光电成像物理基础 光电成像课件
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光电成像系统原理26页PPT
40、人类法律，事物有规律，这是不 容忽视 的。— —爱献 生
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
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。
7第七章：讲义光电成像技术
像管
变相管 紫外变像管
X射线变像管
串联式像增强管
像增强管 级联式像增强管
微通道板式像增强管
▪
负电子亲和势阴极摄像管
02.01.2021
7
3、光电成像器件的基本特征
一、光谱响应 二、线性 三、空间分辨率
02.01.2021
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。
02.01.2021
10
光电导型真空摄像管
02.01.2021
11
二、光电发射型摄像管
02.01.2021
12
电荷耦合器件
Charge-Coupled Devices 1970年由贝尔实验 室首先研制出来。
特点：体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、功 耗低、动态范围大。
主要应用领域：摄像、信号处理、存储、测量
21
02.01.2021
22
四、像管成像物理过程：（三个环 节）
微弱的光或不可见的输入辐射图像转换 成电子图像（光阴极完成）
电子图像获得能量或数量增强，并聚焦 成像（电子光学系统）
将增强的电子图像转换成可见光的图像 （荧光屏）
02.01.2021
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。
方位测量、遥感遥测、图像制导、图像识别
传真、扫描仪、自动精密测量
高分辨率、高可靠性、高准确度。
02.01.2021
13
P沟道型CCD原理
金属-氧化物-半导体结 构（MOS)在外加电场 作用下，半导体中空穴 被推离界面，形成表面 势井；
变相管 紫外变像管
X射线变像管
串联式像增强管
像增强管 级联式像增强管
微通道板式像增强管
▪
负电子亲和势阴极摄像管
02.01.2021
7
3、光电成像器件的基本特征
一、光谱响应 二、线性 三、空间分辨率
02.01.2021
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。
02.01.2021
10
光电导型真空摄像管
02.01.2021
11
二、光电发射型摄像管
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12
电荷耦合器件
Charge-Coupled Devices 1970年由贝尔实验 室首先研制出来。
特点：体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、功 耗低、动态范围大。
主要应用领域：摄像、信号处理、存储、测量
21
02.01.2021
22
四、像管成像物理过程：（三个环 节）
微弱的光或不可见的输入辐射图像转换 成电子图像（光阴极完成）
电子图像获得能量或数量增强，并聚焦 成像（电子光学系统）
将增强的电子图像转换成可见光的图像 （荧光屏）
02.01.2021
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。
方位测量、遥感遥测、图像制导、图像识别
传真、扫描仪、自动精密测量
高分辨率、高可靠性、高准确度。
02.01.2021
13
P沟道型CCD原理
金属-氧化物-半导体结 构（MOS)在外加电场 作用下，半导体中空穴 被推离界面，形成表面 势井；
光电成像技术
电极上所加的电压越高，势阱越深，电荷留在阱
内量越多。只要电压存在，电子就能储存在势阱里。 由于绝缘氧化物层使得电子不能穿过而到达电极， 因此存贮在势阱里的电子形成了电荷包，其电荷量 的多少与光照强度及照射时间成正比，于是所有电 极下的电荷包就组成了与景物相对应的电荷像。
信号电荷的存储（示意图）
UG < Uth 时
6.2.1 电荷耦合摄像器件
CCD的特点: 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。
6.2.1 电荷耦合摄像器件
一、电荷耦合器件的基本原理
1、CCD的基本结构：
（1）输入部分： 输入二极管（ID / Input diaode）、 输入栅（IG / Input Grid）
6.2.1 电荷耦合摄像器件
（2）MOS结构部分：
a. 以P型或N型硅半导体为衬底。 （本文以P型硅为例）
b. 在衬底上生长一层厚度为零点几个微米的二 氧化硅层。
c. 然后按一定的次序沉淀N个金属电极或多晶 硅电极，作为栅极。（栅极间的间距为2.5个微 米，中心距离为15-20个微米）
于是，每个电极与其下方的二氧化硅和半 导体之间就构成了一个 金属-氧化物-半导体 （Metal - Oxide - Semiconductor ）结构, 即 MOS结构。
+UG
UG > Uth 时
+UG
入射光
e-
e-
e-
e-
e-
+Uth
e- 势阱
ee-
MOS电容 器
入射光
e- e- e- e-
e-
e-
《光电显示成像基础》PPT课件
2. 亮度 - cd/m2 (0.03~50000 cd/m2; 室内显示器70cd/m2, 室外显示器-300cd/m2)
精选PPT
24
第一章 光电显示成像基础
3. 亮度均匀性 - 在不同区域亮度的一致性
(100%*亮度/平均亮度）
精选PPT
25
第一章 光电显示成像基础
4. 对比度和灰度
受环境光照影响
精选PPT
3
第一章 光电显示成像基础
第一章 光电显示成像基础
第一节 光电显示技术概述 第二节 显示参量与人眼的视觉因素 第三节 显示器件的主要性能
精选PPT
4
第一章 光电显示成像基础
第一节 光电显示技术概述
1.1 研究显示技术的意义
显示？ 对信息的表示
目前限定为基于光电子手段产生的视觉效果
人由感觉器官从外界获得信息：
分辨力特性由什么决定？
精选PPT
33
第一章 光电显示成像基础
7. 发光颜色 用发射光谱或色度坐标表示。
实验一：给出CRT和LCD显示器的光谱和色坐标、 色域
精选PPT
34
第一章 光电显示成像基础
8. 余辉时间
