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光电成像原理与技术何玉青北京理工大学光电学院光电成像与信息工程研究所yuqinghe@bit.edu.cn光电成像原理与技术什么是光电成像技术?光电成像技术的应用形式光电成像原理与技术课程的地位与历史学好《光电成像原理与技术》并不难绪论什么是光电成像技术AN/AVS-9AN/PVS-7D以半导体物理、光电子理论、电子信号处理、光学成像理论、数字图像处理方法等为基础，通过成像传感器的光电转换，完成获取目标场景辐射分布图像的技术。受到人眼视觉性能的限制，直接观察所获得信息非常有限。光电成像技术的产生与发展，在一定程度上延伸了视见光谱域，并在多个领域应用。实验表明：人们通常通过视觉获取80%以上的信息，通过听觉获取11%，3.5%通过嗅觉来获取的，1%～1.5%是通过触摸和味觉获取什么是光电成像技术光电成像系统的应用形式热像仪大气衰减夜视仪控制处理直视型电视型光电成像原理与技术课程的地位与历史课程地位：电子科学与技术专业本科生专业基础课＋专业课－－把故有的知识织成网光信息科学与技术/测控技术与仪器专业本科生专业必修课历史沿革：80年代：半导体物理(40)＋电子光学(90)＋电真空成像器件(64)＋固体成像器件(48)＋夜视技术(48)90年代：光电成像原理(64)＋微光与红外热成像技术(64)当今：光电成像原理与技术(A64学时/B48学时)2008年国家精品课程，专业特色课程课程特点：理论知识涉及面广（物理、电子），工程性知识点多结课方式：闭卷考试(课堂10％＋作业20％＋考试70％)学好《光电成像原理与技术》并不难要求：掌握各种光电成像器件的基本概念、原理，了解主要光电成像系统的结构特点与应用方式以及相关知识。学会从系统到器件、从整体到局部将知识统和起来－“树叶再多也是通过树枝长在树上的”抓住主要矛盾，建立工程意识－成像是关键！善于温故知新，在具体的系统与器件中认识已知的科学道理善于归纳总结，在对比中发现原理、技术手段中的共性和不同。关注身边的光电成像技术，了解行业发展及动态。绪论光电成像技术的本质－扩展人眼的视觉性能光电成像技术的历史沿革相关参考文献光电成像技术的实现途径及应用光电成像器件的分类光电成像器件特性人类视觉系统的局限性灵敏度分辨力时间空间光谱夜视非可见光微小遥视记录视见灵敏阈的扩展(夜视)视见距离的延伸(各类望远及电视系统)视见分辨力的提升（电子显微）视见响应时间的拓展(电视系统、高速摄影)视见光谱域的延伸()光电成像技术的本质－扩展人眼的视觉性能ChhEnd)sin(61.0光电成像技术的局限性（1）分辨力方面的限制（2）光子能量与接收器件方面的限制多光谱图像多波段图像多频谱图像灰度图像伪彩色假彩色彩色视觉与灰色视觉长波限：亚毫米波成像（THz波段）分辨率低（太赫兹波是指频率在0.1～10THz(波长为3000～30微米)范围内的电磁波。它在长波段与毫米波重合，而在短波段与红外线重合）短波限：X射线（Roentgen射线）射线（Gamma射线）具有强穿透力(宇宙射线难以在普通条件下成像)光电成像电磁波谱范围：无线电超短波到射线有效波谱：亚毫米波、红外辐射、可见光、紫外辐射、X射线、射线光电成像技术的发展沿革在人类探索和研究光电效应的进程中产生和发展的。1873年－史密斯(W．Smith)首先发现了光电导现象；1900年－普朗克(Planck)于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,人类从此揭示了内光电效应的本质。1887年－赫兹(Hertz)首先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(Cгоаeтов)、勒纳(Lenard)和爱因斯坦相继建立了光电发射的基本定律。(外光电效应)高量子效率光阴极的出现使微光图像的增强技术达到了实用阶段。利用像增强器，人类突破了视见灵敏阈的限制。1929年－科勒(Koller)制成了第一个实用的光电发射体（银氧铯光阴极），随后利用这一技术研制成功了红外变像管，实现了将不可见的红外图像转换成可见光图像。此后，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。1936年－格利胥(Görlich)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)在提出了负电子亲和势光阴极理论，伊万思(Evans)等人在该理论的指导下研制成功了负电子亲和势镓砷光阴极。在发展光电成像技术的进程中，为扩展视界，人类从30年代开始致力于电视技术的研究。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，为人类提供了不必面对目标即可观察的可能性。电视效能所具有的极大吸引力为它带来了极为迅速的进展。在短短的半个多世纪中，电视摄像器件从初期的析像器逐步提高并发展出众多类型的摄像器件。相继出现的摄像器件有：超正析像管、分流摄像管、视像管、二次电子导电摄像管、硅电子增强靶摄像管、热释电摄像管等。在发展电真空类型的摄像器件同时，1970年玻伊尔(Boyle)和史密斯(Smith)开发出一种具有自扫描功能的电荷耦合器件(CCD)，由此诞生了固体摄像器件，从而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和获得较大的发展后，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。