光电成像技术和应用1共16页文档
《光电成像原理与应用》实验指导书(1)要点
光电成像原理与应用实验指导书实验一线阵 CCD原理及驱动实验一、实验目的1、掌握本实验仪的基本操作和功能。
2、掌握用双踪影示波器观察二相线阵CCD 驱动脉冲的频次、幅度、周期和各路驱动脉冲之间的相位关系等的丈量方法。
3、经过对典型线阵CCD 驱动脉冲的时序和相位关系观察，掌握二相线阵CCD 的基本工作原理，特别是复位脉冲CCD 输出电路中的作用；转移脉冲与驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的过程。
二、实验前准备内容1、学习线阵CCD的基本工作原理（参照《图像传感器应用技术》教材），阅读双踪迹示波器的使用说明书。
2、学习TCD2252D线阵CCD基本工作原理与驱动波形图（参照附录）。
3、掌握双踪影示波器的基本操作方法，特别是它的同步、幅度、频次、时间与相位的丈量方法。
4、依据线阵相位关系，理解线阵CCD 的基本工作原理，观察转移脉冲CCD 的并行转移过程。
观察F1与SH 与 F1（ CR1）、 F2（ CR2 ）的F2 及 F1 与 CP、 SP、RS 间的相位关系，理解线阵CCD的串行传输过程和复位脉冲RS 的作用。
5、丈量CCD在不一样驱动频次的状况下的F1与F2、 F1、 RS 的周期与频次值，以及它的行周期（FC ）值。
三、实验所需仪器设施1、双踪影同步示波器（带宽50MHz 以上）一台。
2、彩色线阵CCD多功能实验仪YHLCCD －IV 一台。
四、实验内容及步骤1．实验预备（1）第一将示波器地线与实验仪上的地线连结优秀，并确认示波器和实验仪的电源插头均已插入沟通 220V 的电源插座上；（2）拿出双踪影同步示波器，将电源线插入沟通 220V 的电源插座上，测试笔（或称探头）分别接入测试输入端口；翻开示波器的电源开关，选择自动测试方式，调整显示屏上出现的扫描线处于便于察看的地点；（3）将示波器的两个测试笔分别接到示波器的标准输出信号输入端子长进行校准；（4）翻开YHLCCD－IV的电源开关，察看仪器面板显示窗口，数字闪耀表示仪器初始化，闪耀结束后显示为“000”字样，前两位数表示积分时间品位值，末位数表示 CCD 的驱动频次档位值。
第一章_光电成像技术概论
域。
人类视觉系统的局限 性
灵敏度
光 谱
分辨力
空 间
时 间
夜 视
非可见光
微小
遥视
记 录
人眼的局限性大大地限制了人类获得光信息的 能力，因而需要扩展人眼的功能。
第一，要扩展人眼在低照度下的视觉能力，提供各种 夜视装备以便能在低照度下进行科研和生产活动，或 在夜间进行侦察和战斗。 第二，要扩展人眼对电磁波波段的敏感范围。已制成 将红外线、紫外线和 X射线的光图像转换成可见光图 像的直视式或电视式光电子学装置。利用这些原理还 可以扩展到观察中子和其他带电粒子所形成的图像。 第三，要扩展人眼对光学过程的时间分辨本领，例如 已经做到在几十飞秒（1015 秒）内就可观察到信息的 变化。
（SPRITE)、热释电探测器）。
人眼固有的物理限制：
灵敏度的限制:
（E= 50-100 lx;E<0.1lx难看清)；
分辨力的限制：(分辨角仅有 0.020 左右）； 时间上的限制:
(视觉逗留时间0.02s) ； 光谱的限制:(人眼敏感区400-650nm) 。
在很早以前人类就为开拓自身的视见能力而进行 了探索。取得了不少有成效的进展。 灯具的出现，改善了人类夜晚的照明环境。 望远镜的出现，为人类延伸了视见距离。 显徽镜的应用，为人类观察微小物体提供了方便。 可是，在扩展视见光谱范围和视见灵敏度方面却 经历 了漫长时间，才有所进展。 这一进展是由光电成像技术所开拓的。 目前光电成像技术已成为信息时代的重要技术领
以红外光子、光生载流子为景物图像信息载体，通过红外 探测器的内光电效应(光电导或光生伏特)及特定扫描读 出和TV显示等原理，再现被观察的景物为可见光图像。
光学成像技术的研究与应用
光学成像技术的研究与应用第一章：引言光学成像技术是一种利用光学原理进行图像重建的技术。
随着计算机技术和图像处理技术的不断发展，光学成像技术已经被广泛应用于医学影像、工业检测、无人机、安防、航天、智能交通等领域。
