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？在光电成像系统性能评价方面通常从哪几方面考虑？
答：a、两者都有光学元件并且其目的都是成像。而区别是光电成像系统中多了光电装换器。
b、灵敏度的限制，夜间无照明时人的视觉能力很差；
分辨力的限制，没有足够的视角和对比度就难以辨认；
时间上的限制，变化过去的影像无法存留在视觉上；
空间上的限制，隔开的空间人眼将无法观察；
光谱上的限制，人眼只对电磁波谱中很窄的可见光区感兴趣。
6．反映光电成像系统光电转换能力的参数有哪些？表达形式有哪些？
答：转换系数：输入物理量与输出物理量之间的依从关系。
在直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G1，
光电灵敏度：
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式？
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定距离内能够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。对于具有线性及时间、空间不
变性成像条件的光电成像过程，完全可以用光学传递函数来定量描述其成像特性。
第二章
6.影响光电成像系统分辨景物细节的主要因素有哪些？
答：景物细节的辐射亮度（或单位面积的辐射强度）；
景物细节对光电成像系统接受孔径的张角；
景物细节与背景之间的辐射对比度。
第三章
13.根据物体的辐射发射率可见物体分为哪几种类型？
答：根据辐射发射率的不同一般将辐射体分为三类：
黑体，=1；
灰体，<1,与波长无关；
选择体，<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：
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：
表明黑体在单位面积上单位时间内辐射的总能量与黑体温度T的四次方成正比。
维恩位移定律：
他表示当黑体的温度升高时，其光谱辐射的峰值波长向短波方向移动。
最大辐射定律：
一定温度下，黑体最大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？其相应的理论或实验依据是什么？
（1）像管的成像过程包括3个过程
A、将接收的微弱的可见光图像或不可见的辐射图像转换成电子图像
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
（2）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来获得能量增强；或者
利用微通道板中二次电子发射来增加电子流密度来进行图像增强
C过程：利用的是荧光屏上的发光材料可以将光电子动能转换成光能来显示光
学图像
2、像管是怎么分代的？各代的技术改进特点是什么？
（1）A、零代微光像增强器技术
B、一代级联式像增强器技术
C、采用微通道板（MCP）的二代像增强器
D、采用负电子亲和势光阴极的三代像增强器
E、超二代像增强器
F、超三代像增强器
G、第四代像增强器
（2）①一代和零代的区别在于一代像增强其采用了光学纤维面板将多级耦合起来，形成级联式的像增强器，一般为得到正像，耦合级数多取奇数，通常微三级
②二代和一代的根本区别在于：它不是采用多级级联实现光电子图像倍增，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。
③三代和二代近贴式像管类似，其根本区别在于光阴极，但对MCP也提出了更高
的性能要求。二代采用的是表面具有正电子亲和势的多晶薄膜结构的多碱光阴极，三代采用的则是负电子亲和势光阴极，因此三代具有高增益、低噪声的有点。
11、光电发射为什么会存在极限电流密度？试分析并导出连续工作条件下和脉冲工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面有向内的电场场强，这一电场是由电子光学系统提供的。光阴极的光电发射将产生空间电荷，此空间电荷所形成的附加电场与电子光学系统的电场方向相反。随着光电发射电流密度的增大，空间电荷的电场会增加到足以抵消电子光学系统所提供的电场。如果忽略光电子的初速度，当光阴极画的法向场强为零时，光电发射就要受到限制，这时像管的光电发射将呈饱和状态。这一电流密度称之为光电发射的极限电流密度。
（2）见P159~P160
18、什么样的透镜叫短透镜？导出短透镜的焦距公式并分析其成像性质。
答：（1）把对电子起有效作用的场——透镜的作用区间限于一个有限的空间范围内，称
此空间位透镜空间，在此空间内，电子轨迹在场的作用下是连续变化的，而物与像则位于透镜场外，透镜场外的空间位等位空间。这种做了理想化的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（包括像方焦距和物方焦距）成像性质：
①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、像、焦距均在场外。
②场划分为三个区域，物空间，透镜空间，像空间，在物、像空间，电位固定不变，电子
轨迹为直线
③Φ’’(z)>0时透镜是会聚的（f为正），φ’’(z)<0时透镜是发散的（f为负），且f与
φ’’(z)成反比，即φ’’(z)越大f越小，会聚本领越强
20、什么是荧光？什么是磷光？
答：晶态磷光体在受电子激发时产生的光发射称为荧光。停止电子激发后持续产生的光发射称为磷光。
21.荧光屏表面蒸镀铝膜的作用是什么？
（P185）在荧光屏的表层上蒸镀一层铝膜，厚度约为0.1um，其作用为：引走积累的负电荷；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差必须与可见光光子的能量相同。
25.荧光屏的转换效率与哪些因素有关？为什么说图像分辨力和发光效率对荧光粉颗粒度的要求是相互矛盾的？
（p192）荧光屏的转换效率与制作荧光屏本身的材料—晶态磷光体的转换效率有关，
还与屏的粉层厚度、粒度、入射电子的能量及铝膜的影响等因素有关。
一般，粒度越大转换效率越高。但是，过厚的荧光屏将降低输出图像的分辨力。厚度的增加会导致光扩散的增大，分辨力将随之下降。因此，粒度应该适当。通常选取颗粒直径与荧光屏厚度相近，这样可获得发光效率与图像分辨力的最佳组合。
26.光纤面板（OFP）的传像原理是什么？像管应用光纤面板有什么优点？
（p193）光纤面板是基于光线的全反射原理进行传像的，由于光导纤维的芯料折射率高于皮料的折射率，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射。所以每一根光导纤维能独立地传递光线，且相互之间不串光。由大量光导纤维所组成的面板则可以传递一幅光学图像。
光纤面板使像增强器获得以下优点：①增加了传递图像的传光效率；②提供了采用准球对称
电子光学系统的可能性，从而改善了像质；③可制成锥形光纤面板或光学纤维扭像器。
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7°—15°的斜角。一方面可提高通道内的二次电子发射次数，另一方面也可使正离子不能穿出通道，消除或减少离子反馈。
P244
8.夜视成像系统对物镜的基本要求是什么？
（p213）夜视成像系统对物镜的基本要求大致有以下几点：
①大的同光口径和相对孔径。
②小的渐晕。
③宽光谱范围的色差校正。
④物镜有好的调制传递特性。
⑤最大限度的消除杂散光，杂散光对低信噪比的光电成像的影响比较明显，减小物镜的杂
散光可减小像质的变坏。
⑥在红外光学系统中，必须同时可虑聚光系统和扫描系统。
⑦尽可能减小被动红外系统中冷反射所产生的图像缺陷。
第六章
9.成像物镜主要分为哪几种类型？各种类型的典型形式是怎样的？
答：光电成像系统用物镜系统分为三类：折射系统、反射系统和折反射系统。
（1）光电成像系统中常用折射物镜有双高斯型和匹茲伐型。双高斯结构是微光成像系统中大相对孔径的基本型，由于这种结构较容易在较宽光谱范围内修正像差，属
于基本对称型结构，使轴外像差能自动抵消。在仪器视场不大的情况下，可用
匹茲伐型物镜，其基本结构是两个正光焦度的双胶透镜，结构简单，球差和慧
差校正较好，但视场加大时场曲严重。
（2）反射物镜分为单反射镜和双反射镜。最常见的是双反射镜。单反射镜分为球面镜喝非球面镜（抛物面、椭球面和双曲面镜）系统。球面反射镜和抛物面反射镜可
单独使用，椭球面和双曲面反射镜由于其光学焦点和几何焦点不重合，慧差大，
像质欠佳，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，而用加入补偿透镜的方法校正球面镜的球
差，构成折反射物镜系统。折反射物镜可实现大口径长焦距，常用的折反射物
镜有施密特系统、曼金折反射镜、包沃斯-马克苏托夫系统以及包沃斯-卡塞格伦
系统。
10.红外物镜相对于可见光物镜有什么不同？
答：（1）大的通光孔径和相对孔径。限制微光成像系统视见能力的主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限度地接收来自目标的辐射，获得大的靶面照度，即大的通光孔径有利于提高微光系统的信噪比。
（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系统光谱响应波段，对主动红外成像系统为0.65～1.2微米（，对微光成像系统为0.4～0.9微米，对热成像系统为1.5～14微米）。
