光电成像系统
通用光电成像测试系统分析
Ｅ ０ ＥＯ
１ 见光靶标设计依据 ） 可
对 电视系统来说 ． 电视系统分辨力主要考核水平 分辨 力和垂直分 准直 系统 是 光学 系 统检 测 、 校 、 校 的 重 要 检 测 仪 器 ． 利 用 光 装 标 是 要求可见光靶标设计通 常采用 １５ 年美 国空军标准靶标 ， ９１ 三条 学 方 法 把 靶 置 于 无 穷 远 处 的 镜 组 通 常分 为分 反射 式 和 透 射 式 常用 辨力 。 靶可以用来对聚焦状态和分辨率进行测试 三 条靶 的长： 间隔 比为 宽： 的 反射 式 准直 系 统 的 形 式 主 要 有 ：
对比， 最后 指 出了通 用 光 电 成像 测 试 系统 的 发 展 方 向 。
【 关键词 】 光电成像 测试 系统 ； 目标发 生器； 靶板 ； 台 转
０． 述 概 通用光 电成像测试 系统是光 电成像 系统测试 必不缺少 的设 备 ． 由 目标发生器 、 台、 转 数据采集分析 系统 组成 ， 在设计时需考虑 到不 同的 光 电成像系统 的测试需求 ， 在波段 、 场大小 、 视 指标测试项及 测试方法 等方面要进行充分论证后才能开展设计 和膜层 的限制 ， 通常只有在 单个波长 的情况下 才有实际应用 ． 而且红 外中波 、 波不能兼顾 长 反射型红 外准直系统 由于没有 色差 ．可 以适 用于近红外 至远红 外， 但存在一定 中心遮拦 ， 目前最 大的视场 只能做到 ４ ～ 。 只能满足 。５． 视 场 小 的光 电 产 品 光 学 系 统 测 试 的 需 求 对于大视 场的被测成像 系统来说 ． 口径小 ． 同时光学成像 上要求 畸变小 、 光学系 统无热化等 ． 带来 目标 模拟装置 中的准直系统在 设计 上需 采 用 如 下 措施 ： １ ） 采用 透射式设计 ， 以便增 大准直 系统 的视 场角 ， 同时采用 渐晕 片设 计技术来 消弱光学渐晕对成像质量带来的负面影响 ： ２采用多 片非球 面 、 ） 衍射面镜片设 计 ， 来消除光学系统 的像 差、 色 差等 ． 提 高 面 形 精 度 ： 来 ３ ） 在靶标 上镀铬金 属 ． 采用 靶标光刻 技术 ． 通过反 畸变来 降低光 学系统的畸变效应 ． 以提高成像质量 由光电产 品的通光 口径 、 探测器 面元 、 光学系统 焦距指标推算 出 测试 系统所需准直系统的技术指标 按照通用化原则 ． 直系统在设 准 计上要 兼顾 全波段的测试需求 ． 为了能够同时满足大视场被 测成像系 统的测 试需求 ． 利用转台来实现大视场的性能指标测试 ｂ靶标 ） 在各种成 像测试系统 中 ， 靶标是 非常重要 的组成部分 ． 它能够提 供不同 的几何形状 不 同形状的靶标对应 的测试 指标 项如表 ２所示 由于对应的测试项不 同． 靶标在尺寸设计上 的依据 也应不同 通常分 为可见光靶标 、 外靶标等 。 红 表 １ 不 同 形状 的 靶标 对 应 的测 试 指 标 项
光电成像原理
§2 光电成像原理一、光电成像系统的基本结构1. 光机扫描方式串联扫描 并联扫描 串并联混合扫描2. 电子束扫描方式3. 固体自扫描方式上述的分类方法不是绝对的，有的光电成像系统是不同扫描方式的结合。
从目前情况看，光机扫描及固体自扫描方式的光电成像系统占主导地位。
二、光电成像系统的基本技术参数1. 光学系统的通光口径D 和焦距f /2. 瞬时视场角α、β3. 观察视场角W H 、W V4. 帧时T f 和帧速∙F5. 扫描效率ηf fovT T =η6. 滞留时间d τ对光机扫描系统而言，物空间一点扫过单元探测器所经历的时间称为滞留时间d τ，探测器在观察视场中对应的分辨单元数为：αβVH W W n =由d τ的定义，有:∙==F W W n T V H f d αβηητ光电成像系统的综合性能参数是在以上各基本技术参数的基础上作进一步的综合分析得出的。
§3 红外成像光学系统红外成像光学系统应满足以下几方面的基本要求：物像共轭位置、成像放大率、一定的成像范围，以及在像平面上有一定的光能量和反映物体细节的能力（即分辨率）。
一、理想光学系统模型牛顿公式：f f x x //=，///f x x f y y -=-==β 高斯公式：//111f l l=-，l l /=β 二、光学系统中的光阑1. 孔径光阑2. 视场光阑3. 渐晕光阑4. 消杂光光阑三、红外成像光学系统的主要参数1. 焦距f ′决定光学系统的轴向尺寸，f ′越大，所成的像越大，光学系统一般也越大。
2. 相对孔径D/f ′相对孔径定义为光学系统的入瞳直径D 与焦距f ′之比，相对孔径的倒数叫F 数，D f F /=数。
相对孔径决定红外成像光学系统的衍射分辨率及像面上的辐照度。
衍射分辨率:///22.183.3fD D f λλπσ=⋅= 像面中心处的辐照度计算公式为：22//2/sin n n U L K E ⋅⋅=π 3. 视场四、光学系统的像差光学系统近轴区具有理想光学系统的性质，光学系统近轴区的成像被认为是理想像。
机载光电成像系统技术研究
机载光电成像系统技术研究机载光电成像系统是一种以机载设备为载体，利用光学和电子技术对地面目标进行高精度成像和测量的技术系统。
该技术是军事、民用等领域进行侦察、监测、测绘、战术指挥等方面不可缺少的技术手段之一。
本文将从成像机理、系统组成、发展历程等方面分析机载光电成像系统的技术。
一、成像机理机载光电成像系统以光学技术为基础，利用材料的反射、折射、透过等性质，捕获目标的光线信息，通过成像平面转换为电信号，最终显示出总体的成像效果。
成像机理包括光学传递、光电转换、图像处理等过程。
光学传递是机载光电成像系统中的重要环节，通过光学组件将光线沿着预期的传输路径传递到成像平面。
