光电成像原理第一章

紫外 适用辐射波段 可见光 红外 工作模式(辐射来源) 主动 被动 挥扫 推扫 全色 光谱 激光
图像获取方式
框幅式 扫描式 折射 反射 折反射
光电成像原理
光学系统结构形式
1
变像管：红外、紫外、X射线 直视型 光电成像器件类型 电视型 直视型光电成像器件 — 用于人眼直接观察图像的系统中 器件本身具有图像转换、增强及显示部分 基于外光电效应，即光电发射效应 工作于真空环境下
∞ 1 B ( t )dt τ= ∫ 0 B ( 0)
输出信号衰 减函数
例：惰性衰减函数为负指数函数
= B(t ) b exp(−bt )
∞ ∞ 1 1 −1 B= bt )dt = τ ( t )dt b ∫0 b exp ( −= ∫ 0 B ( 0) b
光电成像原理
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二、脉冲响应函数
——定量表述光电成像器件对激励信号的动态响 应过程 定义
0 ∞
光谱灵敏度Rλ — 针对单色辐射
iλ iλ R = = iλ Pλ AEλ
Pλ－光功率谱密度函数，与目标辐射源特性有关 Rλ－随波长变化，引入相对光谱灵敏度R(λ)
Rλ R (λ ) = Rλ m
R(λ)~λ曲线称为光谱灵敏度曲线
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R、Rλ以及R(λ) 的关系
以电流响应为例
i R = = P
1905年，Einstein 首次将量子理论应用于光电发 射效应
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1916年，Einstein 完善了光与物质内部电子能态相互作 用 的量子理论，揭示了光电效应的本质 1929年，Koller 制成了银氧铯光阴极，随后研制成功红 外变像管，此后相继出现了紫外变像管和X射线变像管 1963年，Simon 提出负电子亲和势光阴极理论，产生了 高量子效率的像增强器 光电成像器件应用于电视技术，光电析像管、电视摄像 管、硅靶摄像管等，至固体摄像器件CCD、CMOS、 IRFPA等，光电成像技术进一步走向小型化、低成本、 高清晰……
分类
紫外 辐射特性 可见光 红外 微波
光电成像原理
全色 光谱 激光
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工作模式
主动 被动
成像模式
凝视 扫描 挥扫 推扫
光学系统结构
折射 反射 折反射
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变像管：红外、紫外、X射线 光电成像器件 直视型 像增强器：电子倍增……
电视型 直视型光电成像器件 — 用于人眼直接观察的系统中 器件本身具有图像转换、增强及显示部分 基于外光电效应，即光电发射效应 工作于真空环境下
∫ ∫
0
iλ d λ 0 = ∞ Pλ d λ
∞
∫
∞
0
Pλ Rλ d λ
∞
∫
0
Pλ d λ
定义相对光谱灵敏度为 R(λ)和相对光功率谱密度函数P(λ)
Rλ = Rm R (λ )
∞ m 0
Pλ = Pm P (λ )
其中Rm是最大(峰值)光谱响应率，Pm是最大单色辐射功率
R ∫ P( λ )R( λ )dλ R= = αRm ∞ ∫0 P( λ )dλ
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光电成像系统适用光谱范围
电磁波谱范围
光电成像原理
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根据衍射理论，两个像点间能够被分辨的最短距离
0.61λ d= n′ sin θ ′
光电成像系统有长波限和短波限 有效波谱区域包括：亚毫米波、红外辐射、可见光、紫 外辐射、X射线、γ射线 波长范围： 频率范围： 1mm ～ 10nm 3×1011～3×1016 Hz
光电成像原理
像增强器：电子倍增……

特点
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电视型光电成像器件 — 用于电学量记录图像的系统中 大多基于内光电效应（光电导、光伏）、光 热效应 将二维空间图像转换为一维视频信号 一维信号重现为二维图像需要显像装置 真空器件：光电摄像管、热释电摄像管…… 固体器件：CCD、CMOS、IRFPA
特点
电视型
光电成像器件特性描述
表征光电转换能力：转换系数、灵敏度 表征时间响应的动态特性：惰性、脉冲响应函数、瞬时 调制传递函数 表征噪声特性：噪声特点、信噪比、噪声等效功率 表征图像分辨特性：分辨力、点扩散函数、光学传递函数
说明各项性能参数的物理意义 给出必要的数学描述
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光电成像系统分类方法
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四、成绩：平时40%,，考试60%
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第一章
绪
论
光电成像技术的产生和发展 光电成像系统适用范围 光电成像系统构成及分类 光电成像器件特性描述
