直视型光电成像系统与
光电成像技术玉林师范学院期末考试讲解
光电成像技术玉林师范学院期末考试讲解1.简述：（1）CMOS器件和CCD器件的工作原理上有什么相同点和不同点；答：CMOS图像传感器的光电转换原理与CCD基本相同，其光敏单元受到光照后产生光生电子。
而信号的读出方法却与CCD不同，每个CMOS源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出，工作时仅需工作电压信号，而CCD读取信号需要多路外部驱动。
（2）在应用上各自有什么优缺点，以及各自的应用领域是什么？答：优缺点比较：CMOS与CCD图像传感器相比，具有功耗低、摄像系统尺寸小，可将图像处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点，但其图像质量（特别是低亮度环境下）与系统灵活性与CCD的相比相对较低。
灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力，而CCD灵敏度较CMOS高30%～50%。
电子-电压转换率表示每个信号电子转换为电压信号的大小，由于CMOS在像元中采用高增益低功耗互补放大器结构，其电压转换率略优于CCD。
运用的领域：CMOS传感器在低端成像系统中具有广泛运用，如数码相机，微型和超微型摄像机。
CCD在工业生产中的应用广泛，如冶金部门中的各种管、线轧制过程中的尺寸测量。
（3）全球生产CMOS器件和CCD几件的企业有哪些？分别位于哪些国家，并对先关企业进行简要描述。
2、简要概述《光电成像原理与技术》各章的主要内容，并用自己的语言陈述各章之间的联系（文字在1000字以上）。
答：1.光电成像技术的产生及发展，光电成像对视见光谱域的延伸，光电成像技术的应用范畴，光电成像器件的分类，光电成像器件的特性。
2.人眼的视觉特性与图像探测：人眼的视觉特性与模型，图像探测理论与图像探测方程，目标的探测与识别。
3.辐射源与典型景物辐射：辐射度量及光度量，朗伯辐射体及其辐射特性，黑体辐射定律，辐射源及其特性。
4.辐射在大气中的传输：大气的构成，大气消光及大气窗口，大气吸收和散射的计算，大气消光对光电成像系统性能的影响。
光电成像原理与技术考试要点概要
光电成像原理与技术考试要点第一章：1. 试述光电成像技术对视见光谱域的延伸以及所受到的限制。
答:[1]电磁波的波动方程该方程电磁波传递图像信息物空间和像空间的定量关系，通过经典电磁场理论可以处理电磁波全部的成像问题[2] 收到的限制：当电磁波的波长增大时，所能获得的图像分辨力将显著降低。
对波长超过毫米量级的电磁波而言，用有限孔径和焦距的成像系统所获得的图像分辨力将会很低。
因此实际上己排除了波长较长的电磁波的成像作用。
目前光电成像对光谱长波阔的延伸仅扩展到亚毫米波成像。
除了衍射造成分辨力下降限制了将长波电磁波用于成像外，用于成像的电磁波也存在一个短波限。
通常把这个短波限确定在X射线（Roentgen射线与y射线（Gamma射线波段。
这是因为波长更短的辐射具有极强的穿透能力，所以，宇宙射线难以在普通条件下聚焦成像。
2. 光电成像技术在哪些领域得到广泛的应用？光电成像技术突破了人眼的哪些限制？答:[1]应用:（1人眼的视觉特性（2各种辐射源及目标、背景特性（3大气光学特性对辐射传输的影响（4成像光学系统（5光辐射探测器及致冷器（6信号的电子学处理（7图像的显示[2]突破了人眼的限制：（1可以拓展人眼对不可见辐射的接受能力（2可以拓展人眼对微弱光图像的探测能力（3可以捕捉人眼无法分辨的细节（4可以将超快速现象存储下来3. 光电成像器件可分为哪两大类？各有什么特点？答:［1］直视型:用于直接观察的仪器中，器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分,可直接显示输出图像，通常使用光电发射效应，也成像管.［2］电视型:于电视摄像和热成像系统中。
器件本身的功能是完成将二维空间的可见光图像或辐射图像转换成一维时间的视频电信号使用光电发射效应或光电导效应，不直接显示图像.4. 什么是变像管？什么是像增强器？试比较二者的异同。
答:［1］变像管:接收非可见辐射图像，如红外变像管等，特点是入射图像和出射图像的光谱不同。
［2］像增强器：接收微弱可见光辐射图像，如带有微通道板的像增强器等，特点是入射图像极其微弱，经过器件内部电子图像能量增强后通过荧光屏输出人眼能够正常观看的光学图像。
光电成像原理及技术课后题答案(北理工)
光电成像原理及技术课后题答案(北理工)第一章5.光学成像系统与光电成像系统的成像过程各有什么特点？在光电成像系统性能评价方面通常从哪几方面考虑？答：a、两者都有光学元件并且其目的都是成像。
而区别是光电成像系统中多了光电装换器。
b、灵敏度的限制，夜间无照明时人的视觉能力很差；分辨力的限制，没有足够的视角和对比度就难以辨认；时间上的限制，变化过去的影像无法存留在视觉上；空间上的限制，隔开的空间人眼将无法观察；光谱上的限制，人眼只对电磁波谱中很窄的可见光区感兴趣。
6．反映光电成像系统光电转换能力的参数有哪些？表达形式有哪些？答：转换系数：输入物理量与输出物理量之间的依从关系。
在直视型光电成像器件用于增强可见光图像时，被定义为电镀增益G1，光电灵敏度：错误！未找到引用源。
或者：8.怎样评价光电成像系统的光学性能？有哪些方法和描述方式？答，利用分辨力和光学传递函数来描述。
分辨力是以人眼作为接收器所判定的极限分辨力。
通常用光电成像系统在一定距离内能够分辨的等宽黑白条纹来表示。
光学传递函数：输出图像频谱与输入图像频谱之比的函数。
