第五章 光电成像系统2课件

第五章光电成像系统2第五章光电成像系统

基本要求（1）掌握CCD、CMOS摄像器件的基本原理、光电成像系统的基本结构及红外成像系统的综合特性评价参数；（2）了解CCD、CMOS摄像器件的特点、红外焦平面器件及微光像增强器件的基本原理，了解固体摄像器件的发展水平

重点：

CCD、CMOS摄像器件的基本原理。第五章光电成像系统2§5.2光电成像原理一、光电成像系统的基本结构第五章光电成像系统2成像设备工作原理图处理器观察视场瞬时视场扫描机构图所示为一简单的机械扫描成像设备原理装置，入射光到一可转动的平面反射镜上，当平面镜转动时，平面镜反射的光束的方向就会发生改变，达到扫描成像的目的。

扫描成像系统探测器第五章光电成像系统21）串联扫描第五章光电成像系统2二维扫描示意图探测器第五章光电成像系统2水平扫描示意第五章光电成像系统2水平扫描示意第五章光电成像系统2水平扫描示意第五章光电成像系统2水平扫描示意第五章光电成像系统2垂直扫描示意第五章光电成像系统2垂直扫描示意第五章光电成像系统2垂直扫描示意第五章光电成像系统2垂直扫描示意第五章光电成像系统2光机扫描设备光路图第五章光电成像系统22)并联扫描第五章光电成像系统23）串并联混合扫描延迟第五章光电成像系统2面阵器件物空间区域光学系统

凝视成像系统第五章光电成像系统2二、成像光学系统中的光阑(stop)第五章光电成像系统21、孔径光阑(Aperturestop)光阑：光学系统中凡是对光能量具有限制作用的元件。如：光学系统中的透镜的外缘、开孔、光屏等。孔径光阑（有效光阑）：在光学系统中，对整个系统光能量的传播范围起决定性限制作用的那一个光阑。孔径光阑孔径光阑第五章光电成像系统2P1P1’P2P2’u1u2

孔径光阑与物点位置的关系孔径光阑的确定是以成象物体的确定为前提的，即同一系统中，当物体的位置不同时，孔径光阑可能会不同。第五章光电成像系统2孔径光阑

A.S.的作用：限制成像光束口径控制到达像面的光能第五章光电成像系统2

孔径光阑的确定方法入瞳和出瞳确定系统孔径光阑的方法:将系统中各光阑分别经其前面的光学元件成像于系统的物空间,其中对轴上点张角最小的那个像所对应的光阑即为孔径光阑A.S.孔径光阑

与轴上物点位置有关,具有限制轴上物点的成像光束孔径角的作用。第五章光电成像系统2入射光瞳（入瞳）——孔径光阑经其前方光学系统所成的象。出射光瞳（出瞳）——孔径光阑经其后方光学系统所成的象。孔径光阑入瞳出瞳入射孔径角

光瞳（pupil）

入瞳直径第五章光电成像系统2在这个系统中，孔径光阑同时也是入瞳孔径光阑出瞳--孔径光阑对后方系统成的像uu’例第五章光电成像系统2孔径光阑在物空间中的等效孔径孔径光阑在像空间中的等效孔径入射光瞳(入瞳)：限制入射光束的有效孔径,

是孔径光阑对前方光学系统所成的像出射光瞳(出瞳)：限制出射光束的有效孔径,

孔径光阑对后方光学系统所成的像第五章光电成像系统2视场光阑

F.S.的作用：限制物面上能成像的范围,限制视场的大小视场光阑(Fieldstop)视场光阑—限制成像范围的光阑第五章光电成像系统2ABA’B’孔径光阑视场光阑探测器第五章光电成像系统2孔径光阑uu’三、光电成像系统的基本技术参数1）光学系统的通光口径（有效孔径、入瞳直径）D决定了光学系统接收的能量。D有效孔径第五章光电成像系统2D有效孔径Ie成像系统接收的辐射通量（光功率）：第五章光电成像系统22）光学系统的焦距f第五章光电成像系统23)相对孔径D/f相对孔径定义为光学系统的入瞳直径(通光孔径)D与焦距f之比，相对孔径的倒数叫F数。相对孔径决定红外成像光学系统的衍射分辨率及像面上的辐照度。衍射分辨率:像面照度：应具有尽可能大的相对孔径，以提高系统的灵敏度。第五章光电成像系统2表达照相机光圈大小是用F数（=镜头的焦距/镜头口径的直径）完整的光圈值系列如下：F1，F1.4，F2，F2.8，F4，F5.6，F8，F11，F16，F22，F32，F44，F64。特别要注意的是光圈F值愈小，表示在同一单位时间内的光通量愈多，而且上一级的进光量刚是下一级的一倍，例如光圈从F8调整到F5.6，进光量便多一倍，我们也说光圈开大了一级。第五章光电成像系统2第五章光电成像系统24)观察视场角WH