本文将从原理、技术和应用三个方面介绍光学成像技术的研究和应用现状。
第二章：光学成像技术原理光学成像技术是利用光学机械电子技术实现图像的采集、处理、存储和显示。
其中图像传感器是关键的核心部件。
常见的图像传感器包括CCD和CMOS传感器。
CCD全称为电荷耦合器件，CMOS全称为互补金属氧化物半导体。
CCD和CMOS传感器的关键差别在于CCD是将光子积累，通过电荷转移读取，每积累一个光子就产生一个电荷，它的灵敏度高，但成像清晰度难以达到十分之一毫米的高要求。
而CMOS传感器则在每个像元中集成了一个电荷放大器，每一个像元都能直接转换为数字信息，并通过内部放大器将信号放大。
由于电荷只是在一个局部电容器里完成一系列操作后直接输出，在转换过程中不需要传输大量的电荷，因此在像素越来越多的情况下生成的噪声也越来越小，而且具有可重置电路、低能耗等优势。
除了图像传感器之外，光学成像技术还有一些其他重要的组成部分，比如成像光学系统和光源。
成像光学系统一般由透镜、硬币、凹面镜等组成，其主要作用是将被观察的物体映射到图像传感器上。
光源则为被观察的物体提供光照，种类也很多，比如点光源、均匀光源、强度可调光源等。
不同的光源在不同的成像应用场景中有不同的优势。
第三章：光学成像技术技术在光学成像技术发展的过程中，光学成像技术已经出现了不同的发展方向。
光学成像技术常见的几种类型包括：（1）单反相机影像系统单反相机是一种非常成熟的摄影设备，其影像系统包括镜头和银盐胶片。
镜头负责捕获光线，使其聚集在银盐胶片上，银盐胶片上的成像，则实现了影像的捕获。
由于胶片摄影影像专业质量上乘，这种影像系统在专业领域成为常见的影像系统，但胶片相机的缺陷是不能直接进行数码化运算。
光电成像技术
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五、像管的主要结构类型
近贴式 静电聚焦倒像式 （单级，多级） 电磁复合聚焦 带微通道板的像管（第二代，2，3之上） 负电子亲和势像管（第三代） X射线变像管和r射线变像管
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三级串联像增强管
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磁聚焦像增强管
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1934年研制出光电像管，应用于时内外的 广播电视摄像。它的灵敏度相当低，要达 到现在图像信噪比的要求，需要不低于 10000 lx的照度，这是它的应用范围受到 很大限制。
1947年超正析摄像管面世，使最低照度降 至2000 lx。
1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其 成本低，体积小，灵敏度和分辨率都较高， 但不是适用于高速场合和彩色应用。
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2 光电成像器件的类型
一、 扫描型
真空电子束扫描型
光电型：光电导式和光电发射式
热电型：热释电摄像管
固体自扫描型：电荷耦合摄像器件
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扫描型光电成像器件又称为摄像器件。这 种器件通过电子束扫描或自扫描方式将被 设景物将光学系统成像在器件光敏面上的 二维图像转变为一维时序电信号输出出来。 这种运载图像信息的一维时序信号称为视 频信号。
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1965年，氧化铅管成功代替正析摄像管， 广泛应用于彩色电视摄像机。它使彩色电 视广播摄像机的发展产生了一个飞跃。
1976年前后，又相继出现灵敏度更高，成 本更低的硒像管和硅靶管。
1970年， 贝尔实验室发表电荷耦合器件 （CCD）原理，从此光电成像器件的发展 进入了一个新的阶段——CCD固体摄像器 件的发展阶段。
