1第一部 第一章 光电成像技术概论.ppt

显示与成像,显示与成像,成像-光电成像是一门研究光电成像的转换、增强、传输和贮存的学科-光电成像技术。成像系统是将客观世界中的信息以各种方式转换成图像信息的科学系统。成像：提高了认识世界探求自然真理的能力，丰富了人类的视觉世界，改变了人们的生活方式。,显示-从光源发出的光经调制加载信号后通过传输媒质到接收端，接收端再将所需信息解调并以图像、图形、数码、字符等形式提供给人们以视觉上的感受。这一技术称为显示技术-电子显示技术。显示技术displaytechnique利用电子技术提供变换灵活的视觉信息的技术。,显示与成像之间的关系：,同步扫描,视频信号,景物,光学成像,光电变换,图像分割,传送,同步扫描,视频解调,图像再现,摄像部分,显像部分,光电成像系统原理方框图,光源,传输,转运,探测,成像,显示,课程内容安排,光电成像系统概论光学基础知识(几何光学光学元件)光学系统(放大镜显微镜望远镜)光电成像器件(摄像管CCDCMOS微通道板像管)的结构、工作原理、特性参数及应用显示系统概论光的基础知识显示器件的结构、工作原理、工艺流程、特性参数、材料及应用(CRTLCDLEDOLEDPDPLPDVFD电子纸和投影显示DLP等),本课程的主要任务是使学生掌握有关光电成像、显示的基本概念，理解各种光电成像、显示的原理、基本结构和构成材料，熟悉各种光电成像、显示器的制造工艺，为今后从事光电成像、显示器的技术工作奠定基础。,第一部第一章成像概论,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，通过人眼获取的信息占人类能够获取的信息的80以上。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，夜间无照明时人的视觉能力很差；其次是分辫力的限制，没有足够的视角和对比就难以辫认；又有时间上的限制，已变化过的景象无法留在视觉上；还有光谱的限制，人眼只对电磁波谱中很窄的可见光区敏感。总之，人类的直观视觉只能有条件的提供图像信息。,在很早以前人类就为开拓自身的视见能力而进行了探索。取得了不少有成效的进展。灯具的出现，改善了人类夜晚的照明环境。望远镜的出现，为人类延伸了视见距离。显徽镜的应用，为人类观察微小物体提供了方便。可是，在扩展视见光谱范围和视见灵敏度方面却经历了漫长时间，才有所进展。这一进展是由光电成像技术所开拓的。目前光电成像技术已成为信息时代的重要技术领域。,人眼的视觉缺陷,第一，有限的视见光谱域看不见红外图像和紫外图像第二，有限的视见灵敏域光线太暗的地方能见度不高第三，有限的视见分辨率目标太小了看不清楚第四，对视觉信号无记忆能力看过但是不记得,人眼的局限性大大地限制了人类获得光信息的能力，因而需要扩展人眼的功能。第一，要扩展人眼在低照度下的视觉能力，提供各种夜视装备以便能在低照度下进行科研和生产活动，或在夜间进行侦察和战斗。第二，要扩展人眼对电磁波波段的敏感范围。已制成将红外线、紫外线和X射线的光图像转换成可见光图像的直视式或电视式光电子学装置。利用这些原理还可以扩展到观察中子和其他带电粒子所形成的图像。第三，要扩展人眼对光学过程的时间分辨本领，例如已经做到在几十飞秒（秒）内就可观察到信息的变化。,光电成像技术的必要性,光电成像技术为人类有效地扩展了自身的视觉能力。第一，可以扩展人眼对微弱光图像的探测能力；第二，可以将超快速现象存储下来；第三，可以开拓人眼对不可见辐射的接收能力；第四，可以捕捉人眼无法分辨的细节。经典光学方法可以解决所有这些问题吗？,1、1光电成像技术的产生及发展,光电成像原理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发现了光电导现象；1900年，普朗克提出光的量子属性；1916年，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；,人类从此揭示了内光电效应的本质。在相继的大量研究工作中，伴随着近代物理学的发展建立了半导体理论和研制出各类光电器件。由此导致内光电效应的广泛应用。开拓了人类探测光子的技术手段，为扩展视见光谱范围创造了基本条件。,人类在探索内光电效应的同时也探索了外光电效应。