光电成像原理及技术课后题答案(北理工)

1、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 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 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件用于增强可见光图像时，被定义为电

2、镀增益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（或单位面积的辐射强度）；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G，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

3、发射率的不同一般将辐射体分为三类：黑体，错误！未找到引用源。=1=1；灰体，错误！未找到引用源。1,1,与波长无关；选择体，错误！未找到引用源。11 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。答：普朗克公式：错误！未找到引用源。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：错误！未找到引用源。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 T 的四次方成正比。维恩位移定律：错误！未找到引用源。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：错误！未找到引用源。一定温度下，黑体最大辐射出射度与温

4、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)(1)像管的成像过程包括 3 3 个过程A 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 B、使电子图像聚焦成像并获得能量增强或数量倍增C C、将获得增强后的电子图像转换成可见的光学图像(2)(2)A A 过程：外广电效应、斯托列夫定律和爱因斯坦定律B 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 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

5、技术改进特点是什么？(1)(1) A A、零代微光像增强器技术B B、一代级联式像增强器技术C C、采用微通道板(MCP)MCP)的二代像增强器D D、采用负电子亲和势光阴极的三代像增强器E E、超二代像增强器F F、超三代像增强器G G、第四代像增强器(2)(2)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 MCPMCP 来实现光电子图像倍增。三代和二代近贴式像管类似，其根本区别在于光阴极，但对 MCPMCP 也提

6、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)(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

7、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)(2)见 P159P160P159P16018、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)(1)把对电子起有效作用的场一一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)(2)短透镜的焦距公式的推导见书 P179P180(P179P180(包括像方焦距和物方焦距)成像性质：透镜作用区域较之透镜到物、像距离

8、小得多，比焦距小得多，物、像、 焦距均在场外。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( (z z 脖能镜是会聚的(f f 为正)， 小)q)1r33Xi”3%因CCD乜板有一塞长度，电苻转移需要一定时网,加之CCD存在界茹思，做工作我率有上怅，对于苗看：展科移所需时珂为如时钟周期TCP)为T,对于三相CCD需使士T1133启人z3tr对于后者：要求界面忐惇获我就子的时f1同屋小于T/3,即；人2CA.*9、面阵CCDW几种工作模式？各有什么优缺点？解：常见面阵 CCDCCD 摄像器件有两种结构：行间转移结构(LT-CCD(LT-CCD 和帧/场转

9、移结构(FT-CCD)(FT-CCD)两种面阵CCD的比较： 分辨力：水平方白：ILT右；垂直方向：逐行新描一样，隔行扫拈比丁口 响应度f灵敏度J，FT光敏面大， 木平方向宽子1LT,遂行扫描时FT灵敏度高，隔行右描时：FT积分时河为一场，ILT积分对网为一祯，故忌的响应度一致口 噪声：FT光敏而大故?声大 施影，1LT括号次数小，拖影小 应用iFT还可以通过喊霹，卖第普照摄影，在低照度柢像领成鼓将广运应用1010、什么是增强型 CCDCCD 增弓 S S 型 CCDtCCDt 哪些耦合类型或工作方式？答：像增强器与 CCDSCCDS 合在一起，构成图像增强型 CCD(ICCDCCD(ICCD

10、) )增强型 CCDtCCDt 两种耦合方式：光学耦合方式和光纤耦合方式。P36612.简述CMO零件的成像原理，比较CMO器件与CC嘴件在工作原理上的异同，各有什么公优缺点？输出放大奉的输出信号由A/D熊恭器SL打转泰，轻覆处覆电由处理后通述蓑口电路输出。CMOSCMOS 图像传感器的光电转换原理与 CCDCCD 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 CCDCCD 不同，每个 CMOSCMOS 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 CCDCCD 读取信号需要多路外部驱动。优缺点比较：CMOSCMOS 与 CCDC

11、CD 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 MOSMOS 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 CCDCCD 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 CCDCCD 灵敏度较 CMOSCMOS 高 30%30%50%=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 CMOSCMOS 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基本原理：具型的CMOS成俅最件由无敏无阵列和精助电电构成。 无敌克阵#h竟应光电材条妁功能口端助电从I龛成星油信号的产生， 光电布号

