光電成像原理及技術-部分答案(北理工)

1、 光電成像原理及技術-部分答 案（北理工）第一章.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c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。.反映光電成像系統(tǒng)光電轉換能力的參數有哪些？表達形式有哪些？答：轉換系數：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

2、件用于增強可見光圖像時，被定義為電鍍增益G1 ,光電靈敏度：R：=瓦常的瓦或者：即=有邙而.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 能夠分辨的等寬黑白條紋來表示。光學傳遞函數：輸出圖像頻譜與輸入圖像頻譜 之比的函數。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

3、背景之間的輻射對比度。第三章.根據物體的輻射發(fā)射率可見物體分為哪幾種類型？答：根據輻射發(fā)射率的不同一般將輻射體分為三類：黑體，=1 ;灰體，與1,與波長無關；選擇體，1且隨波長和溫度而變化。.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：衣-T；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：MuQT；=不表明黑體在單位面積上單位時間內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：4rT = 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。最大輻射定律：此一定溫度下，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

4、包括哪些物理過程？其相應的理論或實驗依據是什么？(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 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

5、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)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，耦合級數多取奇數，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 MCP也提出了更高的 性能要求。二代采用的是表面具有正電子親和 勢的多晶薄膜結構的多堿光陰極， 三代采用的 則是負電子親和勢光陰極，因

6、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

7、)見 P159P16018、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， 稱此空 間位透鏡空間，在此空間內，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P179P180 （包括像方焦距和物方焦距）成像性質：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。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

8、）0時透鏡是會聚的（f為正），(z)2tl+_1+、r DC 泣產赤 L0tR-（2-C） mJ* J口 也。肛（2-68P2951、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連續(xù) 積累光敏元件產生的電荷，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、攝像管電子槍產生空間兩維掃描的電子 束，在一幀周期內完成全靶面的掃描，逐 點掃描的電子束到達

9、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 量的調制，在輸出電路上產生與被掃描點 輻照射強度成比例的信號，即視頻信號。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

10、內光電變換型按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？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：利用熱釋電效應工作，僅對隨 時間變化的熱輻射有響應；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) (P285P289 ),這里只寫大標題熱釋電靶的單籌化；靶面電荷圖像的形成；熱釋電靶電荷圖像的讀出。(2)加基底電荷的原因：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

11、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導走， 所以為了防止熱釋電攝像管中靶面上產生負電荷積累， 必須在每次電子束掃描后都給靶面提供一定量的正 電荷；電荷圖像讀出時：同上(3)方法：二次電子發(fā)射法；攝像管內充氣法；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， 能夠重新產生靶面的靜電電荷圖像。具體方法：平移I：攝全景式：優(yōu)點：裝置簡單。但圖

12、像總在運動，不便于觀察，熱目標后邊緣有黑色拖尾斬光式一一缺點：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，必須加校正電路將負極性新后倒相P3663、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開始產生溝道所需要的柵壓就是開啟 電壓。理想的MOS系統(tǒng)的C (Vg)特性往往與實際 測得的C (Vg)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差ms、 Si-SiO 2界面上存在的表面電荷 Qss以及在SiO2 中因玷污產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

13、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 )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 2 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。“胖零”工作模式：用一定數量的基底電荷先 將界面態(tài)填滿，當信號電荷注入時，信號電荷被

14、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，可使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（理）均道（座溝CCD-BCCD）：通過在硅表面證入條質,使之形成N型容層，并在兩超然上N +層，起港.海侔用力度溝LLD與家面LLD的區(qū)別二前者耨帶信息的稻子是N扇中的今于，而后者是P號中的小手表面CCD中的信號電荷顯中在界面處孤陳的反型層,