光电成像原理与技术__53 典型成像系统及应用_
成像光谱系统——航空航天遥感应用
高光谱成像
高光谱探测器 人眼
每个像元包括数十至数百 个窄波段光谱信息
光谱信息
产生 光谱 曲线
多光谱成像（Multispectral imaging）
几个波段
高光谱成像（Hyperspectral Imaging）
数十到数百个波段，光谱分辨率一般 为1-l0nm
超光谱成像（Ultraspectral Imaging）
• 栅状滤色器结构
• 棋盘式Bayer滤色器的结构
摄像器对光信号的RGB分量用完 利用人眼对红色和蓝色图像分辨力低的特
全相等的采样频率fs
点，采用棋盘格式。在提高G信号的上限频
率同时又能保持图像画面的彩色均匀性。
彩色图像的生成
1.原始场景 2.Bayer 滤色器传感器的输出 3.Bayer 滤色器颜色编码输出 4.缺失颜色重建图像 5.全彩RGB图像对比
X射线安检仪核心部件
1.射线源
2.探测器与数据采集
数据与结果
灰度合成
彩色合成
边缘增强
等效原子序数<10
有机物 橙色
10 < 等效原子序数 < 18 混合物 绿色
等效原子序数>18
无机物 蓝色
光谱测量
被测光源发出的光经过光栅色
光栏
散后在CCD像元上成像，CCD各像 光源
元位置分别对应于光色散后的不同
波长，由采样电路对CCD输出信号 进行逐位采样，根据采样的位数，
驱动电路 CCD
可以知道信号所在的波长，而信号
的幅度则是该波长的光辐射能量。 计算机
A/D
光栅 采样电路
只要对目标进行一次采样，就可得到在一定波长范围内的光谱分布曲 线，因而可以用于测量闪光灯等瞬态发光源的光谱。
光电成像技术
2013-2014 第一学期光电成像技术——微光夜视技术的发展及其应用院系电子工程学院光电子技术系班级光信息1003姓名刘寒学号05103073班内序号05考核成绩微光夜视技术的发展及其应用1 摘要始于20世纪60年代的微光夜视技术靠夜里自然光照明景物，以被动方式工作，自身隐蔽性好，在军事、安全、交通等领域得到广泛的应用。
近年来，微光夜视技术得到迅速发展，在第一代、第二代、第三代的基础上，第四代技术应运而生。
结合我国目前的设备条件元器件性能和技术水平的现状，对我国微光夜视技术的发展方向和重要的关键技术进行了阐述-提出了一些建议和展望。
关键字：微光夜视技术;超二代微光;三代微光;四代微光;微光像增强器2 微光夜视技术及其发展2.1 第一代微光夜视技术20世纪60年代初，在多碱光阴极(Sb-Na-K-Cs)、光学纤维面板的发明和同心球电子光学系统设计理论的完善的基础上，将这三大技术工程化，研制成第一代微光管。
其一级单管可实现约50倍亮度增益，通过三级级联，增益可达5x104～105倍。
第一代微光夜视技术属于被动观察方式，其特点是隐蔽性好、体积小、重量小、成品率高，便于大批量生产；技术上兼顾并解决了光学系统的平像场与同心球电子光学系统要求有球面物(像)面之间的矛盾，成像质量明显提高。
其缺点是怕强光，有晕光现象。
2.2 第二代微光夜视技术第二代微光夜视器件的主要特色是微通道板电子倍增器(MCP)的发明并将其引入单级微光管中。
装有1个MCP的一级微光管可达到104—105亮度增益，从而替代了原有的体积大、笨重的三级级联第一代微光管；同时，MCP微通道板内壁实际上是具有固定板电阻的连续打拿级，因此，在恒定工作电压下，有强电流输入时，有恒定输出电流的自饱和效应，此效应正好克服了微光管的晕光现象；加之它的体积更小、重量更轻，所以，第二代微光夜视仪是目前国内微光夜视装备的主体。
2.3 第三代微光夜视技术第三代微光夜视器件的主要特色是将透射式GaAs光阴极和带Al2O3，离子壁垒膜的MCP引入近贴微光管中。
光电信息科学与工程在光电成像技术中的应用
光电信息科学与工程在光电成像技术中的应用在当今科技飞速发展的时代，光电成像技术已经成为了众多领域中不可或缺的重要工具，从医疗诊断到天文观测，从安防监控到工业检测，其应用范围之广令人瞩目。
而光电信息科学与工程作为一门综合性的学科，为光电成像技术的不断进步和创新提供了坚实的理论基础和技术支持。
光电成像技术，简单来说，就是将光信号转换为电信号，再经过处理和显示，形成我们能够直观看到的图像。
