第五章 光電成像系統(tǒng)2課件

第五章光電成像系統(tǒng)2第五章光電成像系統(tǒng)

基本要求（1）掌握CCD、CMOS攝像器件的基本原理、光電成像系統(tǒng)的基本結構及紅外成像系統(tǒng)的綜合特性評價參數(shù)；（2）了解CCD、CMOS攝像器件的特點、紅外焦平面器件及微光像增強器件的基本原理，了解固體攝像器件的發(fā)展水平

重點：

CCD、CMOS攝像器件的基本原理。第五章光電成像系統(tǒng)2§5.2光電成像原理一、光電成像系統(tǒng)的基本結構第五章光電成像系統(tǒng)2成像設備工作原理圖處理器觀察視場瞬時視場掃描機構圖所示為一簡單的機械掃描成像設備原理裝置，入射光到一可轉動的平面反射鏡上，當平面鏡轉動時，平面鏡反射的光束的方向就會發(fā)生改變，達到掃描成像的目的。

掃描成像系統(tǒng)探測器第五章光電成像系統(tǒng)21）串聯(lián)掃描第五章光電成像系統(tǒng)2二維掃描示意圖探測器第五章光電成像系統(tǒng)2水平掃描示意第五章光電成像系統(tǒng)2水平掃描示意第五章光電成像系統(tǒng)2水平掃描示意第五章光電成像系統(tǒng)2水平掃描示意第五章光電成像系統(tǒng)2垂直掃描示意第五章光電成像系統(tǒng)2垂直掃描示意第五章光電成像系統(tǒng)2垂直掃描示意第五章光電成像系統(tǒng)2垂直掃描示意第五章光電成像系統(tǒng)2光機掃描設備光路圖第五章光電成像系統(tǒng)22)并聯(lián)掃描第五章光電成像系統(tǒng)23）串并聯(lián)混合掃描延遲第五章光電成像系統(tǒng)2面陣器件物空間區(qū)域光學系統(tǒng)

凝視成像系統(tǒng)第五章光電成像系統(tǒng)2二、成像光學系統(tǒng)中的光闌(stop)第五章光電成像系統(tǒng)21、孔徑光闌(Aperturestop)光闌：光學系統(tǒng)中凡是對光能量具有限制作用的元件。如：光學系統(tǒng)中的透鏡的外緣、開孔、光屏等?？讖焦怅@（有效光闌）：在光學系統(tǒng)中，對整個系統(tǒng)光能量的傳播范圍起決定性限制作用的那一個光闌?？讖焦怅@孔徑光闌第五章光電成像系統(tǒng)2P1P1’P2P2’u1u2

孔徑光闌與物點位置的關系孔徑光闌的確定是以成象物體的確定為前提的，即同一系統(tǒng)中，當物體的位置不同時，孔徑光闌可能會不同。第五章光電成像系統(tǒng)2孔徑光闌

A.S.的作用：限制成像光束口徑控制到達像面的光能第五章光電成像系統(tǒng)2

孔徑光闌的確定方法入瞳和出瞳確定系統(tǒng)孔徑光闌的方法:將系統(tǒng)中各光闌分別經其前面的光學元件成像于系統(tǒng)的物空間,其中對軸上點張角最小的那個像所對應的光闌即為孔徑光闌A.S.孔徑光闌

與軸上物點位置有關,具有限制軸上物點的成像光束孔徑角的作用。第五章光電成像系統(tǒng)2入射光瞳（入瞳）——孔徑光闌經其前方光學系統(tǒng)所成的象。出射光瞳（出瞳）——孔徑光闌經其后方光學系統(tǒng)所成的象。孔徑光闌入瞳出瞳入射孔徑角

光瞳（pupil）

入瞳直徑第五章光電成像系統(tǒng)2在這個系統(tǒng)中，孔徑光闌同時也是入瞳孔徑光闌出瞳--孔徑光闌對后方系統(tǒng)成的像uu’例第五章光電成像系統(tǒng)2孔徑光闌在物空間中的等效孔徑孔徑光闌在像空間中的等效孔徑入射光瞳(入瞳)：限制入射光束的有效孔徑,

