《光电成像原理与技术》教学大纲
光电成像原理与技术第一节
突破灵敏度的限制
光电成像原理与技术
Ch2（一）：什么是光电成像技术？ 距离选通三维计算成像技术
光电成像原理与技术
Ch2（一）：什么是光电成像技术？ 对于电磁场：Maxwell方程组得出结论： 距离选通三维计算成像技术 全部电磁波段都可以成像，像空间两点的距离大 于衍射极限，可分辨出其间的光强分布，也就构成图像 信息。 成像分辨力决定于：
光电成像原理与技术
Ch2（一）：什么是光电成像技术？ 2、光电成像技术本质：扩展人眼的视觉特性 距离选通三维计算成像技术 80%信息来自于视觉 距离选通三维计算成像应
人眼视觉的局限性： 距离 选通成像技 术展望 距离 选通三 维激光成像技 术 空间 时间 灵敏度 光谱 分辨力
光电成像原理与技术
光电成像原理与技术
Ch2（二）：光电成像技术沿革及应用 2、光电成像系统实现的途径及应用 微光（可见光）成像技术 白天应用：CCD，CMOS，各种特殊相机 天文相机：
最古老星系 行星相机
麒麟星座
光电成像原理与技术
Ch2（二）：光电成像技术沿革及应用 2、光电成像系统实现的途径及应用 微光（可见光）成像技术 白天应用：CCD，CMOS，各种特殊相机 高速摄影：
光电成像原理与技术
Ch2（二）：光电成像技术沿革及应用 2、光电成像系统实现的途径及应用 红外热成像技术 夜视应用：目标侦察、观瞄、导航、制导等军事应用 公安侦察、边海防、海上缉私等公安应用 FLIR公司
光电成像原理与技术
Ch2（二）：光电成像技术沿革及应用 2、光电成像系统实现的途径及应用 红外热成像技术 夜视应用：目标侦察、观瞄、导航、制导等军事应用 公安侦察、边海防、海上缉私等公安应用
光电成像原理与技术
光电成像原理与技术
第一章 绪论
1.1 关于光电成像技术
什么是光电成像技术
AN/AVS-9
AN/PVS-7D
什么是光电成像技术
AN/AVS-9
AN/PVS-7D
什么是光电成像技术
• 以光电子理论、半导体物理和光电转换技术为基础，通 过各类光电成像器件将景物三维的自然反射、辐射转 换 成完成二维景物图像的技术。
长波限：亚毫米波成像（THz波段），分辨率低 短波限：X射线（Roentgen射线） 射线（Gamma射线）
具有强穿透力 (宇宙射线难以在普通条件下成像) 光电成像电磁波谱范围：无线电超短波到射线 有效波谱：亚毫米波、红外辐射、可见光、紫外辐射、X射线、 射线
1.1 关于光电成像技术
1.1.2 光电成像技术的分类与应用 领域
作
用
距
离
热痕成像
远
可透过伪装和复杂背景
红外热成像应用领域
❖ 军事应用 ❖警用安防 ❖电力 ❖冶金 ❖石化 ❖制造业
在线过程监控
❖ 建筑检测 ❖食品检测 ❖ 消防救援、海上搜救 ❖ 科研研究、遥感监测 ❖ 动物研究与诊疗 ❖ 医疗诊断、运动康复
红外热成像应用领域
❖ 军事应用
红外热成像应用领域
❖ 警用安防
光电成像技术的本质－扩展人眼的视觉性能
❖ 视见光谱域的延伸(图像变换技术) ❖ 视见灵敏阈的扩展(图像增强技术) ❖ 视见响应时间的拓展 (图像记录、存储技术) ❖ 视见距离的延伸 (图像传输技术) ❖ 视见分辨力的提升(同时使用图像增强与视角放大，提升对比度)
视见光谱域的延伸——受到一定限制
d 0.61 nsin( )
小结
❖ 光电成像技术通过图像增强、变换、记录、存储、传输等技术 手 段，从视觉灵敏度上光谱响应范围上、时间上、空间上纷纷 拓展 了人眼视觉的局限，广泛应用于人类生活的各个领域。
《光电成像原理》第1章20100831定
§1.1 光电成像技术的意义和作用
信息获取是信息传输、处理、显示和存储的 前提，是人类认识客观世界的首要步骤。人类感 知世界首先靠自己的感觉器官，眼睛具有对信息 并行处理功能，它所获得的信息占总获得信息量 的80%以上。 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)；
光电成像主体技术
红外热成像技术
