光電成像原理及技術課后題答案(北理工)

1、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 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 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(zhuǎn)換能力的參數(shù)有哪些？表達形式有哪些？答：轉(zhuǎn)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

2、鍍增益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。第二章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G，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

3、發(fā)射率的不同一般將輻射體分為三類：黑體，錯誤！未找到引用源。=1=1；灰體，錯誤！未找到引用源。1,1,與波長無關；選擇體，錯誤！未找到引用源。11 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：錯誤！未找到引用源。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-波爾滋蔓公式：錯誤！未找到引用源。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 T 的四次方成正比。維恩位移定律：錯誤！未找到引用源。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。最大輻射定律：錯誤！未找到引用源。一定溫度下，黑體最大輻射出射度與溫

4、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)(1)像管的成像過程包括 3 3 個過程A A、將接收的微弱的可見光圖像或不可見的輻射圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像B B、使電子圖像聚焦成像并獲得能量增強或數(shù)量倍增C C、將獲得增強后的電子圖像轉(zhuǎn)換成可見的光學圖像(2)(2)A A 過程：外廣電效應、斯托列夫定律和愛因斯坦定律B 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C 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(zhuǎn)換成光能來顯示光學圖像2、像管是怎么分代的？各代的

5、技術改進特點是什么？(1)(1) A A、零代微光像增強器技術B B、一代級聯(lián)式像增強器技術C C、采用微通道板(MCP)MCP)的二代像增強器D D、采用負電子親和勢光陰極的三代像增強器E E、超二代像增強器F F、超三代像增強器G G、第四代像增強器(2)(2)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 MCPMCP 來實現(xiàn)光電子圖像倍增。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 MCPMCP 也提

6、出了更高的性能要求。二代采用的是表面具有正電子親和勢的多晶薄膜結(jié)構(gòu)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)(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

7、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)(2)見 P159P160P159P16018、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)(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)(2)短透鏡的焦距公式的推導見書 P179P180(P179P180(包括像方焦距和物方焦距)成像性質(zhì)：透鏡作用區(qū)域較之透鏡到物、像距離

8、小得多，比焦距小得多，物、像、 焦距均在場外。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( (z z 脖能鏡是會聚的(f f 為正)， 小)q)1r33Xi”3%因CCD乜板有一塞長度，電苻轉(zhuǎn)移需要一定時網(wǎng),加之CCD存在界茹思，做工作我率有上悵，對于苗看：展科移所需時珂為如時鐘周期TCP)為T,對于三相CCD需使士T1133啟人z3tr對于后者：要求界面忐惇獲我就子的時f1同屋小于T/3,即；人2CA.*9、面陣CCDW幾種工作模式？各有什么優(yōu)缺點？解：常見面陣 CCDCCD 攝像器件有兩種結(jié)構(gòu)：行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)(LT-CCD(LT-CCD 和幀/場轉(zhuǎn)

9、移結(jié)構(gòu)(FT-CCD)(FT-CCD)兩種面陣CCD的比較： 分辨力：水平方白：ILT右；垂直方向：逐行新描一樣，隔行掃拈比丁口 響應度f靈敏度J，F(xiàn)T光敏面大， 木平方向?qū)捵?LT,遂行掃描時FT靈敏度高，隔行右描時：FT積分時河為一場，ILT積分對網(wǎng)為一禎，故忌的響應度一致口 噪聲：FT光敏而大故?聲大 施影，1LT括號次數(shù)小，拖影小 應用iFT還可以通過喊霹，賣第普照攝影，在低照度柢像領成鼓將廣運應用1010、什么是增強型 CCDCCD 增弓 S S 型 CCDtCCDt 哪些耦合類型或工作方式？答：像增強器與 CCDSCCDS 合在一起，構(gòu)成圖像增強型 CCD(ICCDCCD(ICCD

10、) )增強型 CCDtCCDt 兩種耦合方式：光學耦合方式和光纖耦合方式。P36612.簡述CMO零件的成像原理，比較CMO器件與CC嘴件在工作原理上的異同，各有什么公優(yōu)缺點？輸出放大奉的輸出信號由A/D熊恭器SL打轉(zhuǎn)泰，輕覆處覆電由處理后通述蓑口電路輸出。CMOSCMOS 圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換原理與 CCDCCD 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 CCDCCD 不同，每個 CMOSCMOS 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 CCDCCD 讀取信號需要多路外部驅(qū)動。優(yōu)缺點比較：CMOSCMOS 與 CCDC

