光电成像技术Chapter6-直视型光电成像系统与特性分析

第六章直视型光电成像系统与特性分析2/5/20231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，器件本身具有图像转换、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，本章主要讲授直视型夜视光电成像系统。2/5/20232光电成像原理一、直视型主动红外成像系统§6.1直视型光电成像系统的原理

直视型主动红外成像系统的主要部件：

红外照明光源、物镜、红外变像管/具有近红外延伸的像增强器、目镜。发射→大气传输→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主动红外成像系统的主要应用：

公安、工业监测、医学、科学研究；另外，像管的选通技术的发展促进了其在军事领域的重要应用，比如巡航导弹的导航等。直视型主动红外成像系统的工作波段：

0.76~1.2um。2/5/20233光电成像原理§6.1直视型光电成像系统的原理

电子光学系统：图像增强、加速聚焦人眼2/5/20234光电成像原理主动红外成像系统工作在近红外波段的特点：§6.1直视型光电成像系统的原理

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”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。2/5/20235光电成像原理§6.1直视型光电成像系统的原理

红外照明光源带来的致命弱点：容易暴露自己。主动红外向被动红外发展；夜视成像向近红外拓展。选通技术的应用，减少了传输介质的后向散射对成像系统的影响，促使其在军事及其他领域的应用。二、直视型（被动）微光成像系统直视型微光成像系统的主要部件：微光物镜、像管、目镜，图6-3。反射、大气传输→接收→光电转换→图像增强→可见光图像显示直视型微光成像系统的主要应用：

军事、天文、公安、安防、生物医学、科学研究。2/5/20236光电成像原理§6.1直视型光电成像系统的原理

直视型微光成像系统的工作波段：

可见光波段、有一定的近红外或紫外光谱响应，但是通常情况下不选择红外/紫外变像管。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。2/5/20237光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

一、夜视成像系统的光学系统电子光学系统：图像增强、加速聚焦光阴极显示屏物镜：把目标场景成像于光阴极上目镜：人眼通过目镜观察显示屏上的可见光图像光学系统是夜视成像系统的重要组成部分，对系统性能有很大的影响。2/5/20238光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

夜视光电成像系统的种类：

微光夜视系统（微光成像物镜）、主动红外夜视成像系统和热成像系统（红外成像物镜）。1.夜视成像物镜(1)夜视系统对物镜的基本要求a.大的通光口径和相对孔径景物的辐射噪声影响微光成像系统的视见能力。由第三章“成像系统像平面的辐照度”可知，夜视系统的光学系统是低信噪比系统，需要加大相对孔径以最大限度地接收来自目标的辐射，提高光阴极的照度和系统的信噪比。2/5/20239光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

2/5/202310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）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。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差。（微光：0.4~0.9；主动：0.65~1.2；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。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。2/5/202311光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

e.最大限度地消除杂散光杂散光对低信噪比的夜视系统影响较明显，必须减小成像光学系统的杂散光以减小夜视系统像质的变坏。f.同时考虑聚光系统和扫描系统（对红外光学系统）平行光束扫描时，要求光学系统的出射光束仍为平行光束；扫描系统处于会聚光束中扫描时将导致扫描散焦，要求设计红外物镜时加以校正以减小扫描散焦。g.尽可能减小被动红外系统中冷反射所产生的图像缺陷。（红外热成像系统的重要指标）2/5/202312光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

(2)成像物镜的基本类型成像物镜有三类：折射系统、反射系统和折反射系统.a.折射系统折射物镜较易校正像差，可获得较大视场，结构简单，装调方便。双高斯物镜、匹兹伐物镜，以及它们的改进型。双高斯物镜：利用厚透镜校正像面弯曲。应用于较大视场(40~50o)的场合该物镜结构完全对称于光栏，垂轴像差可以自动消除。其半部由弯月形厚透镜和正光焦度的双胶合透镜，厚透镜用于校正初级场曲系数SⅣ，双胶合透镜的弯月用于校正初级球差系数SⅠ，两个半部之间的间距用于校正初级彗差系数SⅡ，双胶合用于校正初级轴向色差CⅠ。2/5/202313光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

