光电成像系统原理26页PPT

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光电成像理论分析-传函PPT课件

北京理工大学光电工程系
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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
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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

光电成像器件

反光镜将原稿的信息反射到镜头上，由镜头将扫描信息传送到CCD感光器件，最后由CCD将照射到的光信号转换为电信号。
扫描精度即是指扫描仪的光学分辨率，主要是由镜头的质量和CCD的数量决定。由于受制造工艺的限制，目前普通扫描头的最高分辨率为20000像素
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扫描仪对图像画面进行扫描时，线性CCD将扫描图像分割成线状，每条线的宽度大约为10 μm。光源将光线照射到待扫描的图像原稿上，产生反射光(反射稿所产生的)或透射光(透射稿所产生的)，然后经反光镜组反射到线性CCD中。CCD图像传感器根据反射光线强弱的不同转换成不同大小的电荷或电流，经A／D转换处理，将电信号转换成数字信号，即产生一行图像数据。同时，机械传动机构在控制电路的控制下，步进电机旋转带动驱动皮带，从而驱动光学系统和CCD扫描装置在传动导轨上与待扫原稿做相对平行移动，将待扫图像原稿一条线一条线的扫入，最终完成全部原稿图像的扫描。如下图所示。
多数平板式扫描仪使用光电耦合器(CCD)为光电转换元件，它在图像扫描设备中最具代表性。
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扫描仪的简单工作过程就是利用光电元件将检测到的光信号转换成电信号，再将电信号通过模拟／数字转换器转化为数字信号传输到计算机中。无论何种类型的扫描仪，它们的工作过程都是将光信号转变为电信号。所以，光电转换是它们的核心工作原理。
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CCD器件为什么必须在动态下工作？其驱动脉冲频率的上下限受哪些条件限制。二相驱动CCD，像元数N＝1024，若要求最后位仍有50％的电荷输出，求电荷转移损失率。有5mm工件，要求用线阵CCD测量，分辨率优于5u，信号处理可对CCD单元进行4细分，推出用投影法测量时对CCD的参数要求。若CCD单元间隔为15u，用什么方法可进行测量，对系统参数有什么要求？

12光电子技术十四：光电成像系统-PPT课件

可见光 CCD 又可分为黑白 CCD 、彩色 CCD 和微光CCD
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（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。下图(a)为单沟道，(b)为双沟道。
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二、电荷耦合摄像器件的特性参数
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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
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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
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三、光电成像系统基本组成的框图
光源
光
光
信
信
号
号
光
信
信
信
号
号
号
12光电子技术十四：光电成像系统
§0 光电成像概述
一、光电成像系统的分类：
按照光电成像系统对应的光波长范围，光电成像系统可以分为：可见光、紫外光、红外光、 X光光电成像系统。
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二、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：
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
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（4）、光信号的注入
CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入两种，在光纤系统中， CCD接收的信号是由光纤传来的光信号，即采用光注入CCD。
当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对，在栅极电压的作用下，多数载流子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集在势阱中，存储起来。这样能量高于半导体禁带的光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷。

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
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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
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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。
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光电导型真空摄像管
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二、光电发射型摄像管
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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
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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）
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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。
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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。
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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。
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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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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

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。