11、CD 圖像傳感器相比，具有功耗低、攝像系統(tǒng)尺寸小，可將圖像處理電路與 MOSMOS 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 CCDCCD 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 CCDCCD 靈敏度較 CMOSCMOS 高 30%30%50%=50%=電子-電壓轉(zhuǎn)換率表示每個信號電子轉(zhuǎn)換為電壓信號的大小，由于 CMOSCMOS 在像元中采用高增益低功耗互補放大器結(jié)構(gòu)，其電壓轉(zhuǎn)換率略優(yōu)于基本原理：具型的CMOS成俅最件由無敏無陣列和精助電電構(gòu)成。 無敵克陣#h竟應光電材條妁功能口端助電從I龕成星油信號的產(chǎn)生， 光電布號

12、蛤定理,輸出等任毒口 *牛光敏元壽由其LV方句上的此址，5分刈由西個才句的孫址寺嗎及進行選券； 左列先斂元年對應一個知效丈及，利及文工的帶出布號辦到與X才旬她址譯馬控制的曩拉$盛開關相比.實標工作時，CMOS律虜聚成Y方向地址書碼器會制下，楸火接通舍行先牧無的揍擬開關，猾號通過的開關送史列端上，通itx才向地址申碣庫的龍制，特選出政丈器。*Mtog( (xMpUiADCnpvlCCDtCCDt 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，在可比較的環(huán)境下， CCDCCD 的動態(tài)范圍約比 CMOSCMOS 的高兩倍。 CMOSCMOS 圖像傳感器的響應均勻性較 CCDCCD 有較大的

13、差距。標準 CMOSCMOS 具有較高的暗電流（1 1nA/cmnA/cm2 2, ,最低 100100pA/cmpA/cm2 2）, ,而精心制作的 CCCCD D的暗電流密度為 2 21010pA/cmpA/cm2。由于大部分相機電路可與 COMSCOMS 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-YX-Y 尋址方式，CMOSCMOS 工作速度優(yōu)于 CCQCCQCMOS與CCD圖像傳感器的性能比較CMOS圖像傳感器圖像傳感器CCD晤電流晤電流* *pA/m2)10-10010靈敏度靈敏度低低高高噪聲電子數(shù)噪聲電子數(shù)W20050FPN(%)可在茂軟

14、電路中校正可在茂軟電路中校正1DRNUC%)x;yr可以看落景物細節(jié)J短焦距鏡頭：長K,yr用于環(huán)境照明差，但拍攝場面大的場合）中黑跖鏡頭：f與成像尺寸相當變黑鏡頭：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：后甑距S：物鏡條線景后一面與成像面的距肉。通常情況下，因像故人率 mvv，因此像距近花（等于焦跑F,故板像管的靶面就放在物鏡的后黑,面附近白接照鬲斯公代，可知，當物距a城小時，像痘b應線增大4若物跑2大小，則成像面無法境到身面上，因此電觀圾像物錢都規(guī)定一個鍛小物踞-最近攝像蹈雷。高斯公式：11_1。bfP4752、紅外探測器要求哪些工作條件？為什么？答：1 1）工作條件：入射輻

15、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 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SPRIT解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 1）優(yōu)點：SPRIIE(SianaIProcessinginTheE

16、1umeni(cnpaM)琛琛: :用器用器屬于光電導效應型探測器屬于光電導效應型探測器， 但由于這種探測但由于這種探測器利用了紅外圖像歸描速度與光生莪流于雙板運動速度相等的原理器利用了紅外圖像歸描速度與光生莪流于雙板運動速度相等的原理. .實現(xiàn)了在器件內(nèi)部進行信號探測實現(xiàn)了在器件內(nèi)部進行信號探測, ,時間延時間延遲和積分的三種功能遲和積分的三種功能，大大筒化了焦乎面外的電子線路大大筒化了焦乎面外的電子線路, ,從而使探濯器尺寸從而使探濯器尺寸、重量重量、成本成本顯箸下降顯箸下降. .并并提高了工提高了工作可靠性作可靠性. .依據(jù)其原理，也稱之為依據(jù)其原理，也稱之為七三職七三職里茶用基里茶用基