（4）物镜有好的调制传递特性。像管为低通滤波器，目前的极限分辨力为30～70lp/mm，通常要求物镜在10lp/mm的空间频率时MTF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像的影响比较明显，减小物镜的杂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统。
（7）尽可能减小被动红外系统中冷反射所产生的图像缺陷。
11、在直视型成像系统中对目镜的基本要求是什么？
答
12、像管直流高压电源的特点是什么？其主要包括哪几部分？
答：特点
（1）提供稳定的直流高压，使像管工作时保持合适的输出亮度；
（2）性能稳定，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、脉宽以及延时可调的选通电压；
（5）对自动快门，能够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、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、升压变压器、倍压整流电路以及稳压电路。
13、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流高压的过程。
变压器T的次级绕组输出峰值电压为V2的交流，则：
（1）正半周：假设T的输出端上负、下正，则D2因反向偏置截止，D1回路导通，对C1充电，在正半周结束前，C1两端电压为V2;
（2）负半周：T的输出端上正、下负，则D1因反向偏置截止，D2回路导通，对C2充电，在负半周结束前，C2两端电压为2倍V2，送至输出端口为2倍V2
的直流。
15、为什么说大气后向散射对主动红外夜视仪性能将产生不利影响？
答：在主动红外成像系统中，照明系统安装在接收器附近，在照射远距离目标时，探照灯光轴非常接近系统光轴。照射光束在大气传输过程中被大气散射，其中一部分后向散射将进入观察视场，在成像面上造成一个附加背景，从而降低成像的对比度和清晰度。在能见度差的情况下，这一影响是主动红外成像系统性能的一个基本限制因素，会对主动红外夜视仪性能产生不利影响。
16、选通技术用于主动红外夜视仪可取得怎样的效果？
选通成像系统原理框图
答：选通技术是利用短脉冲光照明器和选通型像管，从时间上分开不同距离上的散射光和目标的反射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在像管选通工作时到达像管并成像。由于辐射脉冲在投向目标过程中所产生的后向散射辐射到达接收器时，像管处于非工作状态，可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：在设计直视型夜视成像系统时，应当提高增强器极限分辨力m 0；为使系统性能尽可能达到光子噪声限，像增强器暗背景噪声应尽可能减小，通常要求20(2)
8A b L R C E πτ-<<;还要求像增强器有较高的G ；还需注意几点：像增强器的输入
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 ）电路的目的及其工作原理。
答：目的：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来控制它的增益，以达到控制荧光屏输出图像亮度的目的，扩大了微光成像系统的使用光度范围。
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电路实际是一个带负反馈的直流低压电源，输出的直流电压E1到直流变换电路，变为交流电压后再经升压变压器及倍压整流滤波电路后供给像增强器。图中R1、R2和稳压二极管D1构成比较电压回路；R W为取样电阻；C1为高频旁路电容；C2、C3为低频旁路电容。当比较回路电流大于BG1的基极电流Ib1时，分压电阻R1和D1上的电压为标准电压。当光阴极入射照度E c上升时，供给像增强器的电流上升，ABC电路的输出电压E1下降，最终导致供给像增强器的直流高压下降而降低了像管的增益，起到维持荧光屏亮度基本不变的作用。
21、物镜和像增强器的参数如何影响系统的极限分辨力的？
答：图见P229 6-29。在像增强器暗噪声可忽略的前提下，物镜和像管参数对系统极限分辨特性的影响如图所示。
①物镜焦距从f’增大到10f’，在大于星光照度10-3lx情况下，系统分辨力得到明显改善，反之则改善很小；
②物镜直径从D增大到10D，在低于满月光10-1lx情况下，系统分辨力得到明显改善，大于满月光改善很小；
③光阴极灵敏度从s提高到10s，在低于10-2lx照度范围，系统得到最大改善；；
④增加系统积累时间t得与光灵敏度s类似的改善；
⑤提高像增强器极限分辨力m0，在10-4~10-1lx目标照度范围对系统分辨力提供一般的改善。当D、s、t一起增加时这种改善更有意义。
P245
22、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，则像管荧光屏会出现局部饱和，影响像管寿命，甚至造成像管不可逆的损坏。传统的防护方法有分压法和散焦法，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电，可以防强光。
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）将使像管输出图像对比度恶化，分辨力下降。像增强器存在等效背景照度Eo时，系统极限分辨角增大，表示如下
P295
1、何为摄像管？简述摄像管的工作原理？
答、电视摄像是将两维空间分布的光学图像转换为一维时间变化的视频信号的过程，完成这一过程的器件称为摄像管。
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转换，将两维空间分布的光强
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元件产生的电荷，并保持电荷
量的空间分布，这一存储电荷的元件称之为靶。
C、摄像管电子枪产生空间两维扫描的电子束，在一帧周期内完成全靶面的扫描，
逐点扫描的电子束到达靶面的电荷量与靶面存储的电荷量相关，受靶面存储的
电荷量的调制，在输出电路上产生与被扫描点辐照射强度成比例的信号，即视
频信号。
3、摄像管的结构由几部分组成？各部分的作用是什么？
答：主要由光电变换与存储部分和信号阅读部分两大部分组成。
A、光电变换与存储部分：将光学图像变成电荷图像，并在整个帧周期内在靶上连
续地对图像上的任一像元积累电荷信号。
B、信号阅读部分：从靶面上取出信号
4、摄像管是怎样分类的？按光电变换的形式可分为哪几类？按视频信号读出方式又可分为哪几类？
答：可按下面3种方法分类：a 按电荷积累方式分类b按光电变换形式分类c 按视频信号读出方式分类
其中按b可分为：外光电变换型和内光电变换型
按c可分为：信号板输出型和双面靶输出型
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释电靶，是具有热释电效应的铁电体材料所制成的；
（2）性质：①利用热释电效应工作，仅对随时间变化的热辐射有响应；
②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管靶加基底电荷？目前产生基底电荷有哪几种方式？
答：（1）工作过程：具体答案在课本7.4.2节（P285~P289），这里只写大标题
①热释电靶的单筹化；
②靶面电荷图像的形成；
③热释电靶电荷图像的读出。
(2)加基底电荷的原因：
①靶面电荷图像形成时：靶面的信号电荷是由扫描电子束的负电荷着靶后才形成视频信号的，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缚电荷，扫描电子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上产生负电荷积累，必须在每次电子束扫描后都给靶面提供一定量的正电荷；
②电荷图像读出时：同上
（3）方法：二次电子发射法；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几种工作方式？各有何优缺点？
答：热释电靶面上的静电电荷面密度随靶温度变化而产生相应的变化。为了能连续摄取图像，要求热释电摄像管在每次电子束扫描靶面后，能够重新产生靶面的静电电荷图像。具体方法：
平移式：
摄全景式：——优点：装置简单。但图像总在运动，不便于观察，热目标后边缘有黑色拖尾
《典型光电成像器件电路设计》 课程编号： 课程名称：典型光电成像器件电路设计——高压、选通电源设计 学分：1学时：1周 选修课程：模拟电子技术，电路原理 一、目的与任务 本课程目的是针对微光检测技术中常用的距离选通技术，设计适合像管供电的高压电源和带距离选通功能的电源，帮助测控技术与仪器、电子科学与技术（光电子方向）的学生掌握光电成像技术中供电电源的设计方法。 二、教学内容及学时分配 1．设计要求，高压电源和选通电源原理讲解（1天） 2．电源参数选择与仿真分析（1天） 3．硬件电路调试（2天） 4．实验结果验收（1天） 三、考核与成绩评定 考核：在1周的实验课中用1天时间进行2人一组的考核验收。 成绩根据3方面情况最终评定： 1.学生的实验操作情况 2.学生的实验报告完成情况 3.学生的实验出勤情况 成绩评定按百分制，验收考核占总成绩的40%，平时表现、实验报告占总成绩的40%，创新性占20%，60分为及格。 四、大纲说明 1.本大纲是根据我校电子科学与技术（光电子）、光电信息科学与工程、光电信息工程专业培养计划及其知识结构要求，并适当考虑专业特色而制定的。 2.在保证基本教学要求的前提下，教师可以根据实际情况，对内容进行适当的调整和删节。 3.本大纲适合光电类相关专业。 五、教材、参考书 选用教材：江月松.光电技术与实验[M].北京：北京理工大学出版社，2000.