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光电成像技术的产生和发展
——光电成像技术是在人类探索和研究光电效 应的进程中产生和发展的
1873年，W. Smith 首先发现了硒的光电导现象 1887年，Hertz 首次发现了光电发射现象 1900年，Planck 创立量子理论
t≥0
t<0
α与输出变化率有关，β与量子效率有关
三、瞬时调制传递函数
——定量描述光电成像器件在频率域的响应特性， 反映器件自身动态特性，与输入信号和初始状态 无关
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定义
归一化的输出信号的频谱函数与归一化的输入 信号的频谱函数之比
数学表达式
T( f ) =
F [h(t )] F [δ (t )]
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第五章 直视型真空成像器件及其成像系统
像管成像物理，像管性能参数，微光夜视光电成像 系统及其特性分析
第六章 固体成像器件及其成像系统
CCD器件成像物理，CCD成像器件结构与性能参 数，电视型光电成像系统及其特性分析，CMOS成 像器件介绍
第七章 红外热成像器件及其成像系统
红外探测器成像物理，典型红外探测器，红外热 成像系统总体设计
2. 负指数函数衰减型：
h(t ) = 1 t exp( − )
t≥0
h(t ) = 0
其它
τ
τ
h(t ) = 0
t<0
a — 取决于器件惰性 h0 — 取决于器件的光电转换特性
τ 是时间常数
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3. 双曲函数衰减型：
αβ h 0 h(t ) = (α + β h0 t ) 2
h(t ) = 0
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三、参考书
① 白廷柱、金伟其，光电成像原理与技术， 北京理工大学出版社 ② 向世明、倪国强，光电子成像器件原理， 国防工业出版社 ③ 安毓英、曾小东，光电探测原理， 西安电子科技大学出版社 ④ 王庆有，光电技术，电子工业出版社 ⑤ 常本康、蔡毅，红外成像阵列与系统， 科学出版社
光电成像原理
光电成像原理
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光电转换特性
——描述光电成像器件输入物理量与输出物理 量之间的关系
取决于器 件类型
转换系数 亮度增益 光电灵敏度
输出物理量 转换特性 = 输入物理量
电磁波辐 射量
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一、转换系数
——对于变像管，输入物理量为器件接收到的红 外、紫外、X射线等非可见光辐射，输出物理量为 人眼可以观察的可见光辐射 数学表达式
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∫ P( λ )R( λ )dλ α= ∞ ∫0 P( λ )dλ
称为光谱利用率系数（或光谱匹配系数） 表示光电器件响应功率占入射功率的百分比，反映了器 件光谱响应范围与入射辐射光谱范围匹配情况。
∞ 0
量子效率η — 以量子数目表示
ηλ = N S N P
NP：单位时间成像器件接收的光子数 NS：单位时间激发出的光电子数
光电成像原理
Principles of Photoelectric Imaging
一、什么是光电成像？
定义：利用光电系统获取影像信息的方法和技术，称为光 电成像 影像 — 对客观景物的重现 ：形状、尺寸、纹理、色彩…… 信息组成的主体部分 光电系统 — 以光辐射作为信息或能量的载体，使用光电器 件进行探测、传感、测量的系统。 意义：对人眼视见能力的突破和延伸，灵敏度、空间细节 分辨、瞬变现象捕获、光谱域、过程回放……
G= L
法线方向出射亮度
ω =0
ຫໍສະໝຸດ Baidu
E
入射照度
E = Em ∫ E ( λ )d λ
0
∞
∂ L= Km M m ∫ K ( λ ) M ( λ ) d λ ∂ω 0 θ = 0
∞
M — 辐射出射度 K — 人眼光谱光视效能
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光电成像原理
二、亮度增益
——对于像增强器，输入物理量微弱可见光辐射， 输出物理量为可见光辐射 数学表达式 G1 = L 光增益
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光电成像系统的功能：电磁波收集成像、影像转换、图像 记录 核心组成部分：光电转换器件，引领光电成像技术的发展 光电成像是先进的信息获取技术，已深入到人们日常生活、 国民经济、国防建设的各个领域，是人类文明和发展的基 本需要。
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光电成像原理
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二、课程内容
光电成像技术领域相关基础知识、基本理论，以光电 转换器件为主线，介绍光电成像系统结构组成、工作原理、 性能分析、设计思想和设计要点等