12、蛤定理,输出等任毒口 *牛光敏元寿由其LV方句上的此址，5分刈由西个才句的孙址寺吗及进行选券； 左列先敛元年对应一个知效丈及，利及文工的带出布号办到与X才旬她址译马控制的曩拉$盛开关相比.实标工作时，CMOS律虏聚成Y方向地址书码器会制下，楸火接通舍行先牧无的揍拟开关，猾号通过的开关送史列端上，通itx才向地址申碣库的龙制，特选出政丈器。*Mtog( (xMpUiADCnpvlCCDtCCDt 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， CCDCCD 的动态范围约比 CMOSCMOS 的高两倍。 CMOSCMOS 图像传感器的响应均匀性较 CCDCCD 有较大的

13、差距。标准 CMOSCMOS 具有较高的暗电流（1 1nA/cmnA/cm2 2, ,最低 100100pA/cmpA/cm2 2）, ,而精心制作的 CCCCD D的暗电流密度为 2 21010pA/cmpA/cm2。由于大部分相机电路可与 COMSCOMS 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-YX-Y 寻址方式，CMOSCMOS 工作速度优于 CCQCCQCMOS与CCD图像传感器的性能比较CMOS图像传感器图像传感器CCD晤电流晤电流* *pA/m2)10-10010灵敏度灵敏度低低高高噪声电子数噪声电子数W20050FPN(%)可在茂软

14、电路中校正可在茂软电路中校正1DRNUC%)x;yr可以看落景物细节J短焦距镜头：长K,yr用于环境照明差，但拍摄场面大的场合）中黑跖镜头：f与成像尺寸相当变黑镜头：焦距连续可调7 .摄像物镜为什么存在最近摄影距离？答：后甑距S：物镜条线景后一面与成像面的距肉。通常情况下，因像故人率 mvv，因此像距近花（等于焦跑F,故板像管的靶面就放在物镜的后黑,面附近白接照鬲斯公代，可知，当物距a城小时，像痘b应线增大4若物跑2大小，则成像面无法境到身面上，因此电观圾像物钱都规定一个锻小物踞-最近摄像蹈雷。高斯公式：11_1。bfP4752、红外探测器要求哪些工作条件？为什么？答：1 1）工作条件：入射辐

15、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 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SPRIT解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 1）优点：SPRIIE(SianaIProcessinginTheE

16、1umeni(cnpaM)琛琛: :用器用器属于光电导效应型探测器属于光电导效应型探测器， 但由于这种探测但由于这种探测器利用了红外图像归描速度与光生莪流于双板运动速度相等的原理器利用了红外图像归描速度与光生莪流于双板运动速度相等的原理. .实现了在器件内部进行信号探测实现了在器件内部进行信号探测, ,时间延时间延迟和积分的三种功能迟和积分的三种功能，大大筒化了焦乎面外的电子线路大大筒化了焦乎面外的电子线路, ,从而使探濯器尺寸从而使探濯器尺寸、重量重量、成本成本显箸下降显箸下降. .并并提高了工提高了工作可靠性作可靠性. .依据其原理，也称之为依据其原理，也称之为七三职七三职里茶用基里茶用基

17、.是是80年代年代2)2)原理:一作我理反转物-打出就应*f卜光胭闱到前居加有同支电区的Ni!中导钵匕:U忌彳籽府内L电金.祈放市物的安I壮心从克他吊出寸甯小儿*D布#为双叔#教布虱fcltO|S 襦日先由于电场E作用。一口与p不斗速用心 若A=Pr*=0时无该为定枷若P1则四叩甲。二%卜即邛的走避渔弧 保转%中:京/优a同一才由远新 因为番木中街生版孑存福.电中空唯心标L卿业供功不堂47生计加电趴电耻反优使力张I北和的电扬口5千r电土)的淳日走史降储而揖区有德电孑走友不配导出福电手丈及中松右磁.塔缸1加于的右球 原体七现出加p#Mf-而工厂后於也比可以也比可以* *也也P分布的分布的 动收限

18、良利应可动收限良利应可: :为为“黎出黎出UAn长丙.屯我二-帆+Q+D科T斯即i3iApih 延木由于扫出效应的存在，当光照射样品时，光信号会自动转移出去，从而可以实现光信号的积累和延迟登加.实现SPRITE探测器信号积累和延迟的必要条件一红外图像扫描速度等于非平衡载流子的双极运动漂移速度 n.双极运动漂移速度与材料的少数载流子迁移率和外置偏压大小有关，.L若大于样品长度*则在T时间内Ap将移出体外，反之，将只有部分能移出体外，在SPRITE探测L=器中，儿=上为全部扫出条件，可推知此时SPRITE探测器两端所加电压为心为临界扫出电压3 3）推导响应度公式：设N型光电导体， 其掺杂浓度远大于

