光电成像原理及技术课后题答案.docx

光电成像原理及技术课后题答案.docx

《光电成像原理及技术课后题答案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电成像原理及技术课后题答案.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

光电成像原理及技术课后题答案

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色？

在光电成像系统性能评论方面往常从哪几方面考虑？

答：

a、二者都有光学元件并且其目的都是成像。

而差别是光电成像系统中多了光电装换器。

b、敏捷度的限制，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照度就难以辨识；

时间上的限制，变化过去的影像没法存留在视觉上；

空间上的限制，分开的空间人眼将没法察看；

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．反应光电成像系统光电变换能力的参数有哪些？

表达形式有哪

些？

答：

变换系数：

输入物理量与输出物理量之间的允从关系。

在直视型光电成像器件用于加强可见光图像时，被定义为电镀增益G1，

光电敏捷度：

或许：

8.如何评论光电成像系统的光学性能？

有哪些方法和描绘方式？

答，利用分辨力和光学传达函数来描绘。

分辨力是以人眼作为接收器所判断的极限分辨力。

往常用光电成像系统在必定距离内能够

分辨的等宽黑白条纹来表示。

光学传达函数：

输出图像频谱与输入图像频谱之比的函数。

关于拥有线性实时间、空间不

变性成像条件的光电成像过程，完整能够用光学传达函数来定量描绘其成像特征。

第二章

6.影响光电成像系统分辨光景细节的主要要素有哪些？

答：

光景细节的辐射亮度（或单位面积的辐射强度）；

光景细节对光电成像系统接受孔径的张角；

光景细节与背景之间的辐射对照度。

第三章

13.依据物体的辐射发射率可见物体分为哪几种种类？

答：

依据辐射发射率的不一样一般将辐射体分为三类：

黑体，=1；

灰体，<1,与波长没关；

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，并议论其物理意义。

答：

普朗克公式：

普朗克公式描绘了黑体辐射的光谱散布规律，是黑体理论的基础。

斯蒂芬-波尔滋蔓公式：

表示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高升时，其光谱辐射的峰值波长向短波方向挪动。

最大辐射定律：

必定温度下，黑体最大辐射出射度与温度的五次方成正比。

第五章

1、像管的成像包含哪些物理过程？

其相应的理论或实验依照是

什么？

（1）像管的成像过程包含3个过程

A、将接收的轻微的可见光图像或不行见的辐射图像变换成电子图

像

B、使电子图像聚焦成像并获取能量加强或数目倍增

C、将获取加强后的电子图像变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取能量加强；或许利用微通道板中二次电子发射来增添电子流密度来进行图像加强

C过程：

利用的是荧光屏上的发光资料能够将光电子动能变换成光能来显示光学图像

2、像管是怎么分代的？

各代的技术改良特色是什么？

（1）A、零代微光像加强器技术B、一代级联式像加强器技术

C、采纳微通道板（MCP）的二代像加强器D、采纳负电子亲和势岁月极的三代像加强器E、超二代像加强器

F、超三代像加强器G、第四代像加强器

（2）①一代和零代的差别在于一代像加强其采纳了光学纤维面板将多级耦合起来，形成级联式的像加强器，一般为获取正像，耦合级数多取奇数，往常微三级

②二代和一代的根本差别在于：

它不是采纳多级级联实现光电子图像倍增，而是采纳在单级像加强器中设置MCP来实现光电子图像倍增。

③三代和二代近贴式像管近似，其根本差别在于岁月极，但对MCP也提出了更高的性能要求。

二代采纳的是表面拥有正电子亲和势的多晶薄膜构造

的多碱岁月极，三代采纳的则是负电子亲和势岁月极，所以三代拥有高增益、低噪声的有点。

11、光电发射为何会存在极限电流密度？

试剖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，像管保持光电发射要依靠于岁月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供应的。

岁月极的光电发射将产生空间电荷，此空间电荷所形成的附带电场与电子光学系统的电场方向相反。

跟着光电发射电流密度的增大，空间电荷的电场会增添到足以抵消电子光学系统所供应的电场。

假如忽视光电子的初速度，当岁月极画的法向场强为零时，光电发射就要遇到限制，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剖析其成像性

