第5章 光电成像与5.1-5.2-2.ppt

第五章 光电成像与成像系统 杨晓占 光电信息学院 1. 光电成像系统概述; 2. 图像探测器简介; 3. 点扩展函数及基于点扩展函数的性能指标； 4. 光学传递函数； 5. 调制与调制传递函数； 6. 光学系统的调制传递函数； 7.光电成像系统简介； 8. 非扫描光电成像系统性能的进一步描述； 9. 扫描光电成像系统性能的进一步描述 5.1 光电成像系统概述 一、光电成像器件的发展 1934年，光电像管（Iconoscope），应用于室内外的广播电视摄像。灵敏度非常低，需要10000lx的照度，达到图像信噪比的要求； 1947年，超正析像管（Image Orthicon），照度降低到2000lx； 1954年，视像管，灵敏度＆分辨率高，成本低，体积小，惯性大，不适用于高速运动图像测量，不能取代超正析像管用于彩色广播电视摄像机； 1965年，氧化铅管（Plumbicon），成功取代超正析像管，惯性小，广泛应用于彩色电视摄像机，结构简单，体积小，灵敏度＆分辨率都很高。 1976年，硒靶管＆硅靶管，灵敏度进一步提高且成本更低； 1970年后，CCD的出现使光电成像器件进入新的阶段。体积更小，灵敏度更高，应用更灵活、更方便。 三、光电成像系统要研究的问题 光电成像涉及到一系列复杂信号的传递过程，有四个方面问题需要研究 能量方面——物体、光学系统和接收器的光度学和辐射度学性质，解决能否探测到目标的问题。 成像方面——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。 5.2 图像探测器简介 特点：能够输出可视图像信息 1. 真空成像器件 常见像管-变像管 红外变像管 红外变像管的应用 紫外变像管 选通式变像管 常见像增强管 级联式像增强管 第三代像增强器 第二代微通道结构配以负电子亲和势光电阴极，就构成了第三代像增强器。 X射线像增强器 实质：变像管 作用：将不可见的X射线转换成可见光图像，并使图像亮度增强 摄 像 管 作用：把按空间光强分布的光学图像记录并转换成视频信号的成像装置。 分类（按光电转换形式） 光电发射型摄像管：利用外光电效应进行光电转换的摄像管，又称摄像管。 光电导型摄像管：利用内光电效应进行光电转换的摄像管，又称视像管。 摄像管的结构和工作原理 基本功能：光电转换，光电信息的积累、储存和扫描输出。 2. 固 体 成 像 器 件 电荷耦合器件 (CCD，charge coupled device)、互补金属氧化物半导体图像传感器CMOS、电荷注入器件（CID，charge injection device）和IRFPA 都利用了自扫描技术，能完成光学图像的转换、信息的存储和扫描输出。 CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。 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 优点：集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等。 CCD工作过程——信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。 基本结构：转移电极结构、转移沟槽结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。 构成CCD的基本单元：CMOS电容 CCD类型： 表面沟道CCD（SCCD）：电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输； 体沟道CCD（BCCD）：电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输。 CCD光敏元显微照片 彩色CCD显微照片（放大7000倍） CCD的基本工作原理 组成：光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路。 CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。输出信号可接到示波器、图象显示器或其他信号存储、处理设备中，可对信号再现或进行存储处理。 构成CCD的基本单元是MOS（金属－氧化物－半导体）结构。当栅极G施加正偏压UG之前（UG=0），P型半导体中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的； 当栅极电压加正向偏压（UGUth）后，空穴被排斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区进一步向半导体内延伸； 当UGUth时，半导体与绝缘体界面上的电势（表面势ФS）变得如此之高，以至于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成电荷浓度极高的极薄反型层，反型层电荷的存在说明了MOS结构具有存储电荷的功能。 一、电荷存储 二、电荷耦合 假定开始有一些电荷存储在偏压为2