15、后理的CCD棺號電詹 集中左體由，平面附無。理的CCD優(yōu)于羲面CCD的優(yōu)/立委若，用信號電苻庭體內存修和轉秒，連開了舜而毒惇獲偌號的不設為響，所以轉移桌: 率北灰面CCDJJ - 2十釐量延。由于套事極。壓河有較浜的稻含，逵抻耦會隨溝道加浜而變強*隊而蹭加了追象 場。如之硅體占比等率比袤面含妁一宿.故埋兩CCD工作秀率載言,可發(fā)125Mb 的時種下工作。理西CCD的索大優(yōu)點是至,低，可工作在佃限度下.埋等CCD圖定要缺裊：信號it理耒量小h比表面CCDJ*一個戰(zhàn)量SLb7、以三相CCD為例，說明決定其工作頻率的上 下限因素是什么?解:因CCD工偉在養(yǎng)穩(wěn)盍，奴工作蜒阜寺下限，4盧不看命 勢T.

16、赭移所需尉河為*,附科周期TCP）為對于三 *iCCD需俵匕 T 111h = L =一=工儲 ?33 九3r因CCD電機有一定長度】電扃幫將香要一是用詞.加之 CCD與左界面態(tài)，故工作頻率有上限，對于蓄冷工裊幡 格所需時利藥如 時鼾周期fCP）為T,對于三*|CCD看1U73 3七23t對于后者：要求界面去得荻我流于的時 利/J,于T/3,即：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的比較；分韓力：北中方向士 1LT3)；垂直方向t逐_行掃枯一 樣，陶行右君HLT高門

17、響應友f靈發(fā)及J : FT光敏面大，人手方向忠于 ILT,遂行掃描時FT靈女晨禽，腐行掃描時：FT積分 時同為一場1 1LT和分時同為一幀，版總的響應良一 玫口噪聲：FT光敏面火，故噪聲大拖粵：ILT轉秒次數小，持用小應用：FT還可以通過喊薛，實現智強攝用，左低底友 攝像領威發(fā)得廣泛應用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。P36612 .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？答：WI

18、SH*揀酬 MNR9基本原理：再生的CMOS成作理件由 無發(fā)無再列和琳曲電電狗成.充軟元外利：克成光電尊超為功能。背防 電電】龕段品油套號的盧金，光也楂號的 發(fā)現.物出爭任參.寺小無敏無本方某工，Y方句上的地址，可 分期由藥小才由哥也統(tǒng)年馬李*月出柞；學列無氯無本對&,個村北大學可火火 鼻的輸出棺等會期與X方向擢批年碼救用4 模初5痔開關相山“I去際工作時，CMOS4唐黑在Y方向地址中 礙賽控制下，依次鬟通停杼無被尢6爆械 開關,信號通過分開關選到列線上,通過X 方向此址中碼葬的盤包,信送到辿丈反.輸出改丈器的齡出存號由A/D轉操星通 髓點，段按處理電想走瞟后通置普。包麻 4fr出0CMOS圖

19、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動。優(yōu)缺點比較：CMOS與CCD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MOS圖像傳感器集成在一個芯片上等 優(yōu)點，但其圖像質量（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 生電荷信號的能力，而 CCD靈敏度較CMOS 高30%50%。電子-電壓轉換率表示每個信號 電子轉換為

20、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 響應均勻性較CCD有 較大的差距。標準CMOS具有較高的暗電流（1 nA/cm 2,最低100 pA/cm 2）,而精心制作的 CCD的暗電流密度為210 pA/cm 2。由于大 部分相機電路可與COMS在同一芯片上制作， 信號及驅動傳輸距離縮短，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。（ MOS與CCD圖

21、像傳達器的性能比較CMOS圖像傳感器CCD哦屯 iit（pA/rn2）10- 10010對8度低高嶂市電子數 200 50FPH%）可在至根電路中校iE1 x?y r可以看黃景物細節(jié))“殖息跑鏡頭：fpt財平 0=21JAn以p的電攵運用“ 益?zhèn)ル娭幸?門“心涌年用三整一倒考界*+杵大正為肉笈,孕和命的尊移過程電中成也以瑞工奧由活力不小徐產生附加也樓口對用E反制，夜之訪禮I左Ki公仙？電四k J于r電片J的說可走皮降即再 法良而禱也干費*3 氏左隔電孑米反沖他力一 增加.相古力打千句書:杼C第缽1.現也小4施*立 加電般市傘乩KM沖力總也可以史觀/p分用的例微生冷機醫(yī)稱為5出由于掃出效應的存在