匹兹伐物镜的基本结构由两个正透镜组构成，球差和彗差校正较好，但视场较大时场曲变大。适用于大孔径和较小视场的场合。红外材料折射率高但反射损失大，在满足需要的条件下尽可能减少透镜片数，甚至采用单片透镜（像质允许下）或组合透镜（消除球差和色差）。

采用非球面光学和衍射光学元件(衍射光学与微电子技术相互渗透，基于计算机辅助设计和微米级加工技术制成的平面浮雕型光学器件)提高系统的成像性能和减小镜片数量与体积。微型化、集成化

折射物镜系统多用于短焦距(≤75mm)和短焦距大视场的情况。2/5/202314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.反射系统

反射物镜可做成大口径、长焦距，且取材容易，可用金属材料，也可用普通玻璃镀金属膜或介质膜；另外，反射物镜的光能损失小，不存在透射损失，不产生色差。

反射物镜多采用双反射镜，少采用单反射镜，常用的双反射镜有：牛顿系统、卡赛格林系统和格里高里系统。抛物面反射镜牛顿系统由抛物面主镜和位于主镜焦点附近的平面次镜组成，抛物面反射镜决定了轴上无穷远点无像差，常用于像质要求高的小视场红外系统，特点是镜筒长、质量大。2/5/202315光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

卡赛格林系统由抛物面主镜和位于主镜焦点附近的双曲面次镜组成。双曲面镜的虚焦点与抛物面主镜的焦点重合，系统无穷远轴上点无像差。主镜和次镜的场曲异号，对整个场曲有一定的校正作用，但是彗差和场曲严重，限制了它的视场。主镜中央留有小孔。特点是焦距长、镜筒短、结构紧凑，轴上点分辨率高。抛物面反射镜双曲面镜2/5/202316光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

格里高里系统由抛物面主镜和椭球面次镜组成。抛物面主镜的焦点与椭球面的一个焦点重合，轴上点也没有像差，但轴外点的彗差和像散严重，且镜筒较长，结构较为笨重。主镜中央留有小孔，使光线经主镜和副镜两次反射后从小孔中射出，到达目镜，从而消除球差和色差。

反射物镜可以使系统获得好的像质，但是需要采用非球面镜，非球面镜加工、检测较困难，成本高。2/5/202317光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

c.折反射系统折反射系统是对反射系统的改进，为了少采用非球面镜但又可得到好的成像质量，主、次镜都采用球面镜构成折反射物镜系统。

折反射系统在反射系统中加折射元件(校正板)，用于校正反射镜引起的像差，以改善整个系统的成像质量，尤其是轴外视场的像差。可实现大口径、长焦距，常用的有：施密特系统、曼金折反射镜、包沃斯-马克托夫系统、包沃斯-卡赛格伦系统。2/5/202318光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

折反射系统中折射元件的透过率波谱范围有限，通常只限于近红外和近紫外的波谱范围使用，而不适于在中、远红外、真空紫外和X光波段中使用。折反射光学系统通常分为两大类：一类是在主反射镜前加校正元件，如施密特校正板等。由于主镜前的折射元件，口径不能做的太大，通常不超过300mm，属于中小尺寸的折反射系统。另一类是在主镜之后加折射元件，这些折射元件处于会聚光路中，其尺寸比主镜小很多，可使得这类折反射系统的口径做的很大，可达几米。2.目镜

像管中，目镜的作用是放大像管荧光屏或显示屏上的目标像，使人眼能进行舒适清晰地观察。2/5/202319光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

对目镜的要求：合适的焦距，决定放大率，通常在20mm左右；足够的视场（大视场），30~90°之间；合适的出瞳距离和出瞳直径；夜间人眼的瞳孔直径约5~8mm，出瞳距离约12~15mm，炮、车25~50mm。适当的前节距（目镜前表面和前焦点之距），以保证工作时的适度调整。像差校正：大视场，轴外像差；大口径，球差和彗差。常用的目镜：图6-16。

人眼通过目镜观察荧光屏，通常认为可分辨目标的最小角度约6’。2/5/202320光电成像原理夜空自然微光照射目标，经目标反射的微光辐射进入光学系统物镜，物镜组把目标成像于焦平面的像增强器光阴极面上，像增强器对目标像进行光电转换、光电子成像和亮度增强，显示于荧光屏。由于工作时只靠夜天光照明而受自然照度和大气透明度影响大，图像平淡而层次不够分明。§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

