1、 工业和信息化部“十二五”规划教材 光电信息科学与工程类专业规划教材 光电成像技术与系统 白廷柱 等编著 2 内 容 简 介 本书为工业和信息化部“十二五”规划教材。本书以光电成像技术的发展历程为脉络，从人眼对图像的认识机理出发，描述和分析了人类为达成符合人眼观察的灰度点阵要求所需要的四个环节（转换、解析、传输、显示），以及迄今为止为达成上述四个环节而产生的各类相关技术及对应的光电成像器件，进而介绍了利用这些器件与技术以及相关技术形成的各类光电成像系统、光电成像系统性能的评价方法等内容。本书重点描述了各种成像技术的基本思想，基于物理学的基础理论和方法分析了光电成像技术、器件和系统各环节的物理过
2、程，以及典型光电成像系统的构成及应用等。本书可作为光电信息科学与工程专业的教材，也可作为其他相关专业和从事光电成像技术研究的研究生的教材或参考教材，以及从事相关研究的科技人员的参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 光电成像技术与系统/白廷柱等编著.北京：电子工业出版社，2016.1 光电信息科学与工程类专业规划教材 ISBN 978-7-121-27893-8.光 .白 .光电效应成象原理高等学校教材光电效应成象系统高等学校 教材 .O435.2O482.7 中国版本图书馆CIP数据核字（2015）第307630号 责任
3、编辑：韩同平 特约编辑：俞敦斐 印 刷：杨 波 装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路173信箱 邮编：100036 开 本：7871092 1/16 印张：28 字数：850千字 版 次：2016 年1 月第1 版 印 次：2016 年1 月第1 次印刷 定 价：69.80 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至，盗版侵权举报请发邮件至。服务热线：（010）88258888。III 前 言 本书为工业和信息化部“十二五”规划教材，也是北京理工大学国家精品课程“光电
4、成像原理与技术”的配套教材，是在作者编著的北京市高等教育精品教材光电成像原理与技术的基础上，依据光电信息科学与工程专业规定的教学内容范畴重新编写的。本书以人类社会的光电成像需求为牵引，以人类社会发展光电成像技术的时间顺序为主线，以表现不同光电成像技术的器件为核心，以典型的光电成像系统分析和设计为应用，重新梳理了光电成像原理与技术一书的主要内容，进行了与时俱进的新技术、新原理和新器件等方面的补充完善。鉴于本书在重新编写过程中突出了用于实现光电成像的技术思想，故采用“光电成像技术与系统”为本书的书名。光电成像技术是适应信息社会需求而迅速发展的高新技术，是光电技术发展的最高阶段，属于电子信息类光电信
5、息科学与工程分支学科。本教材内容的选取力求全面反映当代光电成像领域的主要技术内涵和技术现状，教材内容的编排尽量考虑适应教学规律的要求。教材的总思路是为学生和有关读者提供一座了解光电成像的成像原理、技术范畴和系统应用的桥梁。随着相关学科的进步和发展，光电成像技术领域也不断地涌现出新思想、新技术和新器件。因此，要在有限的篇幅内系统、深入、完整、全面地描述光电成像技术的进展是不现实的，本教材只能从便于读者学习的角度出发，通过教材引导读者学习有关光电成像技术的基本思想、基本理论、基础知识，讨论基于现有光电成像技术的典型光电成像器件结构、工作原理、性能指标，分析基于典型光电成像器件的光电成像系统实现途径
6、、设计思想和设计要点等。本书共 10 章。第 1 章围绕人眼视觉的局限性，介绍了拓展人眼视觉的技术途径及发展应用现状。描述了人眼观察事物的基本要求和所受限制，分析了图像的实际物理构成和实现这些构成所必需的技术环节。同时，对比传统光学成像说明了光电成像的特性。第 2 章以传统的电子束空间扫描成像技术为主线，介绍了电真空摄像器件的构成、工作原理、种类、特性及电子枪的相关知识。第 3 章以基于电磁场的电子光学聚焦成像技术为主线，介绍了以像增强器、变像管为代表的像管的构成、工作原理、种类、特性及其他相关知识。第 4、5 章以解决电子束空间扫描带来的问题而发展起来的电子驱动扫描成像技术为主线，分别介绍了
