了得網工業技術_光電成像技術與繫統

內容簡介

本書將從人眼對圖像的認識原理出發，介紹為達成符合人眼視覺灰度點陣要求所需要的光電轉換、信息存儲、圖像分解傳輸及圖像復原顯示四個環節，迄今為止人類研究達成的各類光電成像器件及實現這些光電成像器件的相關原理與技術，進而介紹利用這些光電成像器件與技術以及其他相關技術形成的各類光電成像繫統和光電成像繫統的性能評價分析方法等內容。

作者簡介

白廷柱，北京理工大學光電學院教授，北京市教學名師。長期從事以光電成像理論與技術為核心的光電技術方面的教學和科研工作。

第1章緒論(1)
1.1 關於光電成像技術(1)
1.1.1 光電成像技術對人眼視見光譜域
的拓展(2)
1.1.2 光電成像技術的應用領域(4)
1.2 人眼的視覺特性與模型(6)
1.2.1 人眼的構造(6)
1.2.2 人眼的視覺特性(7)
1.3 圖像與實現圖像的必需環節(12)
1.3.1 圖像及其物理表述(12)
1.3.2 圖像的解析與量化(13)
1.3.3 實現圖像的必需環節(13)
1.4 光電成像的特性(14)
1.4.1 光電成像轉換特性(14)第1章緒論(1)

1.1 關於光電成像技術(1)

1.1.1 光電成像技術對人眼視見光譜域

的拓展(2)

1.1.2 光電成像技術的應用領域(4)

1.2 人眼的視覺特性與模型(6)

1.2.1 人眼的構造(6)

1.2.2 人眼的視覺特性(7)

1.3 圖像與實現圖像的必需環節(12)

1.3.1 圖像及其物理表述(12)

1.3.2 圖像的解析與量化(13)

1.3.3 實現圖像的必需環節(13)

1.4 光電成像的特性(14)

1.4.1 光電成像轉換特性(14)

1.4.2 光電成像的時間特性(15)

1.4.3 光電成像的噪聲特性(17)

1.4.4 光電成像的圖像分辨特性(28)

習題與思考題(30)

第2章電子束掃描成像技術(31)

2.1 攝像管工作原理(31)

2.1.1 攝像管的結構(31)

2.1.2 攝像管工作原理(31)

2.2 攝像管的分類(35)

2.2.1 光電導型攝像器件(35)

2.2.2 光電發射型攝像器件(40)

2.3 攝像管的性能參數(46)

2.3.1 攝像管的靈敏度(46)

2.3.2 攝像管的惰性(47)

2.3.3 攝像管的分辨力(51)

2.3.4 攝像管的其他特性參數(52)

2.4 熱釋電攝像管(53)

2.4.1 熱釋電效應與熱釋電攝像管(53)

2.4.2 熱釋電靶電荷圖像的形成

與讀出(57)

2.4.3 熱釋電攝像管工作的特點(59)

2.5 攝像管的電子槍(60)

2.5.1 電子槍的結構與分類(60)

2.5.2 電子槍工作原理(61)

2.5.3 交疊點空間電荷效應與層流槍(62)

2.5.4 電子槍中的準直透鏡(63)

習題和思考題(64)

第3章電子光學聚焦成像技術(65)

3.1 像管成像的物理過程(65)

3.1.1 輻射圖像的光電轉換(65)

3.1.2 電子圖像的能量增強(66)

3.1.3 電子圖像的發光顯示(66)

3.2 像管的結構、分類與制造(67)

3.2.1 像增強器(一代像增強器)(67)

3.2.2 帶有微通道板的像增強器(69)

3.2.3 負電子親和勢光陰極像增強器(70)

3.2.4 紅外變像管、紫外變像管、X射線

變像管和γ射線變像管(70)

3.2.5 像管的制造(71)

3.3 像管的性能參數(71)

3.3.1 光譜響應特性(72)

3.3.2 增益特性(72)

3.3.3 背景特性(74)

3.3.4 成像特性(75)

3.4 輻射圖像的光電轉換(77)

3.4.1 光電子發射的基本理論(77)

3.4.2 典型實用光陰極(84)

3.4.3 光電發射的極限電流密度(92)

3.4.4 光陰極面發射電子過渡過程的

分析(93)

3.5 電子圖像的成像理論(95)

