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第5章 光電成像系統(tǒng)教學目的1、掌握CCD的結構和工作原理、光電成像原理、光電成像光學系統(tǒng)；2、了解微光像增強器件和纖維光學成像原理。教學重點與難點重點：CCD的結構和工作原理、光電成像原理、光電成像光學系統(tǒng)的組成。難點：CCD的結構和工作原理、調制傳遞函數(shù)的分析。成像轉換過程有四個方面的問題需要研究：能量方面物體、光學系統(tǒng)和接收器的光度學、輻射度學性質，解決能否探測到目標的問題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噪聲方面決定接收到的信號不穩(wěn)定的程度或可靠性信息傳遞速率方面（成像特性、噪聲信息傳遞問題，決定能被傳遞的信息量大小）光電成像器件是光電成像系統(tǒng)的核心。1 固體攝像器件固體攝像器件的功能：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），轉換為按時序串行輸出的電信號 視頻信號，而視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件（Charge Coupled Device，即CCD）互補金屬氧化物半導體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（Charge Injenction Device，即CID）一、電荷耦合攝像器件電荷耦合器件（CCD）特點）以電荷作為信號CCD的基本功能電荷存儲和電荷轉移CCD工作過程信號電荷的產生、存儲、傳輸和檢測的過程1. 電荷耦合器件的基本原理（1）電荷存儲 構成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導體)電容器電荷耦合器件必須工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài)（2）電荷轉移以三相表面溝道CCD為例表面溝道器件，即SCCD（Surface Channel CCD）轉移溝道在界面的CCD器件 體內溝道（或埋溝道CCD）即 BCCD（Bulk or Buried Channel CCD）用離子注入方法改變轉移溝道的結構，從而使勢能極小值脫離界面而進入襯底內部，形成體內的轉移溝道，避免了表面態(tài)的影響，使得該種器件的轉移效率高達99.999以上，工作頻率可高達100MHz，且能做成大規(guī)模器件（3）電荷檢測浮置擴散輸出 CCD輸出信號的特點是：信號電壓是在浮置電平基礎上的負電壓；每個電荷包的輸出占有一定的時間長度T。；在輸出信號中疊加有復位期間的高電平脈沖。對CCD的輸出信號進行處理時，較多地采用了取樣技術，以去除浮置電平、復位高脈沖及抑制噪聲。2. 電荷耦合攝像器件的工作原理CCD的電荷存儲、轉移的概念 + 半導體的光電性質CCD攝像器件按結構可分為線陣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CCD（1）線陣CCD線陣CCD可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結構（2）面陣CCD常見的面陣CCD攝像器件有兩種：行間轉移結構與幀轉移結構。二、電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)1. 轉移效率電荷包從一個柵轉移到下一個柵時，有部分的電荷轉移過去，余下部分沒有被轉移，稱轉移損失率。一個電荷量為的電荷包，經過n次轉移后的輸出電荷量應為：總效率為： 2. 不均勻度光敏元的不均勻與CCD的不均勻。本節(jié)討論光敏元的不均勻性，認為CCD是近似均勻的，即每次轉移的效率是一樣的。光敏元響應的不均勻是由于工藝過程及材料不均勻引起的，越是大規(guī)模的器件，均勻性問題越是突出，這往往是成品率下降的重要原因。定義光敏元響應的均方根偏差對平均響應的比值為CCD的不均勻度：式中為第n個光敏元原始響應的等效電壓,為平均原始響應等效電壓；N為線列CCD的總位數(shù)。由于轉移損失的存在，CCD的輸出信號與它所對應的光敏元的原始響應并不相等。根據(jù)總損失公式，在測得后，可求出： 式中P是CCD的相數(shù)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)產生復合中心的熱激發(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4. 靈敏度（響應度）它是指在一定光譜范圍內，單位曝光量的輸出信號電壓（電流）。5. 光譜響應CCD的光譜響應是指等能量相對光譜響應，最大響應值歸一化為100%所對應的波長，稱峰值波長，通常將10%（或更低）的響應點所對應的波長稱截止波長。有長波端的截止波長與短波端的截止波長，兩截止波長之間所包括的波長范圍稱光譜響應范圍。6. 