7、以 CCD、CMOS 器件和红外焦平面探测器件为代表的各种器件的构成、工作原理、种类、特性及其他相关知识。这两章的内容为本书的重点，因为其基本涵盖了目前人们正在广泛使用的各种固体光电成像器件及其发展应用现状。第 6 章以解决光电成像器件光敏元数量不足情况下实现光电成像的光机扫描技术为主线，介绍了光机扫描成像原理、各种光机扫描元件、各种扫描方式及其新的应用等。第 7 章介绍了电视扫描、视频信号、全电视信号等的相关规定，电视摄像系统的构成、相关要求和部分典型电视成像系统，以及典型电视显示器的构造、工作原理和性能指标等。第 8、9 章介绍了针对第 3 章的像管和第 5 章的红外探测器的微光夜视系统和
8、红外热成像系统，分析了这些系统的特殊构成、特殊性能要求与评价、主要设计思想和设计原则，并给出了设计示例。第 10 章对光电成像技术与系统应用过程中的相关影响因素进行了介绍和分析，讨论了评价光电成像系统作用距离性能的主要方法和作用距离预测示例。IV 本教材兼顾了从事光电成像技术专业研究的科技工作者的需要，内容涉猎广泛，并在相应章节中编入了国内外有关的技术资料和数据表，以供研究生和有关专业人员参考。本教材的参考学时为 64 学时（内容可扩展至 96 学时）。为了使学生了解和掌握有关的理论知识，培养理论联系实际的能力，为今后从事本领域的研究工作奠定必要的基础并适应新技术的发展，本教材在编写过程中，尽
9、力收集了一些新的科技成果，增补了一些最新器件和系统的内容。本书凝结了北京理工大学光电成像技术与系统教育部重点实验室和光电成像与信息工程研究所全体教师多年的教学实践和科研积累，也充分吸收了国内外光电成像技术领域同行们的经验和工作成果，因此，本书也是以上所有相关科技工作者辛勤研究的共同结晶。本书第 17 章由北京理工大学白廷柱教授编写，第 8、9 章由军械工程学院刘杰博士编写，第 10 章由军械工程学院武东生博士编写，全书由白廷柱统稿。本书承蒙北京理工大学许廷发教授和装甲兵工程学院张智诠教授主审，在此谨向他们致以诚挚的谢意，并向本书参考文献的各位作者、译者表示衷心的感谢。因时间所限，加之光电成像技
10、术是综合广泛的高新技术学科，正处于迅速发展的进程中，因此，要编出一本全面、完整、成熟的教材乃是作者之力所不能及的。此外，限于作者的时间、学识与水平，书中缺欠、遗漏之处在所难免，对此，诚恳希望广大读者予以批评指正。作 者 （）V 目 录 第 1 章 绪论 (1)1.1 关于光电成像技术 (1)1.1.1 光电成像技术对人眼视见光谱域 的拓展(2)1.1.2 光电成像技术的应用领域 (4)1.2 人眼的视觉特性与模型 (6)1.2.1 人眼的构造 (6)1.2.2 人眼的视觉特性 (7)1.3 图像与实现图像的必需环节 (12)1.3.1 图像及其物理表述 (12)1.3.2 图像的解析与量化 (
11、13)1.3.3 实现图像的必需环节 (13)1.4 光电成像的特性 (14)1.4.1 光电成像转换特性 (14)1.4.2 光电成像的时间特性 (15)1.4.3 光电成像的噪声特性 (17)1.4.4 光电成像的图像分辨特性 (28)习题与思考题 (30)第 2 章 电子束扫描成像技术 (31)2.1 摄像管工作原理 (31)2.1.1 摄像管的结构 (31)2.1.2 摄像管工作原理 (31)2.2 摄像管的分类 (35)2.2.1 光电导型摄像器件 (35)2.2.2 光电发射型摄像器件 (40)2.3 摄像管的性能参数 (46)2.3.1 摄像管的灵敏度 (46)2.3.2 摄像管