对于具有线性及时间、空间不变性成像条件的光电成像过程，完全可以用光学传递函数来定量描述其成像特性。
第二章6.影响光电成像系统分辨景物细节的主要因素有哪些？答：景物细节的辐射亮度（或单位面积的辐射强度）；景物细节对光电成像系统接受孔径的张角；景物细节与背景之间的辐射对比度。
第三章13.根据物体的辐射发射率可见物体分为哪几种类型？答：根据辐射发射率的不同一般将辐射体分为三类：黑体，错误！未找到引用源。
=1；灰体，错误！未找到引用源。
<1,与波长无关；选择体，错误！未找到引用源。
<1且随波长和温度而变化。
14.试简述黑体辐射的几个定律，并讨论其物理意义。
答：普朗克公式：错误！未找到引用源。
普朗克公式描述了黑体辐射的光谱分布规律，是黑体理论的基础。
斯蒂芬-波尔滋蔓公式：错误！未找到引用源。
第一章_光电成像技术概论
域。
人类视觉系统的局限 性
灵敏度
光 谱
分辨力
空 间
时 间
夜 视
非可见光
微小
遥视
记 录
人眼的局限性大大地限制了人类获得光信息的 能力，因而需要扩展人眼的功能。
第一，要扩展人眼在低照度下的视觉能力，提供各种 夜视装备以便能在低照度下进行科研和生产活动，或 在夜间进行侦察和战斗。 第二，要扩展人眼对电磁波波段的敏感范围。已制成 将红外线、紫外线和 X射线的光图像转换成可见光图 像的直视式或电视式光电子学装置。利用这些原理还 可以扩展到观察中子和其他带电粒子所形成的图像。 第三，要扩展人眼对光学过程的时间分辨本领，例如 已经做到在几十飞秒（1015 秒）内就可观察到信息的 变化。
（SPRITE)、热释电探测器）。
人眼固有的物理限制：
灵敏度的限制:
（E= 50-100 lx;E<0.1lx难看清)；
分辨力的限制：(分辨角仅有 0.020 左右）； 时间上的限制:
(视觉逗留时间0.02s) ； 光谱的限制:(人眼敏感区400-650nm) 。
在很早以前人类就为开拓自身的视见能力而进行 了探索。取得了不少有成效的进展。 灯具的出现，改善了人类夜晚的照明环境。 望远镜的出现，为人类延伸了视见距离。 显徽镜的应用，为人类观察微小物体提供了方便。 可是，在扩展视见光谱范围和视见灵敏度方面却 经历 了漫长时间，才有所进展。 这一进展是由光电成像技术所开拓的。 目前光电成像技术已成为信息时代的重要技术领
以红外光子、光生载流子为景物图像信息载体，通过红外 探测器的内光电效应(光电导或光生伏特)及特定扫描读 出和TV显示等原理，再现被观察的景物为可见光图像。
光电成像原理与技术 第八章 电视型光电成像系统与特性分析
光电成像原理
§8.1 电视系统的组成与工作原理
复合同步信号： 复合同步信号： 接收端接收到全电视信号，先设法将复合同步信号分离， 接收端接收到全电视信号，先设法将复合同步信号分离， 然后将行同步、场同步信号分离。 然后将行同步、场同步信号分离。 由于行同步、场同步的脉冲宽度相差很大（ 由于行同步、场同步的脉冲宽度相差很大（约45倍）， 倍 所以可以用简单的微分电路和积分电路将它们分开。 所以可以用简单的微分电路和积分电路将它们分开。 另外， 另外，为了使场同步期间不会失去行同步脉冲而造成每 场行同步混乱，可在场同步开槽 开槽的上升沿（槽后沿） 开槽； 场行同步混乱，可在场同步开槽；开槽的上升沿（槽后沿） 正好处在原来应该在此出现同步脉冲上升沿（前沿）的位置。 正好处在原来应该在此出现同步脉冲上升沿（前沿）的位置。 开槽方式：在奇数场的场同步脉冲上开2个 开槽方式：在奇数场的场同步脉冲上开 个、在偶数场 的场同步脉冲上开3个宽度均为4.7µs的槽，槽的后沿应在原 的槽， 的场同步脉冲上开 个宽度均为 的槽 行同步脉冲上升沿的位置。采用微分电路， 行同步脉冲上升沿的位置。采用微分电路，在场同步开槽的 后沿(上升沿 位置处就获得了相应的行同步尖脉冲。 上升沿)位置处就获得了相应的行同步尖脉冲 后沿 上升沿 位置处就获得了相应的行同步尖脉冲。
图像信号的传输原理： 图像信号的传输原理： 发送端： 发送端：需要传送的光学图像作用于一个由许多 独立的光电元件组成的光电板上， 独立的光电元件组成的光电板上，形成与光学图像亮 度分布一一对应的电子图像； 度分布一一对应的电子图像； 接收端：具有相同数目的发光元件组成发光板， 接收端：具有相同数目的发光元件组成发光板， 当传送通道由开关S1依次接通A、B、C时，S2开关 当传送通道由开关 依次接通 、 、 时 也依次接通；像素1、 、 也依次接通；像素 、2、 3传送到接收端并显示 传送到接收端并显示 在发光板上； 在发光板上；再依次 传送后续像素到接收端 并显示在相应位置上。 并显示在相应位置上。
光电成像原理-第五章 直视型电真空成像物理
像管中常用的电子光学系统有： 纵向均匀静电场的投射成像系统； 轴对称的静电聚焦成像系统； 准球对称的静电聚焦成像系统； 旋转对称的电磁场复合聚焦成像系统等。 二代像管中常使用微通道板(MCP),利用二次电子 发射来实现电子流密度的倍增，从而实现.3
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在实际应用中，为了获得更高的亮度增益，常常 用光学纤维面板将完全相同的像增强器进行多级耦 合，因此像增强器的输入窗和输出窗多由光学纤维 面板制成，以便将球面像转换为平面像，完成极间 耦合。由于每级像增强器都成倒像，故为获得正像， 耦合级数多为奇数，通常为三级。三级级联的像增 强器也称为第一代像增强器。
电子图像的发光显示
