第六章 直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析幻燈片

2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.1.直視型光電成像系統(tǒng)的工作原理6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性6.3.直視型光電成像系統(tǒng)的總體設(shè)計6.4.夜視系統(tǒng)的作用距離估算AN/AVS-6AN/AVS-9NW-2000ICCDAN/PVS-7DF7000A/F7001AN.269776專用箱2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.1.直視型光電成像系統(tǒng)的工作原理直視型主動紅外成像系統(tǒng)紅外光源物鏡組紅外變像管高壓電源目鏡組人眼直視型夜視成像系統(tǒng)（夜視儀）物鏡組像增強器高壓電源目鏡組人眼2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.1.直視型光電成像系統(tǒng)的工作原理主動紅外成像系統(tǒng)：工作波段為0.76~1.2μm的近紅外波段，其長波限由變像管光電陰極的光譜響應(yīng)決定。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.1.直視型光電成像系統(tǒng)的工作原理主動紅外成像系統(tǒng)的工作特點：利用反射能力的差異。天氣好時，近紅外具有較高的大氣透射比?！爸鲃诱彰鳌辈皇墉h(huán)境影響，目標與背景反差加大。選通，可在很多特殊場合下應(yīng)用對于軍事應(yīng)用。容易暴露。綠色草木混凝土暗綠色漆2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.1.直視型光電成像系統(tǒng)的工作原理直視型

(被動)微光成像系統(tǒng)：直視型微光成像系統(tǒng)(又稱為微光夜視儀)利用微光增強技術(shù)，可在極低照度(10-5lx)下完全“被動”式工作，可明顯改善人眼在微光下的視覺性能。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.1.直視型光電成像系統(tǒng)的工作原理直視型

(被動)微光成像系統(tǒng)的工作特點：被動-隱蔽性好景物之間反差小受自然照度和大氣透明度影響大2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性夜視成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)夜視成像物鏡夜視系統(tǒng)對成像物鏡的基本要求光電成像系統(tǒng)用物鏡的分類目鏡

直視成像系統(tǒng)對成像目鏡的基本要求光電成像系統(tǒng)中常用的目鏡ds0ds1u0u1L0Ef

l

D

Dn1n0

l2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性主動紅外成像的照明系統(tǒng)

主動紅外成像系統(tǒng)對紅外照明系統(tǒng)的基本要求紅外光源、紅外濾光片、照明系統(tǒng)的反射鏡

像管的小型化直流高壓電源直視成像系統(tǒng)對高壓電源的基本要求直流高壓電源的工作原理倍壓整流電路自動亮度控制（ABC）電路直流選通高壓電源2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性夜視成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)－成像物鏡夜視系統(tǒng)對成像物鏡的基本要求大的通光口徑和相對孔徑。小的漸暈。寬光譜范圍的色差校正。物鏡有好的調(diào)制傳遞特性。最大限度地消除雜散光。在紅外光學(xué)系統(tǒng)中，必須同時考慮聚光系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)。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。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性夜視成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)－成像物鏡光電成像系統(tǒng)用物鏡的分類折射系統(tǒng)：反射系統(tǒng)：折反系統(tǒng)：2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性a)雙高斯型物鏡b)匹茲伐型物鏡改進的雙高斯型改進的匹茲伐型折射系統(tǒng)：易校正像差，可獲得較大視場，結(jié)構(gòu)簡單，裝調(diào)方便。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性由于紅外材料價格昂貴(Ge,Si單晶)，折射比高而反射損失大，在滿足需要條件下應(yīng)盡可能減少透鏡片數(shù)。在像質(zhì)要求不高的輻射計中多用單片折射透鏡。為了減小單透鏡的球差和色差，也做成組合透鏡。

2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性單反射鏡的四種形式(a)球面單反射鏡(b)拋物面反射鏡

