光电成像原理及技术-课后题答案(北理工)

1、曲口启八/IAAnZ7/AA.丄亠71RP=T/I/.n曲口启八/IAAnZ7/AA.丄亠71RP=T/I/.n曰/inzt1/宀卜辰K7宀八亡怙口-4mnTtrr|14c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成像系统性能评价方面通常从哪儿方面考虑?夜间无照明时人的视觉能力很羌；没仃足够的视角和对比度就难以辨认；变化过去的影像无法存留在视觉上；隔开的空间人眼将无法观察；人眼只对电磁波谱中很窄的可见光区感兴趣。答：a、两者都佇光学元件并H其日的都是成像。而区别是光电成像系统中多了b、灵敏度的限制，分辨力的限制，时间上的限制，空间上的限制，光谱上的限制，6.反映光电成像系统光电转

2、换能力的参数有哪些？表达止匕?i答：转换系数：输入物理最与输出物理最之间的依从关系。在肓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G:光电灵敏度：R疋口j,三错谋！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夭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。对于具有线性及匕变性成像条件的光电成像过程，完全对以用光学传递函数来定最描述其第二章答：根据辐射发射率的不同一般将辐射体分为二类：黑体，错误！未找到引用源。=1;灰体，错

3、谋！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：错谋！未找到引用源。表明黑体在单位面积上单位时间内辐射的总能最与黑体温度T的四次方成止比维恩位移定律：错误！未找到引用源。他表示半黑体的温度升高时，其光谱辐射的峰值波长向短波方向移动。最人辐射定律：错谋！未找到引用源。一定温度下，黑体最人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？其相应的理论或实什么？像管的成像过程包括3个

4、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扌像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f增强；或者利用微通道板中二次电了发射来增加电子流密丿像增强C过程：利用的是荧光屏上的发光材料可以将光屯子动能?來显示光学图像曰/inzt1/宀卜辰K7宀八亡怙口-4mnTtrr|14c(2)代和零代的区别在于一代像增强其采用了光学纤维面板;起來，形成级联式的像增强器，一般为得到正像，耦合级数多取:微三级二代和一代的根本区别在于：它不是采用多级级联实现光

5、I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三代和二代近贴式像管类似，其根本区别在于光阴极，C提出了更高的性能要求。二代采用的是表面具有止电子亲和势的构的多碱光阴极，三代采用的则是负电了亲和势光阴极，因此三,益、低噪声的有点。11光电发射为什么会存在极限电流密度？试分析并导出连件下和脉冲丁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i电场场强，这电场是由电了光学系统提供的。光阴极的光电发射将j荷，此空I川电荷所形成的附加电场与电了光学系统的电场方向相反。I射电流密度的增人，空间电荷的电场会增加到足以抵消电子光学系统丿场。如果忽略光电子

6、的初速度，半光阴极画的法向场强为零时，光电: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Z为光|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;范I韦I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;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(包括像方焦距和成像性质：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.均在场外。场划分为三个区域，物空间，透镜空间，像空

7、间，在物、像空间:（P185）在荧光屏的表层上蒸镀一层铝膜，厚度约为O.lum,其作用为：弓电荷；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羌必须与可见光光了的25.荧光屏的转换效率与哪些因索令关？为什么说图像分辨力和发光效率对荧于要求是相互矛盾的？（P192）荧光屏的转换效率与制作荧光屏木身的材料一晶态磷光体的转换3与屏的粉层厚度、粒度、入射电了的能最及铝膜的影响等因索有关。一般，粒度越人转换效率越高。但是，过厚的荧光屏将降低输出图像的分辛增加会导致光扩散的增大，分辨力将随之下降。因此，粒度应

8、该适当。通常选耳荧光屏厚度相近，这样可获得发光效率与图像分辨力的最佳组合。2&光纤而板（OFP）的传像原理是什么？像管应用光纤面板点？（P193）光纤曲板是基于光线的全反射原理进行传像的，由于光导纤维的于皮料的折射率，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!根光导纤维能独立地传递光线，且相互Z问不串光。由人量光导纤维所组成的递一幅光学图像。光纤曲板使像增强器获得以下优点：增加了传递图像的传光效率；提对称电了光学系统的对能性，从而改善了像质；对制成锥形光纤面板或光学纤维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715的斜角。一方

9、垃内的二次电了发射次数，另一方面也可使正离子不能穿出通道，消除或减少离P2448夜视成像系统对物镜的基本耍求是什么？（P213）夜视成像系统对物镜的基木要求人致有以下几点：大的同光口径和相对孔径。第八早成像物镜主要分为哪儿种类型？各种类型的典型形式是怎答：光电成像系统用物镜系统分为三类：折射系统、反射系射系统。（1）光电成像系统中常用折射物镜有双高斯型和匹茲伐西结构是微光成像系统中大相对孔径的基本型，由于较容易在较宽光谱范围内修正像差，属于基本对利使轴外像差能自动抵消。在仪器视场不人的情况下茲伐型物镜，其基本结构是两个正光焦度的双胶通简单，球差和慧差校正较好，但视场加大吋场曲严（Z）反射物镜分

