23
1．辐射图像的光电转换： 利用外光电效应。光敏面采用光 电发射型材料。发射的电子流分布正 比于人射的辐射通量分布。由此完成 辐射图像转换为电子图像的过程。 2．电子图像增强： 电场加速 或微通道板中二次电子 发射。
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3电子图像的发光显示
高能电子轰击荧光屏，发出可见光。 荧光屏是利用掺杂的晶态磷光体受激发 光。
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五、像管的主要结构类型
近贴式 静电聚焦倒像式 （单级，多级） 电磁复合聚焦 带微通道板的像管（第二代，2，3之上） 负电子亲和势像管（第三代） X射线变像管和r射线变像管
2019/3/11
10
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光电导型真空摄像管
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11
二、光电发射型摄像管
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电荷耦合器件
光电成像原理与技术第一节
光电成像原理与技术第一 节
欢迎来到光电成像原理与技术的第一讲。在这个系列中，我们将探讨光电成 像的定义和作用，基本原理和技术分类，应用领域，未来趋势以及挑战。让 我们开始吧！
光电成像的定义和作用
1 定义
2 作用
光电成像是利用光电探测器接收物体反射 或发射的光线，并将其转换为电信号，形 成图像的技术。
如超分辨、宽视角、3D成像等。
到成像光线不足、光照不均等问题。
总结和回顾
知识点
我们学习了光电成像的基本原理、技术分类、应 用领域、发展趋势、挑战和未来展望。
重要性
光电成像作为一种先进的检测技术，已广泛应用 在医学、安防、军事等领域，对提高生命健康和 保障社会安全起到了重要作用。
安防监控
摄像头、人脸识别系统、车辆识别系统、智 能物流等。
电视广播
数字电视、高清电视、超高清电视等。
光电成像的发展趋势
分辨率更高
高像素、高清晰度。
感知更全面
多频段、全波段、多通道。
处理更快速
大数据、深度学习、云计算。
光电成像技术的挑战和未来展望
1
展望
2
未来发展趋势是信息化、自动化、智 能化方向。也不断探索新的成像技术，
光电成像技术可以实现照相、电视、夜视、 红外成像、医学诊断、卫星拍照等众多领 域。
光电成像的基本原理
图像采集
光被透过光圈并打在成像器件上，就能产生电 信号。不同成像器件对光线的敏感程度不同。
图像处理
经过采集成像设备采集的图像，会被传输给图 像处理器进行图像去噪、压缩、锐化、增强等 处理。
图像输出
图像处理之后，输出到显示设备，如液晶显示 器，以便观察和分析，或者用于其他应用。
欢迎来到光电成像原理与技术的第一讲。在这个系列中，我们将探讨光电成 像的定义和作用，基本原理和技术分类，应用领域，未来趋势以及挑战。让 我们开始吧！
光电成像的定义和作用
1 定义
2 作用
光电成像是利用光电探测器接收物体反射 或发射的光线，并将其转换为电信号，形 成图像的技术。
如超分辨、宽视角、3D成像等。
到成像光线不足、光照不均等问题。
总结和回顾
知识点
我们学习了光电成像的基本原理、技术分类、应 用领域、发展趋势、挑战和未来展望。
重要性
光电成像作为一种先进的检测技术，已广泛应用 在医学、安防、军事等领域，对提高生命健康和 保障社会安全起到了重要作用。
安防监控
摄像头、人脸识别系统、车辆识别系统、智 能物流等。
电视广播
数字电视、高清电视、超高清电视等。
光电成像的发展趋势
分辨率更高
高像素、高清晰度。
感知更全面
多频段、全波段、多通道。
处理更快速
大数据、深度学习、云计算。
光电成像技术的挑战和未来展望
1
展望
2
