光電成像原理及技術-課后題答案(北理工)

第一章

5.光學成像系統(tǒng)與光電成像系統(tǒng)的成像過程各有什么特點？在光電

成像系統(tǒng)性能評價方面通常從哪幾方面考慮？

答：a、兩者都有光學元件并且其目的都是成像。而區(qū)別是光電成像系統(tǒng)中多了光電裝換器。

b、靈敏度的限制，夜間無照明時人的視覺能力很差；

分辨力的限制，沒有足夠的視角和對比度就難以辨認；

時間上的限制，變化過去的影像無法存留在視覺上；

空間上的限制，隔開的空間人眼將無法觀察；

光譜上的限制，人眼只對電磁波譜中很窄的可見光區(qū)感興趣。

6.反映光電成像系統(tǒng)光電轉換能力的參數(shù)有哪些？表達形式有哪

些？

答：轉換系數(shù)：輸入物理量與輸出物理量之間的依從關系。

在直視型光電成像器件用于增強可見光圖像時，被定義為電鍍增益G.,

R=____I___

光電靈敏度：:――口存㈤U

8.怎樣評價光電成像系統(tǒng)的光學性能？有哪些方法和描述方式？

答，利用分辨力和光學傳遞函數(shù)來描述。

分辨力是以人眼作為接收器所判定的極限分辨力。通常用光電成像系統(tǒng)在一定距離內(nèi)能夠

分辨的等寬黑白條紋來表示。

光學傳遞函數(shù)：輸出圖像頻譜與輸入圖像頻譜之比的函數(shù)。對于具有線性及時間、空間不

變性成像條件的光電成像過程，完全可以用光學傳遞函數(shù)來定量描述其成像特性。

第一早

6.影響光電成像系統(tǒng)分辨景物細節(jié)的主要因素有哪些？

答：景物細節(jié)的輻射亮度（或單位面積的輻射強度）；

景物細節(jié)對光電成像系統(tǒng)接受孔徑的張角；

景物細節(jié)與背景之間的輻射對比度。

第三章

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13.根據(jù)物體的輻射發(fā)射率可見物體分為哪幾種類型？

答：根據(jù)輻射發(fā)射率的不同一般將輻射體分為三類:

黑體，。=1；

灰體，立＜1,與波長無關;

選擇體，小。且隨波長和溫度而變化。

14.試簡述黑體輻射的幾個定律，并討論其物理意義。

答：普朗克公式：%。?）=］卬￡丁1

普朗克公式描述了黑體輻射的光譜分布規(guī)律，是黑體理論的基礎。

斯蒂芬-波爾滋芨公式：

4

M0（XT）=crT

表明黑體在單位面積上單位時間內(nèi)輻射的總能量與黑體溫度T的四次方成正比。

維恩位移定律：入ET=b

他表示當黑體的溫度升高時，其光譜輻射的峰值波長向短波方向移動。

D

最大輻射定律：=BT

一定溫度下，黑體最大輻射出射度與溫度的五次方成正比。

第五章

1、像管的成像包括哪些物理過程？其相應的理論或?qū)嶒炓罁?jù)是

什么？

（1）像管的成像過程包括3個過程

A、將接收的微弱的可見光圖像或不可見的輻射圖像轉換成電子圖

像

B、使電子圖像聚焦成像并獲得能量增強或數(shù)量倍增

C、將獲得增強后的電子圖像轉換成可見的光學圖像

（2）A過程：外廣電效應、斯托列夫定律和愛因斯坦定律

B過程：利用的是電子在靜電場或電磁復合場中運動規(guī)律來獲得能量

增強；或者利用微通道板中二次電子發(fā)射來增加電子流密度來進行圖

像增強

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C過程：利用的是熒光屏上的發(fā)光材料可以將光電子動能轉換成光能

來顯示光學圖像

2、像管是怎么分代的？各代的技術改進特點是什么？

（1）A、零代微光像增強器技術

B、一代級聯(lián)式像增強器技術

C、采用微通道板（MCP）的二代像增強器

D、采用負電子親和勢光陰極的三代像增強器

E、超二代像增強器

F、超三代像增強器

G、第四代像增強器

（2）①一代和零代的區(qū)別在于一代像增強其采用了光學纖維面板將多級耦合

起來，形成級聯(lián)式的像增強器，一般為得到正像，耦合級數(shù)多取奇數(shù)，通常

微三級

②二代和一代的根本區(qū)別在于：它不是采用多級級聯(lián)實現(xiàn)光電子圖像倍

增，而是采用在單級像增強器中設置MCP來實現(xiàn)光電子圖像倍增。

③三代和二代近貼式像管類似，其根本區(qū)別在于光陰極，但對MCP也提

出了更高的性能要求。二代采用的足表面具有正電子親和勢的多晶薄膜結構

的多堿光陰極，三代采用的則是負電子親和勢光陰極，因此三代具有高增益、

低噪聲的有點。

11、光電發(fā)射為什么會存在極限電流密度？試分析并導出連續(xù)工作條

件下和脈沖工作條件下的極限電流密度表達式。

（1）在工作狀態(tài)下，像管維持光電發(fā)射要依賴于光陰極的真空界面有向內(nèi)的

電場場強，這一電場是由電子光學系統(tǒng)提供的。光陰極的光電發(fā)射將產(chǎn)生空間電

荷，此空間電荷所形成的附加電場與電子光學系統(tǒng)的電場方向相反。隨著光電發(fā)