光学组件包括镜头、稳像器等，能够有效拍摄到清晰的目标图像。
光电转换是光学图像转化为电子信号的过程，通过感光材料、变换器等将光学信号转化为电子信号，并存储或传输到计算机进行后续处理和分析。
图像处理是将成像信号处理为最终的图像结果，通过数学分析、滤波技术、图像增强等手段对信号进行处理，得到更加清晰、准确的目标图像。
二、系统组成机载光电成像系统的组成包括光学部分、电子部分、稳像部分等，下面主要分别介绍各部分的作用和特点。
光学部分是机载光电成像系统中起到抓取目标光线信息的部分，主要包括镜头、偏振片、滤波器等。
其中镜头是关键组件，直接影响成像效果，常用的镜头有定焦镜、变焦镜等。
电子部分主要用来将捕获的光线信息转化为电信号，常用的电子部件包括感光器件、A/D转换器、SDRAM等，完成光电转换和信号存储等功能。
其中，CCD和CMOS成像器件是机载光电成像系统中经常用到的两种感光器件，两种器件对成像质量和实时性能都有较好的表现。
稳像部分是机载光电成像系统中确保成像平稳稳定的重要部分，通常采用陀螺仪或电控陀螺等技术，能够有效消除机载振动、气流流动等因素对成像质量的影响。
三、发展历程机载光电成像系统技术的发展可追溯到上世纪70年代初期，当时诞生了以U-2飞机和KH-4型卫星镜头为代表的高空大范围监听系统。
光电成像原理
光电成像原理
光电成像原理是一种利用光电效应将光信号转换为电信号的技术。
这种技术已
经广泛应用于摄影、医学影像、安全监控等领域，成为现代科技发展中不可或缺的一部分。
光电成像原理的基本原理是利用光电二极管或者光电传感器等器件，将光信号
转换为电信号。
当光线照射到光电二极管或者光电传感器上时，光子的能量会激发器件内部的电子，从而产生电流。
通过测量这些电流的大小和变化，就可以得到光信号的信息，从而实现光电成像。
在摄影领域，光电成像原理被应用于数码相机和摄像机中。
传感器接收到光信
号后，会将其转换为数字信号，再经过处理和存储，最终呈现为清晰的图像或视频。
这种技术不仅提高了图像的质量和分辨率，还使得摄影和摄像更加方便和便捷。
在医学影像领域，光电成像原理被应用于X光机、CT扫描仪和MRI等设备中。
这些设备能够通过光电成像原理获取人体内部的影像信息，帮助医生进行诊断和治疗。
光电成像技术的发展，使得医学影像诊断更加准确和可靠。
在安全监控领域，光电成像原理被应用于监控摄像头和红外夜视设备中。
这些
设备能够通过光电成像原理获取周围环境的图像信息，帮助监控人员进行安全监控和防范。
光电成像技术的应用，提高了安全监控的效率和精度。
总的来说，光电成像原理是一种非常重要的技术，它在各个领域都发挥着重要
的作用。
随着科技的不断发展，相信光电成像技术将会有更广阔的应用前景，为人类的生活和工作带来更多的便利和帮助。
光电成像原理
• 固体自扫描方式
• 固体自扫描方式的光电成像系统采用的是各种面阵固体摄像器件。 • 面阵摄像器件中的每个单元对应于景物空间的一个相应小区域， 整个面阵摄像器件对应于所观察的景物空间。 • 固体自扫描方式的特点是：面阵摄像器件对整个视场内的景物辐 射同时接收，而通过对阵列中各单元器件的信号顺像采样来实现对 景物图像的分解。
典型的红外光学系统
• 透射式红外光学系统
透射式红外光学系统也称折射式红外光学系统，它一般由及格 透镜组成。主要优点：无挡光，加工球面透镜较容易，通过光 学设计易消除各种像差。但光学系统光能损失较大，装配调整 比较困难。
• 反射式红外光学系统
由于红外辐射的波长较长，能透过它的材料很少，因 而大都采用反射式红外光学系统。 • 系统优点：对材料要求不太高、重量轻、成本低、 光能损失小、不存在色差等。 • 缺点：有中心挡光，有较大的轴外像差，难于满足 大视场大孔径成像的要求。
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。
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。
像散
轴外物点成像时还出现另一种像差，这时通过透镜倾斜入射的光 束不能产生一个像点，而出现两条相隔一定距离并相互垂直的像 线。这种像差就称为斜光束的像散。形成竖直线的平面称为子午 平面，形成水平线的平面称为弧失平面
光电项目知识点总结
光电项目知识点总结光电项目是指利用光电子技术，应用在各个领域中，如通信、能源、医疗、军事等。
光电领域的发展日新月异，新的技术不断涌现，因此对于从事光电项目的工程师和技术人员来说，了解光电项目的知识点显得十分重要。
本文将就光电项目的相关知识点进行总结，包括基础知识、光电器件、光电系统、光电材料、光电成像、光电测量、光电通信等方面，全面系统地介绍光电项目的知识点。
一、基础知识在进行光电项目的相关工作之前，需要了解一些基础知识。
这些基础知识包括光学基础知识、电子学基础知识、材料科学基础知识等。
只有掌握了这些基础知识，才能更好地理解和应用光电项目的技术。
1. 光学基础知识光学是研究光的传播、反射、折射、散射、干涉、衍射以及光和物质相互作用的一门学科。
光学的基础知识包括光的波动理论、光的几何光学、光的偏振、光的干涉和衍射等。
光学原理对于光电项目至关重要，因为很多光电器件和系统都是基于光学原理设计和制造的。
2. 电子学基础知识电子学是研究电子器件、电路和系统的学科。
在光电项目中，无论是光电器件还是光电系统，都离不开电子学的基础知识。
电子学的基础知识包括电子器件的工作原理、电路的设计与分析、电子系统的调试与维护等。
3. 材料科学基础知识材料科学是研究材料的结构、性能、制备和应用的学科。
在光电项目中，材料的选择和应用至关重要。
材料科学的基础知识包括材料的结构与性能、材料的制备与加工、材料的分析与测试等。