未来发展趋势是信息化、自动化、智 能化方向。也不断探索新的成像技术，
光电成像技术可以实现照相、电视、夜视、 红外成像、医学诊断、卫星拍照等众多领 域。
光电成像的基本原理
图像采集
光被透过光圈并打在成像器件上，就能产生电 信号。不同成像器件对光线的敏感程度不同。
图像处理
经过采集成像设备采集的图像，会被传输给图 像处理器进行图像去噪、压缩、锐化、增强等 处理。
图像输出
图像处理之后，输出到显示设备，如液晶显示 器，以便观察和分析，或者用于其他应用。
光电成像原理第1次课课件
光电成像原理——绪论 绪论 光电成像原理
基于有机发光二极管（OLED） 基于有机发光二极管（OLED）的 信息显示技术具有全固态、 信息显示技术具有全固态、主动 发光、亮度高、对比度高、 发光、亮度高、对比度高、视角 响应速度快、厚度薄、 宽、响应速度快、厚度薄、低电 压直流驱动、能耗低、 压直流驱动、能耗低、工作温度 范围宽、 范围宽、抗震性能优异和可实现 软屏显示等特点；基于OLED OLED的白 软屏显示等特点；基于OLED的白 光照明属于节能、 光照明属于节能、环保的绿色面 光源， 光源，在给人类带来新视觉效果 的同时，还将具有重大社会意义。 的同时，还将具有重大社会意义。 无论从给人们生活带来便利的角 还是从高性能、节能、 度，还是从高性能、节能、环保 和潜在的低成本等诸多优点来看， 和潜在的低成本等诸多优点来看， OLED都是下一代信息显示和照明 OLED都是下一代信息显示和照明 光源技术的最理想选择。 光源技术的最理想选择。
光电成像原理——绪论 绪论 光电成像原理
（三）红外 （2）工业生产 电力、地下管道、消防、医疗、救灾、工业检测。 电力、地下管道、消防、医疗、救灾、工业检测。 （3）红外遥感 寻找水源、监视森林火灾、 寻找水源、监视森林火灾、估测大面积农作物的长 势和收成，天气预报、预报风暴、寒潮和沙尘暴， 势和收成，天气预报、预报风暴、寒潮和沙尘暴， 预报地震等。 预报地震等。 （4）军用 夜视
二、光电成像的有效波谱区
1.长波限制： 1.长波限制： 长波限制
理想光学系统的分辨率：理想光学系统所能分辨的最小间隔。 理想光学系统的分辨率：理想光学系统所能分辨的最小间隔。 是根据检验结果评定系统质量的标准。 是根据检验结果评定系统质量的标准。
0.61λ d= n′ sin θ ′
光电成像原理
卡 塞 格 伦 系 统
格里高利系统是有抛物面主镜和位于抛物面焦点之外 的凹椭球面次镜组成，椭球面的一个焦点与抛物面镜 的焦点重合，则椭球面的另一个焦点辨识整个系统的 焦点了。与卡式系统相比，格式系统的缺点长度较长。
格 利 高 利 系 统
• 折反射组合式光学系统
由反射镜和透镜组合的折射反射式光学系统可以 结合反射式和透射式系统的优点，采用球面镜取代非 球面镜，同时用补偿透镜来校正球面反射镜的像差， 从而获得较好的像质。缺点：系统体积大，加工困难， 成本也比较高。
稳定的光学性能
红外光学系统的设计原则
• 选用的光学材料应对工作波段有良好的透过性能， 即保证有较高的光学透过率 • 光学元件在加工工艺允许的范围内，应保证接收口 径和相对孔径尽可能大，以保证红外系统能接收更多的 能量有较高的灵敏度。 • 要求光学系统具有控制噪声和滤去大面积背景干扰 的性能。 • 为了增大红外系统的视场，往往在光学系统中，引 入物方扫描器和像方扫描器，以达到增大整个红外系统 的物方视场，增加探测能力。
§2 光电成像原理
光电成像技术就是利用光电变换和信号处理 技术获取目标图像。
• 一、光电成像系统的基本结构
• 光机扫描方式 • 电子束扫描方式 • 固体自扫描方式
• 光机扫描方式
在热成像系统中，红外探测器所对应的瞬时视场往 往是很小的，一般只有零点几毫弧度或几毫弧度，为了 得到总视场中出现的景物的热图像，必须对景物扫描。 这种扫描通常是由机械传动的光学扫描部件来完成的， 所以称为光机扫描。
球差
球差可以定义为焦距随孔径的偏移。在透镜中远轴光线要比近 轴光线折射得更厉害。
