《光电成像技术》课件

光电成像技术光电成像技术是一门融合光学、电子学和信息处理的交叉学科，它通过将光信号转换为电信号，再经过处理形成可视化图像该技术在现代科学研究、工业生产、医疗诊断、安全监控等领域扮演着至关重要的角色课程内容与学习目标1基础理论掌握2器件技术学习理解光电成像的基本物理原理，掌握人眼视觉特性、辐射源与辐学习电真空和固态成像器件的工作原理、结构特点和性能参数，射传输、光电转换等核心概念，建立完整的理论知识体系掌握、等主流成像器件的技术特点CCD CMOS3系统应用了解前沿技术探索了解微光成像、红外成像等特殊成像技术的原理与应用，理解多光谱、高光谱、偏振成像等先进技术的工作机制第一章光电成像基础光信号获取光电转换1通过光学系统收集目标辐射将光信号转换为电信号2图像形成信号处理43最终生成可视化图像信息对电信号进行放大和处理光电成像基础部分主要介绍成像的基本概念和物理原理通过学习光的性质、光电转换机制以及信号处理方法，建立光电成像技术的理论框架本章将为后续各专题内容奠定必要的知识基础，帮助学生理解复杂成像系统的工作原理光电成像的定义与原理定义物理原理光电成像是通过光电转换元件将基于光电效应，利用半导体或光物体反射或发射的光辐射信息转电阴极等材料在受光照射时产生换成电信号，再经过处理和显的电子流，通过特定结构将空间示，形成可视图像的技术过程光分布转换为对应的电信号分布信息转换将目标的空间、光谱、时间等维度的信息，通过光电检测和信号处理，转换为人类可视化理解的图像形式光电成像技术的本质是实现从光学域到电子域再到数字域的信息转换，涉及光学、电子学、信息处理等多学科交叉领域现代光电成像系统通常包括光学前端、光电转换单元、信号处理模块和显示输出部分光电成像系统的基本组成光学系统包括透镜、反射镜、滤光片等组件，负责收集目标辐射，形成光学像典型元件有物镜、中继镜组、滤光片、光阑等光电转换器件将光信号转换为电信号，是成像系统的核心包括光电管、CCD、CMOS等不同类型的探测器信号处理单元对光电转换后的原始信号进行放大、滤波、模数转换和数字处理，提升图像质量显示/存储系统将处理后的图像信号以可视方式呈现或存储，如显示器、存储器等设备一个完整的光电成像系统需要以上各部分协同工作，才能实现从目标辐射到最终图像的转换过程系统的整体性能取决于各个环节的质量，其中任何一个环节的缺陷都可能导致最终图像质量下降光电成像的发展历史1839年摄影术诞生1达盖尔和尼埃普斯发明了摄影术，标志着光学成像技术的开端，虽然当时尚未涉及光电转换21873年光电效应发现史密斯发现硒在光照下电导率变化的现象，为后来的光电成像奠定了物理基础1923年电视摄像管3兹沃里金发明了电视摄像管，实现了第一个实用的光电成像系统，开创了电视时代41969年CCD发明贝尔实验室的博伊尔和史密斯发明了电荷耦合器件CCD，革命性地改变了光电成像技术1990年代CMOS崛起5互补金属氧化物半导体CMOS成像技术逐渐成熟，与CCD形成竞争态势621世纪数字化与智能化计算成像、人工智能等技术与光电成像深度融合，开创了成像技术的新纪元光电成像技术的应用领域医学影像军事安防包括内窥镜、射线成像、、、超声成2X CTMRI包括军用侦察、监视系统、夜视装置、安防监像等，为临床诊断提供重要依据控等，是光电成像技术最早的应用领域之一1空间遥感卫星遥感、地球观测、天文观测等领域，通3过光电成像获取地表、大气及宇宙信息消费电子5工业检测数码相机、智能手机、视频会议等民用产品，已成为光电成像最大的应用市场4产品质量检验、生产过程监控、材料无损检测等工业应用，提高生产效率和产品质量光电成像技术已渗透到人类社会的各个领域，成为获取视觉信息的主要手段随着技术进步，其应用范围还在不断扩展，新的应用场景持续涌现第二章人眼视觉特性结构组成成像过程光谱响应人眼是一个精密的光学系统，包括角膜、晶外界光线通过角膜和晶状体折射聚焦，在视人眼对不同波长的光有不同的敏感度，形成状体、虹膜、视网膜等主要组成部分，每个网膜上形成倒立实像，然后通过视神经传递特定的光谱响应曲线，这是设计光电成像系部分都有其特定的光学和生理功能到大脑，经过处理后形成视觉感知统的重要参考依据人眼是自然界最精妙的成像系统之一，研究人眼的视觉特性对于设计符合人类视觉习惯的光电成像系统具有重要意义本章将深入探讨人眼的结构、功能及视觉感知原理人眼结构与功能组成部分主要功能对应光学元件角膜透光并提供约70%的屈光力前透镜虹膜调节进入眼内的光量光阑晶状体通过调节焦距实现对不同距离物体的聚焦变焦透镜玻璃体维持眼球形状并传导光线透明介质视网膜感光并将光信号转换为神经信号光电探测器视神经传递视觉信息至大脑数据传输线视觉皮层处理和解释视觉信息图像处理器人眼可以看作一个自动调焦的光学成像系统，其结构和功能设计极为精妙视网膜上分布着大约

1.25亿个感光细胞，包括用于感知亮度的视杆细胞和感知颜色的视锥细胞这些感光细胞将光信号转换为电信号，通过视神经传输到大脑进行处理，最终形成我们所感知的图像视觉感知原理光信号接收1视网膜上的感光细胞接收外界光信号光电转换2视杆细胞和视锥细胞将光信号转换为电信号信号传导3电信号通过视神经传导至大脑信息处理4大脑视觉皮层处理并解释接收到的信号视觉形成5形成对物体形状、颜色、运动等的感知视觉感知是一个复杂的生理和心理过程，不仅包括光学成像和光电转换，还涉及神经信号处理和心理认知人眼视网膜上的视杆细胞主要负责暗视觉，而三种不同类型的视锥细胞则分别对红、绿、蓝三种颜色敏感，共同构成了人类的色彩感知系统大脑对视觉信号的处理是高度智能化的，能够实现对象识别、空间定位、运动感知等复杂功能，这也是当前人工视觉系统所努力模仿和追赶的目标人眼对光的响应特性波长nm视杆细胞响应视锥细胞响应人眼对光的响应特性主要表现在两个方面光谱响应和光强响应在光谱方面，人眼能够感知的波长范围约为380nm至780nm，对波长约550nm（绿光区域）的光最为敏感在暗视条件下，视杆细胞起主导作用，响应峰值约在507nm；而在明视条件下，视锥细胞主导，三种视锥细胞的响应峰值分别在约440nm（蓝）、545nm（绿）和565nm（红）在光强响应方面，人眼具有很宽的动态范围，可适应从星光到阳光的巨大亮度变化（约10个数量级）这种自适应能力主要通过瞳孔大小调节和视网膜感光细胞的适应机制实现视觉分辨率与对比度空间分辨率时间分辨率对比度敏感度人眼的空间分辨能力由视网膜上感光细胞人眼的时间分辨率决定了对运动目标的感人眼对图像对比度的感知能力随空间频率的密度决定，在中央凹处（视锥细胞密集知能力通常，当图像交替频率超过约变化而变化，对中等空间频率（约周3-5区）最高，可达约分角这意味着在标时，人眼会将其感知为连续运动期度）的对比度最敏感这一特性对于图125Hz/准观察距离下，人眼能分辨的最小细节约（电影原理）在某些条件下，人眼可以像压缩和显示器设计具有重要指导意义为视野边缘的分辨率则显著降感知高达的闪烁

