光电成像器件

中原工学院理学院曾灏宪中原工学院光电成像器件光电信息技术参考书：《光电成像原理》，邹异松等，北京理工大学出版社5.1概述一．光电成像器件的发展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1934年研制出光电像管，应用于室内外的广播电视摄像。它的灵敏度相当低，要达到现在图像信噪比的要求，需要不低于10000lx的照度，这使它的应用范围受到很大限制1947年超正析摄像管面世，使最低照度的要求降至2000lx1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其成本低，体积小，灵敏度和分辨率都较高，但是不适用于高速场合和彩色应用1965年，氧化铅管成功代替正析摄像管，广泛应用于彩色电视摄像机1976年前后，又相继出现灵敏度更高，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)，从此光电成像器件的发展进入一个新的阶段——CCD固体摄像器件的发展阶段1.扫描型（非直视型）扫描型光电成像器件又称为摄像器件被摄景物通过光学系统成像在器件光敏面上，然后由这种器件通过电子束扫描或自扫描方式将光敏面上的二维图像转变为一维时序电信号输出出来运载图像信息的一维时序信号称为视频信号①真空电子束扫描型，例②光电型：光电导式和光电发射式③热电型：热释电摄像管④固体自扫描型：电荷耦合摄像器件（CCD）二．分类2.非扫描型：直视型电真空像管变像管像增强管红外变像管紫外变像管X射线变像管串联式像增强管级联式像增强管微通道板式像增强管负电子亲和势阴极摄像管可直接观察，类似于透镜成像5.2光电成像器件的基本特性表示光电成像特性的参数可分为五大类1.光谱响应2.光电转换特性参数转换系数（增益）、灵敏度（响应率）3.时间响应特性惰性（余辉）、脉冲响应函数、瞬时调制传递函数4.光学特性分辨率、光学传递函数5.噪声特性（探测器性能参数）噪声、噪声等效输入（探测率）、信噪比1.光谱响应器件对不同频率（或波长）光的灵敏度特性，或者说，器件的灵敏度特性随光频率（或波长）的变化曲线取决于光电转换材料的光谱响应例摄像管视象管CCD热释电摄像管光电阴极材料靶材料硅材料材料的热释电效应——近似直线应选择光谱响应与被测景物辐射光谱相匹配的成像器件2.光电转换特性参数表示输入物理量与输出物理量之间的依从关系两个方面①转换系数：②光电灵敏度：增益（直视型）响应度（非直视型）直视型：紫外U可见V红外R可见V（图像）非直视型：紫外U可见V红外R电流I电压Ｕ（视频电信号）a)增益——直视型不同波段的电磁辐射通量（或光通量）光通量（可见光V）输入输出转换系数（增益）000dEEdMKMKELGmmm光电成像器件在法线方向（θ=0）输出的亮度L与输入的辐照度E的比值亮度增益000dEKEKdMKMKELGmmmmll当器件用于增强可见光图像时，常定义为亮度增益Gl将输入辐照度E改为输入光照度El有量纲cd/(m2·lx)教材上错误，请更改光增益000dEKEKdMKMKGmmmm工程上为了计算和测试方便，采用无量纲的量G0来表示增益——光增益输出光出射度与输入光照度之比如果直视型光电成像器件的输出像面具有朗伯体（Lambert）发光特性，由上两式可得l0GG为什么？单色转换系数为了描述直视型光电成像器件对不同光谱的转换特性，定义单色转换系数Gλ可定量描述光电成像器件的光谱响应特性转换系数、亮度增益、光增益都与输入光谱分布有关。作为统一标准，必须确定取标准辐射源（或标准光源）作为输入源。EdMKMKELGmm00b)光电灵敏度（响应率）——非直视型不同波段的电磁辐射通量（或光通量）电信号（I或V）输入输出电流响应率电压响应率IdEAEIRmI0VdEAEVRmV0光电灵敏度与入射辐射的光谱分布有关，在工程中同样规定取标准辐射源（或标准光源）作为输入以求统一，同时，引入单色响应率等效短路状态输出信号的电流值光敏面的有效面积（或扫描面积）单色光输入时单色电流响应率单色电压响应率EIRIEVRV峰值波长灵敏度单色灵敏度取最大值时，对应的单色辐射波长为峰值波长mEIRm截止波长在长波一端取单色灵敏度下降为峰值的一半时所对应的波长，或称长波限LLEIRRm23.时间响应特性参数（1）惰性时间响应的滞后直视型：输出屏是限制时间响应的主要环节——表现为余辉来源于荧光粉的受激发光过程非直视型：①光电导效应：载流子暂态俘获再重新获释的时间分散②电容效应：在扫描电子束着靶的过程中，扫描电子束等效电阻与靶电容构成充电回路，其时间常数决定了时间延迟的大小时间常数的确定输入信号瞬间截止后，其输出信号（光或电信号）衰减为B(t)时，惰性的时间常数τ定义为001dttBB当惰性的衰减函数为负指数函数时，即btbtBexp0t此时，时间常数为bdtbtbb1exp10τ也称为驰豫时间b为取决于惰性的常数例（2）脉冲响应函数当光电成像器件的输入辐照度（或照度）为脉冲函数（采用纳秒、皮秒等超短脉冲激光器作为输入光源）时，得到输出信号是时间的函数。取其归一化的函数B(t)定义为脉冲响应函数描述时间响应特性的函数由于光电成像过程的惰性主要来源于荧光屏和光电导的滞后，并表现在衰减过程中，实验也证实，光电转换中上升过程的滞后远小于下降过程的滞后，故可认为脉冲响应函数上升斜率近似为∞，即，上升过程没有惰性根据下降（衰减）过程的特性，可将脉冲响应函数归结为3种类型I.