噪聲CCD的噪聲可歸納為三類：散粒噪聲、轉移噪聲和熱噪聲。7. 分辨率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（調制傳遞函數(shù)）來表示分辨率。8. 動態(tài)范圍與線性度動態(tài)范圍線性度是指在動態(tài)范圍內，輸出信號與曝光量的關系是否成直線關系。三、CMOS攝像器件采用CMOS技術可以將光電攝像器件陣列、驅動和控制電路、信號處理電路、模數(shù)轉換器、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)。1. CMOS像素結構無源像素型（PPS）、有源像素型(APS)（1） 無源像素結構無源像素單元具有結構簡單、像素填充率高及量子效率比較高的優(yōu)點。但是，由于傳輸線電容較大，CMOS無源像素傳感器的讀出噪聲較高，而且隨著像素數(shù)目增加，讀出速率加快，讀出噪聲變得更大。（2）有源像素結構光電二極管型有源像素（PPAPS）大多數(shù)中低性能的應用光柵型有源像素結構（PGAPS）成像質量較高CMOS有源像素傳感器的功耗比較小。但與無源像素結構相比，有源像素結構的填充系數(shù)小，其設計填充系數(shù)典型值為20%-30%。在CMOS上制作微透鏡陣列，可以等效提高填充系數(shù)。2. CMOS攝像器件的總體結構 工作過程：首先，外界光照射像素陣列，產生信號電荷，行選通邏輯單元根據(jù)需要，選通相應的行像素單元，行像素內的信號電荷通過各自所在列的信號總線傳輸?shù)綄哪M信號處理器(ASP)及A/D變換器，轉換成相應的數(shù)字圖像信號輸出。行選通單元可以對像素陣列逐行掃描，也可以隔行掃描。隔行掃描可以提高圖像的場頻，但會降低圖像的清晰度。行選通邏輯單元和列選通邏輯單元配合，可以實現(xiàn)圖像的窗口提取功能，讀出感興趣窗口內像元的圖像信息。3. CMOS與CCD器件的比較CCD攝像器件有光照靈敏度高、噪聲低、像素面積小等優(yōu)點。但CCD光敏單元陣列難與驅動電路及信號處理電路單片集成，不易處理一些模擬和數(shù)字功能；CCD陣列驅動脈沖復雜，需要使用相對高的工作電壓，不能與深亞微米超大規(guī)模集成 （VLSI）技術兼容，制造成本比較高。CMOS攝像器件集成能力強、體積小、工作電壓單一、功耗低、動態(tài)范圍寬、抗輻射和制造成本低等優(yōu)點。目前CMOS單元像素的面積已與CCD相當，CMOS已可以達到較高的分辨率。如果能進一步提高CMOS器件的信噪比和靈敏度，那么CMOS器件有可能在中低檔攝像機、數(shù)碼相機等產品中取代CCD器件。作業(yè)：P204: 5.1.2 光電成像原理一、光電成像系統(tǒng)的基本結構1. 光機掃描方式 串聯(lián)掃描 并聯(lián)掃描 串并聯(lián)混合掃描2. 電子束掃描方式3. 固體自掃描方式上述的分類方法不是絕對的，有的光電成像系統(tǒng)是不同掃描方式的結合。從目前情況看，光機掃描及固體自掃描方式的光電成像系統(tǒng)占主導地位。二、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D和焦距f/2. 瞬時視場角、3. 觀察視場角WH、WV4. 幀時Tf和幀速5. 掃描效率6. 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，探測器在觀察視場中對應的分辨單元數(shù)為：由的定義，有:光電成像系統(tǒng)的綜合性能參數(shù)是在以上各基本技術參數(shù)的基礎上作進一步的綜合分析得出的。3 紅外成像光學系統(tǒng)紅外成像光學系統(tǒng)應滿足以下幾方面的基本要求：物像共軛位置、成像放大率、一定的成像范圍，以及在像平面上有一定的光能量和反映物體細節(jié)的能力（即分辨率）。一、理想光學系統(tǒng)模型牛頓公式：，高斯公式：，二、光學系統(tǒng)中的光闌1. 孔徑光闌2. 視場光闌3. 漸暈光闌4. 消雜光光闌三、紅外成像光學系統(tǒng)的主要參數(shù)1. 焦距f決定光學系統(tǒng)的軸向尺寸，f越大，所成的像越大，光學系統(tǒng)一般也越大。2. 相對孔徑D/f相對孔徑定義為光學系統(tǒng)的入瞳直徑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: 像面中心處的輻照度計算公式為：3. 視場四、光學系統(tǒng)的像差光學系統(tǒng)近軸區(qū)具有理想光學系統(tǒng)的性質，光學系統(tǒng)近軸區(qū)的成像被認為是理想像。實際光學系統(tǒng)所成的像和近軸區(qū)所成的像的差異即為像差。光學系統(tǒng)對單色光成像時產生單色像差，分為五類：球面像差（球差）、彗形像差（彗差）、像散差（像散）、像面彎曲（場曲）和畸變。對多色光成像時，光學系統(tǒng)除對各單色光成分有單色像差外，還產生兩種色差：軸向色差和垂軸色差（亦稱倍率色差）。