二、微光夜视成像系统不用人工照明是其最主要的优点，不易暴露目标。2/5/202321光电成像原理直视微光夜视系统目标目镜系统人眼像增强器高压电源物镜系统核心器件：把微弱的光图像增强到足够的亮度，以便人眼进行观察§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

光学系统（物镜组、目镜组）；像增强器；高压电源。2/5/202322光电成像原理⑤图像传递信噪比高夜视光电成像系统的技术要求：①足够的亮度增益；②低背景噪声；③高响应度④好的调制传递特性⑥响应速度快§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

2/5/202323光电成像原理

主动式红外成像系统自身带有红外光源，是根据被成像物体对红外光源的不同反射率，以红外变像管作为光电成像器件的红外成像系统。优点：成像清晰、对比度高、不受环境光源影响；缺点：易暴露，不利于军事应用。§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

二、主动红外成像的照明系统主动式红外成像系统结构照明系统；光学系统（物镜组、目镜组）；红外变像管；高压电源。2/5/202324光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

二、主动红外成像的照明系统

红外发射器(照明系统)：是主动红外成像系统的主要组成部分之一，其性能对系统的性能有着重要影响。系统对红外发射器(包含光源、滤光片等)的要求如下：照明系统的辐射光谱与像管光阴极的光谱响应有效地匹配，并在匹配的光谱范围内有高的辐射效率；有一定的照射范围，照明系统发出光束的散射角应与成像系统的视场角基本一致，以保证系统观察目标所要求的照明的同时，尽可能减少自身的暴露；目镜组把变像管荧光屏上的像放大，便于人眼观察；

与常规光学仪器不同，变像管将物镜组和目镜组隔开，使得光学系统的入瞳和出瞳不存在物象共轭关系！2/5/202325光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

红光暴露距离短;

红光暴露距离是夜间观察者沿照明系统光轴方向由远及近，当人眼刚能发现照明系统透过的红光时，观察者与照明系统的距离。为保证对方不使用同类仪器情况下自身的隐蔽性，红光暴露距离尽可能短。应保证足够的辐射强度，以保证在工作距离内从目标反射回来的辐射具有一定的强度;结构上应保证容易调焦、滤光片和光源更换方便；体积小、质量轻、寿命长、成本低、功耗小、工作可靠。2/5/202326光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

1.红外光源(1)白炽灯

利用白炽灯的红外热辐射向目标照明，光电成像系统的光阴极接收反射回来的热辐射。0.81.2λ/umP2/5/202327光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

(2)氙灯氙灯是利用高压惰性气体氙进行放电。其光谱在近红外光谱区有强辐射谱线，适合于大功率红外探照灯，但是需要专门的触发器点燃氙灯。(3)大功率红外发光二极管LED

砷化镓或镓铝砷半导体PN结，在正向电压的作用下产生近红外辐射，可以设计不同材料、不同结构的PN结得到不同中心波长的强红外辐射。

主动红外成像系统的光源大功率红外LED采用阵列排布方式，具有发光效率高、寿命长、体积小、质量轻、不需要红外滤光片等优点。2/5/202328光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

(4)激光二极管（主动选通像管）激光二极管也是利用半导体材料PN结，在正向电压的作用下向外辐射红外光，使用于脉冲工作方式，经常被用作选通像管的脉冲光源。2.红外滤光片

红外滤光片用来滤除光源辐射中的可见光部分，红外主动成像系统对它的主要要求如下：红外波段的光能损失尽量小，其他波段尽可能大甚至全部吸收或反射；光谱透射比与光阴极光谱灵敏度曲线红外部分相匹配；2/5/202329光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

耐光源工作时的高温，其热稳定性好；防潮性和机械性能好。3.照明系统的非平面反射镜

非平面反射镜是照明系统的重要组成部分，把焦点处的光源发出的一定立体角范围内的光辐射聚焦成沿轴向窄发射角出射的光束。反射镜由镜基（金属或玻璃材料）和镀层（银或铝）组成。

非平面反射镜采用球面、抛物面、椭球面或双曲面，主动红外成像系统中通常采用抛物面反射镜。2/5/202330光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

