光电成像原理与技术__53 典型成像系统及应用_
光电成像
光电成像器件的特性
光电转换特性 转换系数（增益）G：评价直视型光电成像器件的输入量与
输出量的依存关系的重要参数－－光电成像器件在法线 方向输出的亮度L与输入的辐照度E的比值。
G＝
L E
，Gl
L El
，G＝
L E
G
表示L 单色光的增益 E
光电成像器件的特性
光电转换特性 光电灵敏度（响应率）：评价电视型光电成像器件的输入量
光电成像技术的应用
红外热成像：光线是大家熟悉的。光线是什么？光线就是可见 光，是人眼能够感受的电磁波。可见光的波长为：0.38—0.78 微米。比0.38微米短的电磁波和比0.78微米长的电磁波，人眼 都无法感受。比0.38微米短的电磁波位于可见光光谱紫色以外， 称为紫外线，比0.78微米长的电磁波位于可见光光谱红色以外， 称为红外线。红外线，又称红外辐射，是指波长为0.78~1000 微米的电磁波。其中波长为0.78~2.0微米的部分称为近红外， 波长为2.0~1000微米的部分称为热红外线。
光电成像技术的应用
目标的热图像和目标的可见光图像不同，它不是人眼所能看到 的目标可见光图像，而是目标表面温度分布图像，换一句话说， 红外热成像使人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人 眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。
我们周围的物体只有当它们的温度高达1000℃以上时，才能 够发出可见光。相比之下，我们周围所有温度在绝对零度（273℃）以上的物体，都会不停地发出热红外线。例如，我们可 以计算出，一个正常的人所发出的热红外线能量，大约为100瓦。 所以，热红外线（或称热辐射）是自然界中存在最为广泛的辐 射。热辐射除存在的普遍性之外，还有另外两个重要的特性。
光电成像原理与技术答案
光电成像原理与技术答案【篇一：光电成像原理与技术总复习】t>一、重要术语光电成像技术、像管、变像管、像增强器、摄像管（器）、明适（响）应、暗适（响）应、人眼的绝对视觉阈、人眼的阈值对比度、人眼的光谱灵敏度（光谱光视效率）、人眼的分辨率、图像的信噪比、凝视、凝视中心、瞥见时间、瞥见孔径、辐射度量、辐射功率、辐射强度、辐亮度、辐照度、辐射出照度、光度量、光能、光能密度、光通量、光亮度、光出射度，照度，发光强度，光亮度；坎（凯）德拉、流明、勒克司、视见函数、朗伯辐射体、气溶胶粒子、云、雾、霾、霭、大气消光、大气散射、大气吸收、大气能见度（能见距离）、大气透明度、电子透镜、光电子图像、亮度增益、等效背景照度、畸变、像管分辨力（率）、正（负）电子亲（素）和势、负电子亲和势、光电发射的极限、电流密度、mcp的饱和电流密度、荧光、磷光、表面态、微光夜视仪、照明系统的光强分布、成像系统的极限分辨力、选通技术、靶、惰性（上升惰性、衰减惰性）、摄像管的分辨力、动态范围、靶网、居里温度、热释电靶的单畴化、ccd的开启电压、ccd的转移效率、界面态“胖0”工作模式、光注入、电注入。
二、几个重要的效应1. 光电转换效应（内/外）2. 热释电能转换效率（应）3. 三环效应4. mcp的电阻效应/充电效应三、几个重要定律1. 朗伯余弦2. 基尔霍夫3. 黑体辐射（共4个）4. 波盖尔15. 斯托列托夫6. 爱因斯坦四、重要结构及其工作原理、特点1. 直视型光电成像器件的基本结构、工作原理2. 非直视型（电视型）光电成像器件的基本结构、工作原理3. 人眼的结构及其图像形成过程4. 大气层的基本构成、结构特点5. 像管的结构及其成像的物理过程6. 光阴极实现辐射图像光电转换的物理过程（光电发射过程）7. 电子光学系统的基本结构及其成像过程8. 荧光屏的结构及其发光过程9. 光谱纤维面板的结构及其成像原理10. 微通道板（mcp的结构及其电子图像的倍增原理）11. 主动红外成像系统结构及其成像过程12. 夜视成像系统结构及其成像过程13. 摄像管的结构及其工作原理14. 光电导摄像管的结构及其工作原理15. 热释电摄像管的结构及其工作原理16. 电子枪的结构及其工作原理17. mos电容器的结构及其电荷存储原理、18. ccd的结构及其电荷传输原理19. 埋沟ccd（bccd）的结构及其工作原理220. 线阵ccd的结构及其成像原理五、关键器件、系统的性能参数1. 表征光电成像器件的性能参数2. 大气辐射传输过程中，影响光电成像系统的因素3. 表征像管的性能参数4. 表征mcp的性能参数5. 微光成像系统的性能影响因素6. 摄像管的主要性能参数7. 