彗差
当透镜对一个轴外物点成像时，若在近轴像面上得到的不是一个 像点，而是彗星形的光斑，则称该透镜对给定物点成像有彗差。
格里高利系统是有抛物面主镜和位于抛物面焦点之外 的凹椭球面次镜组成，椭球面的一个焦点与抛物面镜 的焦点重合，则椭球面的另一个焦点辨识整个系统的 焦点了。与卡式系统相比，格式系统的缺点长度较长。
格 利 高 利 系 统
• 折反射组合式光学系统
由反射镜和透镜组合的折射反射式光学系统可以 结合反射式和透射式系统的优点，采用球面镜取代非 球面镜，同时用补偿透镜来校正球面反射镜的像差， 从而获得较好的像质。缺点：系统体积大，加工困难， 成本也比较高。
稳定的光学性能
红外光学系统的设计原则
• 选用的光学材料应对工作波段有良好的透过性能， 即保证有较高的光学透过率 • 光学元件在加工工艺允许的范围内，应保证接收口 径和相对孔径尽可能大，以保证红外系统能接收更多的 能量有较高的灵敏度。 • 要求光学系统具有控制噪声和滤去大面积背景干扰 的性能。 • 为了增大红外系统的视场，往往在光学系统中，引 入物方扫描器和像方扫描器，以达到增大整个红外系统 的物方视场，增加探测能力。
§2 光电成像原理
光电成像技术就是利用光电变换和信号处理 技术获取目标图像。
• 一、光电成像系统的基本结构
• 光机扫描方式 • 电子束扫描方式 • 固体自扫描方式
• 光机扫描方式
在热成像系统中，红外探测器所对应的瞬时视场往 往是很小的，一般只有零点几毫弧度或几毫弧度，为了 得到总视场中出现的景物的热图像，必须对景物扫描。 这种扫描通常是由机械传动的光学扫描部件来完成的， 所以称为光机扫描。
球差
球差可以定义为焦距随孔径的偏移。在透镜中远轴光线要比近 轴光线折射得更厉害。
彗差
当透镜对一个轴外物点成像时，若在近轴像面上得到的不是一个 像点，而是彗星形的光斑，则称该透镜对给定物点成像有彗差。
《光电成像》PPT课件
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❖ 电子束的偏转：电子束能够扫描到靶上任何 一处，充分阅读每一个像素信息。
❖ 电子束垂直上靶：当电子束上靶与靶面上积 累的正电荷中和后才能使其转变成视频信号 输出， 那么电子束能否上靶，不仅与电子 的速度大小有关，而且与其速度的方向有关。 由靶网和调制电极附近的校正线圈来完成。
❖ 利用扫描电子束，解决了多像元的连线和顺 序接通问题。扫描电子束的焦斑即是像元的 大小15~25 m。
30
2. 从原理角度对摄像管的基本要求: ① 要能将图像按空间位置顺序划分成像素， 并作光电转换；
② 像素元素要多，尺寸要小（ m）；
③ 信息的转换和传输速度要快； ④ 要有高灵敏度和宽的动态范围； ⑤ 可靠、方便。
31
❖ 摄像管的基本功能：
光电变换 光电信息存储(以电荷的形式存储而呈现电位差） 信号阅读部分——扫描输出
❖ 成像器件讲究像质。 ❖ 光阴极面积一般较大，是一种宽电子束聚焦的电
子光学系统，所以象散和场曲比较严重，特别在 光阴极是平面的情况，通常要求光电阴极是球面。 ❖ 光阴极是球面，而一般输入的光学图像是平面。
14
光电阴极 A
P D
荧光屏
E
F 象散
Q 清晰 B C 象散
场曲
❖ 利用光学纤维面板可以使像散和场曲减到最小。
16
❖ 将光电阴极及荧光屏连同光纤面板一起制成 球面型，使聚焦面与荧光屏重合，从而改善 了像质。荧光屏上的像借助于平凹形的光纤 平板展开成平面像。
聚焦 极
光纤面 光电阴 阳 荧光
板
极 极屏
光纤面 板
17
❖ 3、紫外变像管 ❖ 紫外变像管的窗口材料为石英玻璃，光电发
射材料为Sb-Cs阴极。它可以使波长大于 200nm的紫外光变成光电子。紫外变象管与 光学显微镜结合起来，可用于医学和生物学 等方面的研究。
❖ 电子束的偏转：电子束能够扫描到靶上任何 一处，充分阅读每一个像素信息。