3.5.1 電子光學基礎(95)

3.5.2 旋轉對稱場中的場方程(96)

3.5.3 靜電磁場中帶電粒子的運動(98)

3.5.4 旋轉對稱電子光學繫統的成像(102)

3.5.5 普遍情況下電子光學繫統的

折射率(103)

3.5.6 電子透鏡(105)

3.5.7 典型電子光學繫統分析(109)

3.6 電子圖像的發光顯示(112)

3.6.1 熒光層發光理論基礎(112)

3.6.2 熒光屏發光衰減過程分析(114)

3.6.3 典型熒光屏發光機理(116)

3.7 光學圖像的傳像與電子圖像的倍增(118)

3.7.1 光學纖維面板(118)

3.7.2 微通道板(120)

3.8 像管的小型化直流高壓電源(129)

3.8.1 直流高壓電源工作原理(130)

3.8.2 倍壓整流電路(130)

3.8.3 自動亮度控制電路(130)

3.8.4 直流選通高壓電源(131)

3.8.5 自動快門電路(132)

習題和思考題(132)

第4章電子驅動自掃描成像技術(1)(134)

4.1 固體成像器件的發展(134)

4.2 MOS電容器的電荷存儲、耦合與

轉移(135)

4.2.1 穩態下的MOS電容器(135)

4.2.2 非穩態下的MOS電容器(MOS

電容器的電荷存儲原理)(138)

4.2.3 MOS電容器繫統的實際開啟

電壓(140)

4.2.4 CCD的電荷耦合與傳輸原理(143)

4.3 CCD的結構及其物理性能分析(144)

4.3.1 CCD的結構(144)

4.3.2 CCD的物理性能(151)

4.4 CCD成像原理(166)

4.4.1 線陣CCD成像原理(166)

4.4.2 面陣CCD成像原理(168)

4.5 特殊CCD成像器件(169)

4.5.1 增強型CCD(ICCD)(169)

4.5.2 電子轟擊型CCD(EBCCD)(170)

4.5.3 電子倍增CCD (Electron-Multiplying

CCD，EMCCD)(171)

4.5.4 其他異型CCD(172)

4.6 CMOS成像原理(174)

4.6.1 CMOS器件的結構(174)

4.6.2 CMOS器件的圖像讀出與

成像(174)

4.6.3 CMOS圖像傳(175)

4.6.4 CMOS器件的不足與改進(178)

4.6.5 Pixim的DPS成像技術(178)

4.6.6 CMOS與CCD圖像傳感器

的比較(180)

4.6.7 其他CMOS成像器件(181)

4.7 紫外焦平面成像器件(182)

4.7.1 塗敷變頻膜的固體紫外探測器(183)

4.7.2 基於寬帶半導體材料的紫外焦

平面成像器件(183)

4.8 近紅外及短波紅外焦平面成像器件(185)

4.9 固體成像器件的性能參數(185)

4.9.1 固體成像器件的光電轉換特性(186)

4.9.2 固體成像器件的噪聲特性(188)

4.9.3 固體成像器件的成像特性(188)

習題與思考題(190)

第5章電子驅動自掃描成像技術(2)(191)

5.1 紅外探測器的分類與性能(191)

5.1.1 熱探測器(191)

5.1.2 光子探測器(光電探測器)(192)

5.2 紅外探測器的工作條件和性能參數(194)

5.2.1 紅外探測器的工作條件與要求(194)

5.2.2 紅外探測器的性能參數(195)

5.3 紅外焦平面探測器技術

(紅外CCD)(197)

5.3.1 紅外焦平面成像器件的構成(198)

5.3.2 單片式IR-CCD(199)

5.3.3 混合式IR-CCD(205)

5.3.4 Z平面紅外焦平面探測器(208)

5.3.5 紅外焦平面探測器制作工藝(208)

5.4 光電導型紅外探測器理論分析(210)

5.4.1 光電導探測器的分類和基本

關繫(210)

5.4.2 本征光電導探測器的性能分析(212)

5.4.3 非本征光電導探測器的性能

分析(218)

5.4.4 SPRITE探測器(221)

5.4.5 光電導探測器材料與工作模式(227)

5.5 光伏型紅外探測器理論分析(229)

5.5.1 光伏探測器的響應度(230)