为把光电子图像转换成可见的光学图像，通常 需要使用荧光屏。像管中常用的荧光屏材料有多 种，基本材料是金属的硫化物、氧化物或硅酸盐 晶体等，掺杂后具有发光特性。 实验证明，荧光屏由高速电子激发发光的亮度 除与发光材料的性质有关外，主要取决于入射电 子流的密度和加速电压值。当像管中光电子图像 的加速电压一定时，荧光屏的发光亮度正比于入 射光电子流的密度。由此可知，像管的荧光屏可 以将光电子图像转换成可见的光学图像。
M L GL
L
EV
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3.背景特性 合适的亮度是人眼观察图像的必要条件，除了有用 的成像（信号）亮度以外，还存在一种非成像的附加 亮度，称之为背景（或背景亮度）。像管的背景包括 无光照射情况下的暗背景和因入射信号的影响而产生 的附加背景，称为信号感生背景（或光致背景）。暗 背景产生的主要原因是光阴极的热电子发射和颗粒引 起的场致发射。产生信号感生背景的主要原因是阴极 透射光、管内散射光、离子反馈、光反馈所致。 为了 反映背景对像管图像对比度的影响，引入两个参数： 等效背景照度和对比恶化系数。
光电成像
1.直视型光电成像器件与电视型光电型成像器件区别：直视型光电成像器件：1）用于直接观察的仪器中，器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分。
2）工作方式是：通过外光电效应将入射的辐射图像转换为电子图像，而后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，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。
基本结构包括有：3）基本结构包括有：光电发射体、电子光学系统、微通道板（电子倍增器件）、荧光屏以及保持高真空工作环境的管壳等。
电视型光电成像器件：1）用于电视摄像和热成像系统中。
器件本身的功能是完成将二维空间的可见光图像或辐射图像转换成一维时间的视频电信号。
2) 工作方式：接受二维光学图像或热图像，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的时间存储，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）按工作方式可分为：电真空摄像器件；固体摄像器件；4）按工作原理可分为：光电摄像器件；光电导摄像器件；光电增强型摄像器件；热释电摄像器件；固体摄像器件；2.光电成像器件的特性：3.光电成像器件的噪声种类：散粒噪声；产生-复合噪声；温度噪声；热噪声低频噪声、介质损耗噪声等。
第五章1.像管成像的物理过程：1.）将接收的微弱的可见光图像或不可见的辐射图像转换成电子图像；2.）使电子图像聚焦成像并获得能量增强或数量倍增；3.）将获得增强后的电子图像转换成可见的光学图像。
2.外光电效应的特点（两个定律）：1）斯托列托夫定律：当入射光的频率或频谱成分不变时，光电发射体单位时间内发射出的光电子数或饱和光电流IG与入射光的强度成正比；该定律表明：入射光越强，其产生的光电发射越大。
2）爱因斯坦定律：光电发射出来的光电子的最大初动能与入射光的频率成正比，与入射光的强度无关。
该定律表明：当入射频率低于ν0时，不论光强如何都不会产生光电发射。
3.像管的类型:1）工作波段可分为：工作于微弱可见光的像增强器；工作于非可见辐射（近红外、紫外、X射线、γ射线）的变像管。
6光电成像原理与技术-直视型光电成像器件的特性分析
Tc
1
1 K (1 a ) / a
me ma
Tc 0.5187
C1＝0.1712
系统分辩力大于 识别分辩力，可 识别坦克
Ec100% 4.1633 10 6 lx
对于山林背景晴天条件 me 15 (4.1633 2)(19 15) / 3 17.88lp / mm
K
4
②在目镜选定情况下，增加倍率将增加物镜焦 距，即要以牺牲物方视场为代价；
③放大率受系统外形尺寸的限制；
mf
e
180
60
6
fe
573 m
3、分辩力
6
1
mf
0
180 60
3438
mf
0
f
0
573 m
4、入瞳、出瞳、出瞳距离
6.4 夜视系统作用距离估算 视距模型
大气传输的影响 关于概率 视距估算方法 视距估算列线图 视距等效处理方法 主动夜视系统的观察距离 作用距离模型
夜视成像系统的光学系统
夜视成像物镜
夜视系统对成像物镜的 基本要求
光电成像系统用物镜分 类
目镜 直视成像系统对成像目镜的 基本要求
像管的小型化直流高压 电源
直视成像系统对高压电源的 基本要求 直流高压电源的工作原理 倍压整流电路 自动亮度控制（ABC）电路 直流选同高压电源
光电成像系统中常用的目镜
A、
2、视距估算方法 （1）视距估算列线图
例： 山林背景中有一中型坦克 高度 H＝2. 37m，
目标标反射 比ρ＝0. 25， 对对比 C 0 ＝0. 33，夜 视仪 物镜焦距f 0 ＝100m m， F数＝1，透射比 τ 0 ＝0. 7, 像器光 阴器光 照度 E c 与分 辩分 m的关关系如下表 试问：在夜天光照度 E 0 ＝5 10 －3 l x， 能见距离R V ＝15km 的晴天条件下， 微光 夜视仪 能否 识别距 离800m 的坦克？
光电成像技术第六章直视型光电成像系统与
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1 夜视成像物镜
包沃斯-卡塞格伦系统
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1 夜视成像物镜
·包沃斯-卡塞格伦系统：
由于包沃斯系统的焦点在球面反射镜和校 正透镜中间，接收器造成中心挡光，为此 开展成包沃斯-卡塞格伦系统系统把校正 透镜的中心局部镀上铝或银等反射层作次 镜用，将焦点引到主反射镜之外。