、WV探测器WVWHh第五章光电成像系统2处理器观察视场瞬时视场扫描机构探测器5）瞬时视场角α、βWV

第五章光电成像系统26)帧时Tf和帧速对于扫描光电成像系统，完成一帧扫描所需的时间称为帧时Tf，单位时间完成的帧数称为帧速，显然有：5)滞留时间对光机扫描系统而言，物空间一点扫过单元探测器所经历的时间称为滞留时间第五章光电成像系统2光学系统物空间像空间

实物成实象三、光学系统的像差（aberration)理想成像傍轴条件下可以看作理想成像，它要求成像光束的孔径小且仪器的视场小。第五章光电成像系统2

像差的基本概念像差单色像差(monochromaticaberration)色像差(chromaticaberration)任何偏离理想成像的现象，称为像差像差包括单色像差和色像差。单色像差中包括球差、彗差、像散、像场弯曲、畸变第五章光电成像系统2-uu’PP’近轴条件下：

单色像差的来源球面系统在近轴条件下可以理想成像物像一一对应第五章光电成像系统2非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略-uu’PP’出现三级以上像差球面系统不能理想成像第五章光电成像系统2三级像差(或初级像差)----5种：

1)球差(sphericalaberration)2)慧差(coma)3)像散(astigmatism)4)场曲(curvatureoffield)5)畸变(distortion)第五章光电成像系统2

球差(Sphericalaberration)轴上物点发出的大孔径光线不聚焦于一点第五章光电成像系统2图示：不同大小球差的照片球差的校正：

变折射率透镜中间折射率大

加光阑；

复合透镜，如正负透镜组合、球面曲率及折射率的配合等；非球面透镜；第五章光电成像系统2彗差(Coma)

轴外傍轴物点发出的宽光束经透镜折射后不再交于一点，而在像面上形成彗星状弥散斑注意：球差和彗差往往同时存在，消除球差后才明显观察到彗差。屏幕彗星状弥散斑第五章光电成像系统2

不同大小慧差的照片慧差的校正：

复合透镜；

加光阑；

非球面透镜；第五章光电成像系统2像散(Astigmatism)和场曲（Curvatureoffield）最小弥散圆主光线子午焦线弧矢焦线轴外物点发出的同心光束，水平方向和竖直方向的光线的聚焦点在不同平面上第五章光电成像系统2像散(Astigmatism)远离轴上物点发出的窄光束经透镜后不再交于一点子午平面：轴外物点和光轴所确定的平面。子午平面内的光束称子午光束。弧矢平面：过主光线且与子午平面垂直的平面。弧矢平面内的光束称弧矢光束光轴物点物面像面子午平面弧矢平面第五章光电成像系统2像散（轴外点细光束）竖直面上的光线,交于子午焦线.水平面上的光线，交于弧矢交线．光轴像散使轴外物点的像变成两条分离的线．子午焦线弧矢焦线物点物面像面像的质量最好第五章光电成像系统2垂直于光轴的平面物体只有在近轴区域才近似成像为一个平面，对较大物面，像面不是平面而是曲面场曲

（Curvatureoffield）

（像场弯曲）第五章光电成像系统2屏幕光轴透镜像点轨迹成清晰像的最佳像面不为平面像散和场曲的校正：

复合透镜

加光阑非球面透镜；第五章光电成像系统2像散和场曲的校正：

复合透镜

加光阑非球面透镜；第五章光电成像系统2

物平面 枕形畸变 桶形畸变

畸变(Distortion)引起像的变形，不影响像的清晰度。第五章光电成像系统2

光阑消除畸变第五章光电成像系统2（1）位置色差不同波长的光，焦距不同,像的位置不同．在1,2,3三截面上,形成的光环半径不同.