❖ 电子束垂直上靶：当电子束上靶与靶面上积 累的正电荷中和后才能使其转变成视频信号 输出， 那么电子束能否上靶，不仅与电子 的速度大小有关，而且与其速度的方向有关。 由靶网和调制电极附近的校正线圈来完成。
❖ 利用扫描电子束，解决了多像元的连线和顺 序接通问题。扫描电子束的焦斑即是像元的 大小15~25 m。
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2. 从原理角度对摄像管的基本要求: ① 要能将图像按空间位置顺序划分成像素， 并作光电转换；
② 像素元素要多，尺寸要小（ m）；
③ 信息的转换和传输速度要快； ④ 要有高灵敏度和宽的动态范围； ⑤ 可靠、方便。
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❖ 摄像管的基本功能：
光电变换 光电信息存储(以电荷的形式存储而呈现电位差） 信号阅读部分——扫描输出
❖ 成像器件讲究像质。 ❖ 光阴极面积一般较大，是一种宽电子束聚焦的电
子光学系统，所以象散和场曲比较严重，特别在 光阴极是平面的情况，通常要求光电阴极是球面。 ❖ 光阴极是球面，而一般输入的光学图像是平面。
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光电阴极 A
P D
荧光屏
E
F 象散
Q 清晰 B C 象散
场曲
❖ 利用光学纤维面板可以使像散和场曲减到最小。
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❖ 将光电阴极及荧光屏连同光纤面板一起制成 球面型，使聚焦面与荧光屏重合，从而改善 了像质。荧光屏上的像借助于平凹形的光纤 平板展开成平面像。
聚焦 极
光纤面 光电阴 阳 荧光
板
极 极屏
光纤面 板
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❖ 3、紫外变像管 ❖ 紫外变像管的窗口材料为石英玻璃，光电发
射材料为Sb-Cs阴极。它可以使波长大于 200nm的紫外光变成光电子。紫外变象管与 光学显微镜结合起来，可用于医学和生物学 等方面的研究。
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光电成像原理 16
光学成像系统 — 辐射收集，目标的辐射图像 光电转换器件 — 辐射图像转换为电子图像 信号处理 — 器件驱动，信号采集、放大、滤波等 图像重现 — 电子图像转换为可视图像，荧光屏、显示器
分类
辐射特性
紫外 可见光 红外 微波
全色 光谱 激光
光电成像原理 17
工作模式
主动 被动
射效应
光电成像原理 12
➢ 1916年，Einstein 完善了光与物质内部电子能态相互作 用 的量子理论，揭示了光电效应的本质
➢ 1929年，Koller 制成了银氧铯光阴极，随后研制成功红 外变像管，此后相继出现了紫外变像管和X射线变像管
➢ 1963年，Simon 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
光电成像系统有长波限和短波限
有效波谱区域包括：亚毫米波、红外辐射、可见光、紫 外辐射、X射线、射线
波长范围： 频率范围：
1mm ～ 10nm 3×1011～3×1016 Hz
光电成像原理 15
光电成像系统构成及分类
辐射源
传输 介质
光学 成像 系统
光电 转换 器件
信号 处理
图像 重现
广义理解
狭义
辐射源 — 自然、人工源，目标、背景的辐射特性 传输介质 — 大气光学特性
第一章 绪 论
光电成像技术发展过程、应用特点、系统构成及分 类、光电成像器件特性参数
光电成像原理 6
第二章 光电成像原理及物理基础
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
第三章 辐射源与典型景物辐射
