光電成像系統(tǒng)復(fù)習(xí)

1、光電成像系統(tǒng)基礎(chǔ)理論第一章:1. 人眼視覺性能的局限性;(1靈敏度的限制:光線很差時(shí)人的視覺能力很差;(2分辨力的限制:沒有足夠的視角和對(duì)比度就難以辨識(shí);(3時(shí)間上的限制:變化過去的影像無法存留在視覺上;(4空間上的限制:離開的空間人眼將無法觀察;(5光譜上的限制:人眼局限于電磁波的可見光區(qū);因此, 眼睛的直觀視覺只能有條件地提供圖像信息, 為了突破人眼的限制催生了光電成 像技術(shù)這門學(xué)科。擴(kuò)展視見光譜范圍、視見靈敏度和時(shí)空限制。2. 光電成像系統(tǒng)的分類以及各自的工作方式;(1直視型光電成像系統(tǒng)工作方式:通過外光電效應(yīng)將入射的輻射圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像; 由電場(chǎng)或電磁場(chǎng)的 聚焦加速作用進(jìn)行能量增強(qiáng)以

2、及通過二次發(fā)射作用進(jìn)行電子倍增 ; 經(jīng)過增強(qiáng)的電子圖像轟 擊熒光屏,激發(fā)熒光屏產(chǎn)生可見光圖像。(2電視型光電成像系統(tǒng)工作方式:接收二維的光學(xué)圖像或熱圖像 , 利用光敏面的光電效應(yīng)或熱電效應(yīng)將其 轉(zhuǎn)換為二維電荷圖像并進(jìn)行適當(dāng)時(shí)間的存儲(chǔ) , 然后通過電子束掃描或電荷耦合轉(zhuǎn)移等方式 , 輸出一維時(shí)間的視頻信號(hào)。3. 變像管與像增強(qiáng)器的異同。變像管:接受非可見輻射圖像的直視型光電成像器件:紅外變像管、紫外變像管和 X 射線變像管等。共同特點(diǎn):入射圖像的光譜和出射圖像的光譜完全不同,輸出圖像的光譜是可見光。 像增強(qiáng)器:接受微弱可見光圖像的直視型光電成像器件:級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)器、 帶微通道板的像 增強(qiáng)器、負(fù)電

3、子親和勢(shì)光陰極的像增強(qiáng)器等。共同特點(diǎn):輸入的光學(xué)圖像極其微弱, 經(jīng)器件內(nèi)電子圖像的能量增強(qiáng)和數(shù)量倍增后通過 熒光屏輸出可見光學(xué)圖像。第二章:1. 絕對(duì)視覺閾、閾值對(duì)比度、光譜靈敏度;人眼的絕對(duì)視覺閾所謂人眼的絕對(duì)視覺閾, 是在充分暗適應(yīng)的狀態(tài)下, 全黑視場(chǎng)中, 人眼感覺到的最小光 刺激值 (用照度表示,單位 lx ,在 10-9數(shù)量級(jí)。人眼的閾值對(duì)比度閾值對(duì)比度是指在一定背景下把目標(biāo)鑒別出來所必須的目標(biāo)在背景中的襯度 (對(duì)比度 C 。 C 的倒數(shù)成為反襯靈敏度。人眼的光譜靈敏度人眼對(duì)不同波長的光具有不同的靈敏度響應(yīng), 不同人的眼睛, 對(duì)波長靈敏度響應(yīng)也有差 異。在可見光區(qū)域內(nèi),任意波長與 55

