光电成像原理

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光电成像系统工作光谱范围
电磁波谱范围
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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
0.61 d n sin
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、射线 波长范围： 频率范围： 1mm ～ 10nm 3×1011～3×1016 Hz
通量（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
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：光谱灵敏度、积分灵敏度
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积分灵敏度R — 输入全色辐射
Ri i P i AEm E d
其中Rm是最大光谱响应率，Pm是最大单色辐射功率 ，
R
Rm 0 P( )R( )d P( )d
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0
Rm
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P( )R( )d 0 P( )d
称为光谱利用率系数（或光谱匹配系数）
表示入射光功率能被响应的百分比，反映了器件光谱响 应范围与入射辐射光谱范围匹配情况。
——描述光电成像器件输入物理量与输出物理 量之间的依从关系
取决于器件 类型
输出物理量 转换特性 输入物理量
电磁波辐射量
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转换系数
亮度增益
灵敏度
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一、转换系数
——对于变像管，输入物理量为红外、紫外、X射
线等非可见光辐射，输出物理量为可见光辐射
数学表达式
L G E
荧光屏出射亮度
光敏面入射照度
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一、什么是光电成像技术？
成像是将客观景物转变为图像的过程，是一种重要的信息
获取方式
人眼直接观测—受限于视觉性能：光谱范围、灵敏度、 时空限制等 光学系统+胶片记录—利用光化学作用，拓展人眼的视 见性能，时效性差 光电成像—光学系统+成像器件，基于光电器件，利用 光电效应，在光谱响应、探测灵敏度、分辨 能力和实时性等方面突破
——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
1905年，Einstein 首次将量子理论应用于光电发
射效应
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大气是辐射传输媒介，大气传输特性影响光电成 像系统探测效果，辐射校正方法
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第五章 直视型真空成像器件物理及其成像系统
像管成像物理过程、器件性能参数，微光夜视光电
成像系统构成及特性分析
第六章 固体成像器件物理及其成像系统
CCD器件的物理基础与工作原理、结构特性与性 能参数，电视型光电成像系统特性分析
分类
紫外 辐射特性 可见光 红外 微波
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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
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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
E1
E1 Km Em K E d
0
0 0

Go
Km M m K M d K m Em K E d
二者关系
Go G1
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朗伯出射面
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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
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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
L KmM m K M d 0 0
M — 辐射出射度
E Em E d
0

K — 人眼光谱光视效能
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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
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、光电成像器件特性介绍
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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、自然和人工辐射源、景物 目标辐射特性以及辐射定律
第四章 辐射在大气中的传输
⑤ 常本康、蔡毅，红外成像阵列与系统，
科学出版社
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课堂教学、思考练习、课堂讨论 考核方法：平时30%、考试70%
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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
R()~曲线称为光谱灵敏度曲线
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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
定义相对光谱灵敏度为 R(λ)和相对光谱功率密度函数P(λ)
R R( )Rm

P P( )Pm
第七章 红外成像器件物理及其成像系统
红外探测器工作原理、工作条件与性能参数，典
型红外探测器，红外热成像系统构成与特性分析
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三、学习要求
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
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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。
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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
0
Ru u P
u AEm E d
0
光谱灵敏度R — 输入单波段辐射
i i Ri P d AE
u u Ru P d AE
P－光功率谱密度函数 R－随波长变化，引入相对光谱灵敏度R()
R R R m
0
量子效率 — 以量子数目表示
NS 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
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光谱量子效率λ和光谱灵敏度Rλ之间的关系
hc Ri e
e Ri k hc
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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
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光电成像器件的转换特性
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
特点
基于外光电效应，即光电发射效应
工作于真空环境下
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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
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
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……