0.1mm60Hz低视觉分辨率和对比度敏感度是评价人眼视觉性能的重要指标，也是设计光电成像系统的重要参考现代显示设备和成像系统往往根据人眼的这些特性进行优化设计，以获得最佳的视觉效果例如，高清电视的分辨率和刷新率就是基于人眼的空间和时间分辨率特性确定的第三章辐射源与辐射传输1辐射度量学基础介绍辐射通量、辐射强度、辐照度、辐亮度等基本物理量的定义及测量方法，建立辐射度量的理论框架这些是理解和量化辐射传输过程的基础工具2自然辐射源特性研究太阳、地物、人体等自然辐射源的辐射特性，包括其辐射光谱、辐射强度及其变化规律，为光电成像系统设计提供目标参数3人工辐射源特性分析灯光、激光、LED等人工光源的辐射特性及其应用，理解不同光源在光电成像中的作用和选择原则4传输环境影响探讨大气、水、玻璃等传输介质对辐射能量的散射、吸收和衰减效应，了解这些因素如何影响成像质量辐射源与辐射传输是光电成像的物理基础，理解辐射源的特性和辐射能量的传输规律，对于设计优化成像系统、解释成像结果具有重要意义本章将深入介绍相关理论和应用知识辐射源的基本概念辐射源定义能够发射电磁辐射的物体或设备，是光电成像系统的观测对象和信号来源根据辐射机制可分为热辐射源（如黑体、太阳）和非热辐射源（如激光、LED）辐射度量参数描述辐射源特性的物理量，主要包括辐射通量（W）、辐射强度（W/sr）、辐照度（W/m²）和辐亮度（W/sr·m²）等，它们从不同角度描述辐射能量的空间分布光谱辐射特性辐射源在不同波长上的辐射分布特性，通常用光谱辐射通量、光谱辐射强度等表示光谱特性是辐射源的重要特征，决定了其在不同波段成像系统中的表现时间辐射特性辐射源辐射强度随时间变化的特性，可为恒定（如太阳光）、周期变化（如闪烁光源）或随机变化（如火焰）时间特性影响着成像系统的探测器选择和曝光设置辐射源是光电成像技术研究的起点，深入理解辐射源的各种特性对于设计和优化成像系统至关重要在实际应用中，需要根据目标辐射源的特点选择合适的探测器和光学系统，以获得最佳的成像效果黑体辐射理论黑体定义普朗克定律维恩位移定律斯特藩-玻尔兹曼定律黑体是一种理想物体，能完全吸收所描述黑体在不同温度下的光谱辐射分描述黑体辐射谱峰值波长与温度的关描述黑体总辐射功率与温度的关系有入射辐射，不反射任何辐射同时，布，表达式为Lλ,T=系λₘₐₓT=b，其中M=σT⁴，其中σ为斯特藩-玻尔兹曼黑体也是完美的辐射体，在任何温度2hc²/λ⁵/e^hc/λkT-1，其中h b≈

2.898×10⁻³m·K温度越高，辐常数此定律表明黑体的总辐射强度下，其辐射能量都是同温度下所有物为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹射峰值波长越短，这就是为什么高温与其绝对温度的四次方成正比体中最大的曼常数，T为绝对温度物体发红、发白的原因黑体辐射理论是理解热辐射源特性的基础，在红外成像、天文观测、温度测量等领域有广泛应用实际物体的辐射通常可以通过引入发射率（ε）来与黑体辐射联系起来，其辐射强度为对应温度下黑体辐射强度的ε倍典型景物的辐射特性景物类型波长范围主要辐射机制特征辐射峰太阳

0.3-3μm热辐射（约6000K）约

0.5μm（可见光）蓝天

0.4-

0.7μm瑞利散射

0.45μm（蓝光）绿色植被

0.4-14μm反射+热辐射

0.55μm（绿光）、9-10μm（热红外）水体

0.4-14μm反射+热辐射

0.48μm（蓝绿光）、8-12μm（热红外）人体3-14μm热辐射（约310K）9-10μm（热红外）建筑物

0.4-14μm反射+热辐射取决于材料，8-12μm（热红外）不同景物因其物理组成、温度和表面特性的差异，表现出独特的辐射特性这些差异是实现光电成像中目标识别和分类的物理基础例如，绿色植被在可见光区域主要反射绿光（约

0.55μm），吸收红光和蓝光，形成特征性的绿峰和红边；而在近红外区域则有较高的反射率，这一特性被广泛用于植被监测和农作物分析了解典型景物的辐射特性，对于选择合适的成像波段、设计光学系统和解释图像结果具有重要指导意义例如，军事侦察通常选择热红外波段探测人体和车辆，就是基于它们在此波段有显著的热辐射特征大气对辐射传输的影响波长μm大气透过率大气对电磁辐射的影响主要表现为吸收、散射和湍流效应大气成分（如水蒸气、二氧化碳、臭氧等）对特定波长的辐射有强烈吸收，形成所谓的大气窗口和大气吸收带常用的大气窗口包括可见光波段（