是孔徑光闌對前方光學系統(tǒng)所成的像出射光瞳(出瞳)：限制出射光束的有效孔徑,

孔徑光闌對后方光學系統(tǒng)所成的像第五章光電成像系統(tǒng)2視場光闌

F.S.的作用：限制物面上能成像的范圍,限制視場的大小視場光闌(Fieldstop)視場光闌—限制成像范圍的光闌第五章光電成像系統(tǒng)2ABA’B’孔徑光闌視場光闌探測器第五章光電成像系統(tǒng)2孔徑光闌uu’三、光電成像系統(tǒng)的基本技術參數(shù)1）光學系統(tǒng)的通光口徑（有效孔徑、入瞳直徑）D決定了光學系統(tǒng)接收的能量。D有效孔徑第五章光電成像系統(tǒng)2D有效孔徑Ie成像系統(tǒng)接收的輻射通量（光功率）：第五章光電成像系統(tǒng)22）光學系統(tǒng)的焦距f第五章光電成像系統(tǒng)23)相對孔徑D/f相對孔徑定義為光學系統(tǒng)的入瞳直徑(通光孔徑)D與焦距f之比，相對孔徑的倒數(shù)叫F數(shù)。相對孔徑決定紅外成像光學系統(tǒng)的衍射分辨率及像面上的輻照度。衍射分辨率:像面照度：應具有盡可能大的相對孔徑，以提高系統(tǒng)的靈敏度。第五章光電成像系統(tǒng)2表達照相機光圈大小是用F數(shù)（=鏡頭的焦距/鏡頭口徑的直徑）完整的光圈值系列如下：F1，F(xiàn)1.4，F(xiàn)2，F(xiàn)2.8，F(xiàn)4，F(xiàn)5.6，F(xiàn)8，F(xiàn)11，F(xiàn)16，F(xiàn)22，F(xiàn)32，F(xiàn)44，F(xiàn)64。特別要注意的是光圈F值愈小，表示在同一單位時間內的光通量愈多，而且上一級的進光量剛是下一級的一倍，例如光圈從F8調整到F5.6，進光量便多一倍，我們也說光圈開大了一級。第五章光電成像系統(tǒng)2第五章光電成像系統(tǒng)24)觀察視場角WH

、WV探測器WVWHh第五章光電成像系統(tǒng)2處理器觀察視場瞬時視場掃描機構探測器5）瞬時視場角α、βWV

第五章光電成像系統(tǒng)26)幀時Tf和幀速對于掃描光電成像系統(tǒng)，完成一幀掃描所需的時間稱為幀時Tf，單位時間完成的幀數(shù)稱為幀速，顯然有：5)滯留時間對光機掃描系統(tǒng)而言，物空間一點掃過單元探測器所經歷的時間稱為滯留時間第五章光電成像系統(tǒng)2光學系統(tǒng)物空間像空間

實物成實象三、光學系統(tǒng)的像差（aberration)理想成像傍軸條件下可以看作理想成像，它要求成像光束的孔徑小且儀器的視場小。第五章光電成像系統(tǒng)2

像差的基本概念像差單色像差(monochromaticaberration)色像差(chromaticaberration)任何偏離理想成像的現(xiàn)象，稱為像差像差包括單色像差和色像差。單色像差中包括球差、彗差、像散、像場彎曲、畸變第五章光電成像系統(tǒng)2-uu’PP’近軸條件下：

單色像差的來源球面系統(tǒng)在近軸條件下可以理想成像物像一一對應第五章光電成像系統(tǒng)2非近軸情況下，三次冪以上項不能忽略-uu’PP’出現(xiàn)三級以上像差球面系統(tǒng)不能理想成像第五章光電成像系統(tǒng)2三級像差(或初級像差)----5種：

1)球差(sphericalaberration)2)慧差(coma)3)像散(astigmatism)4)場曲(curvatureoffield)5)畸變(distortion)第五章光電成像系統(tǒng)2

球差(Sphericalaberration)軸上物點發(fā)出的大孔徑光線不聚焦于一點第五章光電成像系統(tǒng)2圖示：不同大小球差的照片球差的校正：

變折射率透鏡中間折射率大

加光闌；

復合透鏡，如正負透鏡組合、球面曲率及折射率的配合等；非球面透鏡；第五章光電成像系統(tǒng)2彗差(Coma)