详细请参阅“现代光学与光子学的进展”周立伟、苏君红等人的文章热像仪大气衰减夜视仪控制处理直视型电视型光电成像技术涉及的相关研究领域：(4)成像光学系统(5)光辐射探测器及制冷器(6)信号的电子学处理(7)图像的显示(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相关可参考文献白廷柱，金伟其.光电成像原理与技术.北京理工大学，2006.1张敬贤,李玉丹,金伟其.微光与红外成像技术.北京理工大学，1995.邹异松,刘玉凤,白廷柱.光电成像原理.北京理工大学,1997.红外与毫米波学报光学学报光子学报红外技术红外与激光工程光电子技术电子学报激光与红外应用光学半导体技术半导体光电光学技术传感器技术光机电信息飞航导弹航空兵器航天电子对抗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、红外探测器红外热成像技术真空型热成像技术热释电摄像管（热电视）制冷型热成像技术非制冷型热成像技术射线成像是已知射线中最强烈的辐射，能轻易穿透几乎任何物体。外层空间的射线被大气层阻挡时，产生微弱蓝光(也称切伦科夫辐射,Cherenkovradiation)，持续时间约十亿分之几秒。射线成像用于核医学,将放射性同位素注射到病人体内,同位素衰变放射出射线,用射线检测器收集放射物产生的图像。宇宙射线的图像射线成像检查X射线成像医学诊断：X透视、X照片、计算机轴向断层CAT(ComputerizedAxialTomography)、计算机断层CT(ComputerizedTomography)、核磁共振成像MRI(MagneticResonanceImaging)和正电子放射断层PETX射线成像X射线的工业探伤、X射线的天文学观察(X射线望远镜)、X射线安检仪X射线成像有侵犯隐私之嫌！2020/3/8紫外成像技术军用紫外告警系统公安现场痕迹搜索仪紫外荧光分析高压电器放电检测2020/3/8军事上的紫外应用紫外导弹告警系统空对地系统由于地面目标温度较低，紫外辐射很少，同时地面太阳紫外辐射很低(日盲区)，因而飞机和导弹发动机羽烟中的紫外辐射可形成明显的目标，即紫外传感器不象红外传感器那样易受地面热目标所产生的虚警影响，特别适合于飞行得较低和较慢的飞机，如直升机、近距离支援飞机以及维和行动的空运飞机等。地对空系统地对空系统大多以天空为背景，紫外传感系统可形成良好的景物对比，实现对飞机、巡航导弹和其它种类导弹的探测：300~400nm的软紫外波段，天空散射太阳的紫外辐射而呈白背景，导弹或飞机本体的紫外辐射很低，可形成良好的景物对比；200~300nm的硬紫外波段，大气的散射和吸收使太阳的紫外辐射降到很低，而飞机与导弹尾焰中的紫外辐射可形成明显的辐射源，构成良好的景物对比。2020/3/8微光夜视技术微光夜视技术的分类主动红外成像技术红外变像管+红外照明黑白CCD+红外照明微光像增强器技术增强CCD技术（ICCD）像增强器+中继光学系统+CCD器件像增强器+光纤耦合器+CCD器件背照CCD技术（BCCD)电子轰击CCD技术(EBCCD)电子增强CCD技术(EMCCD)直视型夜视电视型夜视历史见证技术1969年3月2日中苏珍宝岛冲突T62坦克：•率先采用大口径滑膛炮，开创20世纪60年代坦克火炮使用滑膛技术的先河•安装了先进的火炮双向稳定器，行进间射击精度较高；•安装了大功率发动机，弹架油箱设计别具一格；•集多种防护于一身，战场生存能力很强。T－62坦克采用了先进的集体超压三防装置、烟幕施放装置和自动灭火装置等新技术，使其战场生存能力大大提高。•安装了TШ－2Ь－41红外线夜视瞄准镜，夜视距离800~1000米，具有较强的夜战能力。而国产59坦克则只有驾驶员红外夜视仪，车长和炮长在夜间基本无法有效观察和实施射击。第四次中东战争（又称赎罪日战争、斋月战争、十月战争）发生于1973年10月6日至10月26日。起源于埃及与叙利亚分别打算收复六年前被以色列占领的西奈半岛和戈兰高地。战争头一至两日埃叙联盟明显占了上风，但此后战况逆转。至第二周，叙军退出戈兰高地。在西奈，以军在两军之间攻击，越过了苏伊士运河。2020/3/8微光像增强器（或变像管）微光夜视技术的应用微光夜视技术的应用光电成像系统在战术告警、侦察、观瞄、导航、制导等军事领域以及公安观察、监视与鉴别、医学分析与诊断、工业与环境监测和科学研究等领域得到了广泛的应用。军事上的应用军事方面应用的最成功战例当属马岛战役，目前除还用于各种车载观瞄系统外，主要用于轻武器观瞄、车辆驾驶、夜视头盔和单兵手持式侦察仪等，我军许多夜视装备中大部分采用微光夜视系统（采用一代、二代和部分超二代像增强器）AN/AVS-6AN/AVS-9NW-2000ICCDAN/PVS-7DF7000A/F7001AN.269776专用箱微光夜视技术的应用公安侦察上的应用微光夜视技术的应用视频摄像与科学研究生物荧光显微镜Canon摄象机微光夜视技术的应用ICCD测试结果比较微镜IC-100ICCDIC-300ICCDIC-200ICCD2020/3/8主动近红外成像技术红外变像管近红外CCD摄像技术普通黑白CCD摄像机改进型黑白CCD摄像机PULNiX公司：TM-200NIR超高灵敏度黑白CCD摄像机2020/3/8主动近红外成像技术1/2英寸CCD811(水平)x508(垂直)0.009Lux，0.00015LuxF1.22020/3/8主动近红外成像技术主动照明成像技术的应用ICCD+广播级变焦镜头+高功率红外激光照明器(15W,0.81μm)、可移入窄带滤光片和选通电子系统组成主动选通电视系统，选通最大距离8km，视场深度1.5m~2km,良好能见度的夜间作用距离是：分辨人1~1.5km、充气救生船1.5~2km、空中小型飞机3.5~4km、15×15cm2的后向反射器可达8km,可用于车辆内部成像，观察车辆文字，远距离探测带