09-光电成像系统(1)资料.ppt

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1、光电图像处理光电图像处理 （九）光电成像系统（九）光电成像系统0101电子工程学院光电子技术系电子工程学院光电子技术系一、光电成像原理一、光电成像原理二、光学系统的像差二、光学系统的像差三、典型的光学系统三、典型的光学系统四、红外成像系统的综合特性四、红外成像系统的综合特性五、五、微光像增强器件微光像增强器件主要内容主要内容一、光电成像原理一、光电成像原理 1.光电成像系统的基本结构光电成像系统的基本结构成像设备工作原理图处理器观察视场瞬时视场扫描机构下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

2、的。扫描成像系统扫描成像系统探测器1）串联扫描二维扫描示意图探测器水平扫描示意水平扫描示意水平扫描示意水平扫描示意垂直扫描示意垂直扫描示意垂直扫描示意垂直扫描示意光机扫描设备光路图2)并联扫描 3）串并联混合扫描延迟面阵器件物空间区域光学系统凝视成像系统2.成像光学系统中的光阑成像光学系统中的光阑(stop)(1)孔径光阑孔径光阑(Aperture stop)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P1P1P2P2u1u2 孔径光阑与物点

3、位置的关系孔径光阑与物点位置的关系孔径光阑孔径光阑孔径光阑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。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 孔径光阑的确定方法孔径光阑的确定方法 入瞳和出瞳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。入射光瞳（入瞳）入射光瞳（入瞳）孔径光阑经其前方光学系统所成的像。孔径光阑经其前方光学系统所成的像。出射光瞳（出瞳

4、）出射光瞳（出瞳）孔径光阑经其后方光学系统所成的孔径光阑经其后方光学系统所成的像像。孔径光阑入瞳出瞳入射孔径角 光瞳（光瞳（pupil）入瞳直径在这个系统中，孔径光阑同时也是入瞳孔径光阑孔径光阑出瞳出瞳-孔径光阑对后方系统成的像uu例孔径光阑在物空间中的等效孔径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孔径光阑在像空间中的等效孔径 入射光瞳入射光瞳(入瞳入瞳)：限制入射光束的有效孔径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是孔径光阑对前方光学系统所成的像出射光瞳出射光瞳(出瞳出瞳)：限制出射光束的有效孔径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孔径

5、光阑对后方光学系统所成的像视场光阑视场光阑 F.S.的作用的作用：限制物面上能成像的限制物面上能成像的范围范围,限制视场的大小限制视场的大小视场光阑视场光阑(Field stop)视视场场光光阑阑限制成像范围的光阑ABAB孔径光阑孔径光阑视场光阑视场光阑探测器探测器孔径光阑孔径光阑uu3.光电成像系统的基本技术参数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D有效孔径Ie成像系统接收的辐射通量（光功率）：2）光学系统的焦距 f3)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

6、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。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。4)观察视场角WH、WV探测器WVWHh处理器观察视场瞬时视场扫描机构探测器5）瞬时视场角、WV6)帧时Tf和帧速对于扫描光电

7、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：7)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。光光学学 系系统统物空间物空间像空间像空间 实物成实象实物成实象二、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。像差的基本概念像差的基本概念 像差像差单色像差单色像差(monochromatic aberration)(monochromatic aberration)色像差色像差(chromatic aberration)(chromatic aberratio

8、n)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-uuPP近轴条件下：近轴条件下：单色像差的来源单色像差的来源球面球面系统在系统在近轴条件近轴条件下可以下可以理想成像理想成像物像一一对应物像一一对应非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略非近轴情况下，三次幂以上项不能忽略-uuPP出现三级以上像差出现三级以上像差 球面系统不能理想成像球面系统不能理想成像三级像差三级像差(或初级像差或初级像差)-5)-5种：种：1)1)球差球差(spherical aberration)(spherical aberration)2)2)慧差慧差(coma)