色差(Chromaticaberration)第五章光电成像系统2（2）放大率色差单个透镜的色差，无法消除。但是把一对不同材料的凸、凹透镜胶合起来，可对选定的两种波长消除色差。

不同颜色的光放大率不同第五章光电成像系统2

色差(Chromaticaberration)

色差的产生P

色差的消除P’Pn1n2第五章光电成像系统2四、典型的光学系统（1）透射式红外光学系统第五章光电成像系统2（2）反射式红外光学系统牛顿光学系统：第五章光电成像系统2卡塞格伦系统：第五章光电成像系统2格利高利系统：第五章光电成像系统2（3）折反射组合式光学系统施密特系统：第五章光电成像系统2透射式光学系统与反射式光学系统比较：透射式光学系统设计、装调精度要求低，加工装调难度小；但口径大于200mm时重量太大，一般不采用透射式；反射式光学系统波段宽，没有色差，大口径光学系统一般采用反射式。第五章光电成像系统2§5.5红外成像系统的综合特性红外成像系统性能的综合量度指标：空间分辨率——调制传递函数（MTF）温度分辨率——噪声等效温差（NETD）最小可分辨温差（MRTD）最小可探测温差（MDTD）第五章光电成像系统2●●爱里斑一、调制传递函数（MTF）成像系统的传输特性分析为了分析成像系统的特性，引入空间频率的概念。第五章光电成像系统2设有亮暗相间的等宽度条纹图案，两相邻条形中心之间距离称为空间周期（mm），的倒数称为空间频率。lp/mm空间频率定义为周期量在单位空间上变化的周期数，单位是线对/毫米，即lp/mm。

第五章光电成像系统2物体结构的分解：

通常所谓的分辩率，是将物体结构分解为线或点，这只是分解物体方法的一种。另一种方法是将物体结构分解为各种频率的谱，即认为物体是由各种不同的空间频率组合而成的。这样成像系统的特性就表现为它对各种物体结构频率的响应：透过特性、对比度和位相的传输。第五章光电成像系统2成像系统传递函数的概念:成像系统可以看作是一个低通线性滤波器，给成像系统输入一个正弦信号（即给出一个光强正弦分布的目标），输出仍然是同一频率的正弦信号（即目标成的像仍然是同一空间频率的正弦分布），只不过像的对比度有所降低，位相发生移动。对比度降低的程度和位相移动的大小是空间频率的函数，被称为成像系统的对比(调制)传递函数（MTF）和位相传递函数（PTF）。第五章光电成像系统2调制对比度定义：设输入信号的调制度为M0(f)，经过成像系统后输出信号的调制度为M

(f)

，则成像系统对某一频率f

的调制传递函数MTF定义为：M0Mxx第五章光电成像系统2调制传递函数（MTF）与空间频率的关系这个函数的具体形式则完全由成像系统的成像性能所决定，因此传递函数客观地反映了成像系统的成像质量，成像系统存在一个截止频率fc，对这个频率，正弦目标的像的对比降低到0。标经系统成像后对比降低和信息衰减。对比度空间频率ffcM第五章光电成像系统2两种不同镜头的调制传递函数第五章光电成像系统2（1）光学系统的调制传递函数MTF0（2）探测器的MTFd（3）电子线路的MTFe（4)显示器的MTFm（5）大气的MTFom（6）人眼调制传递函数MTFeye

2、成像过程中各个环节的调制传递函数

第五章光电成像系统2人眼能接收感知的极限调制度为0.026，目视仪器各个环节的传递函数值可以以此作为考虑的出发点。（7）系统的传递函数MTF成像系统总的传递函数为各分系统传递函数的乘积：第五章光电成像系统2WHWWVWTTTB二、噪声等效温差（NETD）NETD测试图案温度为TT的均匀方形黑体目标，处在温度为TB(TT＞TB)的均匀黑体背景中构成测试图案。红外成像仪对这个图案进行观察，当系统的基准电子滤波器输出的信号电压峰值和噪声电压的均方根值之比为1时，黑体目标和黑体背景的温差称为噪声等效温差。1、NETD（NoiseEquivalentTemperatureDifference）的定义和测量方法NETD是表征红外成像系统性能的关键指标。第五章光电成像系统2实际测量时，为了取得良好的结果，通常要求目标尺寸W超过系统瞬时视场若干倍，目标和背景的温差

