光電成像系統(tǒng)復(fù)習(xí)

光電成像系統(tǒng)基礎(chǔ)理論第一章：人眼視覺性能的局限性；靈敏度的限制：光線很差時(shí)人的視覺能力很差；分辨力的限制：沒有足夠的視角和對(duì)比度就難以辨識(shí)；時(shí)間上的限制：變化過去的影像無(wú)法存留在視覺上；空間上的限制：離開的空間人眼將無(wú)法觀察；光譜上的限制：人眼局限于電磁波的可見光區(qū)；因此，眼睛的直觀視覺只能有條件地提供圖像信息，為了突破人眼的限制催生了光電成像技術(shù)這門學(xué)科。擴(kuò)展視見光譜范圍、視見靈敏度和時(shí)空限制。光電成像系統(tǒng)的分類以及各自的工作方式；直視型光電成像系統(tǒng)工作方式：①通過外光電效應(yīng)將入射的輻射圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像；②由電場(chǎng)或電磁場(chǎng)的聚焦加速作用進(jìn)行能量增強(qiáng)以及通過二次發(fā)射作用進(jìn)行電子倍增;③經(jīng)過增強(qiáng)的電子圖像轟擊熒光屏，激發(fā)熒光屏產(chǎn)生可見光圖像。電視型光電成像系統(tǒng)工作方式：①接收二維的光學(xué)圖像或熱圖像,②利用光敏面的光電效應(yīng)或熱電效應(yīng)將其轉(zhuǎn)換為二維電荷圖像并進(jìn)行適當(dāng)時(shí)間的存儲(chǔ),③然后通過電子束掃描或電荷耦合轉(zhuǎn)移等方式,輸出一維時(shí)間的視頻信號(hào)。變像管與像增強(qiáng)器的異同。變像管：接受非可見輻射圖像的直視型光電成像器件：紅外變像管、紫外變像管和X射線變像管等。共同特點(diǎn)：入射圖像的光譜和出射圖像的光譜完全不同，輸出圖像的光譜是可見光。像增強(qiáng)器：接受微弱可見光圖像的直視型光電成像器件：級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)器、帶微通道板的像增強(qiáng)器、負(fù)電子親和勢(shì)光陰極的像增強(qiáng)器等。共同特點(diǎn)：輸入的光學(xué)圖像極其微弱，經(jīng)器件內(nèi)電子圖像的能量增強(qiáng)和數(shù)量倍增后通過熒光屏輸出可見光學(xué)圖像。第二章：絕對(duì)視覺閾、閾值對(duì)比度、光譜靈敏度；人眼的絕對(duì)視覺閾所謂人眼的絕對(duì)視覺閾，是在充分暗適應(yīng)的狀態(tài)下，全黑視場(chǎng)中，人眼感覺到的最小光刺激值(用照度表示，單位lx)，在10-9數(shù)量級(jí)。人眼的閾值對(duì)比度閾值對(duì)比度是指在一定背景下把目標(biāo)鑒別出來(lái)所必須的目標(biāo)在背景中的襯度(對(duì)比度C)。C的倒數(shù)成為反襯靈敏度。人眼的光譜靈敏度人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的靈敏度響應(yīng)，不同人的眼睛，對(duì)波長(zhǎng)靈敏度響應(yīng)也有差異。在可見光區(qū)域內(nèi)，任意波長(zhǎng)與555nm波長(zhǎng)處的輻射功率之比稱為光譜靈敏度，其構(gòu)成的曲線就稱為光譜響應(yīng)曲線。約翰遜準(zhǔn)則對(duì)探測(cè)水平的分級(jí)及其各自的定義；

