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光电成像原理与技术考试要点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。3异同、相同点：二者均属于直视型光电成像器件。不同点：主要 是二者工作波段不同，变像管主要完成图像的电磁波谱转换，像增强器主要完成图像的亮度增强。 5. 反映光电成像系统光电转换能力的参数有哪些？ 答：1转换系数（增益）2光电灵敏度（响应度）峰值波长，截止波长 6. 光电成像过程通常包括哪几种噪声？ 答：主要包括：(1)散粒噪声(2)产生一复合噪声(3)温度噪声(4)热噪声(5)低频噪声(1/f 噪声)(6)介质损耗噪声(7)电 荷藕合器件(CCD)的转移噪声 第二章: 1. 人眼的视觉分为哪三种响应？明、暗适应各指什么？ 答：1三种响应：明视觉、暗视觉、中介视觉。人眼的明暗视觉适应分为明适应和暗适应2明适应：对视场亮度由 暗突然到亮的适应,大约需要23 min3暗适应：对视场亮度由亮突然到暗的适应,暗适应通常需要45 min,充分暗适应 则需要一个多小时。 2. 何为人眼的绝对视觉阈、阈值对比度和光谱灵敏度？ 答：1人眼的绝对视觉阈：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。2阈值对比度：时 间不限，使用双眼探测一个亮度大于背景亮度的圆盘，察觉概率为50%时，不同背景亮度下的对比度。3光谱灵敏度 （光谱光视效率）：人眼对各种不同波长的辐射光有不同的灵敏度（响应）。 3. 试述人眼的分辨力的定义及其特点。 答：1定义：人眼能区分两发光点的最小角距离称为极限分辨角 ，其倒数为人眼分辨力。 2特点：眼睛的分辨力与很多因素有关,从内因分析,与眼睛的构造有关(此处不再讨论)。从外因分析,主要是决定于 目标的亮度与对比度,但眼睛会随外界条件的不同,自动进行适应,因而可得到不同的极限分辨角。当背景亮度降低或对 比度减小时,人眼的分辨力显著地降低。于中央凹处人眼的分辨力最高,故人眼在观察物体时,总是在不断地运动以促使 各个被观察的物体依次地落在中央凹处,使被观察物体看得最清楚。 4. 简述下列定义：(1)图像信噪比(2)图像对比度(3)图像探测方程 答:1图像信噪比:图像信号与噪声之比2图像对比度:指的是一幅图像中明暗区 域最亮的白和最暗的黑之间不同亮度层级的测量，即指一幅图像灰度反差的大小。 3当关系式成立时，表明图像可探测到，反之将不能探测。 5.目标搜索的约翰逊准则把探测水平分为几个等级？各是怎么定义的？ 答：分为四个等级分别为：1探测（发现）：在视场中发现一个目标2定向：可大致区分目标是否对称及方位3识 别：可将目标分类4辨别：可区分出目标型号及其他特征 6.人眼的凝视时间和瞥见时间 答：搜索时，人眼注视一点后迅速地移到另一点进行注视，这一过程称为扫视，固定的注视称为凝视，被凝视的点称 为凝视中心，凝视时间称瞥见时间。根据实验，通常人眼大约以每秒三点间断地移动，瞥见时间约为1/3 s。 第三章： 1. 波长为0.7m的1W辐射能量约为多少光子/秒? 答： 2. 通常光辐射的波长范围可分为哪几个波段？如：红外，可见光波长是什么？ 答： 3. 试述辐射度量与光度量的联系和区别。 答： 光辐射度量在历史上形成了辐射度学和光度学两套度量系统。辐射度学：是建立在物理测量的基础上 的辐射能量客观度量,不受人眼主观视觉的限制，其概念和方法适用于整个光辐射范围（红外、紫外辐射等 必须采用辐射度学）。光度学：是建立在人眼对光辐射的主观感觉基础上，是一种心理物理法的测量，故只 适用于电磁波谱中很窄的可见光区域。 4. 根据物体的辐射发射率可将物体分为哪几种类型？ 答：通常,依发射率与波长的关系,将地物分为三种类型。 