微光成像技术：真空光电子成像技术的总称。它以光 子—光电子为景物图像的信息载体，基于器件的外光电 效应、电子倍增和电光转换等原理，对夜天微弱光或其
他非可见光照明下的景物，进行图像摄取、转换和增强， 最后显示为人眼可见的图像。
红外热成像技术：利用景物自身的红外辐射空间分布，
1929年－科勒(Koller)制成了第一个实用的光电发射体。研制 成功了红外变像管。相继出现了紫外变像管和X射线变像管， 使人类的视见光谱范围获得了更有成效的扩展。
1936年－格利胥(Gö rlich)研制出锑铯光阴极； 1955年－萨默(Sommer)研制出锑钾钠铯多碱光阴极。 1963年－西蒙(Simon)提出了负电子亲和势光阴极理论，伊万 思(Evans)等人研制成功了负电子亲和势镓砷光阴极。
对（1）式施加▽×运算，并应用基本关系式
2 E ( E ) E
再应用（2）、（3）式得
E 2 E 2 0 t
2
同理，磁场矢பைடு நூலகம்满足波动方程
B 2 B 2 0 t
2
要搞清楚电磁波如何传递图像信息，确定物空间和像空间
觉只能有条件的提供图像信息。
可以扩展人眼对微弱光图像的探测能力； 可以将超快速现象存储下来； 可以开拓人眼对不可见辐射的接收能力； 可以捕捉人眼无法分辨的细节；
1光电成像原理与技术-绪论
3、
4、
二、光电成像技术的应用 1、
二、光电成像技术的应用
2、应用
俄罗斯Yukon 2.5x50夜视枪瞄
www.yinglide.co m/yeshiyip_172.pageYuko 俄n罗夜斯视N枪H瞄-6K3x型50夜视 枪瞄准镜
2、
三、本课程研究的主要内容
1、在空间上扩大人类视觉机能的图像传输技 术；
2、在时间上扩大人类视觉能力的图像记录、 存储技术；
3、扩大人类视觉光谱响应范围的图像变换技 术；
4、扩大人类视觉灵敏机能的图像增强技术；
四、光电成像器件的分类
变像管像管直视源自光电成真空 成像 光 器件 电
像增强器（微 像器件
目标太小了看不清楚
（4）对视觉信号无记忆能力 看过但是不记得
为了扩展 人的视见 光谱范围、 视见灵敏 度及时空 的限制， 光电成像 技术应允 而生。
2、光电成像技术的发展历史
1873年，W.Smith发现了光电导现象。
1900年，普朗克提出了光的量子属性。
1916年，爱因斯坦完善了光与物质内部电子能态相互作用的 量子理论。
光管）
光电发射型摄
成
像管 （摄像管）
像
摄像管
器 件 固体
成像
光电导型摄 像管 （视像管）
电视型光
电成像器 件
器件
1929年，科勒制成了光电发射体，随后，成功研制了红外 变像管。 30年代，人类致力于电视技术的研究；
1970年，玻伊尔与Smith开拓出一种具有自扫描功能的电 荷耦合器件，从而使电视技术有质的飞跃。
光电成像原理与技术Chapter-固体成像器件成像原理及应用
2
V1 V1
t2 t3 t4 t1 t5 t6 t7 t8
2
势阱深度
1
2
1
V2
t t
（ a）
（a）
t6 t7 t8
t V1 t V1
（ b）
2 V2
势阱深度
1
V2
t1
t5
（b）
二相时钟的脉冲波形
2018/11/11
单时钟脉冲二相CCD (a)φ2断开，(b) φ2开通
8.2. CCD的结构与特性
2018/11/11
3
t t1
1 2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 N-Si衬底
Al栅电极
10 SiO2 （a）
1 V 2 0 3 0 t t2 1 V 2 V 3 0
电势
（b）
（c）
1 V / 2 2 V 3 0
1 0 2 V 3 0
VG的大部分压降 Vs 落在半导体表面的空间电荷区上，只 有小部分落到SiO2上。 故而，该形成反型层的空间上没有电子，只有空的电子 势阱，也就是说表面还处在载流子耗尽状态，这种耗尽 层从表面一直延伸到半导体内深处，此状态为“深层耗 尽状态”。 －这实际上是MOS电容器处于热非平衡状态。
Vs深耗 Vs强反
2kT N a Vs ln e ni