17、.是是80年代年代2)2)原理:一作我理反轉(zhuǎn)物-打出就應*f卜光胭闈到前居加有同支電區(qū)的Ni!中導缽匕:U忌彳籽府內(nèi)L電金.祈放市物的安I壯心從克他吊出寸甯小兒*D布#為雙叔#教布虱fcltO|S 襦日先由于電場E作用。一口與p不斗速用心 若A=Pr*=0時無該為定枷若P1則四叩甲。二%卜即邛的走避漁弧 保轉(zhuǎn)%中:京/優(yōu)a同一才由遠新 因為番木中街生版孑存福.電中空唯心標L卿業(yè)供功不堂47生計加電趴電恥反優(yōu)使力張I北和的電揚口5千r電土)的淳日走史降儲而揖區(qū)有德電孑走友不配導出福電手丈及中松右磁.塔缸1加于的右球 原體七現(xiàn)出加p#Mf-而工廠后於也比可以也比可以* *也也P分布的分布的 動收限

18、良利應可動收限良利應可: :為為“黎出黎出UAn長丙.屯我二-帆+Q+D科T斯即i3iApih 延木由于掃出效應的存在，當光照射樣品時，光信號會自動轉(zhuǎn)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 n.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，.L若大于樣品長度*則在T時間內(nèi)Ap將移出體外，反之，將只有部分能移出體外，在SPRITE探測L=器中，兒=上為全部掃出條件，可推知此時SPRITE探測器兩端所加電壓為心為臨界掃出電壓3 3）推導響應度公式：設N型光電導體， 其摻雜濃度遠大于

19、背景輻射產(chǎn)生的載流子濃度.非平衡我流子壽命遠大于雙極漂移時間， 雙板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濯器，且沿長度方向自向右連續(xù)掃描時，設器件的尺寸為 w*ww*w, ,讀出長度 lW,llLl.在足夠強的外加電場 E E 作用下，可略去非平衡載流子擴散的影響，則光生載流子穩(wěn)態(tài)下的連續(xù)方程可寫為：d4P_乙pQdxuEirpp解之，得：Ap=J點叫+-2-f而威*躥J一上時qI=g*4刃+Q優(yōu)%改+E；A AP PI I-=-=0 0，=4=4+ +E E(2(2工Lp=Qi-八如果偏壓足幡大，非平衡少子將全部或大部分掃出之若電場場強過小，非平衡少子漂移長度小于器件長度，則

20、光生少子將在體內(nèi)更合設一稽定的紅外輻射入射到SPRITE探測器的小處，若忽略陷阱效應及表面品合，并在強電場作用下忽略非平衡載流子的擴散，則沿探利器長度方向x處的光生載流子的穩(wěn)態(tài)方程可寫成；式中幾為空穴的率引長度*條華。+畤5JCX=L=求斛微分方程得到光飛照射俅元上.佶號所產(chǎn)生的昨平南我洗孑夜艮里著掃描位置的變化關條。當扣有俅元到達就出區(qū)時，Hpx=L.交公式，其中t為先生戲遜子在褰件中的波越時間at=L!pt/近而求得先生我流子的光電流強度，和開路電壓口AZAZ= =w wI Ihjdz=w尸(1+b)EwdQr r1-ero o AZ=AZ/?AZ=AZ/?；=AZ=AZ-融(1(1+ +

21、8)g8)g”,wd,wdi(_L二一T1 1忌r式中，n n 為讀出區(qū)的載流子濃度。線響應友彳妾定義可寫成：當反射損失彳艮小，且adl時,可Ed-7Ed-74 4）提高響應度的途徑:增大E會增大焦耳熱，從而增大熱噪吉電流，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口可采用制冷技術，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 1）工作機理：光伏探測器：其基本部分是一個P-N結(jié)光電二極管,波長比材料的截止波長短的紅外靄射.枝光電二極管吸