10、为单反射镜和双反射镜。最常见的是双反反射镜分为球面镜喝非球面镜（抛物面、椭球面和系统。球面反射镜和抛物面反射镜可单独使用，植曲面反射镜由于其光学焦点和儿何焦点不重合，fi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，而用加入补偿法校止球面镜的球差，构成折反射物镜系统。折反答：（1）大的通光孔径和相对孔径。限制微光成像系统视见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收来自目标的辐射，获得大的靶面照度，即大的通光孔径有微光系统的信噪比。（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响应波段，对主动红外成像系统为0.65-1.2

11、微米（,对微统为0.40.9微米，对热成像系统为1.514微米）。（4）物镜有好的调制传递特性。像管为低通滤波器，目前辨力为3070lp/mm,通常要求物镜在10lp/mm的空间频不低于75%。（5）最大限度地消除杂散光，杂散光对低信噪比的光电成比较明显，减小物镜的朵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（7）尽可能减小被动红外系统中冷反射所产牛的图像缺陷11、在直视型成像系统中对目镜的基本要求是什么？答合适的焦距。目镜焦距心通弃石门055mm像管直流高压电源的特点是什么？其主耍包括哪儿部子答：特点（1）提供稳定的直流高压，使像管工作吋保持合适的输（至）性能

12、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、脉宽以及延时可电压；（G对自动快门，能够根据像管电流自动调整工作电压卡（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、升曰倍压整流电路以及稳压电路。15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过程。变压器T的次级绕组输出峰值电压为V2的交流，贝IJ：（1）正半周：假设T的输出端上负、下正，则D2因反止，D1回路导通，对C1充电，在正半周结束前电压为V2;二倍压电路15、为什么说大气后向散射对

13、主动红外夜视仪性能将产生不答：在主动红外成像系统中，照明系统安装在接收器附近，在照射远距离I灯光轴非常接近系统光轴。照射光束在人气传输过程中被人气散射，其中一部刁进入观察视场，在成像曲上造成一个附加背景，从而降低成像的对比度和清晰羌的情况下，这一影响是丄动红外成像系统性能的一个基木限制I人I素，会对主瓦性能产生不利影响。16、选通技术用于主动红外夜视仪可取得怎样的效果？激光发生器选通像管触发脉冲1监控脉冲作状态，对减小后向散射对成像系统的影响。19、简述直视微光成像系统对像增强器的要求。答：在设计宜视型夜视成像系统时，应当提高增强器极限分辨力m0；为0可能达到光子噪声限，像增强器暗背景噪声丿应

14、尽可能减小，输出窗类型、荧光屏类型以及调制传递函数(MTF)。20、试述像管使用自动亮度增益(ABC)电路的目的及其工答：日的：自动亮度控制电路的作用是通过控制像增强器外加电压的办法田益，以达到控制荧光屏输出图像亮度的II的，扩人了微光成像系统的使川光度级联像增强器高压电源及ABC电路工作原理：图为级联像增强器高压电源，其中包括典型的ABC电路。ABC个带负反馈的肓流低压电源，输出的玄流电压E到肓流变换电路，变为交步升压变压器及倍压整流滤波电路斤供给像增强器。图中Ri、R2和稳压一极管D压冋路;Rw为取样电阻;G为高频旁路电容;C2、C3为低频旁路电容。当比走于BGi的基极电流Ibl时，分压电

15、阻R和6上的电压为标准电压。肖光阴极乂升时，供给像增强器的电流上升，ABC电路的输出电压E1下降，最终导致供乡肓流高压下降而降低了像管的增益，起到维持荧光屏壳度基木不变的作用。物镜直径从D增人到10D,在低于满月光lOlx情况下，系统分辨力得纟人于满月光改善很小；光阴极灵敏度从s提高到10s,在低于103x照度范|韦|,系统得到最人改增加系统积累时间t得与光灵敏度s类似的改善；提高像增强器极限分辨力m0,在1010-】lx1=1标照度范国对系统分辨7改善。当D、s、t一起增加时这种改善更有意义。P24522、为什么要对像增强器进行强光保护？如何实现？答：因为若观察场景中一直存在强光源，则像管荧