xd max
2018/11/11
4 s 0 F eN A
1 2
稳态下的MOS电容器－强反型状态
一旦出现反型层， 耗尽层厚度xd达到最大值，且不随VG而变化。 表面出现强反型状态时对应外加偏压VG为阈值 电压（开启电压），常用Vth表示。 由于反型层中的电子实际上是被限制在表面附 近能量最低的一个狭窄区域，故称为反型层沟 道。 P 型半导体的表面反型层由电子构成，故称 N 型 沟道。
《光电成像原理与技术》教学大纲
《光电成像原理与技术》教学大纲课程编号：OPT04043英文名称：The Principle Of Photo-electronic Imaging and Technology学分：3 学时：48 (理论学时：48)先修课程：半导体物理、电动力学、应用光学、物理光学一、目的与任务本课程为光电信息科学与工程专业的专业教育必修课程。
通过本课程的学习，可以培养学生运用所学数理知识和方法认识和分析各种光电成像器件工作机理的能力和创新意识，提高学生对光电成像系统整体技术构成的认识，为他们走上工作岗位从事相关的工作奠定理论基础和技术基础。
通过对本学科新理论、新器件、新系统的认识，还可以使学生了解到本学科的最新发展动态和技术前沿。
本课程的内容亦军亦民，与国防装备密切相关，因此，本课程的学习可以培养学生的爱国主义精神和大国防意识。
课程主要介绍各类光电成像器件的基本工作原理和各种光电成像系统的结构以及相关的学科知识和技术。
课程的任务是使学生掌握光电成像器件的基础理论和光电成像技术的基本原理，完成知识综合的教育和系统应用的教育。
课程强调应用所学习的基础理论和方法分析光电成像器件各环节的物理过程，理解和认识光电成像系统的结构、各子系统的作用，掌握光电成像技术的基本理论、思想方法和基本技术等。
二、教学内容及学时分配（48学时）第1章绪论（2学时）1.1.光电成像技术的产生及发展1.2.光电成像技术对视见光谱域和视见灵敏阈的延伸1.3.光电成像技术的应用范畴1.4.光电成像器件的分类1.5.光电成像器件的特性第2章人眼的视觉特性与图像探测（2学时）2.1.人眼的视觉特性与模型2.2.图像探测理论与图像探测方程2.3.约翰逊准则第3章辐射源与典型景物辐射（2学时）3.1.辐射度量及光度量3.2.朗伯辐射体及其辐射特性3.3.黑体辐射定律3.4.辐射源及其特性第4章辐射在大气中的传输（2学时）4.1 大气的构成4.2 大气消光及大气窗口4.3大气吸收和散射的计算4.4大气消光对光电成像系统性能的影响第5章直视型电真空成像物理（8学时）5.1.像管成像的物理过程5.2.像管的类型与结构5.3.图像的光电转换5.4.电子图像的成像5.5.电子图像的发光显示5.6.光学图像的传像与电子图像的倍增第6章直视型电真空成像系统与特性分析（4学时）6.1.微光夜视系统的结构与特点6.2.直视型微光成像系统的总体设计6.3.主动红外夜视系统的结构与特点6.4.夜视系统的作用距离第7章电视型电真空成像物理（4学时）7.1.电视摄像的基本原理7.2.光电导型摄像器件7.3.光电发射型摄像器件7.4.摄像管的主要性能参数7.5.热释电摄像器件第8章固体成像器件（CCD和CMOS）原理及应用（8学时）D的物理基础D的结构与工作原理D成像原理与性能参数8.4.增强型CCD及其工作原理D的TDI工作方式D的应用8.7.CMOS成像器件及其应用第9章电视型光电成像系统分析（2学时）9.1.电视系统的组成与工作原理9.2.电视信号的发送与接收9.3.实用微光电视系统第10章红外热成像器件成像物理（8学时）10.1.红外探测器的分类10.2.红外探测器的工作条件与性能参数10.3.光电导型红外探测器10.4.光伏型红外探测器10.5.红外焦平面阵列探测器10.6.非制冷红外焦平面阵列探测器10.7.量子阱红外探测器第11章红外热成像系统及其分析（6学时）11.1.热成像系统的分类与基本参数11.2.光机扫描系统11.3.制冷器工作原理与分类11.4.热成像系统视频信号的处理与显示11.5.热成像系统的性能模型与作用距离11.6.热成像系统的总体设计的基本考虑三、考核与成绩评定本课程以课堂教学为主，平时成绩占总成绩的30%（平时考核10％＋课外作业20％）。