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
2.
红外滤光片是一种光学滤波器，主要滤除光源 辐射中的可见光成分。对红外滤光片的根本要求 是： 在红外波段光能损失应尽可能地小，而对其 他波段的辐射应尽量全部吸收或反射；光谱透射 比与光阴极光谱灵敏度曲线红外局部相匹配；热 稳定性好，防潮性和机械性能好，耐光源工作时
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1 夜视成像物镜
· 格里高里系统：
由抛物面主镜和椭球次镜组成。次镜 位于主镜焦距之外，椭球面的一个焦 点和抛物面主镜焦点重合，另一个焦 点为整个系统的焦点。系统对无穷远 轴上的点没有像差。
人们研究改进反射系统，把反射镜的
主镜和次镜都采用球面镜，而用参加
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施密特校正板工作原理 (a) 施密特校正板；(b) 改进的施密特校正板
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
3.
(1)
白炽灯(包括普通、充气和卤钨白炽灯)是根
据热辐射原理制成，用电流加热灯丝使之到达
白炽而发光。白炽灯工作在白热状态，要求灯
丝材料有高熔点和低蒸发率。灯丝形状影响光
(单位为lm/W)。充气白炽灯比
真空白炽灯有更高的工作温度和发光效率，但
也只有10～20 lm/W，在～的近红外辐射光谱
光电成像原理与技术教学大纲
《光电成像原理与技术》课程教学大纲课程代码：090642001课程英文名称：The Principle Of Photo-electronic Imaging and Technology课程总学时：32 讲课：32 实验：0 上机：0适用专业：光电信息科学与工程大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程是光电信息科学与工程专业的专业选修课。
本课程是一门多学科交叉、理论性和实践性都很强的综合性课程。
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工作奠定基础。
通过对本学科新理论、新器件、新系统的介绍，还可以使学生了解本学科的最新发展动态和技术前沿，为将来从事相关领域的研究或工作奠定基础。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1．通过本科程的学习，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，并在此基础上掌握光电成像系统的结构以及相关的学科和技术。
2．通过本科程的学习，培养学生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和思想方法等，逐渐形成观察、思考、分析和解决有关理论和实践问题的能力。
（三）实施说明这个教学大纲是根据光电信息科学与工程专业的特点和学科内容要求而编写的，在执行本大纲时应注意以下几点：1. 在授课过程中要由易到难，循序渐进。
重点是物理概念和物理模型的讲解，其次是数学理论与方法的具体应用；2. 可根据实际情况安排各部分的学时，后面的课时分配表仅供参考；3. 对大纲中内容不相关部分可自行安排讲授顺序。
（四）对先修课的要求本课的先修课程：《光电子学》（五）对习题课、实验环节的要求各章内容学习结束后，根据教材内容选择习题，布置习题作业，根据习题的完成质量，随堂讲解各章重点习题，期末总复习全面讲解。
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。
光电成像原理 03
Review§1.4光电成像器件的类型按工作方式来分，光电成像器件可分为两大类：1.直视型光电成像器件:可用于直接观察。
器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分。
2.非直视型光电成像器件:可见光或辐射图像→视频电信号。
只完成摄像功能，不直接输出图像。
《光电成像原理》赵新彦南京邮电1一、直视型光电成像器件工作原理：入射辐射图像光电效应电子图像电场、电磁场二次发射作用增强的电子图像激发荧光屏可见光图像根据工作的辐射波段区分为两种：（1）变像管：入射图像的光谱与输出图像的光谱完全不同。
完成图像的电磁波谱转换，使不可见辐射图像通过像管变成可见图像。
（2）像增强器：接受微弱可见光图像。
输入的光学图像及其微弱，经过器件内电子图像的能量和数量的增加使输出图像增强。
Review《光电成像原理》赵新彦南京邮电2《光电成像原理》赵新彦南京邮电3二、非直视型光电成像器件工作原理：基本结构：电真空式：光敏靶、电子枪、扫描系统，真空管固体式：光敏面阵、电荷耦合转移读出电路电子束扫描入射辐射图像光电效应电荷图像电荷耦合转移视频信号处理、传输显像装置输出图像（）ReviewReview辐射度学与光度学基础知识辐射度学与光度学：研究光的度量的学科。
辐射度量：物理的计量方式，适用于整个电磁辐射谱区。
光度量：从生理角度，以人眼所见的光辐射对大脑的刺激程度来进行计量。
适用于可见光谱区。
《光电成像原理》赵新彦南京邮电5直视型光电成像器件变像管像增强器非直视型光电成像器件直视型光电成像器件：非直视型光电成像器件：光电转换上升过程的滞后<< 下降过程的滞后。
光电成像脉冲响应函数上升斜率近似为∞脉冲响应函数主要决定于光电转换的衰减特性。
