光電成像系統(tǒng)-20161124

光電成像系統(tǒng)-20161124第一頁，共96頁。光電成像系統(tǒng)第二頁，共96頁。1光電成像概述一、光電成像系統(tǒng)的分類：

按照光電成像系統(tǒng)對應(yīng)的光波長范圍分類：可見光光電成像系統(tǒng)；紫外光光電成像系統(tǒng)；紅外光光電成像系統(tǒng)；

X光光電成像系統(tǒng)。第三頁，共96頁。二、光電成像系統(tǒng)要研究的問題光電成像涉及到一系列復(fù)雜的信號傳遞過程。有四個方面的問題需要研究：1、能量方面——物體、光學(xué)系統(tǒng)和接收器的光度學(xué)、輻射度學(xué)性質(zhì)，解決能否探測到目標的問題。1光電成像概述第四頁，共96頁。3、噪聲方面——決定接收到的信號不穩(wěn)定的程度或可靠性。4、信息傳遞速率方面——

成像特性、噪聲信息傳遞問題，決定能被傳遞的信息量大小。2、成像特性——能分辨的光信號在空間和時間方面的細致程度，對多光譜成像還包括它的光譜分辨率。1光電成像概述第五頁，共96頁。三、光電成像系統(tǒng)基本組成的框圖

其中光電攝（成）像器件是光電成像系統(tǒng)的核心。

1光電成像概述第六頁，共96頁。2固體攝像器件分類及性能固體攝像器件的功能：光學(xué)圖像電信號把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息（可見光、紅外輻射等），轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電信號——視頻信號。其視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。

轉(zhuǎn)換第七頁，共96頁。固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（ChargeInjenctionDevice，即CID）

目前，前兩種用得較多，我們這里主要分析

CCD一種。2固體攝像器件分類及性能第八頁，共96頁。CCD圖像傳感器的優(yōu)勢具有固體器件所有優(yōu)點；自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成的圖像光電轉(zhuǎn)換的非線性失真，體積、重量、功耗和制造成本是電子束攝像管無法達到的。CCD圖像傳感器的誕生和發(fā)展使人們進入了更為廣泛應(yīng)用圖像傳感器的新時代。2固體攝像器件分類及性能第九頁，共96頁。Fig.1貝爾實驗室GeorgeSmith和WillardBoyle將可視電話和半導(dǎo)體存儲技術(shù)結(jié)合發(fā)明了CCD原型2009年諾貝爾獎物理學(xué)獎得主2固體攝像器件分類及性能第十頁，共96頁。瑞典皇家科學(xué)院6日宣布，美國科學(xué)家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯因發(fā)明電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器而與“光纖之父”高錕一同獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎。評委會贊揚博伊爾與史密斯1969年第一次成功地發(fā)明了數(shù)字成像技術(shù)，工作于貝爾實驗室的他們設(shè)計了一種影像傳感器，可以將光在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為像素，為攝影技術(shù)帶來“革命化”變革?！皼]有CCD，數(shù)碼相機的發(fā)展將更為緩慢。沒有CCD，我們就不會看到哈勃太空望遠鏡拍攝的令人詫異的圖片，也不會看到我們的鄰居火星上的紅色沙漠圖像?！痹u委會說。112固體攝像器件分類及性能第十一頁，共96頁。1969年，由美國的貝爾研究室所開發(fā)出來的。同年，日本的SONY公司也開始研究CCD。1973年1月，SONY中研所發(fā)表第一個以96個圖素并以線性感知的二次元影像傳感器〝8H*8V(64圖素)FT方式三相CCD〞。1974年6月，彩色影像用的FT方式32H*64VCCD研究成功了。1976年8月，完成實驗室第一支攝影機的開發(fā)。1980年，SONY發(fā)表全世界第一個商品化的CCD攝影機(編號XC-1)。1981年，發(fā)表了28萬個圖素的CCD(電子式穩(wěn)定攝影機MABIKA)。1983年，19萬個圖素的IT方式CCD量產(chǎn)成功。1984年，發(fā)表了低污點高分辨率的CCD。1987年，1/2inch25萬圖素的CCD，在市面上銷售。同年，發(fā)表2/3inch38萬圖素的CCD，且在市面上銷售。1990年7月，誕生了全世界第一臺V8。CCD發(fā)展史2固體攝像器件分類及性能第十二頁，共96頁。2.1電荷耦合攝像器件

CCD（ChargeCoupledDevice）,是70年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體光電成像器件。

30多年來，CCD技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于信號處理、數(shù)字存儲及影像傳感等領(lǐng)域。

其中，CCD技術(shù)在影像傳感中的應(yīng)用最為廣泛，已成為現(xiàn)代光電子學(xué)和測試技術(shù)中最活躍、最富有成果的領(lǐng)域之一。第十三頁，共96頁。CCD的特點:

以電荷作為信號。CCD的基本功能:

電荷存儲和電荷轉(zhuǎn)移。CCD工作過程:

信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測的過程。2.1電荷耦合攝像器件第十四頁，共96頁。二、CCD的基本功能包括：電荷的產(chǎn)生、存儲、轉(zhuǎn)移和輸出。1、電荷的產(chǎn)生：電荷的產(chǎn)生方法主要分為：光注入和電注入。（1）電注入：當CCD用作信息存貯或信息處理時，通過輸入端注入與信號成正比的電荷。（2）光注入：當CCD用作拍攝光學(xué)圖像時，把按照照度分布的光學(xué)圖像通過光電轉(zhuǎn)換成為電荷分布，然后由輸入部分注入。

CCD相機就是采用光注入。2.1電荷耦合攝像器件第十五頁，共96頁。2、電荷存儲

以襯底為P型硅構(gòu)成的MOS電容為為例。（1）當向柵極施加一定較小的正向電壓時，

P型硅中的空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)。（2）當柵極的正向電壓大于半導(dǎo)體的域值電壓時，

半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢變高，以致于將半導(dǎo)體體內(nèi)的電子（少數(shù)載流子）吸引到表面，形成有一定寬度的可存儲電子的勢阱。2.1電荷耦合攝像器件第十六頁，共96頁。3、電荷轉(zhuǎn)移

通過按照一定的時序在電極上施加高低電壓，使電荷在相鄰的勢阱間進行轉(zhuǎn)移。通常把CCD的電極分為幾組，每一組稱為一相，并施加同樣的時鐘脈沖。按相數(shù)可分為：二相CCD、三相CCD、四相CCD等。對于單層金屬化電極結(jié)構(gòu)，為了保證電荷的定向轉(zhuǎn)移，至少需要三相。這里以三相表面溝道CCD為例。2.1電荷耦合攝像器件第十七頁，共96頁。二、電荷耦合攝像器件的工作原理

CCD的電荷存儲、轉(zhuǎn)移的概念+半導(dǎo)體的光電性質(zhì)CCD攝像器件按結(jié)構(gòu)可分為線陣CCD和面陣CCD

按光譜可分為可見光CCD、紅外CCD、X光CCD和紫外CCD

可見光CCD又可分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCD2.1電荷耦合攝像器件第十八頁，共96頁。（1）線陣CCD

線陣CCD可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)。2.1電荷耦合攝像器件

兩種結(jié)構(gòu)的工作原理相仿，但性能稍有差異。單溝道線陣ＣＣＤ轉(zhuǎn)移次數(shù)多，效率低，只適用于像素單元較少的成像器件。雙溝道線陣ＣＣＤ轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，它的總轉(zhuǎn)移效率也提高為原來的兩倍。

