第五章 电子图像的成像理论

电子成像原理电子成像是指利用电子器件和技术将光学图像转换为电子信号，并通过相应的电子设备进行处理和显示的过程。

它在现代科学、医学、工业等领域中广泛应用，成为了人们观察和分析事物的重要手段。

本文将简要介绍电子成像的原理。

电子成像的原理可以分为三个关键步骤：图像采集、信号转换和信号处理。

一、图像采集图像采集是指将光学图像转化为电子信号的过程。

它通常是通过摄像机等电子设备实现的。

摄像机内部主要由图像感受器、光学成像系统、光电转换器等组成。

图像感受器是作为成像部件的核心，主要包括光敏元件和色彩滤光器等。

光敏元件可以将光信号转化为电信号。

通常使用的光敏元件有CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器。

它们能够将光子产生的电荷转换为电压信号，进一步进行处理和传输。

光学成像系统由透镜、光圈和滤光器等组成。

它的主要作用是将光线聚焦到图像感受器上，以实现对光学图像的有效捕捉。

光电转换器是将光敏元件接收到的光信号转化为电信号输出的部分。

它对接收到的光信号进行放大和调制，以得到更为精确和稳定的电信号输出。

二、信号转换在图像采集之后，需要将光信号转换为电信号。

这一步骤主要依赖于图像感受器内部的光敏元件。

当光线照射到光敏元件上时，光敏元件将光信号转换为电信号输出。

CCD图像传感器是目前应用最为广泛的图像感受器之一。

当光线照射到CCD上时，光敏元件将光子产生的电荷储存在特定区域，然后通过电信号进行读出。

CMOS图像传感器则利用所采用的互补金属氧化物半导体技术，将光子产生的电荷转换为电压信号输出。

通过信号转换，光学图像得以转化为电子信号，为后续的信号处理提供基础。

三、信号处理信号处理是将电信号进行处理和加工，最终呈现在显示器上的过程。

信号处理旨在提高图像的质量和清晰度，使得成像结果更加准确和准确。

信号处理的主要方法包括放大、噪声过滤、增强对比度和颜色校正等。

放大图像信号可以使细节更加清晰可见，噪声过滤则能够消除由于传感器或其他因素引入的干扰信号，增强对比度和颜色校正则能够使图像更具鲜明和真实感。

《光电成像原理与技术》教学大纲课程编号：OPT04043英文名称：The Principle Of Photo-electronic Imaging and Technology学分：3 学时：48 (理论学时：48)先修课程：半导体物理、电动力学、应用光学、物理光学一、目的与任务本课程为光电信息科学与工程专业的专业教育必修课程。

通过本课程的学习，可以培养学生运用所学数理知识和方法认识和分析各种光电成像器件工作机理的能力和创新意识，提高学生对光电成像系统整体技术构成的认识，为他们走上工作岗位从事相关的工作奠定理论基础和技术基础。

通过对本学科新理论、新器件、新系统的认识，还可以使学生了解到本学科的最新发展动态和技术前沿。

本课程的内容亦军亦民，与国防装备密切相关，因此，本课程的学习可以培养学生的爱国主义精神和大国防意识。

课程主要介绍各类光电成像器件的基本工作原理和各种光电成像系统的结构以及相关的学科知识和技术。

课程的任务是使学生掌握光电成像器件的基础理论和光电成像技术的基本原理，完成知识综合的教育和系统应用的教育。

课程强调应用所学习的基础理论和方法分析光电成像器件各环节的物理过程，理解和认识光电成像系统的结构、各子系统的作用，掌握光电成像技术的基本理论、思想方法和基本技术等。