参考书： [1]胡士凌，孔得人.光电电子技术[M].北京:北京理工大学出版社，1996. [2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第三版）[M].北京:高等教育出版社出版社，2001. [3]白廷柱，金伟其.光电成像原理与技术[M].北京：北京理工大学出版社，2006. 编写教师：高昆 责任教授签字： 教学院长签字：
光电成像原理及技术课后题 答案 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
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在光电成像系统性能评价方面通常从哪几方面考虑 答：a、两者都有光学元件并且其目的都是成像。而区别是光电成像系统中多了光电装换器。 b、灵敏度的限制，夜间无照明时人的视觉能力很差； 分辨力的限制，没有足够的视角和对比度就难以辨认； 时间上的限制，变化过去的影像无法存留在视觉上； 空间上的限制，隔开的空间人眼将无法观察； 光谱上的限制，人眼只对电磁波谱中很窄的可见光区感兴趣。 6．反映光电成像系统光电转换能力的参数有哪些？表达形式有哪些答：转换系数：输入物理量与输出物理量之间的依从关系。 在直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： 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式 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定距离内能够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。对于具有线性及时间、空间不变性成像条件的光电成像过程，完全可以用光学传递函数来 定量描述其成像特性。
第二章 6.影响光电成像系统分辨景物细节的主要因素有哪些？ 答：景物细节的辐射亮度（或单位面积的辐射强度）； 景物细节对光电成像系统接受孔径的张角； 景物细节与背景之间的辐射对比度。 第三章 13.根据物体的辐射发射率可见物体分为哪几种类型？ 答：根据辐射发射率的不同一般将辐射体分为三类： 黑体，=1； 灰体，<1,与波长无关； 选择体，<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： 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： 表明黑体在单位面积上单位时间内辐射的总能量与黑体温度T的四次方成正比。 维恩位移定律： 他表示当黑体的温度升高时，其光谱辐射的峰值波长向短波方向移动。 最大辐射定律： 一定温度下，黑体最大辐射出射度与温度的五次方成正比。 第五章
复习指南 注：答案差不多能在书上找到的都标注页数了，实在找不到的或者PPT上的才打在题后面了，用红色和题干区分。特此感为完善本文档所做出贡献的各位大哥。(页码标的是白廷柱、金伟其编著的光电成像原理与技术一书) 1.光电成像系统有哪几部分组成?试述光电成像对视见光谱域的延伸以及所受到的限制(长波限制和短波限制)。(辐射源，传输介质，光学成像系统，光电转换器件，信息处理装置。P2-4) 答:辐射源，传输介质，光学成像系统，光电转换器件，信息处理装置。 [1]电磁波的波动方程该方程电磁波传递图像信息物空间和像空间的定量关系，通过经典电磁场理论可以处理电磁波全部的成像问题 [2]收到的限制：当电磁波的波长增大时，所能获得的图像分辨力将显著降低。对波长超过毫米量级的电磁波而言，用有限孔径和焦距的成像系统所获得的图像分辨力将会很低。因此实际上己排除了波长较长的电磁波的成像作用。目前光电成像对光谱长波阔的延伸仅扩展到亚毫米波成像。除了衍射造成分辨力下降限制了将长波电磁波用于成像外，用于成像的电磁波也存在一个短波限。通常把这个短波限确定在X 射线(Roentgen 射线)与y 射线(Gamma 射线)波段。这是因为波长更短的辐射具有极强的穿透能力，所以，宇宙射线难以在普通条件下聚焦成像。 2.光电成像技术在哪些领域得到广泛的应用?光电成像技术突破了人眼的哪些限制?(P5) 答：[1]应用：(1)人眼的视觉特性(2)各种辐射源及目标、背景特性(3)大气光学特性对辐射传输的影响(4)成像光学系统(5)光辐射探测器及致冷器(6)信号的电子学处理(7)图像的显示 [2]突破了人眼的限制:(1)可以拓展人眼对不可见辐射的接受能力(2)可以拓展人眼对微弱光图像的探测能力(3)可以捕捉人眼无法分辨的细节( 4)可以将超快速现象存储下来 3.光电成像器件可分为哪两大类?各有什么特点?(P8)固体成像器件主要有哪两类?(P9，CCD CMOS) 答：[1]直视型：用于直接观察的仪器中，器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分，可直接显示输出图像，通常使用光电发射效应，也成像管.[2]电视型：于电视摄像和热成像系统中。器件本身的功能是完成将二维空间的可见光图像或辐射图像转换成一维时间的视频电信号使用光电发射效应或光电导效应，不直接显示图像. 电荷耦合器件，简称CCD；自扫描光电二极管阵列，简称SSPD，又称MOS图像传感器 4.什么是像管?由哪几部分组成?(P8第一段后部) 器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分，它的工作方式是：通过外光电效应将入射的辐射图像转换为电子图像，而后由电场或电磁场的聚焦加速作用进行能量增强以及通过二次发射作用进行电子倍增，经过增强的电子图像轰击荧光屏，激发荧光屏产生可见光图像。这样的器件通常称为像管。 基本结构包括有：光电发射体、电子光学系统、微通道板(电子倍增器件)、荧光屏以及保持高真空工作环境的管壳等。 5.像管的成像包括哪些物理过程?其相应的物理依据是什么?(P8第一段工作方式) （1）像管的成像过程包括3个过程 A、将接收的微弱的可见光图像或不可见的辐射图像转换成电子图 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
2014-2015 第一学期 光电成像技术 ——红外热成像技术的发展及其应用 院系电子工程学院光电子技术系 班级光信1104 姓名王凯 学号05113123 班内序号14 考核成绩
