光电成像原理与技术-1-绪论（下）

曹峰梅第一章绪论(下）光电成像原理与技术第一章绪论（下）人眼的视觉特性光电成像的特性基于人眼信噪比的图像探测方程理论与图像探测方程1.2人眼与视觉特性1.2.1人眼的构造人眼的构造光学系统、光电成像器件、图像信息传输与处理系统构成的理想光电成像系统人眼的构造人眼的构造视网膜——光电成像系统中的核心——光电成像器件视网膜中的11000万个视细胞：内有光敏物质，其在吸收光的同时发生化学分解引起视觉刺激，刺激以电信号的形式经内外网丛层和神经节细胞后，在视神经汇合传至大脑信息处理系统，产生视觉。人眼的构造锥状细胞：约700万个，主要分布在黄斑中心凹区域，该区域每个锥状细胞有独立的视神经联系；视网膜边缘分布很少，且成簇地与视神经联系。——高分辨力和颜色分辨能力。杆状细胞：中心凹处完全没有分布，且没有独立的视神经联系，总是合成一簇（多达500条一簇）；视网膜边缘几乎全是杆状细胞。——高灵敏度，无颜色分辨能力。人眼的构造锥状细胞：约700万个，主要分布在黄斑中心凹区域，该区域每个锥状细胞有独立的视神经联系；视网膜边缘分布很少，且成簇地与视神经联系。——高分辨力和颜色分辨能力。杆状细胞：中心凹处完全没有分布，且没有独立的视神经联系，总是合成一簇（多达500条一簇）；视网膜边缘几乎全是杆状细胞。——高灵敏度，无颜色分辨能力。人眼的构造人眼的视觉特性视觉的适应——在视场亮度范围突然发生变化时，人眼要稳定到突变后的正常视觉状态所需要经历一段时间，成为“适应”。主要包括“明暗适应”和“色彩适应”两种。明视觉——锥状细胞起作用暗视觉——杆状细胞起作用，无颜色分辨能力3×10-5cd/m23cd/m23×105cd/m2暗视觉明视觉中介视觉绝对视觉阈全黑视场下，人眼感觉到的最小光刺激值，约10－9lx量级（相当于六等星的亮度）。在有一定背景亮度Lb条件下，人眼会对某些明显高出该背景的亮度感到眩目，故眩目亮度与像场亮度相关，与绝对亮度无关。阈值对比度：时间不限，使用双眼探测一个亮度大于背景亮度的圆盘，察觉概率为50%时，不同背景亮度下的对比度。对比度C：当Lt和Lb分别为目标与背景的亮度时，对比度表示为：

由于背景亮度、对比度和人眼所能探测的目标张角三者之间存在制约关系（Wald定律），特别是在目标张角<7′时，存在Rose定律：光谱灵敏度（光谱光视效率）：人眼对各种不同波长的辐射光有不同的灵敏度（响应），对大量正常视力观察者的实验表明：在较明亮环境中，人眼视觉对波长0.555μm左右的绿光最敏感；在较暗条件下，人眼视觉对波长0.512μm左右的黄绿光最敏感；明视觉暗视觉人眼的分辨力：人眼能区分两发光点的最小角距离称为极限分辨角θ，其倒数为人眼分辨力。从内因分析，影响分辨力的因素为眼睛的构造。从外因分析，是目标的亮度与对比度。人眼会根据外界条件自动进行适应，从而可以得到不同的极限分辨角。10-6lx10-5lx10-4lx10-3lx人眼的阈值信噪比：人眼观察物体需要排出干扰，如果干扰太大将影响到人眼的观察效果。图案不同，人眼对信噪比的要求不同。人眼观察物体的要求灵敏度：以量子阈值表示时，最小可探测的视觉刺激是58~145个蓝绿光(波长为0.51

