显示与成像知识点

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1、-试述光电成像技术对视见光谱域的延伸以及所受到的限制。-2、光电成像技术在哪些领域得到广泛的应用？-3、光电成像技术突破了人眼的哪些限制？-4、光电成像器件可分为哪两大类？各有什么特点？-5、怎样评价光电成像系统的光学性能？有哪些方法和描述方式?人眼的视觉缺陷看不见红外图像和紫外图像 光线太暗的地方能见度不高 目标太小了看不清楚第一，有限的视见光谱域（光谱的限制） 第二，有限的视见灵敏域（灵敏度的限制） 第三，有限的视见分辨率（分辫力的限制）第四，对视觉信号无记忆能力（时间上的限制） 看过但是不记得有效的波谱区是:亚毫米波、红外辐射、可见光、紫外辐射、 射线、 射线等。将波动方程应用于讨论电磁

2、波成像就可知，只要像空间两点的距离大于衍射极限，即可 分辨其间的光强分布，也就是能构成图像信息。根据简化的电磁波衍射理论模型，两个像点 间能够被分辨的最短距离为d,它等于式中， 是电磁波的波长， 是电磁波在像空间的介质折射率， 是电磁波在像方的会聚角。从这一衍射公式可知：当电磁波的波长增大时,所能获得的图像分辨力将 显著降低。因此对波长超过毫米数量级的电磁波,如果用有限 孔径和焦距的成像系统所获得的图像分辨力将会很低。 所以基本上排除了波长较长的电磁波的成像作用。目前 光电成像对光谱长波阈的延伸仅扩展到亚毫米波成像。 除了衍射造成分辨力下降而限制了长波的电磁波用于 成像而外,同时用于成像的电磁

3、波也存在一个短波限制 通常把这个短波限确定在射线（Roentgen）与 射线（Gamma）的波段。这是因为波长更短的辐射具有极 强的穿透能力,所以宇宙射线难以在普通条件下聚焦成像。光电成像器件按其工作方式可分为： 直视型 非直视型（扫描型或电视型） 在非直视型光电成像器件中,又可根据其工作原理区分为以下几种。第一种是 光电摄像器件。 第二种是 光电导摄像器件。第三种是 光电增强型摄像器件。 第四种是 热释电摄像器件。第五种是 电荷耦合摄像器件。第六种是 通过光机扫描成像的探测器单元及探测器阵列。光电成像器件的特性 表示光电成像特性的参数可分为四大类。 第一类是光电转换特性的参数。主要有：灵敏度

4、 （响应率）、转换系数 （增益）。 第二类是时间响应特性。主要有：惰性 （余辉）、脉冲响应函数、瞬时调制传递函数 第三类是噪声特性。主要有：噪声、噪声等效输入 （探测率）、信噪比。 第四类是光学特性。主要有：分辨力、光学传递函数。光电转换特性1 光电转换特性 a 转换系数 （增益 ） ： b 光电灵敏度 （响应率） ：2）时间响应特性3）噪声特性4）光电成像器件的图像分辨特性光学传递函数TU =皿人JJ人打人应PF拠 遇（人 Jy） i jft,（人 ）光学传递函数由调制传递函数和位相传递函数两部分。输出图像频谱与输入图像频谱之比的函数。 描绘输出信息量与输入信息量变化关系的响应函数，是成像系

5、统对输入信息的传递和转 换功能。主要反映的是影像信息的再现率。光学传递函数又可以用来分析多环节线性串联的光电成像特性。线性复合成像系统的调制传递函数（MTF ）为各环节调制传递函数的乘积。-相位传递函数（PTF）为各环节相位传递函数的代数和。光电成像器件是指能够输出图像信息的一类器件。Sj - /(无扫描)光电成象器件#光乩由试摄象耸GK象管）（无樓象区）蛮象管把不町见光图釁变为町见光图彖的宜密光电曾） 图象增强仔（把槻低亮度淤学图象变为足够臺度樹象的真空光电管）摄第器件f描管 也扫辣 /I二次帝子导旳摄象瞥 （SEC）(S1T)固体摄象器件（UCD）第二章摄像管原理及其结构和分类；2、摄像管