16、光屏会饱和，影响像管寿命，甚至造成像管不可逆的损坏。传统的有分压法和散焦法，但对观察有不利影响。自动快门电路根据像管光电源大小对像管实施自动间断供H强光。23、试述像管增强器背景噪声对系统极限分辨特性的影响答：像增强器存在的噪声（如暗噪声）将使像管输出图像化，分辨力下降。像增强器存在等效背景照度Eo时，系统角增大，表示如下2(S/N)2(2-C)pDC)nLtSEb工作原理：A、摄像管光敏元件接受输入图像的副照度进行光电车维空间分布的光强转变为两维分布的电荷量。B、摄像管电荷存储元件在一帧周期内连续积累光敏的电荷，并保持电荷量的空间分布，这一存储电荷之为靶。C、摄像管电子枪产生空间两维扫描的电

17、子束，在一帧成全靶面的扫描，逐点扫描的电子束到达靶面的电面存储的电荷量相关，受靶血存储的电荷量的调儒电路上产生与被扫描点辐照射强度成比例的信号,摄像管的结构由几部分组成？各部分的作用是什么?答：主耍由光电变换与存储部分和信号阅读部分两人部A、光电变换与存储部分：将光学图像变成电荷图像，帧周期内在靶上连续地对图像上的任一像元积累目B、信号阅读部分：从靶而上取出信号4、摄像管是怎样分类的？按光电变换的形式可分为哪几类信号读出方式又可分为哪几类？17、热释电摄像管的靶有什么特点？具有什么性质?答：(1)热释电摄像管的靶是热釋电靶，是具有热释电效应的铁电体材料所制(2)性质：利用热释电效应工作，仅对随

18、时间变化的热辐射有响应；是良好的绝缘体，容易积累电荷。20、简述热释电摄像管的工作过程。为什么要给热释电摄像底电荷？目前产生基底电荷有哪几种方式？答：(1)工作过程：具体答案在课木7.4.2节(P285P289),这里只写人标题热释电靶的单筹化；靶面电荷图像的形成；热释电靶电荷图像的读出。(2)加基底电荷的原因：靶面电荷图像形成时：靶面的信号电荷是由扫描电了束的负电荷着革频信号的，故靶面信号电荷必须为正。而靶是绝缘体，信号电荷又是静电的束纟电了束着靶的负电荷不能在帧周期内导走，所以为了防止热释电摄像管中靶面积累，必须在每次电了束扫描片部给靶面提供一定量的正电荷；电荷图像读出时：同上(3)方法：

19、二次电了发射法；摄像管内充气法；泄漏电流法。21、热释电摄像管工作时有什么要求？对应这几种要求又哪方式？各有何优缺点?答:热释电靶面上的静电电荷血密度随靶温度变化而产生相应的变化。为了能连要求热释电摄像管在每次电了束扫描靶血后，能够重新产化靶面的静电电荷图卡点：装匿简单。但图像总在运动，不便于观察，热II标后边纟附加斩光装置及其相关系统，斩光速度与扫描速度协调，必乡将负极性新后倒相没有考虑金屈电极和半导体的功函数差补Si-SiO2界面上存在的表面电荷Q.中因玷污产生的可动电荷等因素的影响作用，所以，必须对理想悄况下的结果由于上述因索的煤响，表面能带向下弯Illi,为了使表面能带由弯Illi变成

20、平I状态，而在金属栅极上所加的负的偏压就是平带电压。（P302）什么是界面态？怎样减少界面态的影响？什么是“胖模式？为什么SCCD要采用“胖零”工作模式？解：界面态即界面陷阱电荷，上要是指Si-SiO?界面处处于禁带中的局部能级,间与衬底半导体交换电荷，是表面复合和散射的上要成因，它主要是对表面沟龙移效率产生重大影响。采用埋沟CCD可避开界面态俘获信号电荷的不良影响。要减少界面态的影叩零”工作模式。“胖零”工作模式：用一定数最的基底电荷先将界血态填满，当信号电荷电荷被俘获的几率变小，而从界曲态释放出来的电荷又可以跟上原来的电荷包c损失到界面态中去的电荷，可能与它从界面态得到的电荷相等，从而衣定

21、程E面态带来的影响。SCCD的电荷转移损失很人，引入“胖0”电荷片，可使CCD界面引起失降到最小。6、简述BCCDI作原理，说明BCCDT作的特点，并与SC（自的优缺点。解体肉（埋）沟道（埋沟CCD-BCCD）：通过堆而注入杂质，使之形成N型諄层，并难.两瑞加上N*爰，起盪、漏柞Ao晉者携半倍息的电子是N层中的务子而后者是P层中的少子表面CCD中的倍号电看集中在界面处很簿的尺型层而埋为CCD信号劎椅集中衣体內z平面附近。49心rrn/壬命石rrn殆m名更场.埋为CCD的殳要缺点：佶号处建籟覺比褰面CCDJ金敦量fit。7、以三相CCD为例，说明决定其工作频率的上下限因素是解:因CCD工作应养稳