人眼在搜索目標(biāo)像時(shí)，眼睛的連續(xù)響應(yīng)可分為探測(cè)（發(fā)現(xiàn)）、定向、識(shí)別和辨別四個(gè)等級(jí)（探測(cè)水平）。探測(cè)視場(chǎng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)分辨力1.0左右定向可大致區(qū)分目標(biāo)是否對(duì)稱及方位1.4識(shí)別可將目標(biāo)分類分辨力4.0辨別區(qū)分型號(hào)及其他特征6.4Rand探測(cè)-識(shí)別模型。Rand模型（變量分離方法）：P=P-P-P-nR 1 2 3其中，PR是顯示器上目標(biāo)的識(shí)別概率，P1是搜索一個(gè)確定的包含有目標(biāo)的面積時(shí)，掃視到目標(biāo)的概率；P2是掃視到的目標(biāo)被探測(cè)的概率，稱為對(duì)比度探測(cè)；P3是探測(cè)到的目標(biāo)被識(shí)別的概率；n是總的噪聲引起的衰減因子。Rand模型如何把搜索過程簡(jiǎn)單化？探測(cè)一識(shí)別模型沒有考慮噪聲對(duì)P1、P2、P3影響，用總噪聲的衰減因子表示噪聲對(duì)識(shí)別概率的影響：1-exp「-（SNR-1）"|n=S 」,SNR>1 式中，SNR是輸出顯示信噪比。0, SNR<1探測(cè)一識(shí)別Rand模型采用了分離變量的方法，使P1、P2、P3表示為不受噪聲影響的少數(shù)幾個(gè)參數(shù)的函數(shù)，并把噪聲項(xiàng)進(jìn)行單獨(dú)處理，從而把問題簡(jiǎn)單化。第三章：基爾霍夫定律及其物理意義;基爾霍夫定律的物理意義:基爾霍夫（1859）定律：物體的發(fā)射本領(lǐng)e入或輻射出射度M和吸收本領(lǐng)a的比值與物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，只與波長(zhǎng)和溫度有關(guān)，都等于同一溫度下絕對(duì)黑體（a=1）的輻射出射度M0,即:基爾霍夫定律的物理意義:M1=M2=-=M=f（T）aa 012吸收本領(lǐng)大的物體，其發(fā)射本領(lǐng)也大，如果物體不能發(fā)射某一波長(zhǎng)的輻射能，那么它也不能吸收該波長(zhǎng)的輻射能，反之亦然。輻射度量與光度量的聯(lián)系與區(qū)別；光輻射度量有兩套度量系統(tǒng)：輻射度學(xué)和光度學(xué)。輻射度學(xué)建立在物理測(cè)量基礎(chǔ)上，是輻射能的客觀度量，不受人眼主觀視覺的限制，適用于整個(gè)光輻射范圍；輻射度學(xué)參數(shù)是純粹的技術(shù)參數(shù)，不涉及光對(duì)人類的影響作用，這些參數(shù)可從功率單位瓦特推導(dǎo)得到。光度學(xué)建立在人眼對(duì)光輻射的主觀感覺基礎(chǔ)上，需要考慮人眼的光譜響應(yīng)曲線，是心理物理法的測(cè)量，不適用于紅外輻射、紫外輻射；光度學(xué)參數(shù)是從光通量單位流明推導(dǎo)得到。波長(zhǎng)入的輻射通量p入和引起人眼感受的光通量e入的關(guān)系：①=k-v-p久 m久久對(duì)于某波段［入a,入b］的輻射功率所產(chǎn)生的光通量為： =式中，△入=入i-入i-1，是第i個(gè)波長(zhǎng)區(qū)間的寬度。①-叫=P嚴(yán)①九樸=Km￡V?P從i=aai=a紅外目標(biāo)仿真器的基本要求；目前通過哪幾種技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)。紅外場(chǎng)景仿真器的6個(gè)技術(shù)要求