抛物面反射镜参数：反射镜的光孔：反射镜正面在垂直于光轴平面上的投影圆称为反射镜的光孔，其直径D为反射镜口径。焦点：平行于反射镜光轴的光线会聚点F。焦距：反射镜顶点O到焦点的距离。镜深：镜口切平面中心到顶点的距离H。包容角：焦点为顶点，口径D为底的空间圆锥角。2/5/202331光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

抛物面反射镜的包容角满足如下关系：由反射镜参数确定照明系统的性能参数：(1)散射角

有一定实际大小的光源放在焦点处，经反射镜反射的实际出射光束在一定角度范围内2α散开，当半径r的球形光源球心与焦点重合时，最大散射角的理论值为：2/5/202332光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

(2)全发光距离（光束形成距离）

由于有一定实际大小的光源发出的光线经反射镜反射后在某一散射角2α内散开，使得照明系统的轴向光强在光轴不同位置的贡献是不一样的，随着远离光源的距离增加，反射光线对轴上光强的贡献量几乎忽略，光强趋于稳定。镜面顶点O到轴上光强稳定点K的距离l0称作照明系统的全发光距离。2/5/202333光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

(3)轴向光强

轴向光强是指在大于全发光距离l0时的轴向光强，其大小为：

上式适用于各种光源的计算，对于非球形光源只作为近似估算。轴向光强只取决于光源亮度L、反射镜的光孔面积S和反射比ρ或者探照灯光能损失K（实际中还需考虑光线遮挡部分以及滤光片损失）。

实际中，光强通常采用照度计（光电池）测得全发光距离外的照度，再通过（点源对微面元的照度）I=El2计算得到。2/5/202334光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

(4)光强分布

光强分布是指光源在散射角内光强随投射方向与光轴夹角的分布，通常是轴向光强最强，随着发散角增大而衰减，当光强下降到轴向光强的10%对应的散射角表示系统的散射角大小。三、主动红外成像系统对角放大率的选择2/5/202335光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

1.角放大率2.角放大率与视场在目镜选定的情况下，增加放大率必须牺牲物方视场。3.放大率与仪器外形尺寸增大放大率意味着增加物镜的焦距。四、主动红外成像系统对分辨率的选择2/5/202336光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

1.从人眼观测的角度出发仪器分辨角2.从光阴极角度出发仪器分辨角3.经验公式

五、像管的小型化直流高压电源（略）2/5/202337光电成像原理§6.2夜视光电成像系统的主要部件和特性

变像管和像增强器需要很高的能量，该能量由高压电源提供。变像管：1.2万~2.9万伏；像增强器：几千~几万伏。主动红外成像系统对高压点源的要求：1.为光电成像器件提供所需的稳定直流高压，使变像管在实际工作情况下保持合适的输出亮度；2.性能稳定，在高低温等环境保证系统正常工作；3.实现自动亮度控制功能；4.对选通系统，提供选通周期、脉宽、延时可调的选通电压；5.对自动快门，能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，重量轻，耗电少。2/5/202338光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

直视型夜视成像系统受信噪比和光学系统性能的限制，总体性能涉及光学系统、像管以及与人眼的匹配等，设计时必须寻求各种参数的最佳化。2/5/202339光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

一、微光成像系统性能的基本极限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三个方面的限制，设计或使用时尽可能减少这些限制的影响。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：式中，αk是系统受光子噪声限制的极限分辨角，αt是光学分辨角，D是物镜的有效直径，C是目标对比度，e是电子电荷，L0是目标亮度，τ0是物镜透射比，t是系统积累时间，s是光阴极的光灵敏度，m0是光阴极面上的极限分辨力，f0’是物镜焦距。2/5/202340光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

1.物镜和像增强器参数对系统极限分辨力的影响参数：物镜焦距、物镜口径、光阴极灵敏度、系统积累时间以及像增强器的极限分辨力。

图中具体的照度值范围反映出不同条件下对系统性能的影响规律，对不同的系统参数和目标特性可能有细微的差别。2/5/202341光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

2.像增强器暗背景噪声对系统极限分辨力的影响

像增强器存在的噪声（背景亮度）使得像管输出的对比度恶化，分辨力下降。由于背景亮度的存在，目标的总亮度是目标的固有亮度和背景亮度之和，此时目标的表观对比度和噪声限制的极限分辨角αk’分别为：