12、的惰性 (47)2.3.3 摄像管的分辨力 (51)2.3.4 摄像管的其他特性参数 (52)2.4 热释电摄像管 (53)2.4.1 热释电效应与热释电摄像管 (53)2.4.2 热释电靶电荷图像的形成 与读出(57)2.4.3 热释电摄像管工作的特点 (59)2.5 摄像管的电子枪 (60)2.5.1 电子枪的结构与分类 (60)2.5.2 电子枪工作原理 (61)2.5.3 交叠点空间电荷效应与层流枪 (62)2.5.4 电子枪中的准直透镜 (63)习题和思考题 (64)第 3 章 电子光学聚焦成像技术 (65)3.1 像管成像的物理过程 (65)3.1.1 辐射图像的光电转换 (65)
13、3.1.2 电子图像的能量增强 (66)3.1.3 电子图像的发光显示 (66)3.2 像管的结构、分类与制造 (67)3.2.1 像增强器(一代像增强器)(67)3.2.2 带有微通道板的像增强器 (69)3.2.3 负电子亲和势光阴极像增强器 (70)3.2.4 红外变像管、紫外变像管、X 射线 变像管和射线变像管 (70)3.2.5 像管的制造 (71)3.3 像管的性能参数 (71)3.3.1 光谱响应特性 (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 辐射图像的光电转换 (77)3.4.1 光电子发射的基本理论 (77)3.
14、4.2 典型实用光阴极 (84)3.4.3 光电发射的极限电流密度 (92)3.4.4 光阴极面发射电子过渡过程的 分析 (93)3.5 电子图像的成像理论 (95)3.5.1 电子光学基础 (95)3.5.2 旋转对称场中的场方程 (96)3.5.3 静电磁场中带电粒子的运动 (98)3.5.4 旋转对称电子光学系统的成像 (102)3.5.5 普遍情况下电子光学系统的 折射率 (103)3.5.6 电子透镜 (105)3.5.7 典型电子光学系统分析 (109)3.6 电子图像的发光显示 (112)VI 3.6.1 荧光层发光理论基础 (112)3.6.2 荧光屏发光衰减过程分析 (114
15、)3.6.3 典型荧光屏发光机理 (116)3.7 光学图像的传像与电子图像的倍增 (118)3.7.1 光学纤维面板 (118)3.7.2 微通道板 (120)3.8 像管的小型化直流高压电源 (129)3.8.1 直流高压电源工作原理 (130)3.8.2 倍压整流电路 (130)3.8.3 自动亮度控制电路 (130)3.8.4 直流选通高压电源 (131)3.8.5 自动快门电路 (132)习题和思考题 (132)第 4 章 电子驱动自扫描成像技术(1)(134)4.1 固体成像器件的发展 (134)4.2 MOS 电容器的电荷存储、耦合与 转移 (135)4.2.1 稳态下的 MOS
16、 电容器 (135)4.2.2 非稳态下的 MOS 电容器(MOS 电容器的电荷存储原理)(138)4.2.3 MOS 电容器系统的实际开启 电压 (140)4.2.4 CCD 的电荷耦合与传输原理 (143)4.3 CCD 的结构及其物理性能分析 (144)4.3.1 CCD 的结构 (144)4.3.2 CCD 的物理性能 (151)4.4 CCD 成像原理 (166)4.4.1 线阵 CCD 成像原理 (166)4.4.2 面阵 CCD 成像原理 (168)4.5 特殊 CCD 成像器件 (169)4.5.1 增强型 CCD(ICCD)(169)4.5.2 电子轰击型 CCD(EBCCD)(170)4.5.3 电子倍增 CCD(Electron-Multiplying CCD，EMCCD)(171)4.5.4 其他异型 CCD (172)4.6 CMOS 成像原理 (174)4.6.1 CMOS 器件的结构 (174)4.6.2 CMOS 器件的图像读出与 成像 (174)4.6.3 CMOS 图像传感器像元 (175)4.6.4 CMOS 器件的不足与改进 (178)4.6.5
