光电成像动态传递函数分析

+∞
−∞
P( x, y)dxdy• ∫ L(t )dt
−∞
+∞
−∞
其中
(
)
∫∫
P (x , y ) ex p ( − i2π f x x + f y y d xd y
(
)
∫∫
∫
+∞ −∞
+∞ −∞
P ( x , y )d x d y
T T F( f t ) =
∫
L ( t ) e x p ( − i 2 π f t t )d t L (t )dt
的函数， 如果将式中的时间t视为空间位置x和运动速度v的函数，则上式可写为
O( f , v ) TTF ( f , v ) = = O( f )
π ∫ L(x, v )e dx ∫ L(x, v )dx
− i 2 fx −∞ +∞ −∞ +∞
L (x, v ) = L (x ) ∗
p[t ( x )] = v(x )
(
))
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第5张
按照光学传递函数理论，对于线性时空不变系统， 按照光学传递函数理论，对于线性时空不变系统，传递函数即为归一的系统点 扩散函数的傅立叶变换。那么，如果按三维情况记为一个动态的点扩散函数， 扩散函数的傅立叶变换。那么，如果按三维情况记为一个动态的点扩散函数， 有
P = P(x , y , t )
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第3张
2.电子光学系统的滞后 2.电子光学系统的滞后 宽束成像的电子光学系统和细束的电子枪聚焦系统的电子都由于初速及出射角 的不同而产生渡越时间的分散，由此造成时间响应的滞后。 的不同而产生渡越时间的分散，由此造成时间响应的滞后。与此类似的微通道板中 的电子，也由于每次倍增过程引入的渡越时间分散而产生滞后效应。定量分析表明： 的电子，也由于每次倍增过程引入的渡越时间分散而产生滞后效应。定量分析表明： 由电子光学系统造成的弛豫时间在10 数量级。因此， 由电子光学系统造成的弛豫时间在10-11～10-12s数量级。因此，除用于高速摄影的像 管之外，通常可以不考虑这一惰性因素。 管之外，通常可以不考虑这一惰性因素。 3.电子束对靶面充电的滞后 3.电子束对靶面充电的滞后 在电视摄像系统中，电子束对靶面充电的惰性是较主要的因素， 在电视摄像系统中，电子束对靶面充电的惰性是较主要的因素，它决定于靶面 等效电容与电子束等效电阻构成的充电回路的时间常数。 等效电容与电子束等效电阻构成的充电回路的时间常数。通常称这一滞后因素为电 容性情性。 容性情性。 4.荧光屏的滞后 4.荧光屏的滞后 光电成像系统中显示环节是造成惰性的主要因素， 光电成像系统中显示环节是造成惰性的主要因素，其主要来源于荧光屏受激过 程在复合发光之前产生的暂态俘获。 程在复合发光之前产生的暂态俘获。陷阱能级上电子再释放的时间分散决定了发光 的滞后。这种时间滞后在荧光屏发光下降过程比上升过程严重， 的滞后。这种时间滞后在荧光屏发光下降过程比上升过程严重，因此讨论荧光屏的 惰性主要以下降过程的滞后为主。所以，通常可以只考虑荧光屏的余辉过程。 惰性主要以下降过程的滞后为主。所以，通常可以只考虑荧光屏的余辉过程。
光电成像动态传递函数分析
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第1张
众所周知， 众所周知，任何光学图像都是随时间变化的二维空间分布的光强信 不考虑相位时），因此， ），因此 息（不考虑相位时），因此，光电成像系统的时间响应特性必将影响到 器件本身的空间频率传递特性和输出信噪比特性。所以， 器件本身的空间频率传递特性和输出信噪比特性。所以，要定量描述光 电成像器件的动态成像情况， 电成像器件的动态成像情况，应该同时考虑到系统的空间滤波特性和时 间响应特性，才能准确地反映成像系统对动态图像的空间探测性能。 间响应特性，才能准确地反映成像系统对动态图像的空间探测性能。 一般说来，光电成像系统的许多环节具有时延特性， 一般说来，光电成像系统的许多环节具有时延特性，特别是微光或非可 见光成像系统，这种时延特性更为明显。 见光成像系统，这种时延特性更为明显。 绝大部分的光电成像系统观察的对象都是运动目标， 绝大部分的光电成像系统观察的对象都是运动目标，而光电成像系 统的承载工具或者由观察者手持、或者安装在运动的车辆、 统的承载工具或者由观察者手持、或者安装在运动的车辆、舰船以及飞 行器上等。因此，人们的实际观察总是在动态中进行的，所以， 行器上等。因此，人们的实际观察总是在动态中进行的，所以，有文献 认为这种光电成像系统的成像实际上均可视为是对动态图像（ 认为这种光电成像系统的成像实际上均可视为是对动态图像（广义的图 的成像。 像）的成像。动态图像可以用具有两维空间分布和一维时间分布的光强 函数表示。由于光电成像系统的成像过程伴随时延现象， 函数表示。由于光电成像系统的成像过程伴随时延现象，所以它对动态 图像的空间探测特性将明显不同于对静态图像的空间探测特性。 图像的空间探测特性将明显不同于对静态图像的空间探测特性。
MTF ( f x , f y , ft ) = d
∫∫
+∞
−∞
P( x, y ) exp(− i2π ( f x x + f y y))dxdy• ∫ L(t )exp(− i2πfttdt)
+∞
= MTF( f x , f y ) • TTF( ft )
M TF f x, f y =
+∞ −∞
∫∫
P( x, y,Байду номын сангаасt ) = P( x, y ) ∗ L(t )