6、和视像管的主要区别；3、摄像管和视像管的工作原理；4、摄像管和视像管的靶的作用。摄像管 摄像管是把按空间光强分布的光学图像记录并转换成视频的成像装置。 既：能够输出视频信号的真空光电管。 摄像管主要由光电转换（光电变换与存储部分）和电子束扫描系统（阅 读部分）组成。 摄像管：摄制图像、存贮和处理，即将光学图像转变成适于处理和传 递的时间序列的一维电信号。 具体分为以下四个过程： 1.光学图像转变成电荷（电位）图像； 2. 对电荷图像进行存贮和积累； 3. 对电信号进行放大和增强； 4. 对存贮电荷图像的各个像素进行有序扫描，输出与输入信息成比例的一维电信号。一、摄像管的分类（按光电变换的形式）

7、：1外光电变换型（光电发射型a）-摄像管2.内光电变换型（光电导型 b） -视像管 光电发射型和光电变换型的区别：不同点：1. 光电发射型（摄像管）：有移像区2. 光电变换型(视像管)：无移像区共同点：扫描区(电子枪)：灯丝、热阴极、控制栅极、各加速电极、聚焦电极、靶网、管外的聚焦 线圈、偏转线圈、校正线圈摄像管的主要特性参数衡量摄像管优劣的总标准是：在测试台的监视器上能否分辨一定的标准测试图案。 图案的清晰程度是由许多因素决定的。为了分析和研究各种因素对像质的影响，必 须规定出具体的特性参数。 摄像管的最主要特性参数是：灵敏度、惰性、分辨力和光电转换特性等。 其中灵敏度和惰性主要决定于靶面，

8、分辨力主要决定于扫描电子枪。灵敏度： S定义：在2856K色温标准光源单位输入光通量(Im)或单位辐射通量(W)照射下，器件所产生的输出信号电流。光电转换特性:摄像器件输出的光电流与入射的光照度之间的函数关系。通常表示为：分辨率(Resolution)又称分辨力、鉴别率、鉴别力、分析力、解像力和分辨本领，是指摄影镜头清晰地再现被摄景物纤微细节的能力。分辨率：图像中明暗细节的鉴别能力。通常有两种表示方式 -极限分辨率-调制传递函数 (MTF)空间频率 定义为周期量在单位空间上变化的周期数。 惰性：摄像器件的惰性是指输出信号的变化相对于光照的变化有一定的滞后。当输入照度增加时，输出信号的滞后称为上

9、升惰性。 当输入照度减小时，输出信号的滞后称为衰减惰性。摄像管产生惰性的主要原因有两个： 一是图像写入时的光电导惰性； 二是图像读出时扫描电子束的等效电阻与靶的等效电容所构成的充放电惰性。.视频信噪比：信噪比是评定像管成像质量的综合指标。摄像器件的视频信噪比S/N的定义为输出视频信号值与同频带下噪声电平的均方根之比。6.动态范围：最高入射照度与最低入射照度之比。 除以上评价摄像管性能的参数外，还有暗电流、畸变、晕光、寿命、机械强度等参数。第三章 1、CCD 的特点； 2、CCD 的结构； 3、CCD 的耦合原理； 4、CCD 电荷的注入和检测方式； 5、电荷耦合摄像器件的特性参数。CCD ，电

10、荷耦合器件，是一种金属氧化物半导体结构的新型器件，其基本结构是一种密排的MOS电容器，能够存储由入射光在CCD像敏单元激发出的光信息电荷，并能在适当次序的时钟脉冲驱动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，实现自扫描，完成2 CCD 的主要特性 （1）体积小、重量轻。 （2）耗电少、启动快、 寿命长和可靠性高。 （3）光谱响应范围宽。 （7）易与微光像增强器级联耦合 能在光条件下采集信号。 （8）抗过度曝光性能。从光信号到电信号的转换。 CCD 是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号（4）灵敏度高。（5）动态响应范围宽。（6）可达很高的分辨率9）图像传感器具有理想的”扫描”线性 畸