22、收后將產(chǎn)生電子一空穴對口加果吸收是發(fā)生在空間電荷區(qū)（結(jié)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(jié)的擴散長度區(qū)內(nèi).光生截流于必定會苜先獷散到空間電荷區(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(jié)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.且有通路電流流動（反向）.2 2）特點：1 1、光伏探測器響應速度快，有利于進行高速探測；其器件結(jié)構(gòu)有利于排成二維陣列；探測率高。送照光伏效應的理左，送照光伏效應的理左，當當V表示先生取電動表示先生取電動勢時，勢時，M是

23、是. .瞧瞧下下. .P-N結(jié)的野室用度從原來的結(jié)的野室用度從原來的由。由。變?yōu)榘鬃優(yōu)榘祝╒o-VJ,結(jié)巴附結(jié)巴附此此N區(qū)中小于區(qū)中小于濃度濃度般程的般程的煙煙梟梟為一為一雷雷先照射到先照射到P-N結(jié)結(jié)X時工時工 z z 在在3液度為液度為P這些多余的這些多余的分子，分子，面不斷向面不斷向體體內(nèi)內(nèi)ir版版, ,衣務衣務區(qū)引區(qū)引起的專起的專我也諼我也諼甯度甯度為為Jp.自理自理可雪比可雪比結(jié)區(qū)的也于電流畬度結(jié)區(qū)的也于電流畬度電過電過PN結(jié)的總的羌生電進結(jié)的總的羌生電進密度可分密度可分為電為電子子*,*,史夫史夫電電流流卷度的也可再成畬反向跑和卷度的也可再成畬反向跑和電流電流器度的表達式選國器度的

24、表達式選國可褂光也可褂光也電壓電壓韋弗羌照射時.由于先生電遺塞度反向伯為電流密度,尢生電小可笥寫為Pae 印-H1，F(xiàn)=?O+AP=A9 可kTJ2 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 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，能使器件工作于任何特性工作點，可用電容將探測器耦合到放大器上。在高頻使用時常用反偏以減小耗盡區(qū)電容

25、和相應的時間常數(shù) Rl*CjRl*Cj3 3）材料： HgCdJe光伏探測器材料響應速度高，用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10.611mCO,激光外差探測。 PbSnTe光伏探測器8功叫 InAs和工nSb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 1）片公式，其中0附產(chǎn)為探測器結(jié)面功與增量電阻乘犯的率方艱值，是到新光伏器件性能優(yōu)方的重要判據(jù),書孫為光伏株蕊的優(yōu)魚口11.紅外焦平面陣列有哪些各有什么特點？單片式 IR-CCDIR-CCD2

26、2）探測率公式：與優(yōu)值成正比單片式又稱整體式，可分為兩種情況CCD本身就對紅外敏感，故探測.轉(zhuǎn)移功能于一體O紅外探測器與CCD作在同一氽底上， 基底通常為Si,而探測器部分常用非本征材料，基本結(jié)構(gòu)為金屬絕緣物半導體。混合式 IR-CCDIR-CCD根本特或：把探測器和CCD黎位寄存器分開，CCD仍用普通珪制良，工藝粕對成熟，而對幾個重要的紅外流段，都已經(jīng)發(fā)艮了性能優(yōu)良的本征紅外探測器。因此，將兩者擲合起來組成混合焦平面技術,能搜得鬲量子放率鬲性能的紅外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？工作屈理： 輻射透過硅照在硅化物上產(chǎn)生熱電穴， 運些,空穴能越遼務

27、壘進人到硅基底， 從而弟.硅化物一邊的也極上在累負也荷，形成信號， 由于鋁層的反射作用，硅化物對輻射的吸收增強，可使靈敏度提高一個散量級0相同點：二者響應度直接與增益電阻和面積之積有關不同點：肖特基是多數(shù)載流子器件，P-NP-N 結(jié)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,采用性集成技術，成本低.，有好的線畦響應和高動思就倒，。,保無詞絕緣性好，串/少，圖俅訪斷度高空4 低1/f噪聲，離情逸.和潛左的高靈敬度r理論上可達Q01K)。,但倜置電珞功耗大，噪聲帶寬寬。3、試簡述光電成像器件將二維圖像轉(zhuǎn)換成一維電信號可通過