4、5 nm波長處的輻射功率之比稱為光譜靈敏度,其構(gòu)成 的曲線就稱為光譜響應(yīng)曲線。2. 約翰遜準(zhǔn)則對(duì)探測(cè)水平的分級(jí)及其各自的定義;人眼在搜索目標(biāo)像時(shí),眼睛的連續(xù)響應(yīng)可分為探測(cè) (發(fā)現(xiàn) 、定向、識(shí)別和辨別四個(gè)等級(jí) (探測(cè)水平 。探測(cè) 視場(chǎng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo) 分辨力 1.0左右 定向 可大致區(qū)分目標(biāo)是否對(duì)稱及方位 1.4 識(shí)別 可將目標(biāo)分類 分辨力 4.0 辨別 區(qū)分型號(hào)及其他特征 6.4 3. Rand探測(cè) -識(shí)別模型。其中, PR 是顯示器上目標(biāo)的識(shí)別概率, P1是搜索一個(gè)確定的包含有目標(biāo)的面積時(shí),掃視到 目標(biāo)的概率; P2是掃視到的目標(biāo)被探測(cè)的概率,稱為對(duì)比度探測(cè); P3是探測(cè)到的目標(biāo)被識(shí) 別的概率;

5、是總的噪聲引起的衰減因子。 4. Rand 模型如何把搜索過程簡單化?探測(cè) 識(shí)別模型沒有考慮噪聲對(duì) P1、 P2、 P3影響,用總噪聲的衰減因子表示噪聲對(duì)識(shí)別概 率的影響:式中, SNR 是輸出顯示信噪比。探測(cè) 識(shí)別 Rand 模型采用了分離變量的方法,使 P1、 P2、 P3表示為不受噪聲影響的少數(shù) 幾個(gè)參數(shù)的函數(shù),并把噪聲項(xiàng)進(jìn)行單獨(dú)處理,從而把問題簡單化。第三章:1. 基爾霍夫定律及其物理意義;基爾霍夫 (1859定律:物體的發(fā)射本領(lǐng) e 或輻射出射度 M 和吸收本領(lǐng) a 的比值與物體 的性質(zhì)無關(guān), 只與波長和溫度有關(guān), 都等于同一溫度下絕對(duì)黑體 (a=1的輻射出射度 M0, 即: 基爾霍

6、夫定律的物理意義:吸收本領(lǐng)大的物體, 其發(fā)射本領(lǐng)也大, 如果物體不能發(fā)射某一波長的輻射能, 那么它也 不能吸收該波長的輻射能,反之亦然。 2. 輻射度量與光度量的聯(lián)系與區(qū)別;光輻射度量有兩套度量系統(tǒng):輻射度學(xué)和光度學(xué)。 輻射度學(xué)建立在物理測(cè)量基礎(chǔ)上, 是 輻射能的客觀度量, 不受人眼主觀視覺的限制, 適用于整個(gè)光輻射范圍; 輻射度學(xué)參數(shù)是純 粹的技術(shù)參數(shù), 不涉及光對(duì)人類的影響作用, 這些參數(shù)可從功率單位瓦特推導(dǎo)得到。 光度學(xué) 建立在人眼對(duì)光輻射的主觀感覺基礎(chǔ)上, 需要考慮人眼的光譜響應(yīng)曲線, 是心理物理法的測(cè) 量,不適用于紅外輻射、紫外輻射;光度學(xué)參數(shù)是從光通量單位流明推導(dǎo)得到。 波長 的輻

7、射通量 P 和引起人眼感受的光通量 的關(guān)系: 對(duì)于某波段 a, b的輻射功率所產(chǎn)生的光通量為 : 式中, =i-i-1,是第 i 個(gè)波長區(qū)間的寬度。3. 紅外目標(biāo)仿真器的基本要求;目前通過哪幾種技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)。 紅外場(chǎng)景仿真器的 6個(gè)技術(shù)要求123R Rand P P P P =模型 (變量分離方法 :(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 溫度范圍(2 溫度分辨力紅外目標(biāo)仿真器產(chǎn)生的最小溫差(3 空間分辨力紅外仿真器產(chǎn)生場(chǎng)景的空間分辨

