光电成像器件

B0是取决于转换特性的系数
II.
负指数衰减型 Bt b exp bt Bt 0 指数率减小
t0 t0
b 是取决于惰性的系数，当 b 增大时，惰性成
III. 双曲函数衰减型
B0 Bt B0t Bt 0



exp 2j f x u f y v dfx df y



O f x , f y
两个方面
可见V （图像）
电流I （视频电信号） 电压Ｕ
① 转换系数：
增益（直视型）
② 光电灵敏度： 响应度（非直视型）
a)
增益——直视型 输入
输出
不同波段的电磁辐射通量（或光通量）
转换系数（增益）
光通量（可见光V）
光电成像器件在法线方向（θ =0）输出的亮度L与输入的辐照度E 的比值
K m M m K M d 0 L 0 G E Em E d 0
光电信息技术
光电成像器件
中原工学院
参考书： 《光电成像原理》，邹异松等，北京理工大学出版社
中原工学院理学院 曾灏宪
5.1 概述
一．光电成像器件的发展
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
光电转换特性参数
转换系数（增益）、灵敏度（响应率）
3.
时间响应特性
惰性（余辉）、脉冲响应函数、瞬时调制传递函数
4.
光学特性
分辨率、光学传递函数
5.
噪声特性（探测器性能参数）
噪声、噪声等效输入（探测率）、信噪比
1. 光谱响应
器件对不同频率（或波长）光的灵敏度特性，或者说，
器件的灵敏度特性随光频率（或波长）的变化曲线

运载图像信息的一维时序信号称为视频信号
2.
非扫描型：直视型电真空像管
红外变像管
变像管
紫外变像管
X射线变像管 串联式像增强管
可直接观察， 类似于透镜 成像
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
5.2 光电成像器件的基本特性
表示光电成像特性的参数可分为五大类
1.
2.
光谱响应
取决于光电转换材料的光谱响应
例
摄像管 视象管 CCD 热释电摄像管
光电阴极材料 靶材料 硅材料 材料的热释电效应——近似直线
应选择光谱响应与被测景物辐射光谱相匹配的成像器件
2. 光电转换特性参数
表示输入物理量与输出物理量之间的依从关系
直视型： 紫外U 可见V 红外R 非直视型： 紫外U 可见V 红外R
ISO 12233 Test Chart
点扩散函数与光学传递函数
了解
定量描述光电成像过程的成像特性，最直观的方式是 列出它的输入图像分布函数 g(x,y) 和输出图像分布 函数 h(u,v) 之间的关系式 然而，由于数学上的困难，这样的计算是难以实现的，
因此提出了下面两种方式来分析成像特性： ① 点扩散函数
出（无惰性）的归一化时间频谱函数之比
T f
F ht h0 t dt

F h0 t ht dt


脉冲响应函数与瞬时调制传递函数是一组Fourier变换对 当光电成像器件的输入照度为光脉冲时，令其输出的时 间响应函数为 p(t) 。对于理想无惰性的状态，可用脉 冲函数 δ (t) 来表示理想输出的时间响应函数。 代入前式，得
x y x y
此时，可以建立如下的成像关系式
H f x , f y G f x , f y O f x , f y
H f x , f y G f x , f y O f x , f y
也可表示为
hu , v
Rm I RL 2 EL
3. 时间响应特性参数
（1）惰性 直视型： 时间响应的滞后
输出屏是限制时间响应的主要环节——表现为余辉
来源于荧光粉的受激发光过程 非直视型： ① 光电导效应：载流子暂态俘获再重新获释的时间分散 ② 电容效应：在扫描电子束着靶的过程中，扫描电子束 等效电阻与靶电容构成充电回路，其时间常数决定了
b) 光电灵敏度（响应率）——非直视型
输入 不同波段的电磁辐射通量（或光通量） 电流响应率
输出 电信号（I或V）
等效短路状态输出信号的电流值
I RI AEm E d
0
I
电压响应率
光敏面的有效面积（或扫描面积）
V RV AEm E d
0
V
光电灵敏度与入射辐射的光谱分布有关，在工
T f


0
b exp bt j 2ft dt


0
b exp bt dt
2
b b 2 2f
2f exp j arct an b
此式表示了负指数衰减型光电成像的频率响应特性 式中 实部是幅频响应，虚部是相位频率响应
4. 光学特性
亮度增益
当器件用于增强可见光图像时，常定义为亮度增益Gl
K m M m K M d 0 L 0 Gl El K m Em K E d 0
将输入辐照度E 改为输入光照度El
有量纲 cd/(m2·lx) 教材上错误，请更改
程中同样规定取标准辐射源（或标准光源）作
为输入以求统一，同时，引入单色响应率
单色光输入时
单色电流响应率
I RI E
单色电压响应率
RV
V E
峰值波长灵敏度
单色灵敏度取最大值时，对应的单色辐射波 长为峰值波长
Rm
截止波长
I Em
在长波一端取单色灵敏度下降为峰值的一半
时所对应的波长，或称长波限
τ也称为驰豫时间 b为取决于惰性的常数
（2）脉冲响应函数
描述时间响应特性的函数
当光电成像器件的输入辐照度（或照度）为脉冲函数（采 用纳秒、皮秒等超短脉冲激光器作为输入光源）时，得到 输出信号是时间的函数。取其归一化的函数B(t)定义为脉 冲响应函数 由于光电成像过程的惰性主要来源于荧光屏和光电导的滞 后，并表现在衰减过程中，实验也证实，光电转换中上升
监控工程等，成为现代科学技术的重要组成部分
1934年研制出光电像管，应用于室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
10000lx的照度，这使它的应用范围受到很大限制
1947年超正析摄像管面世，使最低照度的要求降至 2000lx 1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其成本低，体积小，灵敏
段
二．分类
1.
扫描型（非直视型） ① ② ③ ④