热释电靶的主要性能参数8. 表征ccd的物理性能参数六、其他1. 辐射源的辐射能量所集中的波段2. mcp的自饱和特性3. 像管的直流高压电源的要求4. 受激辐射可见光的条件5. 计算第三章、第四章题型及分值分布：1. 术语解释（15分）2. 选择题（20分）3. 简述题（35分）4. 计算题（30分）各章习题：3第一章（29页）：4、5、6、7第二章（53页）：6、9第三章（84页）：2、3、8、9、13、14第四章（106页）：1、6第五章（209页）：1、3、4、8、10第六章（244页）：1、3、5、24、26第七章（295页）：1、2、5、6、7、10、12、16、18第八章（366页）：1、2、4、6、7整理by:??/???4【篇二：《光电成像原理与技术》教学大纲】英文名称：principle and technology of photoelectric imaging学分：3.5 学时：56(理论学时：56)先修课程：半导体物理、电动力学、应用光学、物理光学一、目的与任务本课程为电子科学与技术专业（光电子方向）的专业教育必修课程。
光电成像原理与技术答案
光电成像原理与技术答案【篇一：光电成像原理与技术总复习】t>一、重要术语光电成像技术、像管、变像管、像增强器、摄像管（器）、明适（响）应、暗适（响）应、人眼的绝对视觉阈、人眼的阈值对比度、人眼的光谱灵敏度（光谱光视效率）、人眼的分辨率、图像的信噪比、凝视、凝视中心、瞥见时间、瞥见孔径、辐射度量、辐射功率、辐射强度、辐亮度、辐照度、辐射出照度、光度量、光能、光能密度、光通量、光亮度、光出射度，照度，发光强度，光亮度；坎（凯）德拉、流明、勒克司、视见函数、朗伯辐射体、气溶胶粒子、云、雾、霾、霭、大气消光、大气散射、大气吸收、大气能见度（能见距离）、大气透明度、电子透镜、光电子图像、亮度增益、等效背景照度、畸变、像管分辨力（率）、正（负）电子亲（素）和势、负电子亲和势、光电发射的极限、电流密度、mcp的饱和电流密度、荧光、磷光、表面态、微光夜视仪、照明系统的光强分布、成像系统的极限分辨力、选通技术、靶、惰性（上升惰性、衰减惰性）、摄像管的分辨力、动态范围、靶网、居里温度、热释电靶的单畴化、ccd的开启电压、ccd的转移效率、界面态“胖0”工作模式、光注入、电注入。
二、几个重要的效应1. 光电转换效应（内/外）2. 热释电能转换效率（应）3. 三环效应4. mcp的电阻效应/充电效应三、几个重要定律1. 朗伯余弦2. 基尔霍夫3. 黑体辐射（共4个）4. 波盖尔15. 斯托列托夫6. 爱因斯坦四、重要结构及其工作原理、特点1. 直视型光电成像器件的基本结构、工作原理2. 非直视型（电视型）光电成像器件的基本结构、工作原理3. 人眼的结构及其图像形成过程4. 大气层的基本构成、结构特点5. 像管的结构及其成像的物理过程6. 光阴极实现辐射图像光电转换的物理过程（光电发射过程）7. 电子光学系统的基本结构及其成像过程8. 荧光屏的结构及其发光过程9. 光谱纤维面板的结构及其成像原理10. 微通道板（mcp的结构及其电子图像的倍增原理）11. 主动红外成像系统结构及其成像过程12. 夜视成像系统结构及其成像过程13. 摄像管的结构及其工作原理14. 光电导摄像管的结构及其工作原理15. 热释电摄像管的结构及其工作原理16. 电子枪的结构及其工作原理17. mos电容器的结构及其电荷存储原理、18. ccd的结构及其电荷传输原理19. 埋沟ccd（bccd）的结构及其工作原理220. 线阵ccd的结构及其成像原理五、关键器件、系统的性能参数1. 表征光电成像器件的性能参数2. 大气辐射传输过程中，影响光电成像系统的因素3. 表征像管的性能参数4. 表征mcp的性能参数5. 微光成像系统的性能影响因素6. 摄像管的主要性能参数7. 热释电靶的主要性能参数8. 表征ccd的物理性能参数六、其他1. 辐射源的辐射能量所集中的波段2. mcp的自饱和特性3. 像管的直流高压电源的要求4. 受激辐射可见光的条件5. 计算第三章、第四章题型及分值分布：1. 术语解释（15分）2. 选择题（20分）3. 简述题（35分）4. 计算题（30分）各章习题：3第一章（29页）：4、5、6、7第二章（53页）：6、9第三章（84页）：2、3、8、9、13、14第四章（106页）：1、6第五章（209页）：1、3、4、8、10第六章（244页）：1、3、5、24、26第七章（295页）：1、2、5、6、7、10、12、16、18第八章（366页）：1、2、4、6、7整理by:??/???4【篇二：《光电成像原理与技术》教学大纲】英文名称：principle and technology of photoelectric imaging学分：3.5 学时：56(理论学时：56)先修课程：半导体物理、电动力学、应用光学、物理光学一、目的与任务本课程为电子科学与技术专业（光电子方向）的专业教育必修课程。
