第一章_光电成像技术概论

ห้องสมุดไป่ตู้人眼固有的物理限制：
灵敏度的限制:
（E= 50-100 lx;E<0.1lx难看清)；
分辨力的限制：(分辨角仅有 0.020 左右）； 时间上的限制:
(视觉逗留时间0.02s) ； 光谱的限制:(人眼敏感区400-650nm) 。
在很早以前人类就为开拓自身的视见能力而进行 了探索。取得了不少有成效的进展。 灯具的出现，改善了人类夜晚的照明环境。 望远镜的出现，为人类延伸了视见距离。 显徽镜的应用，为人类观察微小物体提供了方便。 可是，在扩展视见光谱范围和视见灵敏度方面却 经历 了漫长时间，才有所进展。 这一进展是由光电成像技术所开拓的。 目前光电成像技术已成为信息时代的重要技术领
域。
人类视觉系统的局限 性
灵敏度
光 谱
分辨力
空 间
时 间
夜 视
非可见光
微小
遥视
记 录
人眼的局限性大大地限制了人类获得光信息的 能力，因而需要扩展人眼的功能。
第一，要扩展人眼在低照度下的视觉能力，提供各种 夜视装备以便能在低照度下进行科研和生产活动，或 在夜间进行侦察和战斗。 第二，要扩展人眼对电磁波波段的敏感范围。已制成 将红外线、紫外线和 X射线的光图像转换成可见光图 像的直视式或电视式光电子学装置。利用这些原理还 可以扩展到观察中子和其他带电粒子所形成的图像。 第三，要扩展人眼对光学过程的时间分辨本领，例如 已经做到在几十飞秒（1015 秒）内就可观察到信息的 变化。
（SPRITE)、热释电探测器）。
微光成像技术
光电成像主体技术

红外热成像技术
微光成像技术：真空光电子成像技术的总称。它以光 子—光电子为景物图像的信息载体，基于器件的外光电 效应、电子倍增和电光转换等原理，对夜天微弱光或其
他非可见光照明下的景物，进行图像摄取、转换和增强， 最后显示为人眼可见的图像。

红外热成像技术：利用景物自身的红外辐射空间分布，
光电增强型摄像器件：基于外光电效应并附加电子增强 物理过程 （二次电子导电摄像管和硅电子增强靶摄像管）。 热释电摄像器件：基于铁电体的热释电效应 （硫酸三甘肽
（TGS)热释电摄像管和氟铍酸三甘肽（TGFB)热释电摄像 管）。
电荷耦合摄像器件(CCD)或CMOS：基于内光电效应在光 敏面阵上产生信号电荷，通过时序控制电极电位形成势 阱变化完成电荷的转移和自扫描，或者通过二维移位寄 存读出电路选址并顺序读出信号电荷，在输出端输出视 频电信号 （CCD、CMOS、IRFPA）。 光机扫描成像的探测器单元及探测器阵列：分立的光 电器件采用内光电效应或热电效应。器件本身不构成图 像，仅完成图像局部点的光电转换，通过光机扫描装置 逐点扫描完成光电成像过程。 （光电导型单元探测器、光伏型单元探测器、扫积型探测器
脉管炎患者的腿部远红外热像 图，患腿由于血管疾病而血流 不畅，导致低温。
§1.2 光电成像技术的发展简史
1873年－史密斯(W．Smith) 发现了光电导现象； 1900年－普朗克(Planck) 提出了光的量子属性； 1916 年－爱因斯坦 (Einstein) 完善了光与物质内部电子能态 相互作用的量子理论，揭示了内光电效应的本质。 1887年－赫兹(Hertz) 发现了紫外辐射对放电过程的影响， 第二年哈尔瓦克(Hallwacks)实验证实了紫外辐射可使金属 表面发射负电荷，其后由斯托列托夫、勒纳(Lenard)和爱 因斯坦相继建立了光电发射的基本定律。 1929 年－科勒 (Koller) 制成了第一个实用的光电发射体。研 制成功了红外变像管。相继出现了紫外变像管和 X 射线变像 管，使人类的视见光谱范围获得了更有成效的扩展。
特点：
可并入图像处理、视频信号转发和多路显示等功能， 图像显示质量得到改善、易远距传送和多人观察。 在制导、跟踪和机器人自动目标识别和检测控制中的 应用，创造了有利条件。
类型：
光电摄像器件：基于外光电效应 （超正析像管和分流摄像管）。
光电导摄像器件：基于内光电效应（视像管、异质结靶
光电导摄像管和硅靶摄像管）。
1936年－格利胥(Gö rlich)研制出锑铯光阴极； 1955年－萨默(Sommer)研制出锑钾钠铯多碱光阴极。 1963 年－西蒙 (Simon) 提出了负电子亲和势光阴极理论，伊 万思(Evans)等人研制成功了负电子亲和势镓砷光阴极。
高量子效率光阴极使微光图像的增强技术达到了实用阶段。 30年代，开始电视技术的研究。以弗兰兹沃思(Fransworth) 开发的光电析像管为起端的电视摄像技术，使不必面对目标 即可观察成为可能。相继出现了超正析像管、分流摄像管、 视像管、二次电子导电、硅电子增强靶、热释电摄像管等。 1970年，玻伊尔(Boyle)和史密斯(Smith)开发出具有自扫描 功能的电荷耦合器件(CCD)，诞生了固体摄像器件，使电视 摄像技术产生了质的飞跃，尤其是在各种红外探测器件出现 后，采用红外焦平面探测器件的凝视红外热成像技术将人类 的视见能力扩展提高到一个新的阶段。
2018/8/27
热成像系统的特点
由目标与背景的辐射差产生图像信号 , 被动式工作，不
易被对方发现和干扰，全天候工作； 红外辐射具有比可见光更强的透过雾/霾/雨/雪能力作用 距离远 能透过伪装或复杂背景，探测出隐蔽的热目标或温差部 位，甚至能识别出刚离去的飞机、坦克和人等所留下的 热痕轮廓 计算机图像处理软件改善图像质量，且系统大都设置视 频输出，便于通过电视观察、录象和与通用视频计算机 接口系统的连接。
1976年又相继研制出灵敏度更高，成本更低 的硒靶管(Saticon)和硅靶管(Siticon)，以不 断满足人们对图像传感器日益增长的需要。 1970年，美国贝尔电话实验室玻伊尔与 Smith开拓出一种具有自扫描功能的电荷耦 合器件，使图像传感器从真空电子束扫描方 式发展成为固体自扫描输出方式。从而使电 视技术有质的飞跃。尤其在发展红外CCD方 面所开拓的凝视红外热成像技术，已成为人 类目前扩展视见能力的最有效手段。
光 电 成 像 器 件
电视型
用于电视摄像和热电成像，功 能仅仅包括图像转换，将可视图 像或辐射图像转换为视频电信号
光电成像器件分类
直视型