9、(coma)3)3)像散像散(astigmatism)(astigmatism)4)4)场曲场曲(curvature of field)(curvature of field)5)5)畸变畸变(distortion)(distortion)球差球差(Spherical aberration)轴上物点发出的大孔径光线不聚焦于一点轴上物点发出的大孔径光线不聚焦于一点图示：不同大小球差的照片图示：不同大小球差的照片 球差的校正：球差的校正：变折射率透镜变折射率透镜中间折射率大中间折射率大 加光阑；加光阑；复合透镜，如正负透镜组合、复合透镜，如正负透镜组合、球面曲率及折射率的配合等；球面曲率及折射率的

10、配合等；非球面透镜；非球面透镜；彗差彗差(Coma)轴外轴外傍轴物点发出的宽光束经透镜折射后不再交于一傍轴物点发出的宽光束经透镜折射后不再交于一点，而在像面上形成点，而在像面上形成彗星状弥散斑彗星状弥散斑注注意意：球球差差和和彗彗差差往往往往同同时时存存在在，消消除除球球差差后后才才明明显显观察到彗差。观察到彗差。屏幕彗星状弥散斑彗星状弥散斑 不同大小慧差的照片不同大小慧差的照片慧差的校正：慧差的校正：复合透镜；复合透镜；加光阑；加光阑；非球面透镜；非球面透镜；最小弥散圆最小弥散圆主光线主光线子午焦线子午焦线弧矢焦线弧矢焦线轴外物点发轴外物点发出的同心光出的同心光束，水平方束，水平方向和竖直方

11、向和竖直方向的光线的向的光线的聚焦点在不聚焦点在不同平面上同平面上像散像散(Astigmatism)和场曲（和场曲（Curvature of field）像散像散(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光轴物点物面像面子午平面子午平面弧矢平面弧矢平面像散（像散（轴外点细光束）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。光轴光轴像散使轴外物点的像变成两条分离

12、的线。子午子午焦线焦线弧矢弧矢焦线焦线物点物面像面像的质量最好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。场曲场曲（Curvature of field）（像场弯曲）像场弯曲）屏屏幕幕光轴光轴透镜像点轨迹成成清晰像清晰像 的最佳像面不为平面的最佳像面不为平面像散和场曲的校正：像散和场曲的校正：复合透镜复合透镜 加光阑加光阑非球面透镜；非球面透镜；物平面物平面 枕形畸变枕形畸变 桶形畸变桶形畸变 畸变(Distortion)(Distortion)引起像的变形，不影响像的清晰度。光阑消除畸变光阑消除畸变 （1 1）位置色差）位置色差不不同同波波长长的

13、的光光，焦焦距距不不同同,像像的的位位置置不不同同。在在1,2,31,2,3三三截截面面上上,形形成成的的光光环环半半径径不不同同.色差色差(Chromatic aberration)(Chromatic aberration)（2 2）放大率色差）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。凸、凹透镜胶合起来，可对选定的两种波长消除色差。不同不同颜色的光颜色的光放大率不放大率不同同 色差色差(Chromatic aberration)(Chromatic aberration)色差的产生

14、色差的产生 P 色差的消除色差的消除 PPn1n2三、典型的光学系统（1）透射式红外光学系统（2）反射式红外光学系统牛顿光学系统：卡塞格伦系统：格利高利系统：（3）折反射组合式光学系统施密特系统：透射式光学系统与反射式光学系统比较：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。四、红外成像系统的综合特性四、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

15、（MRTD）最小可探测温差（MDTD）爱里斑爱里斑1.调制传递函数（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。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空空间间频频率率定定义义为为周周期期量量在在单单位位空空间间上上变变化化的的周周期期数数，单位是线对/毫米，即lp/mm。物体结构的分解：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

16、各种物体结构频率的响应：透过特性、对比度和位相的传输。成像系统传递函数的概念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）。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调制传递函数

17、（调制传递函数（MTFMTF）与）与空间频率的关系空间频率的关系 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两种不同镜头的调制传递函数两种不同镜头的调制传递函数（1）光学系统的调制传递函数）光学系统的调制传递函数MTF0（2）探测器的探测器的MTFd（3）电子线路的电子线路的MTFe（4)显示器的显示器的MTFm（5）大气的大气的MTFom（6）人眼调制传递函数人眼调制传递函数MTFeye 成像过程中各个环节的调制