線陣ＣＣＤ每次掃描一條線，為了得到整個二維圖像的視頻信號，就必須用掃描的方法實現(xiàn)。第十九頁，共96頁。（2）面陣CCD分類：幀轉(zhuǎn)移CCD和行間轉(zhuǎn)移CCD.目前比較常用的形式是幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)。光敏區(qū)是由光敏ＣＣＤ陣列構(gòu)成的，其作用是光電變換和在自掃描正程時間內(nèi)進行光積分，暫存區(qū)是由遮光的ＣＣＤ構(gòu)成的，它的位數(shù)和光敏區(qū)一一對應(yīng)，其作用是在自掃描逆程時間內(nèi)，迅速地將光敏區(qū)里整幀的電荷包轉(zhuǎn)移到它里面暫存起來，如圖６.１６所示。2.1電荷耦合攝像器件圖６.１６幀轉(zhuǎn)移面陣ＣＣＤ第二十頁，共96頁。然后，光敏區(qū)開始進行第二幀的光積分，而暫存區(qū)則利用這個時間，將電荷包一次一行地轉(zhuǎn)移給ＣＣＤ移位寄存器，變?yōu)榇行盘栞敵?。當ＣＣＤ移位寄存器將其中的電荷包輸出完了以后，暫存區(qū)里的電荷包再向下移動一行給ＣＣＤ移位寄存器。當暫存區(qū)中的電荷包全部轉(zhuǎn)移完畢后，再進行第二幀轉(zhuǎn)移，如圖６.１７所示。2.1電荷耦合攝像器件第二十一頁，共96頁。幀轉(zhuǎn)移面陣ＣＣＤ的優(yōu)點是電極結(jié)構(gòu)簡單，感光區(qū)面積可以很小。缺點是需要面積較大的暫存區(qū)。行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)采用了光敏區(qū)域轉(zhuǎn)移區(qū)相間排列的方式。它的結(jié)構(gòu)相當于將若干個單溝道傳輸?shù)木€陣ＣＣＤ圖像傳感器按垂直方向并排，再在垂直陣列的盡頭設(shè)置一條水平ＣＣＤ，水平ＣＣＤ的每一位與垂直列ＣＣＤ一一對應(yīng)、相互銜接，如圖６.１８所示。2.1電荷耦合攝像器件第二十二頁，共96頁。（３）黑白ＣＣＤ與彩色ＣＣＤ?；谇笆龉に嚨模茫茫谋举|(zhì)上為黑白ＣＣＤ，它無法確定入射到光敏元上的各個顏色的光的組成。若想獲取被攝物體的色差信息，需要使用彩色ＣＣＤ。彩色ＣＣＤ目前主要有三片式和單片式兩種。2.1電荷耦合攝像器件第二十三頁，共96頁。單片式彩色ＣＣＤ攝像機結(jié)構(gòu)簡單、價格較低，是目前工業(yè)、家用攝影的主流。關(guān)鍵器件是濾色器陣列。圖６.２０所示是兩種常用的濾色器形式。2.1電荷耦合攝像器件第二十四頁，共96頁。一般的彩色數(shù)碼相機是在黑白ＣＣＤ上覆蓋拜爾濾鏡（Ｂａｙｅｒｆｉｌｔｅｒ），如圖６.２０（ａ）所示。每四個像素形成一個單元，一個負責(zé)過濾紅色，一個過濾藍色，兩個過濾綠色。之所以選擇兩個綠色像素是因為相比較而言人眼對綠色最為敏感，因此綠色信息應(yīng)最為精確。結(jié)果每個像素都接收到對應(yīng)顏色的光強，單個像素是無法反映對應(yīng)物體的色彩信息的，通過一定的去馬賽克算法（ｄｅｍｏｓａｉｃｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ）對這些像素的光強進行差分處理，可以最終獲得彩色圖像。2.1電荷耦合攝像器件第二十五頁，共96頁。由于一片ＣＣＤ同時完成亮度信號和色度信號的轉(zhuǎn)換，使得拍攝出來的圖像在彩色還原上達不到專業(yè)水平的要求。為了解決這個問題，便出現(xiàn)了３ＣＣＤ攝像機。即一臺攝像機使用了三片ＣＣＤ，分別用于接收光信號中的紅(Ｒ）、綠（Ｇ）、藍（Ｂ）三種顏色并轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過電路處理后產(chǎn)生圖像信號。2.1電荷耦合攝像器件第二十六頁，共96頁。271）轉(zhuǎn)移效率η和損耗率ε電荷包從一個勢阱向另一個勢阱中轉(zhuǎn)移有一個過程,為了描述電荷包轉(zhuǎn)移的不完全性，引入轉(zhuǎn)移效率的概念。在一定的時鐘脈沖驅(qū)動下，設(shè)電荷包的原電量為Q0，轉(zhuǎn)移到下一個勢阱時電荷包的電量為Q1，則轉(zhuǎn)移效率η定義為:

η=Q1/Q0

損耗率ε表示殘留于原勢阱中的電量與原電量之比，故

ε=1-η（６-３）2.2電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)

１.ＣＣＤ的特性參數(shù)第二十七頁，共96頁。28如果線陣列CCD共有n個極板，則總效率為ηn。

引起電荷包轉(zhuǎn)移不完全的主要原因是表面態(tài)對電子的俘獲和時鐘頻率過高，所以表面溝道CCD在使用時，為了提高轉(zhuǎn)移效率，常采用偏置電荷技術(shù)，即在接收信息電荷之前，就先給每個勢阱都輸入一定量的背景電荷，使表面態(tài)填滿。這樣，即使是零信息，勢阱中也有一定量的電荷。因此，也稱這種技術(shù)為“胖零（fatzero）”技術(shù)。2.2電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)

第二十八頁，共96頁。２）不均勻度不均勻度包括光敏元的不均勻性與ＣＣＤ的不均勻性。本節(jié)討論光敏元的不均勻性，認為ＣＣＤ是近似均勻的，即每次轉(zhuǎn)移的效率是一樣的。定義光敏元響應(yīng)的均方根偏差對平均響應(yīng)的比值為ＣＣＤ的不均勻度σ：式中，Ｖｏｎ為第ｎ個光敏元原始響應(yīng)的等效電壓；Ｖｏ為平均原始響應(yīng)等效電壓；Ｎ為線列ＣＣＤ的總位數(shù)。2.2電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)

第二十九頁，共96頁。３）暗電流ＣＣＤ成像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號稱暗信號，即暗電流。暗電流的根本起因在于耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)合中心的熱激發(fā)。由于工藝過程不完善及材料不均勻等因素的影響，ＣＣＤ中暗電流密度的分布是不均勻的。暗電流的危害有兩個方面：限制器件的低頻限，引起固定圖像噪聲。2.2電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)