1887年由赫兹(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、勒纳和爱因斯坦相继建立了光电发射的基本定律。,在此基础上于1929年科勒(Koller)制成了第一个实用的光电发射体银氧艳光阴极。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。相继又出现了紫外变像管和X射线变像管，从而使人类的视见光谱范围获得了更有成效的扩展。30年代，人类致力于电视技术的研究；在1934年就成功地研制出光电摄像管(Iconoscope)，用于室内、外的广播电视摄像。但是，它的灵敏度很低，信噪比很低，需要高于10000lx的照度才能获得较为清晰的图像，使它的应用受到限制。现代图像与视频技术，经历了长久的发展历史,1947年研制出的超正析像管(ImaigeOrthico)的灵敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2000lx以上。1954年投放市场的高灵敏摄像管(Vidicon)基本具有了成本低，体积小，结构简单的特点使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展。1965年推出的氧化铅摄像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，发展了彩色电视摄像机，使彩色广播电视摄像机的发展产生了一次飞跃，诞生了1英寸、12英寸，甚至于13英寸(8mm)靶面的彩色摄像机。然而，氧化铅摄像管抗强光的能力低，余辉效应影响了它的采样速率。,1976年又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管(Saticon)和硅靶管(Siticon)，以不断满足人们对图像传感器日益增长的需要。1970年，美国贝尔电话实验室玻伊尔与Smith开拓出一种具有自扫描功能的电荷耦合器件，使图像传感器从真空电子束扫描方式发展成为固体自扫描输出方式。从而使电视技术有质的飞跃。尤其在发展红外CCD方面所开拓的凝视红外热成像技术，已成为人类目前扩展视见能力的最有效手段。,CCD图像传感器不但具有固体器件的所有优点，而且它的自扫描输出方式消除了由电子束扫描所造成的图像光电转换的非线性失真。即CCD图像传感器的输出信号能够不失真地将光学图像转换成视频电视图像。而且，它的体积、重量、功耗和制造成本等方面的优点是电子束摄像管根本无法达到的。CCD图像传感器的诞生和发展使人类进入了广泛应用图像传感器的新时代。,上述种种改善人类视见能力的新技术，归结起来都是以光电转换技术、光电子理论和半导体物理等为其基础，并通过各类光电成像器件来实现的。采用这一类器件器件完成成像过程的技术可以统称之为光电成像原理。相应的学科归属于光电子物理学。,1、2光电成像对视见光谱的延伸,自然界中存在着非可见光的电磁波。这些电磁波和可见光一样也构成景物的辐射强度分布。例如在常温下(约300K)景物本身的热辐射就构成了红外线辐射分布的图像。但是这种图像不能被人眼直接感受。存在于自然界的电磁波，其波长范围很宽。从波长仅有m的宇宙射线到波长为m的长电振荡，对于如此广泛的电磁波。如何利用来传递图像信息，并转换为可见光图像。这一问题只有借助于光电成像技术来获得解决。,电磁波谱,经典理论可以证明，全部波段的电磁波都可成为图像信息的载体。这是因为全部电磁波所形成的电磁场都遵循同一形式的（麦克斯韦）方程组关系。,上面的数学过程所描述的物方和像方两者分布函数之间关系，表明广泛的电磁波都具有同一的传播规律。因此由经典电磁场理论可以处理电磁波的全部光学成像间题，并可以用波印亭（Poynting)矢量w来表示电磁能密度,将波动方程应用于讨论电磁波成像就可知，只要像空间两点的距离大于衍射极限，即可分辨其间的光强分布，也就是能构成图像信息。根据简化的电磁波衍射理论模型，两个像点间能够被分辨的最短距离为d，它等于,式中，是电磁波的波长，是电磁波在像空间的介质折射率，是电磁波在像方的会聚角。,从这一衍射公式可知：当电磁波的波长增大时，所能获得的图像分辨力将显著降低。因此对波长超过毫米数量级的电磁波，如果用有限孔径和焦距的成像系统所获得的图像分辨力将会很低。