光电成像原理及技术部分答案.docx

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1、光电成像原理及技术部分答案第一章 5.光学成像系统与光电成像系统的成像过程各有什么特点？在光电成像系统性能评价方面通常从哪几方面考虑？ 答：a、两者都有光学元件并且其目的都是成像。而区别是光电成像系统中多了光电装换器。 b、灵敏度的限制，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比度就难以辨认； 时间上的限制，变化过去的影像无法存留在视觉上； 空间上的限制，隔开的空间人眼将无法观察； 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反映光电成像系统光电转换能力的参数有哪些？表达形式有哪些？ 答：转换系数：输入物理量与输出物理量之间的依从关系。 在直视型光电成像器

2、件用于增强可见光图像时，被定义为电镀增益G1， 光电灵敏度： 或者： 8.怎样评价光电成像系统的光学性能？有哪些方法和描述方式？ 答，利用分辨力和光学传递函数来描述。 分辨力是以人眼作为接收器所判定的极限分辨力。通常用光电成像系统在一定距离内能够分辨的等宽黑白条纹来表示。 光学传递函数：输出图像频谱与输入图像频谱之比的函数。对于具有线性及时间、空间不 1 变性成像条件的光电成像过程，完全可以用光学传递函数来定量描述其成像特性。 第二章 6.影响光电成像系统分辨景物细节的主要因素有哪些？ 答：景物细节的辐射亮度； 景物细节对光电成像系统接受孔径的张角； 景物细节与背景之间的辐射对比度。 第三章

3、13.根据物体的辐射发射率可见物体分为哪几种类型？ 答：根据辐射发射率的不同一般将辐射体分为三类： 黑体，=1； 灰体，1,与波长无关； 选择体，0时透镜是会聚的，(z)0时透镜是发散的，且f与(z)成反比，即(z)越大f越小，会聚本领越强 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？ 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？ 受激辐射可见光的条

4、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？ 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， 5 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.光纤面板的传像原理是什么？像管应用光纤面板有什么优点？ 光纤面板是基于光线的全反射原理进行传

5、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：增加了传递图像的传光效率；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；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？ 通常MCP不垂直于端面，而具有715 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

6、什么？ 夜视成像系统对物镜的基本要求大致有以下几点： 大的同光口径和相对孔径。 6 小的渐晕。 宽光谱范围的色差校正。 物镜有好的调制传递特性。 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。 在红外光学系统中，必须同时可虑聚光系统和扫描系统。 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？ 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。 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

7、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。 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。 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 7 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

8、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？ 答：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。 小的渐晕。 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0.651.2微米。 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3070lp/mm，通常要求物镜在10lp/mm的空间频率时MTF不低于75%。 最大限度地消除杂散光，杂散光对低信噪比的光电成

9、像的影响比较明显，减小物镜的杂散光可减小像质的变坏。 在红外光学系统中，必须同时考虑聚光系统和扫描系统。 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 8 12、像管直流高压电源的特点是什么？其主要包括哪几部分？ 答：特点 提供稳定的直流高压，使像管工作时保持合适的输出亮度； 性能稳定，在高低温环境下保证仪器正常工作； 实现自动亮度控制功能； 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； 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； 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

10、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： 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; 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。 9 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？ 答：在主动红外成像系统中，照明系统安装在接收器附近

11、，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？ 10 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

12、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。 答：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Eb2pL0tRA(2-C)8;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。 20、试述像管使用自动亮度增益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。 11 级联像增强器高压电源及ABC电路

13、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

14、系统的极限分辨力的？ 答：图见P229 6-29。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； 12 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10-410-1lx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。

15、P245 22、为什么要对像增强器进行强光保护？如何实现？ 答：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 答：像增强器存在的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

16、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转换，将两维空间分布的光强13 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？ 答：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

17、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？ 答：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？ 答：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； 性质：利用热释电效应工作，仅对随时间变化的热辐射有响应； 是良好的

18、绝缘体，容易积累电荷。 14 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？ 答：工作过程：具体答案在课本7.4.2节，这里只写大标题 热释电靶的单筹化； 靶面电荷图像的形成； 热释电靶电荷图像的读出。 (2)加基底电荷的原因： 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； 电荷图像读出时：同上 方法：

19、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？ 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 15 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：C

20、CD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特性往往与实际测得的C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ms、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。 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？ 解：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

21、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 16 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

22、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？ 解： 17 9、面阵CCD有几种工作模式？各有什么优缺点？ 解：常见面阵CCD摄像器件有两种结构：行间转移结构和帧/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？ 答： 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。 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， 18 各有什么公优缺点？ 答： CMOS图像传感器的光电转换原理