来源于CRT显示器荧光粉的发光特点：指荧光粉的 发光从电子轰击停止后开始减小到电子轰击时稳定 亮度的1/10所经历的时间。决定于荧光粉的性质。 一般CRT荧光粉的余辉时间从几百纳秒到几十秒。
的自由移动，如；自由行走、旋转等，沉浸感极强，在VR效果的观察设备
中，头盔显示器的沉浸感优于显示器的虚拟现实观察效果，逊于虚拟三维
投影显示和观察效果，在投影式虚拟现实系统中，头盔显示器作为系统功
能和设备的一种补充和辅助。
3DVR-三维数字视频录像机
精选PPT
24
第一章 光电显示成像基础
3. 亮度均匀性 - 在不同区域亮度的一致性
(100%*亮度/平均亮度）
精选PPT
25
第一章 光电显示成像基础
4. 对比度和灰度
受环境光照影响
精选PPT
3
第一章 光电显示成像基础
第一章 光电显示成像基础
第一节 光电显示技术概述 第二节 显示参量与人眼的视觉因素 第三节 显示器件的主要性能
精选PPT
4
第一章 光电显示成像基础
第一节 光电显示技术概述
1.1 研究显示技术的意义
显示？ 对信息的表示
目前限定为基于光电子手段产生的视觉效果
人由感觉器官从外界获得信息：
分辨力特性由什么决定？
精选PPT
33
第一章 光电显示成像基础
7. 发光颜色 用发射光谱或色度坐标表示。
实验一：给出CRT和LCD显示器的光谱和色坐标、 色域
精选PPT
34
第一章 光电显示成像基础
8. 余辉时间
来源于CRT显示器荧光粉的发光特点：指荧光粉的 发光从电子轰击停止后开始减小到电子轰击时稳定 亮度的1/10所经历的时间。决定于荧光粉的性质。 一般CRT荧光粉的余辉时间从几百纳秒到几十秒。
的自由移动，如；自由行走、旋转等，沉浸感极强，在VR效果的观察设备
中，头盔显示器的沉浸感优于显示器的虚拟现实观察效果，逊于虚拟三维
投影显示和观察效果，在投影式虚拟现实系统中，头盔显示器作为系统功
能和设备的一种补充和辅助。
3DVR-三维数字视频录像机
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
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$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。
2019/3/11
24
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。
2019/3/11
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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
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2019/3/11
光电导型真空摄像管
2019/3/11
11
二、光电发射型摄像管
2019/3/11
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电荷耦合器件
第7章 光电成像技术 7
2019/10/25
3
1965年，氧化铅管成功代替正析摄像管， 广泛应用于彩色电视摄像机。它使彩色电 视广播摄像机的发展产生了一个飞跃。
1976年前后，又相继出现灵敏度更高，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。
2019/10/25
10
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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12
电荷耦合器件
Charge-Coupled Devices 1970年由贝尔实验 室首先研制出来。
特点：体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、功 耗低、动态范围大。
主要应用领域：摄像、信号处理、存储、测量Biblioteka 2019/10/254
2 光电成像器件的类型
一、 扫描型
真空电子束扫描型
光电型：光电导式和光电发射式
热电型：热释电摄像管
固体自扫描型：电荷耦合摄像器件
2019/10/25
5
扫描型光电成像器件又称为摄像器件。这 种器件通过电子束扫描或自扫描方式将被 设景物将光学系统成像在器件光敏面上的 二维图像转变为一维时序电信号输出出来。 这种运载图像信息的一维时序信号称为视 频信号。
2
1934年研制出光电像管，应用于时内外的 广播电视摄像。它的灵敏度相当低，要达 到现在图像信噪比的要求，需要不低于 10000 lx的照度，这是它的应用范围受到 很大限制。
1947年超正析摄像管面世，使最低照度降 至2000 lx。
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PPT
(z) ——轴上电位分布
已知轴上电位分布，可唯一地完全决定空间电位分布。
二、近轴区电场对电子的作用力：
近轴情况： V (z, r) (z) 1 (z)r2
4
场强分量：
Er
V r
1 (z)r
2
Ez
V z
(z)
电场对电子在两个方向上的作用力：
电子运动的近轴（高斯）轨迹方程：
r 1 r 1 r 0
性质
24
1. 若轴上电位分布 (z) 已知，就可求得整个近轴空间的轨迹。
2. 不含荷质比，由零电位的同一点发出的电子，不 论其质量与电量如何，在近轴场内轨迹相同。
高斯光学：研究高斯轨迹理想成像规律的理论。
高斯光学理想成像性质:
2. 轴外点的理想聚焦成像：
r(z0 ) 0
r(zi ) r(z0 )r1(zi ) r(z0 )r2 (zi ) r(z0 )r1(zi ) Ar1(zi ) 常数
由物平面上轴外同一物点 P0 发出的电子， 不论其初始斜率如何，都会聚在同一点 Pi
r
P0
A r(z0 ) r1(z0 )
(
z0
)
1,
r2 (z0 ) 0,
r1(z0 ) 0离对称轴单位距离的平行入射的电子轨迹 r2(z0 ) 1轴上发出与轴成 45o角入射的电子轨迹
A r(z0 ), B r (z0 )
电子近轴轨迹的表达式:
r r(z0 )r1(z) r(z0 )r2(z)
r r(z0 )r1(z) r(z0 )r2(z)
(z) 0 : Fr 0 径向力方向背离对称轴，电子受到发散作用。
