光电成像技术Chapter1-绪论

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。
§1.5 光电成像技术的应用范畴 人们采用光电成像技术突破了人类视觉的 部分限制，特别是突破了人眼在低照度和 有限光谱响应下的视觉限制。 视觉机能在时间和空间两个方面也得到了 扩展。
时间上的扩展如数码照相、印刷、静电复印、
摄录像等。 空间上的扩展如电视、微光观察镜等可以将肉 眼不能直接观察到的远处的图像传输到视网膜 上。
图像记录以随时可看和长时间保存为特点； 图像传输以即时可看和长距离传输为特点。 两者的特点可以互补， ---如在电视方面发展了图像记录 录像技术； ---在照相方面发展了图像传输传真技术等。 除了视觉机能的空间扩大和时间延长，即图像传 输和图像记录技术外，正在发展扩大的是视觉识 别技术，例如，将超出人类视觉响应能力的红外 和紫外图像转换成可见光图像或者将细节模糊的 图像处理成细节清晰的图像处理技术。 由此可见，图像与视觉是密切相关的。
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

直视成像系统（像管）：
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）
成像过程：
→荧光屏产生可见光图像。
基本结构：
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。
（SPRITE)、热释电探测器）。
§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
D B 0 B E t D H t
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。
第一讲 绪 论
徐美芳 信息工程专业 中北大学信息与通信工程学院 QQ：50578426 E-mail：xmf0129@
课程主要内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 绪论 人眼的视觉特性与图像探测 辐射源与典型景物辐射 辐射在大气中的传输 直视型电真空成像器件成像物理 直视型光电成像系统与特性分析 电视型电真空成像器件成像物理 固体成像器件成像原理及应用
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) 。
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
光电成像技术的必要性：
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
2014-12-11
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。
觉只能有条件的提供图像信息。

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；
什么是光电成像技术 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。
微光成像技术
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 （CCD、CMOS、IRFPA）。 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。 （光电导型单元探测器、光伏型单元探测器、扫积型探测器
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。
＝0 ＝0 D E B H
B E t E B t 0 E B 0 (1) ( 2) (3) ( 4)
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。
§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。

2
2

k
结论：全波段电磁波都可成为图像信息的载体
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。
d
0.61 n 'sin '
•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。
§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。 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。
[8]常本康等，红外成像阵列与系统，科学出版社
课程介绍
光电成像原理与应用是电子信息工程专业 的专业必修基础课程。 先修课程：高等数学、大学物理、半导体 物理、电磁场与电磁波等。 学时：40
教材：《光电成像原理与技术》,北京理工 大学出版社，2010年第1版，白延柱等
第一章 绪论
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 §1.5 光电成像技术的意义和作用 光电成像技术的历史沿革 光电成像系统的构成和分类 光电成像对视见光谱域的延伸 光电成像对视见灵敏阈的扩展
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。
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；
§1.1 光电成像技术的意义和作用
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。 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)；
对（1）式施加▽×运算，并应用基本关系式
2 E ( E ) E
再应用（2）、（3）式得
E 2 E 2 0 t
2
同理，磁场矢量满足波动方程
B 2 B 2 0 t
2
要搞清楚电磁波如何传递图像信息，确定物空间和像空间
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。
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。
类型：
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
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。
F E (r , t ) E(r, ) 便可得到 E(r, ) 满足亥姆霍兹方程
E(r, ) 0 ik r E(r, ) e 其解是平面波 E (r , t ) E (r , )e it d 同理 B ( r , t ) B ( r , ) e i t d