红外热成像技术的发展及其应用 摘要：用红外热成像技术，探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，我们称为红外热成像仪。 关键字：红外线，红外热成像技术，发展及其应用 一、引言 1800年英国的天文学家Mr.William Herschel 用分光棱镜将太阳光分解成从红色到紫色的单色光，依次测量不同颜色光的热效应。他发现，当水银温度计移到红色光边界以外，人眼看不见任何光线的黑暗区的时候，温度反而比红光区更高。反复试验证明，在红光外侧，确实存在一种人眼看不见的“热线”，后来称为“红外线”，也就是“红外辐射”。 二、红外热成像技术 我们人眼能够感受到的可见光波长为：0.38—0.78微米。通常我们将比0.78微米长的电磁波，称为红外线。自然界中，一切物体都会辐射红外线，因此利用探测器测定目标本身和背景之间的红外线差，可以得到不同的红外图像，称为热图像。同一目标的热图像和可见光图像是不同，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是目标表面温度分布图像，或者说，红外热图像是人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。 用红外热成像技术，探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，我们称为红外热成像仪。红外热成像仪大致分为致冷型和非致冷型两大类。 目前，世界上最先进的红外热像仪（热成像仪或红外热成像仪），其温度灵敏度可达0.03℃。 1、红外热像仪的工作原理 红外热像仪可将不可见的红外辐射转换成可见的图像。物体的红外辐射经过镜头聚焦到探测器上，探测器将产生电信号，电信号经过放大并数字化到热像仪的电子处理部分，再转换成我们能在显示器上看到的红外图像。
光电成像原理与技术考试要点 第一章： 1.试述光电成像技术对视见光谱域的延伸以及所受到的限制。 答:[1]电磁波的波动方程该方程电磁波传递图像信息物空间和像空间 的定量关系，通过经典电磁场理论可以处理电磁波全部的成像问题 [2]收到的限制：当电磁波的波长增大时，所能获得的图像分辨力将显著降低。 对波长超过毫米量级的电磁波而言，用有限孔径和焦距的成像系统所获得的 图像分辨力将会很低。因此实际上己排除了波长较长的电磁波的成像作用。 目前光电成像对光谱长波阔的延伸仅扩展到亚毫米波成像。除了衍射造成分辨力下降限制了将长波电磁波用于成像外，用于成像的电磁波也存在一个短波限。通常把这个短波限确定在X 射线(Roentgen 射线)与y 射线(Gamma 射线)波段。这是因为波长更短的辐射具有极强的穿透能力，所以，宇宙射线难以在普通条件下聚焦成像。 2. 光电成像技术在哪些领域得到广泛的应用？光电成像技术突破了人眼的哪些限制？ 答：[1]应用：(1)人眼的视觉特性(2)各种辐射源及目标、背景特性(3)大气光学特性对辐射传输的影响(4)成像光学系统(5)光辐射探测器及致冷器(6)信号的电子学处理(7)图像的显示 [2]突破了人眼的限制:(1)可以拓展人眼对不可见辐射的接受能力(2)可以拓展人眼对微弱光图像的探测能力(3)可以 捕捉人眼无法分辨的细节(4)可以将超快速现象存储下来 3. 光电成像器件可分为哪两大类？各有什么特点？ 答：[1]直视型：用于直接观察的仪器中，器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分，可直接显示输出图像，通常使用光电发射效应，也成像管.[2]电视型：于电视摄像和热成像系统中。器件本身的功能是完成将二维空间的可见光图像或辐射图像转换成一维时间的视频电信号使用光电发射效应或光电导效应，不直接显示图像. 4. 什么是变像管？什么是像增强器？试比较二者的异同。 答：[1]变像管：接收非可见辐射图像，如红外变像管等，特点是入射图像和出射图像的光谱不同。[2]像增强器：接收微弱可见光辐射图像，如带有微通道板的像增强器等，特点是入射图像极其微弱，经过器件内部电子图像能量增强后通过荧光屏输出人眼能够正常观看的光学图像。[3]异同、相同点：二者均属于直视型光电成像器件。不同点：主要是二者工作波段不同，变像管主要完成图像的电磁波谱转换，像增强器主要完成图像的亮度增强。 5. 反映光电成像系统光电转换能力的参数有哪些？ 答：[1]转换系数（增益）[2]光电灵敏度（响应度）－峰值波长，截止波长 6. 光电成像过程通常包括哪几种噪声？ 答：主要包括：(1)散粒噪声(2)产生一复合噪声(3)温度噪声(4)热噪声(5)低频噪声(1/f 噪声)(6)介质损耗噪声(7)电荷藕合器件(CCD)的转移噪声 第二章: 1. 人眼的视觉分为哪三种响应？明、暗适应各指什么？ 答：[1]三种响应：明视觉、暗视觉、中介视觉。人眼的明暗视觉适应分为明适应和暗适应[2]明适应：对视场亮度由暗突然到亮的适应,大约需要2~3 min[3]暗适应：对视场亮度由亮突然到暗的适应,暗适应通常需要45 min,充分暗适应则需要一个多小时。 2. 何为人眼的绝对视觉阈、阈值对比度和光谱灵敏度？ 答：[1]人眼的绝对视觉阈：在充分暗适应的状态下，全黑视场中，人眼感觉到的最小光刺激值。[2]阈值对比度：时间不限，使用双眼探测一个亮度大于背景亮度的圆盘，察觉概率为50%时，不同背景亮度下的对比度。[3]光谱灵敏度（光谱光视效率）：人眼对各种不同波长的辐射光有不同的灵敏度（响应）。 3. 试述人眼的分辨力的定义及其特点。 答：[1]定义：人眼能区分两发光点的最小角距离称为极限分辨角θ，其倒数为人眼分辨力。
光电测试考试资料整理 第一章： 1.试述光电成像技术对视见光谱域的延伸以及所受到的限制。 答:[1]电磁波的波动方程该方程电磁波传递图像信息物空间和像空间 的定量关系，通过经典电磁场理论可以处理电磁波全部的成像问题 [2]收到的限制：当电磁波的波长增大时，所能获得的图像分辨力将显著降低。 对波长超过毫米量级的电磁波而言，用有限孔径和焦距的成像系统所获得的 图像分辨力将会很低。因此实际上己排除了波长较长的电磁波的成像作用。 目前光电成像对光谱长波阔的延伸仅扩展到亚毫米波成像。除了衍射造成分辨力下降限制了将长波电磁波用于成像外，用于成像的电磁波也存在一个短波限。通常把这个短波限确定在X射线(Roentgen射线)与y射线(Gamma射线)波段。这是因为波长更短的辐射具有极强的穿透能力，所以，宇宙射线难以在普通条件下聚焦成像。 2.光电成像技术在哪些领域得到广泛的应用？光电成像技术突破了人眼的哪些限制？ 答：[1]应用：(1)人眼的视觉特性(2)各种辐射源及目标、背景特性(3)大气光学特性对辐射传输的影响(4)成像光学系统(5)光辐射探测器及致冷器(6)信号的电子学处理(7)图像的显示 [2]突破了人眼的限制:(1)可以拓展人眼对不可见辐射的接受能力(2)可以拓展人眼对微弱光图像的探测能力(3)可以捕捉人眼无法分辨的细节(4)可以将超快速现象存储下来 3.光电成像器件可分为哪两大类？各有什么特点？ 答：[1]直视型：用于直接观察的仪器中，器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分，可直接显示输出图像，通常使用光电发射效应，也成像管.[2]电视型：于电视摄像和热成像系统中。器件本身的功能是完成将二维空间的可见光图像或辐射图像转换成一维时间的视频电信号使用光电发射效应或光电导效应，不直接显示图像. 4.什么是变像管？什么是像增强器？试比较二者的异同。 答：[1]变像管：接收非可见辐射图像，如红外变像管等，特点是入射图像和出射图像的光谱不同。[2]像增强器：接收微弱可见光辐射图像，如带有微通道板的像增强器等，特点是入射图像极其微弱，经过器件内部电子图像能量增强后通过荧光屏输出人眼能够正常观看的光学图像。[3]异同、相同点：二者均属于直视型光电成像器件。