电磁波辐射度量体系、目标辐射特性以及辐射定律
第四章 辐射在大气中的传输
大气消光，大气传输特性，大气对光电成像系统 性能影响
意义：对人眼视见能力的突破和延伸，灵敏度、空间细节 分辨、瞬变现象捕获、光谱域、过程回放……
光电成像原理 2
光电成像原理
光电成像原理
光电成像原理 5
二、课程内容
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、 性能分析、设计思想和设计要点等
光电成像原理 7
第五章 直视型真空成像器件及其成像系统
像管成像物理，像管性能参数，微光夜视光电成像 系统及其特性分析
第六章 固体成像器件及其成像系统
CCD器件成像物理，CCD成像器件结构与性能参 数，电视型光电成像系统及其特性分析，CMOS成 像器件介绍
第七章 红外热成像器件及其成像系统
红外探测器成像物理，典型红外探测器，红外热 成像系统总体设计
表征时间响应的动态特性：惰性、脉冲响应函数、瞬时 调制传递函数 表征噪声特性：噪声特点、信噪比、噪声等效功率 表征图像分辨特性：分辨力、点扩散函数、光学传递函数
说明各项性能参数的物理意义 给出必要的数学描述
光电成像原理 21
➢ 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CCD、CMOS、 IRFPA等，光电成像技术进一步走向小型化、低成本、 高清晰……
光电成像原理 13
光电成像系统适用光谱范围
电磁波谱范围
光电成像原理 14
根据衍射理论，两个像点间能够被分辨的最短距离
d 0.61 nsin
四、成绩：平时40%,，开卷考试60%
光电成像原理 10
第一章 绪 论
光电成像技术的产生和发展 光电成像系统适用范围 光电成像系统构成及分类 光电成像器件特性描述
光电成像原理 11
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 应的进程中产生和发展的 ➢ 1873年，W. Smith 首先发现了硒的光电导现象 ➢ 1887年，Hertz 首次发现了光电发射现象 ➢ 1900年，Planck 创立量子理论 ➢ 1905年，Einstein 首次将量子理论应用于光电发
成像模式
凝视
挥扫 扫描
推扫
光学系统结构
折射 反射 折反射
光电成像原理 18
光电成像器件
直视型
变像管：红外、紫外、X射线 像增强器：电子倍增……
电视型
直视型光电成像器件 — 用于人眼直接观察的系统中
特点
器件本身具有图像转换、增强及显示部分 基于外光电效应，即光电发射效应 工作于真空环境下
光电成像原理 19
电视型光电成像器件 — 用于电视摄像和热成像系统中
特点
大多基于内光电效应（光电导、光伏）、光 热效应 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
电视型
真空器件：光电摄像管、热释电摄像管…… 固体器件：CCD、CMOS、IRFPA
光电成像原理 20
光电成像器件ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性描述
表征光电转换能力：转换系数、灵敏度
光电成像原理
Principles of Photoelectric Imaging
一、什么是光电成像？
定义：利用光电系统获取影像信息的方法和技术，称为光 电成像 影像 — 对客观景物的重现 ：形状、尺寸、纹理、色彩……
信息组成的主体部分 光电系统 — 以光辐射作为信息或能量的载体，使用光电器 件进行探测、传感、测量的系统。
光电成像原理 8
三、参考书
① 白廷柱、金伟其，光电成像原理与技术， 北京理工大学出版社
② 向世明、倪国强，光电子成像器件原理， 国防工业出版社
③ 安毓英、曾小东，光电探测原理， 西安电子科技大学出版社
④ 王庆有，光电技术，电子工业出版社 ⑤ 常本康、蔡毅，红外成像阵列与系统，
科学出版社
光电成像原理 9