m)的光子轰击角膜引起的，据估算，这一刺激只有5~14个光子实际到达并作用于视网膜上。分辨力：白天最高0.7′；夜间最低17′。对比度：图案不同，对比度的要求也不同（点与点：26％；方波条纹之间：3％）信噪比：人眼观察物体需要排出干扰，如果干扰太大将影响到人眼的观察效果。图案不同，人眼对信噪比的要求不同（如方波图案：1～1.5左右；余弦图案：3～3.5左右）1.4光电成像的特性光电转换特性光电转换特性转换系数(增益)G：评价直视型光电成像器件的输入量与输出量的依存关系的重要参数－－光电成像器件在法线方向输出的亮度L与输入的辐照度E的比值。光电转换特性光电灵敏度(响应率)：评价电视型光电成像器件的输入量与输出量的依存关系的重要参数－电视型成像器件输出的信号值与光敏面的有效面积上输入的辐照通量(功率)的比值。——峰值波长，截止波长(长波限)时间响应特性时间响应特性惰性：产生时间相应的滞后余辉：对直视型成像器件而言，当入射辐射瞬间截止时，荧光屏的发光下降过程滞后产生余辉。余辉的时间常数表示为惰性。三场惰性：工程上，取输入照度截止后，电视摄像器件的第三场输出信号的相对值为惰性指标。时间常数(弛豫时间)：如果输入辐射瞬间截止，其输出的信号衰减函数为B(t)时，则惰性的时间常数定义为：当惰性的衰减函数呈负指数时，即可求出这一惰性的时间常数为：时间响应特性研究时间下降过程的滞后脉冲响应函数：当光电成像器件的入射辐射为脉冲函数(如采用ns或ps的窄激光脉冲照明时)，得到的输出信号是时间的函数，取其归一化的函数为脉冲响应函数。瞬时调制传递函数：光电成像系统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的比。－－描述光电成像在频率域的时间响应特性，如P(t)为输出的时间响应函数，则光电成像器件的瞬时调制传递函数就等于归一化的脉冲响应频谱函数，即脉冲响应函数与瞬时调制传递函数式一对傅氏变换对。噪声特性噪声特性——各种噪声来源与信噪比散粒噪声：具有泊松分布的量子涨落噪声。起因：带电粒子的量子性－－带电粒子发射或穿越势垒时，每一瞬间数量不恒定。(白噪声－噪声的功率谱密度与频率无关)光电发射量子噪声、扫描电子束热发射量子噪声、载流子穿越势垒的量子噪声。产生复合噪声：半导体成像器件中，光敏面在稳定的入射激发条件下，每瞬间产生的载流子数目不一定，同时，载流子的复合及被俘获的过程也是随机的，只有在很长时间内累计的平均值是确定的。噪声特性——各种噪声来源与信噪比温度噪声：热效应的成像器件中，因温度的随机涨落而形成的噪声。起因：热交换具有量子性，即稳定条件下，每瞬间交换的辐射量子数不是确定值。(在低频域为白噪声)。热噪声：又称约翰逊噪声，是导电体内电子无规则热运动所形成的瞬间电流。－－光电导与电阻性元件都产生热噪声。(白噪声)低频噪声（1/f噪声或称电流噪声）：机理不明，其等效电流值近似与频率倒数成正比。噪声特性——各种噪声来源与信噪比介质损耗噪声：热电体(电介质材料)是通过电偶极子的极化过程来产生电信号的，该极化过程的弛豫现象，使流过的交流电消耗能量，因而在热电体中产生噪声。电荷耦合器件（CCD）的转移噪声：电荷包转移过程中要产生转移损失和界面态俘获损失，这两项损失构成的。噪声特性——各种噪声来源与信噪比信噪比S/N：信号与噪声的比值。直视型成像器件：全部噪声反映在输出像点的闪烁上，信号是输出像点的平均亮度值。可通过测量输出像点的平均亮度与闪烁值获得信噪比。国际上规定的测试条件：取像点的直径为0.2mm，输入照度1.24×10-5lx，测试系统(含被测器件)的等效通频带宽为10Hz。如果所用的像点面积为A，输入照度为E，通频带宽为Δf时，其计算信噪比的公式为：噪声特性——各种噪声来源与信噪比信噪比S/N：信号与噪声的比值。电视型成像器件：视频信噪比：通常用前置放大器输出端的视频信号与噪声之比来表示。这是因为前置放大器具有较大的功率增益，可略去后继的各级放大器噪声。显示信噪比：取人眼的时间常数为有效积分时间的信噪比值。由于人眼视觉的有效积分时间为0.02s，刚好等于电视的场频周期，远大于扫描像元的时间，故显示信噪比远大于视频信噪比。噪声特性——噪声等效功率与探测率噪声等效功率NEP：当红外辐射被探测器接收时，由该辐射功率产生的输出信号均方根值正好等于探测器本身的噪声均方根值。－－表示红外探测器最小可探测的功率值。它是温度、辐射的调制频率和测量带宽的函数。噪声特性——噪声等效功率与探测率探测率D：噪声等效功率的倒数。比探测率（归一化探测率）D*：为便于比较不同情况下探测器的性能，排除探测器面积、测量带宽的因素，而规定的。图像分辨特性光电成像器件的图像分辨特性光电成像过程中由于种种原因而产生像差，造成输出图像的亮度分布不能准确再现输入图像的亮度分布，定量描述这种图像失真程度的性能指标如下：分辨力：以人眼作为接收器所判定的极限分辨能力。通常用光电成像系统在一定距离内能够分辨的等宽黑白条纹数表示。对直视型成像器件：取输入像面上每毫米能分辨的等宽黑白条纹数(lp/mm)。光电成像器件的图像分辨特性分辨力：以人眼作为接收器所判定的极限分辨能力。通常用光电成像系统在一定距离内能够分辨的等宽黑白条纹数表示。对电视型成像器件：取扫描线方向相对于帧高的距离内所能分辨的等宽黑白条纹数表示分辨力。简称：电视线(TVL)；也可用视频带宽ΔfV表示。