溫度范圍溫度分辨力一紅外目標(biāo)仿真器產(chǎn)生的最小溫差空間分辨力一紅外仿真器產(chǎn)生場(chǎng)景的空間分辨水平動(dòng)態(tài)范圍(灰度級(jí))時(shí)間分辨力目標(biāo)圖像尺寸紅外目標(biāo)仿真的方法：熱輻射法：直接產(chǎn)生紅外輻射；通過溫度控制產(chǎn)生紅外輻射?？梢姽?紅外圖像變換法：用可見光-紅外圖像變換器將可見光進(jìn)行波長(zhǎng)變換，產(chǎn)生紅外圖像。視型光電成像系統(tǒng)第五章：像管的性能參數(shù)；光譜響應(yīng)特性.增益特性背景特性成像特性負(fù)電子親和勢(shì)光陰極對(duì)于正電子親和勢(shì)光陰極，遷移到表面的受激電子必須克服電子親和勢(shì)才能產(chǎn)生光電發(fā)射,限制了這種類型光陰極的量子效率提高以及向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向擴(kuò)展。負(fù)電子親和勢(shì)能夠大大改善這兩個(gè)方面。光敏面發(fā)射電子過渡過程的分析(中心區(qū)電位的變化)；對(duì)于選通式的像管或者是連續(xù)像管在輸入突變的輻射信號(hào)時(shí)，在光敏面中心區(qū)將產(chǎn)生光電轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過渡過程：中心區(qū)因接受瞬間強(qiáng)輻射而失去大量的電子，由于面電阻高使得在此瞬間不能及時(shí)補(bǔ)充失去的電子，導(dǎo)致中心區(qū)的電位升高，從而造成光敏面上的電位不一致。規(guī)范化電位；規(guī)范化電位：表示選擇電子動(dòng)能為零的地方作為電位的零點(diǎn)，用該規(guī)范化電位直接表示電子r(r(z)=r(z)r(z)+r(z)r(z)0102=r'(z)r(z)02電子光學(xué)系統(tǒng)軸上點(diǎn)和軸外點(diǎn)理想成像的討論對(duì)于軸上點(diǎn)，有r(zO)=O,高斯軌跡方程解的形式為:對(duì)于會(huì)聚電子透鏡，電子受到向軸的徑向力作用，以單位斜率發(fā)射的電子沿z軸方向運(yùn)動(dòng)一段距離以后必交與z=zi點(diǎn)，所以有r(z)=r'(z)r(z)i 0 2i因此，軸上點(diǎn)z0的電子以單位斜率發(fā)射的特解成像于軸上點(diǎn)zi，根據(jù)二階線性齊次方程，其余不同斜率發(fā)射的電子也將成像于該像點(diǎn)zi。對(duì)于離軸點(diǎn)，并且考慮離軸單位距離平行發(fā)射電子的這個(gè)特解，高斯軌跡方程解的形式為：r(z)=r(z)r(z)+r'(z)r(z)i 0 1i 0 1i=r(z)r(z)0 1i即：物平面z=z0上的離軸點(diǎn)平行發(fā)射的電子成像于像平面z=zi上的某一點(diǎn)，根據(jù)二階線性齊次方程或者上式解的形式，物平面上該物點(diǎn)以不同的斜率發(fā)射的電子都將在像平面上會(huì)聚于該像點(diǎn)，該像點(diǎn)坐標(biāo)為： z=zi，r=r(z)=r(z)r(z)因此，不管是軸上點(diǎn)還是離軸點(diǎn)，不同斜率發(fā)射的所有電子都能會(huì)聚于像平面上同一點(diǎn),