28、哪些途徑1 1、電真空型攝像管(1)(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(jié)又可分為注入型光電導靶、阻擋型光電導靶、異質(zhì)結(jié)光電導靶、硅二極管陣列光電導靶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二維圖像轉(zhuǎn)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 A、光電變換部分是采用光陰極把輸入的光學圖像轉(zhuǎn)換成光電子圖像B 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(SE(SE。、電子轟擊型硅靶攝像管(EBS(EBS2 2、熱釋電攝像

29、管熱釋電攝像管與普通的光電導攝像管在結(jié)構(gòu)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 3、固體成像器件 CCDCCD(1)(1)CCDCCD 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(zhuǎn)移的，它是基于 MOSMOS 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硅襯底上的 MOSMOS 電容器陣列，具有存儲和轉(zhuǎn)移信息的能力(2)(2)可分為表面 CCD(SCCD)CCD(SCCD)埋溝 CCD(BCCD)CC

30、D(BCCD)(3)(3)且它既能制成線陣 CCDCCD 也能制成面陣 CCDCCD 還能和像增強器耦合在一起構(gòu)成圖像增強型 CCD(ICCDCCD(ICCD 也可用光電子轟擊 CCDCCD 的像敏元構(gòu)成電子轟擊型 CCD(EBCCDCCD(EBCCD 還可以采用延時-積分工作模式構(gòu)成 TDITDI4 4、CMOSCMOS 成像器件(1)(1)CMOSCMOS 是互補金屬一氧化物一半導體的英文縮寫(2)(2)和 CCDCCD 具有基本相同的光電轉(zhuǎn)換原理，即光敏單元受到光照后產(chǎn)生光生電子，在通過信號讀出電路將其讀出，但是 CMOSCMOS 的每個源像素傳感單元都有自己的緩沖放大器，而且可以唄單獨

31、選址和讀出5 5、紅外探測器(1)(1)熱探測器A A、熱探測器吸收紅外輻射后，產(chǎn)生溫升，伴隨這溫升而發(fā)生某些物理性質(zhì)的變化，如產(chǎn)生溫差電動勢、電阻率變化、自發(fā)極化強度變化、氣體體積和壓強變化等。測量這些變化就可以測量出他們吸收的紅外輻射的能量和功率B B、常用的有熱釋電探測器、微測輻射熱計、微測輻射熱電堆等(2)(2)光子探測器A A、某些固體受到紅外輻射照射后，其中的電子直接吸收紅外輻射而產(chǎn)生運動狀態(tài)的改變，從而導致該固體的某種電學參量的改變，這種性質(zhì)統(tǒng)稱為固體的光電效應，光子探測器就是利用光電效應制成的一種探測器B B、常用的可以分為以下幾類：光電子發(fā)射探測器(利用的是外光電效應)、光電

32、導探測器(利用的是內(nèi)光電效應)、光伏探測器光磁電探測器(利用的是光磁電效應)、肖特基勢壘探測器、量子阱探測器等(3)(3)紅外焦平面陣列探測器由紅外探測器和具有掃描功能的信號讀出器件組成的紅外焦平面陣列，是凝視型紅外熱成像系統(tǒng)的核心，紅外焦平面陣列包括光敏元件和信號處理兩個部分，可采用不同的光子探測器、信號電荷讀出器多路傳輸可分為單片式紅外焦平面陣列、混合式紅外焦平面陣列、Z Z 平面紅外焦平面等11-5試述光機掃描熱像儀基本組成部分和工作原理。答：下圖為光機掃描型熱成像系統(tǒng)的方框圖，整個系統(tǒng)主要包括：紅外光學系統(tǒng)，紅外探測器及制冷器，電子信號處理系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)四個部分。光機掃描器使單元或多元