光电成像技术Chapter直视型光电成像系统与特性分析
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§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性
b. 小的渐晕 斜光束照射时，渐晕导致像面〔光阴极〕边缘相对
于中心的照度会下降，光阴极上照度的不均匀将造成荧 光屏上图像亮度不均匀，边缘的像质变坏，尤其是低信 噪比的夜视微光系统。
c. 宽光谱范围的色差校正 不同种类的成像系统在不同的光谱范围进行校正色
➢有一定的照射范围，照明系统发出光束的散射角应与成
像系统的视场角根本一致，以保证系统观察目标所要求
的照明的同时，尽可能减少自身的暴露；
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§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性
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§6.1 直视型光电成像系统的原理
一、直视型主动红外成像系统
直视型主动红外成像系统的主要部件：
红外照明光源、物镜、红外变像管/具有近红外 延伸的像增强器、目镜。发射→大气传输→反射→ 大气传输→接收→光电转换→图像增强→可见光图 像显示
直视型主动红外成像系统的主要应用：
公安、工业监测、医学、科学研究；另外，像管 的选通技术的开展促进了其在军事领域的重要应用， 比方巡航导弹的导航等。
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§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性
(2) 成像物镜的根本类型 成像物镜有三类：折射系统、反射系统和折反射系统. a. 折射系统
折射物镜较易校正像差，可获得较大视场，结构简单，装调 方便。双高斯物镜、匹兹伐物镜，以及它们的改进型。
双高斯物镜：利用厚透镜校正像面弯 曲。应用于较大视场(40~50o)的场合
采用非球面光学和衍射光学元件(衍射光学与微电子 技术相互渗透，基于计算机辅助设计和微米级加工技术 制成的平面浮雕型光学器件)提高系统的成像性2能021/和11/减11 小 镜片数量与体积。微型化、1集4 成化
光电成像原理及技术课后题答案
光电成像原理及技术课后题答案第⼀章5.光学成像系统与光电成像系统的成像过程各有什么特点？在光电成像系统性能评价⽅⾯通常从哪⼏⽅⾯考虑？答：a、两者都有光学元件并且其⽬的都是成像。
⽽区别是光电成像系统中多了光电装换器。
b、灵敏度的限制，夜间⽆照明时⼈的视觉能⼒很差；分辨⼒的限制，没有⾜够的视⾓和对⽐度就难以辨认；时间上的限制，变化过去的影像⽆法存留在视觉上；空间上的限制，隔开的空间⼈眼将⽆法观察；光谱上的限制，⼈眼只对电磁波谱中很窄的可见光区感兴趣。
6．反映光电成像系统光电转换能⼒的参数有哪些？表达形式有哪些？答：转换系数：输⼊物理量与输出物理量之间的依从关系。
在直视型光电成像器件⽤于增强可见光图像时，被定义为电镀增益G1，光电灵敏度：或者：8.怎样评价光电成像系统的光学性能？有哪些⽅法和描述⽅式？答，利⽤分辨⼒和光学传递函数来描述。
分辨⼒是以⼈眼作为接收器所判定的极限分辨⼒。
通常⽤光电成像系统在⼀定距离内能够分辨的等宽⿊⽩条纹来表⽰。
光学传递函数：输出图像频谱与输⼊图像频谱之⽐的函数。
对于具有线性及时间、空间不变性成像条件的光电成像过程，完全可以⽤光学传递函数来定量描述其成像特性。
第⼆章6.影响光电成像系统分辨景物细节的主要因素有哪些？答：景物细节的辐射亮度（或单位⾯积的辐射强度）；景物细节对光电成像系统接受孔径的张⾓；景物细节与背景之间的辐射对⽐度。
第三章13.根据物体的辐射发射率可见物体分为哪⼏种类型？答：根据辐射发射率的不同⼀般将辐射体分为三类：⿊体，=1；灰体，<1,与波长⽆关；选择体，<1且随波长和温度⽽变化。
14.试简述⿊体辐射的⼏个定律，并讨论其物理意义。