光电成像原理与技术课程设计
2013-2014第（2）学期理学院实践教学成绩评定表2013-2014第（2）学期理学院实践教学任务书随着科学技术的发展以与CCD器件的广泛应用，工业生产、国防、安防以与日常生活中高速高清CCD的需求越来越广泛。
传统CCD相机像素低、帧频慢，在速度和清晰度方面有很大的缺陷，无法满足越来越高的使用需求，而高速高清CCD在图像清晰度和帧频速度都有突出的优势，为CCD相机注入了新的发展活力。
最近世界各国在高速CCD相机研发领域投入大量的精力并取得了大量的成果，开展高帧频大面阵CCD相机的研制工作具有重要意义。
本文首先对柯达公司生产的逐行转移面阵CCD传感器KAI-01050做了简单的介绍，基于逐行转移CCD的工作原理、电荷转移方式的研究，设计了高速高清CCD系统的一种结构。
本文通过对这些关键技术的研究，完成了高速高清CCD系统的设计工作。
关键词：高速摄像，高清CCD第一章绪论 (1)第二章高速高清CCD系统介绍 (3)2.1 CCD成像原理 (3)2.2 KAI_01050探测器介绍 (5)第三章高速高清CCD系统的组成 (7)3.1 光学系统设计 (7)3.2 电路系统设计 (8)第四章结果分析 (9)参考文献 (10)第一章绪论电荷耦合器件(CCD)属于半导体器件，是一种图像传感器，能够把视场内的光学图像转化为电荷并存储在相应的像素中，然后通过读出电路将存储的像元电荷读出，并用外围电路中的模数转换模块转换为数字信号。
一个完整的CCD阵列是由一系列的微小光敏物质(像素)组成。
CCD图像传感器上拥有的像素数量越多，能够提供的画面清晰度也就越高。
CCD器件自1969年在贝尔实验室诞生以来，随着半导体技术的发展，CCD技术也随之得到迅速发展，从当时简单的8像元移位寄存器，到现在已具有数百万、上千万乃至上亿像元。
CCD的像元尺寸已经减小到2um以下，在缩小像元尺寸的同时，通过背面光照技术等，使饱和电压和灵敏度也得到提高，在暗电流、读出噪声抑制、抗光晕转移效率等方面也得到了极大的改善。
光电成像原理与技术教学大纲
《光电成像原理与技术》课程教学大纲课程代码：090642001课程英文名称：The Principle Of Photo-electronic Imaging and Technology课程总学时：32 讲课：32 实验：0 上机：0适用专业：光电信息科学与工程大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程是光电信息科学与工程专业的专业选修课。
本课程是一门多学科交叉、理论性和实践性都很强的综合性课程。
通过本课程的学习，可以培养学生运用所学数理知识和方法认识和分析各种光电成像器件工作机理的能力和创新意识，提高学生对光电成像系统整体技术构成的认识，为他们走上工作岗位从事相关工作奠定基础。
通过对本学科新理论、新器件、新系统的介绍，还可以使学生了解本学科的最新发展动态和技术前沿，为将来从事相关领域的研究或工作奠定基础。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1．通过本科程的学习，使学生掌握光电成像器件的基础理论和光电成像技术的基本原理，并在此基础上掌握光电成像系统的结构以及相关的学科和技术。
2．通过本科程的学习，培养学生应用所学习的基础理论和方法，分析光电成像器件各环节的物理过程，理解和认识光电成像系统的结构、各子系统的作用，掌握光电成像技术的基本理论和思想方法等，逐渐形成观察、思考、分析和解决有关理论和实践问题的能力。
（三）实施说明这个教学大纲是根据光电信息科学与工程专业的特点和学科内容要求而编写的，在执行本大纲时应注意以下几点：1. 在授课过程中要由易到难，循序渐进。