(c)橢球面反射鏡(d)雙曲面反射鏡兩種常用的拋物面反射鏡(a)光闌位于焦面（同軸）

(b)焦點在入射光束之外（離軸）2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性雙反射鏡的基本結(jié)構(gòu)(a)牛頓系統(tǒng)(b)卡塞格倫系統(tǒng)(c)格里高里系統(tǒng)反射系統(tǒng)：大口徑，長焦距，且取材容易，即可用金屬材料，也可在普通玻璃上鍍金屬膜或介質(zhì)膜來制作，對材料要求不高。其光能損失小，無透射損失(即鏡面反射比比透鏡的透射比高)，不產(chǎn)生色差。，但也存在體積大及次鏡遮擋等缺點。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性夜視成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)－成像物鏡光電成像系統(tǒng)用物鏡的分類折反系統(tǒng)：要解決的問題：反射式物鏡系統(tǒng)需要采用非球面鏡，而非球面鏡加工檢驗困難，成本高。解決途徑：改進反射系統(tǒng)，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(gòu)成折反式物鏡系統(tǒng)。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)。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性(a)施密特校正板(b)改進的施密特校正板施密特校正板工作原理(a)曼金折反鏡-(b)曼金－卡塞格倫系統(tǒng)曼金折反射鏡包沃斯-馬克蘇托夫系統(tǒng)1-校正透鏡的交替位置；2-孔徑光闌；3-校正透鏡；4-焦面；5-球面反射鏡2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性夜視成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)－成像目鏡直視成像系統(tǒng)對成像目鏡的基本要求合適的焦距。目鏡焦距fe’通常在10~55mm.足夠的視場。通常2

在30

~90

之間。合適的出瞳距離和出瞳直徑。一般視不同的應(yīng)用條件，成像系統(tǒng)出瞳直徑取人眼夜間瞳孔直徑5~7mm。出瞳距離p’(目鏡后表面到人眼瞳孔的距離)一般在8~50mm。適當(dāng)?shù)那肮?jié)距(目鏡前表面和前焦點之間的距離)，以保證工作時的視度調(diào)整。此外，因為目鏡視場大，軸外像差是影響像質(zhì)的重要因素；又由于目鏡口徑大，球差和慧差也要校正；校正像差的波長由熒光屏的光譜特性決定。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性夜視成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)－成像目鏡常用的幾種目鏡2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析主動紅外成像的照明系統(tǒng)主動紅外成像系統(tǒng)對紅外照明系統(tǒng)的基本要求照明系統(tǒng)的輻射光譜(光源與濾光片的組合光譜)要與像管光電陰極的光譜響應(yīng)有效的匹配，并在匹配的光譜內(nèi)有高的輻射效率。有一定的照射范圍。紅光暴露距離要短。應(yīng)保證足夠的輻射強度。在結(jié)構(gòu)上應(yīng)保證容易調(diào)焦，濾光片和光源更換方便。應(yīng)盡量做到體積小、重量輕、壽命長、成本低、功耗小、工作可靠。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析主動紅外成像的照明系統(tǒng)常用的紅外光源：白熾燈：電流加熱燈絲發(fā)光。（鹵鎢燈，溴鎢燈）工作溫度：2400～3200℃氙燈：高壓氣體放電發(fā)光。光斑集中，發(fā)光效率高，壽命長。譜線接近太陽光譜，在近紅外有強輻射譜線。大功率紅外發(fā)光二極管（LED）：低成本，排列方式隨意，發(fā)光效率高，壽命長，質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)牢固，不用濾光片。GaAs激光二極管：譜線窄，發(fā)光功率高，最好的脈沖光源。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析主動紅外成像的照明系統(tǒng)紅外濾光片：紅外波段光能損失盡可能小，其他波段輻射盡量全吸收或反射，光譜透射比與光陰極的光譜靈敏度匹配好；熱穩(wěn)定性好，防潮，機械性能好，耐高溫。照明系統(tǒng)的反射鏡把位于焦點的光源發(fā)出的一定立體角范圍的光輻射聚焦成沿軸向窄發(fā)射角出射的光束。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析像管的小型化直流高壓電源直視成像系統(tǒng)對高壓電源的基本要求提供穩(wěn)定的直流高壓，使像管工作時保持合適的輸出亮度；性能穩(wěn)定，在高低溫環(huán)境下保證儀器正常工作；實現(xiàn)自動亮度控制(Auto-Brightnesscontrol，ABC)功能；對于選通系統(tǒng)，應(yīng)提供選通周期、脈寬以及延時可調(diào)的選通電壓；對自動快門(Auto-Gating)，能夠根據(jù)像管電流自動調(diào)整工作電壓的占空比；防潮、防震、體積小、重量輕、耗電省。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性像管的小型化直流高壓電源直流高壓電源的工作原理直流低壓電源：通常為幾伏到二十幾伏，由干電池或蓄電池提供，為高壓電源提供能量。晶體管變換器：主要由晶體三極管、升壓變壓器的初級繞阻和反饋繞阻構(gòu)成，其作用是將直流低壓變?yōu)楦哳l交流低壓。升壓變壓器：將低壓交流電壓升為高壓交流，輸出可達數(shù)千至上萬伏。倍壓整流電路：由高壓整流二極管(或高壓硅堆)、高壓電容和高壓變壓器次級繞阻構(gòu)成,把變壓器次級繞阻上的交流高壓整流并倍壓到所需直流高壓。穩(wěn)壓電路：保證晶體管變換電路有穩(wěn)定的輸入電壓，以使電源的高壓輸出穩(wěn)定。直流低壓DC電源晶體管變換DC