答：普朗克公式：普朗克公式描述了⿊体辐射的光谱分布规律，是⿊体理论的基础。
斯蒂芬-波尔滋蔓公式：表明⿊体在单位⾯积上单位时间内辐射的总能量与⿊体温度T的四次⽅成正⽐。
维恩位移定律：他表⽰当⿊体的温度升⾼时，其光谱辐射的峰值波长向短波⽅向移动。
光电成像技术
二、光电成像系统的原理
转移型面阵CCD虽然有效光面积大， 转移速度快，转移效率高等特点，但电 路比较复杂，因此它的应用范围受到限 制。
二、光电成像系统的原理
面阵CMOS成像器，它可以做成彩色也可 以做成黑白，特点是：像素尺寸小，填充因子 大，光谱响应范围宽，量子效率高等等
总结
面阵CCD：有效光敏面积大，光度灵敏度高， 转移速度快，转移效率高等特点，但电路比较复杂
CMOS：与CCD相比在光度灵敏度上较差，但 在功能、功耗、尺寸和价格等方面要优于CCD
面阵CCD、CMOS图像传感器：用光敏单元进描方式：基于电子束摄像管的电子束按从左到右、从上 到下的扫描方式进行扫描
行扫描
场 扫 描
二、光电成像系统的原理
显像部分的原理
扫描：将被分割后的电气图像转换成一维时序信号
不同的图像传感器有各自的扫描方式，例如： 真空摄像管：采用电子束扫描方式输出一维时序信号
二、光电成像系统的原理
然后光首过把电先光视成，电频像光成信系电像号统器部传分件分给为把处显两景理像个物后部部所，分分反成，，射为经光或视过电发频处成射信理像的号后部光输就分信出把和号景显收物像集图部，像分经再现
二、光电成像系统的原理
光学成像部分的原理
二、光电成像系统的原理
上面展示的图片都有一个共同点
像素阵列是整个输出放大电路的核心部分
二、光电成像系统的原理
X当、光Y信向号移到位达寄像存敏器方是阵存时储，方方阵阵中会的产每生一电个信像号敏，单这元个在电X、信Y号方经向过 上放各大自器的，地输址送值 到。调整电路
二、光电成像系统的原理
光电成像原理
球差
球差可以定义为焦距随孔径的偏移。在透镜中远轴光线要比近 轴光线折射得更厉害。
彗差
当透镜对一个轴外物点成像时，若在近轴像面上得到的不是一个 像点，而是彗星形的光斑，则称该透镜对给定物点成像有彗差。
像散
轴外物点成像时还出现另一种像差，这时通过透镜倾斜入射的光 束不能产生一个像点，而出现两条相隔一定距离并相互垂直的像 线。这种像差就称为斜光束的像散。形成竖直线的平面称为子午 平面，形成水平线的平面称为弧失平面
• 衍射分辨率
3.83 f / 1.22
D
D/ f /
• 像面中心处的辐照度
E/
KL sin 2
U/
n/2
n2
四、光学系统的像差
• 光学系统近轴区具有理想光学系统的性质，光学 系统近轴区的成像被认为是理想像
• 实际光学系统所成的像和近轴区所成的像的差异 即为像差 。
• 单色像差：球差、彗差、像散、场曲、畸变 • 色差：轴向色差、倍率色差
• 视场光阑
安置在物平面或者像平面上限制成像范围的光阑， 称为视场光阑，它是决定物平面上或物空间中成像范 围的光阑，即是限制视场范围大小的光阑。
• 渐晕光阑
在光线系统中，除孔径光阑在物空间所成的像外，还 会有其他不少光阑在物空间成像，这样就会使本来可以通 过入瞳的轴外物点的光束被遮掉一部分，使轴外点的成像 光束小于轴上点的成像光束，从而使像面边缘的辐照度有 所下降。这种由轴外点发出充满入瞳的光束中部分光线被 其他光阑所遮拦的现象，称为轴外点光束的渐晕。
d
Tf
n
WH WV
•
F
§3 红外成像光学系统
普通的风景照，颜色跟我们肉眼所见没什么区别
红外摄影图片，在红外摄影图片中红外线才是其可见光。其中
光电成像原理与技术----总复习
光电成像技术的实现途径及应用 射线与X射线成像技术 射线成像技术 X射线成像技术
紫外成像技术 真空型紫外成像技术 紫外变像管 固体型紫外成像技术 紫外探测器
微光夜视技术
微光像增强器技术 像增强器、ICCD等 BCCD、EBCCD、EMCCD
近红外成像技术
真空型近红外成像技术 红外变像管 固体型近红外成像技术 CCD、红外探测器
光电转换器件作为光学成像系统图像接收器，构成光电成像系统， 该系统所涉及的理论知识和技术问题。光电转换器件是系统的核心
光电成像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。
光电成像原理, P4
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。
固体成像器件
CCD成像器件
➢ 光敏面阵列、电荷耦 合转移电路构成的集 成块
图 3 IPX－VGA210－L型摄像机
帧/场转移面阵CCD摄像器件