射電流密度的增大，空間電荷的電場會增加到足以抵消電子光學系統(tǒng)所提供的電

場。如果忽略光電子的初速度，當光陰極畫的法向場強為零時，光電發(fā)射就要受

到限制，這時像管的光電發(fā)射將呈飽和狀態(tài)。這一電流密度稱之為光電發(fā)射的極

限電流密度。

（2）見P159~P160

18、什么樣的透鏡叫短透鏡？導出短透鏡的焦距公式并分析其成像性

質(zhì)。

答：（1）把對電子起有效作用的場一一透鏡的作用區(qū)間限于一個有限的空間

范圍內(nèi)，稱此空間位透鏡空間，在此空間內(nèi)，電子軌跡在場的作用下是連續(xù)變化

的，而物與像則位于透鏡場外，透鏡場外的空間位等位空間。這種做了理想化的

電子透鏡稱為短透鏡（或薄透鏡）。

（2）短透鏡的焦距公式的推導見書P179~P180（包括像方焦距和物方焦距）

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成像性質(zhì)：

①透鏡作用區(qū)域較之透鏡到物、像距離小得多，比焦距小得多，物、像、焦距

均在場外。

②場劃分為三個區(qū)域，物空間，透鏡空間，像空間，在物、像空間，電位固定

不變，電子軌跡為直線

③①''（z）＞0時透鏡是會聚的（f為正），'（z）＜0時透鏡是發(fā)散的（f

為負），且f與0''（z）成反比，即小''：z）越大f越小，會聚本領越強

20、什么是熒光？什么是磷光？

答：晶態(tài)磷光體在受電子激發(fā)時產(chǎn)生的光發(fā)射稱為熒光。停止電子激發(fā)后持

續(xù)產(chǎn)生的光發(fā)射稱為磷光。

21.熒光屏表面蒸鍍鋁膜的作用是什么？

（P185）在熒光屏的表層上蒸鍍一層鋁膜，厚度約為0.lum,其作用為：引走積累的負

電荷；防止光反饋給光陰極；使熒光屏形成等電位；將光反射到輸出方向。

22.受激輻射可見光的條步是什么？

（P185）受激輻射可見光的條件是電子躍遷的能級差必須與可見光光子的能量相同。

25.熒光屏的轉換效率與哪些因素有關？為什么說圖像分辨力和發(fā)光效率對熒光粉顆粒度的

要求是相互矛盾的？

（P192）熒光屏的轉換效率與制作熒光屏本身的材料一晶態(tài)磷光體的轉換效率有關，還

與屏的粉層厚度、粒度、入射電子的能量及鋁膜的影響等因素有關。

一般，粒度越大轉換效率越高。但是，過厚的熒光屏將降低輸出圖像的分辨力。厚度的

增加會導致光擴散的增大，分辨力將隨之下降。因此，粒度應該適當。通常選取顆粒直徑與

熒光屏厚度相近，這樣可獲得發(fā)光效率與圖像分辨力的最佳組合。

26.光纖面板（OFP）的傳像原理是什么？像管應用光纖面板有什么優(yōu)

點？

（P193）光纖面板是基于光線的全反射原理進行傳像的，由于光導纖維的芯料折射率高

于皮料的折射率，因此入射角小于全反射臨界角的全部光線都只能在內(nèi)芯中反射。所以每一

根光導纖維能獨立地傳遞光線，且相互之間不串光。由大量光導纖維所組成的面板則可以傳

遞一幅光學圖像。

光纖面板使像增強器獲得以下優(yōu)點：①增加了傳遞圖像的傳光效率；②提供了采用準球

對稱

電子光學系統(tǒng)的可能性，從而改善了像質(zhì)；③可制成錐形光纖面板或光學纖維扭像器。

32.為什么MCP大多采用斜通道或彎曲通道的形式？

（196、205）通常MCP不垂直于端面，而具有V-15°的斜角。一方面可提高通道

內(nèi)的二次電子發(fā)射次數(shù)，另一方面也可使正離子不能穿出通道，消除或減少離子反饋。

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P244

8.夜視成像系統(tǒng)對物鏡的基本要求是什么？

（P213）夜視成像系統(tǒng)對物鏡的基本要求大致有以下幾點：

①大的同光口徑和相對孔徑。

②小的漸暈。

③寬光譜范圍的色差校正。

④物鏡有好的調(diào)制傳遞特性。

⑤最大限度的消除雜散光，雜散光對低信噪比的光電成像的影響比較明顯，減小物鏡的雜

散光可減小像質(zhì)的變壞。

⑥在紅外光學系統(tǒng)中，必須同時可慮聚光系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)。

⑦盡可能減小被動紅外系統(tǒng)中冷反射所產(chǎn)生的圖像缺陷。

第八草

9.成像物鏡主要分為哪幾種類型？各種類型的典型形式是怎樣的？

答：光電成像系統(tǒng)用物鏡系統(tǒng)分為三類：折射系統(tǒng)、反射系統(tǒng)和折反

射系統(tǒng)。

（1）光電成像系統(tǒng)中常用折射物鏡有雙高斯型和匹2H戈型。雙高斯

結構是微并成像系統(tǒng)中大相對孔徑的基本型，由于這種結構

較容易在較寬光譜范圍內(nèi)修正像差，屬于基本對稱型結溝，

使軸外像差能自動抵消。在儀器視場不大的情況下，可用匹

密伐型物鏡，其基本結構是兩個正光焦度的雙膠透鏡，結構

簡單，球差和慧差校正較好，但視場加大時場曲嚴重。

（Z）反射物鏡分為單反射鏡和雙反射鏡。最常見的是雙反射鏡。單

反射鏡分為球面鏡喝非球面鏡（拋物面、橢球面和雙曲面鏡）

系統(tǒng)。球面反射鏡和拋物面反射鏡可單獨使用，橢球面和雙

曲面反射鏡由于其光學焦點和幾何焦點不重合，慧差大，像

質(zhì)欠佳，通常和其他反射鏡組合成雙反射鏡系統(tǒng)。

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（3）把反射鏡的主鏡和次鏡都采用球面鏡，而用加入補償透鏡的方

