光电成像系统复习

光电成像系统基础理论

第一章：

1. 人眼视觉性能的局限性；

(1)灵敏度的限制：光线很差时人的视觉能力很差；

(2)分辨力的限制：没有足够的视角和对比度就难以辨识；

(3)时间上的限制：变化过去的影像无法存留在视觉上；

(4)空间上的限制：离开的空间人眼将无法观察；

(5)光谱上的限制：人眼局限于电磁波的可见光区；

因此，眼睛的直观视觉只能有条件地提供图像信息，为了突破人眼的限制催生了光电成像技术这门学科。扩展视见光谱范围、视见灵敏度和时空限制。

2.光电成像系统的分类以及各自的工作方式；

（1）直视型光电成像系统

工作方式：①通过外光电效应将入射的辐射图像转换为电子图像；②由电场或电磁场的聚焦加速作用进行能量增强以及通过二次发射作用进行电子倍增;③经过增强的电子图像轰击荧光屏，激发荧光屏产生可见光图像。

（2）电视型光电成像系统

工作方式：①接收二维的光学图像或热图像,②利用光敏面的光电效应或热电效应将其转换为二维电荷图像并进行适当时间的存储,③然后通过电子束扫描或电荷耦合转移等方式, 输出一维时间的视频信号。

3.变像管与像增强器的异同。

变像管：接受非可见辐射图像的直视型光电成像器件：红外变像管、紫外变像管和X 射线变像管等。

共同特点：入射图像的光谱和出射图像的光谱完全不同，输出图像的光谱是可见光。像增强器：接受微弱可见光图像的直视型光电成像器件：级联式像增强器、带微通道板的像增强器、负电子亲和势光阴极的像增强器等。

共同特点：输入的光学图像极其微弱，经器件内电子图像的能量增强和数量倍增后通过荧光屏输出可见光学图像。

第二章：

1. 绝对视觉阈、阈值对比度、光谱灵敏度；

人眼的绝对视觉阈

所谓人眼的绝对视觉阈，是在充分暗适应的状态下，全黑视场中，人眼感觉到的最小光刺激值(用照度表示，单位lx)，在10-9数量级。

人眼的阈值对比度

阈值对比度是指在一定背景下把目标鉴别出来所必须的目标在背景中的衬度(对比度C)。C的倒数成为反衬灵敏度。

人眼的光谱灵敏度

人眼对不同波长的光具有不同的灵敏度响应，不同人的眼睛，对波长灵敏度响应也有差异。

在可见光区域内，任意波长与555 nm波长处的辐射功率之比称为光谱灵敏度，其构成的曲线就称为光谱响应曲线。

2.约翰逊准则对探测水平的分级及其各自的定义；

人眼在搜索目标像时，眼睛的连续响应可分为探测(发现)、定向、识别和辨别四个等级(探测水平)。

探测 视场内发现目标 分辨力1.0左右 定向 可大致区分目标是否对称及方位 1.4 识别 可将目标分类 分辨力4.0 辨别 区分型号及其他特征 6.4 3. Rand 探测-识别模型。

其中，PR 是显示器上目标的识别概率，P1是搜索一个确定的包含有目标的面积时，扫视到目标的概率；P2是扫视到的目标被探测的概率，称为对比度探测；P3是探测到的目标被识别的概率；η是总的噪声引起的衰减因子。 4.Rand 模型如何把搜索过程简单化？

探测—识别模型没有考虑噪声对P1、P2、P3影响，用总噪声的衰减因子表示噪声对识别概率的影响：

式中，SNR 是输出显示信噪比。

探测—识别Rand 模型采用了分离变量的方法，使P1、P2、P3表示为不受噪声影响的少数几个参数的函数，并把噪声项进行单独处理，从而把问题简单化。

第三章：

1. 基尔霍夫定律及其物理意义；

基尔霍夫(1859)定律：物体的发射本领e λ或辐射出射度M 和吸收本领a 的比值与物体的性质无关，只与波长和温度有关，都等于同一温度下绝对黑体(a=1)的辐射出射度M0，即： 基尔霍夫定律的物理意义：