像點(diǎn)與物點(diǎn)互為共軛點(diǎn)，像平面z=zi是物平面z=zO的共軛像面。電子光學(xué)與幾何光學(xué)的區(qū)別；＞電子光學(xué)中的規(guī)范化電位和矢量磁位函數(shù)是漸變的，故電子光學(xué)折射率是空間位置的連續(xù)函數(shù)，其電子軌跡不可能是突變折射的連續(xù)曲線，且可隨電壓的調(diào)節(jié)而變化,幾何光學(xué)由于折射率是突變的，是一定值，光線是折線；（類似漸變折射率晶體）＞電子光學(xué)的折射率具有任意的數(shù)值，而光學(xué)折射率只是在1?2.5之間變化，因此光學(xué)透鏡的折射能力不強(qiáng)，而電子透鏡可以形成很強(qiáng)的折射能力，從而引起幾何光學(xué)中不可能發(fā)生的現(xiàn)象；＞電子光學(xué)系統(tǒng)中，折射率隨著邊界的確定而完全確定，不能自由改變和選擇來(lái)消除像差，但幾何光學(xué)中可以；＞電磁復(fù)合場(chǎng)的電子光學(xué)系統(tǒng)中，由于磁場(chǎng)的存在使得折射率與電子運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，因此電磁復(fù)合場(chǎng)中電子的運(yùn)動(dòng)軌跡不可逆，類似于幾何光學(xué)中各向異性介質(zhì)中傳輸?shù)墓饩€；＞電子光學(xué)系統(tǒng)折射率與電子速度的絕對(duì)值有關(guān)，某點(diǎn)的折射率對(duì)于同一陰極發(fā)出的初速不同的電子有不同的數(shù)值，因此會(huì)出現(xiàn)色差；而幾何光學(xué)中色差是由于折射率與波長(zhǎng)之間的關(guān)系引起。＞某些時(shí)候，電子光學(xué)理論中必須考慮電子之間的斥力，而幾何光學(xué)中不存在判斷電子透鏡發(fā)散和會(huì)聚的方法；1） 利用軸上電位的二階導(dǎo)數(shù)判斷靜電透鏡最終是會(huì)聚還是發(fā)散；2） 根據(jù)折射定律分析電子運(yùn)動(dòng)軌跡的趨勢(shì)判斷靜電透鏡最終是會(huì)聚還是發(fā)散；3） 利用電子透鏡的焦距公式，依據(jù)焦距的正負(fù)判斷靜電透鏡是會(huì)聚還是發(fā)散。8?MCP工作電壓與長(zhǎng)徑比如何取值；微通道的長(zhǎng)徑比a:實(shí)驗(yàn)表明，只要微通道的長(zhǎng)徑比a—定，則電流增益不變。由簡(jiǎn)化式可知，長(zhǎng)徑比的最佳值:工作電壓U：最佳工作電壓:4e2Va2U工作電壓U與最佳長(zhǎng)徑比之間具有確定的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通常取U=22a （單位： v）KU24eV09.MCP的離子反饋離子反饋：MCP工作于像管內(nèi)壁的真空狀態(tài)下，像管內(nèi)具有殘余的氣體分子，它們?cè)贛CP（輸出端）將受到密集的二次電子碰撞電離，碰撞電離產(chǎn)生的正離子在電場(chǎng)作用下轟擊像管的光陰極而產(chǎn)生電子發(fā)射，從而在熒光屏產(chǎn)生亮斑（離子斑）。10.電子透鏡的成像公式和焦距公式。電子透鏡的成像關(guān)系式:高斯公式:牛頓公式:電子透鏡的成像關(guān)系式:高斯公式:牛頓公式:ff1ll0 ixx=ff0i 0i電子透鏡的焦距公式:1--像方焦度，其中--物方焦度，其中申是電子飛出處的電位電子透鏡的焦距公式:1--像方焦度，其中--物方焦度，其中i9是電子飛入處的電位0主動(dòng)與被動(dòng)紅外成像系統(tǒng)的主要部件；直視型主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)的主要部件：紅外照明光源、物鏡、紅外變像管/具有近紅外延伸的像增強(qiáng)器、目鏡，圖6-1。