由极限分辨角可以看出，当目标亮度L0很高时，背景噪声的影响很小，L0下降时，系统受背景噪声的影响增加，以至信号被噪声淹没，由第三章知识可知：夜视系统应尽可能采用大相对孔径的物镜。2/5/202342光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

因此，像增强器的背景噪声使得系统的极限分辨角增大，必须尽可能减小像增强器的背景噪声，通常要求背景噪声（用照度表示），RA是物镜相对孔径：

因此，像增强器存在背景亮度时，系统的极限分辨角为：而无噪声影响时：2/5/202343光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

3.人眼与像增强器系统的最佳匹配

以上“物镜和像增强器的参数”以及“背景亮度”两项的讨论忽略了系统极限性能不受人眼视觉的限制，事实上人眼视觉的限制必须考虑，从而获得像增强器系统与人眼之间的匹配。把整个系统分为两部分：物镜与像增强器的组合和目镜与人眼的组合；把物镜与像增强器组合的极限分辨特性表示为像增强器荧光屏目标亮度。2/5/202344光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

在物镜光学分辨极限与像增强器组合受光子噪声限制时，荧光屏上极限分辨力ms为ms与荧光屏目标像亮度La之间的关系。对于目镜与人眼的组合，要求在任一目标像亮度下，目镜助视眼的锐度曲线都应高于物镜像增强器组合的空间分辨力，以使系统性能不受人眼限制。因此，目镜倍率（<13×）较小时，要求像增强器有较高的增益G。2/5/202345光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

二、像管的选择像管的选择根据实际使用情况或设计用途选取合适的光阴极、某种技术类型或某种结构的像管。

选择像管时考虑极限分辨力m、增益G以及噪声等效背景等性能参数，另外：1.像增强器的输入输出窗

输入窗考虑的因素主要是光谱匹配，输出窗则决定于后续的级联耦合、CCD光锥耦合或直接观测，选择光学玻璃、光学纤维面板或其扭像器。2.荧光屏类型

荧光屏发光的波长范围和效率、分辨力，选通像管还应考虑响应时间对荧光屏的要求。2/5/202346光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

3.调制传递函数MTF（不同频率的特性）4.信噪比SNR

低照度情况下，SNR对微光夜视系统的景物目标探测和识别具有重要作用。三、直视光电成像系统的光学参数及其选择

对于直视光电成像系统，光阴极位于物镜的后焦面上，而荧光屏位于目镜的前焦面上。2/5/202347光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

1.系统视场像管的视场光阑为光阴极的固定框，故其半视场角为：设计要点：设计系统时，根据图中的几何关系，由系统性能极限确定系统的光学参数。2/5/202348光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

设计系统时，物镜首先确定，则物镜的视场越大其光阴极的直径要求也越大；设计系统时，像管首先确定，则物镜的焦距要求设计相应大小去满足像管的视场要求。2.系统角放大率按照角放大率的定义，系统的角放大率为：2/5/202349光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

设计要点：放大率与像管观察灵敏阈有关，即放大率取决于观察灵敏阈对应的光阴极上的最小照度，一旦像管确定，荧光屏的目标像对目镜的张角大于某一角度时，观察灵敏阈不再下降，无法观察更小照度的目标；整个系统在目镜首先确定后，增加倍率将增加物镜的焦距，牺牲物方视场角为代价；放大率受系统外形尺寸的限制。工程经验：2/5/202350光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

在目镜的帮助下，人眼观察荧光屏时可分辨目标的最小角度约6’（0.00174rad）。为使人眼不限制系统的性能，应有：如果光阴极的分辨力为每毫米30线对，像管放大率为1，则目镜焦距应小于19mm，此时目镜放大率应大于等于13×。3.分辨力

限制系统分辨力的主要器件是像管，以像管的分辨力对系统的分辨力进行估算。2/5/202351光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