不同点：主要是二者工作波段不同，变像管主要完成图像的电磁波谱转换，像增强器主要完成图像的亮度增强。 5.反映光电成像系统光电转换能力的参数有哪些？ 答：[1]转换系数（增益）[2]光电灵敏度（响应度）－峰值波长，截止波长 6.光电成像过程通常包括哪几种噪声？ 答：主要包括：(1)散粒噪声(2)产生一复合噪声(3)温度噪声(4)热噪声(5)低频噪声(1/f噪声)(6)介质损耗噪声(7)电荷藕合器件(CCD)的转移噪声 第二章: 1.人眼的视觉分为哪三种响应？明、暗适应各指什么？ 答：[1]三种响应：明视觉、暗视觉、中介视觉。人眼的明暗视觉适应分为明适应和暗适应[2]明适应：对视场亮度由暗突然到亮的适应,大约需要2~3min[3]暗适应：对视场亮度由亮突然到暗的适应,暗适应通常需要45min,充分暗适应则需要一个多小时。 2.何为人眼的绝对视觉阈、阈值对比度和光谱灵敏度？ 答：[1]人眼的绝对视觉阈：在充分暗适应的状态下，全黑视场中，人眼感觉到的最小光刺激值。[2]阈值对比度：时间不限，使用双眼探测一个亮度大于背景亮度的圆盘，察觉概率为50%时，不同背景亮度下的对比度。[3]光谱灵敏度（光谱光视效率）：人眼对各种不同波长的辐射光有不同的灵敏度（响应）。 3.试述人眼的分辨力的定义及其特点。 答：[1]定义：人眼能区分两发光点的最小角距离称为极限分辨角θ，其倒数为人眼分辨力。 [2]特点：眼睛的分辨力与很多因素有关,从内因分析,与眼睛的构造有关(此处不再讨论)。从外因分析,主要是决定于目标的亮度与对比度,但眼睛会随外界条件的不同,自动进行适应,因而可得到不同的极限分辨角。当背景亮度降低或对比度减小时,人眼的分辨力显著地降低。于中央凹处人眼的分辨力最高,故人眼在观察物体时,总是在不断地运动以促使各个被观察的物体依次地落在中央凹处,使被观察物体看得最清楚。 4.简述下列定义：(1)图像信噪比(2)图像对比度(3)图像探测方程 答:[1]图像信噪比:图像信号与噪声之比[2]图像对比度:指的是一幅图像中明暗区 域最亮的白和最暗的黑之间不同亮度层级的测量，即指一幅图像灰度反差的大小。 [3]当关系式成立时，表明图像可探测到，反之将不能探测。
1.简述： （1）CMOS器件和CCD器件的工作原理上有什么相同点和不同点； 答：CMOS图像传感器的光电转换原理与CCD基本相同，其光敏单元受到光照后产生光生电子。而信号的读出方法却与CCD不同，每个CMOS源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以被单独选址和读出，工作时仅需工作电压信号，而CCD读取信号需要多路外部驱动。 （2）在应用上各自有什么优缺点，以及各自的应用领域是什么 答：优缺点比较：CMOS与CCD图像传感器相比，具有功耗低、摄像系统尺寸小，可将图像处理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等优点，但其图像质量（特别是低亮度环境下）与系统灵活性与CCD的相比相对较低。灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电荷信号的能力，而CCD灵敏度较CMOS高30%～50%。电子-电压转换率表示每个信号电子转换为电压信号的大小，由于CMOS在像元中采用高增益低功耗互补放大器结构，其电压转换率略优于CCD。 运用的领域：CMOS传感器在低端成像系统中具有广泛运用，如数码相机，微型和超微型摄像机。CCD在工业生产中的应用广泛，如冶金部门中的各种管、线轧制过程中的尺寸测量。 （3）全球生产CMOS器件和CCD几件的企业有哪些分别位于哪些国家，并对先关企业进行简要描述。 2、简要概述《光电成像原理与技术》各章的主要内容，并用自己的语言陈述各章之间的联系（文字在1000字以上）。 答： 1.光电成像技术的产生及发展，光电成像对视见光谱域的延伸，光电成像技术的应用范畴，光电成像器件的分类，光电成像器件的特性。 2.] 3.人眼的视觉特性与图像探测：人眼的视觉特性与模型，图像探测理论与图像探测方程，目标的探测与识别。 4.辐射源与典型景物辐射：辐射度量及光度量，朗伯辐射体及其辐射特性，黑体辐射定律，辐射源及其特性。 5.辐射在大气中的传输：大气的构成，大气消光及大气窗口，大气吸收和散射的计算，大气消光对光电成像系统性能的影响。 6.直视型电真空成像器件成像物理：像管成像的物理过程，像管结构类型与性能参数，辐射图像的光电转换，电子图像的成像理论，电子图像的发光显示，光学图像的传像与电子图像的倍增。 7.直视型光电成像系统与特性分析：直视型光电成像系统的原理，夜视光电成像系统的主要部件及特性，直视型夜视成像系统的总体设计，夜视系统的作用距离。 8.电视型电真空成像器件成像物理：电视摄像的基本原理，摄像管的主要性能参数，摄像管的分类，热释电摄像管，电子枪简介。 9.固体成像器件成像原理及应用： CCD的物理基础与工作原理， CDD的结构与特性，CCD 成像原理，增强型（微光）电荷耦合成像器件，CCD的应用，CMOS成像器件及其应用。10.电视型光电成像系统与特性分析：电视系统的组成与工作原理，电视型微光成像系统（微光电视），成像光子计数探测系统。 11.红外热成像器件成像物理：红外探测器的分类，红外探测器的工作条件与性能参数，光电导型红外探测器，光伏型红外探测器，红外焦平面阵列探测器，非制冷红外焦平面陈列探测器，量子阱红外探测器。
1、光电效应应按部位不同分为内光电效应和外光电效应，内光电效应包括（光电导）和（光伏效应）。 2、真空光电器件是一种基于（外光电）效应的器件，它包括（光电管）和（光电倍增管）。 3、光电导器件是基于半导体材料的（光电导）效应制成的，最典型的光电导器件是（光敏电阻）。 4、硅光电二极管在反偏置条件下的工作模式为（光电导），在零偏置条件下的工作模式为（光伏模式）。 5、变象管是一种能把各种（不可见）辐射图像转换成为（可见）图像的真空光电成像器件。 6、固体成像器件电荷转移通道主要有两大类，一类是（SCCD），另一类是（BCCD）。 7、光电技术室（光子技术）和（电子技术）相结合而形成的一门技术。 8、场致发光有（直流）、（交流）和结型三种形态。 9、常用的光电阴极有（正电子亲合势光电阴极）和（负电子亲合势光电阴极），正电子亲和势材料光电阴极有哪些（Ag-O-Cs,单碱锑化物，多碱锑化物）。 10、根据衬底材料的不同，硅光电二极管可分为（2DU）型和（2CU）型两种。 11、像增强器是一种能把（微弱）增强到可以使人眼直接观察的真空光电成像器件，因此也称为（微光管）。 12、光导纤维简称光纤，光纤有（纤芯）、（包层）及（外套）组成。 13、光源按光波在时间，空间上的相位特征可分为（相干）和（非相干）光源。 14、光纤的色散有材料色散、（波导色散）和（多模色散）。 15、光纤面板按传像性能分为（普通OFP）、（变放大率的锥形OFP）和（传递倒像的扭像器）。 16、光纤的数值孔径表达式为（），它是光纤的一个基本参数、它反映了光纤的（集光）能力。 17、真空光电器件是基于（外光电）效应的光电探测器，他的结构特点是有一个（真空管），其他元件都置于（真空管）。 18、根据衬底材料的不同，硅光电电池可分为（2DR）型和（2CR）型两种。 