所以基本上排除了波长较长的电磁波的成像作用。目前光电成像对光谱长波阈的延伸仅扩展到亚毫米波成像。,除了衍射造成分辨力下降而限制了长波的电磁波用于成像而外，同时用于成像的电磁波也存在一个短波限制。通常把这个短波限确定在射线(Roentgen)与射线(Gamma)的波段。这是因为波长更短的辐射具有极强的穿透能力，所以宇宙射线难以在普通条件下聚焦成像。,综合上述分析，可以得出简要的结论。通常用于光电成像的电磁波，其波长范围是由无线电超短波到射线为止。有效的波谱区是:亚毫米波、红外辐射、可见光、紫外辐射、射线、射线等。,1、3光电成像技术的应用范畴,人们采用光电成像技术突破了人类视觉的部分限制，特别是突破了人眼在低照度和有限光谱响应下的视觉限制。同时，视觉机能在时间和空间两个方面也得到了扩展。时间上的扩展如数码照相、印刷、静电复印、摄录像等。空间上的扩展如电视、微光观察镜等可以将肉眼不能直接观察到的远处的图像传输到视网膜上。,图像记录以随时可看和长时间保存为特点；图像传输以即时可看和长距离传输为特点。两者的特点可以互补，-如在电视方面发展了图像记录录像技术；-在照相方面发展了图像传输传真技术等。除了视觉机能的空间扩大和时间延长，即图像传输和图像记录技术外，正在发展扩大的是视觉识别技术，例如，将超出人类视觉响应能力的红外和紫外图像转换成可见光图像或者将细节模糊的图像处理成细节清晰的图像处理技术。由此可见，图像与视觉是密切相关的。,随着科学技术的迅速发展，包括微光与红外成像技术在内的光电成像技术受到普遍重视且不断地开拓着新的应用领域，光电成像技术的应用如表1-1所示。,如表1-1光电成像技术的应用,由表-中所列举的光电成像技术应用情况可以看出，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。它在工农业生产、科学研究和国防建设中占有重要地位。综上所述，光电成像技术所研究的内容可以概括为以下四个方面：,光电成像技术所研究的内容,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、存储技术；扩大人类视觉光谱响应范围的图像变换技术；扩大人类视觉灵敏机能的图像增强技术。,就获取目标图像的基本过程而论，光电成像技术所涉及的内容相当广泛，主要包括：各种辐射源及目标、背景特性；大气光学特性对辐射传输的影响；成像的光学系统；光辐射探测器及制冷器；信号的电子学处理；图像的显示；人眼的视觉特性。,光电成像技术所涉及的内容,1、4光电成像器件,光电成像器件按其工作方式可分为：直视型非直视型(扫描型或电视型)两类。,光电成像器件分类,光电成像器件按其工作方式来分类，可以分为如下两大类:,1.直视型光电成像器件这类器件用于直接观察的仪器中。器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分。它的工作方式是：将入射的辐射图像通过外光电效应转换为电子图像，而后由电场或电磁场的聚焦加速作用进行能量增强以及由二次发射作用进行电子倍增，经增强的电子图像激发荧光屏产生可见光图像。因此直视型光电成像器件的基本结构包括有：光电发射体、电子光学系统、微通道板、荧光屏以及保持高真空的管壳。通常称之为像管。,在直视型光电成像器件中，又可根据其工作的辐射波段区分为两种：第一种是接受非可见辐射图像的直视型光电成像器件。其中有：红外变像管，紫外变像管，x射线变像管等。属于这一种器件的共同特点是入射图像的光谱与输出图像的光谱完全不同，因此统称之为变像管。通常作为人眼直接观察的图像转换器件，故输出图像的光谱是可见光。第二种是接受微弱可见光图像的直视型光电成像器件。其中有：级联式像增强器、带微通道板的像增强器、负电子亲合势光阴极的像增强器。属于这种器件的共同特点是输入的光学图像极其微弱，经过器件内电子图像的能量和数量的增加使输出图像增强。因此统称之为像增强器。,2.非直视型光电成像器件这类器件用于电视摄像和热成像系统中。器件本身完成的功能是将可见光或辐射图像转换成视频电信号。所获得的电信号通过处理和传输再由显像装置输出图像。非直视型光电成像器件的工作方式是接收光学图像或热图像，利用光敏面的光电效应或热电效应转变为电荷图像，而后通过电子束扫描或电荷耦合转移方式，产生出视频信号。