軸外傍軸物點發(fā)出的寬光束經透鏡折射后不再交于一點，而在像面上形成彗星狀彌散斑注意：球差和彗差往往同時存在，消除球差后才明顯觀察到彗差。屏幕彗星狀彌散斑第五章光電成像系統(tǒng)2

不同大小慧差的照片慧差的校正：

復合透鏡；

加光闌；

非球面透鏡；第五章光電成像系統(tǒng)2像散(Astigmatism)和場曲（Curvatureoffield）最小彌散圓主光線子午焦線弧矢焦線軸外物點發(fā)出的同心光束，水平方向和豎直方向的光線的聚焦點在不同平面上第五章光電成像系統(tǒng)2像散(Astigmatism)遠離軸上物點發(fā)出的窄光束經透鏡后不再交于一點子午平面：軸外物點和光軸所確定的平面。子午平面內的光束稱子午光束?；∈钙矫妫哼^主光線且與子午平面垂直的平面?；∈钙矫鎯鹊墓馐Q弧矢光束光軸物點物面像面子午平面弧矢平面第五章光電成像系統(tǒng)2像散（軸外點細光束）豎直面上的光線,交于子午焦線.水平面上的光線，交于弧矢交線．光軸像散使軸外物點的像變成兩條分離的線．子午焦線弧矢焦線物點物面像面像的質量最好第五章光電成像系統(tǒng)2垂直于光軸的平面物體只有在近軸區(qū)域才近似成像為一個平面，對較大物面，像面不是平面而是曲面場曲

（Curvatureoffield）

（像場彎曲）第五章光電成像系統(tǒng)2屏幕光軸透鏡像點軌跡成清晰像的最佳像面不為平面像散和場曲的校正：

復合透鏡

加光闌非球面透鏡；第五章光電成像系統(tǒng)2像散和場曲的校正：

復合透鏡

加光闌非球面透鏡；第五章光電成像系統(tǒng)2

物平面 枕形畸變 桶形畸變

畸變(Distortion)引起像的變形，不影響像的清晰度。第五章光電成像系統(tǒng)2

光闌消除畸變第五章光電成像系統(tǒng)2（1）位置色差不同波長的光，焦距不同,像的位置不同．在1,2,3三截面上,形成的光環(huán)半徑不同.

色差(Chromaticaberration)第五章光電成像系統(tǒng)2（2）放大率色差單個透鏡的色差，無法消除。但是把一對不同材料的凸、凹透鏡膠合起來，可對選定的兩種波長消除色差。

不同顏色的光放大率不同第五章光電成像系統(tǒng)2

色差(Chromaticaberration)

色差的產生P

色差的消除P’Pn1n2第五章光電成像系統(tǒng)2四、典型的光學系統(tǒng)（1）透射式紅外光學系統(tǒng)第五章光電成像系統(tǒng)2（2）反射式紅外光學系統(tǒng)牛頓光學系統(tǒng)：第五章光電成像系統(tǒng)2卡塞格倫系統(tǒng)：第五章光電成像系統(tǒng)2格利高利系統(tǒng)：第五章光電成像系統(tǒng)2（3）折反射組合式光學系統(tǒng)施密特系統(tǒng)：第五章光電成像系統(tǒng)2透射式光學系統(tǒng)與反射式光學系統(tǒng)比較：透射式光學系統(tǒng)設計、裝調精度要求低，加工裝調難度?。坏趶酱笥?00mm時重量太大，一般不采用透射式；反射式光學系統(tǒng)波段寬，沒有色差，大口徑光學系統(tǒng)一般采用反射式。第五章光電成像系統(tǒng)2§5.5紅外成像系統(tǒng)的綜合特性紅外成像系統(tǒng)性能的綜合量度指標：空間分辨率——調制傳遞函數(shù)（MTF）溫度分辨率——噪聲等效溫差（NETD）最小可分辨溫差（MRTD）最小可探測溫差（MDTD）第五章光電成像系統(tǒng)2●●愛里斑一、調制傳遞函數(shù)（MTF）成像系統(tǒng)的傳輸特性分析為了分析成像系統(tǒng)的特性，引入空間頻率的概念。第五章光電成像系統(tǒng)2設有亮暗相間的等寬度條紋圖案，兩相鄰條形中心之間距離稱為空間周期（mm），的倒數(shù)稱為空間頻率。lp/mm空間頻率定義為周期量在單位空間上變化的周期數(shù)，單位是線對/毫米，即lp/mm。