第三十頁，共96頁。31

4）光譜響應(yīng)特性現(xiàn)在固件攝象器件中的感光元件都是用半導(dǎo)體硅材料來作的，所以靈敏范圍為0.4～1.15μm左右，但光譜特性曲線不象單個硅光電二極管那么銳利，峰值波長為0.65～0.9μm左右。

CCD的光譜特性曲線2.2電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)

圖6.23CCD的光譜特性曲線第三十一頁，共96頁。５）動態(tài)范圍與線性度

線性度是指在動態(tài)范圍內(nèi)，輸出信號與曝光量的關(guān)系是否成直線關(guān)系。６）噪聲ＣＣＤ的噪聲可歸納為三類：散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲。2.2電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)

第三十二頁，共96頁。２.ＣＣＤ攝像器件性能評估１）分辨率的選擇

分辨率是攝像器件最重要的參數(shù)之一，它是指攝像器件對物像中明暗細節(jié)的分辨能力。測試時用專門的測試卡。目前國際上一般用ＭＴＦ（調(diào)制傳遞函數(shù)）來表示分辨率。2.2電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)

第三十三頁，共96頁。２）成像靈敏度成像靈敏度是指在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸出信號電壓（電流）。３）電子快門電子快門的時間在１／５０～１／１０００００ｓ之間，攝像機的電子快門一般設(shè)置為自動電子快門方式，可根據(jù)環(huán)境的亮暗自動調(diào)節(jié)快門時間，得到清晰的圖像。有些攝像機允許用戶自行手動調(diào)節(jié)快門時間，以適應(yīng)某些特殊應(yīng)用場合。４）外同步與外觸發(fā)外同步是指不同的視頻設(shè)備之間用同一同步信號來保證視頻信號的同步，它可保證不同的設(shè)備輸出的視頻信號具有相同的幀、行的起止時間。2.2電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)

第三十四頁，共96頁。５）ＣＣＤ芯片的尺寸ＣＣＤ的成像尺寸指的是對角線長度，如圖６.２５所示。常用的有１／２英寸、１／３英寸等，成像尺寸越小的攝像機的體積可以做得更小些。圖６.２５ＣＣＤ芯片的尺寸示意圖2.2電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)

第三十五頁，共96頁。2.2電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)

第三十六頁，共96頁。３.ＣＣＤ的特性ＣＣＤ圖像傳感器可直接將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點是：①體積小，重量輕；②功耗小，工作電壓低，抗沖擊與振動，性能穩(wěn)定，壽命長；③靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大；④響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；⑤應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。2.2電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)

第三十七頁，共96頁。4.ＣＣＤ的發(fā)展趨勢１）高分辨率目前ＣＣＤ像元數(shù)已從１００萬像元提高到２０００萬像元以上，大面陣、小像元的ＣＣＤ攝像機層出不窮。美國ＥＧ＆Ｇ·Ｒｅｔｉｏｎ研制出８１９２×８１９２像元高分辨率ＣＣＤ圖像傳感器。２）高速度對于某些高速瞬態(tài)成像場合（如高速飛行彈頭的飛行姿態(tài)），要求ＣＣＤ具有高的工作速度和靈敏度。３）多光譜范圍目前應(yīng)用較多的是可見光和近紅外波段。正在研究的有Ｘ射線、紫外、中遠紅外。2.2電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)

第三十八頁，共96頁。CMOS攝像器件

采用CMOS技術(shù)可以將:

光電攝像器件陣列；驅(qū)動和控制電路；信號處理電路；模／數(shù)轉(zhuǎn)換器；全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，可以實現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)。2.3互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器CMOS第三十九頁，共96頁。３.ＣＭＯＳ與ＣＣＤ器件的比較ＣＭＯＳ和ＣＣＤ圖像傳感器在結(jié)構(gòu)和工作方式上的差別，使得它們在應(yīng)用中也存在很大不同。主要有幾個方面：１）電荷讀出方式２）集成度３）讀取速度４）功耗５）價格６）工藝７）訪問靈活性８）填充系數(shù)９）靈敏度和動態(tài)范圍2.3互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器CMOS第四十頁，共96頁。ＣＭＯＳ與ＣＣＤ圖像傳感器的性能比較如表６.２所示。

2.3互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器CMOS第四十一頁，共96頁。

CCD相機拍出的圖片CMOS相機拍出的片2.3互補金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器CMOS第四十二頁，共96頁。紅外焦平面器件（ＩＲＦＰＡ）就是將ＣＣＤ、ＣＭＯＳ技術(shù)引入紅外波段所形成的新一代紅外探測器，是現(xiàn)代紅外成像系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。ＩＲＦＰＡ建立在材料、探測器陣列、微電子、互連、封裝等多項技術(shù)基礎(chǔ)之上。2.4

紅外焦平面器件1）工作條件ＩＲＦＰＡ通常工作于１～３μｍ、３～５μｍ和８～１２μｍ的紅外波段并多數(shù)探測３００Ｋ背景中的目標。第四十三頁，共96頁。紅外成像技術(shù)

