光电成像系统下优秀课件
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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
光电成像理论分析-传函PPT课件
北京理工大学光电工程系
2
像变—光电成像器件输入静止的图像而输出图像可能会随时间产生变化， 这一现象称为像变。造成像变的原因是由于聚焦电磁场的不稳定性。电子光 学系统供电工作参数的波动以及外界电磁场的干扰，这些因素都将引起聚焦 电磁场的变化。除此之外，由于光电成像器件内部元件的充电、放电和磁化 也将导致电磁场的变化。其中有：
hc
qV
一般V在300V～10kV范围，因此所对应的波长为4～0.12nm。由此可
知电子光学系统的衍射像 差远小于可见光光学系统的衍射像差。
北京理工大学光电工程系
3
空间电荷效应—光电成像器件的电子束在聚焦电磁场中运动，电荷之间要产生电 场的排斥力和磁场的会聚力，在电子运动速度小于光速时，排斥力大于会聚力，因此造 成电子束的弥散像差。这一弥散像差随电子束流密度的增大而加剧。
简写为PSF。
由点扩散函数的表达式可以看出它弥散的分布是一个两维的高斯分布。其均方
差半径为（Dz）1/2，因此理想化光电成像器件的像差取决于图像扩散系数D以及偏离 理想像面的距离z。
比较可知
hp (x, y) p(x, y)
h(x, y) g(x, y) hp (x, y)
g(x, y)hp (x , y )dd
y)时。则可将
g(x, y) (x, y)
则输出的图像分布函数为
hp (x, y)
( , )
1
( x )2 ( y )2
e Dz dd
Dz
1
x2 y2
e Dz
Dz
上述结果表明：如果输入像为一几何点，则输出像则为一个弥散斑。通常将输入点
像所产生的输出像分布函数称之为归一化的点扩散函数（Point Spread Function），
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。
光电成像原理课件
1. 测辐射热计
材料具有高电阻温度系数，受热辐射后，温度变 化引起电阻值变化，固定电压下电流随之变化。
热敏电阻
2. 气动探测器 充气容器受热辐射后，温度升高，气体体积膨胀， 测量其容器壁的变化，可确定红外辐射的强度。
特点：使用寿命短，动态范围小，结构复杂， 价格昂贵，使用范围日益缩小。
3. 测辐射热电偶和热电堆（温差电偶和温差电堆） 温差电效应：两种不同导体两头相接时，如果两个 接头处于不同的温度，电路内就产生一个电动势， 连接外电路就有电信号输出。 特点：常用来测量温度，应用很广泛。 4. 热释电探测器 利用热释电效应探测辐射能量。 特点：探测率高，灵敏度高，使用方便。 热探测器中性能最好，应用最广，目前开发研究较多。
（2）硒化铅（PbSe）
性能参数 长波限
峰值探测率 D p
4.5 m
室温
干冰温度（195K）
5.2 m
响应时间
2 1010 3 s
5 1010 30 s
制冷到200K左右，是 3 ~ 5 m 波段的重要器件；
2. 锑化铟（InSb） 性能参数 长波限 峰值探测率 D p 响应时间 特点： （1）随温度降低，长波限向短波方向移动； （2）可常温工作，但性能稍低；常工作在77K； （3）灵敏度高，响应速度快，是 3 ~ 5 m 最成熟、应用最广的探测器。
SWIR： 0.76 ~ 3 m MWIR： 3 ~ 5 m LWIR： 8 ~ 14 m
5. 红外成像 可见光成像：显示目标表面可见光分布的情况 可见光 照相机 光图像 红外图像
红外成像：显示目标红外辐射分布情况 红外辐射 红外光学系统
红外热成像的对象：物体与背景的红外辐射分布图。 红外热像仪：拍摄物体的热图，昼夜都能看清景物， 可作夜视仪。 红外辐射分布图 红外图像 可见光图像
材料具有高电阻温度系数，受热辐射后，温度变 化引起电阻值变化，固定电压下电流随之变化。
热敏电阻
2. 气动探测器 充气容器受热辐射后，温度升高，气体体积膨胀， 测量其容器壁的变化，可确定红外辐射的强度。
特点：使用寿命短，动态范围小，结构复杂， 价格昂贵，使用范围日益缩小。
3. 测辐射热电偶和热电堆（温差电偶和温差电堆） 温差电效应：两种不同导体两头相接时，如果两个 接头处于不同的温度，电路内就产生一个电动势， 连接外电路就有电信号输出。 特点：常用来测量温度，应用很广泛。 4. 热释电探测器 利用热释电效应探测辐射能量。 特点：探测率高，灵敏度高，使用方便。 热探测器中性能最好，应用最广，目前开发研究较多。