第五章光電成像系統(tǒng)2物體結構的分解：

通常所謂的分辯率，是將物體結構分解為線或點，這只是分解物體方法的一種。另一種方法是將物體結構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。這樣成像系統(tǒng)的特性就表現(xiàn)為它對各種物體結構頻率的響應：透過特性、對比度和位相的傳輸。第五章光電成像系統(tǒng)2成像系統(tǒng)傳遞函數(shù)的概念:成像系統(tǒng)可以看作是一個低通線性濾波器，給成像系統(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），只不過像的對比度有所降低，位相發(fā)生移動。對比度降低的程度和位相移動的大小是空間頻率的函數(shù)，被稱為成像系統(tǒng)的對比(調制)傳遞函數(shù)（MTF）和位相傳遞函數(shù)（PTF）。第五章光電成像系統(tǒng)2調制對比度定義：設輸入信號的調制度為M0(f)，經過成像系統(tǒng)后輸出信號的調制度為M

(f)

，則成像系統(tǒng)對某一頻率f

的調制傳遞函數(shù)MTF定義為：M0Mxx第五章光電成像系統(tǒng)2調制傳遞函數(shù)（MTF）與空間頻率的關系這個函數(shù)的具體形式則完全由成像系統(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)的成像質量，成像系統(tǒng)存在一個截止頻率fc，對這個頻率，正弦目標的像的對比降低到0。標經系統(tǒng)成像后對比降低和信息衰減。對比度空間頻率ffcM第五章光電成像系統(tǒng)2兩種不同鏡頭的調制傳遞函數(shù)第五章光電成像系統(tǒng)2（1）光學系統(tǒng)的調制傳遞函數(shù)MTF0（2）探測器的MTFd（3）電子線路的MTFe（4)顯示器的MTFm（5）大氣的MTFom（6）人眼調制傳遞函數(shù)MTFeye

2、成像過程中各個環(huán)節(jié)的調制傳遞函數(shù)

第五章光電成像系統(tǒng)2人眼能接收感知的極限調制度為0.026，目視儀器各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)值可以以此作為考慮的出發(fā)點。（7）系統(tǒng)的傳遞函數(shù)MTF成像系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為各分系統(tǒng)傳遞函數(shù)的乘積：第五章光電成像系統(tǒng)2WHWWVWTTTB二、噪聲等效溫差（NETD）NETD測試圖案溫度為TT的均勻方形黑體目標，處在溫度為TB(TT＞TB)的均勻黑體背景中構成測試圖案。紅外成像儀對這個圖案進行觀察，當系統(tǒng)的基準電子濾波器輸出的信號電壓峰值和噪聲電壓的均方根值之比為1時，黑體目標和黑體背景的溫差稱為噪聲等效溫差。1、NETD（NoiseEquivalentTemperatureDifference）的定義和測量方法NETD是表征紅外成像系統(tǒng)性能的關鍵指標。第五章光電成像系統(tǒng)2實際測量時，為了取得良好的結果，通常要求目標尺寸W超過系統(tǒng)瞬時視場若干倍，目標和背景的溫差

T超過NETD數(shù)十倍，使信號峰值電壓Vs遠大于均方根噪聲電壓Vn,然后按下式計算NETDVnVs第五章光電成像系統(tǒng)2三、最小可分辨溫差（MRTD）MRTD是景物空間頻率的函數(shù)。MRTD的測試圖案HDH:D=7:1第五章光電成像系統(tǒng)2具有不同空間頻率，高寬比為7：1的四條帶目標圖案處于均勻的背景中。成像系統(tǒng)對某一組四條帶圖案成像，調節(jié)目標相對背景的溫差，從零逐漸增大，直到在顯示屏上剛能分辨出條帶圖案為止。此時的溫差就是在該空間頻率下的最小可分辨溫差。分別對不同空間頻率的條帶圖案重復上述測量過程，可得到MRTD曲線。MRTD的定義和測試:典型的MRTD曲線第五章光電成像系統(tǒng)2四、最小可探測溫差（MDTD）