8、水平 (4 動(dòng)態(tài)范圍(灰度級(jí) (5 時(shí)間分辨力 (6 目標(biāo)圖像尺寸紅外目標(biāo)仿真的方法:熱輻射法:直接產(chǎn)生紅外輻射;通過溫度控制產(chǎn)生紅外輻射。 可見光 -紅外圖像變換法:用可見光 -紅外圖像變換器將可見光進(jìn)行波長變換, 產(chǎn)生紅外圖像。視型光電成像系統(tǒng)第五章:1. 像管的性能參數(shù); (1 光譜響應(yīng)特性 (2. 增益特性 (3 背景特性 (4成像特性2. 負(fù)電子親和勢(shì)光陰極對(duì)于正電子親和勢(shì)光陰極,遷移到表面的受激電子必須克服電子親和勢(shì)才能產(chǎn)生光電發(fā)射, 限制了這種類型光陰極的量子效率提高以及向長波長方向擴(kuò)展。 負(fù)電子親和勢(shì)能夠大大改善 這兩個(gè)方面。3. 光敏面發(fā)射電子過渡過程的分析 (中心區(qū)電位的變

9、化 ; 對(duì)于選通式的像管或者是連續(xù)像管在輸入突變的輻射信號(hào)時(shí), 在光敏面中心區(qū)將產(chǎn)生光電轉(zhuǎn) 換的動(dòng)態(tài)過渡過程:中心區(qū)因接受瞬間強(qiáng)輻射而失去大量的電子, 由于面電阻高使得在此瞬 間不能及時(shí)補(bǔ)充失去的電子,導(dǎo)致中心區(qū)的電位升高,從而造成光敏面上的電位不一致。 4. 規(guī)范化電位; 規(guī)范化電位:表示選擇電子動(dòng)能為零的地方作為電位的零點(diǎn), 用該規(guī)范化電位直接表示電子 的動(dòng)能。5. 電子光學(xué)系統(tǒng)軸上點(diǎn)和軸外點(diǎn)理想成像的討論對(duì)于軸上點(diǎn),有 r(z0=0,高斯軌跡方程解的形式為:對(duì)于會(huì)聚電子透鏡, 電子受到向軸的徑向力作用, 以單位斜率發(fā)射的電子沿 z 軸方向運(yùn)動(dòng)一段距離以后必交與 z=zi點(diǎn),所以有 因此,

10、 軸上點(diǎn) z0的電子以單位斜率發(fā)射的特解成像于軸上點(diǎn) zi , 根據(jù)二階線性齊次方 程,其余不同斜率發(fā)射的電子也將成像于該像點(diǎn) zi 。 對(duì)于離軸點(diǎn), 并且考慮離軸單位距離平行發(fā)射電子的這個(gè)特解, 高斯軌跡方程解的形式為: 即:物平面 z=z0上的離軸點(diǎn)平行發(fā)射的電子成像于像平面 z=zi上的某一點(diǎn),根據(jù)二階線性 齊次方程或者上式解的形式, 物平面上該物點(diǎn)以不同的斜率發(fā)射的電子都將在像平面上會(huì)聚于該像點(diǎn),該像點(diǎn)坐標(biāo)為:因此,不管是軸上點(diǎn)還是離軸點(diǎn),不同斜率發(fā)射的所有電子都能會(huì)聚于像平面上同一點(diǎn),( 010202 r z r z r z r z r z r z r z =+=(02 0i i r

11、 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 =像點(diǎn)與物點(diǎn)互為共軛點(diǎn),像平面 z=zi是物平面 z=z0的共軛像面。 6. 電子光學(xué)與幾何光學(xué)的區(qū)別;電子光學(xué)中的規(guī)范化電位和矢量磁位函數(shù)是漸變的,故電子光學(xué)折射率是空間位置的連續(xù)函數(shù), 其電子軌跡不可能是突變折射的連續(xù)曲線, 且可隨電壓的調(diào)節(jié)而變化, 幾何光學(xué)由于折射率是突變的,是一定值,光線是折線; (類似漸變折射率晶體 電子光學(xué)的折射率具有任意的數(shù)值,而光學(xué)折射率只是在 12.5之間變化,因此光學(xué)透鏡的折射能力不