19、根据衬底材料的不同，硅光点二、三级管可分为（3DU）型和（3CU）型两种。 20、为了从数量上描述人眼对各种波长辐射能的相对敏感度，引入视见函数V（f）, 视见函数有（明视见函数）和（暗视见函数）。 21、PMT有哪几部分组成？并说明店子光学系统的作用是什么？PMT的工作原理？ PMT主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。 电子光学系统的主要作用有两点: 1、使光电阴极发射的光电子尽可能全部汇聚到第一倍增极上，而将其他部分的杂散热电子散射掉，提高信噪比. 2 . PMT的工作原理 1．光子透过入射窗口入射在光电阴极K上 2．光电阴极K受光照激发，表面发射光电子 3．光电子被电子光学系统加速和聚焦后入射到第一倍增极D1上，将 发射出比入射电子数更多的二次电子。入射电子经N级倍增后， 光电子数就放大N次. 4．经过倍增后的二次电子由阳极P收集起来，形成阳极光电流I p，在负载R L上产生信号电压Ｕ0。 22、PMT的倍增极结构有几种形式？个有什么特点？ 鼠笼式,盒栅式，直线聚焦型，百叶窗式，近贴栅网式，微通道板式。 23、什么是二次电子？并说明二次电子发射过程的三个阶段是什么？光电子发射过程的三步骤？ 答：当具有足够动能的电子轰击倍增极材料时，倍增极表面将发射新的电子。称入射的电子为一次电子，从倍增极表面发射的电子为二次电子。 二次电子发射过程的三个阶段： 1) 材料吸收一次电子的能量，激发体内电子到高能态，这些受激电子称为内二次电子； 2) 内二次电子中初速指向表面的那一部分向表面运动，在运动中因散射而损失部分能量； 3) 到达界面的内二次电子中能量大于表面势垒的电子发射到真空中，成为二次电子。 24、简述Si-PIN光电二极管的结构特点，并说明Si-PIN管的频率特性为什么比普通光电二极管好？p69 25、简述常用像增强器的类型？并指出什么是第一、第二和第三代像增强器，第四代像增强器在在第三代基础上突破的两个技术室什么？p130 1). 级联式像增强器2) 第2代像增强器（微通道板像增强器）3).第3代像增强器4).第4代像增强器 26、什么是光电子技术?光电子技术以什么为特征？ 光电子技术是：光子技术与电子技术相结合而形成的一门技术。主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转
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？在光电成像系统性能评价方面通常从哪几方面考虑？ 答：a、两者都有光学元件并且其目的都是成像。而区别是光电成像系统中多了光电装换器。 b、灵敏度的限制，夜间无照明时人的视觉能力很差； 分辨力的限制，没有足够的视角和对比度就难以辨认； 时间上的限制，变化过去的影像无法存留在视觉上； 空间上的限制，隔开的空间人眼将无法观察； 光谱上的限制，人眼只对电磁波谱中很窄的可见光区感兴趣。 6．反映光电成像系统光电转换能力的参数有哪些？表达形式有哪些？ 答：转换系数：输入物理量与输出物理量之间的依从关系。 在直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G1， 光电灵敏度： 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式？ 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定距离内能够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。对于具有线性及时间、空间不
变性成像条件的光电成像过程，完全可以用光学传递函数来定量描述其成像特性。 第二章 6.影响光电成像系统分辨景物细节的主要因素有哪些？ 答：景物细节的辐射亮度（或单位面积的辐射强度）； 景物细节对光电成像系统接受孔径的张角； 景物细节与背景之间的辐射对比度。 第三章 13.根据物体的辐射发射率可见物体分为哪几种类型？ 答：根据辐射发射率的不同一般将辐射体分为三类： 黑体，=1； 灰体，<1,与波长无关； 选择体，<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： 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： 表明黑体在单位面积上单位时间内辐射的总能量与黑体温度T的四次方成正比。
1，设光敏二极管的光敏面积为1 mm×1 mm，若用它扫描500 mm×400 mm的图像，问所获得的图像水平分辨率最高能达到多少？ 答：水平分辨率最高可以达到500 mm/1 mm=500。 2，上题中光敏二极管在水平方向（沿图像500 mm方向）正程运动的速度为5 m/s，逆程运动的速度达50 m/s，垂直方向正程运动的速度应为多少？扫描一场图像的时间需要多少？ 答：水平扫描周期应为垂直方向行进到下一行的时间，因此垂直方向正程速度为：。扫描一场图像需时间为：。 3，上述扫描出来的图像怎样显示出来？能直接用什么制式的电视监视器显示？为什么？若想看到用线阵CCD扫描出来的图像，应采用怎样的措施？ 4，比较逐行扫描与隔行扫描的优缺点，说明为什么20世纪的电视制式要采用隔行扫描方式？我国的PAL电视制式是怎样规定的？答：逐行扫描闪烁感低，扫描方式和控制扫描的驱动设计也要简单，隔行扫描对行扫描频率的要求只是逐行扫描的一半，对信号传输带宽要求也小。20世纪的显示器行扫描频率达不到逐行扫描的行频要求，因此用隔行扫描技术。PAL制式规定场周期为20 ms，其中场正程时间为18.4 ms，场逆程时间为1.6 ms，行频为15625 Hz，行周期为64μs，行正程时间为52 μs，行逆程时间为12 μs。 5，现有一台线阵CCD图像传感器（如ILX521）为256像元，如果配用PAL电视制式的显示器显示他所扫描出来的图像需要采用怎样的技术与之配合？ 6，如何理解“环保的绿色电视”？100 Hz场频技术是基于怎样的基础？ 答：100 Hz扫描技术就是利用数字式场频转换技术，它把PAL制的50 Hz场频的信号，通过数字式存储器DARM，采用“慢存快取”的方法，即读出的时钟频率是存入时钟频率的2倍，实现信号场频率的倍频转换，使场扫描数倍增，从而成为场频为100 Hz的视频信号。 7，图像传感器的基本技术参数有哪些？他们对成像质量分别有怎样的影响？ 答：1，成像物镜的焦距f’，决定了被摄劲舞在光电成像器件上成像的大小；2，相对孔径D/f’，决定了物镜的分辨率、像面照度和成像物镜的成像质量；3，视场角2ω，决定了能在光电图像传感器上成像良好的空间范围。
光电成像原理论文 院系：物理学系 专业：光信息科学与技术 姓名：王世明 学号：2007113143