23、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

24、电压转换率略优于CCD。动态范围表示器19 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，而精心制作的CCD的暗电流密度为210 pA/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？ 答：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系统

25、。通常摄像靶面照度在1Lx 20 以下为微光电视。 特点：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、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。 可实现图像的远距离传送，并可遥控摄像。 改善了观察条件，可多人、多地点同时观察。 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？ 答： 6摄影物镜的长焦距

26、、中焦距和短焦距镜头大致是怎么划分的？ 21 答： 7摄像物镜为什么存在最近摄影距离？ 答： 高斯公式： P475 2、红外探测器要求哪些工作条件？为什么？ 答：1）工作条件：入射辐射的光谱分布，探测器的几何参数，探测器的输出信号，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。 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22 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。 答：1）优点： 2）原理： 23 24 3）推导响应度公式： 向右连续扫

27、描时，设器件的尺寸为w*w，读出长度ll.在足够强的外加电场E作用下，可略去非平衡载流子扩散的影响，则光生载流子稳态下的连续方程可写为： 解之，得： 25 式中，n为读出区的载流子浓度。 4）提高响应度的途径： 9、PV型光电探测器的工作机理是什么？有哪些特点？常用哪些材料？ 1）工作机理： 26 2）特点： 1、光伏探测器响应速度快，有利于进行高速探测；其器件结构有利于排成二维阵列；探测率高。 2、提高光伏探测器的响应度，首先要提高光生电流，即量子产额，其次是降低反饱和电流，即提高增量电阻。 3、光伏探测器常工作于无外加偏压情况，此时器件功耗极低，特别适用于大规模两维阵列。如果后接放大器的输

28、入阻抗高，则入射光信号通过器件电压变化检出信号，即为光伏模式。若后接放大器的输入阻抗很低，则光信号通过二极管短路电流变化检出。若在器件上加一直流偏压，能使器件工作于任何特性工作点，可用电容将探测器耦合到放大器上。在高频使用时常用反偏以减小耗尽区电容和相应的时间常数Rl*Cj 27 3）材料： 10、光伏器件常用判据是什么？为什么？ 答：1） 2)探测率公式： 与优值成正比 11.红外焦平面阵列有哪些各有什么特点？ 单片式IR-CCD 28 混合式IR-CCD 12.简述肖特基势垒关电探测器的工作原理，及与光伏探测器有哪些异同点？ 相同点：二者响应度直接与增益电阻和面积之积有关 29 不同点：肖

29、特基是多数载流子器件，P-N结是少数载流子器件 13.非制冷红外焦平面阵列有哪些形式？各有什么优缺点？ 热释电探测器 微测辐射热计 与热释电相比微测辐射热计 3、试简述光电成像器件将二维图像转换成一维电信号可通过哪些途径 1、 电真空型摄像管 内光电变换型的光电导摄像器件 󰀀 利用内光电效应将入射的光学辐射图像变换为电信号，在视像管中，光电导靶既作为光电变换器，又作为电信号存储与积累器异质结 󰀀 又可分为注入型光电导靶、阻挡型光电导靶、异质结光电导靶、硅二极管阵列光电导靶 外光电变换型的光电发射型摄像器件 利用的是外光电效应完成二维图像转换成一维电信号的 光电发

30、射型摄像管都具有一下两个共同点： A、 光电变换部分是采用光阴极把输入的光学图像转换成光电子图像 B、 光电变换器和信号存储靶是分开的。 常见的有超正析摄像管、二次电子导电摄像管、电子轰击型硅靶摄像管 30 2、 热释电摄像管 热释电摄像管与普通的光电导摄像管在结构上类似，只是用热释电靶代替了光电导靶但是存在本质的区别，首先热释电靶是利用热释电效应来工作的，其次热释电靶是近乎完美的绝缘体，容易积累电荷而使电子束不能连续工作，为此要设法消除靶面的负电荷积累。 3、 固体成像器件CCD CCD是电荷耦合器件的英文缩写，他利用的是处于非热平衡状态的势阱来进行电荷存储和转移的，它是基于MOS电容器在非

31、稳态下工作的一种器件，为一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列，具有存储和转移信息的能力 可分为表面CCD(SCCD)和埋沟CCD(BCCD) 且它既能制成线阵CCD也能制成面阵CCD,还能和像增强器耦合在一起构成图像增强型CCD(ICCD),也可用光电子轰击CCD的像敏元构成电子轰击型CCD(EBCCD),还可以采用延时-积分工作模式构成TDI 4、 CMOS成像器件 CMOS是互补金属氧化物半导体的英文缩写 和CCD具有基本相同的光电转换原理，即光敏单元受到光照后产生光生电子，在通过信号读出电路将其读出，但是CMOS的每个源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以呗单独选址和读出 5