二、光电器件光电器件是将光能转化为电能或者将电能转化为光能的器件。
光电器件是光电项目中的核心部件，其种类繁多，包括光电二极管、光电晶体管、光电变换器等。
下面将介绍一些常见的光电器件。
1. 光电二极管光电二极管是一种能够将光信号转化为电信号的器件。
光电二极管的工作原理是利用光照射在PN结上产生光生载流子，从而改变PN结的导电特性，最终产生电信号。
光电二极管在光电通信、光电测量等领域有着广泛的应用。
2. 光电晶体管光电晶体管是一种能够将光信号放大的器件。
光电成像系统的设计与性能分析
光电成像系统的设计与性能分析第一章：引言光电成像系统是现代科技领域中的一个重要研究方向。
它是一种将光学和电子技术相结合的系统，能够将光信号转化为电信号，从而实现图像的获取和处理。
光电成像系统的设计与性能分析对于图像的质量和应用领域的探索具有重要意义。
本文将对光电成像系统的设计原则和性能分析进行详细探讨。
第二章：光电成像系统的设计原则2.1 光电成像系统的基本元素光电成像系统主要由光学部分和电子部分组成。
光学部分包括光源、物体、透镜和光敏元件等，电子部分包括模拟电路和数字电路等。
为了保证光电成像系统的性能，必须合理选择和设计这些元素。
2.2 光电转换效率光电转换效率是评估光电成像系统性能的重要指标之一。
在设计过程中，需要选择合适的光敏元件，并优化光学系统，以提高光电转换效率。
此外，还可以通过选择高质量的透镜材料和增加透镜的直径，来提高光电转换效率。
2.3 噪声源分析与抑制噪声源是光电成像系统中的一个重要问题。
设计者需要对系统中的各个环节进行噪声源分析，并采取相应的抑制措施。
例如，可以使用低噪声的光敏元件和对噪声进行滤波处理，来降低噪声对图像质量的影响。
第三章：光电成像系统的性能分析3.1 分辨率分辨率是衡量光电成像系统性能的重要指标之一。
通过设计合适的光学系统和选择高性能的光敏元件，可以提高图像的分辨率。
同时，还可以采用图像处理技术对获得的图像进行后处理，来进一步提高分辨率。
3.2 灵敏度灵敏度是光电成像系统的另一个重要性能指标。
它反映了系统对光信号的响应能力。
在设计过程中，可以通过选择高灵敏度的光敏元件和增加光源的亮度，来提高系统的灵敏度。
3.3 動態範圍动态范围是指光电成像系统能够接受的光强范围。
在设计过程中，需要选择合适的光电元件和电路，以扩展光电成像系统的动态范围。
3.4 信噪比信噪比是光电成像系统的一个关键性能指标。
它可以通过信号处理和噪声抑制策略来提高。
在设计过程中，需要合理选择信号处理算法和噪声抑制技术，以最大程度地提高信噪比。
第8章 光电成像系统下
2012-3-10 8
1.电荷存储 1.电荷存储
N型CCD 型
耗尽 区的 深度 与UG 成正 比。
在栅极G施加电压 在栅极 施加电压UG 施加电压 之前p型半导体中空穴 之前 型半导体中空穴 的分布是均匀的。 的分布是均匀的。
按信号传输功能
Linear 线性、Interline扫瞄、 线性、 扫瞄、 扫瞄 全景 Full-Frame和 Frame和 Transfer 全传
5
2012-3-10
线阵CCD与面阵 线阵CCD与面阵CCD的比较 与面阵CCD的比较
1）对于面阵CCD来说，应用面较广，如面积、形 ）对于面阵 来说， 来说 应用面较广，如面积、 尺寸、位置，甚至温度等的测量。面阵CCD的 状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。面阵 的 优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观。 优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观。缺 点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少。 点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少。 2）线阵CCD结构简单，成本较低。可以同时储存 ）线阵 结构简单， 结构简单 成本较低。 一行电视信号.由于其单排感光单元的数目可以做 一行电视信号 由于其单排感光单元的数目可以做 得很多，在同等测量精度的前提下， 得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可 以做的较大，并且由于线阵CCD实时传输光电变换 以做的较大，并且由于线阵 实时传输光电变换 信号和自扫描速度快、频率响应高， 信号和自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态 测量，并能在低照度下工作，所以线阵CCD广泛地 测量，并能在低照度下工作，所以线阵 广泛地 应用在产品尺寸测量和分类、非接触尺寸测量、 应用在产品尺寸测量和分类、非接触尺寸测量、条 形码等许多领域。 形码等许多领域。
光电成像技术第六章直视型光电成像系统与
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1 夜视成像物镜
包沃斯-卡塞格伦系统
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1 夜视成像物镜
·包沃斯-卡塞格伦系统：
由于包沃斯系统的焦点在球面反射镜和校 正透镜中间，接收器造成中心挡光，为此 开展成包沃斯-卡塞格伦系统系统把校正 透镜的中心局部镀上铝或银等反射层作次 镜用，将焦点引到主反射镜之外。
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
2.