0.4-

0.7μm）、近红外波段（

0.8-

2.5μm）和热红外波段（8-14μm）大气散射分为瑞利散射（分子散射）和米氏散射（气溶胶散射），前者强度与波长的四次方成反比，是天空呈蓝色的原因；后者主要影响能见度大气湍流则导致光线折射率随机变化，使成像模糊，这在天文观测和远距离成像中尤为显著理解这些影响对设计远距离成像系统和解释成像结果至关重要第四章光电转换原理光信号处理1光信号的放大、调制和识别信号转换机制2不同材料和结构中的光电转换物理过程光电效应基础3光与物质相互作用产生电子运动的物理基础光电转换是光电成像系统的核心环节，它将光信号转变为可处理的电信号，实现信息域的转换本章将系统介绍光电效应的基本原理、各类光电转换机制及其应用特点深入理解光电转换原理对于选择合适的光电器件、优化系统设计和提高成像质量具有重要意义从外光电效应到内光电效应，从光电阴极到半导体光电器件，不同的光电转换机制适用于不同的应用场景，各有其特点和局限性光电效应概述外光电效应内光电效应当光照射到金属或某些材料表面时，使光照射到半导体材料内部，使价带电子电子获得足够能量克服表面势垒而逸出跃迁到导带，形成自由电子和空穴对，材料，成为自由电子这是光电倍增从而改变材料的导电性这是光敏电管、真空光电管等设备的工作原理基阻、光电二极管、光电晶体管等器件的础光子能量必须大于材料的逸出功，工作原理不同于外光电效应，它不存呈现出截止频率现象在明显的截止频率光伏效应光照射在PN结或金属-半导体结处产生光生载流子，由于结区电场的作用，载流子分离并在外电路产生电动势和电流这是太阳能电池和某些光电探测器的工作原理，可实现光能到电能的直接转换光电效应是爱因斯坦于1905年解释的量子现象，证明了光的粒子性，为量子力学奠定了基础在光电成像领域，选择合适的光电效应机制对于系统设计至关重要例如，对于高灵敏度的微光成像，通常利用外光电效应制作高增益的光电倍增管；而对于大规模阵列式成像器件，则多采用内光电效应的半导体光电转换器件光电阴极材料与特性光电阴极基本原理常见光电阴极材料性能评价参数光电阴极是利用外光电效应将入射光子转主要包括纯金属（如铯、钾）、半导体光电阴极的主要性能指标包括量子效率换为电子的功能材料，是光电管、光电倍（如砷化镓）和复合材料（如多碱光阴极（每入射光子产生的电子数）、光电灵敏增管、像增强器等的核心组件理想的光、等）其中，多碱光阴极结度（单位入射功率产生的光电流）、暗电S-20S-25电阴极应具有高量子效率、宽光谱响应范合了不同金属的特性，显著扩展了响应波流（无光照时的背景电流）和光谱响应范围和低暗电流等特性长范围，在可见光和近红外区域有较高的围（有效工作的波长区间）等量子效率光电阴极的研发历史可追溯到世纪末，经过一个多世纪的发展，已形成多种类型的专用光电阴极例如，型多碱光阴极在19S-20400-范围内有较高的量子效率，广泛用于可见光探测；负电子亲和势光阴极则在近红外区域表现优异，常用于夜视设备850nm GaAs光电阴极材料的不断创新推动了光电成像技术的发展，使得在极端光照条件下的成像成为可能目前研究热点包括提高量子效率、扩展响应波长和提高稳定性等光电倍增管原理光电转换入射光子击中光电阴极，通过外光电效应释放光电子光电阴极的材料和结构决定了其光谱响应范围和量子效率，常用多碱阴极如S-20等电子倍增光电子在高电场加速后撞击一系列打拿极（次级电子发射极），每次碰撞产生多个次级电子，形成电子雪崩典型的倍增极采用铍铜或氧化铍涂层电荷收集经过多级倍增的电子流最终被阳极收集，形成可测量的电流信号经过典型的10-14级倍增，一个光电子可产生10⁶-10⁷个次级电子信号输出阳极电流通过负载电阻转换为电压信号，经放大后输出现代光电倍增管常与前置放大器一体化设计，降低噪声影响光电倍增管是一种高灵敏度的光电转换器件，能够检测到单光子级别的微弱光信号，广泛应用于科学研究、医学成像和微光夜视等领域其优势在于极高的灵敏度和快速的响应时间（可达纳秒级），但也存在体积大、需要高压工作等局限性现代光电倍增管已发展出多种专用类型，如位置敏感型、微通道板型等，适应不同应用需求例如，采用微通道板结构的光电倍增管具有更快的响应速度和更好的位置分辨能力，常用于高速成像和粒子探测半导体光电转换光电流效应光伏效应反向偏置的PN结在光照下产生与光强成正比的光电流PIN光电二光生伏特效应光生载流子在PN结内建电场作用极管、雪崩光电二极管等利用此效下分离，产生电动势这是太阳能光照射在半导体表面或界面产生电应，实现高速、高灵敏度光电探电池和光电二极管的工作原理，可位差这种效应在某些特殊器件和光电导效应测实现不需外加电压的光电探测材料界面研究中应用，如表面势垒光电磁效应光照射半导体材料产生电子-空穴光电器件对，增加载流子浓度，降低电阻光生载流子在磁场作用下偏转，产率典型器件如CdS光敏电阻，生横向电场和电压这种效应在某响应较慢但结构简单，适用于光控些专用传感器中应用，如磁光探测3开关等场景器2415半导体光电转换是现代光电成像设备的核心技术，相比真空光电器件，半导体器件具有体积小、耐用性好、适合集成等优势不同的半导体材料对应不同的光谱响应范围，如硅主要响应可见光和近红外，锗延伸至中红外，而HgCdTe等化合物半导体可覆盖中远红外区域第五章电真空成像器件摄像管技术摄像管种类性能参数摄像管是最早的电视图像拾取装包括正交管、像正交管、光导摄像摄像管的关键性能指标包括灵敏置，通过光电转换和电子束扫描实管、硅靶摄像管等多种类型，它们度、分辨率、信噪比、动态范围和现图像到电视信号的转换虽已被采用不同的光电转换材料和信号读光谱响应等，这些参数决定了其成固态器件替代，但其工作原理对理出方式，适应不同的应用需求和环像质量和适用场景解现代成像系统仍有重要意义境条件历史演变从最早的机械扫描电视到现代电子摄像管，电真空成像技术经历了近一个世纪的发展，留下了丰富的技术遗产和经验教训电真空成像器件是光电成像技术发展的重要阶段，虽然现在已基本被固态器件替代，但其理论和技术仍有重要的学习和参考价值本章将系统介绍电真空成像器件的基本原理、结构特点和性能参数，帮助学生全面理解光电成像技术的发展脉络像管的基本结构像管（阴极射线管，CRT）是早期电视机和显示器的核心组件，其基本结构包括真空玻璃管壳、电子枪、偏转系统和荧光屏电子枪位于管颈部，由阴极、控制栅、加速栅、聚焦电极等组成，负责产生和控制电子束偏转系统包括水平和垂直偏转线圈，通过改变电磁场使电子束在屏幕上扫描荧光屏涂有能将电子能量转换为可见光的荧光材料，彩色像管通常采用红、绿、蓝三色荧光点阵列像管结构经过数十年优化，形成了多种专用类型，如用于彩色电视的三枪三色阴极射线管、用于雷达显示的长余辉阴极射线管等尽管体积大、能耗高，但像管因其精确的色彩还原和快速响应，在特定领域仍有应用像管的工作原理电子束产生电子枪的阴极在加热状态下释放电子，控制栅极调节电子束强度，即控制图像亮度加速栅极将电子加速形成高速电子束，前进方向指向荧光屏电子束调制控制栅的电压由视频信号控制，随图像亮度变化调整通过的电子数量，实现亮度调制彩色像管采用三支电子枪分别控制红、绿、蓝三原色信号电子束偏转水平和垂直偏转线圈产生交变电磁场，使电子束按照特定顺序（通常为左上到右下的扫描线）扫描整个屏幕标准电视通常每秒扫描25-30帧画面荧光屏发光高速电子束击中荧光屏上的荧光粉，将电子能量转换为可见光不同能量的电子束产生不同亮度的光点，形成明暗变化的图像彩色像管中，三束电子分别激发红、绿、蓝三色荧光粉像管的工作原理体现了早期光电成像和显示技术的巧妙设计通过电子束的产生、调制、偏转和荧光屏发光这一系列过程，实现了电信号到可视图像的转换虽然现代平板显示技术已取代了像管，但其工作原理在电子光学和显示技术发展史上具有重要地位像管的主要类型黑白像管彩色三极管投影像管最早的商业化像管类型，使用单一电子枪和均采用三支电子枪和红绿蓝三色荧光点阵的像高亮度、小尺寸的专用像管，与光学系统配合匀的白色或微黄色荧光屏结构相对简单，荧管，是彩色电视和显示器的标准配置使用阴使用，将图像投影到大屏幕上通常采用高亮光屏采用硫化锌或硅酸锌等荧光材料曾广泛极电子射线管技术，通过三色荧光粉组度荧光材料和高功率电子枪，应用于大屏幕投CRT应用于早期电视和雷达显示器合产生全彩图像常见的荧光点排列有阴影罩影电视系统式和孔板式等除上述主要类型外，还有许多专用像管，如用于示波器的长余辉像管、用于雷达显示的平面指示管、用于特殊显示的多色像管等每种像管都针对特定应用场景进行了优化设计尽管当前大部分应用已被、等新型显示技术取代，但像管在电子显示技术发展史上的重要地位不可忽视LCD OLED像管的性能参数性能参数定义典型值影响因素分辨率屏幕可分辨的最小点间距

0.2-

0.3mm电子束焦点大小、荧光点排列亮度屏幕发光强度80-120cd/m²阴极电流、加速电压、荧光材料对比度最亮与最暗部分亮度比500:1-1000:1屏幕材料、环境光散射色彩还原再现原始色彩的准确度--荧光材料、色彩纯度响应时间像素从暗变亮所需时间＜1ms荧光材料余辉特性扫描频率电子束水平扫描频率