1黑体或绝对黑体,其发射率 =1,即黑体发射率对所有波长都是一个常数,并且等于1.2灰体,其发射率 =常数 1 （因吸收率 1） 。 即灰体的发射率始终小于1, 不随波长变化3选择性辐射体,其发射率随波长而变化,而且 1（因吸收率 也随波长而变化并且 1）。 9.试简述黑体辐射的几个定律，并讨论其物理意义。 答：1普朗克辐射定律：普朗克定律描述了黑体辐射的光谱分布规律，是黑体辐射理论的基础2斯蒂芬一 玻尔兹曼定律：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3维恩位移 定律：单色辐射出射度最大值对应的波长m l 4斯蒂芬-玻尔兹曼定律:表明黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，而与黑体的其他性质无关 12. 星的等级是如何定义的？8 等星的照度为多少？ 答:1 （1）星的亮度用星等衡量，以在地球大气层外所接收的星光辐射产生的照度来衡得。 （2）规定星等相差五等照度比为100 倍，即相邻两等星得照度比为2.512 倍。 （3）规定零等星的照度为2.65X10-4lx ，比零等星亮的星等为负。 2 8 等星的吧照度为- 13. 黑体是什么，维恩位移公式，黑体辐射的计算 答：1黑体模型的原理如下：取工程材料（它的吸收率必然小于黑体的吸收率）制造一个球壳形的空腔，使空腔壁面 保持均匀的温度，并在空腔上开一个小孔。射入小孔的辐射在空腔内要经过多次的吸收和反射，而每经历一次吸收， 辐射能就按照内壁吸收率的大小被减弱一次，最终能离开小孔的能量是微乎其微的，可以认为所投入的辐射完全在空 腔内部被吸收。 2简化的普朗克公式： 光辐射的计算：- （1）求出在T温度下的峰值波长（2）由要求的波段选择相应的波长 （3）查黑体表，确定辐射出射度（4）反复（2）步骤，求出所有波长的辐射出射度 （5）绘制T温度下的黑体光谱辐射曲线 波段辐射的计算 （1）求出峰值波长（2）求出2个Z（X）函数（3）利用公式求出在某个波段的辐射出射度 第四章： 1. 简述下述名词： 1气溶胶粒子:大气中悬浮着的半径小于几十微米的固体和及液体粒子。 2绝对湿度:单位体积空气中所含水蒸汽的质量,叫做空气的“绝对湿度”。 3相对湿度:空气中实际所含水蒸汽密度和同温度下饱和水蒸汽密度的百分比值,叫做空气的“相对湿度”。 4波盖尔定律:辐射通过介质的消光作用与入射辐射能量、衰减介质密度和所经过的路径成正比 5大气窗口:大气窗口是指太阳辐射通过大气层未被反射、吸收和散射的那些透射率高的光辐射波段范围。 6大气传递函数:反映大气消光使目标与背景的对比度下降的程度。右式中,K为地平天空亮度与背景亮度之 比。所以Tc是K和透过率的函数,与目标亮度无关。 2. 辐射在大气中传输主要有哪些光学现象？试简述其产生的物理原因？ 答：主要有吸收和散射。产生原因：大气中吸收太阳辐射的主要成分是氧气、臭氧、水汽、二氧化碳、甲烷等，对 长波辐射的主要吸收成分是水汽、二氧化碳和臭氧。不同气体对不同波段辐射的吸收作用也不同。这种性质称为大气 对辐射能的选择吸收。散射作用的强弱取决于入射电磁波的波长及散射质点的性质和大小。当散射粒子的尺度远小于 波长时，称为分子散射或瑞利散射，散射系数与波长的四次方成反比，主要是空气分子的散射。当粒子尺度可与波长 相比拟时,称为米氏散射,散射系数是波长和粒子半径的一个复杂函数。 第五章： 1. 像管的成像包括哪些物理过程？其相应的理论对应的核心器件是什么？ 答：1）将接受的微弱或不可见的输入辐射图像转换成电子图像2）使电子图像获得能量或数量增强,并聚焦 成像3）将增强的电子图像转换为可见的光学图像 核心器件为：1）光阴极2）电子光学系统3）荧光屏 2. 像管是怎样分代的？各代的技术改进特点是什么？ 