光电成像系统复习

1、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:通过外光电效应将入射的辐射图像转换为电子图像; 由电场或电磁场的 聚焦加速作用进行能量增强以

2、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。(2电视型光电成像系统工作方式:接收二维的光学图像或热图像 , 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时间的存储 , 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. 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

3、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 55

4、5 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;

5、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 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

6、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 的辐

7、射通量 P 和引起人眼感受的光通量 的关系: 对于某波段 a, b的辐射功率所产生的光通量为 : 式中, =i-i-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 =模型 (变量分离方法 :(12012M M M f T a a =(1exp 1, 10, 1SNR SNR SNR -=<m K V P =b a b a m K V P d =a b i i bm i aK V P =(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

8、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

9、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

10、 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,(' 0102'02 r z r z r z r z r z r z r z

11、 =+=('02 0i i r z r z r z =('010101 i i i i r z r z r z r z r z r z r z =+=(01, i i i z z r r z r z r z =像点与物点互为共轭点,像平面 z=zi是物平面 z=z0的共轭像面。 6. 电子光学与几何光学的区别;电子光学中的规范化电位和矢量磁位函数是渐变的,故电子光学折射率是空间位置的连续函数, 其电子轨迹不可能是突变折射的连续曲线, 且可随电压的调节而变化, 几何光学由于折射率是突变的,是一定值,光线是折线; (类似渐变折射率晶体 电子光学的折射率具有任意的数值,而光学折射率只

12、是在 12.5之间变化,因此光学透镜的折射能力不强,而电子透镜可以形成很强的折射能力,从而引起几何光学 中不可能发生的现象;电子光学系统中,折射率随着边界的确定而完全确定,不能自由改变和选择来消除像差,但几何光学中可以;电磁复合场的电子光学系统中,由于磁场的存在使得折射率与电子运动方向有关,因此电磁复合场中电子的运动轨迹不可逆,类似于几何光学中各向异性介质中传输 的光线;电子光学系统折射率与电子速度的绝对值有关,某点的折射率对于同一阴极发出的初速不同的电子有不同的数值,因此会出现色差;而几何光学中色差是由于折射率 与波长之间的关系引起。某些时候,电子光学理论中必须考虑电子之间的斥力,而几何光学

13、中不存在 7. 判断电子透镜发散和会聚的方法;1利用轴上电位的二阶导数判断静电透镜最终是会聚还是发散; 2根据折射定律分析电子运动轨迹的趋势判断静电透镜最终是会聚还是发散; 3利用电子透镜的焦距公式,依据焦距的正负判断静电透镜是会聚还是发散。 8. MCP工作电压与长径比如何取值; 微通道的长径比 : 实验表明, 只要微通道的长径比 一定, 则电流增益不变。 由简化式可知, 长径比的最佳值: 工作电压 U : 工作电压 U 与最佳长径比之间具有确定的一一对应关系,通常取 9. MCP 的离子反馈离子反馈:MCP 工作于像管内壁的真空状态下,像管内具有残余的气体分子,它们在 MCP (输出端 将

14、受到密集的二次电子碰撞电离, 碰撞电离产生的正离子在电场作用下轰击像管 的光阴极而产生电子发射,从而在荧光屏产生亮斑 (离子斑 。 10. 电子透镜的成像公式和焦距公式。 电子透镜的成像关系式:高斯公式:牛顿公式:电子透镜的焦距公式:=U 最佳工作电压:( v 2 2U =单 位 :001i i f f l l +=00i i x x f f=''1i i f -= 像方焦度,其中 是电子飞出处的电位 '' 001f -=物方焦度,其中 是电子飞入处的电位 第六章:1. 主动与被动红外成像系统的主要部件;直视型主动红外成像系统的主要部件:红外照明光源、物镜、红外

15、变像管 /具有近红外延伸 的像增强器、目镜,图 6-1。发射反射大气传输接收光电转换图像增强可见光 图像显示直视型微光成像系统的主要部件:微光物镜、像增强器、目镜,图 6-3。反射、大气传输 接收光电转换图像增强可见光图像显示2. 主动与被动红外成像系统的异同;主动红外成像系统工作在近红外波段的特点: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。图 6-2的典型目标反射 光谱曲线,利用反射光谱曲线在某一波段的差异获得高对比度的目标与背景细节。 (识别伪装 近红外辐射比可见光受大气散射的影响小,具有较高的大气透射比。恶劣天气情况 除外。主动成像系统工作不受环境照明的影响,可在 “ 全黑 ”

16、 条件下工作,并且可利用窄光 束照明,从而使得目标与背景的反差增大,获得较为清晰的图像。直视型微光成像系统工作的特点:被动式工作,靠自然光照明景物,隐蔽性好,但是目标与景物之间反差小,图像较 平淡,层次不够分明。系统受自然照度和大气透明度影响较大,尤其是在浓云和地面烟雾较浓的情况下, 景物照度和对比度会明显下降。3. 抛物面反射镜对主动成像系统的影响;影响:(1 、实际散射角稍大于理想散射角;(2 、可确定出全发光距离,由反射镜结构和光源半径决定,与光源亮度无关。(3 、使系统轴向光强只取决于光源亮度、反射镜的光孔面积及反射比。(4 、通常轴向光最强,光强随散射角增大而衰减,一般用光强降到中心