AC電路升壓變壓器(AC

AC)倍壓整流AC

DC電路直流高壓穩(wěn)壓電路或ABC電路直流高壓電源框圖2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性像管的小型化直流高壓電源倍壓整流電路：把變壓器次級繞阻上的交流高壓整流并倍壓到所需直流高壓。變壓器T的次級繞組輸出峰值電壓為V2的交流，則正半周：假設(shè)T的輸出端上負，下正，則D2因反向偏置截止，D1回路導(dǎo)通，對C1充電，在正半周結(jié)束前，C1兩端電壓為V2；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(dǎo)通，對C2充電，在負半周結(jié)束前，C2兩端電壓為2倍V2，送至輸出端口為2倍V2的直流。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性像管的小型化直流高壓電源自動亮度增益（ABC）電路：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。ABC電路能使像管在較大的入射光度范圍內(nèi)輸出合適的亮度，從而擴大了微光成像系統(tǒng)的使用光度范圍。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El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。

2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析像管的小型化直流高壓電源直流選通高壓電源：直流選通高壓電源主要用于選通型靜電像管。選通管與普通像管的主要區(qū)別在于其中某一電極(對于倒像管為選通電極或聚焦電極，對近貼管由于一般MCP輸入端電極接地，因此選通電極為光陰極)作為選通電極。當(dāng)電極被施加正常電壓時，像管正常工作，但當(dāng)電極被施加相對于光陰極更低的電壓時，由于靜電場為保守場，從陰極發(fā)射出的電子被阻滯，難以加速(及電子倍增)到達熒光屏，像管被截止。6.2.夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件及其特性門觸發(fā)周期信號

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T選通門控觸發(fā)信號及其控制參數(shù)2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.3.直視型光電成像系統(tǒng)的總體設(shè)計微光成像系統(tǒng)性能的基本極限夜視系統(tǒng)對人眼在微光下的視覺性能的改善系統(tǒng)微光性能的基本極限物鏡和像增強器參數(shù)對系統(tǒng)極限分辨力的影響像增強器暗背景噪聲對系統(tǒng)極限分辨力的影響人眼與像增強器系統(tǒng)的最佳匹配像管的選擇直視光電成像系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)及其選擇2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析夜視系統(tǒng)對人眼在微光下的視覺性能的改善入瞳大，更有效地利用來自目標的光子；光學(xué)系統(tǒng)可增加物體的視角，提高作用距離；光陰極的量子效率,擴大了光譜響應(yīng)，從而可提高人眼的視覺增益。可使人眼在不需暗適應(yīng)情況下有更高的分辨能力?？稍黾臃e累時間提高視覺增益，這要以犧牲運動目標信息為代價。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析系統(tǒng)微光性能的基本極限