最小可探測溫差(MDTD)是將NETD與MRTD的概念在某些方面作了取舍后而得出的。具體地說，MDTD仍是采用MRTD的觀測方式，由在顯示屏上剛能分辨出目標時所需的目標對背景的溫差來定義。WHWWVWTTTB但MDTD采用的標準圖案是位于均勻背景中的單個方形目標，其尺寸W可調整，這是對NETD與MRTD標準圖案特點的一種綜合。MDTD用來估算點源目標的可探測性是有價值的。第五章光電成像系統(tǒng)25.6微光像增強器件

明朗夏天采光良好的室內照度大致在100至500lx之間太陽直射時的地面照度可以達到10萬lx滿月在天頂時的地面照度大約是0.2lx夜間無月時的地面照度只有10-4lx數(shù)量級微光光電成像系統(tǒng)的工作條件就是環(huán)境照度低于0.1lx第五章光電成像系統(tǒng)25.6.1微光像增強器

像增強器(又稱為像管)是一種電真空成像器件，是微光光電成像系統(tǒng)的核心部件，其作用是指把微弱的光圖像增強到足夠的亮度，以便可以用肉眼觀察。像增強器由安裝在高真空管殼內的光電陰極﹑電子光學系統(tǒng),又稱為電子透鏡(有靜電聚焦和磁聚焦兩種)和熒光屏三部分組成。輸入窗口輸出窗口光陰極熒光屏電子光學系統(tǒng)第五章光電成像系統(tǒng)2單極像增強器結構第五章光電成像系統(tǒng)2

基本原理

:光電陰極將光學圖像轉換為電子圖像，電子光學系統(tǒng)（電極系統(tǒng)）將電子圖像傳遞到熒光屏，在傳遞過程中增強電子能量并完成電子圖像幾何尺寸的縮放，熒光屏完成電光轉換，即將電子圖像轉換為可見光圖像，圖像的亮度已被增強到足以引起人眼視覺，在夜間或低照度下可以直接進行觀察。光陰極熒光屏電子光學系統(tǒng)第五章光電成像系統(tǒng)2

變像管：是像增強器的一種，其作用是指把不可見光轉換為可見光的器件。如紅外變像管、紫外變像管、X射線變像管。變像管組成與微光像增強器相同，其核心部分是對紅外光或紫外光敏感的光電陰極。當紅外光照射到陰極時，產生光電發(fā)射，經過電子光學系統(tǒng)，變成可見光。由于普通照相底片在紅外光譜區(qū)靈敏度極低﹐采用具有對紅外光敏感的光電陰極的像管﹐可獲得巨大增益。輸入窗口輸出窗口光陰極熒光屏電子光學系統(tǒng)第五章光電成像系統(tǒng)2

微光像增強器的性能參數(shù)（1）光電陰極靈敏度表征光電陰極發(fā)射（或轉換）特性的參量，定義為像管光電陰極產生的光電流與入射輻射通量之比。對微光器件，光靈敏度是指用色溫2856K士50K的標準鎢絲白熾燈（CIE規(guī)定的標準“A”光源）照射光電陰極時，其上產生的光電流與入射光通量之比。第五章光電成像系統(tǒng)2典型光電陰極靈敏度第五章光電成像系統(tǒng)2（2）有效直徑

有效光電陰極直徑是在像管輸入端上與光電軸同心、能完全成像于熒光屏上的最大圓直徑。有效熒光屏直徑是在像管輸出端上與光電軸同心，并與有效光電陰極直徑成物像關系的圓直徑。一般將其表示為有效陰極直徑／有效屏直徑，如18／18（單位mm）第五章光電成像系統(tǒng)2（3）亮度增益像管的亮度增益定義為：像管在標準光源照射下，熒光屏上的光出射度M與入射到陰極面上的照度E之比。即