紅外成像技術(shù)又稱紅外熱成像技術(shù)，它是通過光學(xué)機械掃描系統(tǒng)，將物體發(fā)出的紅外線輻射會聚在紅外探測器上，形成紅外熱圖像，用來測量物體表面溫度分布狀態(tài)的一種現(xiàn)代技術(shù)。由于紅外成像技術(shù)具有無損、非接觸、簡便的特點，已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。１９０４年，開始采用近紅外進行攝影。１９２９年，苛勒發(fā)明了銀氧銫（Ａｇ－Ｏ－Ｃｓ）光陰極，開創(chuàng)了紅外成像器件的先河。２０世紀３０年代中期，荷蘭、德國、美國各自獨立研制成紅外變像管，紅外夜視系統(tǒng)應(yīng)用于實戰(zhàn)。１９５２年，美國陸軍制成第一臺熱像記錄儀。第四十四頁，共96頁。紅外輻射的倍頻程比可見光寬。倍頻程：若使每一頻帶的上限頻率比下限頻率高一倍，即頻率之比為２，這樣劃分的每一個頻程稱為１倍頻程，簡稱倍頻程?？梢姽猓海?３８～０.７８μｍ，一個倍頻程；紅外線：０.７８～１０００μｍ，商為１２８２＝２１０，１０個倍頻程。3紅外成像技術(shù)

第四十五頁，共96頁。自然界一切高于熱力學(xué)零度（－２７３.１５℃）的物體都具有一定的溫度，并以電磁波的形式向外輻射能量。根據(jù)普朗克熱輻射定律，物體的熱輻射是波長和溫度的函數(shù)，溫度越高，輻射能量越大，其輻射波長越短。在此主要討論攝像管的結(jié)構(gòu)和原理。紅外成像系統(tǒng)可分為主動式紅外成像系統(tǒng)和被動式紅外成像系統(tǒng)。3.1紅外成像技術(shù)的基本原理

第四十六頁，共96頁。１、主動式紅外成像系統(tǒng)

主動式紅外成像系統(tǒng)自身帶有紅外光源，是根據(jù)被成像物體對紅外光源的不同反射率，以紅外變像管作為光電成像器件的紅外成像系統(tǒng)，如紅外夜視儀。優(yōu)點：成像清晰，對比度高，不受環(huán)境光源影響。缺點：易暴露，不利于軍事應(yīng)用。3.1紅外成像技術(shù)的基本原理

第四十七頁，共96頁。１）光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)包括目鏡組和物鏡組。物鏡組：把目標成像于變像管的光陰極面上；目鏡組：把變像管熒光屏上的像放大，便于人眼觀察。3.1紅外成像技術(shù)的基本原理

第四十八頁，共96頁。２）紅外變像管紅外變像管是主動式紅外成像系統(tǒng)的核心，是一種高真空圖像轉(zhuǎn)換器件，完成從近紅外圖像到可見光圖像的轉(zhuǎn)換并增強圖像，如圖６.３６所示。近紅外輻射照射到光陰極面轉(zhuǎn)換成電子流圖像，然后通過電子光學(xué)系統(tǒng)中的高能電子，將電子流圖像打到熒光屏上，轉(zhuǎn)化為可見光圖像。3.1紅外成像技術(shù)的基本原理

第四十九頁，共96頁。３）主動式紅外成像系統(tǒng)的特點（１）能夠區(qū)分軍事目標和自然景物，識別偽裝。圖６.３８所示是典型目標的反射曲線，從圖中可知，自然景物的輻射在近紅外光譜區(qū)。3.1紅外成像技術(shù)的基本原理

第五十頁，共96頁。（２）近紅外輻射比可見光受大氣散射影響小，較易通過大氣層（惡劣天氣除外）。（３）由于系統(tǒng)“主動照明”，工作時不受環(huán)境照明影響，可以在“全黑”條件下工作。２.被動式紅外成像系統(tǒng)

紅外熱成像系統(tǒng)是典型的被動式成像系統(tǒng)，如圖６.３９所示為ＴｈｅｒｍｏＶｉｓｉｏｎＴＭＡ２０－Ｖ高品質(zhì)紅外熱像儀。3.1紅外成像技術(shù)的基本原理

第五十一頁，共96頁。自然界中，溫度高于熱力學(xué)零度的一切物體，總是在不斷地發(fā)射紅外輻射。收集并探測這些輻射能，就可以形成與景物溫度分布相對應(yīng)的熱圖像。熱圖像再現(xiàn)了景物各部分溫度和輻射發(fā)射率的差異，能夠顯示出景物的特征。紅外熱成像系統(tǒng)的成像與普通成像系統(tǒng)的對比如圖６.39所示，其中小圖是可見光圖像，大圖是熱圖像。3.1紅外成像技術(shù)的基本原理