法校正球面鏡的球差，構成折反射物鏡系統(tǒng)。折反射物鏡可

實現(xiàn)大口徑長焦距，常用的折反射物鏡有施密特系統(tǒng)、曼金

折反射鏡、包沃斯-馬克蘇托夫系統(tǒng)以及包沃斯-卡塞格倫系

統(tǒng)。

10.紅外物鏡相對于可見光物鏡有什么不同？

答：（1）大的通光孔徑和相對孔徑。限制微光成像系統(tǒng)視見能力的主

要因素之一是來自景物的輻射噪聲。加大物鏡的孔徑能最大限度地接

收來自目標的輻射，獲得大的靶面照度，即大的通光孔徑有利于提高

微光系統(tǒng)的信噪比。

（2）小的漸暈。

（3）寬光譜范圍的色差校正。校正色差的光譜范圍取決于系統(tǒng)光譜

響應波段，對主動紅外成像系統(tǒng)為0.65?1.2微米（，對微光成像系

統(tǒng)為0.4?0.9微米，對熱成像系統(tǒng)為1.5?14微米）。

（4）物鏡有好的調(diào)制傳遞特性。像管為低通濾波器，目前的極限分

辨力為30-701p/min,通常要求物鏡在101p/nim的空間頻率時MTF不

低于75%o

（5）最大限度地消除雜散光，雜散光對低信噪比的光電成像的影響

比較明顯，減小物鏡的雜散光可減小像質(zhì)的變壞。

（6）在紅外光學系統(tǒng)中，必須同時考慮聚光系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)。

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（7）盡可能減小被動紅外系統(tǒng)中冷反射所產(chǎn)生的圖像缺陷。

11、在直視型成像系統(tǒng)中對目鏡的基本要求是什么？

答

合適的玄、距。旬鉉*、距？通常在10?55mm.

足夠的視場。通寺2o）在30°?90°之間。

合適的出瞳距再加出腔直徑。一般視不同的應用條件，成像

條統(tǒng)出腌直投取人吸夜間瞳亂直役5~7mm。出瞳距喜?（同

錢后表面列入喙瞳扎的距喜）一般在8?50mm。

適當?shù)那肮?jié)距（國錢奇表面加前，&&之間的距喜），以保證工

作時的視段調(diào)整。

此外，因為時鎮(zhèn)制播大，4fc外像蓑是彩?像質(zhì)的重要因素；

12、像管直流高壓電源的特點是什么？其主要包括哪幾部分？

答：特點

（1）提供穩(wěn)定的直流高壓，使像管工作時保持合適的輸出亮度；

（2）性能穩(wěn)定，在高低溫環(huán)境下保證儀器正常工作；

（3）實現(xiàn)自動亮度控制（ABC）功能；

（4）對于選通系統(tǒng)，應提供選通周期、脈寬以及延時可調(diào)的選通

電壓；

（5）對自動快門，能夠根據(jù)像管電流自動調(diào)整工作電壓的占空比;

（6）防潮、防震、體積小、質(zhì)量輕、耗電省。

包括以下幾個部分：直流低壓電源、晶沐管變換器、升壓變壓器、

倍壓整流電路以及穩(wěn)壓電路。

13、試以二倍壓電路為例，說明倍壓電路的工作原理。

答：把變壓器次級繞組上的交流高壓整流并倍壓到所需直流高壓的

過程。

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變壓器T的次級繞組輸出峰值電壓為V2的交流，則：

(1)正半周：假設T的輸出端上負、下正，則D2因反向偏置截

止，D1回路導通，對C1充電，在正半周結束前，C1兩端

電壓為V2;

(2)負半周：T的輸出端上正、下負，則D1因反向偏置截止，

D2回路導通，對C2充電，在負半周結束前，C2兩端電壓

為2倍V2,送至輸出端口為2倍V2的直流。

二倍壓電路

15、為什么說大氣后向散射對主動紅外夜視儀性能將產(chǎn)生不利影響?

答：在主:動紅外成像系統(tǒng)中，照明系統(tǒng)安裝在接收卷附近，在照射遠距離目標時，探照

燈光軸非常接近系統(tǒng)光軸，照射光束在大氣傳輸過程中被大氣散射，其中一部分后向散射將

進入觀察視場，在成像面上造成一個附加背景，從而降低成像的對比度和清晰度。在能見度

差的情況下，這一影響是主動紅外成像系統(tǒng)性能的一個基本限制因素，會對主動紅外夜視儀

性能產(chǎn)生不利影響。

16、選通技術用于主動紅外夜視儀可取得怎樣的效果？

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麻

延

延

沖

脈

高

沖

遲

遲

度

長

壓

發(fā)

調(diào)

計

調(diào)

節(jié)

供

生

節(jié)

量

電

器

器

器

選通成像系統(tǒng)原理框圖

答：選通技術是利用短脈沖光照明器和選通型像管，從時間上分開不同距離上的散射

光和目標的反射光，使由被觀察目標反射I可來的輻射脈沖剛好在像管選通工作時到達像管并

成像。由于輻射脈沖在投向目標過程中所產(chǎn)生的后向散射輻射到達接收器時，像管處于非工

作狀態(tài)，可減小后向散射對成像系統(tǒng)的影響。

19、簡述直視微光成像系統(tǒng)對像增強器的要求。

答：在設計直視型夜視成像系統(tǒng)時，應當提高增強器極限分辨力mo；為使系統(tǒng)性能盡可

能達到光子噪聲限，像增強器暗背景噪聲應盡可能減小，通常要求

與<<-----------------；還要求像增強器有較高的G；還需注意幾點：像增強器的輸入

O

輸出窗類型、熒光屏類型以及調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）O

20、試述像管使用自動亮度增益（ABC）電路的目的及其工作原理。

答：目的：自動亮度控制電路的作用是通過控制像增強器外加電壓的辦法來控制它的增

益，以達到控制熒光屏輸出圖像亮度的目的，擴大了微光成像系統(tǒng)的使用光度范圍。

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級聯(lián)像增強器高壓電源及ABC電路

工作原理：圖為級聯(lián)像增強器高壓電源，其中包括典型的ABC電路。ABC電路實際是一

個帶負反饋的直流低壓電源，輸出的直流電壓Ei到直流變換電路，變?yōu)榻涣麟妷汉笤俳?jīng)升

壓變壓器及倍壓整流濾波電路后供給像增強器。圖中R、矽和穩(wěn)壓二極管口構成比較電壓回

路；R為取樣電阻；G為高頻旁路電容；C,、C3為低頻旁路電容。當比較回路電流大于BG,

的基極電流Ibl時，分壓電阻R和上的電壓為標準電壓。當光陰極入射照度E,上升時，

供給像增強器的電流上升，ABC電路的輸出電壓E1卜降，最終導致供給像增強器的直流高

壓下降而降低了像管的增益，起到維持熒光屏亮度基本不變的作用。

21、物鏡和像增強器的參數(shù)如何影響系統(tǒng)的極限分辨力的?