变像管 像管 真空成像器件 光电成像器件 固体成像器件 CMOS 电视型 摄像管 光电导型摄像管(视像管) CCD 像增强器 光电发射型摄像管(摄像管)

接受微弱可见光图像（像增强器）
特点：输入光学图像极微弱，输出图像增强。

非直视型光电成像器件
成像过程：
光学图像或热图像→光敏面（光电效应或热电效应）→电 荷图像→产生出视频信号（电子束扫描或电荷耦合转移方 式） 。 基本结构： 电真空式：光敏靶、电子枪、扫描系统、保真空的管 壳。 固体式：光敏面阵、电荷耦合转移读出电路。
光电成像器件
夜视仪
输出图像信号： －－直视型光电成像器 件

光电成像器件
CCD摄象机 摄像 头 输出视频信号：
电视墙
－－摄像型光电成像器件
图像传感器的应用领域
红外热成像系统
树林中人的热图像
小图是可见光图像 大图是热图像
例四 医学应用
静脉曲张患者的腿部远红外热像 ，血管明显增温、增粗，箭头所 指处尤为明显。
成像系统是将客观世界中的信息以各种方 式转换成图像信息的科学系统。 成像：提高了认识世界探求自然真理的能 力，丰富了人类的视觉世界，改变了人们 的生活方式。
§1.1 光电成像技术的意义和作用
信息获取是信息传输、处理、显示和存储的 前提，是人类认识客观世界的首要步骤。人类感 知世界首先靠自己的感觉器官，眼睛具有对信息 并行处理功能，它所获得的信息占总获得信息量 的80%以上。
直视成像系统（像管）：
辐射图像（外光电效应） →电子图像→ 能量增强（电磁场，电场的聚焦加速） 电子倍增（二次发射） →荧光屏产生可见光图像。
成像过程：


基本结构： 两类：
光电发射体、电子光学系统、微通道板、荧光屏 、保持高真空的管壳。
接受非可见辐射的直视型成像器件（红，紫，x）。
特点：入射图像与输出图像的光谱完全不同，统称变像管。
§1.3 光电成像系统构成和分类
光电成像过程----实质上是对景物信息源在多维空间(x
、y、z、t、λ、p)上被传递和再现的过程；
光电探测过程----是电压或电流信号的时间分布(“景
物”)，通过探测器件或网络，在—维时域上被传递和再现的 过程，即所谓“时域成像”过程。
光电成像系统框图
针对不同目的，将必要的光、机、电、算、控硬件巧妙地结合起来，研制成 特定的仪器，即可完成观察、瞄淮、测距、跟踪、制导、检测、计量等任务。
1947年研制出的超正析像管(Imaige Orthico)的 灵敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2000 lx 以上。 1954年投放市场的高灵敏摄像管(Vidicon)基本具 有了成本低，体积小，结构简单的特点使广播电 视事业和工业电视事业有了更大的发展。 1965年推出的氧化铅摄像管(Plumbicon)成功地 取代了超正析像管，发展了彩色电视摄像机，使 彩色广播电视摄像机的发展产生了一次飞跃，诞 生了1英寸、1／2英寸，甚至于1／3英寸(8mm) 靶面的彩色摄像机。然而，氧化铅摄像管抗强光 的能力低，余辉效应影响了它的采样速率。
光电成像技术涉及的相关研究领域：
(1)人眼的视觉特性；

(2)各种辐射源及目标、背景特性； (3) 大气光学特性对辐射传输的影响； (4)成像光学系统； (5)光辐射探测器及致冷器； (6)信号的电子学处理； (7)图像的显示。
光电成像器件分类（工作模式）
直视 型 用于直接观察的仪器中，器件 本身具有图像转化、增强和显示 等部分
光电成像技术