噪声（广义）：干扰：噪声：噪声：直视型光电成像器件非直视型光电成像器件视频信噪比:前置放大器输出端的视频信号与噪声之比。
显示信噪比:考虑到人眼接收的效能，取人眼的时间常数作为有效积分时间的信噪比值。
直视型光电成像系统与特性分析 (1)
Ch6 直视型光电成像系统与特性分析
2020/7/27
6.1. 直视型光电成像系统的工作原理 6.2. 夜视光电成像系统的主要部件及
其特性 6.3. 直视型光电成像系统的总体设计 6.4. 夜视系统的作用距离估算
图片来自美国ITT公司
图片来自SOFT-AIR
AN/AVS-6
系统微光性能的基本极限
一般地，直视微光成像系统性能受到光子噪声、 系统光学性能和人眼视觉性能等三个方面限制，正 确地设计和使用成像系统可尽可能地减小这些限制 的影响。
在光子噪声和光学分辨力共同限制下，理想微光夜 视系统的极限分辨角为
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C) e
2. 光学系统可增加物体的视角， 3. 光阴极的量子效率,扩大了光谱响应， 4. 可使人眼在不需暗适应情况下 5. 可增加积累时间
2020/7/27
夜视系统对人眼在微光下的视觉性能的改善
1. 入瞳大， 更有效地利用来自目标的光子；
2. 光学系统可增加物体的视角， 提高作用距离；
3. 光阴极的量子效率,扩大了光谱响应，
像管的选择 直视光电成像系统的光学参数及其选择
2020/7/27
微光成像系统性能的基本极限
夜视系统对人眼在微光下的视觉性能的改善 系统微光性能的基本极限 物镜和像增强器参数对系统极限分辨力的影响 像增强器暗背景噪声对系统极限分辨力的影响 人眼与像增强器系统的最佳匹配
像管的选择 直视光电成像系统的光学参数及其选择
在像增强器暗噪声可忽略的前提下(C=1，ρt=1)。
物镜焦距f′增大，在大于星光照 度情况下，系统分辨力得到明显 改善，反之则改善很小。
光电成像系统讲解
同电子束摄像管相比，优点：
① 全固体化、体积小、重量轻、工作电压和功耗都 很低，耐冲击性好、可靠性高、寿命长； ②基本不保留残像（电子束摄像管有15%-20%的残 像），无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰； ③红外敏感性。 SSPD 光谱响应范围： 0.25-1.1um； CCD可做成红外敏感型；CID：2-5um； ④像元的几何尺寸精度高（优于1um)，因而可用于 非接触式精密尺寸测量系统； ⑤视频信号与微机接口容易。
使彩色摄像机的发展产生了一个飞跃。 1976年，灵敏度更高，成本更低的硒像管和硅靶管。 1970 年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器件（ CCD ） 原理，从此光电成像器件的发展进入了一个新的阶 段——CCD固体摄像器件的发展阶段。
2、光电成像系统要研究的问题
光电成像涉及到一系列复杂的信号传递过程。有四个方面 的问题需要研究：
0、光电成像概述
1、光电成像Байду номын сангаас件的发展
近年来，利用光电成像器件构成图像传感器进
行光学图像处理与图像测量已成为现代光学仪器、
现代测控技术的重要发展方向。它广泛应用于遥感、
遥测技术、图形图像测量技术和监控工程等，成为 现代科学技术的重要组成部分。
什么叫成像？图像是由空间变化的光强信息所组成， 图像传感器或探测器必须能感受空间不同位置的光强 变化，这个过程叫成像。
一、固体摄像器件
固体摄像器件，又称固体像探测器。 （solid state imaging sensor,SSIS） 主要功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光 强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行 输出的电信号——视频信号。其视频信号能再现入射 的光辐射图像。 主要分类： • 电荷耦合器件，CCD,噪声低； • 自扫描光电二极管阵列，SSPD ,灵敏度和响应度好； • 电荷耦合光电二极管阵列， CCPD,兼具二者优点； • 电荷注入器件（Charge Injection Device，CID）
第五章 直视型电真空成像器件成像物理guai
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光电成像原理
§5.2 像管结构类型与性能参数
一、像增强器
1. 近贴式像增强器—图5-2 近贴聚焦的电子光学系统的光阴极和荧光屏相
距1mm左右，且相互平行，在它们之间施加高压， 使两极间形成纵向均匀静电场，光电子流在此静电 场作用下飞向荧光屏。
近贴式像增强器的要求： 极间距离不能太大，否则影响分辨力； 极间电压不能太高，否则影响亮度增益和像质。
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光电成像原理
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光电成像原理
实现级联的方Biblioteka 也有两种：一种是在同一管壳内 用薄的云母片作为支撑体，其两侧分别制作光电 阴极和荧光屏,形成夹心倍增屏结构,以实现各级 像管之间的耦合。磁聚焦像增强器大都采用这种 方式。另一种是采用纤维光学面板将单个静电聚 焦型像增强管耦合在一起
常用的光阴极：红外光敏感的银-氧-铯光阴极，可见 光敏感的双碱、多碱、砷化镓材料的负电子亲和势 光阴极，紫外光敏感的紫外光阴极。
光阴极有透射型和发射型两种，透射型较常用。