22、，當光照射樣品時，光信號與白 動轉移出去.從而可以實現光信號的積素和延遲疊 旭實現* RITE探測器信號枳索和延退的必要條件一 紅外圖像掃描速度等于非平衡載流子的雙極運動漉 移速度.裒極運動涕移速度與材料的少數敢流于遷移率卻外 置偏壓大小有關如果偏壓足夠大，非平衡少于將全部裒大部分 掃出功若電場場強過小，非平衡少于漂移長度小于器 件長度，副光生少子將在體內克合設一穩(wěn)定的紅外輻射入射到SPRITE探測器的總處， 若忽略陷阱效應及表面復合，井在強電場作用下忽 咯非平衡戰(zhàn)流子的擴散，則沿探測罌長度方向x處 的先生載流子的穩(wěn)態(tài)方程可寫成，式中工為空穴的 竄引長度,若大于祥晶長度,則在=時間內p將移出體

23、外, 反之，將只有部分用能移出體外，在SPMTE探測 器中f 4=上為全部掃出條件，可推知他時SPRITE 探演1罌兩編所加電壓為力 為膈界掃出電壓目SPRITE施測器工作原琮示童圖做_Ap 聞+ 口打出_山幽H t請 法隼心小 r工0爭二舉 ；盧、那曲 4L = u Er匚%=包=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 生的載流子濃度，非平衡莪流子壽命遠大于雙極 漂移時間,雙板涕移速度等于光點掃描速度，有 他定的紅外輻射黑射到探測器，且沿長度方向自向右連續(xù)掃描時，設器件的尺寸為 w*w ,讀出長度ll.在足夠強的外加電場E作用下，可略去非平衡載流子擴散的影 響，則光生

24、載流子穩(wěn)態(tài)下的連續(xù)方程可寫為:dxEi n E解之，得：1 r國=它調/十立卜訪人“J=e *4 W + p華/即+ 3;也戶1一口二口，=/+3 = -Q寸A p = Q z 1 - 君tr1求斛微分方程得到無,照可傀無上.佗號 所產生的非平衡最說于港友坦4掃描位苣 的變.化關京*當掃描像元到達迪出區(qū)幻，即x=L有公 式,片中t為無生莪凝于在器件中的波題時 問C戰(zhàn)西求將先生物流4的光電延便度T和開緣電壓AZ = vp | Ljdz -事“其1 +T 1 -e rAT = M R, = M 5-用。十be 尸評di( L=-EIQ T 1 w 式中，n為讀出區(qū)的載流子濃度。冕:獨釁萼）響應度拄

25、定義可學戌；百品當反射相發(fā)限小nadl時可得4百成： -n的二茨”戶）h5Vd打4）提高響應度的途徑：.增大E會增大恁耳熟,從而增大熱噪聲申流故增大F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)載流于濃度,提高 響應度T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PN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生電 子一空穴對。如果吸收是發(fā)生在空間電荷區(qū)（茶區(qū)），電子和空穴立即被 強

26、電場分開，并在外電路中產生光電流.如果吸收的是P區(qū)或N區(qū)到結的擴散 長度區(qū)內.光生載流子必定會首先擴散到空間電荷區(qū).然后再在第里受到電 場作用F對外電路貢獻光電;旭 如果光電二極管是開路，則PN結兩端出 現開路電壓（P端為十）,即產生元主伏特效應，若在P、N兩端連接一個 低電阻.則光電二極管被短路，且有短路電流藐動（反向）.按陽尢世就忘的衽論.離V屈示力生通 電動物時.四光WT，P-Z結的瞽金 / 高，支隊思來的日U支為 （Vq-V）,鉆區(qū)， 附近N區(qū)中小子限度挺得的增史匕當光鵬哥刊P-N秸上也 NM百J手/ 求度為p -運虻弄余的少子，一而不/注入，一 而不稱句律H】#版/在貼區(qū)*|/的史