光电成像原理, P27
固体成像器件
CMOS成像器件
➢ 光敏面阵列、二维移位寄 存器构成的集成块
1 光敏元阵列
CMOS像敏元阵列结构 1-垂直移位寄存器；2-水平移位寄存器； 3-水平扫描开关；4-垂直扫描开关；5-像 敏元阵列；6-信号线；7-像敏元。
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。
作
探
用
测
距
《光电成像原理与技术》学习指南
《光电成像原理与技术》学习指南图像是人类获取信息的最主要途径，据相关统计，人类所获取的信息80％以上来自于人眼，即来自于图像。
光电成像原理与技术即为介绍迄今为止人类为扩展自身的视野和获取更多的信息所进行的努力和掌握的技术的课程。
本课程系统地介绍了光电成像技术发展的历史沿革和现状，讲述了人眼的视觉特性与图像探测的规律和目标景物特性及大气传输特性对光电成像过程的影响，系统、全面地介绍了微光夜视技术，电视摄像技术和红外热成像技术，内容包括各种光电成像器件的工作机理、结构及以这些器件为核心的典型光电成像系统。
本门课程特点是，理论知识涉及面广（物理学、电子学、工程光学），工程性知识点多（人眼的特性、自然的辐射环境与辐射源、大气对辐射传输的影响、光机结构等），知识点和技能点较学科基础课程系统性差。
因此，要学好光电成像原理与技术这门课程，应该注意两条脉络：1、光电转换技术、信号增强技术和发光显示技术，注意光电成像器件与系统是怎样完成“光-电-光”的转换的（这里需要有关半导体物理、电磁场理论等方面的知识）。
其中的前提是，从人眼观察物体及对物体的分辨角度上讲，图像就是一个亮度（灰度）分布的点阵！因此，不管是直视型的光电成像还是电视型的光电成像，都是在研究解决在“光-电-光”转换的过程中和问题上如何保持构成原物体的这些点的空间分布。
前述问题清楚了，后面就是搞清楚直视型光电成像器件上与电视型光电成像器件上二者的异同在哪里？进而不同的电视型光电成像器件在解决上述问题的异同又是在哪里？这些问题清楚了，解决了，那你对光电成像器件的认识就达成了。
涉及上述内容的章节为第五章、第七章、第八章和第十章。
2、从光电成像器件到光电成像系统的问题。
因为光线从目标物到达人眼，需要通过目标所处的环境提供照明，需要透过大气到达光电成像系统的光学透镜表面，又要通过光学系统形成图像在光电成像器件的光电转换面上，然后通过光电成像器件及系统完成“光-电-光”的转换后，呈现在人眼面前，于是我们看到了距离遥远（电视）的图像，看到了很弱光线下（夜晚等）的图像（像增强器、微光夜视），看到了人眼无法直接看到（X射线、紫外、近红外、短波红外、中长波红外等）的图像，于是我们人类就可以由此获得很多通过人眼自身而不能直接得到的各种信息。
光电成像技术第六章直视型光电成像系统与
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1 夜视成像物镜
包沃斯-卡塞格伦系统
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1 夜视成像物镜
·包沃斯-卡塞格伦系统：
由于包沃斯系统的焦点在球面反射镜和校 正透镜中间，接收器造成中心挡光，为此 开展成包沃斯-卡塞格伦系统系统把校正 透镜的中心局部镀上铝或银等反射层作次 镜用，将焦点引到主反射镜之外。
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
2.
红外滤光片是一种光学滤波器，主要滤除光源 辐射中的可见光成分。对红外滤光片的根本要求 是： 在红外波段光能损失应尽可能地小，而对其 他波段的辐射应尽量全部吸收或反射；光谱透射 比与光阴极光谱灵敏度曲线红外局部相匹配；热 稳定性好，防潮性和机械性能好，耐光源工作时
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1 夜视成像物镜
· 格里高里系统：
由抛物面主镜和椭球次镜组成。次镜 位于主镜焦距之外，椭球面的一个焦 点和抛物面主镜焦点重合，另一个焦 点为整个系统的焦点。系统对无穷远 轴上的点没有像差。
人们研究改进反射系统，把反射镜的
主镜和次镜都采用球面镜，而用参加
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施密特校正板工作原理 (a) 施密特校正板；(b) 改进的施密特校正板
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
3.