22、搖，故工作频率冇下限，如少子寿命务j转移所需用问为切对钟周期cp）t,对于三相CCD需宓J丄丄333ve因CCD电极有一定长度，电荷转移需要一楚对网，加之CCD存态界面态故工作频率有上限，对于誉者：扣转科所需对网为如肘钟周期rCP）y&T,对于三相CCD鑒fc2对于后者：要求界面态俘获载流子的对间q小于T/3,即：9、面阵CCD有几种工作模式？各有什么优缺点？解：常见面阵CCD摄像器件有两种结构：行间转移结构（LT-CCD）和帧/场转移纟两种面阵CCD的比较：分辨力：水平方向：1LT富；垂直方向：逐行為样隔行描1LT鬲响应度（杲敏度丿：FT光敏面大.木平方向宣1LT,逐行才日描对FT灵敏度壽，

23、隔行彳玄描对：F对问为一场.ILT积分对问为一祯故義的响应玖。噪步：FT光敏面大故嗥老大拖影,ILT转移次敦小.拖彩小应用：FT还可以通过减藩.实观皆愿提影，A12.简述CMOS器件的成像原理，比较CMOS器件与CCD器件理上的异同，各有什么公优缺点?答:EW如taicnntroli基本廉理：典型的CMOS成侏春件由j无仪兄耳列和辅助电毎构成。无救丸阵列：克成无电转携的功能。I电琳：克成臭动钳号的*生，无电宿号的比理.输岀等任务。夸金无牧尢卑有其xy方句上的地址，可仝射由丙个方句的地址诈码厘連布逸朴；命列无救丸卑对庄一个刊孜丈菱，刊孜大菱的输出传号仝射与X方旬丸址年码挫创的模敘多珞开关相连。实

24、际工作射，CMOS传庙丢AY方甸地址诽CMOSIK付WO釧码星控制下.依次摆通養行光敏元的模拟开关.借号通过行开关送到列轨上.通过X方向地址玲码星的揑制.传送到菽乂星。输出菽尢星的输岀借号由A/D转揍春进行蒔换.綾強柴理电毎定理后通过棲口电毎输出。CMOS图像传感器的光电转换原理与CCD慕本相同，其光敏单元,产牛光生电了。而信号的读出方法却ljCCD不同，每个CMOS源像:都有自己的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出，工作吋仅需T作而CCD读取信号需要多路外部驱动。什緘占卜上鉤cvicvhrrn冈後祛咸翌和I目右伪滋僻大小，由于CMOS在像元中采用高增益低功耗互补放大器结构，其电丿优于CCD

25、o动态范I韦I表示器件的饱和信号电爪与最低信号阈值电圧的比较的环境下，CCD的动态范|韦|约比CMOS的高两倍。CMOS图像传!均匀性较CCD有较大的差距。标准CMOS具有较高的喑电流(1nA,100pA/cm2),而精心制作的CCD的暗电流密度为210pA/cm2o由-机电路nJCOMS在同一芯片上制作，信号及驱动传输距离缩短，电寄生延尺降低，信号读出采用XY寻址方式，CMOST.作速度优于CCCMOS与CCD图像传感器的性能比较CMOS图像传感器CCD暗电流(pA/m2)10-10010灵敏度低高喙声电子数20050FPN(%)可在逻辑电路中校正1DRNU(%)101-10工艺堆度小大光敏

26、元放大器有无信号输出行.列开关控制.可圈机采样逐个光敏元输岀只能覇规定的程序输出ADC片内集成片外设置逻辑电路片向集成片外设接口电路片向集成片外设置驱动电路片向集成片外设置电路设计复芳明，获取被摄戸标场景的可见光图像，因此又称低照度电视(LLLTV常摄像靶面照度在ILx以下为微光电视。特点：(1)图像信号转换成一维的电信号后，除可对信号进行2偿、y校正等处理外，还可利用出前迅速发展的数字图像外理技术,图像的质量，增加图像的信息量。nJ实现图像的远距离传送，并可遥控摄像。改善了观察条件，可多人、多地点同时观察。可对被观察景物的图像信息作长时I川录像存储，便于进步分彳但通常微光电视在体积、质量、功

27、耗和操作维修等方面较逊于1统，特别是在图像分辨力的提高方面，微光电视系统已落后于直视微3.目前国际上成熟的三种标准彩色电视制式是哪三种？我电视体制的主要参数是什么？答：彩色电视的制无-主要区别：琦色差传号频谱分入亮度传号频谱空隙中所采用的方比不同。NTSC制一美、可、加竽丸将两个色差佶号分别对频率相同而相住相差90嵐的两个别正交平衡调幅，然后与亮度信号相加。兼家性好，因像质量好，电路简单，信号戍理彖易&对相住失套缺感，嬉须控制在正负10度内，彖易产生朗显真。对发射端.中间传送设备性能指栋要求壽。PAL制西德、英、我倒疫原来正交平衡和同步檢欢等基本捋施上，将其中一个己色差信号进行逐行倒相。利用相

