光电成像原理及技术__部分答案(北理工)解析

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：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，=1；灰体，<1,与波长无关；选择体，<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：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：表明黑体在单位面积上单位时间内辐射的总能量与黑体温度T的四次方成正比。

维恩位移定律：他表示当黑体的温度升高时，其光谱辐射的峰值波长向短波方向移动。

最大辐射定律：一定温度下，黑体最大辐射出射度与温度的五次方成正比。

第五章1、像管的成像包括哪些物理过程？其相应的理论或实验依据是什么？（1）像管的成像过程包括3个过程A、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B、使电子图像聚焦成像并获得能量增强或数量倍增C、将获得增强后的电子图像转换成可见的光学图像（2）A过程：外广电效应、斯托列夫定律和爱因斯坦定律B过程：利用的是电子在静电场或电磁复合场中运动规律来获得能量增强；或者利用微通道板中二次电子发射来增加电子流密度来进行图像增强C过程：利用的是荧光屏上的发光材料可以将光电子动能转换成光能来显示光学图像2、像管是怎么分代的？各代的技术改进特点是什么？（1）A、零代微光像增强器技术B、一代级联式像增强器技术C、采用微通道板（MCP）的二代像增强器D、采用负电子亲和势光阴极的三代像增强器E、超二代像增强器F、超三代像增强器G、第四代像增强器（2）①一代和零代的区别在于一代像增强其采用了光学纤维面板将多级耦合起来，形成级联式的像增强器，一般为得到正像，耦合级数多取奇数，通常微三级②二代和一代的根本区别在于：它不是采用多级级联实现光电子图像倍增，而是采用在单级像增强器中设置MCP来实现光电子图像倍增。

③三代和二代近贴式像管类似，其根本区别在于光阴极，但对MCP也提出了更高的性能要求。

二代采用的是表面具有正电子亲和势的多晶薄膜结构的多碱光阴极，三代采用的则是负电子亲和势光阴极，因此三代具有高增益、低噪声的有点。

11、光电发射为什么会存在极限电流密度？试分析并导出连续工作条件下和脉冲工作条件下的极限电流密度表达式。

（1）在工作状态下，像管维持光电发射要依赖于光阴极的真空界面有向内的电场场强，这一电场是由电子光学系统提供的。

光阴极的光电发射将产生空间电荷，此空间电荷所形成的附加电场与电子光学系统的电场方向相反。

随着光电发射电流密度的增大，空间电荷的电场会增加到足以抵消电子光学系统所提供的电场。

如果忽略光电子的初速度，当光阴极画的法向场强为零时，光电发射就要受到限制，这时像管的光电发射将呈饱和状态。

这一电流密度称之为光电发射的极限电流密度。

（2）见P159~P16018、什么样的透镜叫短透镜？导出短透镜的焦距公式并分析其成像性质。

答：（1）把对电子起有效作用的场——透镜的作用区间限于一个有限的空间范围内，称此空间位透镜空间，在此空间内，电子轨迹在场的作用下是连续变化的，而物与像则位于透镜场外，透镜场外的空间位等位空间。

这种做了理想化的电子透镜称为短透镜（或薄透镜）。

（2）短透镜的焦距公式的推导见书P179~P180（包括像方焦距和物方焦距）成像性质：①透镜作用区域较之透镜到物、像距离小得多，比焦距小得多，物、像、焦距均在场外。

②场划分为三个区域，物空间，透镜空间，像空间，在物、像空间，电位固定不变，电子轨迹为直线③Φ’’(z)>0时透镜是会聚的（f为正），φ’’(z)<0时透镜是发散的（f为负），且f与φ’’(z)成反比，即φ’’(z)越大f越小，会聚本领越强20、什么是荧光？什么是磷光？答：晶态磷光体在受电子激发时产生的光发射称为荧光。

停止电子激发后持续产生的光发射称为磷光。

21.荧光屏表面蒸镀铝膜的作用是什么？（P185）在荧光屏的表层上蒸镀一层铝膜，厚度约为0.1um，其作用为：引走积累的负电荷；防止光反馈给光阴极；使荧光屏形成等电位；将光反射到输出方向。

22.受激辐射可见光的条件是什么？（p185）受激辐射可见光的条件是电子跃迁的能级差必须与可见光光子的能量相同。

25.荧光屏的转换效率与哪些因素有关？为什么说图像分辨力和发光效率对荧光粉颗粒度的要求是相互矛盾的？（p192）荧光屏的转换效率与制作荧光屏本身的材料—晶态磷光体的转换效率有关，还与屏的粉层厚度、粒度、入射电子的能量及铝膜的影响等因素有关。

