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光电图像技术考试

光电图像技术核心考点梳理

光电转换原理

  1. 外光电效应

    • 原理：光照射金属表面，光子能量激发电子逸出
    • 材料：铯、锑等低逸出功金属
    • 应用：真空光电管、光电倍增管

  2. 内光电效应

    • 原理：半导体吸收光子产生电子-空穴对
    • 材料：硅、锗等半导体
    • 应用：光敏电阻、PIN型光电二极管

  3. 光伏效应

    • 原理：PN结在光照下产生电动势
    • 材料：单晶硅、多晶硅
    • 应用：太阳能电池、光电二极管
效应类型 原理核心 典型材料 输出信号 响应速度
外光电效应 电子逸出 金属镀层 电流 快（ns级）
内光电效应 载流子激发 半导体 电阻变化 较慢（μs级）
光伏效应 电动势生成 掺杂半导体 电压 中等（μs级）

图像传感器技术

  1. CCD传感器

    • 电荷耦合原理,需外部扫描电路
    • 优势：低噪声、高画质，适合高端摄影
    • 缺陷：高功耗、制造成本高

  2. CMOS传感器

    光电图像技术考试

    • 光电转换+行列选址一体化
    • 优势：低功耗、集成度高，主导消费市场
    • 缺陷：传统设计存在暗电流噪声
特性 CCD CMOS
功耗 高（需高压驱动） 低（数字读出）
制造成本 高（特殊工艺） 低（标准制程）
噪声表现 优秀（电荷转移） 一般（需降噪算法）
应用场景 专业摄影/医疗 手机/监控/车载

成像系统构成

  1. 光学系统

    • 镜头组：实现光线聚焦（焦距f=nD/(n-1)）
    • 滤光片：拜耳阵列（RGGB）实现彩色分光
    • 机械组件：光圈（F值=f/D）控制进光量

  2. 电子系统

    • 模拟前端：跨阻放大器（TIA）处理光电流
    • 模数转换：10-14bit ADC量化信号
    • 时序控制：全局快门/卷帘快门模式选择

图像处理基础

  1. 空间域处理

    • 平滑滤波：高斯滤波（σ=1.5时最佳平衡）
    • 锐化增强：拉普拉斯算子（二阶微分）
    • 形态学处理：开运算（先腐蚀后膨胀）

  2. 频域处理

    光电图像技术考试

    • 傅里叶变换：分离周期性噪声（如条纹干扰）
    • 小波变换：多尺度边缘检测（Haar小波基）

  3. 特征提取

    • SIFT算法：128维特征向量描述关键点
    • Hough变换：直线检测（ρ=xcosθ+ysinθ）

显示技术对比

技术指标 LCD（液晶） OLED（有机发光）
发光原理 背光透过偏振液晶 有机材料电致发光
响应时间 >5ms（灰阶响应） <1ms（直接发光）
色域覆盖 NTSC 72%（普通） DCI-P3 92%（高端）
功耗特性 全屏常亮背光 像素独立开关（省电40%）
最大亮度 300-500nit（常规） 1000-1500nit（峰值）

典型应用案例

  1. 安防监控

    • 低照度场景：选用Exmor R CMOS（背照式结构）
    • 宽动态范围：>80dB（同时看清强光/暗区）

  2. 医疗影像

    • CT探测器：闪烁体+a-Si平板传感器（DQE>60%）
    • OCT系统：光谱域成像（轴向分辨率~5μm）

  3. 工业检测

    光电图像技术考试

    • 表面缺陷：线阵相机+环形光源（分辨率12μm/pixel）
    • 三维重建：双目立体视觉（基线距离B=10cm时精度±0.1mm）

问题与解答专栏

Q1：为什么CMOS传感器在手机领域取代了CCD？
A1：主要因为三点：①CMOS支持片上AD转换，可减少外围电路；②全局快门技术解决运动模糊；③制造成本降低使像素尺寸缩小至1μm级别，满足高像素需求。

Q2：计算可见光波段（400-700nm）的单个光子能量范围。
A2：根据公式E=hc/λ，普朗克常数h=4.14×10^-15eV·s，光速c=3×10^8m/s，计算得：

  • 400nm对应E≈3.1eV
  • 700nm对应E≈1.78eV
    因此单个可见光光子能量范围为1.78-3.1e

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