第五十二頁，共96頁。

紅外熱成像系統(tǒng)分為光機掃描型和非掃描型。光機掃描型圖像質(zhì)量好，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。非掃描型結(jié)構(gòu)簡單，圖像質(zhì)量有待提高。１）光機掃描型紅外熱成像系統(tǒng)

光機掃描型紅外熱成像系統(tǒng)的核心部分是光學(xué)系統(tǒng)部分、紅外探測與制冷部分、電子信號處理系統(tǒng)部分、顯示系統(tǒng)部分，如圖６.４１和圖６.４２所示。3.1紅外成像技術(shù)的基本原理

第五十三頁，共96頁。目標物體瞬時視場的輻射光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)，會聚光束經(jīng)過水平掃描和垂直掃描，將二維掃描圖像成像在探測器上，然后經(jīng)過放大器放大，顯示在顯示器上。3.1紅外成像技術(shù)的基本原理

第五十四頁，共96頁。２）紅外熱成像技術(shù)的優(yōu)缺點（１）紅外熱成像技術(shù)的優(yōu)點。①紅外熱成像技術(shù)是一種被動式的非接觸的檢測與識別，隱蔽性好。②紅外熱成像技術(shù)不受電磁干擾，能遠距離精確跟蹤熱目標，精確制導(dǎo)。③紅外熱成像技術(shù)能真正做到２４ｈ全天候監(jiān)控。④紅外熱成像技術(shù)的探測能力強，作用距離遠。⑤紅外熱成像技術(shù)可采用多種顯示方式，把人類的感官由五種增加到六種。⑥紅外熱成像技術(shù)能直觀地顯示物體表面的溫度場，不受強光影響，應(yīng)用廣泛。3.1紅外成像技術(shù)的基本原理

第五十五頁，共96頁。（２）紅外熱成像技術(shù)的缺點。①圖像對比度低，分辨細節(jié)能力較差。②不能透過透明的障礙物看清目標，如窗戶玻璃。③成本高、價格貴。3.1紅外成像技術(shù)的基本原理

第五十六頁，共96頁。１）靈敏度靈敏度定義為輸出信號電流與輸入信號光通量（或照度）的比值。光電導(dǎo)攝像管靈敏度為（６-12）式中，ＶＴ為靶的工作電壓；γ為光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)；β為光電導(dǎo)轉(zhuǎn)換系數(shù)；τ為時間常數(shù)；Ｔｆ幀周期。

為了提高攝像管的靈敏度，通常采用信號倍增和放大的措施。因為這些放大作用是通過像管內(nèi)部進行的，所以稱為內(nèi)增益。實現(xiàn)內(nèi)增益的方法主要有：①放大入射光信號，如在攝像管前面加耦合像增強器；②改變光入射為光電子入射，如附加移相部分；③利用閱讀電子束進行倍增，如設(shè)置反束電子倍增器。3.2

紅外成像器件的參數(shù)

第五十七頁，共96頁。２）分辨力

分辨力是攝像管的一項重要指標，它是攝像管分辨圖像細節(jié)的能力或清晰度。分辨力通常用“線對／毫米”來表示，一般都有線對測試卡，但是用測試卡測得的分辨力有隨機性，所以分辨力多用調(diào)試深度來表示，如圖６.４３所示。圖中輸入光敏面上兩種疏密不同的光信號條紋，照射到光敏面上，取出光電流進入示波器上讀出兩組不同疏密條紋的光電流，分別為ａ，ｂ，寬細條紋的光電流（ｂ）作為基礎(chǔ)（圖中的寬條紋），那么ａ／ｂ即為調(diào)制深度，按圖示的讀法就是４００對線的調(diào)制深度。3.2

紅外成像器件的參數(shù)第五十八頁，共96頁。３）信噪比輸出信號電流峰峰值與輸出電流中所含噪聲均方值的比值。攝像管的噪聲來源主要有：（１）光子、光電子、載流子、二次發(fā)射電子、掃描電子的散粒噪聲；（２）載流子的產(chǎn)生復(fù)合噪聲；（３）熱噪聲；（４）１／ｆ噪聲；（５）預(yù)放器噪聲。４）動態(tài)響應(yīng)范圍攝像管所能允許的光照強度變化的范圍稱為動態(tài)響應(yīng)范圍，其下限取決于低照度下的信噪比，而上限取決于靶面儲存電荷的能力。通常靶的電位起伏最高限為幾伏，否則會影響電子束的聚焦與邊緣電子束的著靶。3.2

紅外成像器件的參數(shù)第五十九頁，共96頁。

紅外光學(xué)系統(tǒng)主要由紅外物鏡系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)組成。

1.紅外物鏡系統(tǒng)（1）透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)點：無擋光，加工球面透鏡較容易，通過光學(xué)設(shè)計易消除各種像差。缺點：光能損失較大，裝配調(diào)整比較困難。3.3典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)