嵌入式光电成像系统及高分辨率的实现 王世明 (西北大学2007级陕西西安 710069) 摘要：自上世纪初人类揭示光电效应的本质以来，光电成像技术一直是成像领域的热点技术，并得到了迅速的发展。目前，光电成像技术已广泛应用于国防、航天、生物科学、化工检测、工业监控乃至日常消费等领域。本论文分析了目前光电成像系统结构和性能上的优势和不足，从提高系统移动性和集成度、突破传输受限和增强系统实时处理和分析三个方面出发，设计了一套新型的光电成像系统，并详细分析了这套系统的整体构造、软硬件设计和实现形式、调试技术和实验结果。 嵌入式技术的引入，可以大大减小光电成像系统的体积，降低功耗，提高便携性，从而扩展光电成像技术的应用领域。本论文将该系统应用于图像采集，得到了理想的实验结果。论文最后，总结了设计过程中所做的工作和创新点，同时对于系统的进一步完善和开发进行了展望。本文主要介绍了光电成像原理的发展过程及其在实际生活中的运用，为我们介绍了具体的应用及未来的发展前景。 实现成像系统的超高分辨是光电探测领域中探索和追求的重要目标。 对提高天文观测、空间侦察和资源探铡的信息容量及精度具有重要意义。 归纳总结了近年来国内外从光学系统结构、光电探测器及软件重建等方面对提高系统分辨能力所进行的部分研究和进展．结合本实验室在这一领城开展的研究，时其中的一些理论及工程方法探索进行了阐述和分析，旨在为进一步实现超高分辨光电成像系统的研究提供建设性参考意见。 关键词：光电成像、嵌入式系统、ADS调试、图像采集 一．光电成像系统的发展 现代人类是生活在信息时代，获取图像信息是人类文明生存和发展的基本需要，据统计，在人类接受的信息中，视觉信息占到了60％。但是由于视觉性能的限制，通过直接观察所获得的图像信息是有限的。首先是灵敏度的限制，在照明不足的情况下人的视觉能力很差；其次是分辨力的限制；还有时间上的限制，已变化过的景象无法留在视觉上。总之，人的直观视觉只能有条件地提供图像信息。在很久以前，人们就已经开始为开拓自身的视觉能力而探索，望远镜、显微镜、胶片照相机等的应用，为人类观察和保留事物景象提供了方便。直到上世纪20年代，爱因斯坦完善了光与物质内部电子能态相互作用的量子理论，人类从此揭开了内光电效应的本质。同时，随着半导体理论发展和随之研制出来的各种光电器件，内光电效应得到了广泛的应用。而在外光电效应领域，1929年科勒制成了第一个实用的光电发射体一银氧铯光阴极，随后成功研制了红外变像管，实现了将不可见的红外图像转换为可见光图像。随之而来的是紫外变像管和X射线变像管，人类的视觉光谱范围获得了很大的扩展。上世纪30年代，人类又开始为扩展视界而致力于电视技术的研究。以弗兰兹沃思开发的光电析像器为起端，伴随而来的是众多摄像器件的诞生，超正析像管、分流摄像管、视像管、热释电摄像管等。1976年，美国贝尔实验室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象，利用
光电成像原理与技术总复习 一、重要术语 光电成像技术、像管、变像管、像增强器、摄像管（器）、明适（响） 应、暗适（响）应、人眼的绝对视觉阈、人眼的阈值对比度、人眼的光 谱灵敏度（光谱光视效率）、人眼的分辨率、图像的信噪比、凝视、凝 视中心、瞥见时间、瞥见孔径、辐射度量、辐射功率、辐射强度、辐亮 度、辐照度、辐射出照度、光度量、光能、光能密度、光通量、光亮 度、光出射度，照度，发光强度，光亮度；坎（凯）德拉、流明、勒克 司、视见函数、朗伯辐射体、气溶胶粒子、云、雾、霾、霭、大气消 光、大气散射、大气吸收、大气能见度（能见距离）、大气透明度、电 子透镜、光电子图像、亮度增益、等效背景照度、畸变、像管分辨力 （率）、正（负）电子亲（素）和势、负电子亲和势、光电发射的极 限、电流密度、MCP的饱和电流密度、荧光、磷光、表面态、微光夜视仪、照明系统的光强分布、成像系统的极限分辨力、选通技术、靶、惰 性（上升惰性、衰减惰性）、摄像管的分辨力、动态范围、靶网、居里 温度、热释电靶的单畴化、CCD的开启电压、CCD的转移效率、界面 态“胖0”工作模式、光注入、电注入。 二、几个重要的效应 1.光电转换效应（内/外） 2.热释电能转换效率（应） 3.三环效应 4.MCP的电阻效应/充电效应 三、几个重要定律 1.朗伯余弦 2.基尔霍夫 3.黑体辐射（共4个） 4.波盖尔
5.斯托列托夫 6.爱因斯坦 四、重要结构及其工作原理、特点 1.直视型光电成像器件的基本结构、工作原理 2.非直视型（电视型）光电成像器件的基本结构、工作原理 3.人眼的结构及其图像形成过程 4.大气层的基本构成、结构特点 5.像管的结构及其成像的物理过程 6.光阴极实现辐射图像光电转换的物理过程（光电发射过程） 7.电子光学系统的基本结构及其成像过程 8.荧光屏的结构及其发光过程 9.光谱纤维面板的结构及其成像原理 10.微通道板（MCP的结构及其电子图像的倍增原理） 11.主动红外成像系统结构及其成像过程 12.夜视成像系统结构及其成像过程 13.摄像管的结构及其工作原理 14.光电导摄像管的结构及其工作原理 15.热释电摄像管的结构及其工作原理 16.电子枪的结构及其工作原理 17.MOS电容器的结构及其电荷存储原理、 https://www.doczj.com/doc/cf4654800.html,D的结构及其电荷传输原理 19.埋沟CCD（BCCD）的结构及其工作原理
目录 光电成像器件的原理及组成 (1) 像管 (1) 摄像管 (2) 固体成像器件 (3) 光电成像器件的应用 (4) 光电成像器件的最新发展方向 (4)
光电成像器件的原理及组成 光电成像器件从成像原理上，可分为扫描型与非扫描性两类；从人的观察应用上，又可分为直视型和非直视型两类；按工作原理分，又可分为像管，摄像管和固体成像器件。 像管各种类型的变像管、像增强器的电子照相管的总称。它将可见或非可见的辐射图像转换或增强为可直接观察或记录的图像。其工作原理是将投射在光电阴极上的辐射图像转换为电子图像，电子光学系统将此图像尽可能真实地转移到荧光屏上产生一个增强的光学图像（如变像管和像增强器）或记录在对高速电子敏感的胶片上（如电子照相管）。 变像管一种把非可见（红外或紫外）辐射图像转换成可见光图像的器件。图1a[变像管] 变像管，它通常用于主动红外夜视中。图1b[变像管] 为一种用于高速摄影的变像管。 像增强器一种将微弱的光学图像增强为高亮度的可见光图像的器件。它广泛用于微光夜视中。其光敏面通常采用钠钾铯锑多碱光电阴极。获得高亮度增益的方式有级联和使用电子倍增器两种。