重点是物理概念和物理模型的讲解，其次是数学理论与方法的具体应用；2. 可根据实际情况安排各部分的学时，后面的课时分配表仅供参考；3. 对大纲中内容不相关部分可自行安排讲授顺序。
（四）对先修课的要求本课的先修课程：《光电子学》（五）对习题课、实验环节的要求各章内容学习结束后，根据教材内容选择习题，布置习题作业，根据习题的完成质量，随堂讲解各章重点习题，期末总复习全面讲解。
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《光电成像原理与技术A》教学大纲
课程编号：××××××
英文名称：Principle and Technology of Photoelectric Imaging
学分：3.5 学时：56 (理论学时：56)
先修课程：半导体物理、电动力学、应用光学、物理光学
一、目的与任务
本课程为电子科学与技术专业（光电子方向）的专业教育必修课程。
本课程的学习可以培养学生运用所学数理知识和方法认识和分析各种光电成像器件工作机理的能力和创新意识，提高学生对光电成像系统整体技术构成的认识，为他们走上工作岗位从事相关工作奠定基础。
通过对本学科新理论、新器件、新系统的介绍，还可以使学生了解本学科的最新发展动态和技术前沿。
本课程的内容亦军亦民，与国防装备密切相关，因此，本课程的学习可以培养学生的爱国主义精神和大国防意识。
课程主要介绍各类光电成像器件的基本工作原理和各种光电成像系统的结构以及相关的学科和技术。
课程的任务是使学生掌握光电成像器件的基础理论和光电成像技术的基本原理，完成知识综合的教育和系统应用的教育。
课程强调应用所学习的基础理论和方法分析光电成像器件各环节的物理过程，理解和认识光电成像系统的结构、各子系统的作用，掌握光电成像技术的基本理论和思想方法等。
二、教学内容及学时分配（56学时）
第1章绪论（2学时）
1.1.光电成像技术的产生及发展
1.2.光电成像技术对视见光谱域和视见灵敏阈的延伸
1.3.光电成像技术的应用范畴
1.4.光电成像技术的四个领域
1.5.光电成像器件的分类
1.6.光电成像器件的特性
第2章人眼的视觉特性与图像探测（3学时）
2.1.人眼的视觉特性与模型
2.2.图像探测理论与图像探测方程
2.3.约翰逊准则
第3章辐射源与典型景物辐射（1学时）
3.1.典型辐射源及其特性
第4章辐射在大气中的传输（3学时）
4.1 大气的构成
4.2 大气消光及大气窗口
4.3大气吸收和散射的计算
4.4大气消光对光电成像系统性能的影响
第5章直视型电真空成像器件成像物理（9学时）
5.1.像管成像的物理过程
5.2.像管的类型与结构
5.3.图像的光电转换
5.4.电子图像的成像
5.5.电子图像的发光显示
5.6.光学图像的传像与电子图像的倍增
第6章直视型电真空成像系统的结构与特性分析（6学时）
6.1.微光夜视系统的结构与特点
6.2.直视型微光成像系统的总体设计
6.3.主动红外夜视系统的结构与特点
6.4.夜视系统的作用距离
第7章电视型电真空成像器件成像物理（5学时）
7.1.电视摄像的基本原理
7.2.光电导型摄像器件
7.3.光电发射型摄像器件
7.4.热释电摄像器件
第8章固体成像器件（CCD和CMOS）成像原理及应用（9学时）
D的物理基础
D的结构与工作原理
D成像原理与性能参数
8.4.微光电荷耦合成像器件
D的TDI工作方式
D的应用
8.7.CMOS成像器件与应用
第9章电视型成像系统的结构与特性分析（6学时）
9.1.电视系统的组成与工作原理
9.2.电视信号的发送与接收
9.3.实用微光电视系统
9.4.微光电视系统的视距估算
9.5.成像光子计数探测系统
9.6.光谱成像技术及应用
第10章红外热成像器件成像物理（8学时）
10.1.红外探测器的分类
10.2.红外探测器的工作条件与性能参数
10.3.光电导型红外探测器
10.4.光伏型红外探测器
10.5.红外焦平面阵列探测器
10.6.非制冷红外焦平面阵列探测器
10.7.量子阱红外探测器
第11章红外热成像系统的结构与特性分析（4学时）