12、強(qiáng),而電子透鏡可以形成很強(qiáng)的折射能力,從而引起幾何光學(xué) 中不可能發(fā)生的現(xiàn)象;電子光學(xué)系統(tǒng)中,折射率隨著邊界的確定而完全確定,不能自由改變和選擇來消除像差,但幾何光學(xué)中可以;電磁復(fù)合場(chǎng)的電子光學(xué)系統(tǒng)中,由于磁場(chǎng)的存在使得折射率與電子運(yùn)動(dòng)方向有關(guān),因此電磁復(fù)合場(chǎng)中電子的運(yùn)動(dòng)軌跡不可逆,類似于幾何光學(xué)中各向異性介質(zhì)中傳輸 的光線;電子光學(xué)系統(tǒng)折射率與電子速度的絕對(duì)值有關(guān),某點(diǎn)的折射率對(duì)于同一陰極發(fā)出的初速不同的電子有不同的數(shù)值,因此會(huì)出現(xiàn)色差;而幾何光學(xué)中色差是由于折射率 與波長之間的關(guān)系引起。某些時(shí)候,電子光學(xué)理論中必須考慮電子之間的斥力,而幾何光學(xué)中不存在 7. 判斷電子透鏡發(fā)散和會(huì)聚的方法;1

13、利用軸上電位的二階導(dǎo)數(shù)判斷靜電透鏡最終是會(huì)聚還是發(fā)散; 2根據(jù)折射定律分析電子運(yùn)動(dòng)軌跡的趨勢(shì)判斷靜電透鏡最終是會(huì)聚還是發(fā)散; 3利用電子透鏡的焦距公式,依據(jù)焦距的正負(fù)判斷靜電透鏡是會(huì)聚還是發(fā)散。 8. MCP工作電壓與長徑比如何取值; 微通道的長徑比 : 實(shí)驗(yàn)表明, 只要微通道的長徑比 一定, 則電流增益不變。 由簡化式可知, 長徑比的最佳值: 工作電壓 U : 工作電壓 U 與最佳長徑比之間具有確定的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,通常取 9. MCP 的離子反饋離子反饋:MCP 工作于像管內(nèi)壁的真空狀態(tài)下,像管內(nèi)具有殘余的氣體分子,它們?cè)?MCP (輸出端 將受到密集的二次電子碰撞電離, 碰撞電離產(chǎn)生的正離

14、子在電場(chǎng)作用下轟擊像管 的光陰極而產(chǎn)生電子發(fā)射,從而在熒光屏產(chǎn)生亮斑 (離子斑 。 10. 電子透鏡的成像公式和焦距公式。 電子透鏡的成像關(guān)系式:高斯公式:牛頓公式:電子透鏡的焦距公式:=U 最佳工作電壓:( v 2 2U =單 位 :001i i f f l l +=00i i x x f f=1i i f -= 像方焦度,其中 是電子飛出處的電位 001f -=物方焦度,其中 是電子飛入處的電位 第六章:1. 主動(dòng)與被動(dòng)紅外成像系統(tǒng)的主要部件;直視型主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)的主要部件:紅外照明光源、物鏡、紅外變像管 /具有近紅外延伸 的像增強(qiáng)器、目鏡,圖 6-1。發(fā)射反射大氣傳輸接收光電轉(zhuǎn)換圖像增

15、強(qiáng)可見光 圖像顯示直視型微光成像系統(tǒng)的主要部件:微光物鏡、像增強(qiáng)器、目鏡,圖 6-3。反射、大氣傳輸 接收光電轉(zhuǎn)換圖像增強(qiáng)可見光圖像顯示2. 主動(dòng)與被動(dòng)紅外成像系統(tǒng)的異同;主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)工作在近紅外波段的特點(diǎn):充分利用軍事目標(biāo)和自然界景物之間反射能力的顯著差異。圖 6-2的典型目標(biāo)反射 光譜曲線,利用反射光譜曲線在某一波段的差異獲得高對(duì)比度的目標(biāo)與背景細(xì)節(jié)。 (識(shí)別偽裝 近紅外輻射比可見光受大氣散射的影響小,具有較高的大氣透射比。惡劣天氣情況 除外。主動(dòng)成像系統(tǒng)工作不受環(huán)境照明的影響,可在 “ 全黑 ” 條件下工作,并且可利用窄光 束照明,從而使得目標(biāo)與背景的反差增大,獲得較為清晰的圖像。直