这一过程涉及到光学、电子学、计算机科学等多个学科的知识和技术，而光电信息科学与工程则是将这些学科有机融合的关键。
在光电成像系统中，光学部分负责收集和处理光线。
通过透镜、反射镜等光学元件，将目标物体发出或反射的光线汇聚到探测器上。
光电信息科学与工程中的光学设计知识，可以帮助优化光学系统的性能，提高光线的收集效率和成像质量。
例如，在设计相机镜头时，需要考虑焦距、光圈、像差等因素，以确保拍摄到清晰、锐利、色彩准确的图像。
探测器是光电成像系统的核心部件之一，它将光信号转换为电信号。
常见的探测器有电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）等。
光电信息科学与工程专业的学生需要深入了解这些探测器的工作原理、性能特点和制造工艺。
通过研究探测器的灵敏度、噪声特性、动态范围等参数，可以选择合适的探测器应用于不同的成像场景。
比如，在低光照条件下，需要选择具有高灵敏度的探测器；而在需要高速成像的场合，则要考虑具有高帧率的探测器。
信号处理是光电成像技术中的重要环节。
采集到的电信号往往包含了噪声和干扰，需要通过各种信号处理算法进行滤波、增强、压缩等操作，以提高图像的质量和可读性。
光电信息科学与工程中的数字信号处理知识，为这些算法的设计和实现提供了理论支持。
例如，通过使用中值滤波可以去除图像中的椒盐噪声；利用直方图均衡化可以增强图像的对比度。
图像处理技术则在光电成像的后期发挥着关键作用。
包括图像的分割、识别、目标跟踪等。
这些技术可以帮助我们从图像中提取有用的信息，实现对目标的检测和分析。
7第七章：讲义光电成像技术
变相管 紫外变像管
X射线变像管
串联式像增强管
像增强管 级联式像增强管
微通道板式像增强管
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负电子亲和势阴极摄像管
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3、光电成像器件的基本特征
一、光谱响应 二、线性 三、空间分辨率
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4 光电成像原理
系统由光学像系统、光电变换系统、图像分割、 同步扫描和控制系统、视频信号处理系统、荧光 屏显示系统等构成。
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光电导型真空摄像管
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二、光电发射型摄像管
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电荷耦合器件
Charge-Coupled Devices 1970年由贝尔实验 室首先研制出来。
特点：体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、功 耗低、动态范围大。
主要应用领域：摄像、信号处理、存储、测量
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四、像管成像物理过程：（三个环 节）
微弱的光或不可见的输入辐射图像转换 成电子图像（光阴极完成）
电子图像获得能量或数量增强，并聚焦 成像（电子光学系统）
将增强的电子图像转换成可见光的图像 （荧光屏）
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1．辐射图像的光电转换：
利用外光电效应。光敏面采用光 电发射型材料。发射的电子流分布正 比于人射的辐射通量分布。由此完成 辐射图像转换为电子图像的过程。
方位测量、遥感遥测、图像制导、图像识别
传真、扫描仪、自动精密测量
高分辨率、高可靠性、高准确度。
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P沟道型CCD原理
金属-氧化物-半导体结 构（MOS)在外加电场 作用下，半导体中空穴 被推离界面，形成表面 势井；