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。

这类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（包含像方焦距和物方焦距）成像性质：

①透镜作用地区较之透镜到物、像距离小得多，比焦距小得多，物、像、焦距均在场外。

②场区分为三个地区，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时透镜是汇聚的（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，汇聚本事越强

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，其作用为：

引走累积的负电荷；防备光反应给岁月极；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一定与可见光光子的能量同样。

25.荧光屏的变换效率与哪些要素有关？

为何说图像分辨力和发光效率对荧光粉颗粒度的要求是互相矛盾的？

（p192）荧光屏的变换效率与制作荧光屏自己的资料—晶态磷光体的变换效率有关，还

与屏的粉层厚度、粒度、入射电子的能量及铝膜的影响等要素有关。

一般，粒度越大变换效率越高。

可是，过厚的荧光屏将降低输出图像的分辨力。

厚度的

增添会致使光扩散的增大，分辨力将随之降落。

所以，粒度应当适合。

往常选用颗粒直径与

荧光屏厚度邻近，这样可获取发光效率与图像分辨力的最正确组合。

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）光纤面板是鉴于光芒的全反射原理进行传像的，因为光导纤维的芯料折射率高

于皮料的折射率，所以入射角小于全反射临界角的所有光芒都只好在内芯中反射。

所以每一

根光导纤维能独立地传达光芒，且互相之间不串光。

由大批光导纤维所构成的面板则能够传

递一幅光学图像。

光纤面板使像加强器获取以下长处：

①增添了传达图像的传光效率；②供应了采纳准球

对称

电子光学系统的可能性，进而改良了像质；③可制成锥形光纤面板或光学纤维扭像器。

32.为何MCP大多采纳斜通道或曲折通道的形式？

（196、205）往常MCP不垂直于端面，而拥有7°—15°的斜角。

一方面可提升通道内的二次电子发射次数，另一方面也可使正离子不可以穿出通道，除去或减少离子反应。

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概有以下几点：

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订。

④物镜有好的调制传达特征。

⑤最大限度的除去杂散光，杂散光对低信噪比的光电成像的影响比较显然，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，一定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点。

第六章

9.成像物镜主要分为哪几种种类？

各样种类的典型形式是如何的？

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。

双高斯构造是微光成像系统中大相对孔径的基本型，因为这类构造较简单在较宽光谱范围内修正像差，属于基本对称型构造，使轴外像差能自动抵消。

在仪器视场不大的状况下，可用匹

茲伐型物镜，其基本构造是两个正光焦度的双胶透镜，构造简单，球差和慧差校订较好，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。

最常有的是双反射镜。

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独自使用，椭球面和双曲面反射镜因为其光学焦点和几何焦点不重合，慧差大，像质欠佳，往常和其余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纳球面镜，而用加入赔偿透镜的方法校订球面镜的球差，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.红外物镜有关于可见光物镜有什么不一样？

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要素之一是来自光景的辐射噪声。

加大物镜的孔径能最大限度地接收来自目标的辐射，获取大的靶面照度，即大的通光孔径有益于提升微光系统的信噪比。

（2）小的渐晕。

（3）宽光谱范围的色差校订。

校订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～微米（，对微光成像系统为～微米，对热成像系统为～14微米）。

（4）物镜有好的调制传达特征。

像管为低通滤波器，目前的极限分

辨力为30～70lp/mm，往常要求物镜在10lp/mm的空间频次时MTF不

低于75%。

（5）最大限度地除去杂散光，杂散光对低信噪比的光电成像的影响比较显然，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，一定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点。

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色是什么？

其主要包含哪几部分？

答：

特色

（1）供应稳固的直流高压，使像管工作时保持适合的输出亮度；

（2）性能稳固，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）关于选通系统，应供应选通周期、脉宽以及延时可调的选通

电压；

（5）对自动快门，能够依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。

包含以下几个部分：

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沟通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的沟通，则：

（1）正半周：

假定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，C1两头

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，C2两头电压为2倍V2，送至输出端口为2倍V2的直流。