T超过NETD数十倍，使信号峰值电压Vs远大于均方根噪声电压Vn,然后按下式计算NETDVnVs第五章光电成像系统2三、最小可分辨温差（MRTD）MRTD是景物空间频率的函数。MRTD的测试图案HDH:D=7:1第五章光电成像系统2具有不同空间频率，高宽比为7：1的四条带目标图案处于均匀的背景中。成像系统对某一组四条带图案成像，调节目标相对背景的温差，从零逐渐增大，直到在显示屏上刚能分辨出条带图案为止。此时的温差就是在该空间频率下的最小可分辨温差。分别对不同空间频率的条带图案重复上述测量过程，可得到MRTD曲线。MRTD的定义和测试:典型的MRTD曲线第五章光电成像系统2四、最小可探测温差（MDTD）

最小可探测温差(MDTD)是将NETD与MRTD的概念在某些方面作了取舍后而得出的。具体地说，MDTD仍是采用MRTD的观测方式，由在显示屏上刚能分辨出目标时所需的目标对背景的温差来定义。WHWWVWTTTB但MDTD采用的标准图案是位于均匀背景中的单个方形目标，其尺寸W可调整，这是对NETD与MRTD标准图案特点的一种综合。MDTD用来估算点源目标的可探测性是有价值的。第五章光电成像系统25.6微光像增强器件

明朗夏天采光良好的室内照度大致在100至500lx之间太阳直射时的地面照度可以达到10万lx满月在天顶时的地面照度大约是0.2lx夜间无月时的地面照度只有10-4lx数量级微光光电成像系统的工作条件就是环境照度低于0.1lx第五章光电成像系统25.6.1微光像增强器

像增强器(又称为像管)是一种电真空成像器件，是微光光电成像系统的核心部件，其作用是指把微弱的光图像增强到足够的亮度，以便可以用肉眼观察。像增强器由安装在高真空管壳内的光电阴极﹑电子光学系统,又称为电子透镜(有静电聚焦和磁聚焦两种)和荧光屏三部分组成。输入窗口输出窗口光阴极荧光屏电子光学系统第五章光电成像系统2单极像增强器结构第五章光电成像系统2

基本原理

:光电阴极将光学图像转换为电子图像，电子光学系统（电极系统）将电子图像传递到荧光屏，在传递过程中增强电子能量并完成电子图像几何尺寸的缩放，荧光屏完成电光转换，即将电子图像转换为可见光图像，图像的亮度已被增强到足以引起人眼视觉，在夜间或低照度下可以直接进行观察。光阴极荧光屏电子光学系统第五章光电成像系统2

变像管：是像增强器的一种，其作用是指把不可见光转换为可见光的器件。如红外变像管、紫外变像管、X射线变像管。变像管组成与微光像增强器相同，其核心部分是对红外光或紫外光敏感的光电阴极。当红外光照射到阴极时，产生光电发射，经过电子光学系统，变成可见光。由于普通照相底片在红外光谱区灵敏度极低﹐采用具有对红外光敏感的光电阴极的像管﹐可获得巨大增益。输入窗口输出窗口光阴极荧光屏电子光学系统第五章光电成像系统2

微光像增强器的性能参数（1）光电阴极灵敏度表征光电阴极发射（或转换）特性的参量，定义为像管光电阴极产生的光电流与入射辐射通量之比。对微光器件，光灵敏度是指用色温2856K士50K的标准钨丝白炽灯（CIE规定的标准“A”光源）照射光电阴极时，其上产生的光电流与入射光通量之比。第五章光电成像系统2典型光电阴极灵敏度第五章光电成像系统2（2）有效直径