第六十頁，共96頁。（2）反射式紅外光學(xué)系統(tǒng)由于紅外輻射的波長較長，能透過它的材料很少，因而大都采用反射式紅外光學(xué)系統(tǒng)。按反射鏡截面的形狀不同，反射系統(tǒng)有：

球面形；拋物面形；

雙曲面形；橢球面形等幾種。3.3典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)

第六十一頁，共96頁。拋物面

平面

結(jié)構(gòu)簡單，易于加工；但擋光大，結(jié)構(gòu)尺寸大

圖６.４４牛頓光學(xué)系統(tǒng)示意圖3.3典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)

第六十二頁，共96頁。拋物面

雙曲面

較牛頓系統(tǒng)擋光小，結(jié)構(gòu)尺寸?。坏庸だщy。

圖６.４５卡塞格倫系統(tǒng)示意圖3.3典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)

第六十三頁，共96頁。拋物面

橢圓面

加工難道介于前兩種系統(tǒng)之間圖６.４６格利高利系統(tǒng)示意圖3.3典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)

第六十四頁，共96頁。球面反射鏡

校正球面鏡的像差

結(jié)構(gòu)尺寸大，校正板加工困難

圖６.４７施密特系統(tǒng)示意圖3.3典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)

第六十五頁，共96頁。馬克蘇托夫系統(tǒng)：主鏡是球面反射鏡，采用負透鏡（稱為馬克蘇托夫校正板）校正球面鏡的像差，如圖６.４８所示。3.3典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)

第六十六頁，共96頁。2.掃描系統(tǒng)平行光束掃描:掃描器置于聚光光學(xué)系統(tǒng)之前，在平行光路中對被觀察景物進行掃描。會聚光束掃描：掃描器安置在聚光光學(xué)系統(tǒng)和探測器之間的光路中，在物鏡會聚光束中對像方光束進行掃描。3.3典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)

第六十七頁，共96頁。３）常用的光機掃描方案常用的光機掃描方案有兩種。一種方案是反射鏡鼓行掃描、擺鏡場掃描，如圖６.４９所示。擺動平面鏡置于會聚光路中，做場掃描；旋轉(zhuǎn)反射鏡裝置于會聚光系統(tǒng)中的平行光路中，做行掃描。這種方案適于小視場單元器件掃描，不適合高速掃描。3.3典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)

第六十八頁，共96頁。第二種方案是反射鏡鼓行掃描、折射鏡場掃描，如圖６.５０所示。四方折射棱鏡置于前置望遠系統(tǒng)的中間光路中做場掃描，可以獲得較穩(wěn)定的高轉(zhuǎn)速。由于折射棱鏡比擺鏡的掃描效率高，所以這種方案的總掃描效率高，但是像差校正有難度。3.3典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)

第六十九頁，共96頁。光學(xué)成像系統(tǒng)和光學(xué)傳遞函數(shù)

一個光學(xué)（電）成像系統(tǒng)也可以描述為一種空間／時間濾波器。成像系統(tǒng)可以看作一個低通線性濾波器，給成像系統(tǒng)輸入一個正弦信號（給出一個光強正弦分布的目標），輸出仍然是同一頻率的正弦信號（目標成的像仍然是同一空間頻率的正弦分布），只不過像的對比度有所降低，位相發(fā)生移動，如圖６.５１所示。第七十頁，共96頁。實際的成像系統(tǒng)如顯微鏡、照相機、望遠鏡等都由目標物體、光學(xué)成像系統(tǒng)和成像器件三部分組成，若將全部成像器件裝入“黑盒子”中，其成像模型可用圖６.５２表示，（ｘｏ，ｙｏ）為物面坐標系，（ｘｉ，ｙｉ）為像面坐標系。4.1.光學(xué)傳遞函數(shù)OTF

第七十一頁，共96頁。實際的物體由許多不同空間頻率點組成，每個點的光強或振幅不同。對于一個衍射受限系統(tǒng)，若物面上的一點通過衍射受限系統(tǒng)后，其在像面上形成的復(fù)振幅分布為脈沖響應(yīng)函數(shù)ｈ，則像的振幅可表示為:（６-１３

對于衍射受限系統(tǒng)成像系統(tǒng)，點擴展函數(shù)可以根據(jù)出瞳函數(shù)的夫瑯和費衍射求得，若像相對物放大了Ｍ倍，則點擴散函數(shù)的中心在理想像點（Ｍｘｏ，Ｍｙｏ）上，此時點擴散函數(shù)可用下式表示：（６-１４）式中，Ａ為常數(shù)振幅，（ｘｉ，ｙｉ）為像面坐標系，如圖６.５２中所示。4.1.光學(xué)傳遞函數(shù)OTF

第七十二頁，共96頁。因為非相干光系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)是相干光脈沖響應(yīng)的模的平方，則光強點擴散函數(shù)與振幅點擴散函數(shù)之間有如下關(guān)系：4.1.光學(xué)傳遞函數(shù)OTF