答：1）零代微光像增强器技术2）一代级联式像增强器技术3）采用微通道板(MCP)的二代像增强器4）采 用III-V族光电阴极（负电子亲和势光阴极）的三代像增强器技术；在三代像增强器的基础上，通过改进MCP 技术,相继出现了5)超二代像增强器技术6)超三代像增强器技术7）第四代像增强器技术 3. 负电子亲和势光阴极的特点是什么？其较正电子亲和势光阴极有哪些特点？ 答：它的光电灵敏度目前可高达3 000A/1m 以上，因此三 代像增强器具有高增益、低噪声的优点。而且负电子亲和 势是热化电子发射，光电子的初动能较低，能量又比较集中, 所以，三代像增强器又具有较高的图像分辨力 4 试从静电场的高斯轨迹方程出发讨论其理想成像性质。- 答：理论基础：麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流假说 的核心思想是：变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电 场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，它们 相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场 5. 静电透镜的最本质特征是什么？ 答：静电透镜是一种静电装置，它能产生特殊分布的静电场，并使通过其间的电子束聚焦或成像。 6. 什么叫荧光？什么叫磷光？ 答:1荧光:晶态磷光体在受电子激发时产生的光发射.2磷光:停止电子激发后持续产生的光发射。 7.荧光屏表面蒸镀铝膜的作用是什么？ 答：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。通常 的铝膜是在真壁状态下蒸镀的亮铝膜，也可是在充氧气状态下蒸镀的黑铝膜，后者有利于改善输出图像的对 比度。 8.荧光屏的转换效率与哪些因素有关？ 答：P202,粉层厚度、粒度、入射电子的能量及铝膜的影响 9. 光纤面板的传像原理是什么？光纤面板应用于像管有哪些优点？ 答:1原理：光学纤维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。2优点：光学纤维面板 又使像增强器获得以下优点:增加了传递图像的传光效率;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;可制成锥形光学纤维面板或光学纤维扭像器。 第七章： 1. 什么是摄像管?它是怎样完成摄像过程的? 答:1电视摄像管是将2维空间分布的光学图像转换为1维时间变化的视频电信号的过程。完成这一过程的器 件称为电视摄像管。2摄像过程主要分3个步骤:接收输入图像的辐照度进行光电转换，将2维光强转化为 2维空间分布的电荷量电荷存储元件在一帧周期内连续积累光敏元件产生的电荷，并保持电荷的空间分布， 这一存储电荷的元件称之为靶电子枪产生2维扫描的电子束，在一帧周期内完成全靶面的扫描，在输出电 路上产生与被扫描点光照度强度成比例的电信号，即视频信号. 2. 摄像管的工作原理是什么?简述视频信号的形成过程. 答：其主要由光电变换与存储部分和信号阅读部分两大部分组成。分为四步： (1)光电变换部分：将光学图像变成电荷图像的任务由光电变换部分完成，该部分由光敏元件构成，常用的 材料有光电发射体和光电导体(2)电荷存储与积累部分：由于光电变换所得的瞬时信号很弱，所以现在摄像 管均采用电荷积累元件。它在整个帧周期内连续地对图像上的任一像元积累电荷信号。因为要积累和存储 信号，所以在帧周期内要求信号不能泄漏。因此，要求电位起伏存储元件应具有足够的绝缘能力。常见的 存储方式：二次电子发射积累，二次电子导电积累，电子轰击感应电导积累，光电导积累；（3）信号阅读部 分：从靶面上取出信号的任务由阅读部分来完成。阅读部分通常是扫描电子枪系统，它由细电子束的发射源、 电子束g聚焦系统和电子束偏转系统三部分组成；（4）视频信号的形成。 3. 