33、陣列探測器依次掃過場景視場，形成景物的二維圖像。在光機掃描熱成像系統(tǒng)中，探測器把接收的輻射信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過隔直流電路把背景輻射從場景電信號中消除，以獲得對比度良好的熱圖像，由顯示系統(tǒng)顯示出來。掃描同步器制冷器光機掃描熱成像系統(tǒng)方框圖200S-9-111-8.熱成像系統(tǒng)對掃描器的基本要求是什么？常用的光機掃描器有哪些？各有什么特點？答：1.熱成像系統(tǒng)對掃描器的基本要求：用于熱成像系統(tǒng)的掃描器大部分產(chǎn)生直線掃描光柵。對掃描器的基本要求是：掃描器轉(zhuǎn)角與光束轉(zhuǎn)角呈線性關系；掃描器掃描時對聚光系統(tǒng)像差的影響盡量小；掃描效率高；掃描器尺寸盡可能小；結(jié)構(gòu)緊湊。2.常用的光機掃描器及特點：a.擺動平面反

34、射鏡擺動平面反射鏡在一定范圍內(nèi)周期性地擺動完成掃描。根據(jù)反射光學原理，擺動反射鏡使光線產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角二倍于反射鏡的擺角，即當反射鏡擺動口角時，反射光線偏轉(zhuǎn)2%角。擺動平面鏡是周期性往復運動，因為機構(gòu)有一定的慣性，所以速度不宜太高，且在告訴擺動的情況下，視場邊緣變的不穩(wěn)定，要求較高的電機傳動功率，因此,總的來說擺動平面鏡不舍和高速掃描。1) .平行光束掃描器的擺動平面鏡可見光圖像理測偏與放探器置前頻視設全視場為2W,出瞳直徑為巳出射光束直徑為Q,則Q=PcosW平行球入射到平面輜上座反射后仍為平行版出射最精較簡單，只需確定平磁尺寸口如圖11-5%為入M版懿”為平面反射翻氟醉而反射儻的最小尺也應為/

35、=O0/sjny(11-12)對于晚的川股為港平面帽動俏時收觥雌轉(zhuǎn)2y角加耀喝所在便面上，像點的移動距醐y-lyf(Il-1J)料，/為成像光學系統(tǒng)焦隊施于西遠物點的解酶速度為牛二2虺(11-14)出dt即像點移動速度與平面跳動憫度成正匕但當目標不在無班札擺動平喊就不在平行版中掃摘像點動速度也就不與iyfit或正上2) .會聚光束掃描器的擺動平面鏡*111-144VihimVTJLJt!.U13MS出射光圖 1175 限動平面僚尺寸的幾何圖圖1116擺動平面鏡會集光束上1描器光路圖對于鏡面位置必探測器所在處。的鏡像為從圖中得出加上二?。?H-15)4+zafDCos(2yJ當8和？都較小時，可

36、近似地取8-y(11-a+b明光線轉(zhuǎn)角皓平面翩的近似地呈哪關系.分析像差，當平面鐐位于位置札光線沿0PD方向上的長度為。+兒平面跳到位置時， 光路為例取其K度不再是人圖11-16中MUP巾的()m為 ，而491/n+b=f(11-17)式中，f為成像系統(tǒng)焦距。這表明，當鏡面使主光線掃離光軸時，從物鏡到探測器的光路縮短了，這將會由于掃描散焦而增大光學系統(tǒng)的像差。b.旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓在高速掃描的情況下，經(jīng)常采用旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓，由于鏡鼓是連續(xù)轉(zhuǎn)動，故比較平穩(wěn)。旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓主要用于平行光束掃描。旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓與擺動平面鏡工作狀態(tài)基本相同，轉(zhuǎn)角關系和像差也類似。但旋轉(zhuǎn)反射鏡鼓的反射面是繞鏡鼓中心線旋轉(zhuǎn)，所以鏡面

37、位置相對于光線產(chǎn)生位移。c旋轉(zhuǎn)折射棱鏡掃描器具有2(n+1)個側(cè)面(n=1,2,3,)的折射棱鏡，繞通過其質(zhì)心的軸線旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成旋轉(zhuǎn)折射棱鏡掃描器，旋轉(zhuǎn)折射棱鏡只用作會聚光束掃描器。會聚光束中旋轉(zhuǎn)折射棱鏡掃描器除使焦點移動外，還產(chǎn)生各種像差，但由于其運動平衡而連續(xù)，尺寸小，機械噪聲小，有利于提高掃描速度。止匕外，對物鏡系統(tǒng)消像差要求較高，增加了設計難度。d.旋轉(zhuǎn)折射光楔旋轉(zhuǎn)折射光楔是一非常靈活的光學掃描器，一般用在平行光路中。利用一對旋轉(zhuǎn)光楔，改變其旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速可以得到許多不同的掃描圖形。11-10.常用的光機掃描方案有哪些？特點如何？答：1.物方掃描：掃描器位于聚光光學系統(tǒng)之前或置于無焦望遠