15.75-85kHz偏转系统设计使用寿命达到半亮度所需时间10000-20000小时阴极材料、工作温度像管的性能参数反映了其成像和显示能力，是选择和评价像管的重要依据早期像管在分辨率和色彩还原方面存在局限，但随着技术发展，高端CRT显示器最终达到了很高的技术水平特别是在色彩还原、响应速度和视角方面，CRT显示器曾长期优于早期的LCD显示器像管技术的发展经历了从黑白到彩色、从低分辨率到高分辨率的演进过程虽然目前已基本被新型显示技术取代，但其性能参数评价体系对现代显示技术仍有重要参考价值第六章固态成像器件1固态成像基础固态成像器件基于半导体材料的光电转换原理，通过光生电荷的产生、积累、传输和读出实现光信号到电信号的转换与电真空器件相比，具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优势2主要器件类型主要包括电荷耦合器件CCD和互补金属氧化物半导体CMOS两大类，它们采用不同的光电转换和信号读出机制，各有优势和适用场景近年来还出现了BSI-CMOS、堆栈式传感器等新型结构3关键性能指标固态成像器件的关键性能指标包括分辨率、灵敏度、动态范围、信噪比、量子效率、读出速度等这些指标共同决定了成像质量和适用场景4应用领域固态成像器件已广泛应用于数码相机、手机、医疗设备、安防监控、工业检测、天文观测等各个领域，是现代光电成像的主流技术固态成像器件是现代光电成像技术的核心组件，其发展推动了数字成像革命本章将系统介绍CCD和CMOS等固态成像器件的工作原理、结构特点、性能参数和发展趋势，帮助学生理解现代光电成像系统的核心技术原理与结构CCD基本工作原理主要结构类型关键组成部分电荷耦合器件是一种电荷传输器根据传输方式不同，主要分为帧转移典型包括光敏区（像素阵列）、垂直CCDCCD CCD件，其工作过程包括光电转换、电荷积型、线转移型和帧线转移型传输通道、水平传输通道、输出放大器等FT IT累、电荷转移和信号读出四个环节入射型结构简单但曝光控制困难；部分现代通常还集成有时序控制电FIT FTCCD光子在硅衬底产生电子空穴对，电子被型引入存储区，改善了曝光控制；路、驱动电路和信号处理电路等光敏区-IT FIT埋置通道中的势阱捕获并积累，然后通过型结合两者优点，但结构复杂另外，根由大量光敏元（像素）阵列组成，每个像电位序列变化实现电荷的逐像素转移，最据入射光方向，还分为前照式和背照式素包含一个光电二极管和多极控制结构终在输出级转换为电压信号技术于年由贝尔实验室的和发明，最初用于存储器，后发展为成像器件因其高图像质量和低噪声特性，长期CCD1970Boyle SmithCCD在专业成像领域占据主导地位尽管近年来技术快速发展，但在科学成像、天文观测等高端领域仍有重要应用CMOS CCD原理与结构CMOS基本工作原理CMOS图像传感器基于有源像素传感器APS技术，每个像素都集成有光电二极管和读出电路入射光子在光电二极管中产生电荷，转换为电压信号，然后通过行列寻址方式直接读出这种像素级并行处理的机制与CCD的移位寄存器方式有本质区别像素结构典型CMOS像素包含一个光电二极管、复位晶体管、源跟随器晶体管和行选择晶体管光电二极管感光并累积电荷，复位晶体管清空电荷，源跟随器转换电荷为电压，行选择晶体管控制像素输出近年来发展的共享像素结构可减小元件尺寸，提高填充因子读出电路CMOS传感器采用X-Y寻址方式读出信号，通过行驱动器和列选择器控制每个像素的访问每列通常配有相关双采样CDS电路、列放大器和模数转换器ADC，实现信号调理和数字化近代CMOS传感器常使用柱并行ADC架构，提高读出速度片上集成CMOS工艺的主要优势之一是可在同一芯片上集成多种功能电路现代CMOS传感器通常集成有时序控制器、信号处理电路、接口电路等，有些甚至集成了图像处理器ISP，实现了单芯片相机解决方案CMOS图像传感器技术起源于1960年代，但直到1990年代中期才开始商业化应用近二十年来，随着制造工艺和设计技术的进步，CMOS传感器的性能已大幅提升，在大多数消费和工业成像应用中取代了CCD特别是在移动设备、汽车和物联网领域，CMOS传感器因其低功耗、高集成度和成本优势成为主流选择与的比较CCD CMOS性能指标CCD CMOS工作原理电荷转移，集中读出像素级转换，随机访问信噪比较高，均匀性好早期较低，现代产品已接近CCD光谱响应常规型主要响应可见光可覆盖更宽波段，易于定制动态范围较高（约70-80dB）传统型较低，但HDR技术可超过CCD功耗较高，需多路高压时钟驱动较低，约为CCD的1/10-1/100读出速度受串行传输限制，相对较慢可实现高度并行读出，速度快集成度外围电路复杂，难以集成高度集成，片上系统能力强成本相对较高，专用工艺相对较低，标准CMOS工艺主要应用科学成像，高端相机消费电子，工业，安防CCD和CMOS技术各有优势和适用场景，这种差异源于它们的基本工作原理和制造工艺不同CCD采用专用工艺，以电荷包形式传输信号，具有高信噪比和优异的图像质量；CMOS采用标准半导体工艺，能高度集成多种功能，功耗低，成本优势明显近年来，随着工艺和设计技术的进步，两种技术的性能差距不断缩小特别是CMOS传感器通过背照式结构、堆栈式设计、全局快门等创新，在多个性能指标上已接近或超过CCD市场趋势显示，CMOS已在大多数应用领域取代CCD，但在一些特殊科学成像领域，CCD仍保持一定优势新型固态成像器件背照式传感器BSI背照式结构将光线从硅衬底背面入射，避开了传统前照式结构中金属布线的遮挡，显著提高了量子效率和低光性能这种设计已成为高端CMOS传感器的标准配置，广泛应用于智能手机和专业相机堆栈式传感器将光敏层和逻辑处理层分开制造后通过三维封装技术垂直连接，光敏层专注于光电转换，处理层负责信号处理这种设计可同时优化两层的性能，增大像素尺寸，提高信号处理能力，是未来传感器的重要发展方向量子点传感器利用量子点材料的特殊光学特性，可实现对特定波长的选择性响应和增强量子点传感器在近红外和短波红外区域表现出色，已在科研领域应用，有望拓展成像的光谱范围有机光电传感器采用有机半导体材料作为光敏层，可在柔性衬底上制备大面积传感器阵列这类传感器制造成本低，可弯曲，适合于大面积和特殊形状的成像需求，但目前量子效率和稳定性仍需提高除上述技术外，光子计数传感器、单光子雪崩二极管阵列SPAD、事件驱动传感器等新型器件也在快速发展，为特定应用场景提供了专业解决方案这些新兴技术不断拓展固态成像器件的性能边界和应用空间，推动光电成像技术向更高灵敏度、更宽光谱范围、更低功耗和更智能化方向发展第七章微光成像技术夜视仪1930s1最早的电子微光设备，由第一代像增强器和光学系统组成，用于军事夜间观察利用外光电效应和荧光屏实现光信号放大，但增益有限2二代像增强器1960s引入微通道板MCP作为电子倍增装置，显著提高了增益和分辨率采用多碱光阴极，对可见光和近红外有良好响应，广泛用于军事和安防领域三代像增强器1970s3使用砷化镓GaAs光阴极，进一步提高了红外区域的量子效率和信噪比采用自动增益控制，适应更宽范围的光照条件，成为现代军用夜视设4ICCD相机1980s备的标准配置将像增强器与CCD耦合，结合了高增益和数字成像的优势能够在极低光照条件下实现高质量图像获取和数字处理，广泛应用于科学研究和专业EMCCD/sCMOS2000s5成像领域电子倍增CCD和科学CMOS传感器的出现，提供了新的微光成像解决方案这些技术在不依赖像增强器的情况下，通过片上电子倍增或极低读出噪声实现高灵敏度成像微光成像技术是实现在低光照条件下有效成像的专门技术，广泛应用于军事夜视、安防监控、天文观测和生物荧光成像等领域本章将详细介绍微光成像的基本原理、关键器件和系统设计方法微光成像原理光电转换光子收集高灵敏度光电阴极将光信号转换为电子21大口径光学系统收集微弱目标辐射信号放大微通道板或电子倍增技术放大电子信号35图像形成荧光转换通过光学系统或数字传感器记录成像结果4荧光屏将放大电子信号转换为可见光微光成像的核心原理是光信号的有效探测和放大在极低光照条件下，入射到成像系统的光子数量极少，常规成像系统无法产生有效信号微光成像技术通过提高光子收集效率、光电转换效率和信号放大倍数，使这些稀少的光信号能够形成可识别的图像现代微光成像系统根据工作原理可分为三类一是基于像增强器的主动放大型，如军用夜视仪；二是基于高灵敏度固态传感器的长积分型，如天文相机；三是基于计算成像的信号重建型，如新兴的量子统计成像技术不同类型适用于不同的应用场景和技术条件CCD微光像增强器图像形成1高质量、低畸变的输出图像电子-光子转换2荧光屏将放大电子束转化为可见光电子倍增3微通道板提供10³-10⁴倍电子增益光电转换4光电阴极将光子转换为电子光学成像5物镜将目标场景聚焦到阴极表面微光像增强器是微光成像的核心器件，本质上是一种真空电子光学装置，能将微弱的光信号放大数千至数万倍，使人眼或常规相机能观察到暗环境中的目标现代像增强器主要分为二代和三代，二代采用多碱光阴极，三代采用砷化镓光阴极，后者在近红外区域响应更佳微通道板MCP是像增强器的关键组件，由数百万个平行排列的微小通道组成，每个通道内壁涂有次级电子发射材料当初级电子在高电场加速并撞击通道壁时，产生多个次级电子，这些次级电子继续加速并撞击，形成电子雪崩，实现高增益放大现代像增强器常采用多层MCP设计，以获得更高增益微光相机CCD微光CCD相机是专为低光照环境设计的高灵敏度成像设备，其核心是特殊的CCD传感器和低噪声读出电路常见的微光CCD技术包括背照式CCD（提高量子效率），帧累加（增加信噪比），电子倍增CCD（EMCCD，片上电子倍增），以及超低温冷却（降低暗电流）等EMCCD是最具代表性的微光CCD技术，它在输出寄存器中加入电子倍增级，通过雪崩过程放大光生电荷，可实现单光子检测级别的灵敏度微光CCD相机广泛应用于天文观测、生物荧光显微镜、夜间监控等领域与像增强器相比，微光CCD相机具有数字化输出、长时间曝光积分、更高分辨率等优势，但在极低光照和需要实时观察的场景中，仍难以完全取代像增强器近年来，科学级CMOSsCMOS传感器凭借低读出噪声和高量子效率，也开始应用于微光成像领域微光成像系统设计光学系统设计传感器选择信号处理优化系统集成与评估选择大口径、高透过率光学组件，最大化根据应用需求选择合适的微光传感器军开发专用算法提升微光图像质量常用技整合各子系统并进行全面性能评估微光光子收集效率典型微光系统的F数通常用实时观察系统多采用像增强器；科学研术包括多帧累加、时空滤波、动态范围映系统评估指标包括最小可探测亮度、信噪小于