真空电子束扫描型，例 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（CCD）
扫描型光电成像器件又称为摄像器件
被摄景物通过光学系统成像在器件光敏面上，然后由
这种器件通过电子束扫描或自扫描方式将光敏面上的 二维图像转变为一维时序电信号输出出来
② 光学传递函数
① 点扩散函数
当光电成像过程满足线性（齐次性和叠加性）及时间、空 间不变性的成像条件时，可建立以下成像关系式
hu, v

g x, y pu, v

g x, y pu x, v y dxdy

上式中，p(u,v) 是光电成像的点扩散函数，是由输入 δ (x,y) 函数分布的图像所得到的输出图像分布函数
时间延迟的大小
时间常数的确定
输入信号瞬间截止后，其输出信号（光或电信号）衰减 为 B(t) 时，惰性的时间常数 τ 定义为
1 Bt dt B0 0
例
当惰性的衰减函数为负指数函数时，即
Bt b exp bt
此时，时间常数为
t0
1 1 b exp bt dt b 0 b
度和分辨率都较高，但是不适用于高速场合和彩色应用
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
ຫໍສະໝຸດ Baidu 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)，从此光电成
像器件的发展进入一个新的阶段 ——CCD固体摄像器件的发展阶
光电成像过程中因为种种原因而产生像差，使输出图 像的亮度分布不能准确地再现输入图像的照度分布 定量描述这种图像失真程度的性能指标通常使用分辨 率和光学传递函数（或调制传递函数） 分辨率是单值参数
光学传递函数是空间频率的复函数
分辨率 以人眼作为接收器所判定的极限分辨能力，也叫分辨力 通常用光电成像在一定距离内能分辨的等宽黑白条纹数 来表示 直视型 输入像面上每毫米所能分辨的等宽黑白条纹数 非直视型 扫描线方向上相当于帧高的距离内所能分辨的等宽 黑白条纹数 这一极限分辨率的线条数简称为电视线 n
G0 Gl
为什么？
单色转换系数
为了描述直视型光电成像器件对不同光谱的转换特性，定义单色转换系 数 Gλ
K m M m K M d 0 L 0 G E E
可定量描述光电成像器件的光谱响应特性
转换系数、亮度增益、光增益都与输入光谱分布有关。 作为统一标准，必须确定取标准辐射源（或标准光源） 作为输入源。
2
t0 t0
α 是与输出变化率相关的系数 β 是与量子产额相关的系数
双曲函数表现出较为严重的惰性
B(t)--t B(0)=5 a=b= = =1 1 0.9 0.8 0.7 0.6
B(t)
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
0
0.5
1 t
1.5
2
2.5
（3）瞬时调制传递函数 当光电成像过程满足线性及时间不变性等条件时，还可 以用瞬时调制传递函数来表示时间响应特性 瞬时调制传递函数描述的是光电成像在频率域的响应特 性，建立在Fourier分析的数学基础上 定义：光电成像所输出的归一化时间频谱函数与理想输
根据Fourier变换公式，如果 g(x,y) 和 h(u,v) 满足狄利 克雷条件及无限区间可积条件，则它们的频谱函数存在， 即
G f x , f y H fx, f y
g x, y exp 2j f x f y dxdy hu, vexp 2j f u f vdudv
过程的滞后远小于下降过程的滞后，故可认为脉冲响应函
数上升斜率近似为∞，即，上升过程没有惰性 根据下降（衰减）过程的特性，可将脉冲响应函数归结为3
种类型
I.
比例函数衰减型
2a B0 at B t 2 B0 Bt 0
B0 0t a t0
a 是取决于惰性的系数，当 a 增大时，惰性成 比例减小
光增益
工程上为了计算和测试方便，采用无量纲的量G0来表示增益——光增 益
G0
K m M m K M d K m Em K E d
0 0

输出光出射度与输入光照度之比
如果直视型光电成像器件的输出像面具有朗伯体 （Lambert）发光特性，由上两式可得
x, y dxdy 1 (x 0, y 0) (x 0, y 0) x, y 0 x, y 1 (x 0, y 0)
② 光学传递函数（OTF）
当光电成像过程满足线性及时间、空间不变性的成像条件 时，则可以将它的输入图像分布函数 g(x,y) 和输出图像分 布函数 h(u,v) 换为频谱函数来进行分析
T f


t exp j 2ft dt p t dt

p t exp j 2ft dt t dt



p t exp j 2ft dt



p t dt
例
根据时间响应函数求对应的瞬时调制传递函数 取前面的 (II)，时间响应函数为负指数函数，则，相 应的瞬时调制传递函数为