發(fā)射一反射一大氣傳輸一接收一光電轉(zhuǎn)換一圖像增強(qiáng)一可見光圖像顯示直視型微光成像系統(tǒng)的主要部件：微光物鏡、像增強(qiáng)器、目鏡，圖6-3。反射、大氣傳輸一接收一光電轉(zhuǎn)換一圖像增強(qiáng)一可見光圖像顯示主動(dòng)與被動(dòng)紅外成像系統(tǒng)的異同；主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)工作在近紅外波段的特點(diǎn)：＞充分利用軍事目標(biāo)和自然界景物之間反射能力的顯著差異。圖6-2的典型目標(biāo)反射光譜曲線，利用反射光譜曲線在某一波段的差異獲得高對(duì)比度的目標(biāo)與背景細(xì)節(jié)。(識(shí)別偽裝)＞近紅外輻射比可見光受大氣散射的影響小，具有較高的大氣透射比。惡劣天氣情況除外。＞主動(dòng)成像系統(tǒng)工作不受環(huán)境照明的影響，可在“全黑”條件下工作，并且可利用窄光束照明，從而使得目標(biāo)與背景的反差增大，獲得較為清晰的圖像。直視型微光成像系統(tǒng)工作的特點(diǎn)：＞被動(dòng)式工作，靠自然光照明景物，隱蔽性好，但是目標(biāo)與景物之間反差小，圖像較平淡，層次不夠分明。＞系統(tǒng)受自然照度和大氣透明度影響較大，尤其是在濃云和地面煙霧較濃的情況下，景物照度和對(duì)比度會(huì)明顯下降。拋物面反射鏡對(duì)主動(dòng)成像系統(tǒng)的影響；影響：、實(shí)際散射角稍大于理想散射角；、可確定出全發(fā)光距離，由反射鏡結(jié)構(gòu)和光源半徑?jīng)Q定，與光源亮度無(wú)關(guān)。、使系統(tǒng)軸向光強(qiáng)只取決于光源亮度、反射鏡的光孔面積及反射比。、通常軸向光最強(qiáng)，光強(qiáng)隨散射角增大而衰減，一般用光強(qiáng)降到中心強(qiáng)度10%對(duì)應(yīng)的散射角表示系統(tǒng)的散射角大小。主動(dòng)、被動(dòng)成像系統(tǒng)最大工作距離的估算方法。視距估算列線圖視距等效處理方法非直視型光電成像系統(tǒng)第七章：攝像管成像的物理過程以及攝像管的必備功能；攝像管成像的物理過程：攝像管光敏元件接收二維空間分布的圖像信號(hào)并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換成二維空間分布的電荷量;攝像管電荷存儲(chǔ)元件(靶)在一幀周期內(nèi)連續(xù)積累光敏元件的電荷量并保持其空間分布;攝像管電子槍產(chǎn)生空間二維掃描的電子束，在一幀周期內(nèi)完成全靶面的掃描，在輸出電路上產(chǎn)生與被掃描點(diǎn)輻射強(qiáng)度成比例的視頻信號(hào)。攝像管的必備功能：圖像的寫入、存儲(chǔ)過程，即輸入的光學(xué)圖像照射在靶面上產(chǎn)生電荷圖像并積累一段時(shí)間;圖像的閱讀、擦除過程，即電子槍的掃描電子束從靶面上取出視頻信號(hào)。