曹峰梅第一章緒論光電成像原理與技術(shù)中國(guó)大學(xué)MOOC：/視覺圖像信息獲取的重要手段——以光電子理論、半導(dǎo)體物理和光電轉(zhuǎn)換技術(shù)為基礎(chǔ)，通過各類光電成像器件將景物三維的自然反射、輻射轉(zhuǎn)換成完成二維景物圖像的技術(shù)。1959年光電成像原理與技術(shù)2013年資源共享課上線“愛課程”網(wǎng)2019年MOOC上線中國(guó)大學(xué)MOOC網(wǎng)翻轉(zhuǎn)式教學(xué)實(shí)踐(2013-2019)新中國(guó)首個(gè)“夜視技術(shù)”專業(yè)2002年研究型教學(xué)改革實(shí)踐(2002-2013)混合式教學(xué)全面展開(2019以來)“光電信息科學(xué)與工程”專業(yè)——國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)課程類型授課對(duì)象開課學(xué)期學(xué)分線上/線下學(xué)時(shí)專業(yè)核心課本科三年級(jí)6316/48知識(shí)目標(biāo)知悉理解人眼特性與目標(biāo)探測(cè)識(shí)別的理論理解掌握光電成像器件、系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)、工作原理及性能影響因素能力目標(biāo)能夠解決復(fù)雜工程問題中的光電成像系統(tǒng)構(gòu)型與視距估算等實(shí)際問題具備針對(duì)需求主動(dòng)探索，提出解決方案和分析影響成像性能因素的綜合能力素養(yǎng)價(jià)值目標(biāo)形成追蹤前沿技術(shù)的習(xí)慣，和創(chuàng)新地解決光電成像實(shí)際問題的工科思維樹立解決光電成像領(lǐng)域“卡脖子”關(guān)鍵理論與技術(shù)難題的志向；深植愛國(guó)主義、時(shí)代擔(dān)當(dāng)和“大國(guó)防”意識(shí)課程特點(diǎn)：理論知識(shí)涉及面廣（物理學(xué)、電子學(xué)），工程性知識(shí)點(diǎn)多，系統(tǒng)性差。光電成像器件電子學(xué)系統(tǒng)輸出單元光學(xué)系統(tǒng)目標(biāo)輻射（反射）源大氣衰減人眼觀察熱力學(xué)氣動(dòng)光學(xué)應(yīng)用光學(xué)半導(dǎo)體物理制冷技術(shù)光電成像信號(hào)與系統(tǒng)電子技術(shù)顯示技術(shù)眼科學(xué)認(rèn)知科學(xué)考核方式：測(cè)驗(yàn)(線上章節(jié)測(cè)驗(yàn)及慕課堂成績(jī)）20%＋課堂研討10%＋專題報(bào)告20%+期末考試50%，光電成像原理與技術(shù)（曹峰梅）_中國(guó)大學(xué)MOOC(慕課)()資源系統(tǒng)，按照指定節(jié)奏，有序完成規(guī)定內(nèi)容的線上自學(xué)，完成單元測(cè)驗(yàn)獲得成績(jī)。（線上測(cè)驗(yàn)與課堂慕課堂答題成績(jī)合并計(jì)算）智慧樹AI課程：/course/index/1795687573411205120?mapVersion=1個(gè)性化、碎片化自學(xué)、復(fù)習(xí)、查缺補(bǔ)漏，AI助教學(xué)會(huì)從系統(tǒng)到器件、從整體到局部將知識(shí)統(tǒng)和起來－“樹葉再多也是通過樹枝長(zhǎng)在樹上的”抓住主要矛盾，建立工程意識(shí)－成像是關(guān)鍵！善于溫故知新，在具體的系統(tǒng)與器件中認(rèn)識(shí)已知的科學(xué)道理善于歸納總結(jié)，在對(duì)比中發(fā)現(xiàn)原理、技術(shù)手段中的共性和不同。關(guān)注身邊的光電成像技術(shù)，了解行業(yè)發(fā)展及動(dòng)態(tài)?，F(xiàn)實(shí)意義：考研、就業(yè)、生活。光電成像技術(shù)的本質(zhì)－擴(kuò)展人眼的視覺性能光電成像技術(shù)的歷史沿革光電成像技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑及應(yīng)用光電成像器件的分類人類視覺系統(tǒng)的局限性靈敏度分辨力時(shí)間空間光譜夜視非可見光微小遙視記錄視見靈敏閾的擴(kuò)展(夜視)視見距離的延伸(各類望遠(yuǎn)及電視系統(tǒng))視見分辨力的提升視見響應(yīng)時(shí)間的拓展(電視系統(tǒng)、高速攝影)視見光譜域的延伸(