（2）硒化铅（PbSe）
性能参数 长波限
峰值探测率 D p
4.5 m
室温
干冰温度（195K）
5.2 m
响应时间
2 1010 3 s
5 1010 30 s
制冷到200K左右，是 3 ~ 5 m 波段的重要器件；
2. 锑化铟（InSb） 性能参数 长波限 峰值探测率 D p 响应时间 特点： （1）随温度降低，长波限向短波方向移动； （2）可常温工作，但性能稍低；常工作在77K； （3）灵敏度高，响应速度快，是 3 ~ 5 m 最成熟、应用最广的探测器。
SWIR： 0.76 ~ 3 m MWIR： 3 ~ 5 m LWIR： 8 ~ 14 m
5. 红外成像 可见光成像：显示目标表面可见光分布的情况 可见光 照相机 光图像 红外图像
红外成像：显示目标红外辐射分布情况 红外辐射 红外光学系统
红外热成像的对象：物体与背景的红外辐射分布图。 红外热像仪：拍摄物体的热图，昼夜都能看清景物， 可作夜视仪。 红外辐射分布图 红外图像 可见光图像
光电成像器件 ppt课件
γ＞1 图像对比度提高。 * 关于伽玛γ校正电路
三.分辨率 能够分辨图像中明暗细节的能力
有两种表示方法: ⑴ 极限分辨率：用在图像（光栅）范围 内能分辨的等宽黑白线条数表示（如：水平 800线、垂直500线）；也用～线对/mm表 示。
⑵ 调制传递函数MTF：能客观地测 试器件对不同空间频率信号的传递能力
（2）、电荷存储
以衬底为P型硅构成的MOS电容为例。
当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在Si-SiO2界 面处的电势发生变化，附近的P型硅中的多数载流子-空 穴被排斥，形成耗尽层。如果栅极电压超过MOS晶体管 的开启电压，则在Si-SiO2界 面处形成深度耗尽状态，电 子在那里势能较低-形成了一 个势阱。如有信号电子，将 聚集在表面，实现电荷的存 储。此时耗尽层变薄。势阱 的深浅决定存储电荷能力的 大小。
体内沟道（或埋沟道CCD）：
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。
第八章 光电成像器件
8.1 摄像管 8.2 摄像器件的性能参数 8.3 电荷耦合器件 8.4 CMOS图像传感器 8.5 图像增强器
➢ 摄像机video camera
➢ 摄像机种类繁多，其工作的基本原理都是 一样的：把光学图象信号转变为电信号， 以便于存储或者传输。当我们拍摄一个物 体时，此物体上反射的光被摄像机镜头收 集，使其聚焦在摄像器件的受光面（例如 摄像管的靶面）上，再通过摄像器件把光 转变为电能，即得到了“视频信号”。
（4）、光信号的注入
三.分辨率 能够分辨图像中明暗细节的能力
有两种表示方法: ⑴ 极限分辨率：用在图像（光栅）范围 内能分辨的等宽黑白线条数表示（如：水平 800线、垂直500线）；也用～线对/mm表 示。
⑵ 调制传递函数MTF：能客观地测 试器件对不同空间频率信号的传递能力
（2）、电荷存储
以衬底为P型硅构成的MOS电容为例。
当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在Si-SiO2界 面处的电势发生变化，附近的P型硅中的多数载流子-空 穴被排斥，形成耗尽层。如果栅极电压超过MOS晶体管 的开启电压，则在Si-SiO2界 面处形成深度耗尽状态，电 子在那里势能较低-形成了一 个势阱。如有信号电子，将 聚集在表面，实现电荷的存 储。此时耗尽层变薄。势阱 的深浅决定存储电荷能力的 大小。
体内沟道（或埋沟道CCD）：
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。
第八章 光电成像器件
8.1 摄像管 8.2 摄像器件的性能参数 8.3 电荷耦合器件 8.4 CMOS图像传感器 8.5 图像增强器
➢ 摄像机video camera
➢ 摄像机种类繁多，其工作的基本原理都是 一样的：把光学图象信号转变为电信号， 以便于存储或者传输。当我们拍摄一个物 体时，此物体上反射的光被摄像机镜头收 集，使其聚焦在摄像器件的受光面（例如 摄像管的靶面）上，再通过摄像器件把光 转变为电能，即得到了“视频信号”。
（4）、光信号的注入
光电成像系统下优秀PPT
1. 帧转移 （Frame-Transfer） 面阵CCD
由成像区(像敏区)、 暂存区和水平读出寄 存器等三部分构成。
1
2
33