27、火也沈勢受為P，高理可寫山結區(qū)的 電子電送宙發(fā)J”囁比PN年的總的九主也比3度可分 外包子，更支包違畬愛的2可* 盛畬月.向咤和也選堂度的多女式進用可用先生電壓 古的巴摩此時.由r花生電況由灰 反勾地和心克密度.七王也王可 笥齒-h內xp,面 In 1+ C I jJm在現1 .戶=中+綠。電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

28、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)電容和相應的時間常數 Rl*Cj3）材料：HgXdJe光伏探測器材料響應速度高，用于激光相時探測卜分有利,特 別是光通訊或在激光雷達中，作10. 6即】。0、激光 外差探測。PbnTc光伏探測器卻叫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&其它薄膜鉛部光伏型探測器力2

29、)探測率公式:10、光伏器件常用判據是什么？為什么?答：1)體公式，發(fā)中3尺產為探測 蕊叁面值與增號電俎乘猊的 平方限值上 是交斷光優(yōu)器件 畦噸優(yōu)方的黃舜判據,全卦 為之伏梓輒的優(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單片灰又稱整體式，可分為兩種情況 CCD本身就對紅外敏感，故探測.轉移功能于一紅外探測標與CCD作在同一基底上I基底通常為 Si,而探測孰部分常用於本征材料,莖本結構為 金屬絕壕物半導體Q混合式IR-CCD根本特點j杷標訓黑和CCD移住寄存 器分開，CCD仍用.善通硅制成, 工藝 相對成.鼠，而對兀個,重要的紅外雙 段，都已經發(fā)展了性能優(yōu)良的本征

30、紅 外探測獴因此，將而赤耦合起來組 成混合焦平面技術.能次得高量子效 率高性能的紅外FPAo.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？工作及理：粕射透過硅膽在底化物 上產生熱力穴I運些空火能越迂勢至迸 入到后圭W底，從而在硅化我一邊的電 極上積累負也符，形成 信號，由于鋁層的反射作用， 珪化物對福射的吸收增 強，可使靈敏度提高一 個裁量級.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：肖特基是多數載流子器件，P-N結是少數載流子器件.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萬宋用或集民技術，成本低，。q

31、有好的線哇響應和高動志右圈，。上隹總詞絕緣畦好，串聲少，圖保清晰度高-低1/f嗨法1名欣逵心科洛在的離靈致度理論上可達0.01K)。4但偈苣也培功耗大，嘯聲年更更。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)內光電變換型的光電導攝像器件利用內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結又可分為注入型光電導靶、阻擋型光電導靶、異質結光電導靶、硅二極管陣列光電導靶 外光電變換型的光電發(fā)射型攝像器件利用的是外光電效應完成二維圖像轉換成一 維電信號的光電發(fā)射型攝像管都具有一下兩個共同點：A、光電

32、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。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

33、列在硅 襯底上的MOS電容器陣列，具有存儲和轉移 信息的能力(2 )可分為表面 CCD(SCCD)和埋溝 CCD(BCCD)(3)且它既能制成線陣 CCD也能制成面陣CCD,還能和像增強器耦合在一起構成圖像增強型CCD(ICCD),也可用光電子轟擊 CCD的 像敏元構成電子轟擊型CCD(EBCCD),還可以 采用延時-積分工作模式構成TDI4、 CMOS成像器件1) CMOS是互補金屬一氧化物一半導體的 英文縮寫(2)和CCD具有基本相同的光電轉換原理， 即光敏單元受到光照后產生光生電子，在通過 信號讀出電路將其讀出，但是 CMOS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