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光电成像原理
§5.1 像管成像的物理过程
二、电子图像的能量增强
完成电子图像能量增强的部件—电子光学系统 电子光学系统是某一特定的静电场或电磁场。离开 光阴极的低能量光电子图像在静电场或电磁场的作 用下得到加速并聚焦到荧光屏上。
荧光屏的发光与荧光屏的发光材料、入射的光 电子流密度、加速电压值有关。并且当光电子流的 加速电压一定时，其发光亮度正比于入射的光电子 流密度。
对荧光屏的要求：
高转换效率η；
辐射光谱和人眼或与之耦合的其他接收器件的 光谱响应相一致；
荧光粉颗粒度尺寸。
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基于人眼视觉的直视型微光成像系统MRC模型_周燕
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物空间 , 并且考虑到人眼对目标面积内信号和噪声 的归一化积分作用
[ 1 , 3]
s ≈2( Nav -N B I ) C0
MT F ∫ L sin c (L f )
-∞
∞
f y )× sys (
∫ [∫ exp( j 2πf x ) dx j 2πf x ) d x] d f ∫ exp(
的角度出发推导了直视型微光成像系统的 M RC 模 型 , 以此来评价直视型成像系统 。
2 目标和背景在成像系统荧光屏上产生的 信号
假定目标和背景均为朗伯体 , 与瞄准线垂直 , 且 固有亮度分别为 L 0 T 和 L 0B , 则目标与背景的固有 对比度 C 0 为 C0 = L 0 T -L 0B L 0 T + L 0B ( 1)
2 y s ysy( f y) MTF eye
M TF ey e 总的噪声为
fz Γ z
2
d fz , ( z = x , y) ( 11)
py ( y)= L
MTF ∫sin c (Lf )
-∞
fy df y Γ y
n = 3 . 3 信噪比及 MRC
2 n2 N +n g
( 12)
式中 , Γ z 为系统的水平和垂直放大率( z =x , , y ) 。 3. 2 噪声的确定 直视型成像系统的主要噪声来源有光电阴极发 818
DO I : 10 . 13741 / j. cnki . 11 1879 / o4 . 2006 . 06 . 005
第 32 卷 第 6 期 Vol . 32 No . 6 20 0 6 年 1 1 月 OP T ICA L T ECHN IQ U E N ov . 2006
光电成像原理与技术 第六章 直视型光电成像系统与特性分析
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光电成像原理
§6直视型光电成像系统与特性分析
直视型光电成像器件也称作像管， 直视型光电成像器件也称作像管，器件本 像管 身具有图像转换、图像增强及显示功能。 身具有图像转换、图像增强及显示功能。 随着技术的发展，器件朝着小型化、集成 随着技术的发展，器件朝着小型化、 化方向发展， 化方向发展，直视型光电成像器件与电视型光 电成像器件的区别逐步淡化，甚至难以区别， 电成像器件的区别逐步淡化，甚至难以区别， 本章主要讲授直视型夜视光电成像系统 主要讲授直视型夜视光电成像系统。 本章主要讲授直视型夜视光电成像系统。
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光电成像原理
§6.2 夜视光电成像系统的主要部件和特性
b. 小的渐晕 斜光束照射时，渐晕导致像面（光阴极） 斜光束照射时，渐晕导致像面（光阴极）边缘相对 于中心的照度会下降，光阴极上照度的不均匀将造成荧 于中心的照度会下降，光阴极上照度的不均匀将造成荧 光屏上图像亮度不均匀，边缘的像质变坏， 光屏上图像亮度不均匀，边缘的像质变坏，尤其是低信 噪比的夜视微光系统。 噪比的夜视微光系统。 c. 宽光谱范围的色差校正 不同种类的成像系统在不同的光谱范围进行校正色 。（微光 微光： 差。（微光：0.4~0.9；主动：0.65~1.2；热成像： ；主动： ；热成像： 1.5~14） ） d. 物镜在低频情况下具有好的调制传递特性 微光成像系统是低通滤波器。 微光成像系统是低通滤波器。由绪论部分的知识可 知：复合成像系统的调制传递函数为各环节调制传递函 数的乘积。 数的乘积。 下午6时58分 下午 时 分
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由抛物面主镜和椭球次镜组成。次镜位于主镜焦距之外，椭球面的 一个焦点和抛物面主镜焦点重合，另一个焦点为整个系统的焦点。系 统对无穷远轴上的点没有像差。
人们研究改进反射系统，把反射镜的主镜和次镜都采用球面镜，而 用加入补偿透镜的方法校正球面镜的球差，构成折反射物镜系统。折 反射物镜可实现大口径长焦距，常用的折反射物镜有施密特系统、曼 金折反射镜、包沃斯-马克苏托夫系统以及包沃斯-卡塞格伦系统。
反射式物镜可做成大口径，长焦距，且取材容易，对材料要求不高。 反射式物镜光能损失小，无透射损失，不产生色差。这些优点使其 在红外光学系统中应用较多，但也存在体积大及次镜遮挡等缺点。 反射式物镜分为单反射镜和双反射镜。最常用的是双反射镜。
单反射镜分为球面镜和非球面镜(抛物面、椭球面和双曲面镜)系统。 分别由对应的曲线绕对称轴旋转得到，其光学焦距都是顶点曲率半 径的一半，即f′=r/2。
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6.1.2 直视型(被动)微光成像系