(1)
白炽灯(包括普通、充气和卤钨白炽灯)是根
据热辐射原理制成，用电流加热灯丝使之到达
白炽而发光。白炽灯工作在白热状态，要求灯
丝材料有高熔点和低蒸发率。灯丝形状影响光
(单位为lm/W)。充气白炽灯比
真空白炽灯有更高的工作温度和发光效率，但
也只有10～20 lm/W，在～的近红外辐射光谱
光电成像系统
第5章光电成像系统成像转换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）景噪声景噪声声声光电成像器件是光电成像系统的核心。
§1 固体摄像器件固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号——视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。
固体摄像器件主要有三大类：电荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）电荷注入器件（Charge Injenction Device，即CID）一、电荷耦合摄像器件电荷耦合器件（CCD）特点）——以电荷作为信号CCD的基本功能——电荷存储和电荷转移CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程1.电荷耦合器件的基本原理（1）电荷存储构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态（2）电荷转移以三相表面沟道CCD为例表面沟道器件，即SCCD（Surface Channel CCD）——转移沟道在界面的CCD器件体内沟道（或埋沟道CCD）即 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（3）电荷检测浮置扩散输出CCD输出信号的特点是：信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度T。
光电技术第一章
光电成像系统的应用
01 总结词
光电成像系统在安全监控领域 的应用具有全天候、远距离和 高清成像的优势。
02
详细描述
光电成像系统在安全监控领域 中发挥着重要作用，如红外热 成像仪可以检测物体温度分布 ，紫外成像仪可以检测火焰等 危险源。这些成像系统为安全 监控提供了实时、准确的图像 信息。
05
光电技术发展前景
新型光电材料的发展
总结词
随着科技的不断进步，新型光电材料的发展成为了光电技术领域的重要方向。
详细描述
新型光电材料，如钙钛矿、石墨烯等，具有优异的光电性能，为光电技术的发 展提供了新的可能性。这些材料在太阳能电池、光电探测器等领域的应用，有 望提高光电转换效率和响应速度，降低成本。
03
光电元件与器件
光电探测器
光电探测器是光电技术中的重要组成部分，用于将光信 号转换为电信号。
常见的光电探测器有光电二极管、光电晶体管和光电倍 增管等。
光电探测器的性能指标包括响应速度、灵敏度、线性范 围和光谱响应等。
光电探测器在通信、光谱分析、激光雷达和图像传感器 等领域有广泛应用。
光电二极管
详细描述
光电传感器在医疗领域的应用包括生理参数监测、医学影 像获取等方面。例如，光电容积描记技术利用光电传感器 测量血液流速和容积变化，用于监测心输出量和血压等生 理参数。
光电成像系统的应用
总结词
光电成像系统具有高分辨率、高灵敏度和快速成像的特点，广泛应用于科研、医疗和工 业检测等领域。
详细描述
光电成像系统利用光电转换器件将光信号转换为电信号，再通过电子学和计算机技术进 行处理和显示。在科研领域，光电成像系统可用于观测天体、微观粒子和生物组织等； 在医疗领域，光电成像系统可用于诊断疾病和辅助手术；在工业检测领域，光电成像系
光电成像原理与技术教学大纲
《光电成像原理与技术》课程教学大纲课程代码：090642001课程英文名称：The Principle Of Photo-electronic Imaging and Technology课程总学时：32 讲课：32 实验：0 上机：0适用专业：光电信息科学与工程大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程是光电信息科学与工程专业的专业选修课。
本课程是一门多学科交叉、理论性和实践性都很强的综合性课程。
通过本课程的学习，可以培养学生运用所学数理知识和方法认识和分析各种光电成像器件工作机理的能力和创新意识，提高学生对光电成像系统整体技术构成的认识，为他们走上工作岗位从事相关工作奠定基础。
通过对本学科新理论、新器件、新系统的介绍，还可以使学生了解本学科的最新发展动态和技术前沿，为将来从事相关领域的研究或工作奠定基础。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1．通过本科程的学习，使学生掌握光电成像器件的基础理论和光电成像技术的基本原理，并在此基础上掌握光电成像系统的结构以及相关的学科和技术。
2．通过本科程的学习，培养学生应用所学习的基础理论和方法，分析光电成像器件各环节的物理过程，理解和认识光电成像系统的结构、各子系统的作用，掌握光电成像技术的基本理论和思想方法等，逐渐形成观察、思考、分析和解决有关理论和实践问题的能力。