吸收本领大的物体，其发射本领也大，如果物体不能发射某一波长的辐射能，那么它也不能吸收该波长的辐射能，反之亦然。 2. 辐射度量与光度量的联系与区别；

光辐射度量有两套度量系统：辐射度学和光度学。辐射度学建立在物理测量基础上，是辐射能的客观度量，不受人眼主观视觉的限制，适用于整个光辐射范围；辐射度学参数是纯粹的技术参数，不涉及光对人类的影响作用，这些参数可从功率单位瓦特推导得到。光度学建立在人眼对光辐射的主观感觉基础上，需要考虑人眼的光谱响应曲线，是心理物理法的测量，不适用于红外辐射、紫外辐射；光度学参数是从光通量单位流明推导得到。 波长λ的辐射通量P λ和引起人眼感受的光通量Φλ的关系： 对于某波段[λa,λb]的辐射功率所产生的光通量为: 式中，Δλ=λi-λi-1，是第i 个波长区间的宽度。

3. 红外目标仿真器的基本要求；目前通过哪几种技术途径实现。 红外场景仿真器的6个技术要求

123R Rand P P P P η

=⋅⋅⋅模型(变量分离方法)：()12

012M M M f T a a ==⋅⋅⋅==()1exp 1,10, 1SNR SNR SNR η⎧---⎡⎤⎪⎣⎦=≥⎨<⎪⎩m K V P λλλΦ=⋅⋅~b a b a m K V P d λλλλλλλΦ=⋅⎰~a b i i b

m i a

K V P λλλλλ

=Φ

=⋅∆∑

(1) 温度范围

(2) 温度分辨力—红外目标仿真器产生的最小温差

(3) 空间分辨力—红外仿真器产生场景的空间分辨水平 (4) 动态范围（灰度级） (5) 时间分辨力 (6) 目标图像尺寸

红外目标仿真的方法：

热辐射法：直接产生红外辐射；通过温度控制产生红外辐射。 可见光-红外图像变换法：用可见光-红外图像变换器将可见光进行波长变换，产生红外图像。

视型光电成像系统

第五章：

1. 像管的性能参数； (1) 光谱响应特性 (2). 增益特性 (3) 背景特性 (4)成像特性

2. 负电子亲和势光阴极

对于正电子亲和势光阴极，迁移到表面的受激电子必须克服电子亲和势才能产生光电发射，限制了这种类型光阴极的量子效率提高以及向长波长方向扩展。负电子亲和势能够大大改善这两个方面。

3. 光敏面发射电子过渡过程的分析(中心区电位的变化)； 对于选通式的像管或者是连续像管在输入突变的辐射信号时，在光敏面中心区将产生光电转换的动态过渡过程：中心区因接受瞬间强辐射而失去大量的电子，由于面电阻高使得在此瞬间不能及时补充失去的电子，导致中心区的电位升高，从而造成光敏面上的电位不一致。

4. 规范化电位； 规范化电位：表示选择电子动能为零的地方作为电位的零点，用该规范化电位直接表示电子的动能。

5. 电子光学系统轴上点和轴外点理想成像的讨论

对于轴上点，有r(z0)=0，高斯轨迹方程解的形式为：

对于会聚电子透镜，电子受到向轴的径向力作用，以单位斜率发射的电子沿z 轴方向运

动一段距离以后必交与z=zi 点，所以有 因此，轴上点z0的电子以单位斜率发射的特解成像于轴上点zi ，根据二阶线性齐次方程，其余不同斜率发射的电子也将成像于该像点zi 。 对于离轴点，并且考虑离轴单位距离平行发射电子的这个特解，高斯轨迹方程解的形式

为： 即：物平面z=z0上的离轴点平行发射的电子成像于像平面z=zi 上的某一点，根据二阶线性齐次方程或者上式解的形式，物平面上该物点以不同的斜率发射的电子都将在像平面上会聚

于该像点，该像点坐标为：

因此，不管是轴上点还是离轴点，不同斜率发射的所有电子都能会聚于像平面上同一点，

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