另外，由应用光学的知识可知：为保证人眼视觉不成为系统性能的限制因素，应具有足够的角放大率，以6’作为人眼的极限分辨角，因此有4.入瞳、出瞳和出瞳距离

和应用光学中不同的是：像管的物镜和目镜被成像器件隔开，使得物方和像方几何光学不成对应的共轭关系。另外，整个像管系统由两部分组成：①物镜子系统、光阴极和电子光学系统，其中物镜口径限制成像光束(孔径光阑)，而光阴极面有效直径限制系统的成像范围(视场光阑)；②荧光屏和目镜，屏上的像是该部分的物。2/5/202352光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

因此，荧光屏的有效成像面决定了目镜的成像范围，对应的目镜半视场角为2/5/202353光电成像原理§6.3直视型夜视成像系统的总体设计

目镜的出射光束以w’进入人眼成像，因此，最终的成像光束还将取决于人眼瞳孔的大小（出瞳直径）和位置（出瞳距离）。

无渐晕时，出瞳距离满足:

50%渐晕时，出瞳距离为:2/5/202354光电成像原理§6.4夜视系统的作用距离

夜视系统的作用距离是重要的技术指标，是系统性能的综合表现，是系统总体方案论证、系统设计与分析的基础。为保证系统的设计质量、缩短研制周期和提升应用效果，必须科学合理地预测夜视系统的作用距离。2/5/202355光电成像原理§6.4夜视系统的作用距离

一、微光夜视系统的视距预测视距预测采用了目标等效条带图案和约翰逊准则.1.视距模型

由上节知识可知，在光学极限分辨力和低光度下光子噪声限制的极限分辨力为而夜视系统的最小分辨角αm由物镜焦距和像增强器光阴极面上的分辨力m决定，目标被分辨的条件为:2/5/202356光电成像原理§6.4夜视系统的作用距离

满足（*）式的最大距离l就是成像系统在约翰逊准则50%概率条件下对目标的观察距离。因此，由（*）式和极限分辨角得到视距模型(作用距离)：(1)大气传输的影响

视距模型中，目标亮度L0和目标对比度C未考虑大气的影响，而实际作用距离中对应的参数必须理解为表观值，即：光阴极照度环境照度大气透射比：由能见度计算目标反射率改为式4-472/5/202357光电成像原理§6.4夜视系统的作用距离

(2)关于概率概率与条带周期数的关系可利用美国热成像系统模型研究中拟合出的经验公式：通过上式，对条带周期数进行修改可得到不同概率条件下的作用距离的预测。2/5/202358光电成像原理§6.4夜视系统的作用距离

2.视距估算方法（略）(1)视距估算列线图

在获得像增强器多种目标对比度和光阴极照度下的分辨力特性的情况下，采用视距估算列线图进行微光夜视系统的视距预测。(2)视距等效处理方法3.二代、三代成像系统的视距

视距是评价微光夜视成像系统的最直接指标。随着技术的发展，用自动电子快门实现防强光的像管。2/5/202359光电成像原理§6.4夜视系统的作用距离

二、主动红外夜视系统的作用距离与微光夜视成像系统相同的是：主动红外夜视系统的作用距离与气象环境、目标和背景特性等条件有关之外，还受成像系统本身性能的影响，作用距离也是其最直接的指标。与微光夜视成像系统不同的是：主动红外成像系统的照明光路与成像光路基本重合，传输介质的后向散射是影响其性能的重要因素。1.作用距离模型

理想化的视距模型，通常假定在晴朗天气下，照明系统的后向散射造成的附加背景可忽略，成像面上的附加背景由红外变像管的暗发射造成。2/5/202360光电成像原理§6.4夜视系统的作用距离

主动红外夜视系统作用距离的预测由别列克条件得到，在识别观察暗亮度为LBI的屏上图像时必须满足别列克条件：通常考虑主动红外成像系统的照明光路与成像光路重合，设照明系统轴向光强为I，滤除可见光后荧光屏的显示亮度为：2/5/202361光电成像原理§6.4夜视系统的作用距离

式中Ecx是景物辐射经物镜在光阴极面上的照度，由第三章辐射源知识可推导得：所以照明系统被滤除可见光后目标的红外增益有：对于红外变像管暗发射造成的附加背景，其在荧光屏上产生的背景亮度（暗背景）LBI为：2/5/202362光电成像原理§6.4夜视系统的作用距离

因此，由别列克条件可得：2/5/202363光电成像原理§6.4夜视系统的作用距离