2.0，采用特殊光学玻璃和多层镀膜究多采用EMCCD或sCMOS；监控系统射和自适应增强等现代系统常采用比、分辨率、动态范围和低光对比度等技术降低光损失近红外成像系统还需考则根据预算和性能需求选择背照式CMOS FPGA或GPU进行实时处理，提高画面清实际测试应在标准化条件下进行，以确保虑色差校正和焦点位移或微光CCD关键考量指标包括量子效晰度和细节可见性结果的可比性和可重复性率、暗电流、读出噪声和动态范围微光成像系统设计是一项综合性工程，需要平衡多方面的技术因素和实际需求随着应用环境和任务要求的不同，设计重点也有所差异例如，军用系统强调轻量化和可靠性；医学系统注重图像质量和精确度；监控系统则更关注成本效益和全天候工作能力第八章红外成像技术热成像技术红外光谱区域探测器技术热成像技术通过探测目标物体自身发射的红红外波段通常分为近红外、红外探测器是红外成像系统的核心，分为制

0.75-

1.4μm外辐射来形成图像，不依赖于外部光源，可短波红外、中波红外和冷型和非制冷型两大类制冷型灵敏度高但

1.4-3μm3-8μm在完全黑暗的环境中工作广泛应用于军事长波红外不同波段适合不同应系统复杂；非制冷型结构简单成本低，但性8-14μm侦察、工业检测、医疗诊断和消防救援等领用，如近红外用于夜视，中长波红外用于热能略逊常用材料包括、、氧HgCdTe InSb域成像化钒等红外成像技术是利用红外辐射成像的专门技术，可探测人眼不可见的热辐射信息，提供独特的观测视角本章将系统介绍红外辐射基础、红外探测器原理、成像系统设计及应用案例，帮助学生全面了解这一重要的光电成像分支红外辐射基础红外辐射物理基础大气传输特性材料辐射特性红外辐射是波长大于可见光的电磁辐射，大气对红外辐射的传输有明显的选择性吸不同材料对红外辐射的发射、吸收和反射波长范围约为到任何收，形成所谓的大气窗口主要的红外特性各不相同，这种差异是红外成像能够

0.75μm1000μm温度高于绝对零度的物体都会发射红外辐大气窗口包括（近红外窗区分不同物体的基础材料的红外特性通

0.75-

2.5μm射，其强度和光谱分布与物体温度和表面口）、（中波红外窗口）和常用发射率表征，发射率越高，材料向3-5μm8-ε特性有关根据普朗克黑体辐射定律，常（长波红外窗口）水蒸气、二氧外辐射红外能量的能力越强发射率和反14μm温物体（约）的辐射峰值位于约化碳和臭氧是影响红外传输的主要大气成射率之和为（忽略透射率）大多数非300K1的长波红外区域，这是热像仪主要分雾、雨、雪等天气条件也会显著影响金属材料在长波红外区域发射率较高10μm工作的波段红外传输，但不同波段的影响程度不同，而金属表面发射率较低

0.8-

0.