11、变小，（10）机械强度高，抗冲震CCD结构线阵CCD和面阵CCD两大类电荷耦合器件的基本原理（一）电荷存储构成CCD的基单本元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器 电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态（二）电荷转移（三）电荷的注入 （输入方式）1光注入当CCD用作拍摄光学图像时，把按照度分布的光学图像通过光转换成为电荷分布，注入到 每一位的深阱中去，这就是光注入。2电注入所谓电注入就是CCD通过输入结构（输入二极管和输入栅）对信号电压或电流进行采样， 然后将信号电压或电流转换为信号电荷。电注入的方法很多，这里仅介绍两种常用的方法：（1 ）电流注入法（2）电压注入法、（四）、电荷的检测（输

12、出方式）目前 CCD 的输出方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出。1.电流输出2 .浮置扩散3 .浮置栅放大器输出电荷耦合摄像器件的特性参数（1）转移效率 指一个电荷包在一次转移中被正确转移的百分比。（2）暗电流 在无外加信号注入情况下的输出信号称为暗电流。（3）信号存储能力 所能存储的最大信号电荷量，其决定CCD的电荷负载能力。（4）工作频率 CCD只有在一定的频率范围内才能正常工作。CCD电极长度使电荷转移有一 定的时间；时钟脉冲变化过快会引起转移损失。（7）光谱响应（8）噪声 散粒噪声、转移噪声和热噪声。（9）分辨率 分辨率是摄像器件最重要的参数之一，它是指摄像器件对

13、物像中明暗细节的分 辨能力。测试时用专门的测试卡。目前国际上一般用MTFC调制传递函数）来表示分辨率。（10）. 动态范围与线性度第四章 CMOS器件的基本原理及结构 CMOS与CCD器件的比较CMOS 图像传感器CMOS像素结构按照像素阵列单元结构的不同，可以将像素单元分为：无源像素型 PPS（passive pixel schematic）、有源像素型 APS（active pixel schematic） （1）无源像素结构 无源像素单元具有结构简单、像素填充率高及量子效率比较高的优点。CMOS图像传感器具有以下几个优点：1）、随机窗口读取能力。2）、抗辐射能力。3）、系统复杂程度和可靠

14、性。4）、非破坏性数据读出方式。5）、优化的曝光控制。CCD和COMS到底有什么区别CCD 摄像器件有光照灵敏度高、噪声低、像素面积小等优点。但 CCD 光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成，不易处理一些模拟和数字功能；CCD阵列驱动脉冲复杂，需要使用相对高的工作电压，不能与深亚微米超大规模集成 （VLSI）技术兼容，制造成本比较高。CMOS 摄像器件集成能力强、体积小、工作电压单一、功耗低、动态范围宽、抗辐射和 制造成本低等优点。目前CMOS单元像素的面积已与CCD相当，CMOS已可以达到较高的分辨率。在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜CMOS影像传感器的优点之一是电源消耗量

15、比CCD 低, CCD为提供优异的影像品质，付出代 价即是较高的电源消耗量，为使电荷传输顺畅，噪声降低，需由高压差改善传输效果。但CMOS影像传感器将每一画素的电荷转换成电压，读取前便将其放大，利用3.3V的电源 即可驱动，电源消耗量比CCD低。第五章1、微通道板结构和工作原理；2、微通道板的种类；3、微通道板像增强器的优缺点。微通道板 是一种大面阵的高空间分辨的电子倍增探测器，并具备非常高的时间分辨率。 微通道板结构口微通道板是由许许多多的特殊空心玻璃纤维压制成的一块很薄的板（图1），空心纤维的内径为2040“m板的厚度大约2mm,板的外径目前可做到56cm左右。口每根空心纤维（即每个微通道

16、）的内表面层是次级电子发射系数较大的材料（通常发 射系数可达 34）,在真空的条件下,微通道的两端面用真空溅射的办法镀一层导 电物质作为电极。口通道内壁具有较高的二次电子发射系数。在MCP的两个端面之间施加直流电压 形成电场。入射到通道内的电子在电场作用下,碰撞通道内壁产生二次电子。口 这些二次电子在电场力加速下不断碰撞通道内壁,直至由通道的输出端射出,实现 了连续倍增,达到了增强光电子图像的作用。微通道板工作原理口当微通道板两端加上1kV左右的直流电压，在每个微通道内部都形成与通道中心轴 平行的电场,图2表示这样一个微通道内的电场和电子倍增原理。口 具有初速度的电子从通道一端射入，这些电子在