（三）实施说明这个教学大纲是根据光电信息科学与工程专业的特点和学科内容要求而编写的，在执行本大纲时应注意以下几点：1. 在授课过程中要由易到难，循序渐进。
重点是物理概念和物理模型的讲解，其次是数学理论与方法的具体应用；2. 可根据实际情况安排各部分的学时，后面的课时分配表仅供参考；3. 对大纲中内容不相关部分可自行安排讲授顺序。
（四）对先修课的要求本课的先修课程：《光电子学》（五）对习题课、实验环节的要求各章内容学习结束后，根据教材内容选择习题，布置习题作业，根据习题的完成质量，随堂讲解各章重点习题，期末总复习全面讲解。
光电成像原理
光电成像原理
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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
光电成像原理
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光电成像器件的转换特性
特点
基于外光电效应，即光电发射效应
工作于真空环境下
光电成像原理
20
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
特点
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……
电视型
固体器件：CCD、CMOS、IRFPA
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
成像特点 凝视
挥扫 扫描 推扫
成像系统形式
折射
反射 折反射
光电成像原理
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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
R()~曲线称为光谱灵敏度曲线
光电成像原理
27
R、R以及R() 的关系
以电压响应为例
u R P
0 0
du dP
0
P R d
0
P d
光电成像系统讲解
同电子束摄像管相比，优点：
① 全固体化、体积小、重量轻、工作电压和功耗都 很低，耐冲击性好、可靠性高、寿命长； ②基本不保留残像（电子束摄像管有15%-20%的残 像），无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰； ③红外敏感性。 SSPD 光谱响应范围： 0.25-1.1um； CCD可做成红外敏感型；CID：2-5um； ④像元的几何尺寸精度高（优于1um)，因而可用于 非接触式精密尺寸测量系统； ⑤视频信号与微机接口容易。
使彩色摄像机的发展产生了一个飞跃。 1976年，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 ） 原理，从此光电成像器件的发展进入了一个新的阶 段——CCD固体摄像器件的发展阶段。
2、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：
0、光电成像概述
1、光电成像Байду номын сангаас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监控工程等，成为 现代科学技术的重要组成部分。
什么叫成像？图像是由空间变化的光强信息所组成， 图像传感器或探测器必须能感受空间不同位置的光强 变化，这个过程叫成像。
一、固体摄像器件
固体摄像器件，又称固体像探测器。 （solid state imaging sensor,SSIS） 主要功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光 强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行 输出的电信号——视频信号。其视频信号能再现入射 的光辐射图像。 主要分类： • 电荷耦合器件，CCD,噪声低； • 自扫描光电二极管阵列，SSPD ,灵敏度和响应度好； • 电荷耦合光电二极管阵列， CCPD,兼具二者优点； • 电荷注入器件（Charge Injection Device，CID）
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成像光谱系统——航空航天遥感应用
高光谱成像
高光谱探测器 人眼
每个像元包括数十至数百 个窄波段光谱信息
光谱信息
产生 光谱 曲线
多光谱成像（Multispectral imaging）
几个波段
高光谱成像（Hyperspectral Imaging）
数十到数百个波段，光谱分辨率一般 为1-l0nm
超光谱成像（Ultraspectral Imaging）
• 栅状滤色器结构
• 棋盘式Bayer滤色器的结构
摄像器对光信号的RGB分量用完 利用人眼对红色和蓝色图像分辨力低的特
全相等的采样频率fs
点，采用棋盘格式。在提高G信号的上限频
率同时又能保持图像画面的彩色均匀性。
彩色图像的生成
1.原始场景 2.Bayer 滤色器传感器的输出 3.Bayer 滤色器颜色编码输出 4.缺失颜色重建图像 5.全彩RGB图像对比