32、、 红外探测器 热探测器 A、 热探测器吸收红外辐射后，产生温升，伴随这温升而发生某些物理性质的变化，如产生温差电动势、电阻率变化、自发极化强度变化、气体体积和压强 31 变化等。测量这些变化就可以测量出他们吸收的红外辐射的能量和功率 B、 常用的有热释电探测器、微测辐射热计、微测辐射热电堆等 光子探测器 A、 某些固体受到红外辐射照射后，其中的电子直接吸收红外辐射而产生运动状态的改变，从而导致该固体的某种电学参量的改变，这种性质统称为固体的光电效应，光子探测器就是利用光电效应制成的一种探测器 B、 常用的可以分为以下几类：光电子发射探测器、光电导探测器、光伏探测器光磁电探测器、肖特基势垒探测

33、器、量子阱探测器等 红外焦平面阵列探测器 由红外探测器和具有扫描功能的信号读出器件组成的红外焦平面阵列，是凝视型红外热成像系统的核心，红外焦平面阵列包括光敏元件和信号处理两个部分，可采用不同的光子探测器、信号电荷读出器多路传输 可分为单片式红外焦平面阵列、混合式红外焦平面阵列、Z平面红外焦平面等 11-5试述光机扫描热像仪基本组成部分和工作原理。 答：下图为光机扫描型热成像系统的方框图，整个系统主要包括：红外光学系统，红外探测器及制冷器，电子信号处理系统和显示系统四个部分。光机扫描器使单元或多元阵列探测器依次扫过场景视场，形成景物的二维图像。在光机扫描热成像系统中，探测器把接收的辐射信号转换成

34、电信号，通过隔直流电路把背景辐射从场景电信号中消除，以获得对比度良好的热图像，由显示系统显示出来。 32 11-8.热成像系统对扫描器的基本要求是什么？常用的光机扫描器有哪些？各有什么特点？ 答：1. 热成像系统对扫描器的基本要求： 用于热成像系统的扫描器大部分产生直线扫描光栅。对扫描器的基本要求是：扫描器转角与光束转角呈线性关系；扫描器扫描时对聚光系统像差的影响尽量小；扫描效率高；扫描器尺寸尽可能小；结构紧凑。 2.常用的光机扫描器及特点： a摆动平面反射镜 摆动平面反射镜在一定范围内周期性地摆动完成扫描。根据反射光学原理，摆动反射镜使光线产生的偏转角二倍于反射镜的摆角，即当反射镜摆动角时，

35、反射光线偏转2角。摆动平面镜是周期性往复运动，因为机构有一定的惯性，所以速度不宜太高，且在告诉摆动的情况下，视场边缘变的不稳定，要求较高的电机传动功率，因此，总的来说摆动平面镜不舍和高速扫描。 1）.平行光束扫描器的摆动平面镜 设全视场为2W，出瞳直径为P，出射光束直径为Q，则 Q=PcosW (11-11) 33 2）.会聚光束扫描器的摆动平面镜 34 式中，f为成像系统焦距。这表明，当镜面使主光线扫离光轴时，从物镜到探测器的光路缩短了，这将会由于扫描散焦而增大光学系统的像差。 b.旋转反射镜鼓 在高速扫描的情况下，经常采用旋转反射镜鼓，由于镜鼓是连续转动，故比较平稳。旋转反射镜鼓主要用于平

36、行光束扫描。旋转反射镜鼓与摆动平面镜工作状态基本相同，转角关系和像差也类似。但旋转反射镜鼓的反射面是绕镜鼓中心线旋转，所以镜面位置相对于光线产生位移。 c.旋转折射棱镜扫描器 具有2个侧面(n=1,2,3,)的折射棱镜，绕通过其质心的轴线旋转，构成旋转折射棱镜扫描器，旋转折射棱镜只用作会聚光束扫描器。会聚光束中旋转折射棱镜扫描器除使焦点移动外，还产生各种像差，但由于其运动平衡而连续，尺寸小，机械噪声小，有利于提高扫描速度。此外，对物镜系统消像差要求较高，增加了设计难度。 d.旋转折射光楔 旋转折射光楔是一非常灵活的光学扫描器，一般用在平行光路中。利用一对旋转光楔，35 改变其旋转方向和转速可以