15、为何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邻近，在照耀远距离目标时，探照

灯光轴特别靠近系统光轴。

照耀光束在大气传输过程中被大气散射，此中一部分后向散射将

进入察看视场，在成像面上造成一个附带背景，进而降低成像的对照度和清楚度。

在能见度

差的状况下，这一影响是主动红外成像系统性能的一个基本限制要素，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获得如何的成效？

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，从时间上分开不一样距离上的散射

光和目标的反射光，使由被察看目标反射回来的辐射脉冲恰幸亏像管选通工作时抵达像管并

成像。

因为辐射脉冲在投向目标过程中所产生的后向散射辐射抵达接收器时，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加强器的要求。

答：

在设计直视型夜视成像系统时，应当提升加强器极限分辨力m0；为使系统性能尽可

能达到光子噪声限，像加强器暗背景噪声应尽可能减小，往常要求

Eb

L0RA2（2

C）

G；还需注意几点：

像加强器的输入

8

;还要求像加强器有较高的

输出窗种类、荧光屏种类以及调制传达函数（

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经过控制像加强器外加电压的方法来控制它的增

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。

级联像加强器高压电源及ABC电路

工作原理：

图为级联像加强器高压电源，此中包含典型的ABC电路。

ABC电路实质是一

个带负反应的直流低压电源，输出的直流电压E1到直流变换电路，变为沟通电压后再经升

压变压器及倍压整流滤波电路后供应像加强器。

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。

当岁月极入射照度Ec上涨时，

供应像加强器的电流上涨，ABC电路的输出电压E1降落，最后致使供应像加强器的直流高

压降落而降低了像管的增益，起到保持荧光屏亮度基本不变的作用。

21、物镜和像加强器的参数如何影响系统的极限分辨力的？

答：

图见P2296-29。

在像加强器暗噪声可忽视的前提下，物镜和像管参数对系统极限

分辨特征的影响以下图。

①物镜焦距从f’增大到10f’，在大于星光照度10-3lx状况下，系统分辨力获取显然

改良，反之则改良很小；

②物镜直径从D增大到10D，在低于满月光10-1lx状况下，系统分辨力获取显然改良，

大于满月光改良很小；

③岁月极敏捷度从s提升到10s，在低于10-2lx照度范围，系统获取最大改良；；

④增添系统累积时间t得与光敏捷度s近似的改良；

-4-1

⑤提升像加强器极限分辨力m0，在10~10lx目标照度范围对系统分辨力供应一般的

改良。

当D、s、t一同增添时这类改良更存心义。

P245

22、为何要对像加强器进行强光保护？

如何实现？

答：

因为若察看场景中向来存在强光源，则像管荧光屏会出现局部

饱和，影响像管寿命，甚至造成像管不行逆的破坏。

传统的防备方法

有分压法和散焦法，但对察看有不利影响。

自动快门电路依据像管光电源大小对像管实行自动中断供电，能够防

强光。

23、试述像管加强器背景噪声对系统极限分辨特征的影响

答：

像加强器存在的噪声（如暗噪声）将使像管输出图像对照度恶

化，分辨力降落。

像加强器存在等效背景照度Eo时，系统极限分辨

角增大，表示以下

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散布的光学图像变换为一维时间变化的

视频信号的过程，达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变换，将两

维空间散布的光强转变为两维散布的电荷量。

B、摄像管电荷储存元件在一帧周期内连续累积光敏元件产生

的电荷，并保持电荷量的空间散布，这一储存电荷的元件称

之为靶。

C、摄像管电子枪产生空间两维扫描的电子束，在一帧周期内达成全靶面的扫描，逐点扫描的电子束抵达靶面的电荷量与靶面储存的电荷量有关，受靶面储存的电荷量的调制，在输出电路上产生与被扫描点辐照耀强度成比率的信号，即视频信号。