28、邻扌日描行色彩的互补性谄真带来的色调失真。答：:长焦距铳头：4x,y（可以看请盖物细节丿短.焦距镜头：fx?y（用于环境照朗差，但拍摄场面丈的中魚距镜头：f与成像尺寸相当更焦镜头：焦距连续可调7.摄像物镜为什么存在最近摄影距离?答：后我距S：物镜糸统最后一面与成像面的距离。通常情况敖丸率mA+B=-Qz曰/inzt1/宀卜辰K7宀八亡怙口-4mnTtrr|14cSPRITE摊邀器工作由于扫出效应的存在，当光照射样品时，光信号会自动转移出去，从而可以实现光信号的积累和延迟叠加.实SPRITE探测器信号积累和延迟的必要条件一红外图像扫描速度等干非平衡我流子的双极运动漂移速度.双极运动漂移速度与材料

29、的少数载流子迁移率和外置偏压大小有关，如果偏压足够大，非平衡少子将全部或大部分扫出若电场场强过小，非平衡少子漂移长度小于器件长度，则光生少子将在体内复合0设一稳定的红外辐肘入射到SPRITE探测器的处，若忽略陷阱效应及表面复合，并在强电场作用下忽略非平衡载流子的扩散，则沿探测器长度方向x处的光生载流子的稳态方程可写成：式中人为空穴的牵引长度.4若大于样品长度，则在丫时间内Sp将移出体外，反之，将只有部分能移出体外，在SPRITE探测L=卩Etr_器中.兀=/为全部扫出条件.可推知此时SPRITE卩山一探测器两瑞所加电压为.为临界扫出电压3）推导响应度公式：设N型光电导体，其掺杂浓度远大于背景辐

30、射产生的载流子浓度，非平衡载流子寿命远大于双极漂移时间，双极漂移速度等于光点扫描速度，有稳定的红外辐射照射到探测器，且沿长度方向自向右连续扫描时，设器件的尺寸为W*w,读出长度Ivw,且整个器件长度LL?加电场E作川下，可略去非平衡载流了扩散的影响，则光生载流了稳态下的史为：d、pdx讥.口=0,=A+B=-Qz曰/inzt1/宀卜辰K7宀八亡怙口-4mnTtrr|14c;hp=Qz1-eprr求鮮微分方程得到光点能射探元上，估号所产生的非平街翁流子浓度药着扣描佞置的变化关糸。舌右描探元到达读出区时，即x=L,衣公式，其中t为尢生翁流子在器件中的滾越肘间。t=L!pE进両求得光生我流子的无电流

31、强度，和开路电压。|Ljdz=ep(-Vb)Ev?dQT-er*XA=AZ.A,=AZn(1+Aywdt_r=丄EIQT1en式中，n为读出区的载流了浓度。响应度按定义可写成：huwdn当凤射掘失很小，且adl时，亍苻亿送成：吃严$Q）an讥.口=0,=A+B=-Qz曰/inzt1/宀卜辰K7宀八亡怙口-4mnTtrr|14c增大E会增大焦耳热，从而增大热噪声电流，故增大E应该适当。增大载流子寿命，可以提高响应度，故可通过探测器表面钝化技术来实现表面复合的影响降低到最低。可采用制冷技术.降低读岀区的热激发载流子浓度，提高响应度.减小表面反射损失，也是重要途径。9、PV型光电探测器的工作机理是什

32、么？有哪些特点？常料？1）工作机理:光伏探测器：其基本部分是一个P-N结光电二极管-波长比材料的截止波长短的红外辐射.被光电二极管吸收子一空穴对。如果吸收是发生在空间电荷区（结区）电子手Jp+Je=je强电场分开.井在外电路中产生光电流：如果吸收的是P区或卜长度区内.光生载流子必定会首先扩散到空间电荷区.然后再场作用.对外电路贡献光电流如果光电二极管是开路，则:现开路电压（P端为+）即产生光生伏特效应。若在P、N两低电阻则光电二极管被短路.且有短路电流流动（反向）B按能光伏效屁的理论，当V表示光生4?=电动势肘，则光昭下，PN结的势圭/爲度从凍来的eV。文为e（V0-V）,结=附氐N区中少子浓