二、教学内容及学时分配（48学时）第1章绪论（2学时）1.1.光电成像技术的产生及发展1.2.光电成像技术对视见光谱域和视见灵敏阈的延伸1.3.光电成像技术的应用范畴1.4.光电成像器件的分类1.5.光电成像器件的特性第2章人眼的视觉特性与图像探测（2学时）2.1.人眼的视觉特性与模型2.2.图像探测理论与图像探测方程2.3.约翰逊准则第3章辐射源与典型景物辐射（2学时）3.1.辐射度量及光度量3.2.朗伯辐射体及其辐射特性3.3.黑体辐射定律3.4.辐射源及其特性第4章辐射在大气中的传输（2学时）4.1 大气的构成4.2 大气消光及大气窗口4.3大气吸收和散射的计算4.4大气消光对光电成像系统性能的影响第5章直视型电真空成像物理（8学时）5.1.像管成像的物理过程5.2.像管的类型与结构5.3.图像的光电转换5.4.电子图像的成像5.5.电子图像的发光显示5.6.光学图像的传像与电子图像的倍增第6章直视型电真空成像系统与特性分析（4学时）6.1.微光夜视系统的结构与特点6.2.直视型微光成像系统的总体设计6.3.主动红外夜视系统的结构与特点6.4.夜视系统的作用距离第7章电视型电真空成像物理（4学时）7.1.电视摄像的基本原理7.2.光电导型摄像器件7.3.光电发射型摄像器件7.4.摄像管的主要性能参数7.5.热释电摄像器件第8章固体成像器件（CCD和CMOS）原理及应用（8学时）D的物理基础D的结构与工作原理D成像原理与性能参数8.4.增强型CCD及其工作原理D的TDI工作方式D的应用8.7.CMOS成像器件及其应用第9章电视型光电成像系统分析（2学时）9.1.电视系统的组成与工作原理9.2.电视信号的发送与接收9.3.实用微光电视系统第10章红外热成像器件成像物理（8学时）10.1.红外探测器的分类10.2.红外探测器的工作条件与性能参数10.3.光电导型红外探测器10.4.光伏型红外探测器10.5.红外焦平面阵列探测器10.6.非制冷红外焦平面阵列探测器10.7.量子阱红外探测器第11章红外热成像系统及其分析（6学时）11.1.热成像系统的分类与基本参数11.2.光机扫描系统11.3.制冷器工作原理与分类11.4.热成像系统视频信号的处理与显示11.5.热成像系统的性能模型与作用距离11.6.热成像系统的总体设计的基本考虑三、考核与成绩评定本课程以课堂教学为主，平时成绩占总成绩的30%（平时考核10％＋课外作业20％）。

电子显微图像形成原理电子显微图像是扫描电子显微镜下形成的图像，其根本成像原理是阿贝成像原理。

电子衍射形成衍射谱，衍射谱中透射斑与各个衍射斑的球面波相互干涉，在像平面形成图像，形成一副黑白衬度的图像。

究竟其衬度又是如何形成的呢？扫描电子显微镜主要可以产生三种衬度，分别是质厚衬度、衍射衬度、相位衬度。

质厚衬度由于样品不同微区原子序数不同或厚度的不同而形成的衬度叫做质厚衬度。

衍射衬度由于样品不同区域其晶体结构与取向不同，从而导致电子束满足布拉格条件的程度不同，于是在样品下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这种衬度叫做衍射衬度。

如需更好的了解衍射衬度，需要应用到运动学理论，简称衍衬运动学理论。

衍衬运动学理论存在两个基本假设：1.入射电子在样品中只可能受到不多于一次的散射2.入射电子在样品中传播过程中，能量衰减可以被忽略，即衍射束强度与透射束相比始终很小满足以上两种假设，可以得出两个近似条件：1.采用足够薄的样品进行衍射，使电子产生多次散射的机会减少到可以忽略不计的程度。