視頻信號(hào)的形成過程(無(wú)光照和有光照時(shí))無(wú)光照時(shí)，被電子束掃描后，電容器開始沿著RdC回路放電，掃描側(cè)A的電位VAd隨電容器C的放電從零開始上升，其值VAd=VT[l-exp(-l/RdC)],所以在幀周期Tf(40ms)內(nèi)，A點(diǎn)電位的最大值VAdm=VT[1-exp(-Tf/RdC)]，如果暗電阻很大，則VAdm=0；當(dāng)掃描再次來(lái)臨時(shí)，與靶電源一起構(gòu)成的回路中C充電，A點(diǎn)電位下降，其值VAd=VAdm{exp[-1/(Rb+RL)C}~VAdm{exp[-1/RbC]}有強(qiáng)光照射時(shí)，被電子束掃描后，電容器開始沿著RC回路放電，掃描側(cè)A的電位VAd隨電容器C的放電開始上升，其值VAe=VT[1-exp(-1/ReC)]，所以在幀周期Tf內(nèi)，A點(diǎn)電位的最大值VAem=VT[1-exp(-Tf/ReC)]；當(dāng)掃描再次來(lái)臨時(shí)，束電阻等與靶電源一起構(gòu)成回路向C充電,A點(diǎn)電位下降，其值VAe=VAem{exp[-1/(Rb+RL)C}~VAem{exp[-1/RbC]}因此，由于強(qiáng)光照射產(chǎn)生的有效信號(hào)為△V=VAem-VAdm。降低電容性惰性的方法；減小靶的等效電容。選取介電常數(shù)較低的靶材料；不影響光電導(dǎo)效應(yīng)以及分辨力的情況下增加靶的厚度。降低電子束的等效電阻。在不影響電子束電流的前提下降低發(fā)射電子束的等效溫度，從而使束電阻減小。選取合適的電子透鏡使得電子速度的分散仍保持發(fā)射時(shí)的分布，使得電子束溫度較低達(dá)到較低的目的(層流電子槍，利用長(zhǎng)焦距電子透鏡)。在低照度攝像時(shí)增加背景光。掃描電子束的束電阻下降時(shí)可提高電子束的電流值，因此加大輸出信號(hào)也可減小惰性。為了提高電子束電流值，在攝取低照度圖像時(shí)人為地反饋給靶面一個(gè)均勻的底光，使輸出信號(hào)電流疊加一個(gè)背景電流，從而減小惰性。底光產(chǎn)生的背景電流是直流量，可以由隔直電容加以濾除。掃描電子束對(duì)攝像管分辨力的影響；如果電子束落點(diǎn)尺寸不等線寬，垂直分辨力隨著束點(diǎn)尺寸的變化而變化。如果束點(diǎn)尺寸增大，垂直分辨力將會(huì)下降。這是由于在掃描時(shí)，同時(shí)取走了相鄰線條的信號(hào)，使它們相互混淆所致。此外，垂直分辨力還與束點(diǎn)上的電流密度分布有關(guān)。通常束截面上的電流密度服從高斯分布。所以束點(diǎn)中心和邊緣部分的閱讀能力不同。如果設(shè)計(jì)均勻密度分布的束點(diǎn)，閱讀效果及分辨力會(huì)大大改善束點(diǎn)尺寸對(duì)水平分辨力的影響稱為孔闌效應(yīng)。為了減小孔闌效應(yīng)，應(yīng)縮小束點(diǎn)的水平尺寸。熱釋電效應(yīng)；所謂熱釋電效應(yīng)，是晶體在沒有外加電場(chǎng)和應(yīng)力的情況下，它具有自發(fā)的或永久的極化強(qiáng)度，且這種電極化強(qiáng)度隨晶體本身溫度的變化而變化。熱釋電效應(yīng)是少數(shù)介電晶體(鐵電體)所特有的一種性質(zhì)。溫度降低時(shí)電極化強(qiáng)度升高，相反，溫度升高時(shí)電極化強(qiáng)度降低。熱釋電攝像管光電轉(zhuǎn)換的基本原理；在束縛面電荷被中和之前的時(shí)間內(nèi)，鐵電體的溫度發(fā)生變化時(shí)，晶體的自發(fā)電極化強(qiáng)度將隨著溫度的變化而變化，相應(yīng)的束縛面電荷也隨之變化，從而完成溫度變化轉(zhuǎn)化為束縛面電荷的變化。熱釋電攝像管實(shí)際應(yīng)用時(shí)考慮的因素。①熱點(diǎn)系數(shù)n。熱電系數(shù)的數(shù)值越大，則攝像管的靈敏度越