系统主要由微光物镜、目镜、像增强器、高压电源等部分 组成
直视微光成像系统原理图 1—目标；2—物镜；3—像增强器；4—高压电源；5—目镜；6—人眼
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6.1.2 直视型(被动)微光成像系
夜天空自然微光照射在景物场景，经反射和大气传输 后，辐射经物镜成像在像增强器光阴极面上，像增强 器对景物像进行光电转换、电子倍增成像和亮度增强， 在荧光屏上显示场景目标的增强图像。
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(a) 曼金折反射镜；(b) 曼金-卡塞格伦系统 返回
1 夜视成像物镜
·曼金折反射镜：
由球面反射镜和与之相贴的负透镜组成(如图(a))。球面反射镜的 光阑就是它本身，各种像差都有，负透镜的作用是减小它的球差， 但又增加了色差。曼金折反射镜常被用在卡塞格伦系统中，图 (b) 为带曼金反射镜的卡塞格伦系统。主镜为球面反射镜，曼金折反次 镜做成消色差的组合透镜。如果要进一步减小球差，主镜也可改用
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三种典型目标的反射 光谱曲线 1—绿色草木； 2— 3—暗绿色漆
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6.1.1 直视型主动红外成像系统
主动红外成像系统利用近红外波段工作有许多特点：
① 充分利用军事目标和自然界景物之间反射能力的显著 差异。
② 近红外辐射比可见光受大气散射的影响小。
③ 由于系统“主动”照明目标，使系统工作不受环境照 明的影响。
① 折射系统。 折射物镜系统较易校正像差，可获得较大视场，结构简单，装调方便。 光电成像系统中常用折射物镜有双高斯型和匹兹伐型 。
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双高斯和匹兹伐物镜的基本结构 （a) 双高斯型；(b) 匹兹伐型
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微光头盔改进的双高斯物镜 上一页
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1 夜视成像物镜
上图是微光头盔采用的一种改进型双高斯物镜，相对孔径 为1∶1，f′=20.58mm。在仪器视场不大的情况下，可用 匹兹伐型物镜，其基本结构视两个正光焦度的双胶透镜， 结构简单，球差和慧差校正较好，但视场加大时场曲严重。
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改进的匹兹伐物镜
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1 夜视成像物镜
由于红外材料价格昂贵，折射比高而反射损失大，在满 足需要条件下应尽可能减少透镜片数。在像质要求不高 的辐射计中多用单片折射透镜。为了减小单透镜的球差 和色差，可做成组合透镜。
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组合红外物镜的结构
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1 夜视成像物镜
② 反射系统。
微光与主动红外成像系统相比最主要的优点是被动式工 作，不用人工照明而是靠夜天自然光照明景物，故隐 蔽性好，但景物之间反差小，图像较平淡，层次不够 分明，且系统工作受自然照度和大气透明度影响大 。
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6.1.2 直视型(被动)微光成像系
6.2.1 6.2.2 6.2.3
夜视成像系统的光学系统 主动红外成像的照明系统 像管的小型化直流高压电源
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6.1.1 直视型主动红外成像系统
主动红外成像系统在公安、工业监测、医学和科学研 究等许多领域具有广泛应用，特别是近年来选通技术的 发展和应用，主动选通红外成像系统在一些特殊的军事
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主动红外成像系统原理图 1—红外滤光片；2—光源；3—反射镜；4—人眼； 5—目镜；6—变像管；7—物镜；8—目标
·卡塞格伦系统：
由抛物面主镜和双曲面次镜构成。次镜位于主镜焦点之内，双曲面镜 的一个焦点与抛物面镜焦点重合，另一个焦点为整个系统的焦点，系 统无穷远轴上点没像差。特点是焦距长、镜筒短、结构紧凑、会聚光 束通过主反射镜中心的孔使焦面上便于放置接收器件，但非球面加工 较困难。
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1 夜视成像物镜
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光电成像系统常用的目镜组
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
主动红外成像系统对红外照明系统的要求有： ① 照明系统的辐射光谱(光源与滤光片的组合光谱)要与 像管光电阴极的光谱响应有效地匹配; ② 有一定的照射范围; ③ 红光暴露距离要短; ④ 应保证足够的辐射强度; ⑤ 在结构上应保证容易调焦、滤光片和光源更换方便; ⑥ 应尽量做到体积小、质量轻、寿命长、成本低、功耗 小、工作可靠。