)彩色視覺與灰色視覺灰度圖像 偽彩色假彩色光電成像技術(shù)的本質(zhì)－擴(kuò)展人眼的視覺性能

可見光紫外光近紅外中波紅外長(zhǎng)波紅外射線多光譜圖像多波段圖像多頻譜圖像成像毫米波X射線r射線長(zhǎng)波限：亞毫米波成像（THz波段）——分辨率低

（太赫茲波是指頻率在0.1～10THz(波長(zhǎng)為3000～30微米)范圍內(nèi)的電磁波。它在長(zhǎng)波段與毫米波重合，而在短波段與紅外線重合）短波限：X射線（Roentgen射線）

射線（Gamma射線）——具有強(qiáng)穿透力(宇宙射線難以在普通條件下成像)光電成像電磁波譜范圍：無線電超短波到

射線有效波譜：亞毫米波、紅外輻射、可見光、紫外輻射、X射線、

射線光電成像技術(shù)的局限性

（1）分辨力方面的限制（2）光子能量與接收器件方面的限制光電成像技術(shù)的本質(zhì)－擴(kuò)展人眼的視覺性能光電成像技術(shù)的歷史沿革光電成像技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑及應(yīng)用光電成像器件的分類光電成像理論的發(fā)展沿革光電效應(yīng)的理論：1873年－史密斯(W．Smith)首先發(fā)現(xiàn)了光電導(dǎo)現(xiàn)象；1887年－赫茲(Hertz)首先發(fā)現(xiàn)了紫外輻射對(duì)放電過程的影響，第二年哈爾瓦克(Hallwacks)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了紫外輻射可使金屬表面發(fā)射負(fù)電荷，其后由斯托列托夫(Столетов)、勒納(Lenard)和愛因斯坦相繼完善了光電發(fā)射的基本定律。

1900年－普朗克(Planck)于提出了光的量子屬性；1916年－愛因斯坦(Einstein)完善了光與物質(zhì)內(nèi)部電子能態(tài)相互作用的量子理論,人類從此揭示了光電效應(yīng)的本質(zhì)。光電成像技術(shù)的發(fā)展沿革變像管與像增強(qiáng)器：

1929年－科勒(Koller)制成了第一個(gè)實(shí)用的光電發(fā)射體(銀氧銫光陰極)，隨后利用這一技術(shù)研制成功了紅外變像管，實(shí)現(xiàn)了將不可見的紅外圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像。此后，相繼出現(xiàn)了紫外變像管和X射線變像管，使人類的視見光譜范圍獲得了更有成效的擴(kuò)展。1936年－格利胥(G?rlich)研制出銻銫光陰極；1955年－薩默(Sommer)研制出銻鉀鈉銫多堿光陰極。1963年－西蒙(Simon)提出了負(fù)電子親和勢(shì)光陰極理論，伊萬思(Evans)等人在該理論的指導(dǎo)下研制成功了負(fù)電子親和勢(shì)鎵砷光陰極。高量子效率光陰極的出現(xiàn)使微光圖像的增強(qiáng)技術(shù)達(dá)到了實(shí)用階段。利用像增強(qiáng)器，人類突破了視見靈敏閾的限制。電視攝像器件：