19、背景辐射产生的载流子浓度.非平衡我流子寿命远大于双极漂移时间， 双板漂移速度等于光点扫描速度， 有稳定的红外辐射照射到探濯器，且沿长度方向自向右连续扫描时，设器件的尺寸为 w*ww*w, ,读出长度 lW,llLl.在足够强的外加电场 E 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：d4P_乙pQdxuEirpp解之，得：Ap=J点叫+-2-f而威*蹿J一上时qI=g*4刃+Q优%改+E；A AP PI I-=-=0 0，=4=4+ +E E(2(2工Lp=Qi-八如果偏压足幡大，非平衡少子将全部或大部分扫出之若电场场强过小，非平衡少子漂移长度小于器件长度，则

20、光生少子将在体内更合设一稽定的红外辐射入射到SPRITE探测器的小处，若忽略陷阱效应及表面品合，并在强电场作用下忽略非平衡载流子的扩散，则沿探利器长度方向x处的光生载流子的稳态方程可写成；式中几为空穴的率引长度*条华。+畤5JCX=L=求斛微分方程得到光飞照射俅元上.佶号所产生的昨平南我洗孑夜艮里着扫描位置的变化关条。当扣有俅元到达就出区时，Hpx=L.交公式，其中t为先生戏逊子在褰件中的波越时间at=L!pt/近而求得先生我流子的光电流强度，和开路电压口AZAZ= =w wI Ihjdz=w尸(1+b)EwdQr r1-ero o AZ=AZ/?AZ=AZ/?；=AZ=AZ-融(1(1+ +

21、8)g8)g”,wd,wdi(_L二一T1 1忌r式中，n n 为读出区的载流子浓度。线响应友彳妾定义可写成：当反射损失彳艮小，且adl时,可Ed-7Ed-74 4）提高响应度的途径:增大E会增大焦耳热，从而增大热噪吉电流，故增大E应该适当.增大载流子寿命，可以提高响应度，故可通过探测器表面钝化技术来实现表面复合的影响降低到最低口可采用制冷技术，降低读出区的热激发载流子浓度，提高响应度，减小表面反射损失，也是重要途径-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 1）工作机理：光伏探测器：其基本部分是一个P-N结光电二极管,波长比材料的截止波长短的红外霭射.枝光电二极管吸

22、收后将产生电子一空穴对口加果吸收是发生在空间电荷区（结区），电子和空穴立即被强电场分开,并在外电路中产生光电流&如果吸收的是P区或N区到结的扩散长度区内.光生截流于必定会苜先犷散到空间电荷区， 然后再在那里受到电场作用， 对外电路贡献光电流.如果光电二极管是开路，则P N结两端出现开路电压（P端为+）即产生光生伏特效应.若在P、N两端连接一个低电阻,则光电二极管被短路.且有通路电流流动（反向）.2 2）特点：1 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。送照光伏效应的理左，送照光伏效应的理左，当当V表示先生取电动表示先生取电动势时，势时，M是

23、是. .瞧瞧下下. .P-N结的野室用度从原来的结的野室用度从原来的由。由。变为白变为白（Vo-VJ,结巴附结巴附此此N区中小于区中小于浓度浓度般程的般程的烟烟枭枭为一为一雷雷先照射到先照射到P-N结结X时工时工 z z 在在3液度为液度为P这些多余的这些多余的分子，分子，面不断向面不断向体体内内ir版版, ,衣务衣务区引区引起的专起的专我也谖我也谖甯度甯度为为Jp.自理自理可雪比可雪比结区的也于电流畲度结区的也于电流畲度电过电过PN结的总的羌生电进结的总的羌生电进密度可分密度可分为电为电子子*,*,史夫史夫电电流流卷度的也可再成畲反向跑和卷度的也可再成畲反向跑和电流电流器度的表达式选国器度的

24、表达式选国可褂光也可褂光也电压电压韦弗羌照射时.由于先生电遗塞度反向伯为电流密度,尢生电小可笥写为Pae 印-H1，F=?O+AP=A9 可kTJ2 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 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