答：圖見P2296-29。在像增強器暗噪聲可忽略的前提下，物鏡和像管參數(shù)對系統(tǒng)極限

分辨特性的影響如圖所示，

①物鏡焦距從f'增大到10f',在大于星光照度lO^ix情況下，系統(tǒng)分辨力得到明顯

改善，反之則改善很??；

②物鏡直徑從D增大到10D,在低于滿月光10、x情況下，系統(tǒng)分辨力得到明顯改善，

大于滿月光改善很??；

③光陰極靈敏度從s提高到10s,在低于10一2卜照度范圍，系統(tǒng)得到最大改善；；

④增加系統(tǒng)積累時間t得與光靈敏度s類似的改善；

⑤提高像增強器極限分辨力而，在lO^lO'lx目標照度范圍對系統(tǒng)分辨力提供一般的

改善。當D、s、t一起增加時這種改善更有意義。

P245

22、為什么要對像增強器進行強光保護？如何實現(xiàn)？

答：因為若觀察場景中一直存在強光源，則像管熒光屏會出現(xiàn)局部

飽和，影響像管壽命，甚至造成像管不可逆的損壞。傳統(tǒng)的防護方法

有分壓法和散焦法，但對觀察有不利影響。

自動快門電路根據(jù)像管光電源大小對像管實施自動間斷供電，可以防

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強光。

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23、試述像管增強器背景噪聲對系統(tǒng)極限分辨特性的影響

答：像增強器存在的噪聲(如暗噪聲)將使像管輸出圖像對比度惡

化，分辨力下降。像增強器存在等效背景照度Eo時，系統(tǒng)極限分辨

角增大，表示如下

[(2-O-e+_8^_+ayf

2

LFWSnL.TRA(2-CY恤力]

E。死(2-C)

Eb<<_~8

P295

1、何為攝像管？簡述攝像管的工作原理？

答、電視攝像是將兩維空間分布的光學圖像轉換為一維時間變化的

視頻信號的過程，完成這一過程的器件稱為攝像管。

工作原理：

A、攝像管光敏元件接受輸入圖像的副照度進行光電轉換，將兩

維空間分布的光強轉變?yōu)閮删S分布的電荷量。

B、攝像管電荷存儲元件在一幀周期內(nèi)連續(xù)積累光敏元件產(chǎn)生

的電荷，并保持電荷量的空間分布，這一存儲電荷的元件稱

之為靶。

C、攝像管電子槍產(chǎn)生空間兩維掃描的電子束，在一幀周期內(nèi)完

成全靶面的掃描，逐點掃描的電子束到達靶面的電荷量與靶

面存儲的電荷量相關，受靶面存儲的電荷量的調(diào)制，在輸出

電路上產(chǎn)生與被掃描點輻照射強度成比例的信號，即視頻信

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號。

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3、攝像管的結構由幾部分組成？各部分的作用是什么？

答：主要由光電變換與存儲部分和信號閱讀部分兩大部分組成。

A、光電變換與存儲部分：將光學圖像變成電荷圖像，并在整個

幀周期內(nèi)在靶上連續(xù)地對圖像上的任一像元積累電荷信號。

B、信號閱讀部分：從靶面上取出信號

4、攝像管是怎樣分類的？按光電變換的形式可分為哪幾類？按視頻

信號讀出方式又可分為哪幾類？

答：可按下面3種方法分類：a按電荷積累方式分類b按光電變

換形式分類c按視頻信號讀出方式分類

其中按b可分為：外光電變換型和內(nèi)光電變換型

按c可分為：信號板輸出型和雙面靶輸出型

17、熱釋電攝像管的靶有什么特點？具有什么性質(zhì)？

答：（1）熱釋電攝像管的靶是熱釋電靶，是具有熱釋電效應的鐵電體材料所制成的；

（2）性質(zhì)：①利用熱釋電效應工作，僅對隨時間變化的熱輻射有響應；

②是良好的絕緣體，容易積累電荷。

20、簡述熱釋電攝像管的工作過程。為什么要給熱釋電攝像管靶加基

底電荷？目前產(chǎn)生基底電荷有哪幾種方式？

答：（1）工作過程：具體答案在課本7.4.2節(jié)e285沖289）,這里只寫大標題

①熱釋電靶的差籌化；

②靶面電荷圖像的形成；

③熱釋電靶電荷圖像的讀出。

（2）加基底電荷的原因：

①靶面電荷圖像形成時：靶面的信號電荷是由掃描電子束的負電荷著靶后才形成視

頻信號的，故靶面信號電荷必須為正。而靶是絕緣體，信號電荷又是靜電的束縛電荷，掃描

電子束著靶的負電荷不能在幀周期內(nèi)導走，所以為了防止熱釋電攝像管中靶面上產(chǎn)生負電荷

積累，必須在每次電子束掃描后都給靶面提供一定量的正電荷；

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②電荷圖像讀出時：同上

（3）方法：二次電子發(fā)射法；攝像管內(nèi)充氣法；泄漏電流法。

21、熱釋電攝像管工作時有什么要求？對應這幾種要求又哪幾種工作

方式？各有何優(yōu)缺點?