G=M/E標準光源:色溫為2856K±50K的鎢絲白熾燈。光通量增益定義為熒光屏輸出的光通量與輸入到光電陰極的光通量之比。（4）暗背景光亮度和等效背景光照度暗背景光亮度：光電陰極無光照時，處于工作狀態(tài)的像管熒光屏上的輸出光亮度稱為暗背景光亮度。等效背景光照度是指產生和暗背景相等的輸出光亮度在光電陰極上所需的輸入光照度。第五章光電成像系統(tǒng)2（5）放大率像管的放大率是指熒光屏上輸出像的幾何大小與光電陰極上輸入像的幾何大小之比。像管的畸變是距離光電軸中心不同位置處各點放大率不同的表征：式中Dr是與光電陰極中心距離為r處的畸變，

r是與光電陰極中心距離為r處的放大率,

c是光電陰極中心處的放大率。Dr為正值時產生枕形畸變,為負值時產生桶形畸變。第五章光電成像系統(tǒng)2（6）分辨率和調制傳遞函數(shù)分辨率是指像管分辨相鄰兩個物點或像點的能力。如果把矩形波空間頻率圖樣投射到光電陰極上，分辨率可用在熒光屏上能分辨的最高空間頻率表示。調制傳遞函數(shù)MTF是熒光屏上輸出的正弦波圖樣的調制度與光電陰極上輸入的正弦波圖樣的調制度之比。第五章光電成像系統(tǒng)2（7）光生背景在有光輸入時，處于工作狀態(tài)的像管熒光屏上存在的隨入射光強弱而變化的那部分附加光亮度，稱為光生背景。（8）信噪比定義：像管在規(guī)定的工作條件下輸出的信號與噪聲之比即為信噪比。第五章光電成像系統(tǒng)2（9）自動光亮度控制（ABC）特性像管的自動光亮度控制是靠像管的自動亮度控制電路來實現(xiàn)的，目的是控制熒光屏的輸出圖像亮度。當輸入光照度大于某一規(guī)定值時，控制電路自動降低電子加速電壓，使輸出光亮度與輸入光照度之間呈非線性關系。第五章光電成像系統(tǒng)2

像增強器的發(fā)展自60年代開始研制像管以來，經歷了三次技術創(chuàng)新：一代管以三級級聯(lián)增強技術為特征，增益高達幾萬倍，但體積大，重量重；二代管以微通道板（MCP）增強技術為特征，體積小，重量輕，但夜視距離無明顯突破；三代管則采用了負電子親和勢（NEA）GaAs光電陰極，使夜視距離提高1.5-2倍以上。第五章光電成像系統(tǒng)2（1）第一代像增強器第一代像增強器是以纖維光學面板作為輸入、輸出窗三級級聯(lián)耦合的像增強器。由于經過三級增強，因而第一代管具有很高的增益。

第五章光電成像系統(tǒng)2一代管的典型性能為：陰極靈敏度為300A/lm;增益:2×104~3×104cd·m-2·lx-1

，分辨率為35lp/mm

。一代管增益高、但重量大，防強光能力差。第五章光電成像系統(tǒng)2（2）第二代像增強器第二代像管與第一代像管的根本區(qū)別在于：它不是用多級級聯(lián)實現(xiàn)光電子倍增，而是采用在單級像管中設置微通道板（MCP）來實現(xiàn)電子圖像倍增的。

MCP由上百萬個緊密排列的空芯通道管組成。通道孔徑為5一10μm

。通道的內壁具有較高的二次電子發(fā)射特性，入射到通道的初始電子在電場作用下使激發(fā)出來的電子依次倍增，從而在輸出端獲得很高的增益。MCP的兩個端面鍍鎳，構成輸入和輸出電極。MCP第五章光電成像系統(tǒng)2在微通道板的兩個端面之間施加直流電壓形成電場。入射到通道內的電子在電場作用下，碰撞通道內壁產生二次電子。這些二次電子在電場力加速下不斷碰撞通道內壁，直至由通道的輸出端射出，實現(xiàn)連續(xù)倍增，達到增強電子圖像的作用。第五章光電成像系統(tǒng)2由于微通道板本身具有高增益、增益可控、電流飽和等特性，因此第二代像管，與第一代像管相比，均具有體積小、重量輕、亮度可調、防強光等優(yōu)點第五章光電成像系統(tǒng)2二代倒像管二代雙近貼管二代管結構第五章光電成像系統(tǒng)2（3）第三代像增強器

第三代像增強器的結構與第二代近貼式像管類似，其