17、电场和垂直电场方向的速度分量的 作用下，以抛物线轨道飞行并得到加速，而后碰在通道的壁上打出几个次级电子。这些次级电子在电场作用下又得到加速，再次撞击内壁打出次级电子。如此重复多 次，便实现了电子的倍增。板上所有微通道的电子倍增的总和就构成了整个微通道 板的电子增益。口 可见，微通道板必须工作在高真空的条件下。而且，电子在倍增过程中走的路程很 短，仅几毫米，飞行时间只有1纳秒（ 秒）左右，飞行时间涨落则更小，从 而有可能成为皮秒（ 秒）级的光电转换，电子倍增器件中的重要组成部分。口 光电子进入微通道板后，通过倍增作用，使电流放大 10003000 倍。其输出电子 经加速后轰击荧光屏，显示出可见光

18、图像。口 电子倍增系数的大小和微通道板的厚度（即微通道的长度），微通道内径，二次级 电子发射系数以及所用的电压有关，一般可达 ，如果采用较高的电压，把两块板串联起来，电子倍增系数达到 也是不困难的。微通道板像增强器主要有两种形式:近贴式和倒像式。 近贴式微通道板像增强器将通道板放置在光电阴极和荧光屏之间。 倒像式微通道板像增强器，是在荧光屏前面放置微通道板，能达到几万倍以上的光学增益 而且不用再次倒像。微通道板像增强器的优缺点：优点： 体积小，重量轻，整管长度和重量约为一代级联管的二分之一；（2） 亮度便于调节；（3）减少了荧光屏的光反馈；（4）整管电压较低缺点： 噪声大，主要是附加噪声； 图

19、像不够均匀； 工艺难度大，主要是制作以及后续工序对MCP有影响。6 像 管 什么是变像管？什么是像增强器？试比较二者的异同； 像管通过哪三个环节完成图像的电磁波谱转换和亮度增强的； 像管的类型； 像管性能参数及其要求。直视型电真空成像器件统称为像管，它是用于直视成像系统的光电成像器件。 像 管 一直视型电真空成像器件统称为像管,它是用于直视 -成像系统的光电成像器件:变橡管是指能够把不I可见光图像变为可见光图像的真空光电管L.图 像增.强官爭.fe-竺 雪雪 g 密退遐.甲m 言.图 象变力 直. 足够兄度圏象的真空光电官1像管和摄象管的主宴区别是；像管內部没有扫描; .机构不能输出电视信号对

20、它的使用就跟使用望: 远镜去观察远处景物一样，观察者必须通过它来直: 接面对着景物 - i : 像管实现图像的电磁波谱转换和亮度增强是通过三个环节来完成的：首先是将接受的微弱的或不可见的输入辐射图像转换成电子图像；其次是使电子图像获得能量或数量增强，并聚焦成像； 第三是将增强的电子图像转换成可见的光学图像。 上述三个环节分别由 光阴极电子 光学系统 荧光屏根据像管的工作方式可分根据像管的结构可分为：根据像管的发展阶段可分为：近贴式像管；为：连续工作像管；倒像式像管；级联式的第一代像管；选通工作像管；静电聚焦式像管；带微通道板的第二代像管变倍工作像管。电磁复合聚焦式像管。采用负电子亲和势光阴极

21、的第三代像管。三 像管的主要特性与参数1 光谱响应特性 光谱响应特性是指像管的响应能力随入射波长的变化关系。2 增益特性（1）. 增益定义 像管的增益有：亮度增益、辐射亮度增益及光通量增益之分。其中亮度增益是最基本而通 用的。（2）. 亮度增益的定义像管的亮度增益定义为：像管在标准光源照射下，荧光屏上的光出射度M与入射到阴极面 上的照度Ev之比。即GL = M / EV3 成像特性像管光阴极面上接收来自物空间的图像辐射照度，并由这一辐射照度的值在阴极面上的强度 分布构成输入图像通过像管这个成像器件的转换与增强在荧光屏上产生相应的亮度分布， 构成输出图像。像管在完成转换与增强的过程中，由于非理想成像，所以输出图像的几何尺 寸、形状及亮度分布不能准确地再现输入的幅照度分布，而使图像像质下降。 这种像质下降主要表现在几何形状及亮度分布的失真。通常用放大率、畸变、分辨力和调制传递函数来描述。下篇 光电显示技术