一般地，直視微光成像系統(tǒng)性能受到光子噪聲、系統(tǒng)光學(xué)性能和人眼視覺性能等三個方面限制，正確地設(shè)計和使用成像系統(tǒng)可盡可能地減小這些限制的影響。在光子噪聲和光學(xué)分辨力共同限制下，理想微光夜視系統(tǒng)的極限分辨角為2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析物鏡和像增強器參數(shù)對系統(tǒng)極限分辨力的影響物鏡焦距f’增大，在大于星光照度情況下，系統(tǒng)分辨力得到明顯改善，反之則改善很小。物鏡直徑D增大，在低于滿月光情況下，系統(tǒng)分辨力得到明顯改善，反之改善很小。光陰極靈敏度S提高，在低于1/4月光照度，系統(tǒng)得到最大改善。增加積累時間t，與光靈敏度S類似的改善。提高像增強器極限分辨力m0，在10-4~10-1lx目標照度范圍對系統(tǒng)分辨力提供一般的改善。當(dāng)D、S、t一起增加時這種改善更有意義。在像增強器暗噪聲可忽略的前提下(C=1，ρt=1)。需要指出，上述分析中具體的照度值范圍可能隨系統(tǒng)參數(shù)和目標特性而有所改變，但其反映出對低、中和高照度條件下對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律是一致的2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析像增強器暗背景噪聲對系統(tǒng)極限分辨力的影響像增強器存在的噪聲(如暗噪聲等)將使像管輸出圖像對比度惡化，分辨力下降。設(shè)像增強器等效背景照度為Eb，其相應(yīng)在目標場景上附加一個暗背景亮度Lb(RA是物鏡的相對孔徑）若目標的固有亮度為L0，則目標亮度變成L0’=L0+Lb。目標的表觀對比度變?yōu)楣识茖?dǎo)出系統(tǒng)極限分辨角表達式.2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析像增強器暗背景噪聲對系統(tǒng)極限分辨力的影響2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析人眼與像增強器系統(tǒng)的最佳匹配為便于討論，把系統(tǒng)分為兩部分：一是物鏡與像增強器的組合；二是目鏡與人眼的組合(“人工助視眼”)。把物鏡與像增強器組合的極限分辨特性表示為像增強器熒光屏目標亮度La(人眼觀察目標亮度)的函數(shù)關(guān)系，在光子噪聲限制下，熒光屏上極限分辨力為ms2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析人眼與像增強器系統(tǒng)的最佳匹配人眼視覺分辨力與觀察視場亮度有關(guān)，在忽略目鏡光損失和像差的情況下，目鏡助視眼的視覺銳度曲線等于人眼銳度曲線乘以目鏡放大率(如圖中虛線)。為使人眼特性不限制整個系統(tǒng)性能，需要任一目標像亮度下，目鏡助視眼銳度特性曲線應(yīng)高于物鏡像增強器組合的空間分辨力。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.3.直視型光電成像系統(tǒng)的總體設(shè)計－像管的選擇在選擇像增強器時，除考慮主要的極限分辨力m、增益G和噪聲等效背景EBI等性能參量外，還需要注意幾點：像增強器的輸入輸出窗熒光屏類型調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)信噪比(SNR)美國近年來提出一種新的質(zhì)量評價指標——品質(zhì)因素D=m×SNR。并規(guī)定D<1250可向不結(jié)盟國家出口(相當(dāng)于美國20世紀80年代水平)，D<1600可向北約及“金色七國”(澳/日/韓/以色列/埃及/阿根廷/巴林)出口，D>1600則在美國國內(nèi)使用。圖6-35給出部分典型高性能像增強器的品質(zhì)因素。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.3.直視型光電成像系統(tǒng)的總體設(shè)計－像管的選擇2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析有關(guān)像管的發(fā)展歷程及最新消息第一代像管：60年代中期，以纖維光學(xué)面板作為輸入、輸出窗三級級聯(lián)耦合的像增強器問世，稱為第一代像增強器(一代管)。防強光性能差，特別是當(dāng)戰(zhàn)場上出現(xiàn)強閃光時，整個畫面出現(xiàn)光暈和開花，觀察不到目標，在戰(zhàn)火彌漫的戰(zhàn)場上難以使用；體積大、笨重，限制了它在輕武器、頭盔鏡上的應(yīng)用。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析有關(guān)像管的發(fā)展歷程及最新消息每一級具有畸變、漸暈以及熒光屏的余輝，并由于前后兩級級聯(lián)間光纖的串光，引起圖像的模糊，其清晰度難以提高。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析有關(guān)像管的發(fā)展歷程及最新消息第二代像管：20世紀70年代初成功地研制了能實現(xiàn)電子倍增的二維元件——微通道板。