如电视线为n，电视幅面宽高比为α，行扫描频率fh，视频带宽为：光电成像器件的图像分辨特性

点扩散函数：设光电成像系统的输入图像分布函数为g(x,y)，输出图像分布函数为h(ξ,ζ)，当光电成像系统满足线性及时间、空间不变性的成像条件时，可以建立如下关系：上式中p(ξ,ζ)为光电成像的点扩散函数。它是由输入δ(x,y)函数分布的图像所得到的输出图像分布函数。表示只有在坐标原点有一个单位的输入光，而其他处为零的集合点图像。上式说明：光电成像的输出图像分布函数可以由它的输入图像分布函数与点扩散函数卷积来确定，故点扩散函数可以完全定量地描述光电成像的成像特性。光电成像器件的图像分辨特性

光学传递函数：设光电成像系统的输入图像分布函数为g(x,y)，输出图像分布函数为h(ξ,ζ)，当光电成像系统满足线性及时间、空间不变性的成像条件时，可以将它的输入输出图像分布变换成频谱函数来进行分析。它们的傅里叶变换即频谱函数可表示为：可以建立成像关系：光电成像器件的图像分辨特性

光学传递函数：这里的O(fx,fy)为光电成像系统的光学传递函数OTF，即输出图像频谱与输入图像频谱之比。显然它是点扩散函数的傅里叶变换。该函数是复函数，可以写成调制传递函数MTF与相位传递函数PTF的乘积。光学传递函数不仅可以描述单一成像过程的成像特性，而且可以用来分析多环节线性串联的光电成像系统的特性。光电成像器件的图像分辨特性

光学传递函数：1.5基于人眼信噪比的图像探测理论与图像探测方程图像及图像探测灵敏度什么是图像什么是图像>>逐步提高dpi>>什么是图像>>逐步提高dpi>>什么是图像>>逐步提高dpi>>图像是由不同亮暗（灰度）的点（像素）排列而成的点阵，视频图像利用人眼的视觉暂留特性逐行逐列逐像素地进行显示表示图像细腻程度的单位记为dpi（每英寸像素数），dpi越高说明显示的图像细节越丰富（水平/垂直分辨率）图像的信噪比图像信号：光电成像系统在有效积分时间内接收到两个相邻的像元的辐射量子数的平均值分别为和，此时，系统能否分辨出这两个像元，取决于与的差异。图像噪声（光子噪声）：各像元所辐射的光子数的瞬时值n统计平均值的偏差称为“涨落”，用均方根表示，由于光子发射服从泊松分布，故其均方根值：图像信号与图像噪声图像信噪比：

只有图像信噪比的值大于阈值信噪比，信号才可以被探测到，阈值信噪比由实验获得。理想条件下的光电成像系统图像探测方程理论分析表明：光电成像存在着图像探测的极限值，这一极限称为图像探测灵敏阈。

一个景物的细节能否被光电成像系统所探测到，即形成一个可以被人眼识别的输出图像，与如下三个因素相关：

景物细节的辐射亮度(单位面积的辐射强度)；

景物细节对光电成像系统接收孔径的张角；

景物细节与背景之间的辐射对比度。理想条件下光电成像的图像探测方程图像探测方程推导的物理模型黑白两个方块构成一个景物细节在距离景物l处有一个光电成像系统景物细节相对于光电成