950.05-

0.2理解红外辐射基础是掌握红外成像技术的关键除了物体自身温度辐射外，环境反射辐射和大气传输特性也是影响红外图像形成的重要因素在实际应用中，需要考虑目标与背景的温差、环境条件、观测距离等多种因素，才能获得高质量的红外图像红外探测器原理热探测器光子探测器基于红外辐射使材料温度升高，进而导致电学或光学特性变化的原理包括热电堆、热释电探测器和微测辐射热计基于红外光子与半导体材料相互作用产生光电子的原理典型Microbolometer等此类探测器可在室温工作，结构简材料包括HgCdTe、InSb、量子阱红外光电探测器QWIP2单，但响应速度较慢等此类探测器响应速度快、灵敏度高，但通常需要低温制冷1工作制冷技术光子型探测器通常需要制冷至低温（77K或更低）以降低噪3声常用冷却方式包括液氮杜瓦瓶、斯特林制冷机和焦耳-汤姆逊微型制冷机等现代系统多采用闭循环制冷，提高便携性和可靠性性能指标5读出电路评价红外探测器性能的关键指标包括探测率D*、噪声等效温差4NETD、响应度、响应时间和动态范围等这些参数决定了红外探测器阵列需要专用的读出电路ROIC读取信号常见结探测器能探测的最小温差和最远距离构有源器件直接注入DI、电容跨阻放大器CTIA和开关电容积分器SCI等ROIC直接影响系统的帧率、动态范围和噪声性能红外探测器技术经过数十年发展，已从早期的单元探测器发展为大规模焦平面阵列FPA，分辨率从几千像素发展到百万像素级现代红外成像系统的性能提升很大程度上得益于探测器技术的进步近年来，非制冷微测辐射热计阵列技术取得重大突破，推动了民用红外成像设备的普及制冷型红外成像系统系统结构制冷型红外成像系统主要由红外光学系统、制冷型探测器、制冷机、信号处理电路和显示单元组成光学系统通常采用锗或硫化锌等红外透镜；探测器多为HgCdTe或InSb等材料的焦平面阵列；制冷机维持探测器工作在低温状态（通常为77K左右）工作原理目标发射或反射的红外辐射经光学系统聚焦到探测器焦平面阵列上，产生电信号信号经读出电路采集、放大和数字化后，进行各种图像处理（如非均匀性校正、动态范围压缩等），最终显示给用户制冷系统持续工作以保持探测器温度恒定性能特点制冷型系统通常具有更高的灵敏度（NETD可达10-20mK）、更远的探测距离和更好的图像质量但同时也有体积大、功耗高、启动时间长（通常需要3-5分钟预冷）、维护成本高（制冷机有限寿命）等缺点主要应用于高端军事装备、精密科学研究和专业工业检测等领域技术发展近年来制冷型系统的主要发展趋势包括探测器像素尺寸减小（现已达到10μm以下）；多光谱/高光谱成像能力；小型化、轻量化制冷机；集成化信号处理；以及扩展波段覆盖范围等双波段（中波+长波）成像已成为高端军用系统的标准配置制冷型红外成像系统是当前红外成像技术中性能最高的一类，特别是在需要高灵敏度、高分辨率和远距离探测的应用场景中优势明显虽然成本和复杂性较高，但在国防、航空航天、科学研究等关键领域仍是不可替代的技术方案非制冷型红外成像系统探测器技术系统结构性能特点应用场景非制冷型系统主要采用微测辐射热计非制冷热像仪由红外镜头、微测辐射热计阵相比制冷型系统，非制冷型灵敏度较低广泛应用于消防救援、建筑检测、电力巡Microbolometer阵列作为探测器，常用列、读出电路、图像处理器和显示单元组（NETD通常为50-100mK），探测距离较检、安防监控、车载夜视、户外运动和智能材料包括氧化钒VOx和非晶硅a-Si这成结构相对简单，无需制冷系统，但通常近，但启动快速（几秒内可工作），体积家居等民用领域，以及部分对成本和体积敏类探测器基于热探测原理，利用红外辐射引配有温度稳定装置（如热电制冷器）以提高小，功耗低（通常＜1W），维护成本低且感的军用装备起材料温度变化进而导致电阻变化的现象图像稳定性使用寿命长非制冷型红外成像系统是当前增长最快的红外成像技术分支，得益于微测辐射热计阵列技术的进步和制造成本的降低现代非制冷热像仪已达到中等规模量产，单机价格从几千元到几万元不等，大大拓展了红外成像的应用范围近年来非制冷技术的主要发展方向包括像素间距减小（目前主流为12μm，正向8μm发展）；阵列规模增大（从160×120发展到1024×768甚至更高）；热灵敏度提高（部分产品NETD已接近30mK）；以及与人工智能技术结合，实现智能化红外成像分析等第九章光电成像系统需求分析明确成像系统的应用场景、性能指标和限制条件包括工作波段、分辨率需求、成像距离、环境条件、尺寸重量限制等这一阶段决定了系统的总体设计方向光学系统设计根据需求设计适合的光学系统，包括选择光学材料、确定光学结构和进行光路追迹优化光学系统直接决定了成像的基本质量，包括分辨率、畸变和色差等探测器选型选择合适的光电探测器，包括确定类型（如CCD、CMOS或特种探测器）、规格参数和匹配接口探测器选型需考虑光谱响应、灵敏度、动态范围等多项指标电子系统设计开发信号处理、控制和接口电路，实现图像获取、增强、存储和输出功能现代系统通常包含多级数字信号处理，以优化图像质量和提取有用信息系统集成与测试将各子系统整合为完整产品，进行全面性能测试和环境适应性评估包括光学性能测试、电子性能测试、环境测试和实际应用测试等光电成像系统是将光学、电子、机械和软件技术有机结合的复杂工程系统，其设计和开发涉及多学科知识本章将系统介绍光电成像系统的设计方法、性能评价和典型应用，帮助学生建立系统化的工程视角光学系统设计基础光学系统是光电成像系统的前端，负责收集目标辐射并形成光学像光学设计的核心任务是在给定约束条件下（如体积、重量、成本）优化系统性能（如分辨率、光通量、成像质量）现代光学设计通常使用专业软件（如Zemax、Code V、OSLO）进行光线追迹和优化光学系统设计需要考虑多种因素，包括焦距和视场角（决定成像范围）；孔径和F数（影响光通量和衍射极限）；像差校正（如球差、彗差、像散和畸变等）；光谱范围（决定材料选择和色差校正）；以及杂散光控制等不同应用对这些参数的优先级不同，例如天文观测重视分辨率和光通量，而医疗内窥镜则更关注小型化和照明效率信号处理与图像增强图像预处理对原始图像进行初步处理，包括坏点校正、暗场减除、平场除法等这些处理旨在消除探测器固有缺陷和系统光学非均匀性的影响，为后续处理奠定基础图像增强提升图像质量和可视性，常用技术包括对比度拉伸、直方图均衡化、锐化滤波和噪声抑制等增强算法可以是全局性的，也可以是基于局部自适应的，后者对于复杂场景效果更佳特征提取从图像中识别和提取关键特征，如边缘、纹理、几何形状等这是图像分析和目标识别的基础步骤，常用算法包括各种边缘检测器、形态学操作和纹理分析等图像融合将多源图像（如不同波段、不同传感器）融合为单一图像，提供更全面的信息融合方法包括像素级融合、特征级融合和决策级融合，应用广泛包括多光谱成像、医学诊断和军事侦察等信号处理与图像增强是现代光电成像系统的关键环节，随着算力提升，越来越多的成像功能通过软件实现现代系统通常包含专用的图像处理单元，如数字信号处理器DSP、现场可编程门阵列FPGA或图形处理器GPU，实现实时图像处理近年来，深度学习技术在图像处理领域取得重大突破，如基于卷积神经网络CNN的图像降噪、超分辨率重建和目标检测等这些AI技术正逐步应用于光电成像系统，进一步提升系统的智能化水平和应用价值成像系统性能评价性能指标定义测量方法空间分辨率系统分辨最小空间细节的能力解析测试卡、点扩散函数测量调制传递函数MTF系统对不同空间频率的响应条纹卡测试、刀口法、干涉测量信噪比SNR有用信号与噪声的比值均匀目标拍摄、标准差计算动态范围系统可表现的最大与最小亮度阶梯灰度卡测试、OECF曲线之比色彩还原系统再现原始色彩的准确度色卡测试、色差计算几何畸变图像几何形状的变形程度网格靶测试、畸变系数计算最小可探测温差MRTD红外系统分辨最小温差的能力标准四杆靶测试成像系统性能评价是衡量系统质量和指导优化的重要环节评价方法通常包括客观测量和主观评价两个方面客观测量使用标准测试卡、精密仪器和定量分析软件，获取系统的各项性能参数；主观评价则通过人眼观察或专家评价，判断图像的视觉质量和使用体验不同应用场景对系统性能有不同的侧重点例如，医疗成像强调高对比度和低噪声；安防监控注重宽动态范围和低光性能；遥感成像则关注几何准确性和光谱保真度因此，性能评价需要结合特定应用场景和用户需求，选择适当的测试方法和评价指标典型光电成像系统介绍医学成像系统遥感成像系统安防监控系统包括射线机、、、超声和内窥镜等设安装在卫星、飞机或无人机上的成像设备，用用于公共场所和重要设施安全监控的成像系统X