25、和相应的时间常数 Rl*CjRl*Cj3 3）材料： HgCdJe光伏探测器材料响应速度高，用于激光辐射探测十分有利，特别是光通讯或在激光雷达中，作10.611mCO,激光外差探测。 PbSnTe光伏探测器8功叫 InAs和工nSb多年前就由商品,77K,列阵探测器光谱响应均匀性好， 性能接近背景极限.已和硅CCD耦合制成焦平面器件.其它薄膜铅盐光伏型探测器10、光伏器件常用判据是什么？为什么?答：1 1）片公式，其中0附产为探测器结面功与增量电阻乘犯的率方艰值，是到新光伏器件性能优方的重要判据,书孙为光伏株蕊的优鱼口11.红外焦平面阵列有哪些各有什么特点？单片式 IR-CCDIR-CCD2

26、2）探测率公式：与优值成正比单片式又称整体式，可分为两种情况CCD本身就对红外敏感，故探测.转移功能于一体O红外探测器与CCD作在同一氽底上， 基底通常为Si,而探测器部分常用非本征材料，基本结构为金属绝缘物半导体。混合式 IR-CCDIR-CCD根本特或：把探测器和CCD黎位寄存器分开，CCD仍用普通珪制良，工艺粕对成熟，而对几个重要的红外流段，都已经发艮了性能优良的本征红外探测器。因此，将两者掷合起来组成混合焦平面技术,能搜得鬲量子放率鬲性能的红外FPA。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？工作屈理： 辐射透过硅照在硅化物上产生热电穴， 运些,空穴能越辽务

27、垒进人到硅基底， 从而弟.硅化物一边的也极上在累负也荷，形成信号， 由于铝层的反射作用，硅化物对辐射的吸收增强，可使灵敏度提高一个散量级0相同点：二者响应度直接与增益电阻和面积之积有关不同点：肖特基是多数载流子器件，P-NP-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,采用性集成技术，成本低.，有好的线畦响应和高动思就倒，。,保无词绝缘性好，串/少，图俅访断度高空4 低1/f噪声，离情逸.和潜左的高灵敬度r理论上可达Q01K)。,但倜置电珞功耗大，噪声带宽宽。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

28、哪些途径1 1、电真空型摄像管(1)(1)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1利用的是外光电效应完成二维图像转换成一维电信号的2光电发射型摄像管都具有一下两个共同点：A 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 B、光电变换器和信号存储靶是分开的。3常见的有超正析摄像管、二次电子导电摄像管(SE(SE。、电子轰击型硅靶摄像管(EBS(EBS2 2、热释电摄像

29、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 3、固体成像器件 CCDCCD(1)(1)CCDCCD 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 MOSMOS 电容器在非稳态下工作的一种器件，为一行行紧密排列在硅衬底上的 MOSMOS 电容器阵列，具有存储和转移信息的能力(2)(2)可分为表面 CCD(SCCD)CCD(SCCD)埋沟 CCD(BCCD)CC

30、D(BCCD)(3)(3)且它既能制成线阵 CCDCCD 也能制成面阵 CCDCCD 还能和像增强器耦合在一起构成图像增强型 CCD(ICCDCCD(ICCD 也可用光电子轰击 CCDCCD 的像敏元构成电子轰击型 CCD(EBCCDCCD(EBCCD 还可以采用延时-积分工作模式构成 TDITDI4 4、CMOSCMOS 成像器件(1)(1)CMOSCMOS 是互补金属一氧化物一半导体的英文缩写(2)(2)和 CCDCCD 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 CMOSCMOS 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

31、选址和读出5 5、红外探测器(1)(1)热探测器A 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 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(2)(2)光子探测器A 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 B、常用的可以分为以下几类：光电子发射探测器(利用的是外光电效应)、光电

32、导探测器(利用的是内光电效应)、光伏探测器光磁电探测器(利用的是光磁电效应)、肖特基势垒探测器、量子阱探测器等(3)(3)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 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

33、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。扫描同步器制冷器光机扫描热成像系统方框图200S-9-111-8.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

34、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，即当反射镜摆动口角时，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可见光图像理测偏与放探器置前频视设全视场为2W,出瞳直径为巳出射光束直径为Q,则Q=PcosW平行球入射到平面辎上座反射后仍为平行版出射最精较简单，只需确定平磁尺寸口如图11-5%为入M版懿”为平面反射翻氟醉而反射傥的最小尺也应为/