（６-１５）相應(yīng)像面（ｘｉ，ｙｉ）光強度分布為:（６-１６）為了在成像中得到空間不變性，定義：（６-１７）第七十三頁，共96頁。則式（６１６）可寫為:（６-１８）上式表明像的光強分布是物的光強分布（理想像）與強度脈沖響應(yīng)的卷積，對式（６-１７）取傅里葉變換（略去常數(shù)因子），得:（６-１９）4.1.光學(xué)傳遞函數(shù)OTF

第七十四頁，共96頁。時域和頻域的關(guān)系見圖６.５３。4.1.光學(xué)傳遞函數(shù)OTF

第七十五頁，共96頁。光學(xué)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量由其是否如實地反映物體本身各空間頻率的對比度來決定，所成的像是否清晰，取決于帶有信息的那部分能量相對于零頻能量分量的比值的大小，也就是調(diào)制度或反差度的大小。從觀察的效果上看，調(diào)制度或反差度越大，圖像越清晰。所以利用歸一化的頻譜函數(shù)可以更確切地表明所研究圖像的特征。為此我們用零頻值對頻譜函數(shù)做歸一化處理，系統(tǒng)的歸一化傳遞函數(shù)為:（６-２０）4.1.光學(xué)傳遞函數(shù)OTF

第七十六頁，共96頁。4.1.光學(xué)傳遞函數(shù)OTF

圖６.５４圓形光瞳衍射受限的ＯＴＦ第七十七頁，共96頁。1.基本概念

紅外成像系統(tǒng)可以看作是一個低通線性濾波器。

給紅外成像系統(tǒng)輸入一個正弦信號（即給出一個光強正弦分布的目標），輸出仍然是同一頻率的正弦信號（即目標成的像仍然是同一空間頻率的正弦分布），只不過像的對比有所降低，位相發(fā)生移動。4.2調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）

第七十八頁，共96頁。

對比降低的程度和位相移動的大小是空間頻率的函數(shù)，被稱為紅外成像系統(tǒng)的對比(調(diào)制)傳遞函數(shù)（MTF）和位相傳遞函數(shù)（PTF）。

這個函數(shù)的具體形式則完全由紅外成像系統(tǒng)的成像性能所決定。因此傳遞函數(shù)客觀地反映了成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。紅外成像系統(tǒng)存在一個截止頻率，對這個頻率，正弦目標的像的對比降低到0。

目標經(jīng)系統(tǒng)成像后一般都是能量減少，對比降低和信息衰減。

4.2調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）

第七十九頁，共96頁。要分辨目標往往主要是看對比問題。（1）通常所謂的分辯率，是將物體結(jié)構(gòu)分解為線或點，這只是分解物體方法的一種。4.2調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）

（a）目標分得比較開（b）目標靠得比較近圖６.５５不同空間頻率目標的對比傳遞情況第八十頁，共96頁。另一種方法是將物體結(jié)構(gòu)分解為各種頻率的譜，即認為物體是由各種不同的空間頻率組合而成的。（2）這樣紅外成像系統(tǒng)的特性就表現(xiàn)為它對各種物體結(jié)構(gòu)頻率的反應(yīng)：透過特性、對比變化和位相推移。

4.2調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）

第八十一頁，共96頁。（3）空間頻率定義為周期量在單位空間上變化的周期數(shù)。圖６.５６空間頻率4.2調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）第八十二頁，共96頁。兩相鄰條形中心之間距離稱為空間周期（mm）

稱為空間頻率（線對/毫米，即lp/mm）在紅外成像系統(tǒng)中通常用單位弧度中的周期數(shù)來表示（c/mrad），若觀察點O與圖案之間的距離為R（m），則

(單位mrad)稱為角周期，其倒數(shù)即為（角）空間頻率:4.2調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）

第八十三頁，共96頁。（4）物體的調(diào)制度（對比度）定義：

能量起伏平均能量4.2調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）

第八十四頁，共96頁。光學(xué)系統(tǒng)對某一頻率的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF為：

經(jīng)紅外成像系統(tǒng)成像后的調(diào)制度物體的調(diào)制度4.2調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）

第八十五頁，共96頁。2.紅外成像過程中各個環(huán)節(jié)的調(diào)制傳遞函數(shù)

紅外成像系統(tǒng)模型如前所述。（圖6-2）4.2調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）

第八十六頁，共96頁。根據(jù)線性濾波理論：

對于由一系列具有一定頻率特性（空間的或時間的）的分系統(tǒng)所組成的紅外成像系統(tǒng)：

只要逐個求出分系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，其乘積就是整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

4.2調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）

第八十七頁，共96頁。（1）光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF0

主要受衍射和像差的影響衍射限光學(xué)系統(tǒng)的MTF01式5-30