五、紅外光學系統(tǒng)的特點由于紅外輻射的特有性能，使得紅外光學系統(tǒng)具有以下一些特點：（1）紅外輻射源的輻射波段位于1m以上的不可見光區(qū)，普通光學玻璃對2.5m以上的光波不透明，而在所有有可能透過紅外波段的材料中，只有幾種材料有必需的機械性能，并能得到一定的尺寸，如鍺、硅等，這就大大限制了透鏡系統(tǒng)在紅外光學系統(tǒng)設計中的應用，使反射式和折反射式光學系統(tǒng)占有比較重要的地位。（2）為了探測遠距離的微弱目標，紅外光學系統(tǒng)的孔徑一般比較大。（3）在紅外光學系統(tǒng)中廣泛使用各類掃描器，如平面反射鏡、多面反射鏡、折射棱鏡及光楔等。（4）8至14m波段的紅外光學系統(tǒng)必須考慮衍射效應的影響。（5）在各種氣象條件下或在抖動和振動條件下，具有穩(wěn)定的光學性能。鑒于上述特點，設計紅外光學系統(tǒng)時，應遵循下列原則：（1）光學系統(tǒng)應對所工作的波段有良好的透過性能。（2）光學系統(tǒng)在尺寸、像質和加工工藝許可的范圍內，應具有盡可能大的相對孔徑，以保證系統(tǒng)有高的靈敏度。（3）光學系統(tǒng)應對背景噪聲有較強的抑制能力，提高輸入信噪比。（4）光學系統(tǒng)的形式和組成應有利于充分發(fā)揮探測器的效能，如合理利用光敏元面積，保證高的光斑均勻性等。（5）光學系統(tǒng)及組成元件力求簡單。（6）合理選擇掃描方式及掃描器的類型。六、典型的紅外光學系統(tǒng)紅外光學系統(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）透射式紅外光學系統(tǒng)優(yōu)點：無擋光，加工球面透鏡較容易，通過光學設計易消除各種像差。缺點：光能損失較大，裝配調整比較困難。（2）反射式紅外光學系統(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、雙曲面形或橢球面形等幾種。牛頓光學系統(tǒng)：卡塞格倫系統(tǒng)：格利高利系統(tǒng)：（3）折反射組合式光學系統(tǒng)施密特系統(tǒng)：馬克蘇托夫系統(tǒng)： 紅外探測器2. 掃描系統(tǒng)平行光束掃描會聚光束掃描作業(yè)：P204: 5.44 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、溫度分辨率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）一、調制傳遞函數(shù)（MTF）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。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。目標經系統(tǒng)成像后一般都是能量減少，對比降低和信息衰減。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。這樣紅外成像系統(tǒng)的特性就表現(xiàn)為它對各種物體結構頻率的反應：透過特性、對比變化和位相推移。空間頻率定義為周期量在單位空間上變化的周期數(shù):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（單位是線對/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:物體的調制度（對比度）定義：光學系統(tǒng)對某一頻率的調制傳遞函數(shù)MTF為：2. 紅外成像過程中各個環(huán)節(jié)的調制傳遞函數(shù)紅外成像系統(tǒng)模型如前所述，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)。（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）大氣擾動的MTFom（6）人眼調制傳遞函數(shù)MTFeye人眼能發(fā)現(xiàn)的能量起伏為0.05，即最大能量為1，最低能量是0.95時也能發(fā)現(xiàn)，所以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紅外成像系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為各分系統(tǒng)傳遞函數(shù)的乘積：二、噪聲等效溫差（NETD）1. NETD的定義用紅外成像系統(tǒng)觀察標準試驗圖案，當紅外成像系統(tǒng)輸出端產生的峰值信號與均方根噪聲電壓之比為1時的目標與背景之間的溫差，稱為噪聲等效溫差(NETD)。NETD是表征紅外成像系統(tǒng)受客觀信噪比限制的溫度分辨率的一種量度。NETD測試圖案2. NETD的表達式及物理意義假設目標與背景都是朗伯輻射體，先求出紅外成像系統(tǒng)分辨單元接收到的輻射功率，再求出由于目標與背景溫差引起的接收功率的差異，繼而求得信號電壓的變化量及信噪比，由定義可得到NETD的表達式。