场正程期间： 场逆程期间：
场正程期间，成像区收集电荷，当 光积分时间到后，进入场逆程，信 号转到暂存区。暂存区与水平区按 行周期工作，一行一行的向下平移， 直至输出整场图像信号。
驱动频率的下限
在信号电荷的转移过程中，注入电荷从一个电极转移到另一
个电极所用时间须小于光生载流子的平均寿命τi，对于三相来讲，
周期为T
t1
T 3
1 3f
i
f 1
3 i
载流子的平均寿命τi与器
件的工作温度有关， 工作温
度越高，平均寿命越短，驱
动频率的下限越高。
驱动频率的上限
驱动频率升高时，信号电荷转移跟不上驱动脉冲的变化，
（1）电极是金属，容易蔽光，即使是换成多晶硅， 由于多层结构电极系统对入射光吸收、反射和干涉 比较严重，因此光强损失大，量子效率低。 （2）电荷包转移期间，光积分在继续进行，使输出 信号产生拖影。
2
8
1.电荷存储
N型CCD
耗尽
区的
深度 与UG 成正 比。
在栅极G施加电压UG 之前p型半导体中空穴 的分布是均匀的。
2
22
表面态效应：在半导体的表面，由于存在自身缺陷、吸附物质、 氧化物或与电解液中的物质发生作用等原因，表面电子之量子状 态会形成分立的能级或很窄的能带，称为表面态。它可以俘获或
释 初放始载电流荷子Q，（或0形）成取复大合中值心称，“使胖半零导体电带荷有”表，面显电荷然，“影胖响零其” 电 （性fa能t z。er当o电）荷工包作转模移式时，下空，的电表荷面转态从移沟效道率中高获。得电胖子零，电如荷它 能 属很于快暗的电将流电，子发且射不出能来通，过跟随降原低电器荷件包的转移温，度就来不减会小影响的转。移
由成像区(像敏区)、 暂存区和水平读出寄 存器等三部分构成。
1
2
33
场正程期间： 场逆程期间：
场正程期间，成像区收集电荷，当 光积分时间到后，进入场逆程，信 号转到暂存区。暂存区与水平区按 行周期工作，一行一行的向下平移， 直至输出整场图像信号。
驱动频率的下限
在信号电荷的转移过程中，注入电荷从一个电极转移到另一
个电极所用时间须小于光生载流子的平均寿命τi，对于三相来讲，
周期为T
t1
T 3
1 3f
i
f 1
3 i
载流子的平均寿命τi与器
件的工作温度有关， 工作温
度越高，平均寿命越短，驱
动频率的下限越高。
驱动频率的上限
驱动频率升高时，信号电荷转移跟不上驱动脉冲的变化，
（1）电极是金属，容易蔽光，即使是换成多晶硅， 由于多层结构电极系统对入射光吸收、反射和干涉 比较严重，因此光强损失大，量子效率低。 （2）电荷包转移期间，光积分在继续进行，使输出 信号产生拖影。
2
8
1.电荷存储
N型CCD
耗尽
区的
深度 与UG 成正 比。
在栅极G施加电压UG 之前p型半导体中空穴 的分布是均匀的。
2
22
表面态效应：在半导体的表面，由于存在自身缺陷、吸附物质、 氧化物或与电解液中的物质发生作用等原因，表面电子之量子状 态会形成分立的能级或很窄的能带，称为表面态。它可以俘获或
释 初放始载电流荷子Q，（或0形）成取复大合中值心称，“使胖半零导体电带荷有”表，面显电荷然，“影胖响零其” 电 （性fa能t z。er当o电）荷工包作转模移式时，下空，的电表荷面转态从移沟效道率中高获。得电胖子零，电如荷它 能 属很于快暗的电将流电，子发且射不出能来通，过跟随降原低电器荷件包的转移温，度就来不减会小影响的转。移
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。
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
25
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
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
12
电荷耦合器件
光电成像——非均匀性校正资料课件
6
第6讲 非均匀校正 光电成像实时处理技术
➢按参考辐射源定标点的个数分为 一点定标校正 两点定标校正 多点定标校正
➢一般来说，由于探测器单元的响应特性并非呈理想的直 线，所以参考定标点越多，即插值节点越多，校正精度 越高。
7
第6讲 非均匀校正 光电成像实时处理技术
6.3 一点定标校正算法
➢算法原理 ➢算法实现 ➢算法分析
第6讲 非均匀校正 光电成像实时处理技术
第6讲 基于参考辐射源的 非均匀性校正算法
6.1 非均匀性校正原理۩. 6.2 基于参考辐射源的非均匀性校正۩. 6.3 一点校正算法۩. 6.4 两点校正算法۩.
