光电成像原理

光电成像原理论文院系：物理学系专业：光信息科学与技术姓名：王世明学号：20071131432嵌入式光电成像系统及高分辨率的实现王世明(西北大学2007级陕西西安710069)摘要：自上世纪初人类揭示光电效应的本质以来，光电成像技术一直是成像领域的热点技术，并得到了迅速的发展。目前，光电成像技术已广泛应用于国防、航天、生物科学、化工检测、工业监控乃至日常消费等领域。本论文分析了目前光电成像系统结构和性能上的优势和不足，从提高系统移动性和集成度、突破传输受限和增强系统实时处理和分析三个方面出发，设计了一套新型的光电成像系统，并详细分析了这套系统的整体构造、软硬件设计和实现形式、调试技术和实验结果。嵌入式技术的引入，可以大大减小光电成像系统的体积，降低功耗，提高便携性，从而扩展光电成像技术的应用领域。本论文将该系统应用于图像采集，得到了理想的实验结果。论文最后，总结了设计过程中所做的工作和创新点，同时对于系统的进一步完善和开发进行了展望。本文主要介绍了光电成像原理的发展过程及其在实际生活中的运用，为我们介绍了具体的应用及未来的发展前景。实现成像系统的超高分辨是光电探测领域中探索和追求的重要目标。对提高天文观测、空间侦察和资源探铡的信息容量及精度具有重要意义。归纳总结了近年来国内外从光学系统结构、光电探测器及软件重建等方面对提高系统分辨能力所进行的部分研究和进展．结合本实验室在这一领城开展的研究，时其中的一些理论及工程方法探索进行了阐述和分析，旨在为进一步实现超高分辨光电成像系统的研究提供建设性参考意见。关键词：光电成像、嵌入式系统、ADS调试、图像采集一．光电成像系统的发展现代人类是生活在信息时代，获取图像信息是人类文明生存和发展的基本需要，据统计，在人类接受的信息中，视觉信息占到了60％。但是由于视觉性能的限制，通过直接观察所获得的图像信息是有限的。首先是灵敏度的限制，在照明不足的情况下人的视觉能力很差；其次是分辨力的限制；还有时间上的限制，已变化过的景象无法留在视觉上。总之，人的直观视觉只能有条件地提供图像信息。在很久以前，人们就已经开始为开拓自身的视觉能力而探索，望远镜、显微镜、胶片照相机等的应用，为人类观察和保留事物景象提供了方便。直到上世纪20年代，爱因斯坦完善了光与物质内部电子能态相互作用的量子理论，人类从此揭开了内光电效应的本质。同时，随着半导体理论发展和随之研制出来的各种光电器件，内光电效应得到了广泛的应用。而在外光电效应领域，1929年科勒制成了第一个实用的光电发射体一银氧铯光阴极，随后成功研制了红外变像管，实现了将不可见的红外图像转换为可见光图像。随之而来的是紫外变像管和X射线变像管，人类的视觉光谱范围获得了很大的扩展。上世纪30年代，人类又开始为扩展视界而致力于电视技术的研究。以弗兰兹沃思开发的光电析像器为起端，伴随而来的是众多摄像器件的诞生，超正析像管、分流摄像管、视像管、热释电摄像管等。1976年，美国贝尔实验室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象，利用3半导体的光电特性，成功研制了一种新型的固态摄像器件，光电成像技术到达了一个新的高峰。经过30多年的发展，如今固态摄像器件已经衍生出了三大类型：电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice，即CCD)、互补金属氧化物半导体图像传感器(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，即CMOS)光电成像技术，不但可以扩展人眼对微弱光图像的探测能力，将超快速现象记录；还可以开拓人眼对不可见辐射的接受能力。正是这些作用，光电成像技术已经广泛应用于航天、导弹制导、军事侦查等高科技领域，尤其是以超大规模的电荷耦合器件为核心的固态摄像器件在国防和民用领域获得了广泛应用。分辨率高、灵敏度高、功耗低、体积小等优点，让固态摄像器件在显微探测、微距测量、监控、数码摄像等应用方面取得迅猛的发展。二．光电成像系统的组成及应用光电成像系统按波长可分为可见光、紫外光及红外光电成像系统。光电成像系统所涉及的复杂信号传递可以用图1.1来表示。图1光电成像系统的基本组成光电成像技术就是利用光电变换和信号处理技术获取目标图像，它所研究的内容可以概括为四个方面，即：在空间上扩大人类视觉机能的图像传输技术；在时间上扩大人类视觉能力的图像记录和存储技术；扩大人类视觉光谱响应范围图像变换技术；扩大人类视觉灵敏机能的图像增强技术。随着科学技术的迅猛发展，包括微光与红外成像技术，在内的光电成像技术受到了普遍的重视并且不断开拓着新的应用领域。在可见光成像领域，光电成像系统普遍应用于黑暗过程的观察、材料折射和透明性的拍照、显微镜工作等。其中，黑暗过程的观察包括日常安全监控、心理学中的行为状态记录、水下监视、夜间射击监控等，在科学研究工作中，光电成像系统还可以用于记录空气动力学、核物理等方面的高速微光现象、记录空间探测的确定方位和水下自然现象的记录。