答：熱釋電靶面上的靜電電荷面密度隨靶溫度變化而產(chǎn)生相應的變化。為了能連續(xù)攝取圖像，

要求熱釋電攝像管在每次電子束掃描靶面后，能夠重新產(chǎn)生靶面的靜電電荷圖像。具體方法:

L平移式：I

?攝全景式：J1一優(yōu)點：裝置簡單。但圖像總在運動，不便于觀察，熱目標后邊緣有黑色拖尾

l斬光式一一缺點：附加斬光裝置及其相關系統(tǒng)，斬光速度與掃描速度協(xié)調(diào)，必須加校正電路

將負極性新后倒相

P366

3、什么是CCD的開啟電壓？為什么實際工作中CCD的開啟電壓必須

考慮平帶電壓？平帶電壓又是怎樣的？

解：CCD開始產(chǎn)生溝道所需要的柵壓就是開啟電壓。

理想的MOS系統(tǒng)的C（Vs）特性往往與實際測得的C（VJ特性不完全一致，這是因為沒

有考慮金屬電極和半導體的功函數(shù)差中小Si-SiO?界面上存在的表面電荷Q.s以及在S:。?中

因玷污產(chǎn)生的可動電荷等因素的影響作用，所以，必須對理想情況下的結果進行修正。

由于上述因素的影響，表面能帶向下彎曲，為了使表面能帶由彎曲變成平直，恢復平帶

狀態(tài)，而在金屬柵極上所加的負的偏壓就是平帶電壓。（P302）

5.什么是界面態(tài)？怎樣減少界面態(tài)的影響？什么是“胖零”

工作模式？為什么SCCD要采用“胖零”工作模式？

解：界面態(tài)即界面陷阱電荷，主要是指Si-SiO?界面處處于禁帶中的局部能級，它可在短時

間與襯底半導體交換電荷，是表面復合和散射的主要成因，它主要是對表面溝道的CCD的轉

移效率產(chǎn)生重大影響。

采用埋溝CCD可避開界面態(tài)俘獲信號電荷的不良影響。要減少界面態(tài)的影響，可采用“胖

零”工作模式。

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“胖零”工作模式：用一定數(shù)量的基底電荷先將界面態(tài)填滿，當信號電荷注入時，信號

電荷被俘獲的幾率變小，而從界面態(tài)釋放出來的電荷又可以跟上原來的電荷包。信號電荷包

損失到界面態(tài)中去的電荷，可能與它從界面態(tài)得到的電荷相等，從而在一定程度上減少了界

面態(tài)帶來的影響。

SCCD的電荷轉移損失很大，引入“胖0”電荷后，匕使CCD界面引起的電荷轉移損失降

到最小。

6、簡述BCCD工作原理，說明BCCD工作的特點，并與SCCD比較各自

的優(yōu)缺點。

解

體內(nèi)（理）溝道（理溝CCD-BCCD）：通

過左豆裊面證入雜質(zhì)，使之形成N型

容層，并發(fā)對墻加上N+層，起嫉、滿

偉殂C

埋溝QQU與表面QQD街區(qū)用：

■禽者攜書信息的電子是N層中的多于，

而后者是P層中的少子

■表面CCD中的信號電橋集中在界面處

根海的反型層，而埋溝CCD佶號電符

集中或體內(nèi)z平面附近。

埋溝CCD優(yōu)于表面CCD的性帶主要為：

■因信號電槎在體內(nèi)存貯和轉移，底開了界面忠俘獲信號的不限影響，所以轉移關:

率比表面CCDJ?1~2個數(shù)量fit。

■由于各梯極電壓同方較強的超金，這和幫合臉溝道加沐而支強，從而增加了迎賽

場。加之硅體力正移率比表面言妁一僖，故埋溝CCD工作案率較擊，可左135M卜

的對計下工作。

■坦溝CCD的錄入優(yōu)點是毒力低，可工作或低飄或下。

坦溝CCD的主要缺點：

■信號處理表量J,比表面CCDJ一個效量級。

7、以三相CCD為例，說明決定其工作頻率的上下限因素是什么？

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■因CCD工作在養(yǎng)穩(wěn)忠，故工作頻率有下限，如少子壽命

為黑，楮移所需時間為如時鐘周期TCP）為T,對于三

相CCD需使：_T_11

,°r333-3工。

■因CCD電極有一走長度，電荷轉移需要一定時同，加之

CCD存在界面忐，故工作頻率有上限.，對于前者：如布

移所需時間為4，時鐘周期CCP）為T,對于三相CCD需

1

對于后者：要求界面宓俘獲我流子的時f<

間底小于7/3，即：入23T

4-c

9、面陣CCD有幾種工作模式？各有什么優(yōu)缺點?

解：常見面陣CCD攝像器件有兩種結構：行間轉移結構（LT-CCD）和幀/場轉移結構（FT-CCD）。

兩種面陣CCD的叱較：

■分辨力：水平方向；1LT離；垂直方向：逐行掃描一

樣1，隔行掃描1LT高o

■響應度r靈敏度）：FT光敏面大，水平方向?qū)捰?/p>

1LT,遂行掃楮時FT靈敏度宙，隔行掃描時iFT積分

時同為一場，1LT積分時何為一敕，敵總的響應度一

致。

■噪聲：FT光線面大，故噪聲大

■拖影：ILT轉移次數(shù)小，拖形小

■應用：FT還可以通過或孱，實現(xiàn)答照接影，在依照度

援像領域技禪廣泛應用

10、什么是增強型CCD?增強型CCD有哪些耦合類型或工作方式？

答：像增強器與CCD耦合在一起，構成圖像增強型CCD（ICCD）。

增強型CCD有兩種耦合方式：光學耦合方式和光纖耦合方式。

P366

12.簡述CMOS器件的成像原理，比較CMOS器件與CCD器件在工作原

理上的異同，各有什么公優(yōu)缺點？

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答：

基本原理：典量的CMOS成像器件由

光敏無陣列和輔助電麻構成。

■光救無陣列：克成先包括埃的功能。瑞助

電路：克成更動信號的產(chǎn)生，光電信號的

處理，輸出等任務。

.聾小光敏元年有其X,y力句上的地址，可

小到由丙小方句的也批洋碼區(qū)迸行也撲；

■等列克致元年對應一個列故文及，封改丈

及的桁出布號分到與X去句地址詳碼也有的

饃救36開關相連。

實際工作時，CMOS體唐器在Y方句地址年

碼舞會制下，依次於通帶行光敏元的泰擬

開關，信號通過行開關通到列線上，通過X

方句地址譯碼器的會制，移法到效丈后。

輸出故文寫的輸出信號由A/D轉換號進行

轉換，較貴處理電珞處理后通過探口電冰

輸出。

CMOS圖像傳感器的光電轉換原理與CCD基本相同，其光敏單元受到光照后

產(chǎn)生光生電子。而信號的讀出方法卻與CCD不同，每個CMOS源像素傳感單元都

有自己的緩沖放大器，而且可以被單獨選址和讀出，工作時僅需工作電壓信號，

而CCD讀取信號需要多路外部驅(qū)動。

優(yōu)缺點比較：CMOS與CCD圖像傳感器朽比，具有功耗低、攝像系統(tǒng)尺

寸小，可將圖像處理電路與MOS圖像傳感器集成在一個芯片上等優(yōu)點，但其圖像

質(zhì)量（特別是低亮度環(huán)境下）與系統(tǒng)靈活性與CCD的相比相對較低。

靈敏度代表傳感器的光敏單元收集光子產(chǎn)生電荷信號的能力，而CCD靈敏度

較CMOS高30%?50機電子-電壓轉換率表示每個信號電子轉換為電壓信號的大

小，由于CMOS在像元中采用高增益低功耗互補放大器結構，其電壓轉換率略優(yōu)