16、視型微光成像系統(tǒng)工作的特點(diǎn):被動(dòng)式工作,靠自然光照明景物,隱蔽性好,但是目標(biāo)與景物之間反差小,圖像較 平淡,層次不夠分明。系統(tǒng)受自然照度和大氣透明度影響較大,尤其是在濃云和地面煙霧較濃的情況下, 景物照度和對(duì)比度會(huì)明顯下降。3. 拋物面反射鏡對(duì)主動(dòng)成像系統(tǒng)的影響;影響:(1 、實(shí)際散射角稍大于理想散射角;(2 、可確定出全發(fā)光距離,由反射鏡結(jié)構(gòu)和光源半徑?jīng)Q定,與光源亮度無關(guān)。(3 、使系統(tǒng)軸向光強(qiáng)只取決于光源亮度、反射鏡的光孔面積及反射比。(4 、通常軸向光最強(qiáng),光強(qiáng)隨散射角增大而衰減,一般用光強(qiáng)降到中心強(qiáng)度 10%對(duì)應(yīng) 的散射角表示系統(tǒng)的散射角大小。4. 主動(dòng)、被動(dòng)成像系統(tǒng)最大工作距離的估算

17、方法。(1 視距估算列線圖(2 視距等效處理方法非直視型光電成像系統(tǒng)第七章:1. 攝像管成像的物理過程以及攝像管的必備功能;攝像管成像的物理過程:1 攝像管光敏元件接收二維空間分布的圖像信號(hào)并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換成二維空間分布的電荷量;2 攝像管電荷存儲(chǔ)元件 (靶 在一幀周期內(nèi)連續(xù)積累光敏元件的電荷量并保持其空間分布;3攝像管電子槍產(chǎn)生空間二維掃描的電子束,在一幀周期內(nèi)完成全靶面的掃描,在輸出電 路上產(chǎn)生與被掃描點(diǎn)輻射強(qiáng)度成比例的視頻信號(hào)。攝像管的必備功能:圖像的寫入、存儲(chǔ)過程,即輸入的光學(xué)圖像照射在靶面上產(chǎn)生電荷圖像并積累一段時(shí)間; 圖像的閱讀、擦除過程,即電子槍的掃描電子束從靶面上取出視頻信號(hào)。2

18、. 視頻信號(hào)的形成過程 無光照和有光照時(shí) 視頻信號(hào)的形成過程(無光照和有光照時(shí) 無光照和有光照時(shí) 無光照時(shí)，被電子束掃描后，電容器開始沿著 RdC 回路放電，掃描側(cè) A 的電位 VAd 隨 電容器 C 的放電從零開始上升，其值 VAd =VT1-exp(-1/RdC，所以在幀周期 Tf(40ms內(nèi)， A 點(diǎn)電位的最大值 VAdm=VT1-exp(-Tf/RdC，如果暗電阻很大，則 VAdm=0；當(dāng)掃描再次 來臨時(shí)，與靶電源一起構(gòu)成的回路中 C 充電，A 點(diǎn)電位下降，其值 VAd = VAdm exp1/(Rb+RLC VAdm exp-1/RbC 有強(qiáng)光照射時(shí)， 被電子束掃描后，電容器開始沿著