5.5.2 光伏型探測器工作方式分析(231)

5.5.3 光伏型探測器材料與工作模式(236)

5.6 量子阱與量子點紅外探測器(237)

5.6.1 量子阱紅外探測器(237)

5.6.2 量子點紅外探測器(241)

5.7 非制冷紅外焦平面探測器(242)

5.7.1 熱釋電探測器(243)

5.7.2 微測輻射熱計(249)

5.7.3 其他熱電型非制冷焦平面陣列(253)

5.7.4 非制冷焦平面技術分析(254)

5.8 基於光學讀出的紅外熱成像技術(254)

5.8.1 基於MEMS微懸臂梁的紅外

熱成像技術(255)

5.8.2 基於熱光閥的紅外熱成像技術(259)

習題與思考題(261)

第6章光機掃描成像技術(262)

6.1 光機掃描成像的基本參數(262)

6.2 光機掃描繫統(264)

6.2.1 基本掃描方式(264)

6.2.2 光機掃描器(265)

6.2.3 幾種常用的光機掃描方案(271)

6.2.4 前置望遠繫統和中繼透鏡組(272)

6.3 光機掃描成像信號處理與顯示(272)

6.3.1 光機掃描的成像方式(272)

6.3.2 光機掃描的信號處理與顯示(274)

6.4 紅外熱成像繫統中的微掃描技術(278)

6.4.1 提高分辨率的微掃描原理(278)

6.4.2 微掃描分類(279)

6.4.3 微掃描的工作模式(280)

6.4.4 微掃描繫統(280)

6.4.5 微掃描繫統的應用(281)

習題與思考題(282)

第7章電視體制、攝像繫統與圖像

顯示(283)

7.1 電視的體制與圖像傳送原理(283)

7.1.1 圖像與圖像的傳送(283)

7.1.2 圖像的解析與合成——掃描(284)

7.1.3 全電視信號(286)

7.1.4 電視圖像的特點(288)

7.1.5 彩色全電視信號(290)

7.2 電視攝像繫統(291)

7.2.1 攝像機的組成

前言

前言
本書為工業和信息化部“十二五”規劃教材，也是北京理工大學國家精品課程“光電成像原理與技術”的配套教材，是在作者編著的北京市高等教育精品教材《光電成像原理與技術》的基礎上，依據光電信息科學與工程專業規定的教學內容範疇重新編寫的。
本書以人類社會的光電成像需求為牽引，以人類社會發展光電成像技術的時間順序為主線，以表現不同光電成像技術的器件為核心，以典型的光電成像繫統分析和設計為應用，重新梳理了《光電成像原理與技術》一書的主要內容，進行了與時俱進的新技術、新原理和新器件等方面的補充完善。鋻於本書在重新編寫過程中突出了用於實現光電成像的技術思想，故采用“光電成像技術與繫統”為本書的書名。
光電成像技術是適應信息社會需求而迅速發展的高新技術，是光電技術發展的**階段，屬於電子信息類光電信息科學與工程分支學科。本教材內容的選取力求全面反映當代光電成像領域的主要技術內涵和技術現狀，教材內容的編排盡量考慮適應教學規律的要求。教材的總思路是為學生和有關讀者提供一座了解光電成像的成像原理、技術範疇和繫統應用的橋梁。前言

本書為工業和信息化部“十二五”規劃教材，也是北京理工大學國家精品課程“光電成像原理與技術”的配套教材，是在作者編著的北京市高等教育精品教材《光電成像原理與技術》的基礎上，依據光電信息科學與工程專業規定的教學內容範疇重新編寫的。

本書以人類社會的光電成像需求為牽引，以人類社會發展光電成像技術的時間順序為主線，以表現不同光電成像技術的器件為核心，以典型的光電成像繫統分析和設計為應用，重新梳理了《光電成像原理與技術》一書的主要內容，進行了與時俱進的新技術、新原理和新器件等方面的補充完善。鋻於本書在重新編寫過程中突出了用於實現光電成像的技術思想，故采用“光電成像技術與繫統”為本書的書名。

光電成像技術是適應信息社會需求而迅速發展的高新技術，是光電技術發展的**階段，屬於電子信息類光電信息科學與工程分支學科。本教材內容的選取力求全面反映當代光電成像領域的主要技術內涵和技術現狀，教材內容的編排盡量考慮適應教學規律的要求。教材的總思路是為學生和有關讀者提供一座了解光電成像的成像原理、技術範疇和繫統應用的橋梁。