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第6张
显然， 是静态时空域响应的点扩散函数， 显然，上式的P（x，y）是静态时空域响应的点扩散函数，称为空域因 则为只与时间有关的亮度衰减函数称为时域因子。 子，L（t）则为只与时间有关的亮度衰减函数称为时域因子。 则
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第2张
光电成像过程中存在有惰性环节，如荧光屏、光电导靶等， 光电成像过程中存在有惰性环节，如荧光屏、光电导靶等，因此产 生时间滞后。这些惰性环节将影响光电成像的动态响应特性。 生时间滞后。这些惰性环节将影响光电成像的动态响应特性。 5.1 光电成像产生惰性的因素 光电成像器件完成图像信息的转换及增强过程中， 光电成像器件完成图像信息的转换及增强过程中，由于以下的因素 产生时间滞后。 产生时间滞后。 1.光敏面的量子转换滞后 1.光敏面的量子转换滞后 光敏面借助于外光电效应或内光电效应来完成光电转换过程。 光敏面借助于外光电效应或内光电效应来完成光电转换过程。外光 电效世的弛豫时间决定于光子激发电子的寿命与迁移到表面的时间分散。 电效世的弛豫时间决定于光子激发电子的寿命与迁移到表面的时间分散。 正电子亲和势光电阴极的受激电子寿命为10 正电子亲和势光电阴极的受激电子寿命为10-15～10-16s，负电子亲和势光 电阴极的受激电子寿命为10 电阴极的受激电子寿命为10-12～10-13s。所以外光电效应的弛豫时间是次 要因素，通常可以忽略。而内光电效应则产生较大的惰性， 要因素，通常可以忽略。而内光电效应则产生较大的惰性，这是因为内 光电效应的光生载流子寿命为10 并且还存在着暂态俘获效应。 光电效应的光生载流子寿命为10-6～10-8s，并且还存在着暂态俘获效应。
f ( x, y, t ) =
∫∫∫
+∞
−∞
F f x , , f y , f t exp i 2π f x x + f y y + f t t • df x df y df t
+∞
(
)
( (
(
))
其中
F f x , f y , ft =
(
) ∫∫∫
−∞
f ( x , y , t ) exp − i 2π f x x + f y y + f t t • dxdydt
I out ( t ) = I 0 G = I 0 G exp ( − t τ )
t＜0 ＜ t≥0
t <0 t≥0
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第8张
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第9张
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第4张
5.2 光电成像系统动态成像过程分析 设通常的实时图像采用三维形式来表达， 设通常的实时图像采用三维形式来表达，即
g = g( x, y, t )
即，一幅实时图像，可以表征为空域分量x，y和时域分量t的函数，这里空域 一幅实时图像， 的函数， 分量反映的是位置特征，时域分量反映的是顺序特征，二者是相互关联的。所以， 分量反映的是位置特征，时域分量反映的是顺序特征，二者是相互关联的。所以， 在光电成像系统中动态图像的成像特性应由其所在的空域和时域响应特性共同来确 定。 对成像过程满足空间卷积过程的光电成像系统， 对成像过程满足空间卷积过程的光电成像系统，其动态特性的研究仍然可以采 用傅立叶分析的方法， 用傅立叶分析的方法，即
P (x ′) ∫−∞ v(x ′) L(x − x ′)dx ′
+∞
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第7张
MTF的表达式式是决定于光电成像器件的像差和孔径衍射的影响，即静态 的表达式式是决定于光电成像器件的像差和孔径衍射的影响， 的表达式式是决定于光电成像器件的像差和孔径衍射的影响 传递函数， TTF的表达式则决定于时间响应特性 即动态衰减函数。 的表达式则决定于时间响应特性， 传递函数，而TTF的表达式则决定于时间响应特性，即动态衰减函数。从 前式可以看出TTF（ft）≤1，故MTFd的表达式可知，光电成像器件的动态 的表达式可知， 前式可以看出 （ 响应特性必然要低于静态响应特性。 响应特性必然要低于静态响应特性。 5.3 像管的动态传递函数模型与分析 光电成像系统都具有光学系统，但由于光学系统不具有时延特性， 光电成像系统都具有光学系统，但由于光学系统不具有时延特性，故可以认 为其传递函数与被观测目标的运动状况无关。因此， 为其传递函数与被观测目标的运动状况无关。因此，我们可以只考虑具有时延特 性的环节，即光电转换器件、信号处理电路和显示器等， 性的环节，即光电转换器件、信号处理电路和显示器等，这里仍单独分析各自环 节的时间响应影响，然后，按照上述理论给出光电成像系统的动态调制传递函数。 节的时间响应影响，然后，按照上述理论给出光电成像系统的动态调制传递函数。 1.像管的动态衰减函数 1.像管的动态衰减函数 针对直视微光夜视器件，其时间响应特性主要取决于荧光屏的余辉。下面 针对直视微光夜视器件，其时间响应特性主要取决于荧光屏的余辉。 对屏取指数衰减形式的余辉函数进行分析， 对屏取指数衰减形式的余辉函数进行分析，即相对于输入一个阶跃光脉冲 Iin（t）= I0 ） =0 荧光屏相应的光强变化为