1
第6讲 非均匀校正 光电成像实时处理技术
6.1 非均匀性校正原理
➢在红外焦平面阵列中，虽然每一个单元探测器的响应函数 是一个非线性函数，但是在一个较小的工作范围内，探测 器的响应曲线可以近似地看作为直线，且假定探测器的响 应具有时间上的稳定性，则红外焦平面阵列中单个探测器 的响应输出可以用一个线性方程来表示
与其校正值
之间存在以下比例关系：
可求得
令
和
可简化为：
15
第6讲 非均匀校正 光电成像实时处理技
术
三点校正公式
其中，需要三个温度参考点图像，高温H，中温M ， 低温L。判断待校正图像的像素值范围，若小于中温M 中对应像素位置的值，用上式。否则，用下式。
16
第6讲 非均匀校正 光电成像实时处理技术
算法分析
➢由校正公式和算法示意图可以看出，两点定标线性校正算 法侧重于从非均匀性产生的机理出发进行校正，它需要对 两个定标点进行测量，对每个探测器单元得到两个校正参 数。该算法不仅对偏置进行了校正，还对增益系数做了校 正，校正的动态范围比一点定标线性校正算法明显增大。
第6讲 非均匀校正 光电成像实时处理技术
➢按参考辐射源定标点的个数分为 一点定标校正 两点定标校正 多点定标校正
➢一般来说，由于探测器单元的响应特性并非呈理想的直 线，所以参考定标点越多，即插值节点越多，校正精度 越高。
7
第6讲 非均匀校正 光电成像实时处理技术
6.3 一点定标校正算法
➢算法原理 ➢算法实现 ➢算法分析
第6讲 非均匀校正 光电成像实时处理技术
第6讲 基于参考辐射源的 非均匀性校正算法
6.1 非均匀性校正原理۩. 6.2 基于参考辐射源的非均匀性校正۩. 6.3 一点校正算法۩. 6.4 两点校正算法۩.
1
第6讲 非均匀校正 光电成像实时处理技术
6.1 非均匀性校正原理
➢在红外焦平面阵列中，虽然每一个单元探测器的响应函数 是一个非线性函数，但是在一个较小的工作范围内，探测 器的响应曲线可以近似地看作为直线，且假定探测器的响 应具有时间上的稳定性，则红外焦平面阵列中单个探测器 的响应输出可以用一个线性方程来表示
与其校正值
之间存在以下比例关系：
可求得
令
和
可简化为：
15
第6讲 非均匀校正 光电成像实时处理技
术
三点校正公式
其中，需要三个温度参考点图像，高温H，中温M ， 低温L。判断待校正图像的像素值范围，若小于中温M 中对应像素位置的值，用上式。否则，用下式。
16
第6讲 非均匀校正 光电成像实时处理技术
算法分析
➢由校正公式和算法示意图可以看出，两点定标线性校正算 法侧重于从非均匀性产生的机理出发进行校正，它需要对 两个定标点进行测量，对每个探测器单元得到两个校正参 数。该算法不仅对偏置进行了校正，还对增益系数做了校 正，校正的动态范围比一点定标线性校正算法明显增大。
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
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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
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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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CCD ICCD EMCCD 按原理
按光谱
可见光、红外、X光和紫外 可见光CCD又可分为黑白CCD、
SCCD（ SCCD Surface
彩色CCD和微光CCD
Channel CCD）表面沟道器件
BCCD（ Bulk or Buried Channel CCD）体沟道或埋沟 道器件
按信号传输功能
Linear 线性、Interline扫瞄、 全景 Full-Frame和 FrameTransfer 全传
光信息
序列电脉冲
每个脉冲反映一个光敏元的受光情况
每个脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱
输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置
完成图像传感
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CCD 是由规则排列的金属—氧 化物—半导体（Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列 组成。
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CCD器件每一单元（每一像素）称为一位。CCD一 位中含的MOS电容个数即为CCD的相数，通常有二相、 三相、四相等几种结构。二相脉冲的两路脉冲相位相 差1800；三相及四相脉冲的相位差分别为1200、900 。 当这种时序脉冲加到CCD驱动电路上循环时，将实现 信号电荷的定向转移及耦合。
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8.4.1 线阵CCD 图像传感器
以SCCD为例
讨论CCD的基 电荷存储
本工作原理。
电荷 注入
CCD
电荷 输出
电荷转移
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最简单的线阵CCD是由一个输入二极管(ID)、一 个输入栅(IG)、一个输出栅(OG)、一个输出二极管(OD) 和一列紧密排列的MOS电容器构成，如下图所示。
如果不是逐渐增加栅压，而是加阶梯电压 UG>Uth，则由于UG足够大，此时，表面层虽是 反型层，但电子尚未产生，实质是空的电子势阱， 此时半导体处于“非平衡态”，耗尽层的深度将 超过热平衡态时的深度，因此称为“深耗尽”。