红外滤光片是一种光学滤波器，主要滤除光源 辐射中的可见光成分。对红外滤光片的根本要求 是： 在红外波段光能损失应尽可能地小，而对其 他波段的辐射应尽量全部吸收或反射；光谱透射 比与光阴极光谱灵敏度曲线红外局部相匹配；热 稳定性好，防潮性和机械性能好，耐光源工作时
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1 夜视成像物镜
· 格里高里系统：
由抛物面主镜和椭球次镜组成。次镜 位于主镜焦距之外，椭球面的一个焦 点和抛物面主镜焦点重合，另一个焦 点为整个系统的焦点。系统对无穷远 轴上的点没有像差。
人们研究改进反射系统，把反射镜的
主镜和次镜都采用球面镜，而用参加
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施密特校正板工作原理 (a) 施密特校正板；(b) 改进的施密特校正板
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
3.
(1)
白炽灯(包括普通、充气和卤钨白炽灯)是根
据热辐射原理制成，用电流加热灯丝使之到达
白炽而发光。白炽灯工作在白热状态，要求灯
丝材料有高熔点和低蒸发率。灯丝形状影响光
(单位为lm/W)。充气白炽灯比
真空白炽灯有更高的工作温度和发光效率，但
也只有10～20 lm/W，在～的近红外辐射光谱
光电成像技术
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
《光电成像系统数字建模虚拟仿真》实验指导书
《光电成像系统数字建模虚拟仿真》实验指导书一、实验任务当前，各种基于光电成像系统观测的总体设计中（对地观测、机载平台、舰载平台、车载平台等），对光电成像系统的性能要求不断提高，如何能在设计阶段得知其光电成像性能是提高光电探测系统性能的关键。
根据光电成像系统成像过程，本综合实验按照信息传输通道的组成，对成像过程进行模块化虚拟仿真建模，分别为：大气传输模块、成像系统运动模块、光学系统模块、探测器模块、电子线路模块、显示器模块和人眼滤波模块。
成像过程如图1所示。
图1 光电成像过程图通常情况下光电成像系统近似为线性移不变系统，可用调制传递函数MTF来描述成像系统对成像质量的影响。
MTF仿真思路是:在频域空间，建立成像系统各组成单元的空间调制传递函数模型，考虑到各组成单元的独立性，系统总的传递函数为各组成单元传递函数的乘积，然后对输入场景图做傅里叶变换，把空域数据转换为频域数据，接着使系统MTF与频域数据相乘，最后做傅里叶逆变换恢复空间场景图，即完成了图像仿真过程。
仿真过程图如图2所示。
图2 仿真过程图图像仿真从视觉的角度来评价成像系统的质量，为了对系统有一个客观的评价，本综合虚拟仿真实验又设计了系统综合评价指标MTF、NETD和MRTD，这样通过人眼主观感受和客观数据来综合评价系统成像质量。
二、实验目的根据光电成像过程，建立大气、成像平台的振动、光学系统、焦平面阵列、电子线路以及显示器和人眼对成像质量的影响方式和理论评价模型，设计成像系统性能评价指标MTF、NETD和MRTD计算算法。
三、实验要求根据光电成像系统的基本信息传递过程，结合影响成像质量的各个环节，完成了光电成像系统数字建模虚拟仿真设计。
设计的基本模块包括大气仿真模块、成像平台运动模块、光学系统模块、探测器模块、信号处理电路模块、成像系统噪声模块、显示器模块和人眼效应模块。
在总体性能评价指标方面采用系统调制传递函数MTF、噪声等效温差NETD和最小可分辨温差MRTD来评价成像系统综合性能指标。
光电成像系统复习
光电成像系统基础理论第一章：1. 人眼视觉性能的局限性；(1)灵敏度的限制：光线很差时人的视觉能力很差；(2)分辨力的限制：没有足够的视角和对比度就难以辨识；(3)时间上的限制：变化过去的影像无法存留在视觉上；(4)空间上的限制：离开的空间人眼将无法观察；(5)光谱上的限制：人眼局限于电磁波的可见光区；因此，眼睛的直观视觉只能有条件地提供图像信息，为了突破人眼的限制催生了光电成像技术这门学科。
扩展视见光谱范围、视见灵敏度和时空限制。
2.光电成像系统的分类以及各自的工作方式；（1）直视型光电成像系统工作方式：①通过外光电效应将入射的辐射图像转换为电子图像；②由电场或电磁场的聚焦加速作用进行能量增强以及通过二次发射作用进行电子倍增;③经过增强的电子图像轰击荧光屏，激发荧光屏产生可见光图像。
（2）电视型光电成像系统工作方式：①接收二维的光学图像或热图像,②利用光敏面的光电效应或热电效应将其转换为二维电荷图像并进行适当时间的存储,③然后通过电子束扫描或电荷耦合转移等方式, 输出一维时间的视频信号。
3.变像管与像增强器的异同。
变像管：接受非可见辐射图像的直视型光电成像器件：红外变像管、紫外变像管和X 射线变像管等。
共同特点：入射图像的光谱和出射图像的光谱完全不同，输出图像的光谱是可见光。
像增强器：接受微弱可见光图像的直视型光电成像器件：级联式像增强器、带微通道板的像增强器、负电子亲和势光阴极的像增强器等。
共同特点：输入的光学图像极其微弱，经器件内电子图像的能量增强和数量倍增后通过荧光屏输出可见光学图像。
第二章：1. 绝对视觉阈、阈值对比度、光谱灵敏度；人眼的绝对视觉阈所谓人眼的绝对视觉阈，是在充分暗适应的状态下，全黑视场中，人眼感觉到的最小光刺激值(用照度表示，单位lx)，在10-9数量级。
人眼的阈值对比度阈值对比度是指在一定背景下把目标鉴别出来所必须的目标在背景中的衬度(对比度C)。
C的倒数成为反衬灵敏度。
第6章-光电成像系统
半导体 S
图6.3 CCD的结构简图