33、度获得的埔逐也一一匚多光照射列PN结上也亠4丽心/浓度为p一一”/这些多余的少子，一而干自ri入，一而不新向体内扩散/公区引起的空夬.电浇密度为Jp,虫理可写出结的电子电浇密度人。通过PN结的总的光生电流密度可分/为电孑、住穴.电:扌痔忽的珀.也可写/与优值成正比2、提高光伏探测器的响应度，杵先要提高光生电流，即最了产额，其次是降低即提高增量电阻。3、光伏探测器常工作于无外加偏压惜况，此时器件功耗极低，特别适用于人规如果麻接放大器的输入阻抗高，则入射光信号通过器件电压变化检出信号，即若麻接放人器的输入阻抗很低，则光信号通过二极管短路电流变化检出。若在?流偏压，能使器件工作于任何特性丁作点，可用

34、电容将探测器耦合到放人器上时常用反偏以减小耗尽区电容和相应的时间常数RI*Cj3）材料：Hgl.xCdxTe光伏探测器材料响应速度高，用于激光辐射探测十分有利，特别是光通讯或在激光雷达中，作10.6MmCOo激光外差探测。PbSnTe光伏探测器8、14pm,InAs和InSb多年前就由商品，77K,列阵探测器光谱响应均匀性好，性能接近背景极限，已和硅CCD耦合制成焦平面器件。其它薄膜铅盐光伏型探测器。10、光伏器件常用判据是什么？为什么？答：1）2）探测率公式：并公式，其中为採测器结而积与垢蚤电险乘积的n*=rr平方垠值，是判鲂光伏器件生能优劣的重要判据，荒殆为光伏採测毋的优值。单片式又称整体

35、式，可分为两种情况CCD本身就对红外教感,故探测、转移功为体。红外探测器与CCD作在同一基底上，基底卫Si,而探测彖部分常用非本征材料,基本鉛全厲-绝缘物-半导体O混合式IR-CCD根本特占：把採测彖和CCD移佞寄存器分开，CCD俗用普通硅制成，工艺相对成熱，而对几个重要的红外波段，都己经发展了性能优良的本征红外採测器。因此，痔両者耦合起来纽成混合魚平而技术.能获得翕量子放率翕性能的红外FPAo12简述肖特基势垒关电探测器的工作原理，及与光伏探测异同点？工作凍理：辐射透过硅照在硅化物上产生热空2这些空夬能越过势垒进入到硅东底，从而在硅化炀一边的电极上积累负电荷，形成不同点：肖特基是多数载流了器

36、件，P-N结是少数载流了器件13.非制冷红外焦平面阵列有哪些形式？各有什么优缺点?热释电探测器微测辐射热计与热释电相比微测辐射热计采用哇集成技术，成本低，有好的线性响应和爲动态苑倒，碌元问绝缘性好，串音少，因碌请嘶度爲低1/f噪声，爲帧速，和滋在的為灵畝度1理论上但偏置电路功耗大，噪声带宽宽。3、试简述光电成像器件将二维图像转换成一维电信号可通1、电真空型摄像管（1）内光电变换型的光电导摄像器件利用内光电效应将入射的光学辐射图像变换为电信兮，在视像管中，7为光电变换器，又作为电信号存储与积累器异质结又对分为注入型光电导靶、阻描型光电导靶、界质结光电导靶、硅二衣导靶（2）外光电变换型的光电发射型

37、摄像器件利用的是外光电效应完成二维图像转换成一维电信号的光电发射型摄像管都具有一下两个共同点：A、光电变换部分是采用光阴极把输入的光学图像转换成光电子图像B、光电变换器和信号存储靶是分开的。常见的有超正析摄像管、二次电了导电摄像管（SEC）、电了轰击型硅靶:2、热释电摄像管热释电摄像管与普通的光电导摄像管在结构上类似，只是用热释电靶代替是存在木质的区别，首先热释电靶是利用热禅电效应来匸作的，其次热释曰美的绝缘体，容易积累电荷而使电了束不能连续工作，为此要设法消除靶If累。4、CMOS成像器件（1）CMOS是互补金属一氧化物一半导体的英文缩写（2）和CCD具有基木相同的光电转换原理，即光敏单元受

38、到光照后产生通过信号读出电路将其读出,但是CMOS的每个源像索传感单元都有El己的而且可以呗单独选址和读出5、红外探测器（1）热探测器A、热探测器吸收红外辐射厉，产生温升，伴随这温升而发生某些生化，如产生温涼电动势、电阻率变化、自发极化强度变化、气卡变化等。测最这些变化就对以测量出他们吸收的红外辐射的能-B、常用的有热释电探测器、微测辐射热计、微测辐射热电堆等（2）光子探测器A、某些固体受到红外辐射照射后，其中的电子直接吸收红外辐射H态的改变，从而导致该固体的某种电学参最的改变，这种性质乡光电效应，光了探测器就是利用光电效应制成的种探测器B、常川的可以分为以下几类：光电了发射探测器（利用的是外