CTMRI备，用于医学诊断和治疗指导这类系统对成于地球观测和资源勘察这类系统通常采用多现代安防系统通常结合可见光、红外和雷达等像质量和可靠性要求极高，通常采用专业级传光谱或高光谱成像技术，可同时获取目标的空多种传感器，实现全天候全天时监控近年来，感器和复杂的图像重建算法以内窥镜为例，间和光谱信息高端遥感系统的分辨率可达厘人工智能技术与安防系统深度融合，实现了人需要将复杂的光学和电子系统集成在极小的空米级，可广泛应用于农业、环境监测、城市规脸识别、行为分析和自动报警等智能功能，大间内，同时保证图像质量和操作灵活性划和防灾减灾等领域幅提升了安防效率除上述系统外，工业检测成像系统（如机器视觉、无损检测）、科学研究成像系统（如天文望远镜、高速相机）、消费级成像产品（如数码相机、智能手机）等也是重要的光电成像应用每类系统都有其特定的技术特点和设计重点，反映了光电成像技术在不同领域的广泛应用和深度创新第十章特殊光电成像技术特殊光电成像技术是针对常规成像难以满足的特定需求而发展的专门技术，通常采用特殊的物理原理或复杂的成像方法，获取常规成像无法获取的信息本章将介绍多光谱成像、高光谱成像、偏振成像和3D成像等几种重要的特殊成像技术，探讨它们的工作原理、系统构成和主要应用领域这些特殊成像技术在某些专业领域具有不可替代的作用，例如多光谱和高光谱成像在遥感和农业监测中可识别作物种类和生长状况；偏振成像在材料分析和水下成像中可提供额外的对比信息；3D成像则在工业测量、自动驾驶和增强现实等领域有广泛应用了解这些特殊成像技术，有助于拓展对光电成像技术应用空间的认识多光谱成像基本原理系统构成主要应用多光谱成像是同时在多个离散波段获取目典型的多光谱成像系统由前端光学系统、多光谱成像广泛应用于遥感、农业监测、标图像的技术，通常包含个波段，覆波段分离装置、多个探测器（或单个探测矿物勘探、环境监测和文物保护等领域3-10盖可见光、近红外或热红外区域相比常器与滤光轮组合）和数据处理单元组成在农业领域，多光谱成像可通过植被指数规成像，多光谱成像可获取更丰富的波段分离通常采用分光棱镜、干涉滤光片分析作物生长状况和病虫害；在环境监测RGB光谱信息，有助于识别物体的材质和状或液晶可调滤光器等实现数据处理包括中，可识别水体污染和植被变化；在文物态多光谱成像通常采用波段分离光学系光谱校正、图像配准和多波段数据融合等保护中，可发现肉眼不可见的古代绘画信统或滤光轮结构，将入射光分解为不同波环节，最终生成多波段数据立方体或假彩息此外，多光谱成像在医学诊断和食品段并分别成像色合成图像安全检测中也有重要应用多光谱成像技术在近几十年得到快速发展，从最初的航空航天遥感扩展到地面和近距离应用随着传感器技术进步和计算能力提升，多光谱成像系统正朝着小型化、低成本和实时处理方向发展例如，基于微型无人机的农业多光谱监测系统已成为精准农业的重要工具高光谱成像光谱数据获取利用成像光谱仪对目标场景进行扫描，获取连续的高分辨率光谱信息常用的扫描方式包括点扫描、线扫描和面扫描其中线扫描（推扫式）最为常用，特别是在遥感领域数据预处理对原始数据进行校正和标准化，包括暗场校正、平场校正、大气校正和几何校正等这些处理消除了仪器噪声、大气影响和几何畸变，提高数据质量特征提取与分析从高维光谱数据中提取有用信息，常用方法包括主成分分析PCA、最小噪声分离变换MNF、光谱角映射SAM等这些方法可降低数据维度，突出关键特征目标识别与分类基于光谱特征进行目标识别和分类，可采用监督分类（如支持向量机、神经网络）或非监督分类（如K均值、ISODATA）方法先进系统还结合空间信息进行分类，提高准确率高光谱成像是多光谱成像的扩展，通常在几十到几百个连续窄波段上获取图像，形成高光谱数据立方体（两个空间维度和一个光谱维度）与多光谱成像相比，高光谱成像提供更为详细的光谱信息，能够识别更为相似的物质，但数据量更大，处理更复杂高光谱成像最初主要用于地球观测和军事侦察，现已扩展到精准农业、矿物勘探、食品安全、药品鉴别、医学诊断等多个领域随着技术进步，高光谱相机正变得更小、更快和更便宜，使其应用范围不断扩大例如，手持式高光谱相机已应用于艺术品鉴定和手术中的组织识别偏振成像43偏振参数偏振滤光片偏振成像可测量的主要参数常用的偏振光学元件种类100%10+信息增益应用领域与常规成像相比的额外信息量偏振成像的主要应用场景数量偏振成像是利用光的偏振特性进行成像的技术，不同于传统成像只测量光的强度和颜色，偏振成像还可测量光的偏振状态，包括偏振度、偏振角和椭偏参数等光在与物体表面相互作用（如反射、散射、透射）时，其偏振状态会发生变化，这些变化包含了物体表面特性的信息，如粗糙度、折射率和双折射性等典型的偏振成像系统包括偏振光学元件（如偏振片、波片）和常规成像系统的组合根据获取方式不同，主要分为分时偏振成像（通过旋转偏振片获取不同偏振方向的图像）和单次偏振成像（使用分光棱镜或像素级偏振滤光器阵列同时获取多个偏振方向的图像）偏振成像在水下成像、目标探测、材料识别、生物医学和应力分析等领域有重要应用，能够提供常规成像难以获取的信息成像技术3D双目立体视觉结构光技术激光雷达模仿人眼双目视觉原理，通过两个相通过投影已知模式（如条纹、网格）通过测量激光脉冲发射到返回的时间机从不同角度拍摄同一场景，计算视到目标表面，从图像畸变计算深度信或相位差，直接获取距离信息技术差获取深度信息这是最早的3D成像息结构光系统精度高，适合近距离包括飞行时间TOF、相位测量和三方法，技术相对成熟，但精度受基线扫描，但受环境光和目标表面反射特角测量等激光雷达具有高精度和长长度和纹理丰富度影响广泛应用于性影响常用于3D扫描仪、面部识别距离能力，广泛用于自动驾驶、测绘机器人视觉和虚拟现实等领域和工业检测和工业机器人等领域摄影测量通过多视角拍摄和特征匹配，重建目标的3D结构这种方法只需常规相机，设备简单，但计算复杂，需要大量重叠视图在建筑测量、考古学和3D建模等领域应用广泛3D成像技术是获取物体或场景三维空间信息的技术集合，从初期的双目立体视觉到现代的深度相机和光场相机，技术路线日益多样化与传统2D成像相比，3D成像提供额外的深度维度，使计算机能够更全面地理解和分析物理世界近年来，3D成像技术发展迅速，特别是消费级深度相机（如Microsoft Kinect、Intel RealSense）的普及，大大拓展了3D成像的应用范围同时，深度学习技术与3D成像的结合也催生了新的应用方向，如从单张图像估计深度、3D物体识别和场景理解等未来3D成像技术将朝着更高精度、更长距离、更小型化和更智能化方向发展第十一章计算光学成像1传统成像与计算成像2计算成像基本流程传统成像通过光学系统形成完整清晰的图像，而计算成像则先获取经过特殊计算成像通常包括三个环节光场调制（通过特殊光学元件或照明方式对光编码的光场信息，再通过计算重建最终图像计算成像打破了传统光学成像场进行编码）、信息获取（记录编码后的光场信息）和计算重建（通过算法的限制，可实现超分辨率、宽场景、三维重建等特殊功能从编码信息中恢复所需图像）3算法与计算框架4应用领域计算成像依赖于强大的算法支持，包括正向建模（模拟光场传播和调制过程）计算成像已在生物显微镜、医学成像、遥感、安防和消费电子等领域取得应和反问题求解（从测量数据恢复原始信息）常用方法包括反卷积、稀疏表用特别是在突破传统光学极限（如衍射极限）、恶劣环境成像和多维信息示、压缩感知和深度学习等获取方面具有独特优势计算光学成像是光学、信息和计算机科学交叉发展的产物，代表了现代光电成像技术的重要发展方向本章将系统介绍计算成像的基本概念、关键技术和典型应用，展示这一领域的前沿进展和未来趋势计算光学成像概念图像重建1通过算法从编码数据恢复最终图像信息获取2记录经过编码的光场或光传播信息光场调制3使用特殊光学元件或方法对光场进行编码物理模型4建立光场传播和成像系统的数学描述计算光学成像是一种将物理光学与计算方法相结合的现代成像