有效光电阴极直径是在像管输入端上与光电轴同心、能完全成像于荧光屏上的最大圆直径。有效荧光屏直径是在像管输出端上与光电轴同心，并与有效光电阴极直径成物像关系的圆直径。一般将其表示为有效阴极直径／有效屏直径，如18／18（单位mm）第五章光电成像系统2（3）亮度增益像管的亮度增益定义为：像管在标准光源照射下，荧光屏上的光出射度M与入射到阴极面上的照度E之比。即

G=M/E标准光源:色温为2856K±50K的钨丝白炽灯。光通量增益定义为荧光屏输出的光通量与输入到光电阴极的光通量之比。（4）暗背景光亮度和等效背景光照度暗背景光亮度：光电阴极无光照时，处于工作状态的像管荧光屏上的输出光亮度称为暗背景光亮度。等效背景光照度是指产生和暗背景相等的输出光亮度在光电阴极上所需的输入光照度。第五章光电成像系统2（5）放大率像管的放大率是指荧光屏上输出像的几何大小与光电阴极上输入像的几何大小之比。像管的畸变是距离光电轴中心不同位置处各点放大率不同的表征：式中Dr是与光电阴极中心距离为r处的畸变，

r是与光电阴极中心距离为r处的放大率,

c是光电阴极中心处的放大率。Dr为正值时产生枕形畸变,为负值时产生桶形畸变。第五章光电成像系统2（6）分辨率和调制传递函数分辨率是指像管分辨相邻两个物点或像点的能力。如果把矩形波空间频率图样投射到光电阴极上，分辨率可用在荧光屏上能分辨的最高空间频率表示。调制传递函数MTF是荧光屏上输出的正弦波图样的调制度与光电阴极上输入的正弦波图样的调制度之比。第五章光电成像系统2（7）光生背景在有光输入时，处于工作状态的像管荧光屏上存在的随入射光强弱而变化的那部分附加光亮度，称为光生背景。（8）信噪比定义：像管在规定的工作条件下输出的信号与噪声之比即为信噪比。第五章光电成像系统2（9）自动光亮度控制（ABC）特性像管的自动光亮度控制是靠像管的自动亮度控制电路来实现的，目的是控制荧光屏的输出图像亮度。当输入光照度大于某一规定值时，控制电路自动降低电子加速电压，使输出光亮度与输入光照度之间呈非线性关系。第五章光电成像系统2

像增强器的发展自60年代开始研制像管以来，经历了三次技术创新：一代管以三级级联增强技术为特征，增益高达几万倍，但体积大，重量重；二代管以微通道板（MCP）增强技术为特征，体积小，重量轻，但夜视距离无明显突破；三代管则采用了负电子亲和势（NEA）GaAs光电阴极，使夜视距离提高1.5-2倍以上。第五章光电成像系统2（1）第一代像增强器第一代像增强器是以纤维光学面板作为输入、输出窗三级级联耦合的像增强器。由于经过三级增强，因而第一代管具有很高的增益。

第五章光电成像系统2一代管的典型性能为：阴极灵敏度为300A/lm;增益:2×104~3×104cd·m-2·lx-1

，分辨率为35lp/mm

。一代管增益高、但重量大，防强光能力差。第五章光电成像系统2（2）第二代像增强器第二代像管与第一代像管的根本区别在于：它不是用多级级联实现光电子倍增，而是采用在单级像管中设置微通道板（MCP）来实现电子图像倍增的。

MCP由上百万个紧密排列的空芯通道管组成。通道孔径为5一10μm

。通道的内壁具有较高的二次电子发射特性，入射到通道的初始电子在电场作用下使激发出来的电子依次倍增，从而在输出端获得很高的增益。MCP的两个端面镀镍，构成输入和输出电极。MCP第五章光电成像系统2在微通道板的两个端面之间施加直流电压形成电场。入射到通道内的电子在电场作用下，碰撞通道内壁产生二次电子。这些二次电子在电场力加速下不断碰撞通道内壁，直至由通道的输出端射出，实现连续倍增，达到增强电子图像的作用。第五章光电成像系统2由于微通道板本身具有高增益、增益可控、电流饱和等特性，因此第二代像管，与第一代像管相比，均具有体积小、重量轻、亮度可调、防强光等优点第五章光电成像系统2二代倒像管二代双近贴管二代管结构第五章光电成像系统2（3）第三代像增强器

第三代像增强器的结构与第二代近贴式像管类似，其