39、光电导探测器（利用的是内光电效应）、光伏探测器光磁电探测#光磁电效应）、肖特基势垒探测器、量子阱探测器等（3）红外焦平面阵列探测器由红外探测器和具有扫描功能的信号读出器件组成的红外焦平f视型红外热成像系统的核心，红外焦平面阵列包括光敏元件和信，.分，可采用不同的光子探测器、信号电荷读出器多路传输可分为单片式红外焦平面阵列、混合式红外焦平面阵列、Z平面纟11-5试述光机扫描热像仪基本组成部分和工作原理。答：下图为光机扫描型热成像系统的方框图，整个系统主要外光学系统，红外探测器及制冷器，电子信号处理系统和显个部分。光机扫描器使单元或多元阵列探测器依次扫过场索成景物的二维图像。在光机扫描热成像系统中

40、，探测器把接信号转换成电信号，通过隔直流电路把背景辐射从场景电口HI/I一白丄441B4nU.4-IH1_IVT7卜*扫描同步器;可见觇频处理so采测器缈光学系目标辐射口HI/I一白丄441B4nU.4-IH1_IVT7卜*口HI/I一白丄441B4nU.4-IH1_IVT7卜*制舲器光机扬描热成像系统方框图2008-9-111-8.热成像系统对扫描器的基本要求是什么？常用的光机哪些？各有什么特点？答：1.热成像系统对扫描器的基本要求：用于热成像系统的扫描器大部分产生直线扫描光栅。的基本要求是：扫描器转角与光束转角呈线性关系；扫描器聚光系统像差的影响尽量小；扫描效率高；扫描器尺寸尽可构紧凑。2

41、常用的光机扫描器及特点：a摆动平面反射镜摆动平面反射镜在一定范围内周期性地摆动完成扫占射光学原理，摆动反射镜使光线产生的偏转角二倍于反射巒设全视场为2W,出瞳1径为P,出射光束直径为Q=PcosW平彳亍光朿入射到平面鏡上，经反射后仍为平行光剜射，故结构较简单,只需确0如图11-15,Do为入妣朿懿汙为平面反般摆角，则平面反射镜縄小尺寸I=D0/siny对于固定的入射光纵当平而镜摆动丫刪仮射光线偏转2y角,故探测器所在0的移动距离为y卯式中/为成像光学系统焦瓯对应于无穷渤点的像点移动速度为也-2池At1df即像点移动速度与平面镜摆动角速度成正监但当眛不在无穷远时，摆动平面行光束中扫抓像点的移动速

42、度也就不与血加成正比。图11-15摆动平面镜丿口HI/I一白丄441B4nU.4-IH1_IVT7卜*口HI/I一白丄441B4nU.4-IH1_IVT7卜*2)会聚光束扫描器的摆动平面镜口HI/I一白丄441B4nU.4-IH1_IVT7卜*口HI/I一白丄441B4nU.4-IH1_IVT7卜*mii-16摆动平面镜会集光束打描器光路怪bsin(2y)a+6cos(2y)对于镜面位置,探测器所在处D的镜像为D,从图中得出tan0=一a+z当0和y都较小时,可近做地取2b(i+1)即光线转角猪平而镜摆舫近似地呈线性关系。分析像差，当平而镜位于位置时，光线沿0PD方向上的眾为。+厶,平jj时,

43、光路为0()D，其长度不再是a。图11T6巾A0DlP巾的0D*度为c式中，F为成像系统焦距。这表明，当镜面使主光线扫离光物镜到探测器的光路缩短了，这将会由丁扫描散焦而增大光像差。旋转反射镜鼓的反射面是绕镜鼓中心线旋转，所以镜面位置线产生位移。旋转折射棱镜扫描益具有2(n+1)个侧面(n=l,2,3,.)的折射棱镜，绕通过轴线旋转，构成旋转折射棱镜扫描器，旋转折射棱镜只用作扫描器。会聚光束中旋转折射棱镜扫描器除使焦点移动外，种像差，但由于其运动平衡而连续，尺寸小，机械噪声小，高扫描速度。此外，对物镜系统消像差要求较高，增加了电d.旋转折射光楔旋转折射光楔是一非常灵活的光学扫描器，一般用在中。利