技术，其核心思想是将部分成像功能从光学硬件转移到计算软件中实现与传统成像直接通过光学系统获取可视图像不同，计算成像首先获取编码的光场信息，然后通过算法重建最终图像计算成像系统通常由三部分组成光学前端（实现光场调制）、传感器（记录光场信息）和计算后端（实现图像重建）这种成像范式的优势在于可以突破传统光学系统的物理限制，如衍射极限、景深限制、孔径限制等，实现超分辨率、超景深、超广角等传统光学系统难以达到的性能此外，计算成像还可以提取多维信息，如深度、光谱、偏振等，拓展了成像的信息维度单像素成像基本原理系统构成优势与应用单像素成像是一种无需传统成像阵列的计典型的单像素成像系统包括照明光源、空单像素成像的主要优势在于可利用特殊波算成像技术，它使用单个光电探测器（单间光调制器、单像素探测器和控制处理单段（如太赫兹、远红外等）的单个探测器/像素）和一系列已知模式的空间光调制器元光调制器按预设模式（如哈达玛矩实现成像，无需昂贵的探测器阵列；还可（如数字微镜器件）来获取目标场景阵、随机模式等）对场景进行调制，单像实现压缩感知采样，大幅减少所需测量次DMD的信息通过对场景进行多次不同模式的素探测器记录每种模式下的总光强，计算数主要应用包括光谱成像、三维成像、调制测量，然后利用计算方法重建完整图机通过这些测量值和对应模式重建原始图散射介质成像和量子成像等特殊场景像像单像素成像技术源于压缩感知理论的发展，该理论表明，对于可稀疏表示的信号，远低于奈奎斯特采样率的测量次数即可准确重建原始信号在实际应用中，单像素成像采用的测量模式和重建算法多种多样，包括哈达玛变换、小波变换、傅里叶变换以及基于深度学习的方法等尽管单像素成像存在成像速度慢的固有缺点（需要多次序贯测量），但随着高速光调制器和高效算法的发展，以及与其他技术（如光学鬼成像）的结合，其应用前景正不断扩展，特别是在特殊波段成像和极端环境成像等领域光场相机原理与结构后期对焦深度估计光场相机是一种能够记录光线方向和位置信息的计算光场相机的一个显著特点是能够在拍摄后通过算法调光场数据包含场景的三维结构信息，通过分析不同视成像设备传统光场相机通常采用微透镜阵列放置在整焦平面位置，实现先拍照，后对焦的功能这是角的视差，可以估计场景的深度图这一过程可以是传感器前方，将入射光线根据方向分离到不同像素，因为记录了完整光场信息，可以通过计算模拟不同焦基于传统计算机视觉算法的，也可以采用深度学习方从而记录四维光场信息（两个空间维度和两个角度维距的传统相机成像结果这一功能特别适用于无法预法深度信息可用于3D建模、场景理解和增强现实等度）也存在诸如编码孔径和多相机阵列等其他光场先确定精确焦点的拍摄场景应用采集方法光场相机是计算摄影学的重要代表，自2000年代初概念提出以来，经历了从学术研究到商业产品的发展历程与传统相机相比，光场相机在单次拍摄中捕获了更丰富的光学信息，但也面临空间分辨率降低的权衡例如，如果使用微透镜阵列，每个微透镜下的像素群记录了光线方向信息，但相应减少了空间采样点尽管商业光场相机（如Lytro）未获得广泛市场成功，但光场技术的理念已融入智能手机计算摄影和虚拟现实等领域例如，现代智能手机的人像模式模糊背景效果，就部分基于光场思想和深度估计技术未来光场技术可能与深度学习、增强现实和体积显示等技术深度融合，开拓新的应用空间压缩感知成像理论基础压缩感知成像基于稀疏性和不相干性两个关键概念稀疏性指信号在某个变换域（如小波域）中的表示大多为零或接近零；不相干性指采样矩阵与稀疏表示基之间的相关性低在这些条件下，远少于传统奈奎斯特采样率的测量就可以准确重建完整信号采样策略压缩感知成像采用特殊的采样方式，常见的包括随机采样、结构化随机矩阵和确定性子采样等这些采样模式可通过物理光学实现，如使用数字微镜器件DMD进行空间光调制，或利用特殊光学元件（如编码孔径）进行光场编码重建算法从压缩测量中恢复完整图像需要求解欠定线性方程组，这通常是一个优化问题常用算法包括基于L1范数最小化的凸优化方法（如LASSO、基追踪）、贪婪算法（如正交匹配追踪OMP）以及近年来发展的基于深度学习的方法应用场景压缩感知成像特别适用于数据获取成本高或受限的场景，如医学核磁共振成像（减少扫描时间）、高速摄影（减少数据传输量）、特殊波段成像（降低传感器成本）和空间遥感（减少数据传输带宽）等领域压缩感知成像是计算成像领域的一个重要分支，2006年由Donoho、Candès等人的理论工作奠定基础与传统的先采样后压缩范式不同，压缩感知直接在采样阶段进行数据压缩，大幅降低所需测量次数，特别适合稀疏场景的高效成像近年来，压缩感知与深度学习的结合成为研究热点一方面，深度神经网络可作为信号的稀疏表示工具；另一方面，端到端学习可同时优化采样模式和重建算法这种结合进一步提升了压缩感知成像的性能和适用范围，为高维数据的高效获取和处理提供了新思路第十二章光电成像技术的前沿发展多模态融合计算智能化多种传感器数据协同，提供丰富信息21赋能成像系统，实现自适应感知AI微纳光电子器件微型化，性能提升，功能扩展35生物灵感量子成像模仿生物视觉，创新成像架构4利用量子效应，突破经典成像极限光电成像技术正处于快速发展阶段，多学科交叉融合催生了诸多创新方向计算成像与人工智能的结合正重塑传统成像模式；新型光电材料和微纳器件为成像系统的小型化和高性能化提供了物质基础；量子技术和生物灵感设计则代表了更为前沿的探索方向本章将介绍光电成像技术的前沿研究方向和最新进展，包括新型光电材料与器件、前沿成像理念以及未来发展趋势通过了解这些前沿动态，帮助学生把握技术发展脉络，启发创新思维，为未来深入研究或实际应用奠定基础新型光电材料与器件新型光电材料是推动成像技术革新的物质基础近年来，多种新型材料在光电成像领域展现出巨大潜力钙钛矿材料因其优异的光电转换效率和可调光谱响应，成为新一代探测器的候选材料；二维材料（如石墨烯、过渡金属二硫化物）凭借其独特的物理特性，为超薄、高灵敏度光电器件提供了可能；量子点材料可通过尺寸调控实现精确的光谱选择性，在多光谱和高光谱成像中有特殊优势器件结构创新同样重要柔性光电器件使弯曲和可穿戴成像系统成为现实；超材料和亚波长光学结构能实现传统光学不可能完成的功能，如超分辨率成像和平面光学透镜；集成光电子器件则将多种功能（如探测、处理、显示）整合在单个芯片上，大幅减小系统体积和功耗这些新型材料和器件正在从实验室走向实际应用，并将重新定义未来光电成像系统的形态和性能边界光电成像技术的未来趋势1智能感知成像未来成像系统将更加智能化，能够根据场景和任务自适应调整参数和工作模式人工智能算法将深度融入成像过程的各个环节，从光学前端的自动优化到后端的智能解译，实现更高效的信息获取和理解例如，面向任务的自主采样系统可根据先验知识和实时反馈，优化感知资源分配2多维度成像从传统的二维平面图像向多维信息采集发展是明确趋势未来成像系统将同时获取空间、时间、光谱、偏振、相位等多维信息，提供更为全面的场景描述技术路线包括一体化多模态传感器、计算多维成像和高效信息编码等，这些技术将为科学研究、医学诊断和工业检测等领域带来革命性变化3微型化与普适化成像技术的微型化和普适化将持续深入随着微纳加工和系统集成技术的进步，超小型成像系统将被广泛嵌入各类设备和环境中，从医疗内窥镜到物联网节点，从可穿戴设备到微型机器人这种趋势将催生新的应用场景和商业模式，使成像功能成为未来智能世界的基础设施4生物启发成像生物视觉系统经过亿万年进化，形成了高效、鲁棒的感知机制未来成像技术将更多借鉴生物视觉原理，如昆虫复眼结构、视网膜预处理机制和脑视觉信息编码等这类生物启发设计不仅能提高系统效率，还可能创造出全新的成像范式，如事件驱动成像和注意力机制导向的动态感知系统等光电成像技术正处于传统光学成像向计算智能成像转变的关键时期未来发展将呈现多路径、多层次特点，从材料、器件、系统到算法全链条创新这一过程中，学科交叉将更加深入，光学、电子学、计算机科学、材料科学和生物学等领域的融合将催生更多颠覆性技术作为信息获取的基础技术，光电成像的进步将直接推动人工智能、虚拟现实、生物医学和智能制造等多个领域的发展对于光电工程专业的学生而言，把握这些发展趋势，在传统光电技术与前沿交叉领域均有所涉猎，将为未来的学术研究或工程实践奠定坚实基础。