第二代微光夜視像增強器的長度僅為第一代三級級聯(lián)耦合像增強器的1/5～1/3，質(zhì)量輕、畸變小、鑒別率高；能防強光和自動控制亮度。當(dāng)遇到強光如照明彈與炮火時，雖有光暈，仍不妨礙觀察。二代微光夜視的作用距離較一代微光夜視提高約1.2～1.5倍。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析有關(guān)像管的發(fā)展歷程及最新消息第三代像管：20世紀80年代中期，美國成功研制了負電子親和勢(NEA)GaAs光陰極型微光像增強器(三代管)。具有高靈敏度、高鑒別率、寬光譜響應(yīng)、高傳遞特性和長壽命，且結(jié)構(gòu)緊湊、能與二代管互換等優(yōu)點。能充分利用夜間自然光，在lx或更低的光陰極照度下，更為靈敏和有效。三代夜視儀的作用距離較二代夜視儀提高了30％以上。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析有關(guān)像管的發(fā)展歷程及最新消息第三代像管：大多數(shù)三代光陰極的光譜響應(yīng)為500～900nm。90年代初，負電子親和勢光陰極又有新的進展，出現(xiàn)了向藍延伸和向紅延伸的NEA光陰極，分別被稱為藍加強NEA光陰極和紅加強NEA光陰極，其靈敏度和光譜響應(yīng)又有大幅度的提高和改善。此外，還有向紅外延伸的光陰極，其光譜區(qū)可延伸到1100nm，這便可以觀察由Nd：YAG激光器測距儀和目標定向器所發(fā)射的1.06μm的激光。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析有關(guān)像管的發(fā)展歷程及最新消息2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析有關(guān)像管的發(fā)展歷程及最新消息超二代像管：90年代初，二代管在傳統(tǒng)的多堿光陰極的靈敏度上取得突破（靈敏度由300μA/lm提高到700μA/lm），通過減小微通道板噪聲因數(shù)來提高輸出信噪比(改進微通道板的性能)。同時改進管子結(jié)構(gòu)和整管的MTF，出現(xiàn)了高靈敏度、高性能的二代管，稱為超二代管。其效費比好，鑒別率和輸出信噪比接近三代管的水平，使用效果與標準的三代管接近。最新的結(jié)果是在18mm二代管中，用6μm孔徑的MCP,鑒別率達到57lp/mm，與18mm三代管的64lp/mm相接近。三代管在性能上雖有很大的改進，與二代管相比，作用距離增加了30％，但工藝復(fù)雜，價格昂貴。因此降低成本、提高效費比是三代管面臨的重大任務(wù)。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析有關(guān)像管的發(fā)展歷程及最新消息2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析有關(guān)像管的發(fā)展歷程及最新消息第四代像管：把高量子效率的GaAs光電陰極與具有高鑒別率的微通道板(MCP)相結(jié)合,同時采用高均勻性的熒光屏,使像管的空間鑒別率主要地由MCP的孔徑大小來確定。四代管所用的MCP,其通道直徑僅為6μm,它使四代管的鑒別率又提高了一大步。四代管于20世紀90年代首先由美國研制成功。復(fù)雜的工藝與較高的價格是四代管的缺陷2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析有關(guān)像管的發(fā)展歷程及最新消息第四代像管：如何使光陰極向紅外波段延伸,于是出現(xiàn)了兩種光陰極微光管的嘗試GaAs/InP傳輸電子近紅外(0.9～1.06μm)光陰極微光管。光陰極結(jié)構(gòu)為P2InP(襯底)/P2In0.33Ga0.47As(吸收層)/O2InP(發(fā)射層)/Ag(場助極)/Cs2O(NEA)層，其特點是：近紅外高靈敏度光陰極，在1.06μm處有很高的輻射靈敏度(量子效率)。PbTe/PbSnTe復(fù)合列陣式紅外光陰極微光管(STIRP)(8～14μm或3～5μm)———熱紅外變像管。像管原理結(jié)構(gòu)與三代管類似，但STIRP采用復(fù)層結(jié)構(gòu)，它由兩部分組成：一個光電二極管鑲嵌列陣(光電二極管一般是外延PbSnTe/PbTe異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該鑲嵌列陣可在3～5μm或8～14μm波段下工作)和一個金屬-半導(dǎo)體-金屬(MIM)冷陰極電子發(fā)射體構(gòu)成所謂“復(fù)合式熱紅外光陰極”。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析有關(guān)像管的發(fā)展歷程及最新消息第四代像管：盡管這兩種光陰極具有靈敏度高,向紅外延伸等特點,但與二代的多堿光陰極、三代的GaAs光陰極完全不同,工藝上不兼容。同時,人們還逐漸明白了提高器件特性最重要的是兩個指標:高信噪比和高鑒別率。既然二代能發(fā)展到超二代、高性能超二代,那么三代更有發(fā)展的潛力;也許改進二代和三代可以達到所期望“四代”的指標,而這種改進工藝完全與二代、三代工藝兼容。三代的弱點是在微通道板的入射端涂敷一層Al2O3