尤其是在显微成像领域，光电成像系统可以用于厚且不透明断面内的现象的快速记录和在荧光下的图像的记录。在红外辐射领域，光电成像系统应用方面包括：利用温度高于绝对零度产生的热辐射成像工作，比如：炼钢、轧钢过程中的监控，输油管道状态检查，起火原因分析，输电线、电力设备热状态检查，导弹制导，癌症及与温度变化有关的病变早期诊断等；利用与可见光相比有不同折射、色散和透明度的红外照相或观察，比如：红外区双折射的研究，行星和恒星星象的记录，扩展浓雾大气的可见区，发射红外线的研究，膺品检查等；红外显微镜工作，比如：光敏制品的鉴定，金属或矿物断面的检查等。在紫外辐射领域，光电成像系统主要应用于利用衍射、物质辐射和透过辐射等性质的紫外照相，紫外显微镜工作和X射线照相。4图2摄像头成像系统结构图三．嵌入式系统所谓嵌入式系统(EmbeddedSystems)，实际上是“嵌入式计算机系统的简称，根据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义，嵌入式系统是“控制、监视或辅助设备、机器和车间运行的装置”；而国内的定义为，以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪、从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统。一般而言，嵌入式系统的构架分为4个部分：处理器、存储器、输入／输出和软件(操作系统+应用软件)，如图3所示。图3嵌入式系统的基本框架嵌入式系统是应用于特定环境下、面对专业领域的应用系统，不同于通用计算机系统的多样化和适用性。它与通用计算机相比，具有以下特点：1．嵌入式系统开发需要交叉开发工具和环境。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机。52．嵌入式操作系统内核小，软件代码精简。嵌入式系统出于成本和应用的考虑，内存和存储介质都有限。所以嵌入式操作系统都采用裁剪的内核，而且在程序设计上非常注意空间占用和执行效率。3．实时性。大多数嵌入式系统都是实时系统，而且是强实时多任务系统，要求相应的嵌入式操作系统也必须是实时操作系统(RTOS)。目前实时操作系统作为操作系统的一个重要分支己成为研究的一个热点，主要探讨实时多任务调度算法、死锁解除等问题。4．软件专用性、移植性强。嵌入式系统的个性化很强，软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。5．软硬件模块化设计、系统可精简。嵌入式系统的设计一般都采用模块化设计方法，可以根据需要进行选择，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。6．嵌入式系统的工作环境多样化，要求其硬件系统设计必须高质量、高可靠性。四．总结及前景展望将嵌入式技术引入到光电成像系统有很广阔的发展意义。本文研制的嵌入式光电成像系统还有性能提高的空间。可以在如下几个方面进一步开展改进工作：1．采用分辨率、灵敏度和动态范围更高的固态成像器件，可以实现对微光图像的采集，图像的分辨率和精密度更高。2．考虑在系统中加入DSP处理器，形成双CPU结构，实现对图像信号更为复杂和高效的算法处理。3．采用实时性更强的嵌入式操作系统，本文采用的嵌入式Linux仍属传统分时操作系统，在实时性上有一定缺陷。如果采用标准的工业实时性操作系统或者对内核加以改进(如RTLinux)，必将使系统实时性大大提高，可以完成更多长时间任务。从光学物镜系统的角度提高系统分辨率的方法，是从物理意义上提高成像极限分辨能力的重要途径，是构建高分辨系统的基础。但该方法也存在硬件成本高．结构笨重复杂等问题。研究的重点应该是在提高光学相对孔径和增长焦距的同时．获得质量轻、体积小、适应性强、可靠性高的系统。尽管光学合成孔径技术目前存在系统相干条件的困难，但终将成为提高成像分辨率的发展趋势，创新光机结构设计，研究新技术、新工艺是解决这一问题的主要途径。从改善成像光电器件的角度提高数字图像空间采样频率的方法，在很大程度上依赖于半导体器件工艺基础，也是我国发展高分辨成像的技术瓶颈之一。器件的拼接技术及其工艺是目前工程研究的重点。从软件处理上重建超高分辨图像是数字图像的优势，也是在现有硬件条件下获取高分辨的重要手段。但是纯粹的软件处理总是存在其局限性．也存在伪高分辨的可能性。通过有效设计和控制成像光机硬件参数的精确变化，构造相应图像处理算法并重建高分辨图像的方法具有较强的可实用性。这种技术路线的优势是将光学成像、光电器件空间采样、数字图像处理各项技术手段有效地结合起来，从整体上发挥各自在图像信息获取中的优势。因而具有很好的发展前景。参考文献：邹异松、刘玉凤、白廷柱编著《光电成像原理》北京理工大学出版社何昕、魏仲慧、郝志航《基于单心球面系统的九块面阵CCD数字拼接》徐之海、李奇现代成像系统2001