34、選址和讀出5、紅外探測器(1)熱探測器A、熱探測器吸收紅外輻射后，產生溫升，伴隨 這溫升而發(fā)生某些物理性質的變化，如產生溫 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、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）光子探測器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、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）、光電導探測器（利

35、用的是內光電效應）、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）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陣

36、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。掃描同步器見圖 衽光像視頻*探河 器偏 置與 前放光機掃描一他.恒調節(jié)與分配二常懵 器綺光學系羽目標輻射2。曲無機掃描梯成像系統(tǒng)方根國11-8.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)的掃描器大部分產生直線掃描光柵。對掃描器的基本要求是：掃描器轉 角與光束轉角呈線性關系；掃描器掃描時對聚光 系統(tǒng)像差的影響盡量

37、?。粧呙栊矢?；掃描器尺 寸盡可能?。唤Y構緊湊。.常用的光機掃描器及特點：a.擺動平面反射鏡擺動平面反射鏡在一定范圍內周期性地 擺動完成掃描。根據反射光學原理，擺動反射鏡 使光線產生的偏轉角二倍于反射鏡的擺角，即當 反射鏡擺動a角時，反射光線偏轉2 a角。擺動平 面鏡是周期性往復運動，因為機構有一定的慣 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。.平行光束掃描器的擺動平面鏡設全視場為2W ,出瞳直徑為P,出射光束直徑為Q,則Q=PcosW(11-11)平打光束入射到祠鏡上匿期后仍為平行光束蝴成楠幅單,唯雕

38、平醵尺寸.嫡11 F&為人時版直箔祥平破財觸聞視平面反好蒯羯小尺寸I應力1 = Dfl/siny(11 -lz J對于聯(lián)的人觥彘當平面翻動？姍成射潞熊的角曲劇北所域面上集點 的移動曲青為y - lyf(11 -13)式中/為成就學系統(tǒng)融口對好無施物點的觸蒯速度為如2度(11*14)01 旗瞧點將抽眄平面雕動觸電成視，明目標不在無戰(zhàn)時線動平面觸不在平 行麻幃抵像點的前速她就不與正比.*1 1114 州M TlftftM Wh 此曲4 J拙*上出射此束因11 75也動平山員用耳的兒同下.會聚光束掃描器的擺動平面鏡D D圖11 -16 擺動平面鏡會集光束打描雅光路圖時于鉞面位置,探測器所在處D的僚像

39、為k從圖中得出加出=(11-15)a + z a + ifos (2y)當8和譚較小時，可近似地取8 二 2 ,(I I -16)a + b即光線轉角8與平面僦攫角y近M也早發(fā)11關系喜分析像電當平面像包于但胃時，光線沿。P。方向上的長度為“+A平面鈦轉到位置時，光路為州小其長度心再是人田HT6中AfMTP中的，犯,長度為由而491r ： 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 b.旋轉反射鏡鼓在高速掃描的情況下，經常采用旋轉反射 鏡鼓，由于鏡鼓是連續(xù)轉動，故比較平穩(wěn)。旋轉 反射鏡鼓主要用

40、于平行光束掃描。旋轉反射鏡鼓 與擺動平面鏡工作狀態(tài)基本相同，轉角關系和像 差也類似。但旋轉反射鏡鼓的反射面是繞鏡鼓中 心線旋轉，所以鏡面位置相對于光線產生位移。 c.旋轉折射棱鏡掃描器具有2 (n+1 )個側面(n=1,2,3，)的折 射棱鏡，繞通過其質心的軸線旋轉，構成旋轉折 射棱鏡掃描器，旋轉折射棱鏡只用作會聚光束掃 描器。會聚光束中旋轉折射棱鏡掃描器除使焦點 移動外，還產生各種像差，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。此外，對物鏡系統(tǒng)消像差要求較高，增加了 設計難度d.旋轉折射光楔旋轉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。利用一對旋轉光楔