,因此这类器件只完成摄像功能，不直接输出图像。故称之为非直视型光电成像器件。它的基本结构有电真空式和固体式。前者由光敏靶(或带有光敏面的电子增强靶)、电子枪、扫描系统以及保持高真空的管壳等构成。后者由光敏面阵和电荷藕合转移读出电路(或两维移位寄存读出电路)等构成。,在非直视型光电成像器件中，又可根据其工作原理区分为以下几种。,第一种是光电摄像器件。其摄像原理是基于外光电效应的物理过程。属于这种的器件有：超正析像管和分流摄像管。第二种是光电导摄像器件。其摄像原理是基于内光电效应的物理过程。属于这种的器件有：视像管、异质结靶光电导摄像管和硅靶摄像管。,第三种是光电增强型摄像器件。其摄像原理基于外光电效应并附加电子增强的物理过程。属于这种的器件有：二次电子导电摄像管和硅电子增强靶摄像管。第四种是热释电摄像器件。其摄像原理是基于铁电体的热释电效应物理过程。属于这种的器件有硫酸三甘肤(TGS)热释电摄像管和氟铁酸三甘肤(TUFB)热释电摄像管。,第五种是电荷耦合摄像器件。这种固体摄像器件的工作原理是基于内光电效应在光敏面阵上产生信号电荷包，通过时序控制电极电位形成势阱变化完成电荷包转移，由此自扫描过程在输出端获得视频电信号。属于这种器件有电荷藕合器件(CCD)和红外焦平面器件。,第六种是通过光机扫描成像的探测器单元及探测器阵列。这种分立的光电器件采用内光电效应或热电效应。器件本身不构成图像，仅完成图像局部点的光电转换。当采用光机扫描装置，逐点扫描就完成了光电成像过程。属于这种器件有光电导型探测器、光伏型探测器、扫积型探测器(SignalProcessinginTheElements,SPRITE)、热释电探测器或者它们的小规模阵列。,1、5光电成像器件的特性,表示光电成像特性的参数可分为四大类。第一类是光电转换特性的参数。主要有：灵敏度(响应率)、转换系数(增益)。第二类是时间响应特性。主要有：惰性(余辉)、脉冲响应函数、瞬时调制传递函数。第三类是噪声特性。主要有：噪声、噪声等效输入(探测率)、信噪比。第四类是光学特性。主要有：分辨力、光学传递函数。,1、5光电成像器件的特性,1)光电转换特性a转换系数(增益)：光电成像的转换特性是表示其输入物理量与输出物理量之间的依从关系。对于直视型光电成像器件，其输入量与输出量分别是不同波段的电磁波辐射通量(或光通量)。b光电灵敏度(响应率)：非直视型光电成像器件的转换特性，通常用光电灵敏度(响应率)表示。由于这类器件的输入是辐射通量(或光通量)，输出是电信号(或视频信号)。,1、5光电成像器件的特性,2)时间响应特性光电成像过程中存在着惰性环节，如荧光屏，光电导靶等。由惰性环节产生时间响应的滞后。直视型光电成像器件的输出屏是限制时间响应的主要环节。荧光屏的惰性表现为余辉。,1、5光电成像器件的特性,非直视型光电成像器件的惰性来源于光电导效应的滞后和电容效应的滞后。光电导滞后决定于建立产生复合动态平衡过程和载流子暂态俘获后再重新获释的过程；电容性滞后发生在扫描电子束着靶的过程，其取决于扫描电子束等效电阻与靶电容构成的充电回路的时间常数。,1、5光电成像器件的特性,3)噪声特性光电成像的主要噪声来源有：光电转换过程的量子噪声(光电发射的量子噪声、光电导的产生一复合噪声，热电效应的温度噪声)、热噪声、电流噪声、介质损耗噪声等。根据前面几项噪声的分析，可知噪声的取值是与信号相关的，即随着信号的增大而上升。因此为定量评价这一特性，而采用信号与噪声之比值来描述。简称为信噪比。,1、5光电成像器件的特性,4）光电成像器件的图像分辨特性光电成像过程由于种种原因而产生像差，使输出图像的亮度分布不能准确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采用分辨力和光学传递函数（或调制传递函数）。前者是单值参数，后者是空间频率的复函数。1.分辫力分辨力是以人眼做为接收器，所判定的极限分辨能力。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。,对于直视型光电成像器件，则取输入像面上每毫米所能分辨的等宽黑白条纹数表示分辨力。对于非直视型光电成像系统，则取扫描线方向相当于帧高的距离内所能分辨的等宽黑白条