隨著相關學科的進步和發展，光電成像技術領域也不斷地湧現出新思想、新技術和新器件。因此，要在有限的篇幅內繫統、深入、完整、全面地描述光電成像技術的進展是不現實的，本教材隻能從便於讀者學習的角度出發，通過教材引導讀者學習有關光電成像技術的基本思想、基本理論、基礎知識，討論基於現有光電成像技術的典型光電成像器件結構、工作原理、性能指標，分析基於典型光電成像器件的光電成像繫統實現途徑、設計思想和設計要點等。

本書共10章。

第1章圍繞人眼視覺的局限性，介紹了拓展人眼視覺的技術途徑及發展應用現狀。描述了人眼觀察事物的基本要求和所受限制，分析了圖像的實際物理構成和實現這些構成所必需的技術環節。同時，對比傳統光學成像說明了光電成像的特性。

第2章以傳統的電子束空間掃描成像技術為主線，介紹了電真空攝像器件的構成、工作原理、種類、特性及電子槍的相關知識。

第3章以基於電磁場的電子光學聚焦成像技術為主線，介紹了以像增強器、變像管為代表的像管的構成、工作原理、種類、特性及其他相關知識。

第4、5章以解決電子束空間掃描帶來的問題而發展起來的電子驅動掃描成像技術為主線，分別介紹了以CCD、CMOS器件和紅外焦平面探測器件為代表的各種器件的構成、工作原理、種類、特性及其他相關知識。這兩章的內容為本書的重點，因為其基本涵蓋了目前人們正在廣泛使用的各種固體光電成像器件及其發展應用現狀。

第6章以解決光電成像器數量不足情況下實現光電成像的光機掃描技術為主線，介紹了光機掃描成像原理、各種光件、各種掃描方式及其新的應用等。

第7章介紹了電視掃描、視頻信號、全電視信號等的相關規定，電視攝像繫統的構成、相關要求和部分典型電視成像繫統，以及典型電視顯示器的構造、工作原理和性能指標等。

第8、9章介紹了針對第3章的像管和第5章的紅外探測器的微光夜視繫統和紅外熱成像繫統，分析了這些繫統的特殊構成、特殊性能要求與評價、主要設計思想和設計原則，並給出了設計示例。

第10章對光電成像技術與繫統應用過程中的相關影響因素進行了介紹和分析，討論了評價光電成像繫統作用距離性能的主要方法和作用距離預測示例。

本教材兼顧了從事光電成像技術專業研究的科技工作者的需要，內容涉獵廣泛，並在相應章節中編入了國內外有關的技術資料和數據表，以供研究生和有關專業人員參考。

本教材的參考學時為64學時（內容可擴展至96學時）。為了使學生了解和掌握有關的理論知識，培養理論聯繫實際的能力，為今後從事本領域的研究工作奠定必要的基礎並適應新技術的發展，本教材在編寫過程中，盡力收集了一些新的科技成果，增補了一些**器件和繫統的內容。

本書凝結了北京理工大學光電成像技術與繫統*重點實驗室和光電成像與信息工程研究所全體教師多年的教學實踐和科研積累，也充分吸收了國內外光電成像技術領域同行們的經驗和工作成果，因此，本書也是以上所有相關科技工作者辛勤研究的共同結晶。

本書第1～7章由北京理工大學白廷柱教授編寫，第8、9章由軍械工程學院劉傑博士編寫，第10章由軍械工程學院武東生博士編寫，全書由白廷柱統稿。

本書承蒙北京理工大學許廷發教授和裝甲兵工程學院張智詮教授主審，在此謹向他們致以誠摯的謝意，並向本書參考文獻的各位作者、譯者表示衷心的感謝。

因時間所限，加之光電成像技術是綜合廣泛的高新技術學科，正處於迅速發展的進程中，因此，要編出一本全面、完整、成熟的教材乃是作者之力所不能及的。此外，限於作者的時間、學識與水平，書中缺欠、遺漏之處在所難免，對此，誠懇希望廣大讀者予以批評指正。

作者

（tzhbai@bit.edu.cn）

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