19、 RC 回路放電， 掃描側(cè) A 的電位 VAd 隨電容器 C 的放電開始上升，其值 VAe =VT1-exp(-1/ReC，所以在幀周期 Tf 內(nèi)，A 點(diǎn)電 位的最大值 VAem=VT1-exp(-Tf/ReC ；當(dāng)掃描再次來臨時(shí)，束電阻等與靶電源一起構(gòu)成 回路向 C 充電， 點(diǎn)電位下降， A 其值 VAe = VAem exp-1/(Rb+RLC VAem exp-1/RbC 因此，由于強(qiáng)光照射產(chǎn)生的有效信號(hào)為V= VAem VAdm。 3. 降低電容性惰性的方法； 降低電容性惰性的方法； 減小靶的等效電容。 選取介電常數(shù)較低的靶材料；不影響光電導(dǎo)效應(yīng)以及分辨力的情況下增加靶的厚度。 降低電

20、子束的等效電阻。 在不影響電子束電流的前提下降低發(fā)射電子束的等效溫度， 從而使束電阻減小。 選取合適的 電子透鏡使得電子速度的分散仍保持發(fā)射時(shí)的分布，使得電子束溫度較低達(dá)到較低的目的 （層流電子槍，利用長焦距電子透鏡） 。 在低照度攝像時(shí)增加背景光。 掃描電子束的束電阻下降時(shí)可提高電子束的電流值，因此加大輸出信號(hào)也可減小惰性。 為了提高電子束電流值， 在攝取低照度圖像時(shí)人為地反饋給靶面一個(gè)均勻的底光， 使輸出信 號(hào)電流疊加一個(gè)背景電流，從而減小惰性。 底光產(chǎn)生的背景電流是直流量，可以由隔直電容加以濾除。 4. 掃描電子束對(duì)攝像管分辨力的影響； 掃描電子束對(duì)攝像管分辨力的影響； 如果電子束落點(diǎn)尺

21、寸不等線寬， 垂直分辨力隨著束點(diǎn)尺寸的變化而變化。 如果束點(diǎn)尺寸 增大，垂直分辨力將會(huì)下降。這是由于在掃描時(shí)，同時(shí)取走了相鄰線條的信號(hào)，使它們相互 混淆所致。 此外， 垂直分辨力還與束點(diǎn)上的電流密度分布有關(guān)。 通常束截面上的電流密度服從高斯 分布。所以束點(diǎn)中心和邊緣部分的閱讀能力不同。如果設(shè)計(jì)均勻密度分布的束點(diǎn)，閱讀效果 及分辨力會(huì)大大改善 束點(diǎn)尺寸對(duì)水平分辨力的影響稱為孔闌效應(yīng)。 為了減小孔闌效應(yīng)， 應(yīng)縮小束點(diǎn)的水平尺 寸。 5. 熱釋電效應(yīng)； 熱釋電效應(yīng)； 所謂熱釋電效應(yīng)， 是晶體在沒有外加電場(chǎng)和應(yīng)力的情況下， 它具有自發(fā)的或永久的極化 強(qiáng)度，且這種電極化強(qiáng)度隨晶體本身溫度的變化而變化。熱釋電效應(yīng)是少數(shù)介電晶體（鐵電 體）所特有的一種性質(zhì)。 溫度降低時(shí)電極化強(qiáng)度升高，相反，溫度升高時(shí)電極化強(qiáng)度降低。 6. 熱釋電攝像管光電轉(zhuǎn)換的基本原理； 熱釋電攝像管光電轉(zhuǎn)換的基本原理； 在束縛面電荷被中和之前的時(shí)間內(nèi)， 鐵電體的溫度發(fā)生變化時(shí)， 晶體的自發(fā)電極化強(qiáng)度將隨 著溫度的變化而變化， 相應(yīng)的束縛面電荷也隨之變化， 從而完成溫度變化轉(zhuǎn)化為束縛面電荷 的變化。 7. 熱釋電攝像管實(shí)際應(yīng)用時(shí)考慮的因素。 熱釋電攝像管實(shí)際應(yīng)用時(shí)考慮的因素。 熱點(diǎn)系數(shù)。熱電系數(shù)的數(shù)值越大，則攝像管的靈敏度越高，因此材料