于CCD。動態(tài)范圍表示器件的飽和信號電壓與最低信號閾值電壓的比值，在可比

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較的環(huán)境下，CCD的動態(tài)范圍約比CMOS的高兩倍。CMOS圖像傳感器的

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響應均勻性較CCD有較大的差距。標準CMOS具有較高的暗電流(1nA/cm2,

最低100pA/cm2),而精心制作的CCD的暗電流密度為2?10pA/cm%由于大部

分相機電路可與COMS在同一芯片上制作，信號及驅(qū)動傳輸距離縮短，電感、電

容及寄生延尺降低，信號讀出采用X-Y尋址方式，CMOS工作速度優(yōu)于CCD。

CMOS與CCD圖像傳感器的性能比較

CMOS圖像傳感器CCD

暗電流(pA/m2)10-10010

靈敏度低離

噪聲電子數(shù)<200<50

FPN(%)可在邏輯電路中校正<1

DRNUC%)<101-10

工藝難度小大

光敏元放大器有無

信號輸出行、列開關控制，可隨逐個光敏元輸出，只能按

機采樣規(guī)定的程序輸出

ADC片內(nèi)集成片外設置

邏輯電路片向集成片外設置

接口電路片向集成片外設置

驅(qū)動電路片向集成片外設置，電路設計復雜

P395

2.微光電視的含義及其特點是什么？

答：微光電視利用月光、星光、氣體輝光及其散射光所形成的自然環(huán)境照明，

獲取被攝目標場景的可見光圖像，因此乂稱低照度電視(LLLTV)系統(tǒng)。通常攝

像靶面照度在ILx以下為微光電視。

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特點（1）圖像信號轉換成一維的電信號后，除可對信號進行頻率特性補償、

丫校正等處理外，還可利用當前迅速發(fā)展的數(shù)字圖像外理技術，改善顯示圖像的

質(zhì)量，增加圖像的信息量。

（2）可實現(xiàn)圖像的遠距離傳送，并可遙控攝像。

（3）改善了觀察條件，可多人、多地點同時觀察。

（4）可對被觀察景物的圖像信息作長時間錄像存儲，便于進一步分析研究。

但通常微光電視在體積、質(zhì)量、功耗和操作維修等方面較遜于直視微光系

統(tǒng)，特別是在圖像分辨力的提高方面，微光電視系統(tǒng)已落后于直視微光系統(tǒng)。

3.目前國際上成熟的三種標準彩色電視制式是哪三種？我國現(xiàn)行的

電視體制的主要參數(shù)是什么？

答:

彩色也視的制式-主要區(qū)別：將色差信號頻譜語線插

人亮度信號頻語,空隙中所采用的方?jīng)Q不同。

■NTSC制一美、自、加拿大

■將兩個色差信號分別對頻率相同而相伍相差90度的兩個利我波進行

正交平衡碉幅，然后與亮皮信號相加。

?兼未性好，圖像質(zhì)量好，也路簡單，信號處理東易

③對相依失真致感，綣須按制在正負1。度內(nèi)，家易產(chǎn)生明顯的色調(diào)失

玄。對發(fā)射端.中間傳道設各性能指標要求嵩。

■PAL制一西德、英、我國

■在原來正安平街和同步檢波等基本措施上，將其中一個己調(diào)幅的紅

色差信號進行逢行例和。利用相?？坭猩暗幕湫郧宄臀槭?/p>

我?guī)淼纳{(diào)失真。

?克服了相位敏感性?

③彩色清晰度喀地與NTSC制，接收機電溶較復雜。（

■SECAM制一縷同、前*蘇驍、東歐

■順序傳送,彩色與存儲制式。兩個色差信號輪流、支耕地傳送.。

?傳檜失真小，圖像錄放性能好；

③彩色圖像垂直清晰度下降一半，亮度，色度信號不易徹底分甯。

6.攝影物鏡的長焦距、中焦距和短焦距鏡頭大致是怎么劃分的?

答:

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：長焦距鏡頭：Qx,y（可以看清景物細節(jié)）”

短焦距鏡頭：f<x,y（用于環(huán)境照明差，但拍攝場面大的場合）

中焦距錢頭：f與成像尺寸相當

變焦鏡頭：焦距連續(xù)可調(diào)

7.攝像物鏡為什么存在最近攝影距離？

答：

后正距S：物錢條統(tǒng)豪后一面與成像面的足肉。通常情況下，因像

放大軍mvvl,因此像跑近似等于焦距f',故攝像管的靶面就放在

物錢;的后焦面附近。按照鬲斯公式，可知，當物距a減小時，像胎

b應該增大；若物柜a大小，呵成像面無頭落到把面上，因此電視

攝像物鏡都規(guī)定一個最小物距一度近攝像距南。

高斯公式：

11_1

abf

P475

2、紅外探測器要求哪些工作條件？為什么？

答：1）工作條件：入射相射的光譜分布（入射到探測器相應平面上的光譜分布及空間輻射

頻率），探測器的幾何參數(shù)（探測器的面積、形狀及接受入射輻射信號的立體角），探測器的

輸出信號（信號電壓和噪聲電壓），探測器的工作溫度與背景輻射，探測器的阻抗，特殊工

作條件（對于某些特殊器件還有濕度、入射輻射功率、視場立體角以及背景溫度等）。

2）原因：一個探測器的性能參數(shù)往往與探測器的測量方法和使用條件、幾何尺寸及物

理性質(zhì)密切相關。所以，在給出性能參數(shù)的同時，必須說明其工作條件。

6、簡述SPRITE探測器的工作原理及其優(yōu)點，導出其響應度關系式,

分析提高響應度的途徑。

答：1）優(yōu)點：

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SPRITE（Signa1ProcessinginTheElements）（Cnpa而T）探測器用于光電導效