薄膜,它起著壁壘的作用,以防止離子的反饋,縮短器件的工作壽命。因此制作了一種不鍍膜或無膜的三代像增強器。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析有關(guān)像管的發(fā)展歷程及最新消息第四代像管：1998年,NorthropGrumman公司制造出一種不鍍膜的像增強器,這種管子在非常低的陰云星空下工作很有效。此外還有一個重大的進展,即選用自動的選通(Auto2gate)電源代替了常用的連續(xù)電源。在自動選通時,光陰極在高速下時開時關(guān),降低了強光下微通道板中的電子流,阻止其飽和并避免圖像模糊。因此,當(dāng)通過夜視頭盔鏡觀看夜間景物,遇到強光如照明彈、炮火以及車燈照明時,自動選通也幫助減少光暈或圖像開花。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析有關(guān)像管的發(fā)展歷程及最新消息2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析目前國際上對微光夜視器件技術(shù)的研發(fā)工作一刻也沒有終止下面列舉一些文獻上報導(dǎo)的新型微光成像器件：Gap/GaInAs(0.9~1.65um)第四代微光管，美俄聯(lián)合研制，1994年在倫敦展出。PbTe/PbSnTe復(fù)合陣列式紅外光陰極（8~14um）熱像管。GaAlAs/GaAs超晶體格紅外（10um）熱像探測器遠程（>=100km衛(wèi)星、洲際導(dǎo)彈）光電預(yù)警用自適應(yīng)光學(xué)“微光圖像光子計數(shù)器”波前傳感器。高靈敏度（450~705ua/lm）多堿光以及超二代微光管。與以上器件配套的高增益、低噪聲、長壽命彎曲MCP和大電流熱微通道板（HOT-MCP）等。有關(guān)像管的發(fā)展歷程及最新消息2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.3.直視型光電成像系統(tǒng)的總體設(shè)計－光學(xué)參數(shù)及其選擇系統(tǒng)視場：直視光電成像系統(tǒng)的視場光闌為像管光陰極的固定框，故系統(tǒng)視場系統(tǒng)角放大率：放大率與像管觀察靈敏閾相關(guān)。觀察靈敏閾指人眼在熒光屏背景上剛能覺察出星點像時，光陰極面上的最小照度。對于某個像管，當(dāng)屏上的目標像對目鏡的張角大于一定值αm時，觀察靈敏閾不再下降。在目鏡選定情況下，增加倍率將增加物鏡焦距，即要以犧牲物方視場為代價。放大率受系統(tǒng)外形尺寸的限制。人眼通過目鏡觀察熒光屏，一般認為可分辨目標的最小角度約為6