目前，前两种用得较多，我们这里主要分析
CCD一种。
§6.2 固体摄像器件分类及性能
CCD图像传感器的优势
CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为 广泛应用图像传感器的新时代。
具有固体器件所有 优点；自扫描输出 方式消除了电子束 扫描造成的图像光 电转换的非线性失 真，体积、重量、 功耗和制造成本是 电子束摄像管无法 达到的。
§6.2 固体摄像器件分类及性能
固体摄像器件的功能： 光学图像
转换
电信号
把入射到传感器光敏面上按空间分布 的光强信息（可见光、红外辐射等），转 换为按时序串行输出的电信号—— 视频信 号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。
§6.2 固体摄像器件分类及性能
固体摄像器件主要有三大类： 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD） 互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS） 电荷注入器件（Charge Injenction Device， 即CID）
6.2.1 电荷耦合摄像器件
(3) 输出部分：将电荷信号转换为电压或电流信 号
输出栅（OG/ Output diaode） 输出二极管 （OD / Output Grid）
6.2.1 电荷耦合摄像器件
输入栅
输 入 二 极管
栅 极
输出栅
输出二极管 金属 M 氧化物 O
P- Si / N – Si
§6.1 光电成像概述
三、光电成像系统基本组成的框图
光源 光 信 号 传输介质 背 景 噪 声 光 信 号 光学系统 (信号分析器) 背 景 噪 声 光 信 号 光电摄像器件 (信号变换器) 噪 声 信 号 显示器 噪 声 信 号 人眼
光电成像系统讲解
同电子束摄像管相比，优点：
① 全固体化、体积小、重量轻、工作电压和功耗都 很低，耐冲击性好、可靠性高、寿命长； ②基本不保留残像（电子束摄像管有15%-20%的残 像），无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰； ③红外敏感性。 SSPD 光谱响应范围： 0.25-1.1um； CCD可做成红外敏感型；CID：2-5um； ④像元的几何尺寸精度高（优于1um)，因而可用于 非接触式精密尺寸测量系统； ⑤视频信号与微机接口容易。
使彩色摄像机的发展产生了一个飞跃。 1976年，灵敏度更高，成本更低的硒像管和硅靶管。 1970 年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器件（ CCD ） 原理，从此光电成像器件的发展进入了一个新的阶 段——CCD固体摄像器件的发展阶段。
2、光电成像系统要研究的问题
光电成像涉及到一系列复杂的信号传递过程。有四个方面 的问题需要研究：
0、光电成像概述
1、光电成像Байду номын сангаас件的发展
近年来，利用光电成像器件构成图像传感器进
行光学图像处理与图像测量已成为现代光学仪器、
现代测控技术的重要发展方向。它广泛应用于遥感、
遥测技术、图形图像测量技术和监控工程等，成为 现代科学技术的重要组成部分。
什么叫成像？图像是由空间变化的光强信息所组成， 图像传感器或探测器必须能感受空间不同位置的光强 变化，这个过程叫成像。
一、固体摄像器件
固体摄像器件，又称固体像探测器。 （solid state imaging sensor,SSIS） 主要功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光 强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行 输出的电信号——视频信号。其视频信号能再现入射 的光辐射图像。 主要分类： • 电荷耦合器件，CCD,噪声低； • 自扫描光电二极管阵列，SSPD ,灵敏度和响应度好； • 电荷耦合光电二极管阵列， CCPD,兼具二者优点； • 电荷注入器件（Charge Injection Device，CID）
光电成像原理与技术 第六章 直视型光电成像系统与特性分析
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光电成像原理
§6直视型光电成像系统与特性分析
直视型光电成像器件也称作像管， 直视型光电成像器件也称作像管，器件本 像管 身具有图像转换、图像增强及显示功能。 身具有图像转换、图像增强及显示功能。 随着技术的发展，器件朝着小型化、集成 随着技术的发展，器件朝着小型化、 化方向发展， 化方向发展，直视型光电成像器件与电视型光 电成像器件的区别逐步淡化，甚至难以区别， 电成像器件的区别逐步淡化，甚至难以区别， 本章主要讲授直视型夜视光电成像系统 主要讲授直视型夜视光电成像系统。 本章主要讲授直视型夜视光电成像系统。
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光电成像原理
§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性