同时参与衍射的原子不多，衍射束强度较弱。

2.使电子束处于足够偏离布拉格方程的位向，取得较大的偏移量，可以减小衍射束强度。

其中质厚衬度与衍射衬度都属于振幅衬度，振幅衬度是与相位衬度相区别。

振幅衬度是在明暗场成像情况下，由于光束被挡导致其强度降低，从而形成的衬度。

相位衬度由透射束与衍射束在像平面相互干涉，由于透射束与衍射束相位差引起相干波强度的不同，从而形成的衬度叫相位衬度。

应用质厚衬度主要用于生物样品、非晶复型薄膜电子图像。

衍射衬度主要用于分析晶体缺陷。

相位衬度主要用于解释图像衬度与样品结构中原子及其排列情况的对应关系。

明场像选取光阑透过透射束而挡掉衍射束所成的像，叫做明场像。

暗场像选取光阑透过衍射束而挡掉透射束所形成的像，叫做暗场像，其中不移动光阑就透过衍射束而形成的像叫中心暗场像。

高分辨率像透射束加衍射束相互干涉形成的像，可以获得高分辨率的晶格点阵像和晶格结构像，展现物质材料在原子尺度上的精细结构。

电子成像原理
电子成像是指利用电子技术将物体的影像转化为电子信号，并通过电子设备显示出来的一种成像技术。

其原理基于光电效应和电子传输技术。

电子成像的原理主要包括以下几个步骤：
1. 光电转换：首先，光线通过透镜或其他光学元件聚焦到光电转换的夫琅禾费电子倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）或者光电二极管（Photodiode）等器件上。

光电转换器件内的光敏材料会受到光的能量激发，产生光电子。

2. 入射电子转换：光电子会经过加速电场的作用，进一步转化为入射电子。

入射电子被聚束系统聚焦成一束细且平行的电子束。

3. 电子传输：入射电子束经过一系列的聚焦透镜和磁场聚束装置，按照一定的轨道进行传输。

这些透镜和磁场聚束装置的功能是调节电子束的路径，使其能够准确扫描物体表面。

4. 信号采集与处理：在电子束扫描物体表面的过程中，入射电子会与物体表面发生相互作用，产生散射电子。

散射电子的信息被探测器接收，并转换为电信号。

5. 数字化与显示：采集到的电信号经过放大、放大、滤波等处理后，被转换为数字化的信号。

这些数字信号经过编码和压缩等处理，最终通过显示屏或其他图像显示设备展示出来。

通过以上步骤，电子成像实现了物体影像的转换、传输与显示。

电子成像技术广泛应用于电子显微镜、电子望远镜、电视摄像机、数码相机等领域。

成像理论重点X线成像理论傅里叶变换的物理意义：图像重建：将获得影像数值作f(x)，将它进行傅氏变换H（w），然后将傅氏变换F（w）进行逆变换，可得到原来的影像数值f(t),即为图像重建。

MTF:整个成像系统的光学传递函数等于各个单元光学传递黄数的乘积，即：H（w）=H1（w）*H2(w)﹉﹉Hn(w)上式包括了调制传递函数︱H（w）︱和相位传递@（w）的关系，即;︱H（w）︱=︱H1（w）︱*︱H2(w)︱﹉﹉︱Hn(w)︱α（w）=α1（w）+α2(w)……+ αn(w)各单元的MTF值只会使总的成像系统的MTF值降低，不可能有补偿作用：可见总的MTF值比任何一个单元的MTF都低。

MTF是描述成像系统优劣程度的物理量。

人眼观察的影像模糊的空间频率并不是理论上的极限分辨力，而是MTF值等于0.05所对应的的空间频率，此频率称为鉴别频率。

MTF的物理意义：1.MTF曲线横坐标便是空间频率（Lp/mm）w=1/2d(Lp/mm),显然横坐标各个w值是按病灶线径大小d值而排列的一组数值。

当d↑则w↓当d→∞，则w=0，当d→1/2d，则MTF=0 d代表病灶的大小，此w 值称为极限分辨力。

2．纵坐标︱H（w）︱表示MTF值，表示的是︱H（w）︱随着空间频率w值变化而变化，即表示输出影像的不同的信号.大小（w值）的再现率︱︱H（w）︱是不一样的。

卷积计算成像：I (x)=∫I(x)L(x-t)dt 即I（x）=I(x)*L（x）上式分析说明，光学成像系统的影像亮度分布I（x）可用理想成像亮度分布I（x）同线扩散函数L（x）d的卷积求出。

意义：使能量重新分布，使输出的影像亮度对比度降低。

极限分辨率公式及应用：几何学模糊：空间分辨率：是指在某物体间对X线吸收具有高的差异、形成高对比的条件下，鉴别其细微结构的能力。

密度分辨力：是指在低对比度情况下分辨物体密度微小差异的能力。

X线质的表示方法：⑴常规X线：KVCI滤过，管电压，固定滤过，附加滤过⑵400kv以下：用半价层表示⑶400kv以上：用半值深度HVD表示。