41、， 改變其旋轉方向和轉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:物方h描號像“捫撲i的比依物方掃描像方川話優(yōu)缺點大多數掃描器不產生附 加像力掃描器光學質量對系統(tǒng) 聚焦性能影響較小，像差 校正容易因捫描器尺寸大.不易實 現高速掃描s產生平苴葉播場因產生等“I場 掃描器存在不可避免的散焦 矽掃描器光學

42、質量對系統(tǒng)聚焦 性能影響較大,像差校正困聚光系統(tǒng)設計復雜民用熱像儀中居多,配以 應無焦望遠系統(tǒng),京綿平行 用光路,減小尺寸，可用于I軍里上盤 Uh 97軍用熱像儀,如前視紅外系 統(tǒng)等（）器尺寸較小，容易實現 高速掃描11-11.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：有利于儀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，視場變大，從而可縮 小反射鏡或反射鏡鼓等掃描部件尺寸，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

43、。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（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。11-15.紅外探測器的制冷器按制冷原理劃分可 以分為哪幾種類型？其特點是什么？答：IL 3.制冷器的工作原理與分類技時制冷原理：相變網冷由瓦旗液態(tài)制冷劑）:利用致冷工作物質相變吸熱效應，來達 到致冷降溫的目的口如固態(tài)物崩熔解吸熱或升華吸熱,液體氣化吸熱等.焦耳一滴姆遜效應氣體節(jié)流式制冷）：當高壓氣體的溫度低于本身的徒旗 溫度,并通過一個很小的節(jié)流孔時T由于氣體膨脹而使溫度下降.這種現象 為焦耳一湯姆女演應.如便耳流后的

44、低潟氣體返回穴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，不斷重目這一過程，就可以獲得所需 的低溫.達到致冷目的.氣體等嘀膨眼制冷（斯特林循環(huán)制冷器】：氣體等烙膨脹后總是降溫.是因 為氣體等炳腳法時，不但借膨脹機的活塞國外輸出機械功，而且膨俄后，氣 體的內位能也要增加,都要消耗氣體本身的內功能來卦償，所以氣體等帽腮 服后溫度會顯著降低.利用輻射熱交帙制冷（衛(wèi)星上用的情射制冷器）；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進行輻射熱交換.伯爾帖效應混差電闔冷或半導體制冷黠）：口型.P型半導體作為電偃對. 掏成閉合回路，自流電通過，一端發(fā)熱. 一端變冷的效應.利用冷端可

45、以給 探測器致勢.Z00B-9-1特點:.杜瓦瓶：結構簡單，制冷溫度穩(wěn)定，冷量充足C 制冷物質多為液氮77K。.焦-湯制冷器：制冷物質為高壓氮氣。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：氣源可得性差，高壓氣瓶較 重，對工作氣體純度要求苛刻，雜質不能超過0.01% ,否則節(jié)流孔堵塞會停止工作.斯特林制冷器：結構緊湊，體積小，重量輕， 制冷溫度范圍寬（77K-10K ）,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。.半導體制冷器：制冷能力取決于半導體材料的 性質和回路中

46、電流的大小。目前一級半導體制 冷器可產生60 c的溫差，為達到更冷，可將n 個熱電偶串接起來。結構簡單，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。.輻射制冷器：耗能極少，甚至不需要能源的被 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？ （ 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

47、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。實現方案：吧熱譽號激O有效的掃描部分 無效的掃描昴分前t放大主放大津值樸愫科直況恢復箝任佶號孤補信號直流灰復：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，將溫度信號通道轉 位在等電平上，然后，再將與溫度信號相應的一個直流電平疊 加在經過箝位的溫度信號上，進行環(huán)境溫度補償，這樣經過箝 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

48、信號轉換成電信號，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 構復雜、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：結構簡化，不需要制 冷，成本低，但性能不及光機掃描系統(tǒng)。實現凝視成像的基本途徑：熱釋電紅外成像系統(tǒng)，其采用熱釋電材 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CCD、CMOS、紅外焦平 面探測器（能實現自掃描的探測器就能實現凝視 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