光电成像原理及技术部分答案北理工概述文档格式.docx
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灰体，
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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。
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？
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？
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？
（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？
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。
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？
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
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。
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m0；
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
;
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。
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；
RW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Ec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？
图见P2296-29。
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。
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；
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；
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；
；
增加系统积累时间t得与光灵敏度s类似的改善；
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？
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
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。
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？
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？
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？
（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？
（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？
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
斩光式——缺点：
附加斩光装置及其相关系统，斩光速度与扫描速度协调，必须加校正电路将负极性新后倒相
P366
3、什么是CCD的开启电压？
为什么实际工作中CCD的开启电压必须考虑平带电压？
平带电压又是怎样的？
解：
CCD开始产生沟道所需要的栅压就是开启电压。
理想的MOS系统的C（Vg）特性往往与实际测得的C（Vg）特性不完全一致，这是因为没有考虑金属电极和半导体的功函数差Φms、Si-SiO2界面上存在的表面电荷Qss以及在SiO2中因玷污产生的可动电荷等因素的影响作用，所以，必须对理想情况下的结果进行修正。
由于上述因素的影响，表面能带向下弯曲，为了使表面能带由弯曲变成平直，恢复平带状态，而在金属栅极上所加的负的偏压就是平带电压。
（P302）
5.
什么是界面态？
怎样减少界面态的影响？
什么是“胖零”工作模式？
为什么SCCD要采用“胖零”工作模式？
界面态即界面陷阱电荷，主要是指Si-SiO2界面处处于禁带中的局部能级，它可在短时间与衬底半导体交换电荷，是表面复合和散射的主要成因，它主要是对表面沟道的CCD的转移效率产生重大影响。
采用埋沟CCD可避开界面态俘获信号电荷的不良影响。
要减少界面态的影响，可采用“胖零”工作模式。
“胖零”工作模式：
用一定数量的基底电荷先将界面态填满，当信号电荷注入时，信号电荷被俘获的几率变小，而从界面态释放出来的电荷又可以跟上原来的电荷包。
信号电荷包损失到界面态中去的电荷，可能与它从界面态得到的电荷相等，从而在一定程度上减少了界面态带来的影响。
SCCD的电荷转移损失很大，引入“胖0”电荷后，可使CCD界面引起的电荷转移损失降到最小。
6、简述BCCD工作原理，说明BCCD工作的特点，并与SCCD比较各自的优缺点。
解
7、以三相CCD为例，说明决定其工作频率的上下限因素是什么？
9、面阵CCD有几种工作模式？
各有什么优缺点？
常见面阵CCD摄像器件有两种结构：
行间转移结构（LT-CCD）和帧/场转移结构（FT-CCD）。
10、什么是增强型CCD？
增强型CCD有哪些耦合类型或工作方式？
像增强器与CCD耦合在一起，构成图像增强型CCD（ICCD）。
增强型CCD有两种耦合方式：
光学耦合方式和光纤耦合方式。
12．简述CMOS器件的成像原理，比较CMOS器件与CCD器件在工作原理上的异同，各有什么公优缺点？
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。
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。
动态范围表示器件的饱和信号电压与最低信号阈值电压的比值，在可比较的环境下，CCD的动态范围约比CMOS的高两倍。
CMOS图像传感器的响应均匀性较CCD有较大的差距。
标准CMOS具有较高的暗电流（1nA/cm2，最低100pA/cm2），而精心制作的CCD的暗电流密度为2～10pA/cm2。
由于大部分相机电路可与COMS在同一芯片上制作，信号及驱动传输距离缩短，电感、电容及寄生延尺降低，信号读出采用X-Y寻址方式，CMOS工作速度优于CCD。
P395
2．微光电视的含义及其特点是什么？
微光电视利用月光、星光、气体辉光及其散射光所形成的自然环境照明，获取被摄目标场景的可见光图像，因此又称低照度电视（LLLTV）系统。
通常摄像靶面照度在1Lx以下为微光电视。
特点：
（1）图像信号转换成一维的电信号后，除可对信号进行频率特性补偿、γ校正等处理外，还可利用当前迅速发展的数字图像外理技术，改善显示图像的质量，增加图像的信息量。
（2）可实现图像的远距离传送，并可遥控摄像。
（3）改善了观察条件，可多人、多地点同时观察。
（4）可对被观察景物的图像信息作长时间录像存储，便于进一步分析研究。
但通常微光电视在体积、质量、功耗和操作维修等方面较逊于直视微光系统，特别是在图像分辨力的提高方面，微光电视系统已落后于直视微光系统。
3．目前国际上成熟的三种标准彩色电视制式是哪三种？
我国现行的电视体制的主要参数是什么？
6．摄影物镜的长焦距、中焦距和短焦距镜头大致是怎么划分的？
7．摄像物镜为什么存在最近摄影距离？
高斯公式：
P475
2、红外探测器要求哪些工作条件？
为什么？
1）工作条件：
入射辐射的光谱分布（入射到探测器相应平面上的光谱分布及空间辐射频率），探测器的几何参数（探测器的面积、形状及接受入射辐射信号的立体角），探测器的输出信号（信号电压和噪声电压），探测器的工作温度与背景辐射，探测器的阻抗，特殊工作条件（对于某些特殊器件还有湿度、入射辐射功率、视场立体角以及背景温度等）。
2）原因：
一个探测器的性能参数往往与探测器的测量方法和使用条件、几何尺寸及物理性质密切相关。
所以，在给出性能参数的同时，必须说明其工作条件。
6、简述SPRITE探测器的工作原理及其优点，导出其响应度关系式，分析提高响应度的途径。
1）优点：
2）原理：
3）推导响应度公式：
向右连续扫描时，设器件的尺寸为w*w，读出长度l<
W,且整个器件长度L>
>
l.在足够强的外加电场E作用
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