38、系統(tǒng)壓縮的平行光路中。由于掃描器在平行光路中工作，故稱平行光束掃描。2.相仿掃描：掃描器位于聚光光學系統(tǒng)和探測器之間的光路中，對像方光束進行掃描。對于掃描器在會聚光路中工作，故稱會聚光束掃描。特點：物h指叮像掃花i的產(chǎn)生彎曲場掃描器存在不可避免的散焦掃描器光學質(zhì)量對系統(tǒng)聚性能影響較大，像差校正困難公聚光系統(tǒng)設計復雜掃描器尺寸較小,容易實現(xiàn)高速掃描zuub-y-i11-11.熱成像系統(tǒng)中前置望遠系統(tǒng)和中繼透鏡系統(tǒng)的作用是什么？答：1.前置望遠系統(tǒng)的作用：在采用平行光束掃描的熱成像系統(tǒng)中，為減小光學掃描部件的尺寸，在成像物鏡前加一組前置望遠系統(tǒng)。對于成像物鏡，加上前置望遠鏡后，入射光束口徑變小，視

39、場變大，從而可縮小反射鏡或反射鏡鼓等掃描部件尺寸，有利于儀器小型化及提高掃描速度；另外，也可降低因衍射帶來的像點彌散斑尺寸，有利于提高像質(zhì)。2.中繼透鏡組的作用：中繼透鏡組把沿軸向從一個位置傳送到另一個位置。在傳送過程中，圖像將反轉(zhuǎn)（成倒像）。連續(xù)使用一系列中繼透鏡，可以使圖像沿一條直徑限定的長管進行傳送。像方力描物方掃描產(chǎn)生平直掃描場大多數(shù)掃描器不產(chǎn)生附加像差砌掃描器光學質(zhì)量對系統(tǒng)聚焦性能影響較小,像差校正容易掃描器尺寸大,不易實現(xiàn)高速力描民用熱像儀中居多，配以應無焦望遠系統(tǒng),壓縮平行用光路,減小尺寸，可用于軍?上軍用熱像儀,如前視紅外系統(tǒng)等11-15.紅外探測器的制冷器按制冷原理劃分可以分

40、為哪幾種類型？其特點是什么?答:11.3.制冷器的工作原理與分分且按照制冷原理： 相變制冷（社兀瓶-液態(tài)制冷打）：利用致冷工作物質(zhì)相變吸熱效應，來達到致冷降溫的目的,如固態(tài)物質(zhì)熔解吸熱或升華吸熱，液體氣化吸熱等. 焦耳一湯姆遜效應、氣體節(jié)流式制冷）：當高壓氣體的溫度低于本身的轉(zhuǎn)換溫度,并通過一個很小的節(jié)流孔時，由于氣體膨脹而使溫度下降，這種現(xiàn)象為焦耳一湯姆遜效應。如使節(jié)流后的低溫氣體返回來冷卻進入高壓的氣體.使高壓氣體在越來越低的溫度下節(jié)流，不斷重復這一過程，就可以獲得所需的低溫，達到致冷目的e 氣體等燃膨脹制冷（斯特林循環(huán)制冷落）：氣體等墻膨脹后總是降溫，是因為氣體等燎膨脹時.不但借膨脹機的

41、活塞向外輸出機械功，而且膨脹后，氣體的內(nèi)位能也要增加，都要消耗氣體本身的內(nèi)功能來撲償，所以氣體等燧膨脹后溫度會顯著降低. 利用輻射熱交換制冷（于一星上用的輻射制冷器）：因宇宙空間處于高真空，深低溫狀態(tài)，物體可以和周圍深冷空間C約310進行輻射熱交換. 帕爾帖效應溫差電制冷或半導體制冷器）：n型、p型半導體作為電偶對，構(gòu)成閉合回路，直流電通過，一端發(fā)熱，一端變冷的效應.利用冷端可以給探測器致冷.2008-9-1特點:1.杜瓦瓶：結(jié)構(gòu)簡單，制冷溫度穩(wěn)定，冷量充足。制冷物質(zhì)多為液氮77K。2 .焦-湯制冷器：制冷物質(zhì)為高壓氮氣。制冷部件體積小，重量輕，無運動部件，機械噪聲小，使用方便。缺點：氣源可得