b. 小的渐晕 斜光束照射时，渐晕导致像面（光阴极） 斜光束照射时，渐晕导致像面（光阴极）边缘相对 于中心的照度会下降，光阴极上照度的不均匀将造成荧 于中心的照度会下降，光阴极上照度的不均匀将造成荧 光屏上图像亮度不均匀，边缘的像质变坏， 光屏上图像亮度不均匀，边缘的像质变坏，尤其是低信 噪比的夜视微光系统。 噪比的夜视微光系统。 c. 宽光谱范围的色差校正 不同种类的成像系统在不同的光谱范围进行校正色 。（微光 微光： 差。（微光：0.4~0.9；主动：0.65~1.2；热成像： ；主动： ；热成像： 1.5~14） ） d. 物镜在低频情况下具有好的调制传递特性 微光成像系统是低通滤波器。 微光成像系统是低通滤波器。由绪论部分的知识可 知：复合成像系统的调制传递函数为各环节调制传递函 数的乘积。 数的乘积。 下午6时58分 下午 时 分
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光电成像系统的多光谱成像技术
光电成像系统的多光谱成像技术嘿，咱们今天来聊聊光电成像系统里特别酷的多光谱成像技术！你知道吗，这多光谱成像技术就像是给世界装上了好多双不同的“眼睛”，能让我们看到平时看不到的东西。
先来讲讲这多光谱成像技术到底是啥。
简单说，它就是通过不同波长的光来给物体拍照，就像我们用不同颜色的笔来画画一样。
每种波长的光都能反映出物体的不同特征，这样一组合，就得到了超级详细、超级丰富的图像信息。
比如说，在农业方面，这技术可厉害了！有一次我去参观一个现代化的农场，那里的工作人员就用多光谱成像技术来监测农作物的生长情况。
他们拿着一个看起来很专业的设备，对着一大片麦田扫了一遍。
我好奇地凑过去看，发现屏幕上显示的图像可不是我们平常看到的绿油油的麦田，而是各种颜色的斑块。
工作人员告诉我，不同的颜色代表着农作物不同的生长状态，比如缺水、缺肥或者有病虫害。
这样一来，他们就能精准地给需要帮助的农作物提供照顾，大大提高了产量和质量。
在医学领域，多光谱成像技术也有大用处。
医生可以用它来更清楚地看到人体内部的情况，就像给身体来了一次超级清晰的“透视”。
有个真实的例子，一位患者身上长了个奇怪的肿块，普通的检查方法没办法确定它的性质。
后来医生用多光谱成像技术一照，立马发现了一些细微的差别，从而准确地判断出了病情，及时进行了治疗。
还有在地质勘探中，这技术也是个得力的小助手。
想象一下，地质学家们在野外拿着多光谱成像设备，对着大山、石头一顿扫描。
通过分析得到的图像，他们就能知道哪里有矿产资源，哪里的地质结构不稳定，就像拥有了一双能看穿大地的“眼睛”。
再来说说多光谱成像技术在环境监测方面的应用。
它可以监测大气中的污染物，比如雾霾中的微小颗粒，让我们更清楚地了解空气质量。
总之，光电成像系统的多光谱成像技术就像是一个神奇的魔法，让我们能够更深入、更全面地了解这个世界。
它在农业、医学、地质、环境等各个领域都发挥着重要的作用，给我们的生活带来了很多的便利和惊喜。
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。
光电成像系统的性能优化
光电成像系统的性能优化摘要：在光电成像系统的设计中，通过优化成像系统的性能能够提高成像系统的分辨率。
本文重点围绕光电系统的系统误差、性能优化、信噪比和平均功能展开讨论，以便设计者在光电成像系统的设计中，能够从实际情况出发制定科学合理的优化策略。
关键词：光电成像；性能优化；光学设计引言：光电成像系统的性能评估主要与光学系统和光学成像系统的优化有关。
在光电成像系统的优化过程中，需要用到电子学、材料学、机械力学等多个学科知识。
伴随科学技术的日益进步，探测器阵列的更新速度也日益提高，只有进一步开展加深对光电成像系统的探索研究，才能与阵列探测器的发展需求相适应，同时对其性能的完善具有及其重要的参考价值。
1.对光电成像系统的性能优化光电成像系统的性能优化主要是设计光电器件，提高光电成像系统的分辨率，而且要减少系统投入的成本。
在光电成像系统中，几何尺寸、位相时钟和电荷扩散等因对探测器的性能起到至关重要的决定作用。
在实际使用操作过程中，环境状况、运输条件和温度变化等因素都会对探测器的性能产生重大影响。
在光学系统的设计中，光学系统的焦距应根据图像的放大倍数和瞬时视场来确定；孔径的确定依据是信噪比；视场角的确定要以孔径的大小为依据；同时传递函数余量的设计应该根据不同环境和加工程度的难易来确定。
在理想光学系统的设计中，光斑的直径为2.44λf，光学系统的截止频率为1 /λf，探测器的截止频率为1 / d，当艾里斑的直径为1像素，艾里斑直径D，和光学功能的截止频率2.44/d。
然而，当光斑是像素时，系统显然缺少采样，这会导致探测器的一定程度的限制。
当系统通过相应的频谱，它会导致成像失真[ 1 ]。
在设计过程中，设计者可以通过增加采样频率来提高系统的分辨率。
它主要体现在以下几个方面：第一，当通风孔直径为2像素，同样缺乏系统采样时，本设计主要用于航空航天相机，其传递函数与设计值比较低。
其次，当艾里函数为3像素时，光学系统的传递函数很容易达到0.1。
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光电成像系统[教学目的]1、掌握CCD的结构和工作原理、光电成像原理、光电成像光学系统；2、了解微光像增强器件和纤维光学成像原理。
[教学重点与难点]重点：CCD的结构和工作原理、光电成像原理、光电成像光学系统的组成。
难点：CCD的结构和工作原理、调制传递函数的分析。
成像转换过程有四个方面的问题需要研究：能量方面——物体、光学系统和接收器的光度学、辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题成像特性——能分辨的光信号在空间和时间方面的细致程度，对多光谱成像还包括它的光谱分辨率噪声方面——决定接收到的信号不稳定的程度或可靠性信息传递速率方面（成像特性、噪声——信息传递问题，决定能被传递的信息量大小）景噪声景噪声声声光电成像器件是光电成像系统的核心。