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光谱量子效率ηλ和光谱灵敏度Rλ之间的关系
hc ηλ = Riλ eλ
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时间响应特性
——描述光电成像器件对输入物理量变化的动态 响应过程
一、惰性和时间常数
定义
器件接收恒定功率辐射时，其输出信号达到稳 定需要一定的时间；入射辐射停止，其输出信号完 全消失也需要一定的时间。器件输出信号滞后于输 入信号变化的现象称为光电成像器件的惰性。 衡量器件惰性的物理量 时间常数 τ
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光电成像系统构成及分类
辐射源
传输 介质
光学 成像 系统
光电 转换 器件
信号 处理
图像 重现
广义理解

狭义
辐射源 — 自然、人工源，目标、背景的辐射特性 传输介质 — 大气光学特性
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光学成像系统 — 辐射收集，目标的辐射图像 光电转换器件 — 辐射图像转换为电子图像 信号处理 — 器件驱动，信号采集、放大、滤波等 图像重现 — 电子图像转换为可视图像，荧光屏、显示器
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光电成像器件特性描述
表征辐射响应的光电转换能力：转换系数、灵敏度 表征时间响应的动态随动特性：惰性、时间常数、脉冲 响应函数、传递函数 表征探测能力的噪声特性：噪声特点、信噪比、噪声等 效功率 表征细节传递的图像分辨特性：分辨力、点扩散函数、调 制传递函数
说明各项性能参数的物理意义 给出必要的数学描述
Ri = di dP
分类
或
Ru = du dP
根据输出信号形式：电压灵敏度、电流灵敏度 根据输入辐射形式：光谱灵敏度、积分灵敏度
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积分灵敏度R — 针对全谱段辐射
i R = = i P i
∫
∞
0
Pλ d λ
=
i AEm ∫ E ( λ ) d λ
0 ∞
u R= = u P
u AEm ∫ E ( λ ) d λ
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特点
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电视型光电成像器件 — 用于电视摄像和热成像系统中 大多基于内光电效应（光电导、光伏）、光 热效应 将二维空间图像转换为一维视频信号 一维信号重现为二维图像需要显像装置 真空器件：光电摄像管、热释电摄像管…… 固体器件：CCD、CMOS、IRFPA
特点
电视型
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光电成像原理
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输 入
T
输入一个矩形光脉冲
信号，器件响应出现 上升沿和下降沿。
输 出
t1 T t2
τr 称为上升时间常数，
对应于光电成像器件 输出值上升到稳态值 的63％所需的时间。
τf 称为下降时间常数，对应于光电成像器件的输出值下降
到稳态值的37%所需时间。
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确定时间常数
第一章 绪 论
光电成像技术发展过程、应用特点、系统构成及分 类、光电成像器件特性参数
光电成像原理
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第二章 光电成像原理及物理基础
人眼视觉特性及图像探测理论，光学系统成像及特 性，光电探测器物理效应
第三章 辐射源与典型景物辐射
电磁波辐射度量体系、目标辐射特性以及辐射定律
第四章 辐射在大气中的传输
大气消光，大气传输特性，大气对光电成像系统 性能影响
E1
E1 = K m Em ∫ K ( λ ) E ( λ )d λ
0
∞ 0 ∞ 0
∞
Go =
Km M m ∫ K ( λ ) M ( λ ) d λ K m Em ∫ K ( λ ) E ( λ ) d λ
二者关系
Go = π G1
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三、光电灵敏度（响应率）
——对于电视型光电成像器件，输入物理量为辐射 量（光功率），输出物理量为电信号 定义 光电流i (或光电压u)与入射光功率P之间的 光电特性曲线的斜率
输入脉冲信号
δ (t ) ∞ δ ( t ) dt = 1 ∫−∞ δ (t ) = 0
h (t )
称为脉冲响应函数
t≠0
器件输出函数
光电成像原理
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光电成像器件的脉冲响应函数取决于光电转换的机制， 主要有三种类型： 1. 比例函数衰减型：
= h(t )
h0 2a ( h0 − at ) 0 ≤ t < 2 a h0