對單元探測器光機掃描方式，其NETD表達式為：式中是光學系統(tǒng)的焦距，、是觀察視場角，是幀速，是掃描效率，、是瞬時視場角，是入瞳面積，是光學系統(tǒng)的光譜透過率，是探測器的歸一化探測度（比探測率），是目標的光譜輻射出射度，是系統(tǒng)工作波段。NETD、及是表征一個紅外成像系統(tǒng)性能的三個主要特征參數(shù)，分別反映了系統(tǒng)的溫度分辨率、信息傳遞速率及空間分辨率：這三個特征參數(shù)在性能要求上是相互矛盾的，即存在制約關系。NETD的局限性：（1）NETD反映的是客觀信噪比限制的溫度分辨率，沒有考慮視覺特性的影響。（2）單純追求低的NETD值并不意味著一定有很好的系統(tǒng)性能。例如，增大工作波段的寬度，顯然會使NETD減小。但在實際應用場合，可能會由于所接收的日光反射成分的增加，使系統(tǒng)測出的溫度與真實溫度的差異增大。表明NETD公式未能保證與系統(tǒng)實際性能的一致性。（3）NETD反映的是系統(tǒng)對低頻景物（均勻大目標）的溫度分辨率，不能表征系統(tǒng)用于觀測較高空間頻率景物時的溫度分辨性能。NETD具有概念明確、測量容易的優(yōu)點，在系統(tǒng)設計階段，采用NETD作為對系統(tǒng)諸參數(shù)進行選擇的權衡標準是有用的。三、最小可分辨溫差（MRTD）MRTD是景物空間頻率的函數(shù)，是表征系統(tǒng)受視在信噪比限制的溫度分辨率的量度。MRTD的測試圖案：由成像系統(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組目標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曲線：MRTD綜合描述了在噪聲中成像時，紅外成像系統(tǒng)對目標的空間及溫度分辨能力。MRTD存在的問題主要是：它是一種帶有主觀成分的量度，測試結果會因人而異。此外，未考慮人眼的調制傳遞函數(shù)對信號的影響也是其不足之處。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。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。5 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10-1lx微光光電成像系統(tǒng)的核心部分是微光像增強器件一、微光像增強器1. 基本原理光電陰極將光學圖像轉換為電子圖像，電子光學成像系統(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。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）特性的參量是光電靈敏度，即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。（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1818（單位mm）。（3）增益用色溫為2856K50K的鎢絲白熾燈照射像管的光電陰極，熒光屏輸出的光通量與輸入到光電陰極的光通量之比即為光通量增益。（4）暗背景光亮度和等效背景光照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。（5）放大率、畸變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：式中是與光電陰極中心距離為r處的畸變，是與光電陰極中心距離為r處的放大率,是光電陰極中心處的放大率。為正值時產生枕形畸變,為負值時產生桶形畸變。（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。（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。當光電陰極的中心用一個不透明的圓片遮掩，并均勻照明光電陰極，熒光屏中心會出現(xiàn)一個暗斑，暗斑處的輸出光亮度與取掉不透明圓片、用同一光源均勻照明光電陰極時熒光屏中心處的輸出光亮度之比，即表示光生背景的大小。（8）信噪比信噪比是評定像管成像質量的綜合指標。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。像管的噪聲源主要是：由暗背景引起的固定背景噪聲；由于光子、光電子的量子特性引起的漲落量子噪聲；由于微通道板等增益機構引起的增益噪聲；由于熒光屏顆粒結構引起的顆粒噪聲。（9）自動光亮度控制（ABC）特性和最大輸出光亮度（MOB）像管的自動光亮度控制是帶電源的像管組件的特性。當輸入光照度大于某一規(guī)定值時，輸出光亮度與輸入光照度之間呈非線性關系，輸出光亮度曲線的最大值稱為最大輸出光亮度。3. 三代像增強器一代管以三級級聯(lián)增強技術為特征，增益高達幾萬倍，但體積大，重量重；二