35、=O0/sjny(11-12)对于晚的川股为港平面帽动俏时收觥雌转2y角加耀喝所在便面上，像点的移动距醐y-lyf(Il-1J)料，/为成像光学系统焦队施于西远物点的解酶速度为牛二2虺(11-14)出dt即像点移动速度与平面跳动悯度成正匕但当目标不在无班札摆动平喊就不在平行版中扫摘像点动速度也就不与iyfit或正上2) .会聚光束扫描器的摆动平面镜*111-144VihimVTJLJt!.U13MS出射光图 1175 限动平面僚尺寸的几何图图1116摆动平面镜会集光束上1描器光路图对于镜面位置必探测器所在处。的镜像为从图中得出加上二丁？(H-15)4+zafDCos(2yJ当8和？都较小时，可

36、近似地取8-y(11-a+b明光线转角皓平面翩的近似地呈哪关系.分析像差，当平面镣位于位置札光线沿0PD方向上的长度为。+儿平面跳到位置时， 光路为例取其K度不再是人图11-16中MUP巾的()m为 ，而491/n+b=f(11-17)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

37、位置相对于光线产生位移。c旋转折射棱镜扫描器具有2(n+1)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。止匕外，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，改变其旋转方向和转速可以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

38、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：物h指叮像扫花i的产生弯曲场扫描器存在不可避免的散焦扫描器光学质量对系统聚性能影响较大，像差校正困难公聚光系统设计复杂扫描器尺寸较小,容易实现高速扫描zuub-y-i11-11.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

39、场变大，从而可缩小反射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，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（成倒像）。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。像方力描物方扫描产生平直扫描场大多数扫描器不产生附加像差砌扫描器光学质量对系统聚焦性能影响较小,像差校正容易扫描器尺寸大,不易实现高速力描民用热像仪中居多，配以应无焦望远系统,压缩平行用光路,减小尺寸，可用于军?上军用热像仪,如前视红外系统等11-15.红外探测器的制冷器按制冷原理划分可以分

40、为哪几种类型？其特点是什么?答:11.3.制冷器的工作原理与分分且按照制冷原理： 相变制冷（社兀瓶-液态制冷打）：利用致冷工作物质相变吸热效应，来达到致冷降温的目的,如固态物质熔解吸热或升华吸热，液体气化吸热等. 焦耳一汤姆逊效应、气体节流式制冷）：当高压气体的温度低于本身的转换温度,并通过一个很小的节流孔时，由于气体膨胀而使温度下降，这种现象为焦耳一汤姆逊效应。如使节流后的低温气体返回来冷却进入高压的气体.使高压气体在越来越低的温度下节流，不断重复这一过程，就可以获得所需的低温，达到致冷目的e 气体等燃膨胀制冷（斯特林循环制冷落）：气体等墙膨胀后总是降温，是因为气体等燎膨胀时.不但借膨胀机的

41、活塞向外输出机械功，而且膨胀后，气体的内位能也要增加，都要消耗气体本身的内功能来扑偿，所以气体等燧膨胀后温度会显著降低. 利用辐射热交换制冷（于一星上用的辐射制冷器）：因宇宙空间处于高真空，深低温状态，物体可以和周围深冷空间C约310进行辐射热交换. 帕尔帖效应温差电制冷或半导体制冷器）：n型、p型半导体作为电偶对，构成闭合回路，直流电通过，一端发热，一端变冷的效应.利用冷端可以给探测器致冷.2008-9-1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

42、性差，高压气瓶较重，对工作气体纯度要求苛刻，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（77K-10R,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60c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

43、动式制冷器，使用寿命长，不需外加制冷功率，无运动部件，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？（505页）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：直流性灯：在系统中设置热参考源，在扫描周期的无效部分扫描热参考源，这一温度信号称为箝位信号，将温度信号通道箝位在零电平上，然后，再将与温度信号相应的一个直流电平叠加

44、在经过箝位的温度信号上，迸行环境温度补偿，这样经过箝位和环境温度补偿后的温度信号就有了绝对意义.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， 具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CCDCMOS红外焦平面探测器(能实现自扫描的探测器就能实现凝视成像)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