1934年，光電攝像管(Iconoscope)，應(yīng)用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。靈敏度非常低，需要10000lx的照度，才能達(dá)到圖像信噪比的要求；1947年，超正析攝像管(ImageOrthicon)，照度降低到2000lx；1954年，視像管，靈敏度＆分辨率高，成本低，體積小，慣性大，不適用于高速運(yùn)動(dòng)圖像測(cè)量，不能取代超正析像管用于彩色廣播電視攝像機(jī)；1965年，氧化鉛管(Plumbicon)，成功取代超正析像管，慣性小，廣泛應(yīng)用于彩色電視攝像機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，靈敏度＆分辨率都很高；1976年，硒靶管＆硅靶管，靈敏度進(jìn)一步提高且成本更低；1970年玻伊爾(Boyle)和史密斯(Smith)開發(fā)出一種具有自掃描功能的電荷耦合器件(CCD)，由此誕生了固體攝像器件。CCD的出現(xiàn)使光電成像器件進(jìn)入新的階段。體積更小，靈敏度更高，應(yīng)用更靈活、更方便。1989年有源CMOS誕生，新型低成本高性價(jià)比的固體攝像器件改變了人類生活。光電成像技術(shù)的本質(zhì)－擴(kuò)展人眼的視覺性能光電成像技術(shù)的歷史沿革光電成像技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑及應(yīng)用光電成像器件的分類按工作波段分類

射線、X射線、紫外成像技術(shù)

微光（可見光）成像技術(shù)

近紅外成像技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)

請(qǐng)下課后大家自主使用SPOC上的資源學(xué)習(xí)光電成像技術(shù)的本質(zhì)－擴(kuò)展人眼的視覺性能光電成像技術(shù)的歷史沿革光電成像技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑及應(yīng)用光電成像器件的分類1.3光電成像器件的分類光電成像器件分類直視型光電成像器件電視型用于直接觀察的儀器中，器件本身具有圖像轉(zhuǎn)化、增強(qiáng)和顯示等部分。用于電視攝像和熱電成像，功能僅僅包括圖像轉(zhuǎn)換，將可視圖像或輻射圖像轉(zhuǎn)換為視頻電信號(hào)。光電成像器件的分類直視型光電成像器件(像管)-電子光學(xué)聚焦成像技術(shù)變像管像增強(qiáng)器電視型光電成像器件電真空攝像器件——電子束掃描成像技術(shù)光電攝像器件光電導(dǎo)攝像器件光電增強(qiáng)型攝像器件熱釋電攝像器件固體成像器件CCD成像器件CMOS成像器件紅外焦平面器件光機(jī)掃描成像的探測(cè)器單元及探測(cè)器陣列-光機(jī)掃描成像技術(shù)電子驅(qū)動(dòng)自掃描成像技術(shù)直視型光電成像器件用于直接觀察的儀器，器件本身具有圖像的轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)及顯示等部分VcVsVa光電陰極電子透鏡熒光屏像管成像原理示意圖直視型光電成像器件變像管接受非可見輻射圖像的直視型光電成像器件紅外變像管紫外變像管X射線變像管入射圖像的光譜與輸出圖像光譜完全不同

像增強(qiáng)器接受微弱可見光圖像的直視型光電成像器件級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)器帶微通道板(MCP)的像增強(qiáng)器負(fù)電子親合勢(shì)光陰極的像增強(qiáng)器輸入圖像光線極其微弱，輸出圖像可供人眼正常觀察只能完成攝像功能，不直接輸出圖像，又稱非直視型光電成像器件。電視型光電成像器件完成將二維空間的可見光圖像或輻射圖像轉(zhuǎn)換成一維時(shí)間的視頻電信號(hào)。獲得的電信號(hào)經(jīng)過放大處理和傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)后，由顯像裝置還原輸出二維空間的圖像。工作方式：接收二維光學(xué)或熱圖像，利用光敏面的光電效應(yīng)或熱電(敏)相應(yīng)將其轉(zhuǎn)換為二維電荷圖像并進(jìn)行適當(dāng)時(shí)間的存儲(chǔ)，而后通過電子束掃描或電荷耦合轉(zhuǎn)移等形式，輸出一維時(shí)間信號(hào)。光電成像器件的分類直視型光電成像器件(像管)-電子光學(xué)聚焦成像技術(shù)變像管像增強(qiáng)器電視型光電成像器件電真空攝像器件——電子束掃描成像技術(shù)光電攝像器件光電導(dǎo)攝像器件光電增強(qiáng)型攝像器件熱釋電攝像器件固體成像器件CCD成像器件CMOS成像器件紅外焦平面器件光機(jī)掃描成像的探測(cè)器單元及探測(cè)器陣列-光機(jī)掃描成像技術(shù)電子驅(qū)動(dòng)自掃描成像技術(shù)電真空攝像器件將光敏面、電子槍、偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)封裝在保持真空的管殼內(nèi)。鏡頭景物面板玻璃靶環(huán)輸出圖像信號(hào)VT靶壓