一般，粒度越大转换效率越高。

但是，过厚的荧光屏将降低输出图像的分辨力。

厚度的增加会导致光扩散的增大，分辨力将随之下降。

因此，粒度应该适当。

通常选取颗粒直径与荧光屏厚度相近，这样可获得发光效率与图像分辨力的最佳组合。

26.光纤面板（OFP）的传像原理是什么？像管应用光纤面板有什么优点？（p193）光纤面板是基于光线的全反射原理进行传像的，由于光导纤维的芯料折射率高于皮料的折射率，因此入射角小于全反射临界角的全部光线都只能在内芯中反射。

所以每一根光导纤维能独立地传递光线，且相互之间不串光。

由大量光导纤维所组成的面板则可以传递一幅光学图像。

光纤面板使像增强器获得以下优点：①增加了传递图像的传光效率；②提供了采用准球对称电子光学系统的可能性，从而改善了像质；③可制成锥形光纤面板或光学纤维扭像器。

32.为什么MCP大多采用斜通道或弯曲通道的形式？（196、205）通常MCP不垂直于端面，而具有7°—15°的斜角。

一方面可提高通道内的二次电子发射次数，另一方面也可使正离子不能穿出通道，消除或减少离子反馈。

P2448.夜视成像系统对物镜的基本要求是什么？（p213）夜视成像系统对物镜的基本要求大致有以下几点：①大的同光口径和相对孔径。

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最大限度的消除杂散光，杂散光对低信噪比的光电成像的影响比较明显，减小物镜的杂散光可减小像质的变坏。

⑥在红外光学系统中，必须同时可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。

第六章9.成像物镜主要分为哪几种类型？各种类型的典型形式是怎样的？答：光电成像系统用物镜系统分为三类：折射系统、反射系统和折反射系统。

（1）光电成像系统中常用折射物镜有双高斯型和匹茲伐型。

双高斯结构是微光成像系统中大相对孔径的基本型，由于这种结构较容易在较宽光谱范围内修正像差，属于基本对称型结构，使轴外像差能自动抵消。

在仪器视场不大的情况下，可用匹茲伐型物镜，其基本结构是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。

（2）反射物镜分为单反射镜和双反射镜。

最常见的是双反射镜。

单反射镜分为球面镜喝非球面镜（抛物面、椭球面和双曲面镜）系统。

球面反射镜和抛物面反射镜可单独使用，椭球面和双曲面反射镜由于其光学焦点和几何焦点不重合，慧差大，像质欠佳，通常和其他反射镜组合成双反射镜系统。

（3）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。

10.红外物镜相对于可见光物镜有什么不同？答：（1）大的通光孔径和相对孔径。

限制微光成像系统视见能力的主要因素之一是来自景物的辐射噪声。

加大物镜的孔径能最大限度地接收来自目标的辐射，获得大的靶面照度，即大的通光孔径有利于提高微光系统的信噪比。

（2）小的渐晕。

（3）宽光谱范围的色差校正。

校正色差的光谱范围取决于系统光谱响应波段，对主动红外成像系统为0.65～1.2微米（，对微光成像系统为0.4～0.9微米，对热成像系统为1.5～14微米）。

（4）物镜有好的调制传递特性。

像管为低通滤波器，目前的极限分辨力为30～70lp/mm，通常要求物镜在10lp/mm的空间频率时MTF不低于75%。

（5）最大限度地消除杂散光，杂散光对低信噪比的光电成像的影响比较明显，减小物镜的杂散光可减小像质的变坏。

（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。

11、在直视型成像系统中对目镜的基本要求是什么？答12、像管直流高压电源的特点是什么？其主要包括哪几部分？答：特点（1）提供稳定的直流高压，使像管工作时保持合适的输出亮度；（2）性能稳定，在高低温环境下保证仪器正常工作；（3）实现自动亮度控制（ABC）功能；（4）对于选通系统，应提供选通周期、脉宽以及延时可调的选通电压；（5）对自动快门，能够根据像管电流自动调整工作电压的占空比；（6）防潮、防震、体积小、质量轻、耗电省。

包括以下几个部分：直流低压电源、晶体管变换器、升压变压器、倍压整流电路以及稳压电路。

13、试以二倍压电路为例，说明倍压电路的工作原理。

答：把变压器次级绕组上的交流高压整流并倍压到所需直流高压的过程。

变压器T的次级绕组输出峰值电压为V2的交流，则：（1）正半周：假设T的输出端上负、下正，则D2因反向偏置截止，D1回路导通，对C1充电，在正半周结束前，C1两端电压为V2;（2）负半周：T的输出端上正、下负，则D1因反向偏置截止，D2回路导通，对C2充电，在负半周结束前，C2两端电压为2倍V2，送至输出端口为2倍V2的直流。