摄像管的结构由几部分组成?各部分的作用是什么? 答：(1)光电变换部分：将光学图像变成电荷图像的任务由光电变换部分完成，该部分由光敏元件构成，常 用的材料有光电发射体和光电导体(2)电荷存储与积累部分：由于光电变换所得的瞬时信号很弱，所以现在 摄像管均采用电荷积累元件。它在整个帧周期内连续地对图像上的任一像元积累电荷信号。因为要积累和 存储信号，所以在帧周期内要求信号不能泄漏。因此，要求电位起伏存储元件应具有足够的绝缘能力。常 见的存储方式：二次电子发射积累，二次电子导电积累，电子轰击感应电导积累，光电导积累；（3）信号阅 读部分：从靶面上取出信号的任务由阅读部分来完成。阅读部分通常是扫描电子枪系统，它由细电子束的发 射源、电子束g聚焦系统和电子束偏转系统三部分组成；（4）视频信号的形成。 4. 摄像管产生惰性的主要原因是什么?怎样减小这些惰性?摄像管的分辨力是怎样定义的?采用什么单位? 答:1摄像管的惰性： 在摄取动态图像时，摄像管的输出信号滞后于输入照度的变化，这一现象称为惰性。 入照度增加时，输出信号的滞后称为上升惰性;当输入照度减小时，输出信号的滞后称为衰减惰性。对于电 视摄像管的惰性指标，通常采用输入照度截止后第三场和第十二场(以帧周期0.04s计，为60ms 和240ms) 剩 余信号所占的百分数来表示。摄像管产生惰性的主要原因有两个:一是图像写入时的光电导惰性;二是图像 读出时扫描电子束的等效电阻与靶的等效电容所构成的充放电惰性。 2减小摄像管的电容性惰性,采取的措施有:减小靶的等效电容降低电子束的等效电阻在低照度摄像 时增加背景光 3摄像管的分辨力：电视摄像管摄像时的对图像细节的分辨能力是一项重要的性能指标。由于电视系统采 用扫描方式，故分辨力在垂直和水平方向上一般是不同的。因而，通常分成垂直分辨力和水平分辨力，即以 画面垂直方向或水平方向尺寸内所能分辨的黑白条纹数来表示。这一极限分辨的线条数简称为电视线(TVL) (1)垂直分辨力：在整个画面上，沿垂直方向所能分辨的像元数或黑白相间的水平等宽矩形条纹数，称为垂 直分辨力。例如若能够分辨600 行，即称垂直分辨力为600 TVL。(2)水平分辨力： 整个画面上，沿水平方 向所能分辨的像元数，称为水平分辨力，习惯上用电视线(TVL)表示。 4采用单位：lp/mm 5. 简述光电导摄像管的工作原理，指出光电导靶的特点。 答: 1工作原理：光电导摄像管是利用内光电效应将输入的光学辐射图像变换为电信号的视像管。在视像 管中，光电导靶面既作为光电变换器，又作为电信号存储与积累器。因此，这种摄像管结构简单。组成视像 管的主要部件是光电导靶、扫描电子枪、输出信号电极和保持真空的管壳。光电导靶被设置在摄像管中透明 输入窗的内表面上。在面对输入窗的靶面上蒸镀二氧化锡(Sn0 ) 透明导电膜，由这一导电膜作为输出信号 电极。视像管靶在输入光学图像的作用下产生与像元照度相对应的电荷(电位)图像，通过扫描电子枪电子束 对图像顺序扫描 产生视频信号输出。 2特点：1）硫化锑管：工艺简单，价格低，成品率高；2）氧化铅管： 暗电流很小，惰性低，灵敏度高， 分辨力高，是理想的广播电视级摄像管；3）硅靶管：寿命长，光谱灵敏度高且范围宽，分辨力低，暗电流 大；4）硒化镉管:极高的光电灵敏度，较低的暗电流，宽光谱响应，分辨力较高，惰性大。被认为有前途;5） 硒砷碲管:光谱响应宽，暗电流低，分辨力高，价格低于氧化铅。被认为有竞争力；6）硫化锌镉管:光电灵 敏度非常高，适于在低照度下工作。 6. 热释电摄像管的靶有什么特点？具有什么性质？ 答: 1特点：热释电摄像管与普通光电导摄像管在结构上类似，只是以热释电靶代替了光电导靶，但是两 者之间存在着根本的区别。首先，热释电靶是利用热释电效应来工作的，而热释电效应仅对随时间变化的热 辐射有响应，所以热释电靶在工作时需要交变的入射辐射，即要对入射辐射进行调制。