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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
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
Emin3.5105 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 有关 目标衬度、对比度： C Lt L b
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。
光电成像原理 20
— 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
CTFeyefexp22e2f2
f f00.1~0.4cyc/mrad
指数型 — 美国热成像系统模型采用
Barten模型
MTFeyef expkf
f f0
M TF eyefafM expbf1cexpbf12 a10.7/L0.2,b0.301100L0.15,c0.06
光电成像原理 15
输出图像信号
SB 1B 2r22 Q
输出图像噪声
N n 1 n 2B 1B 2r2 2 Q
输出图像信噪比
SN RB 1B B 1 2 2B r2 2 2 Q2 B m r2 2 Q C 2
其中
Bm 12B1 B2
C B1 B2 B1 B2
光电成像原理 16
光电成像的图像探测方程
➢ 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
0.6181.13 d
光电成像原理 9
五、视觉系统的调制传递函数MTF
➢ 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
——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
2B m r22
Q C 2S N R m in
图像探测方程 Bm2C2D22QSNRmin
➢ 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。
光电成像原理 4
➢ 明视觉响应与亮适应
视场亮度 3cd/m2
— 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
➢ 暗视觉响应与暗适应
视场亮度 3105cd/m2 — 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 觉的视见函数
光电成像原理 5
Lb
光电成像原理 6
➢ 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•C2•xconst Lb•C2•2const
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 其倒数称为眼睛的分辨力，也称为视觉锐度
SNR n1 n2 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， 有效积分时间为，物距为L，像元对系统的张角为
光电成像系统输出光电子数
nBr22Q
Q1.31016个lm•s
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
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
Emin3.5105 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 有关 目标衬度、对比度： C Lt L b
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。
光电成像原理 20
— 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
CTFeyefexp22e2f2
f f00.1~0.4cyc/mrad
指数型 — 美国热成像系统模型采用
Barten模型
MTFeyef expkf
f f0
M TF eyefafM expbf1cexpbf12 a10.7/L0.2,b0.301100L0.15,c0.06
光电成像原理 15
输出图像信号
SB 1B 2r22 Q
输出图像噪声
N n 1 n 2B 1B 2r2 2 Q
输出图像信噪比
SN RB 1B B 1 2 2B r2 2 2 Q2 B m r2 2 Q C 2
其中
Bm 12B1 B2
C B1 B2 B1 B2
光电成像原理 16
光电成像的图像探测方程
➢ 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
0.6181.13 d
光电成像原理 9
五、视觉系统的调制传递函数MTF
➢ 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
——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
2B m r22
Q C 2S N R m in
图像探测方程 Bm2C2D22QSNRmin
➢ 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。
光电成像原理 4
➢ 明视觉响应与亮适应
视场亮度 3cd/m2
— 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
➢ 暗视觉响应与暗适应
视场亮度 3105cd/m2 — 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 觉的视见函数
光电成像原理 5
Lb
光电成像原理 6
➢ 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•C2•xconst Lb•C2•2const
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 其倒数称为眼睛的分辨力，也称为视觉锐度
SNR n1 n2 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， 有效积分时间为，物距为L，像元对系统的张角为
光电成像系统输出光电子数
nBr22Q
Q1.31016个lm•s