§1 固体摄像器件固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号——视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。
固体摄像器件主要有三大类：电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）电荷注入器件（Charge Injenction Device，即CID）一、电荷耦合摄像器件电荷耦合器件（CCD）特点）——以电荷作为信号CCD的基本功能——电荷存储和电荷转移CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程1.电荷耦合器件的基本原理（1）电荷存储构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态（2）电荷转移以三相表面沟道CCD为例表面沟道器件，即SCCD（Surface Channel CCD）——转移沟道在界面的CCD器件体内沟道（或埋沟道CCD）即 BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）——用离子注入方法改变转移沟道的结构，从而使势能极小值脱离界面而进入衬底内部，形成体内的转移沟道，避免了表面态的影响，使得该种器件的转移效率高达99.999％以上，工作频率可高达100MHz，且能做成大规模器件（3）电荷检测浮置扩散输出CCD输出信号的特点是：信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度T。
；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。
对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。
2.电荷耦合摄像器件的工作原理CCD的电荷存储、转移的概念 + 半导体的光电性质——CCD摄像器件按结构可分为线阵CCD和面阵CCD按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD可见光CCD又可分为黑白CCD、彩色CCD和微光CCD（1）线阵CCD线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构（2）面阵CCD常见的面阵CCD摄像器件有两种：行间转移结构与帧转移结构。
二、电荷耦合摄像器件的特性参数 1. 转移效率电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有η部分的电荷转移过去，余下ε部分没有被转移，ε称转移损失率。
εη-=1一个电荷量为o Q 的电荷包，经过n 次转移后的输出电荷量应为： n o n Q Q η=总效率为：no n Q Q η=/ 2. 不均匀度光敏元的不均匀与CCD 的不均匀。
本节讨论光敏元的不均匀性，认为CCD 是近似均匀的，即每次转移的效率是一样的。
光敏元响应的不均匀是由于工艺过程及材料不均匀引起的，越是大规模的器件，均匀性问题越是突出，这往往是成品率下降的重要原因。
定义光敏元响应的均方根偏差对平均响应的比值为CCD 的不均匀度σ：21)(11o Nn ono V VNV ∑=-=σ∑==N n ono VNV 11式中on V 为第n 个光敏元原始响应的等效电压,o V 为平均原始响应等效电压；N 为线列CCD 的总位数。
由于转移损失的存在，CCD 的输出信号n V 与它所对应的光敏元的原始响应on V 并不相等。
根据总损失公式，在测得n V 后，可求出on V ：np non V V η=式中P 是CCD 的相数3. 暗电流CCD 成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号，即暗电流。
暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中心的热激发。
由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响，CCD 中暗电流密度的分布是不均匀的。
暗电流的危害有两个方面：限制器件的低频限、引起固定图像噪声4. 灵敏度（响应度）它是指在一定光谱范围内，单位曝光量的输出信号电压（电流）。
5. 光谱响应CCD 的光谱响应是指等能量相对光谱响应，最大响应值归一化为100%所对应的波长，称峰值波长max λ，通常将10%（或更低）的响应点所对应的波长称截止波长。
有长波端的截止波长与短波端的截止波长，两截止波长之间所包括的波长范围称光谱响应范围。
6. 噪声CCD 的噪声可归纳为三类：散粒噪声、转移噪声和热噪声。
7. 分辨率分辨率是摄像器件最重要的参数之一，它是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力。
测试时用专门的测试卡。
目前国际上一般用ＭＴＦ（调制传递函数）来表示分辨率。
8. 动态范围与线性度动态范围＝等效噪声信号光敏元满阱信号线性度是指在动态范围内，输出信号与曝光量的关系是否成直线关系。
三、CMOS摄像器件采用CMOS技术可以将光电摄像器件阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模／数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，可以实现单芯片成像系统。