其次，由于热释电靶 是近乎完美的绝缘体，容易积累电荷而使电子束不能连续工作，为此要设法消除靶面的负电荷积累，所以调 制入射辐射和消除负电荷积累成为热释电摄像管的两个特殊的问题。 2性质：其工作时电压随温度变化而变化 7. 什么叫热释电效应？试叙述之。 答: 热释电效应是少数介电晶体所特有的一种性质，这种效应可表述为:晶体在没有外加电场和应力的情况 下，它具有自发的或永久的极化强度，且这种电极化强度随晶体本身温度的变化而变化。当温度降低时电极 化强度升高，当温度升高时电极化强度降低。使电极化强度降低到零时的温度称为居里温度。具有热释电效 应的晶体在固体物理学中称之为铁电体。 8. 为什么热释电摄像管工作前要进行单畴化？ 答: 热释电摄像管在工作时，靶必须处于自发电极化的状态，即电极化的极轴方向应垂直于靶面。通常在制 靶时及靶产生退极化时，都要进行单畴化，使之形成最大的自发电极化强度。 第八章 1. 简述CCD工作时的电荷耦合原理（作简图） 答: 1假定开始有一些电荷存储在偏压为20V的第二个电极下面的势阱里，其他电极上均加有大于阈值得较低电压（例 如2V）。设a图为零时刻，经过一段时间后，各电极的电压发生变化，第二个电极仍保持10V，第三个电极上的电压由2V 变为10V，因这两个电极靠的很近（几个微米），它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第二个电极下的电荷变为 这两个电极下势阱所共有。如图bc。若此后第二个电极上的电压由10V变为2V，第三个电极电压仍为10V，则共有的 电荷转移到第三个电极下的势阱中，如图e。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。 2通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD电极 分为几组，并施加同样的时钟脉冲。如图f，为三相时钟脉冲，此种CCD称为三相CCD.CCD电极间隙必须很小，否则被电 极间的势垒所间隔。产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构，表面态密度等因素决定。 间隙长度应小于3um。 3. 以三相CCD 为例，说明决定其工作频率的上下限因素是什么？ 答: 为避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间 必须小于少数载流子的平均寿命,对于三相CCD,t为：t=T/3=1/3f,故，f1/3 . 4. 什么叫CCD 的转移效率，怎样计算？提高转移效率有哪几种方法？ 答: 1CCD转移效率：一次转移后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷 之比。造成电荷转移损失的主要因素有三个:即转移速度快慢、界面态俘获和极间势垒。 2计算方法：h - 3提高转移效率方法： 1）电荷转移速度：在时钟脉冲较低时，损失效率为常数，频率高时，损失率增大。2）界面态俘获：解决 方法“胖零”工作模式，通过用一定数量的基地电荷先将界面态填满，当信号电荷注入时，信号电荷被俘 获的几率变小，而界面态释放出来的电荷又可以跟上原来的电荷包。从而在一定程度上减小了界面态带来的 损失。“0”信号时，也有基地电荷注入。3）极间势垒：解决方法：尽量减小极间距，采用高阻衬底。 5. CMOS成像原理，CMOS和CCD工作原理的不同？ 答: 1CMOS成像原理：典型的CMOS成像器件由光敏元阵列和辅助电路构成。 1)光敏元阵列：完成光电转换的功能。辅助电路：完成驱动信号的产生，光电信号的处理输出等任务。2)每个光敏元都 有其x、y方向上的地址，可分别由两个方向的地址译码器进行选择;3)每列光敏元都对应一个列放大器，列放大器的输 出信号与X方向地址译码控制的模拟多路开关相连4)实际工