44、用一对旋转光楔，改变其旋转方向和转速可以得到许扫描图形。11-10.常用的光机扫描方案有哪些？特点如何？答：1物方扫描：扫描器位于聚光光学系统之前或置于无焦压缩的平行光路中。由于扫描器在平行光路中工作，故称平描。2.相仿扫描：扫描器位于聚光光学系统和探测器之间的对像方光束进彳亍扫描。对于扌T描器在会聚光路中工作，故称物卅角像方扫:iiilrJ,二较物方扫描像方扫描优缺1片八、产生平直扌1描场大多数扌1描器不产/1附加像差扫描器光学质量对系统聚焦性能影响鮫小,像泾校正衣易（S）扌1描器尺寸大，不易实现高速扫描（8）产生弯曲场扫描器存在不可避乡）扌1描器光学质昴对另性能影响较大,像彰（8）聚光系统

45、设计复杂扫描器尺寸较小，？高速打描应川民用热像仪中居多,配以无焦望远系统，压缩平行光路，减小尺寸，可用于军事上军用热像仪,统等如前视zuuo-yTmu热成像系统中前置望远系统和中继透镜系统的作用是答：1前置望远系统的作用：在采用平行光束扫描的热成像系统中，为减小光学的尺寸，在成像物镜前加一组前置望远系统。对于成像物钱置望远镜后，入射光束口径变小，视场变大，从而可缩小反射镜鼓等扫描部件尺寸，有利于仪器小型化及提高扫描速建也可降低因衍射带来的像点弥散斑尺寸，有利丁提高像质。2中继透镜组的作用:1.4/心人（吉.r-I-Hl其特点是什么?答:1L3.制冷器的工作原理分按照制冷原理：相变制冷（杜瓦瓶-

46、液态制冷剂）：利用致冷工作物质相变吸热效E到致冷降温的目的。如固态物质熔解吸热或升华吸热，液体气化吸殳焦耳一汤姆逊效应（气体节流式制冷）：当高压气体的温度低于本三温度，并通过一个很小的节流孔时，由于气体膨胀而使温度下降，1为焦耳一汤姆逊效应。如使节流后的低温气体返回来冷却进入高压f使髙压气体在越来越低的温度下节流，不断重复这一过程，就可以另的低温，达到致冷目的。气体等墻膨胀制冷（斯特林循环制冷器）：气体等墻膨胀后总是降%为气体等墻膨胀时，不但借膨胀机的活塞向外输出机械功，而且膨月体的内位能也要增加，都要消耗气体本身的内功能来补偿，所以气彳胀后温度会显著降低。利用辐射热交换制冷（卫星上用的辐射制

47、冷器）：因宇宙空间处于高低温状态，物体可以和周围深冷空间（约3K）进行辐射热交换。帕尔帖效应（温差电制冷或半导体制冷器）：口型、p型半导体作歹构成闭合向路，直流电通过，一端发热，一端变冷的效应。利用冷录探测器致冷。2008-9-1特点:1杜任瓶：结构简单，制冷温度稳定，冷量充足。制冷物氮77K。2.焦汤制冷器：制冷物质为高压氮气。制冷部件体积小，无运动部件，机械噪声小，使用方便。缺点：气源可得压气瓶较重，对工作气体纯度要求苛刻，杂质不能超过（半导体制冷器：制冷能力取决于半导体材料的性质和回的大小。冃前一级半导体制冷器可产生60C的温差，为i可将n个热电偶串接起來。结构简单，寿命长，可靠性小，重

48、量轻，无机械振动和冲击噪声，维护方便，只耗I辐射制冷器：耗能极少，甚至不需耍能源的被动式制冷寿命长，不需外加制冷功率，无运动部件，更不会产生击噪声，可靠性高。缺点：要求卫星的轨道和姿态得到证辐射制冷式中对准超低温的宇宙空间，不允许太阳光红外辐射直射到制冷器的辐射器上。第I一章19、热成像系统信号处理采用直流隔离和直流恢复的目的是样实现？（505页）答:直流隔离的目的：使信号处理变得简单，而且可达到和消弱f噪声的冃的。直流恢复的目的：消除或减小图像的缺陷。实现方案：551.4/心人（吉.r-I-Hl主放大扫播热n有效的扫擅部分无效的扫描部分箝位信号一奔宜浇恢夏方案au卜信号直沆恢复：在系统中设置热参考源，在扫描周期的无交描热参考源，这一温度信号称为箝位信号，将温度信电位在零电平上，然后，再将与温度信号相应的一个直沉加在经过箝位的温度信号上，进行环境温度补偿，这乍位和环境温度补偿后的温度信号就有了绝对意义22、凝视成像和扫描成像有什么特点？目前实现凝视成像径有哪些？答、光机扫描成像系统是光机扫描器使单元或探测器景物视场，形成景物的二维图像。把探测信号转换成电信号流电路把背景辐射从场景电信号中消除，以获得对比度良像。特点：存在光机扫描器，系统结构复杂、体积较大、可音成本也较高，但由于探测器性能的要求相对较低，技术难度