37、得到许多不同的扫描图形。 11-10.常用的光机扫描方案有哪些？特点如何？ 答：1.物方扫描：扫描器位于聚光光学系统之前或置于无焦望远系统压缩的平行光路中。由于扫描器在平行光路中工作，故称平行光束扫描。 2.相仿扫描：扫描器位于聚光光学系统和探测器之间的光路中，对像方光束进行扫描。对于扫描器在会聚光路中工作，故称会聚光束扫描。 特点： 11-11.热成像系统中前置望远系统和中继透镜系统的作用是什么？ 答：1.前置望远系统的作用： 在采用平行光束扫描的热成像系统中，为减小光学扫描部件的尺寸，在成像物镜前加一组前置望远系统。对于成像物镜，加上前置望远镜后，入射光束口径变小，视场变大，从而可缩小反射

38、镜或反射镜鼓等扫描部件尺寸，有利于仪器小型化及提高扫描速度；另外， 36 也可降低因衍射带来的像点弥散斑尺寸，有利于提高像质。 2.中继透镜组的作用： 中继透镜组把沿轴向从一个位置传送到另一个位置。在传送过程中，图像将反转。连续使用一系列中继透镜，可以使图像沿一条直径限定的长管进行传送。 11-15.红外探测器的制冷器按制冷原理划分可以分为哪几种类型？其特点是什么？ 答： 特点： 1. 杜瓦瓶：结构简单，制冷温度稳定，冷量充足。制冷物质多为液氮77K。 2. 焦-汤制冷器：制冷物质为高压氮气。制冷部件体积小，重量轻，无运动部件，机械噪声小，使用方便。缺点：气源可得性差，高压气瓶较重，对工作气体

39、纯度要求苛刻，杂质不能超过0.01%，否则节流孔堵塞会停止工作。 3. 斯特林制冷器：结构紧凑，体积小，重量轻，制冷温度范围宽，启动时间短，效率高，寿命长，操作简单，可长时间连续工作。缺点：冷头有高速运动活塞，机37 械振动大，容易引起器件噪声增大，分置式可减小这一问题。 4. 半导体制冷器：制冷能力取决于半导体材料的性质和回路中电流的大小。目前一级半导体制冷器可产生60的温差，为达到更冷，可将n个热电偶串接起来。结构简单，寿命长，可靠性高，体积小，重量轻，无机械振动和冲击噪声，维护方便，只耗电能。 5. 辐射制冷器：耗能极少，甚至不需要能源的被动式制冷器，使用寿命长，不需外加制冷功率，无运动

40、部件，更不会产生振动、冲击噪声，可靠性高。缺点：要求卫星的轨道和姿态得到控制，保证辐射制冷式中对准超低温的宇宙空间，不允许太阳光、地球等红外辐射直射到制冷器的辐射器上。 第十一章 19、热成像系统信号处理采用直流隔离和直流恢复的目的是什么？怎样实现？ 答:直流隔离的目的：使信号处理变得简单，而且可达到抑制背景和消弱1/f噪声的目的。 直流恢复的目的：消除或减小图像的缺陷。 实现方案： 38 22、凝视成像和扫描成像有什么特点？目前实现凝视成像的基本途径有哪些？ 答、光机扫描成像系统是光机扫描器使单元或探测器依次扫过景物视场，形成景物的二维图像。把探测信号转换成电信号，通过直流电路把背景辐射从场

41、景电信号中消除，以获得对比度良好的热图像。特点：存在光机扫描器，系统结构复杂、体积较大、可靠性降低、成本也较高，但由于探测器性能的要求相对较低，技术难度相对较低。 凝视热成像系统式凝视焦平面热成像系统取消了光机扫描系统，同时探测器前置放大电路与探测器合一，集成在位于光学系统聚焦平面的探测器阵列上。特点：结构简化，不需要制冷，成本低，但性能不及光机扫描系统。 实现凝视成像的基本途径： 热释电红外成像系统，其采用热释电材料做靶面，制成热释电摄像管，勿需光机扫描，直接利用电子束扫描和相应的处理电路，组成电视摄像型热像仪。 固体成像器件CCD、CMOS、红外焦平面探测器 30、试述热成像系统的最小可探测温差的MDTD的定义，它与MRTD有何不同？ 答、MDTD是评价热成像系统的一个重要参数，它反映了热灵敏度特性，也反映了系统的空间分辨力，定义：当观察者的观察时间不受限制时，在显示屏上恰好能分辨出一块一定尺寸的方形或圆形黑体目标及其所处的位置时，黑体目标与黑体背景之间的温差称为最小可探测温差MDTD。 不同点： 与MRTD不同之处