X射线安检仪核心部件
1.射线源
2.探测器与数据采集
数据与结果
灰度合成
彩色合成
边缘增强
等效原子序数<10
有机物 橙色
10 < 等效原子序数 < 18 混合物 绿色
等效原子序数>18
无机物 蓝色
光谱测量
被测光源发出的光经过光栅色
光栏
散后在CCD像元上成像，CCD各像 光源
元位置分别对应于光色散后的不同
波长，由采样电路对CCD输出信号 进行逐位采样，根据采样的位数，
驱动电路 CCD
可以知道信号所在的波长，而信号
的幅度则是该波长的光辐射能量。 计算机
A/D
光栅 采样电路
只要对目标进行一次采样，就可得到在一定波长范围内的光谱分布曲 线，因而可以用于测量闪光灯等瞬态发光源的光谱。
5.3 典型成像系统及应用
5.3.2 彩色面阵成像系统
彩色面阵成像系统
彩色面阵成像方式
Bayer滤色片
Foveon 垂直滤光
3CCD
CYGM模式
三片式彩色摄像机
分色棱镜 CCD(R)
前置放 大器
自动白色 平衡器
可变焦距透镜
光圈 马达
CCD(B)
CCD(G)前置放 大器源自前置放 自动白色大器
平衡器
X射线安检仪组成
1. X射线源 2. 探测器与数据采集 3. 过程控制 4. 用户操作
X射线安检仪组成
1. X射线源 2. 探测器与数据采集 3. 过程控制 4. 用户操作
大型多视角线扫描
• 便携式线扫描 • 常用单视角线扫描 • 交运行李双视角线扫描 • 大型多视角线扫描 • 转台式液体CT • 行包CT等类型
5.3 典型成像系统及应用
5.3.1 线阵成像系统
线阵成像系统
线阵成像系统
传真、扫描和复印
传真纸
滚筒
光源 光阑 物镜
驱动电路 信号输出
信号处理 CCD
传真与复印是线阵CCD图像传感器使用最广泛的设备。 传真：图文纸随滚筒旋转完成一维扫描，CCD完成另一维扫描。 复印：可以理解为传真过程的逆过程，即CCD产生的一行图像被成 像在感光硒鼓上形成静电像，进而形成着色剂像并将之转印在复印 纸上形成复印文字或图案。
驱动器
缺陷补偿
同步发生
Y = 0.33R + 0.5G + 0.17B
信号处理 信号处理 信号处理
R·G
编
码 B·G
器
Y
全信号
矩阵
外形补偿 信号处理
自动光圈
三片式彩色摄像机结构原理框图
单片式彩色摄像机
透镜
CCD
高通 分离
滤色器
彩 色 分 离 电 LH延迟 路
低通 滤波
低通 滤波
低通 滤波
处理 放大
成像光谱系统的扫描方式
摆扫Whisk broom 推扫 Push broom 窗扫Window broom
线阵探测器
面阵探测器
带有干涉条纹的二维空间图像
没有内在的运动部件和前置狭缝
5.3 典型成像系统及应用
5.3.4 X射线安检仪
X射线安检仪
X射线成像
• X射线的医学检查、工业探伤、天文学观察 (X射线望远镜)、安检仪等
成像光谱系统——航空航天遥感应用
成像光谱技术是光谱分析技术和图 像分析技术的结合，同时具备光谱 分辨能力和图像分辨能力，可以对 被测物体进行定性、定量、定位分 析，利用物体表面成分的光谱差异 ，可以实现对目标的精确识别和定 位，在物质识别、遥感探测、分析 诊断等方向具有广泛的应用。
1983美国研制出世界上第一台 光谱成像仪AIS-1
滤色器 Color Filter Array
面阵成像系统的广泛应用
• 电子与半导体 • 芯片的测量与加工，PCB装配
• 制药 • 药品生产过程中的质量检测 • 药品的形状、厚度，药品装瓶数量统计
• 工业 • 外观完整性检测 • 条码识别，生产日期 • 工业品的尺寸测量 • 表面质量检测
IC 成品检测
质量检测
当工件(或纺织品等)表面受到光照射 时，表面的不清洁处或疵点对入射光 产生漫反射，将漫反射光投影到CCD 上，然后对CCD输出的光电信号进行 处理，可以完成表面质量检测。 • 检验集成电路掩模缺陷 • 硅片表面质量 • 布匹、纸张和药片的表面疵点等。
对可以透过光线的薄片状的布匹、纸张 等也可以采用测量透射光的做法。
处理 放大
处理 放大
单片式CCD彩色摄像机框图
彩
色
编 全信号输出 码
器
单片式彩色面阵成像
RG B
R(x) x
G(x) x
T/3 B(x)
x T
R G R G R G R G1 G B G B G B G B2 R G R G R G R G3 G B G B G B G B4 R G R G R G R G5 G B G B G B G B6 R G R G R G R G7 G B G B G B G B8
数千个波段，分辨率高达1nm
波段 反射率
16km宽
波长/nm
全球第一个星载高光谱成像器于1997年在NASA随着Lewis卫星发射升
空，它包含了384个波段（400-2500nm）
成像光谱技术的分类
色散型 分光元件:棱镜、光栅
干涉型 干涉图进行傅里叶变换
狭缝，光通量低，信噪比低 能量利用率高，多通道，高光谱分辨率
• 汽车制造 • 零部件外形尺寸检测 • 装配完整性检测 • 部件的定位与识别
• 印刷 • 钱币、纺织品印刷质量检测 • 印刷质量检测，印刷对位，字符识别
• 医学应用 • 血液分析，光电内诊镜测试，细胞分析
轮胎的定位与识别
纺织品质量检测
5.3 典型成像系统及应用
5.3.3 成像光谱系统
成像光谱系统