11.1.热成像系统类型与基本参数
11.2.光机扫描系统
11.3.制冷器工作原理与分类
11.4.视频信号的处理与显示
11.5.热成像系统的性能模型与作用距离
11.6.热成像系统的实验室评价
11.7.热成像系统的总体设计的基本考虑
三、考核与成绩评定
本课程以课堂教学为主，平时成绩占总成绩的30%（平时考核10％＋课外作业20％）。
期末考核采用闭卷考试方式，成绩占总成绩的70%。
成绩评定按百分制计，六十分为及格。
四、大纲说明
1. 本大纲是根据我校电子科学与技术（光电子）、光电信息科学与工程、光电信息工程专业培养计划及其知识结构要求，并适当考虑专业特色而制定的。
《光电成像原理与技术实验》为与本课程部分内容配套的实验课程，故本课程不再安排实验学时。
2. 在保证基本教学要求的前提下，教师可以根据实际情况，对内容进行适当的调整和删节。
3. 本大纲适合光电类相关专业。
五、教科书、参考书
教科书：
白廷柱，金伟其编著．光电成像原理与技术[M]．北京：北京理工大学出版社，2006. 1
参考书：
[1]邹异松，刘玉风，白廷柱编著．光电成像原理[M]．北京：北京理工大学出版社，1997.
[2]张敬贤，李玉丹，金伟其编著．微光与红外成像技术[M]．北京：北京理工大学出版社，1995.
[3]邹异松编著．电真空成像器件及理论分析[M]．北京：国防工业出版社，1989.
[4]《红外与光电系统手册》之三：光电元器件
[5]《红外与光电系统手册》之五：被动光电系统
[6]《红外与光电系统手册》之六：主动光电系统
[7]《红外与光电系统手册》之八：新系统和技术
编写教师：白廷柱，曹峰梅
责任教授：
教学院长签字：
《Principle and Technology of Photoelectric Imaging》
Course Code: ******
Course Name: Principle and Technology of Photoelectric Imaging
Class Hour: 56
Credit: 3.5
Course Description:
The objective of this course is to familiarize students with mathematical and physical techniques to analyze the principle of typical photoelectric imaging devices, system architecture and its application. This course also helps to train students to analyze photoelectric imaging problems and design practical imaging models.
The main contents of the course include the development and current status of optoelectronic imaging technique, the eye’s vision model, the image detection principle, the atmospheric propagation’s effect on the photoelectric imaging system, low-light-level night vision technique, television camera technique and infrared imaging techniques. It mainly focuses on the photoelectric device’s operating mechanism, architecture and typical photoelectric imaging systems based on these devices.。