，為使人眼不限制系統(tǒng)的性能，應(yīng)有2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.3.直視型光電成像系統(tǒng)的總體設(shè)計－光學(xué)參數(shù)及其選擇系統(tǒng)視場：直視光電成像系統(tǒng)的視場光闌為像管光陰極的固定框，故系統(tǒng)視場系統(tǒng)角放大率：放大率與像管觀察靈敏閾相關(guān)。觀察靈敏閾指人眼在熒光屏背景上剛能覺察出星點像時，光陰極面上的最小照度。對于某個像管，當(dāng)屏上的目標像對目鏡的張角大于一定值αm時，觀察靈敏閾不再下降。在目鏡選定情況下，增加倍率將增加物鏡焦距，即要以犧牲物方視場為代價。放大率受系統(tǒng)外形尺寸的限制。人眼通過目鏡觀察熒光屏，一般認為可分辨目標的最小角度約為6

，為使人眼不限制系統(tǒng)的性能，應(yīng)有分辨力：在實際觀察條件下，一般取人眼的極限分辨角為6

，為確保觀察條件，應(yīng)使入瞳、出瞳和出瞳距離2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.3.直視型光電成像系統(tǒng)的總體設(shè)計－光學(xué)參數(shù)及其選擇入瞳、出瞳和出瞳距離物鏡口徑D限制成像光束而成為系統(tǒng)的孔徑光闌；光陰極面有效工作直徑Dc限制系統(tǒng)的成像范圍而成為視場光闌。熒光屏的有效成像面決定了目鏡成像范圍,對應(yīng)的目鏡視場角(系統(tǒng)的像方視場角)為人眼瞳孔d為系統(tǒng)出瞳，眼睛到目鏡后表面的距離p

為出瞳距離。出瞳距離與目鏡有效直徑的關(guān)系如圖設(shè)目鏡為一薄透鏡，有效直徑為De，p’A為無漸暈時最大出瞳距離，則無漸暈時,即系統(tǒng)目鏡視場

一定時，目鏡有效直徑隨出瞳距離而加大。由于光電成像系統(tǒng)在出瞳距離上沒有視場光闌像存在，因此,出瞳距離是指觀察者實際工作時眼瞳的位置。成像器件

foDDc2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析6.4.夜視系統(tǒng)的作用距離估算微光夜視系統(tǒng)的視距預(yù)測視距模型

大氣傳輸?shù)挠绊戧P(guān)于概率視距估算方法視距估算列線圖

視距等效處理方法視距估算舉例二代和三代成像系統(tǒng)視距比較

主動(紅外)夜視系統(tǒng)的觀察距離作用距離模型

大氣后向散射和選通原理

大氣后向散射通量后向散射通量對系統(tǒng)性能的影響選通技術(shù)的基本原理

2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析微光夜視系統(tǒng)的視距預(yù)測視距模型：