42、性差，高壓氣瓶較重，對工作氣體純度要求苛刻，雜質(zhì)不能超過0.01%,否則節(jié)流孔堵塞會停止工作。3 .斯特林制冷器：結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，制冷溫度范圍寬（77K-10R,啟動時間短，效率高，壽命長，操作簡單，可長時間連續(xù)工作。缺點：冷頭有高速運動活塞， 機械振動大， 容易引起器件噪聲增大， 分置式可減小這一問題。4 .半導體制冷器： 制冷能力取決于半導體材料的性質(zhì)和回路中電流的大小。 目前一級半導體制冷器可產(chǎn)生60c的溫差， 為達到更冷,可將n個熱電偶串接起來。結(jié)構(gòu)簡單，壽命長，可靠性高，體積小，重量輕，無機械振動和沖擊噪聲，維護方便，只耗電能。5 .輻射制冷器：耗能極少，甚至不需要能源的被

43、動式制冷器，使用壽命長，不需外加制冷功率，無運動部件，更不會產(chǎn)生振動、沖擊噪聲，可靠性高。缺點：要求衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)得到控制，保證輻射制冷式中對準超低溫的宇宙空間，不允許太陽光、地球等紅外輻射直射到制冷器的輻射器上。第十一章19、熱成像系統(tǒng)信號處理采用直流隔離和直流恢復的目的是什么？怎樣實現(xiàn)？（505頁）答:直流隔離的目的：使信號處理變得簡單，而且可達到抑制背景和消弱1/f噪聲的目的。直流恢復的目的：消除或減小圖像的缺陷。實現(xiàn)方案：直流性燈：在系統(tǒng)中設置熱參考源，在掃描周期的無效部分掃描熱參考源，這一溫度信號稱為箝位信號，將溫度信號通道箝位在零電平上，然后，再將與溫度信號相應的一個直流電平疊加

44、在經(jīng)過箝位的溫度信號上，迸行環(huán)境溫度補償，這樣經(jīng)過箝位和環(huán)境溫度補償后的溫度信號就有了絕對意義.22、凝視成像和掃描成像有什么特點？目前實現(xiàn)凝視成像的基本途徑有哪些？答、 光機掃描成像系統(tǒng)是光機掃描器使單元或探測器依次掃過景物視場，形成景物的二維圖像。把探測信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過直流電路把背景輻射從場景電信號中消除，以獲得對比度良好的熱圖像。特點：存在光機掃描器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、體積較大、可靠性降低、成本也較高，但由于探測器性能的要求相對較低，技術難度相對較低。凝視熱成像系統(tǒng)式凝視焦平面熱成像系統(tǒng)取消了光機掃描系統(tǒng)，同時探測器前置放大電路與探測器合一，集成在位于光學系統(tǒng)聚焦平面的探測器陣列上。特點：結(jié)構(gòu)簡化，不需要制冷，成本低，但性能不及光機掃描系統(tǒng)。實現(xiàn)凝視成像的基本途徑：熱釋電紅外成像系統(tǒng)， 具采用熱釋電材料做靶面， 制成熱釋電攝像管，勿需光機掃描，直接利用電子束掃描和相應的處理電路，組成電視攝像型熱像儀。固體成像器件CCDCMOS紅外焦平面探測器(能實現(xiàn)自掃描的探測器就能實現(xiàn)凝視成像)30、試述熱成像系統(tǒng)的最小可探測溫差的MDTD的定義，它與MRTD有何不同？答、MDTD是評價熱成像系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，它反映了熱靈敏度特性，也反映了系統(tǒng)的空間分辨力，定義：當觀察者的觀察時間不受限制時，在顯示屏上恰好能分辨出一塊一定尺寸的方形或圓形黑