实现级联的方式也有两种：一种是在同一管壳内用薄的云母片作为支撑体，其两侧分别制作光电阴极和荧光屏,形成夹心倍增屏结构,以实现各级像管之间的耦合。磁聚焦像增强器大都采用这种方式。另一种是采用纤维光学面板将单个静电聚焦型像增强管耦合在一起，如纤维光学耦合三级级联像增强器，它通常称为第一代像增强器，如图2[ 纤维光学耦合三级级联像增强器] 所示。25/25毫米第一代像增强器的典型性能是：放大率=0.85，分辨率28 线对/毫米，亮度增益5×10，等效背景照度2×10勒克斯。 在管内获得电子倍增的一条途径是在单级像增强管中插入电子倍增器，曾用过氯化钾薄膜，目前均使用微通道板电子倍增器,微通道板(MCP)是由数以百万计的微型通道电子倍增器的通道紧密排列而成的二维阵列器件。光电子进入通道后，由于多次倍增过程，使电子急剧增多,在输出端可获得10～10的电子增益。目前，微通道板的典型性能是：通道直径10～12微米,通道中心距15微米，长径 比50,厚0.6毫米，加1 000伏电压，电子增益为10。 带有微通道板的像增强器通常称为第二代像增强器。其突出优点是体积小、重量轻、增益可调、本身具有防强光作用,但噪声较大。它有二种形式：一是薄 片管,它把微通道板平行安置在靠得很近的光电阴极与荧光屏之间，从而形成双 近贴像增强器；另一是倒像管，它类似通常单级像增强管，但在荧光屏前置一微通道板。第二代倒像管的性能与第一代相接近。 如果在第二代薄片管中，光电阴极采用负电子亲和势发射材料，便构成所谓第三代像增强器。这种光电阴极通常是III,V族化合物P型半导体单晶，由液相外延或汽相外延生成，然后在超高真空中清洁表面并用铯氧进行处理，使其真空能级位于半导体导带底之下，从而形成负电子亲和势。它的突出优点是灵敏度高、光谱响应向长波阈延伸、光电子的能量分布集中和暗发射小。目前第三代像增强器的典型水平为：灵敏度（透射式GaAs光电阴极）950微安／流明，分辨率30线对／毫米。 电子照相管一种用胶片直接记录电子图像的器件。它一般采用匀强磁场聚焦，电子束加速电压为15～40千伏，用对高速电子敏感的底片记录。其突出优点是图像无畸变、分辨率高（可达200线对／毫米）、动态范围大、灰雾和暗背景小，很适合于观测记录微弱天体，目前已在许多天文台中使用。 摄像管利用电子束对靶面扫描，把其上与光学图像相应的电荷潜像转换成一定形式的视频信号的器件的总称。它通常在两种场合下工作:照度在200勒克 斯以上（如广播与工业电视）和照度在10勒克斯以下（如微光电视）。 摄像管通常由移像段（或不用移像段）、靶与扫描段所组成。其工作原理可归纳如下。①图像的记录，移像段（其原理与像管相同）将光电阴极上的光电子
《光电成像原理与技术》学习指南 图像是人类获取信息的最主要途径，据相关统计，人类所获取的信息80％以上来自于人眼，即来自于图像。光电成像原理与技术即为介绍迄今为止人类为扩展自身的视野和获取更多的信息所进行的努力和掌握的技术的课程。 本课程系统地介绍了光电成像技术发展的历史沿革和现状，讲述了人眼的视觉特性与图像探测的规律和目标景物特性及大气传输特性对光电成像过程的影响，系统、全面地介绍了微光夜视技术，电视摄像技术和红外热成像技术，内容包括各种光电成像器件的工作机理、结构及以这些器件为核心的典型光电成像系统。 本门课程特点是，理论知识涉及面广（物理学、电子学、工程光学），工程性知识点多（人眼的特性、自然的辐射环境与辐射源、大气对辐射传输的影响、光机结构等），知识点和技能点较学科基础课程系统性差。因此，要学好光电成像原理与技术这门课程，应该注意两条脉络： 1、光电转换技术、信号增强技术和发光显示技术，注意光电成像器件与系统是怎样完成“光-电-光”的转换的（这里需要有关半导体物理、电磁场理论等方面的知识）。其中的前提是，从人眼观察物体及对物体的分辨角度上讲，图像就是一个亮度（灰度）分布的点阵！因此，不管是直视型的光电成像还是电视型的光电成像，都是在研究解决在“光-电-光”转换的过程中和问题上如何保持构成原物体的这些点的空间分布。前述问题清楚了，后面就是搞清楚直视型光电成像器件上与电视型光电成像器件上二者的异同在哪里？进而不同的电视型光电成像器件在解决上述问题的异同又是在哪里？这些问题清楚了，解决了，那你对光电成像器件的认识就达成了。 涉及上述内容的章节为第五章、第七章、第八章和第十章。 2、从光电成像器件到光电成像系统的问题。因为光线从目标物到达人眼，需要通过目标所处的环境提供照明，需要透过大气到达光电成像系统的光学透镜表面，又要通过光学系统形成图像在光电成像器件的光电转换面上，然后通过光电成像器件及系统完成“光-电-光”的转换后，呈现在人眼面前，于是我们看到了距离遥远（电视）的图像，看到了很弱光线下（夜晚等）的图像（像增强器、微光夜视），看到了人眼无法直接看到（X射线、紫外、近红外、短波红外、中长波红外等）的图像，于是我们人类就可以由此获得很多通过人眼自身而不能直接得到的各种信息。 涉及上述内容的章节为第二章、第三章、第四章、第六章、第九章和第十一章。 总之，作为一门反映近代物理学优秀成果的光电成像技术，需要我们有一定的前期知识基础，如应用光学、物理光学、半导体物理学、辐射度与光度学知识等，希望学习者能够具备这些知识。 从学习方法上讲，学习者首先应该学会从系统到器件、从整体到局部地将知识统和起来－“树叶再多也是通过树枝长在树上的”。其次要学会抓住主要矛盾，建立工程和系统的意识－如何成像才是关键！再次，要善于温故知新，在具体的系统与器件中认识已知的科学道理，善于归纳总结，在对比中发现原理、技术手段中的共性和不同。最后，还希望学习者经常关注我们身边的光电成像技术，了解行业发展及动态，因为光电技术的发展日新月异，因此光电成像技术的发展也会推陈出新，不断把更精彩的物质世界展现在人类的面前！ 祝学习者学有所成，造福人类。
光电成像器件 利用光电效应将可见或非可见的辐射图像转换或增强为可观察、记录、传输、存储以及可进行处理的图像的器件系列的总称。其目的在于弥补人眼在灵敏度、响应波段、细节的视见能力以及空间和时间上的局限等方面的不足。最早的一种光电成像器件──光电析像管出现于1931年。目前，各种类型的光电成像器件已广泛应用于天文学、空间科学、X 射线放射学、夜间观察、高速摄影以及科学实验中。 按工作原理，光电成像器件可分为像管、摄像管和固体成像器件。 1、像管 各种类型的变像管、像增强器的电子照相管的总称。它将可见或非可见的辐射图像转换或增强为可直接观察或记录的图像。其工作原理是将投射在光电阴极上的辐射图像转换为电子图像，电子光学系统将此图像尽可能真实地转移到荧光屏上产生一个增强的光学图像（如变像管和像增强器）或记录在对高速电子敏感的胶片上（如电子照相管）。 a、变像管 一种把非可见（红外或紫外）辐射图像转换成可见光图像的器件。图1a[变像管]示出了利用银氧铯光电阴极的红外变像管，它通常用于主动红外夜视中。图1b[变像管]为一种用于高速摄影的变像管。 图1 变像管
b、像增强器 一种将微弱的光学图像增强为高亮度的可见光图像的器件。它广泛用于微光夜视中。其光敏面通常采用钠钾铯锑多碱光电阴极。获得高亮度增益的方式有级联和使用电子倍增器两种。 实现级联的方式也有两种：一种是在同一管壳内用薄的云母片作为支撑体，其两侧分别制作光电阴极和荧光屏,形成夹心倍增屏结构,以实现各级像管之间的耦合。磁聚焦像增强器大都采用这种方式。另一种是采用纤维光学面板将单个静电聚焦型像增强管耦合在一起，如纤维光学耦合三级级联像增强器，它通常称为第一代像增强器，如图2[ 纤维光 学耦合三级级联像增强器]所示。25/25毫米第一代像增强器的典型性能是：放大率 =0.85，分辨率 28线对/毫米，亮度增益5×10，等效背景照度2×10勒克斯。 图2 纤维光学耦合三级级联像增强器 在管内获得电子倍增的一条途径是在单级像增强管中插入电子倍增器，曾用过氯化钾薄膜，目前均使用微通道板电子倍增器,微通道板(MCP)是由数以百万计的微型通道电子倍增器的通道紧密排列而成的二维阵列器件。光电子进入通道后，由于多次倍增过程，使电子急剧增多,在输出端可获得10～10的电子增益,如图3a[微通道板电子倍增器]所示。图3b[微通道板电子倍增器]是微通道板二维阵列示意图。目前，微通道板的典型性能是：通道直径10～12微米,通道中心