15至40VRL聚焦線圈偏轉(zhuǎn)線圈校正線圈電子束透明導(dǎo)電極光電導(dǎo)靶陰極接地控制柵極0至－50V聚焦極0至300伏燈絲管腳加速極300V網(wǎng)電極450V光電成像器件的分類直視型光電成像器件(像管)-電子光學(xué)聚焦成像技術(shù)變像管像增強(qiáng)器電視型光電成像器件電真空攝像器件——電子束掃描成像技術(shù)光電攝像器件光電導(dǎo)攝像器件光電增強(qiáng)型攝像器件熱釋電攝像器件固體成像器件CCD成像器件CMOS成像器件紅外焦平面器件光機(jī)掃描成像的探測(cè)器單元及探測(cè)器陣列-光機(jī)掃描成像技術(shù)電子驅(qū)動(dòng)自掃描成像技術(shù)固體成像器件CCD成像器件光敏面陣列、電荷耦合轉(zhuǎn)移電路構(gòu)成的集成塊光電成像器件的分類直視型光電成像器件(像管)-電子光學(xué)聚焦成像技術(shù)變像管像增強(qiáng)器電視型光電成像器件電真空攝像器件——電子束掃描成像技術(shù)光電攝像器件光電導(dǎo)攝像器件光電增強(qiáng)型攝像器件熱釋電攝像器件固體成像器件CCD成像器件CMOS成像器件紅外焦平面器件光機(jī)掃描成像的探測(cè)器單元及探測(cè)器陣列-光機(jī)掃描成像技術(shù)電子驅(qū)動(dòng)自掃描成像技術(shù)CMOS成像器件光敏面陣列、二維移位寄存器構(gòu)成的集成塊CMOS像敏元陣列結(jié)構(gòu)1-垂直移位寄存器；2-水平移位寄存器；3-水平掃描開關(guān)；4-垂直掃描開關(guān)；5-像敏元陣列；6-信號(hào)線；7-像敏元。CMOS攝像器件原理框圖光電成像器件的分類直視型光電成像器件(像管)-電子光學(xué)聚焦成像技術(shù)變像管像增強(qiáng)器電視型光電成像器件電真空攝像器件——電子束掃描成像技術(shù)光電攝像器件光電導(dǎo)攝像器件光電增強(qiáng)型攝像器件熱釋電攝像器件固體成像器件CCD成像器件CMOS成像器件紅外焦平面器件光機(jī)掃描成像的探測(cè)器單元及探測(cè)器陣列-光機(jī)掃描成像技術(shù)電子驅(qū)動(dòng)自掃描成像技術(shù)集成式斯特林制冷器集成式斯特林制冷器分置式斯特林制冷器J-T制冷器288

4焦平面探測(cè)器探測(cè)器與不同制冷器組件的組合法國(guó)Sofaridor公司的焦平面探測(cè)器瑞典IRnova量子阱焦平面探測(cè)器光電成像器件的分類直視型光電成像器件(像管)-電子光學(xué)聚焦成像技術(shù)變像管像增強(qiáng)器電視型光電成像器件電真空攝像器件——電子束掃描成像技術(shù)光電攝像器件光電導(dǎo)攝像器件光電增強(qiáng)型攝像器件熱釋電攝像器件固體成像器件C