比例函数衰减型02020tBatBBatB000taBta是取决于惰性的系数，当a增大时，惰性成比例减小B0是取决于转换特性的系数II.负指数衰减型III.双曲函数衰减型0exptBbtbtB00ttb是取决于惰性的系数，当b增大时，惰性成指数率减小0200tBtBBtB0t0tα是与输出变化率相关的系数β是与量子产额相关的系数双曲函数表现出较为严重的惰性00.511.522.500.10.20.30.40.50.60.70.80.91B(t)--tB(0)=5a=b===1tB(t)（3）瞬时调制传递函数当光电成像过程满足线性及时间不变性等条件时，还可以用瞬时调制传递函数来表示时间响应特性瞬时调制传递函数描述的是光电成像在频率域的响应特性，建立在Fourier分析的数学基础上定义：光电成像所输出的归一化时间频谱函数与理想输出（无惰性）的归一化时间频谱函数之比dtththFdtththFfT00脉冲响应函数与瞬时调制传递函数是一组Fourier变换对当光电成像器件的输入照度为光脉冲时，令其输出的时间响应函数为p(t)。对于理想无惰性的状态，可用脉冲函数δ(t)来表示理想输出的时间响应函数。代入前式，得dttpdtftjtpdttpdtftjtdttdtftjtpfT2exp2exp2exp例根据时间响应函数求对应的瞬时调制传递函数取前面的(II)，时间响应函数为负指数函数，则，相应的瞬时调制传递函数为bfjfbbdtbtbdtftjbtbfT2arctanexp2exp2exp2200此式表示了负指数衰减型光电成像的频率响应特性式中实部是幅频响应，虚部是相位频率响应4.光学特性光电成像过程中因为种种原因而产生像差，使输出图像的亮度分布不能准确地再现输入图像的照度分布定量描述这种图像失真程度的性能指标通常使用分辨率和光学传递函数（或调制传递函数）分辨率是单值参数光学传递函数是空间频率的复函数以人眼作为接收器所判定的极限分辨能力，也叫分辨力分辨率通常用光电成像在一定距离内能分辨的等宽黑白条纹数来表示直视型输入像面上每毫米所能分辨的等宽黑白条纹数非直视型扫描线方向上相当于帧高的距离内所能分辨的等宽黑白条纹数这一极限分辨率的线条数简称为电视线nISO12233TestChart点扩散函数与光学传递函数定量描述光电成像过程的成像特性，最直观的方式是列出它的输入图像分布函数g(x,y)和输出图像分布函数h(u,v)之间的关系式然而，由于数学上的困难，这样的计算是难以实现的，因此提出了下面两种方式来分析成像特性：①点扩散函数②光学传递函数了解①点扩散函数当光电成像过程满足线性（齐次性和叠加性）及时间、空间不变性的成像条件时，可建立以下成像关系式vupyxgdxdyyvxupyxgvuh,,,,,上式中，p(u,v)是光电成像的点扩散函数，是由输入δ(x,y)函数分布的图像所得到的输出图像分布函数0)y0,(x1,0)y0,(x0,0)y0,(x1,yxyxdxdyyx②光学传递函数（OTF）当光电成像过程满足线性及时间、空间不变性的成像条件时，则可以将它的输入图像分布函数g(x,y)和输出图像分布函数h(u,v)换为频谱函数来进行分析根据Fourier变换公式，如果g(x,y)和h(u,v)满足狄利克雷条件及无限区间可积条件，则它们的频谱函数存在，即dudvvfufjvuhffHdxdyyfxfjyxgffGyxyxyxyx2exp,,2exp,,此时，可以建立如下的成像关系式yxyxyxffOffGffH,,,yxyxyxffOffGffH,,,也可表示为yxyxyxyxdfdfvfufjdxdyyfxfjyxgffOvuh2exp2exp,,,式中，就是光电成像的光学传递函数，是输出图像频谱与输入图像频谱之比的函数yxffO,光学传递函数与点扩散函数p(u,v)是一对Fourier变换对yxffO,光学传递函数是复数，可表示为],exp[,,yxyxyxffjffTffO式中yxffT,是调制传递函数，简称MTFyxff,是相位传递函数，简称PTF光学传递函数可简称为OTF对于有n个线性成像环节串联构成的成像过程，其OTF为各个环节OTF的乘积；MTF为n个环节MTF的乘积，PTF为n个环节PTF的代数和线性复合光电成像系统的光学传递函数光学传递函数，简称OTF(OpticalTransferFunction)，是近30年以来光学领域里一个十分引人注目的前沿课题，也是近十几年来人们更加关注的一门新兴学科——“信息光学”的重要组成部分工作原理：用一束极细的电子束扫描样品，在样品外表激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的外表结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope，SEM）于20世纪60年代问世，用来视察标本的外表结构中原工学院理学院曾灏宪中原工学院光电成像器件光电信息技术5.2光电成像原理与电视摄像制式一．光电成像原理景物光学成像摄像部分光电变换图像分割同步扫描视频信号传送同步扫描视频调辉图像再现显像部分接收景物光学