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1—3000K 2—2500K色温真空白炽灯
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
(2) 氙灯
氙灯是利用高压、超高压惰性气体氙放电现象制造的一种高效率 光源，是一种以石英玻璃管为放电管，以钍钨材料为电极封接而 成强电流弧光放电灯。主动红外成像系统中用的高压短弧氙灯作 光源电弧长只有几毫米，光斑集中，发光效率高且寿命长。高压 短弧氙灯的光谱为叠加着少量线状光谱的连续光谱，其光谱分布 接近于太阳光谱，在近红外光谱区有强辐射谱线，更适合做大功 率红外探照灯光源。
(1) 白炽灯
白炽灯(包括普通、充气和卤钨白炽灯)是根据热辐射原理制成， 用电流加热灯丝使之达到白炽而发光。白炽灯工作在白热状态， 要求灯丝材料有高熔点和低蒸发率。灯丝形状影响光源的发光效
(单位为lm/W)。充气白炽灯比真空白炽灯有更高的工作温度 和发光效率，但也只有10～20 lm/W，在0.8～1.2μm的近红外辐 射光谱区具有较高的辐射强度，并与S1光阴极匹配，可用做主动 红外成像系统的光源。
① 大的通光口径和相对孔径。 ② 小的渐晕。 ③ 宽光谱范围的色差校正。 ④ 物镜有好的调制传递特性。 ⑤ 最大限度地消除杂散光。 ⑥ 在红外光学系统中，必须同时考虑聚光系统和扫描系统。 ⑦ 尽可能减小被动红外系统中冷反射所产生的图像缺陷。
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1 夜视成像物镜
(2) 成像物镜的基本类型
光电成像系统用物镜系统分为三类： 即折射系统、反射系统和折反 射系统。
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施密特校正板工作原理 (a) 施密特校正板；(b) 改进的施密特校正板
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1 夜视成像物镜
·施密特系统：
由球面反射镜和位于球面反射镜曲率中心的球面或非球面校正透镜 组成，校正透镜又叫施密特校正板(原理如图(a))。球面反射镜没有 色差，将光阑放于反射镜中心时没有慧差和像散，只产生球差和场曲； 校正板校正球面反射镜的球差。为避免产生其他像差，校正板做得很 薄，且位于反射镜曲率中心。由于校正板边缘比中心厚，光线通过校 正板时会由于强折射而产生色差。为克服这一缺点，又产生了改进后 的施密特校正板(如图(b))。系统的相对孔径可达1∶0.65。
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(a) 牛顿系统；(b) 卡塞格伦系统；(c) 格里高里系统
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1 夜视成像物镜
· 牛顿系统：
由抛物面主镜和平面次镜组成，次镜在主镜焦点附近与光轴成45° 角。由于主镜是抛物面反射镜，对轴上无穷远点无像差，像质只受衍 射限制，弥散圆为艾利圆，但轴外像差大，常用于像质要求高的小视 场红外系统中。特点是镜筒长、质量大。
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
1.红外光源
红外照明系统所用的光源种类很多。在主动红外成像系统中常用 电热光源(如白炽灯)；气体放电光源(如高压氙灯)；半导体光源 (如砷化镓发光二极管)和激光光源(如砷化镓激光二极管)等四类。
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
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6.2.2 主动红外成像的照明系统
(3)大功率红外发光二极管(LED)
(IR-LED)主要有砷化镓(GaAs)和镓铝砷 (GaAlAs)等。IR-LED是一种非相干P-N结光源，在结上加正向电压 时，P-N 大功率红外发光二极管是目前普遍使用的低成本红外光源，具有发 光效率高、寿命长、体积小、质量轻、结构牢固、不需加红外滤光 片等许多优点。
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6.1.1 直视型主动红外成像系统
④ 对于军事应用，灯源容易暴露自己，这是主动红外 成像系统最致命的弱点，也是夜视成像系统由主动向被 动发展的重要原因。
⑤ 通过选通技术，减小传输介质的后向散射或传感器 与场景相对运动造成的图像模糊，使主动夜视成像技术 在诸如巡航导弹地形匹配下视系统、水下探测和制导系
微光望远镜用折反物镜由一对薄透镜、一对反射镜和 一个校正透镜组成的系统，薄透镜的位置靠近主反射镜 焦点，负薄透镜中央部分镀反射膜层，作为次反射镜， 主反射镜中部为通孔放置校正透镜，来自场景目标的光 线经透镜和反射镜，经校正透镜到达像增强器的光阴极
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2
对目镜的主要要求有： ① 合适的焦距。 ② 足够的视场。 ③ 合适的出瞳距离p′和出瞳直径d。 ④ 适当的前节距(目镜前表面和前焦点之间的距离)，以 保证工作时的视度调整。
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