当足够多的热电子汇集到 表面时，势阱被电子逐渐 填满时，此时耗尽层深度 基本上不再随着外加栅压 的增加而增加，界面处电 子浓度将等于衬底空穴浓 度，称此时的饱和状态为 “强反型”
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线阵CCD与面阵CCD的比较
1）对于面阵CCD来说，应用面较广，如面积、形 状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。面阵CCD的 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。
2）线阵CCD结构简单，成本较低。可以同时储存 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，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 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 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。
（1）电极是金属，容易蔽光，即使是换成多晶硅， 由于多层结构电极系统对入射光吸收、反射和干涉 比较严重，因此光强损失大，量子效率低。 （2）电荷包转移期间，光积分在继续进行，使输出 信号产生拖影。
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1.电荷存储
N型CCD
耗尽
区的
深度 与UG 成正 比。
在栅极G施加电压UG 之前p型半导体中空穴 的分布是均匀的。
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三相表面沟道CCD
a
b
c
N型CCD比P型CCD工作频率高 abcde
d
e 电极间隙不能
大(<3μm)否则
电子被势垒隔
开不能转移
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三相CCD驱动脉冲波形图
Φ1
2π/3 4π/3
2π
Φ2
t
Φ3
t
t
1 2 3
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对于单层金属化电极结构，为了保证电荷定向转移，驱动脉 冲至少需要三相：当信号电荷自2电极向3电极转移时，在 1电极下面形成势垒，以阻止电荷倒流。 如果想用二相脉冲驱动，就必须在电极结构中设计并制造出 某种不对称性，即由电板结构本身保证电荷转移的定向性。 产生这种不对称性最常用的方法，是利用绝缘层厚度不同的 台阶以及离子注入产生的势垒。
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CCD的结构和工作原理示意图
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CCD分类
按尺寸
按转移电极相数：
二相、三相、四相等
线阵CCD
单沟道双沟道
CCD 面阵CCD
帧、隔列、 线转移
按增强功能
相数由CCD芯片内部结构决定。多 数面阵CCD都是三相或四相驱动， 多数线阵CCD都是二相驱动。四相 CCD与三相、二相器件相比，能适 应更高的时钟频率.
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图为在掺杂为1021 cm-3，氧化层厚度分别为0.1μm、 0.3μm、0.4μm和0.6μm情况下，不存在反型层电荷时 ， 表面势(半导体与绝缘体界面上的电势)Φs与栅极电压 UG的关系曲线。
Φs随栅极电压UG的增加 而增加；
氧化层的厚度越薄曲线 的直线性越好； 在同样的栅极电压UG作 用下，不同厚度的氧化 层有着不同的表面势。 表面势Φs表征了耗尽区 的深度（势阱深度） 。
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图为栅极电压UG不变
的情况下，表面势Φs与反
型层电荷密度Qinv之间的关 系。
由图可以看出，表面储信号电荷的容 量为Q=COXUG
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同样的表面势氧 化层厚度越薄电 荷密度越大
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2.电荷耦合—传输或转移
当栅极施加正电压UG小 于电压Uth ，p型半导体 中的空穴将开始被排斥， 产生所示耗尽区。
UG大于Uth后，吸引到表面的电子 浓度迅速增大，在表面形成一层
极薄但电荷浓度很高的电子导电
层，因为其载流子和体内导电类
型相反，因而称为反型层。
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饱和状态下不存在有 用的势阱，CCD必须 工作在非热平衡的瞬 态条件下，或者说要 求信息电荷的存储时 间小于热弛豫时间。
2012.2贾湛制作
第8章 图象信息的光电变换
主讲：扬州职业大学 电子工程系 贾湛
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8.4 电荷耦合器件CCD
CCD——Charge-coupled Device即电荷耦合器件。
CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成 数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷 转给它相邻的电容。工作原理大致为：