18、传递函数成像过程中各个环节的调制传递函数 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 7）系统的传递函数）系统的传递函数MTFMTF成像系统总的传递函数为各分系统传递函数的乘积：成像系统总的传递函数为各分系统传递函数的乘积：WHWWVWTTTB2.噪声等效温差（噪声等效温差（NETD）NETD测试图案测试图案温度为TT的均匀方形黑体目标，处在温度为TB(TTTB)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。NE

19、TD（Noise Equivalent Temperature Difference）的）的定义和测量方法定义和测量方法 NETD是表征红外成像系统性能的关键指标。是表征红外成像系统性能的关键指标。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NETD。VnVs3.最小可分辨温差（最小可分辨温差（MRTD）MRTD是景物空间频率的函数。是景物空间频率的函数。MRTD的测试图案的测试图案HDH:D=7:1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

20、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的定义和测试的定义和测试:典型的MRTD曲线曲线4.最小可探测温差（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

21、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。五、五、微光像增强器件微光像增强器件 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0.2 lx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0.1 lx1.微光像增强器微光像增强器 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

22、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单极像增强器结构单极像增强器结构 基本原理基本原理: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 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

23、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 微光像增强器的性能参数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。典型光电阴极灵敏度典型光电阴极灵敏度（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

24、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1818（单位mm）（3）亮度增益）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2856K50K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

25、亮度在光电阴极上所需的输入光照度。（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。（6）分辨率和调制传递函数分分辨辨率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。调调制制传传递递函函数数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

26、之比。（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。（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。像增强器的发展像增强器的发展自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

27、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。（1）第一代像增强器）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。一代管的典型性能为：阴极灵敏度为300A/lm;增益:21043104cdm-2lx-1 ，分辨率为35 lp/mm。一代管增益高、但重量大，防强光能力差。（2 2）第二代像增强器）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

28、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5一10m。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。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。二代倒像管二代

29、倒像管二代双近贴管二代双近贴管二代管结构二代管结构（3 3）第三代像增强器）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，其根本区别在于光阴极。将三碱光电阴极置换为GaAs NEA光阴极。第一代像管采用的是表面具有正电子亲和势的多晶薄膜结构的多碱光阴极，其光灵敏度约为250 550A/lm；而第三代像管采用的负电子亲和势光阴极，它的光灵敏度高达l000A/lm以上。因此第三代像管具有高增益、低噪声的优点。此外第三代的光谱响应向红外延伸，与夜天光辐射光谱更匹配，视距增大1.5-2倍。negative electron affinity:NEA 负电子亲和势 物镜光阴极MCP荧光屏紫

30、外变像管 CCD耦合光锥驱动电路读出电路输出A/D2.微光摄像微光摄像CCD1)带像增强器的CCD器件（I CCD）目前以色列的紫外成像仪靶面最小照度（灵敏度）达到10-18W/cm2。2)薄型、背向照明CCD器件SO2p-Si多晶硅电极VG正照背照薄型、背向照明CCD器件SO2p-SiVG背照812m多晶硅电极 前照式CCD和背照式CCD光谱响应曲线 背照式CCD背照式CCD可在10-4lx（靶面照度）下工作。3)电子轰击型CCD器件（EBCCD)把CCD做在像管中，代替原有的荧光屏，在额定工作电压下，来自光阴极的(光)电子直接轰击CCD。实验表明，每3.5eV的电子即可在CCD势阱中产生一个电子空穴对；10kv工作电压下，增益达2857倍。光阴极荧光屏电子光学系统EBCCD工作原理把CCD 基片减薄到812m,并装到管内,使其背面接受由光阴极射出并受到加速的光电子,入射光电子能量足够大时就产生电子空穴对。光阴极电子光学系统CCD如同二代近贴管与倒像管一样,EBCCD也具有近贴式与倒像式。