1. CMOS像素结构无源像素型（PPS）、有源像素型(APS)（1）无源像素结构无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的优点。
但是，由于传输线电容较大，CMOS无源像素传感器的读出噪声较高，而且随着像素数目增加，读出速率加快，读出噪声变得更大。
（2）有源像素结构光电二极管型有源像素（PP－APS）——大多数中低性能的应用光栅型有源像素结构（PG－APS）——成像质量较高CMOS有源像素传感器的功耗比较小。
但与无源像素结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充系数典型值为20%-30%。
在CMOS上制作微透镜阵列，可以等效提高填充系数。
2. CMOS摄像器件的总体结构工作过程：首先，外界光照射像素阵列，产生信号电荷，行选通逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元，行像素内的信号电荷通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理器(ASP)及A/D 变换器，转换成相应的数字图像信号输出。
行选通单元可以对像素阵列逐行扫描，也可以隔行扫描。
隔行扫描可以提高图像的场频，但会降低图像的清晰度。
行选通逻辑单元和列选通逻辑单元配合，可以实现图像的窗口提取功能，读出感兴趣窗口内像元的图像信息。
3. CMOS与CCD器件的比较CCD摄像器件——有光照灵敏度高、噪声低、像素面积小等优点。
但CCD光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成，不易处理一些模拟和数字功能；CCD阵列驱动脉冲复杂，需要使用相对高的工作电压，不能与深亚微米超大规模集成（VLSI）技术兼容，制造成本比较高。
CMOS 摄像器件——集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和制造成本低等优点。
目前CMOS 单元像素的面积已与CCD 相当，CMOS 已可以达到较高的分辨率。
如果能进一步提高CMOS器件的信噪比和灵敏度，那么CMOS 器件有可能在中低档摄像机、数码相机等产品中取代CCD 器件。
§2 光电成像原理一、光电成像系统的基本结构 1. 光机扫描方式串联扫描 并联扫描 串并联混合扫描2. 电子束扫描方式3. 固体自扫描方式上述的分类方法不是绝对的，有的光电成像系统是不同扫描方式的结合。
从目前情况看，光机扫描及固体自扫描方式的光电成像系统占主导地位。
二、光电成像系统的基本技术参数 1. 光学系统的通光口径D 和焦距f / 2. 瞬时视场角α、β 3. 观察视场角W H 、W V 4. 帧时T f 和帧速•F5. 扫描效率ηf fov T T =η6. 滞留时间d τ对光机扫描系统而言，物空间一点扫过单元探测器所经历的时间称为滞留时间d τ，探测器在观察视场中对应的分辨单元数为：αβVH W W n =由d τ的定义，有:•==F W W n T V H f d αβηητ光电成像系统的综合性能参数是在以上各基本技术参数的基础上作进一步的综合分析得出的。
§3 红外成像光学系统红外成像光学系统应满足以下几方面的基本要求：物像共轭位置、成像放大率、一定的成像范围，以及在像平面上有一定的光能量和反映物体细节的能力（即分辨率）。
一、理想光学系统模型牛顿公式：f f x x //=，///f x x f y y -=-==β 高斯公式：//111f l l =-，l l /=β 二、光学系统中的光阑1. 孔径光阑2. 视场光阑3. 渐晕光阑4. 消杂光光阑三、红外成像光学系统的主要参数 1. 焦距f ′决定光学系统的轴向尺寸，f ′越大，所成的像越大，光学系统一般也越大。
2. 相对孔径D/f ′相对孔径定义为光学系统的入瞳直径D 与焦距f ′之比，相对孔径的倒数叫F 数，D f F /=数。
相对孔径决定红外成像光学系统的衍射分辨率及像面上的辐照度。
衍射分辨率:///22.183.3f D D f λλπσ=⋅=像面中心处的辐照度计算公式为：22//2/sin n n U L K E ⋅⋅=π 3. 视场四、光学系统的像差光学系统近轴区具有理想光学系统的性质，光学系统近轴区的成像被认为是理想像。
实际光学系统所成的像和近轴区所成的像的差异即为像差。
光学系统对单色光成像时产生单色像差，分为五类：球面像差（球差）、彗形像差（彗差）、像散差（像散）、像面弯曲（场曲）和畸变。
对多色光成像时，光学系统除对各单色光成分有单色像差外，还产生两种色差：轴向色差和垂轴色差（亦称倍率色差）。
五、红外光学系统的特点由于红外辐射的特有性能，使得红外光学系统具有以下一些特点：（1）红外辐射源的辐射波段位于1μm 以上的不可见光区，普通光学玻璃对2.5μm 以上的光波不透明，而在所有有可能透过红外波段的材料中，只有几种材料有必需的机械性能，并能得到一定的尺寸，如锗、硅等，这就大大限制了透镜系统在红外光学系统设计中的应用，使反射式和折反射式光学系统占有比较重要的地位。
（2）为了探测远距离的微弱目标，红外光学系统的孔径一般比较大。
（3）在红外光学系统中广泛使用各类扫描器，如平面反射镜、多面反射镜、折射棱镜及光楔等。
（4）8至14μm 波段的红外光学系统必须考虑衍射效应的影响。
（5）在各种气象条件下或在抖动和振动条件下，具有稳定的光学性能。