3、摄像管的构造由几部分构成？

各部分的作用是什么？

答：

主要由光电变换与储存部分和信号阅读部分两大多半构成。

A、光电变换与储存部分：

将光学图像变为电荷图像，并在整个

帧周期内在靶上连续地对图像上的任一像元累积电荷信号。

B、信号阅读部分：

从靶面上拿出信号

4、摄像管是如何分类的？

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：

可按下边3种方法分类：

a按电荷累积方式分类b按光电变

换形式分类c按视频信号读出方式分类

此中按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色？

拥有什么性质？

答：

（1）热释电摄像管的靶是热释电靶，是拥有热释电效应的铁电体资料所制成的；

（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是优秀的绝缘体，简单累积电荷。

20、简述热释电摄像管的工作过程。

为何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：

详细答案在课本节（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）加基底电荷的原由：

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，故靶面信号电荷一定为正。

而靶是绝缘体，信号电荷又是静电的约束电荷，扫描

电子束着靶的负电荷不可以在帧周期内导走，所认为了防备热释电摄像管中靶面上产生负电荷

累积，一定在每次电子束扫描后都给靶面供应必定量的正电荷；

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；泄露电流法。

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？

各有何优弊端？

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。

为了能连续摄入图像，要求热释电摄像管在每次电子束扫描靶面后，能够从头产生靶面的静电电荷图像。

详细方法：

平移式：

摄全景式：

——长处：

装置简单。

但图像总在运动，不便于察看，热目标后边沿有黑色拖尾

斩光式——弊端：

附带斩光装置及其有关系统，斩光速度与扫描速度协调，一定加校订电路

将负极性新后倒相

P366

3、什么是CCD的开启电压？

为何实质工作中CCD的开启电压一定

考虑平带电压？

平带电压又是如何的？

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）特征常常与实质测得的C（Vg）特征不完整一致，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

因玷辱产生的可动电荷等要素的影响作用，所以，一定对理想状况下的结果进行修正。

因为上述要素的影响，表面能带向下曲折，为了使表面能带由曲折变为平直，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？

如何减少界面态的影响？

什么是“胖零”

工作模式？

为何SCCD要采纳“胖零”工作模式？

解：

界面态即界面圈套电荷，主假如指Si-SiO2界面到处于禁带中的局部能级，它可在短时

间与衬底半导体互换电荷，是表面复合和散射的主要成因，它主假如对表面沟道的CCD的转

移效率产生重要影响。

采纳埋沟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，可采纳“胖

零”工作模式。

“胖零”工作模式：

用必定数目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，而从界面态开释出来的电荷又能够跟上本来的电荷包。

信号电荷包

损失到界面态中去的电荷，可能与它从界面态获取的电荷相等，进而在必定程度上减少了界

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界面惹起的电荷转移损失降

到最小。

6、简述BCCD工作原理，说明BCCD工作的特色，并与SCCD比较各自

的优弊端。

解

7、以三相CCD为例，说明决定其工作频次的上下限要素是什么？

解：

9、面阵CCD有几种工作模式？

各有什么优弊端？

解：

常会面阵CCD摄像器件有两种构造：

行间转移构造（LT-CCD）和帧/场转移构造（FT-CCD）。

10、什么是加强型CCD？

加强型CCD有哪些耦合种类或工作方式？

答：

像加强器与CCD耦合在一同，构成图像加强型CCD（ICCD）。

加强型CCD有两种耦合方式：

光学耦合方式和光纤耦合方式。

P366

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，各有什么公优弊端？

答：

CMOS图像传感器的光电变换原理与CCD基真同样，其光敏单元遇到光照后

产生光生电子。

而信号的读出方法却与CCD不一样，每个CMOS源像素传感单元都

有自己的缓冲放大器，并且能够被独自选址和读出，工作时仅需工作电压信号，

而CCD读守信号需要多路外面驱动。

优弊端比较：

CMOS与CCD图像传感器对比，拥有功耗低、摄像系统尺

寸小，可将图像办理电路与MOS图像传感器集成在一个芯片上等长处，但其图像

质量（特别是低亮度环境下）与系统灵巧性与CCD的对比相对较低。

敏捷度代表传感器的光敏单元采集光子产生电荷信号的能力，而CCD敏捷度