設(shè)目標臨界尺寸（最小高度或?qū)挾龋镠，目標到系統(tǒng)距離為l，根據(jù)約翰遜準則，其被系統(tǒng)探測、識別和認清的條帶周期數(shù)n分別為1、4、8lp/目標臨界尺寸（50%概率)，則目標的分辨角為α;系統(tǒng)所能達到的最小分辨角αm由物鏡焦距fo’和像增強器光陰極的分辨力m決定，故目標能被分辨的條件為右側(cè)公式。Hl2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析微光夜視系統(tǒng)的視距預(yù)測大氣傳輸?shù)挠绊?/p>

在作用距離預(yù)測中，應(yīng)將L0和C其分別理解為表觀值，則可將大氣傳輸影響計入。τa為大氣透射比,Rv為大氣能見距離Ec和E0分別為陰極面照度和環(huán)境照度；

為目標反射比；K為地平天空亮度與背景照度之比。關(guān)于概率

使用右式，通過條帶周期數(shù)的修改可適合于其它概率下作用距離的預(yù)測。概率與條帶周期數(shù)的關(guān)系可利用美國熱成像系統(tǒng)模型研究中擬合出的經(jīng)驗公式

ne為約翰遜準則50%概率的條帶周期數(shù)；

n為概率P條件下的條帶周期數(shù)。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析微光夜視系統(tǒng)的視距預(yù)測－視距估算方法視距估算列線圖：研究者通過實驗，把環(huán)境條件，成像系統(tǒng)參數(shù)，目標情況，如：環(huán)境照度，目標反射比，像管光陰極靈敏度、分辨力等因素用圖聯(lián)系在一起，使人們在相應(yīng)條件下能較快地估算出系統(tǒng)的視距。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析微光夜視系統(tǒng)的視距預(yù)測－視距估算方法視距等效處理方法極限分辨力是光陰極面上照度的函數(shù)，由實驗可以得到它們的關(guān)系曲線。在實驗室條件下通?？梢缘玫綄Ρ榷葹?00%的測量結(jié)果，對于光陰極上目標的表觀對比度不是100%時，需要對所測量結(jié)果曲線進行修正。光陰極面上照度：像管光陰極上的照度取決于景物參數(shù)和物鏡光學(xué)參數(shù)，可表示為下式：設(shè)光陰極面上有目標像元A和鄰近景物像元B，它們上的平均光子數(shù)表示的對比度為C，根據(jù)羅斯公式，A元和B元能分辨時應(yīng)該有：光陰極面在積累時間t內(nèi)從像元A（h×h)上得到的光子數(shù)應(yīng)該為：

光陰極面上的照度與落到光陰極面上的光子密度密切相關(guān)，上式說明，像增強器光陰極對于同一分辨力，當(dāng)對比度從100%下降到C時，其上所需的照度應(yīng)該按1/C2修正，表觀對比度由大氣對比度傳遞函數(shù)和固有對比度確定。2025/1/11第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析微光夜視系統(tǒng)的視距預(yù)測－視距估算方法例：山林背景中有一中型坦克高度H＝2.37m,目標反射比

=0.25,對比度C0=0.33,夜視儀的物鏡焦距＝100mm,F數(shù)=1,透射比

0=0.7,若測得像增強器光陰極面照度Ec與分辨力m的關(guān)系如下表(C=100%)，試問在夜天光照度E0=5

10-3lx，能見距離Rv=15km的晴天條件下,微光夜視儀能否識別距離800m的坦克？（對于山林背景和晴天條件，取K=4）Ec

(lx)5

10-72

10-65

10-61

10-51

10-45

10-41

10-3m(lp/mm)61519253540452025