應型探測導，但由于這種探測器利用了紅外國像掃描速度與光生載流子雙極運動

速度相等的原理，實現(xiàn)了在器件內(nèi)部進行信號探測、時間延遲和積分的三種功

能，大大簡化了焦平面外的電子線路，從而使探測器尺寸、重量、成本顯著下

降，并提高了工作可靠性，依據(jù)其原理，也稱之為“刃積型探測器”.是80年代

2）原理:

工作原理及結構-掃出效應

■尢戚融到吊得加方同文電區(qū)的N里N?■體上，光

生6蕨孑籽經(jīng)歷戶生、1公.力微南1秒的迂根,跖我嚓

左變化形式可5太公式,”中D種為雙極力就余火而雙

叔殳什。

也秒關由于電場E作用R兒〃上〃壞號受應的。

若〃=p,四=。則無爆？運動；若〃>>p,用（=[

,D二《Ap以p的成友運動。________

年保樸電中％4篇調(diào)耳一力句運動.

因為才*千御代也干杯匯，電中此收以端L必〃而4】

不，公4生附加電場。eqE反父使之Mm.

MWTOHTn，電力WMXWW

iiW為瑞電孑返友不支,宇長左瑞電彳次友[他,方瑞

增加，利各/〃于海方諫砂。,、

總體之里出，她）IH也小地眼病士#出坤方輔助的好過程

法就可以實現(xiàn)Mp分布的口動粕粒比坤叔應賽為“粕出

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.由于掃出效應的存在，當光照射樣品時，光信號會自

動轉移出去，從而可以實現(xiàn)光信號的積累和延遲登

加.

.實現(xiàn)SPRITE探測器信號積累和延遲的必要條件一

紅外圖像掃描速度等于非平衡載流子的雙極運動漂

移速度。

.雙極運動漂移速度與材料的少數(shù)載流子遷移率和外

置偏壓大小有關，SPRITE受瀏器工作原亙示京國

-如果偏壓足夠大，非平衡少子將全部或大部分

掃出題詈T+2+D等3等

-若電場場強過小，非平衡少子漂移長度小于器

件長度，則光生少子將在體內(nèi)更合合

.設一穩(wěn)定的紅外輻射入射到SPRITE探測器的全處，

若忽略陷阱效應及表面更合，并在強電場作用下忽

略非平衡載流子的擴散，則沿探測器長度方向x處

的光生載流子的穩(wěn)態(tài)方程可寫成：式中￡“為空穴的即二州《'產(chǎn),盧)

牽引長度.

?4若大于樣品長度，則在T時間內(nèi)“將移出體外，

T

反之，將只有部分」p能移出體外，在SPRITE探測L二〃ET}

器中，乙=2為全部掃出條件，可推知此時SPRITE?K=EL=—

探測器兩端所加電壓為七,為臨界打出電壓.

3)推導響應度公式：

設N型光電導體，其摻雜濃度遠大于背景輻射產(chǎn)

生的載流子濃度，非平衡載流子壽命遠大于雙極

漂移時間，雙極漂移速度等于光點掃描速度，有

穩(wěn)定的紅外輻射照射到探測器，且沿長度方向自

向右連續(xù)掃描時，設器件的尺寸為w*\v,讀出長度1<此且整個器件長度L>>1.在足夠強的外

加電場E作用下，可略去豐平衡載流子擴散的影響則光生截流子穩(wěn)態(tài)下的連續(xù)方程可寫為

d△a_上P?Q

dxpEzuE

解之，得：

修=贏的

JA+S-\^dx

2pE

=6"44+。定?芥+B

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??,Ap[.0=O,=A+B=-Qz

Lp=Qi

求解微分方程徑到先'點照,射俅元上：信號

所產(chǎn)生的非平衡我流于濃度迫著掃邦位置

的變化關東。

當力拼像元到達揍出區(qū)時，即x=L,有公

式，其中t為先生我流孑在施件中的波越時

問。

進而求得先生物流孑的光電流強度，和開

路電壓。、

、?

d.(_￡\

AZ=w|Ljdz=+b)EwdQT1-er

o\?

NV八I-R、=bl，------------------—

%(1+8)”pwd

1(-L]

=—EIQT\-eT

%I)

式中，n為讀出區(qū)的載流子濃度。

"二黨鳥F")

響應度按定義可寫成：〃加如

當反射損失很小，JLad?l時/寸箭&&

4)提高響應度的途徑:

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.增大E會增大焦耳熱，從而增大熱噪聲電流，故增大E應該

適當。

-增大載流子壽命，可以提高響應度，故可通過探測器表面

鈍化技術來實現(xiàn)表面復合的影響降低到最低。

-可采用制冷技術，降低讀出區(qū)的熱激發(fā)載流子濃度，提高

響應度，

■減小表面反射損失，也是重要途徑。

9、PV型光電探測器的工作機理是什么？有哪些特點？常用哪些材

料？

1）工作機理：

光伏探測器：其基本部分是一個P—N結光電二極管。

波長比材料的截止波長短的紅外輻射，被光電二極管吸收后將產(chǎn)生電

子一空穴對。如果吸收是發(fā)生在空間電荷區(qū)（結區(qū)），電子和空穴立即被

強電場分開,并在外電路中產(chǎn)生光電流。如果吸收的是P區(qū)或N區(qū)到結的擴散

長度區(qū)內(nèi).光生截流子必定會首先擴散到空間電荷區(qū),然后再在那里受到電

場作用.對外電路貢獻光電流：如果光電二極管是開路.則P?N結兩端出

現(xiàn)開路電壓（P端為+）,即產(chǎn)生光生伏特效應。若在P、N兩端連接一個

低電阻，則光電二極管被短路.且有短路電流流動（反向）。

檜聯(lián)光伏敕應的理論，當V表示先生紳）=T、P=Pu+4=Pu

電動券時，陽光騏下，P-N結的野全

高度從原來的eV。支為e（Vo?V）,結巴

附近N區(qū)中少孑濃度我得的增量為4L

當先叔母列P-N結上時

浪發(fā)為p

這些多余的少孑，一面

而不斷向體內(nèi)4/敘,/結區(qū)引起,的史

穴電浣毋度為JP,f理可寫出結區(qū)的

電孑電流密度八。

通過PN結的總的先生電流密度可分

為電子.?空夫電流密度的,。，也可為

r2Dp

成合反向飽和電流密度的表達式4=e嗎U+PoU

進而可得先生電壓——_________

-----111Id-------

■當行光股射師，由于先生電流密度

vv反向他施電流密友，先生電壓可ykTJ

笥寫為---------------------k

2）特點：

1、光伏探測器響應速度快，有利于進行高速探測；其器件結構有利于排成二維陣列；探測

率高。

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2、提高光伏探測器的響應度，首先要提高光生電流，即量子產(chǎn)額，其次是降低反飽和電流,

即提高增量電阻。

3、光伏探測器常工作于無外加偏壓情況，此時器件功耗極低，特別適用于大規(guī)模兩維陣列。

如果后接放大器的輸入阻抗高，則入射光信號通過器件電壓變化檢出信號，即為光伏模式。

若后接放大器的輸入阻抗很低，則光信號通過二極管短路電流變化檢出。若在器件上加一直

流偏壓，能使器件工作尸任何特性工作點，可用電容將探測器耦合到放大器上。在高撅使用

時常用反偏以減小耗盡區(qū)電容和相應的時間常數(shù)Rl*Cj

3）材料：

■Hgl.xCdxTe光伏探測器

材料響應速度高，月于激光輻射探測十分有利，特

別是光通訊或在激光雷達中，作10.6mnC0。激光

外差探測。

■PbSnTe光伏探測器8'14卬1,

■InAs和InSb多年前就由商品,77K,列陣探測器光

譜響應均勻性好，性能接近背景極限，已和硅CCD

耦合制成焦平面器件。

■其它薄膜鉛鹽光伏型探測器。

10、光伏器件常用判據(jù)是什么？為什么？

答：1）2）探測率公式：

/公式，其中&冏尸為探㈣

器結面積與格登電￡艮求制的D*=3坪,

平方艱值，是判斷光伏暴件

畦能優(yōu)力的重要判據(jù)，華稱

為羌伙提刈蕊的優(yōu)值。與優(yōu)值成正比

11.紅外焦平面陣列有哪些各有什么特點?

單片式IR-CCD

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單片式又稱整體式，可分為兩種情況

■CCD本身就對紅外敏感，故探冽、轉移功能于一

體。

■紅外探測器與CCD作在同一基底上，基底通常為

Si,而探測器部分常用非本征材料，基本結構為

金屬-絕緣物-半導體O

混合式IR-CCD

根本特支：把捺測器和CCD承住寄存

器分開，CCD仍用普通硅制成，工藝

相對成熟，而對幾個重要的紅外波

段，都已經(jīng)發(fā)展了性能優(yōu)良的本征紅

外探測器o因此，將兩者抽合起來組

成混合焦平面技術，能我得高量子效

率后性能的紅外FPA。

12.簡述肖特基勢壘關電探測器的工作原理，及與光伏探測器有哪些

異同點？

工作原理：

■輻射透過硅股在硅化物

上產(chǎn)生熱全穴，

■這些,空夫能越過勢生進

人利硅基底，

■從而在硅化物一邊的電

板上積累負也荷，形成

信號，

■擊于鋁層的反射作用，

珪化物對輻射的吸收增

強，可使靈敏度提名一

個數(shù)量級。

相同點：二者響應度直接與增益電阻和面積之積有關

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不同點：肖特基是多數(shù)載流子器件，P-N結是少數(shù)載流子器件

13.非制冷紅外焦平面陣列有哪些形式？各有什么優(yōu)缺點?

熱釋電探測器

微測輻射熱計

與熱釋電相比微測輻射熱計

采用珪集成技術，成本低，?

有好的線性響應和禹動志於圍，?

俅元間絕緣性好，串言少，回像清晰度言。

低1/f噪聲，高慎速，券潛在的高靈敏度「理論上可達0.01K)。?

但偏苣電路功耗大，嗓聲帚寬寬。③

3、試簡述光電成像器件將二維圖像轉換成一維電信號可通過哪些途

徑

1、電真空型攝像管

(1)內(nèi)光電變換型的光電導攝像器件

利用內(nèi)光電效應將入射的光學輻射圖像變換為電信號，在視像管中，光電導靶既作

為光電變換器，又作為電信號存儲與積累器異質(zhì)結

又可分為注入型光電導靶、阻擋型光電導靶、異質(zhì)結光電導靶、硅二極管陣列光電

導靶

(2)外光電變換型的光電發(fā)射型攝像器件

①利用的是外光電效應完成一維圖像轉換成一維電信號的

②光電發(fā)射型攝像管都具有一下兩個共同點：

A、光電變換部分是采用光陰極把輸入的光學圖像轉換成光電子圖像

B、光電變換器和信號存儲靶是分開的。

③常見的有超正析攝像管、二次電子導電攝像管(SEC)、電子轟擊型硅靶攝像管(EBS)

2、熱釋電攝像管

熱釋電攝像管與普通的光電導攝像管在結構上類似，只是用熱釋電靶代替了光電導靶但

是存在本質(zhì)的區(qū)別，首先熱釋電靶是利用熱釋電效應來工作的，其次熱釋電靶是近乎完

美的絕緣體，容易積累電荷而使電子束不能連續(xù)工作，為此要設法消除靶面的負電荷積

累。

3、固體成像器件CCD

(DCCD是電荷耦合器件的英文縮寫，他利用的是處于非熱平衡狀態(tài)的勢阱來進行電荷

存儲和轉移的，它是基于MOS電容器在非穩(wěn)態(tài)下工作的一種器件，為一行行緊密排列在

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