17、强度 10%对应 的散射角表示系统的散射角大小。4. 主动、被动成像系统最大工作距离的估算方法。(1 视距估算列线图(2 视距等效处理方法非直视型光电成像系统第七章:1. 摄像管成像的物理过程以及摄像管的必备功能;摄像管成像的物理过程:1 摄像管光敏元件接收二维空间分布的图像信号并进行光电转换成二维空间分布的电荷量;2 摄像管电荷存储元件 (靶 在一帧周期内连续积累光敏元件的电荷量并保持其空间分布;3摄像管电子枪产生空间二维扫描的电子束,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辐射强度成比例的视频信号。摄像管的必备功能:图像的写入、存储过程,即输入的光学图像照射在靶面上产生电

18、荷图像并积累一段时间; 图像的阅读、擦除过程,即电子枪的扫描电子束从靶面上取出视频信号。2. 视频信号的形成过程 无光照和有光照时 视频信号的形成过程(无光照和有光照时 无光照和有光照时 无光照时，被电子束扫描后，电容器开始沿着 RdC 回路放电，扫描侧 A 的电位 VAd 随 电容器 C 的放电从零开始上升，其值 VAd =VT1-exp(-1/RdC，所以在帧周期 Tf(40ms内， A 点电位的最大值 VAdm=VT1-exp(-Tf/RdC，如果暗电阻很大，则 VAdm=0；当扫描再次 来临时，与靶电源一起构成的回路中 C 充电，A 点电位下降，其值 VAd = VAdm exp1/(

19、Rb+RLC VAdm exp-1/RbC 有强光照射时， 被电子束扫描后，电容器开始沿着 RC 回路放电， 扫描侧 A 的电位 VAd 随电容器 C 的放电开始上升，其值 VAe =VT1-exp(-1/ReC，所以在帧周期 Tf 内，A 点电 位的最大值 VAem=VT1-exp(-Tf/ReC ；当扫描再次来临时，束电阻等与靶电源一起构成 回路向 C 充电， 点电位下降， A 其值 VAe = VAem exp-1/(Rb+RLC VAem exp-1/RbC 因此，由于强光照射产生的有效信号为V= VAem VAdm。 3. 降低电容性惰性的方法； 降低电容性惰性的方法； 减小靶的等效

20、电容。 选取介电常数较低的靶材料；不影响光电导效应以及分辨力的情况下增加靶的厚度。 降低电子束的等效电阻。 在不影响电子束电流的前提下降低发射电子束的等效温度， 从而使束电阻减小。 选取合适的 电子透镜使得电子速度的分散仍保持发射时的分布，使得电子束温度较低达到较低的目的 （层流电子枪，利用长焦距电子透镜） 。 在低照度摄像时增加背景光。 扫描电子束的束电阻下降时可提高电子束的电流值，因此加大输出信号也可减小惰性。 为了提高电子束电流值， 在摄取低照度图像时人为地反馈给靶面一个均匀的底光， 使输出信 号电流叠加一个背景电流，从而减小惰性。 底光产生的背景电流是直流量，可以由隔直电容加以滤除。

21、4. 扫描电子束对摄像管分辨力的影响； 扫描电子束对摄像管分辨力的影响； 如果电子束落点尺寸不等线宽， 垂直分辨力随着束点尺寸的变化而变化。 如果束点尺寸 增大，垂直分辨力将会下降。这是由于在扫描时，同时取走了相邻线条的信号，使它们相互 混淆所致。 此外， 垂直分辨力还与束点上的电流密度分布有关。 通常束截面上的电流密度服从高斯 分布。所以束点中心和边缘部分的阅读能力不同。如果设计均匀密度分布的束点，阅读效果 及分辨力会大大改善 束点尺寸对水平分辨力的影响称为孔阑效应。 为了减小孔阑效应， 应缩小束点的水平尺 寸。 5. 热释电效应； 热释电效应； 所谓热释电效应， 是晶体在没有外加电场和应力

22、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。热释电效应是少数介电晶体（铁电 体）所特有的一种性质。 温度降低时电极化强度升高，相反，温度升高时电极化强度降低。 6. 热释电摄像管光电转换的基本原理； 热释电摄像管光电转换的基本原理； 在束缚面电荷被中和之前的时间内， 铁电体的温度发生变化时， 晶体的自发电极化强度将随 着温度的变化而变化， 相应的束缚面电荷也随之变化， 从而完成温度变化转化为束缚面电荷 的变化。 7. 热释电摄像管实际应用时考虑的因素。 热释电摄像管实际应用时考虑的因素。 热点系数。热电系数的数值越大，则摄像管的灵敏度越高，因此材料的热