光电成像技术第六章直视型光电成像系统与

1、第六章 直视型光电成像系统与特性分析,6.1 直视型光电成像系统的原理 6.2 夜视光电成像系统的主要部件及特性 6.3 直视型夜视成像系统的总体设计 6.4 夜视系统的作用距离,6.1 直视型光电成像系统的原理,6.1.1 直视型主动红外成像系统 6.1.2 直视型(被动)微光成像系统,返回,6.1.1 直视型主动红外成像系统,主动红外成像系统在公安、工业监测、医学和科学研究等许多领域具有广泛应用，特别是近年来选通技术的发展和应用，主动选通红外成像系统在一些特殊的军事领域获得新的重要应用。,下一页,返回6.1,主动红外成像系统原理图 1红外滤光片；2光源；3反射镜；4人眼； 5目镜；6变像管

2、；7物镜；8目标,下一页,上一页,6.1.1 直视型主动红外成像系统,主动红外成像系统主要部件包括红外照明光源、物镜、红外变像管及目镜等，工作波段在0.761.2m的近红外光谱区，其长波限由变像管光阴极决定。红外照明光源发出的红外辐射照射景物场景，光学物镜将被场景反射回来的红外辐射成像在红外变像管的光阴极面上，形成场景的反射图像；变像管对场景图像进行光谱转换和亮度增强，最后在荧光屏显示场景的可见光图像；人眼通过目镜观察增强的场景图像。,下一页,上一页,三种典型目标的反射光谱曲线 1绿色草木； 2粗糙混凝土； 3暗绿色漆,下一页,上一页,6.1.1 直视型主动红外成像系统,主动红外成像系统利用近

3、红外波段工作有许多特点： 充分利用军事目标和自然界景物之间反射能力的显著差异。 近红外辐射比可见光受大气散射的影响小。 由于系统“主动”照明目标，使系统工作不受环境照明的影响。,下一页,上一页,6.1.1 直视型主动红外成像系统, 对于军事应用，灯源容易暴露自己，这是主动红外成像系统最致命的弱点，也是夜视成像系统由主动向被动发展的重要原因。 通过选通技术，减小传输介质的后向散射或传感器与场景相对运动造成的图像模糊，使主动夜视成像技术在诸如巡航导弹地形匹配下视系统、水下探测和制导系统、海上救援等军事领域获得重要的应用。,下一页,上一页,6.1.2 直视型(被动)微光成像系,系统主要由微光物镜、目

4、镜、像增强器、高压电源等部分组成,直视微光成像系统原理图 1目标；2物镜；3像增强器；4高压电源；5目镜；6人眼,下一页,上一页,返回6.1,6.1.2 直视型(被动)微光成像系,夜天空自然微光照射在景物场景，经反射和大气传输后，辐射经物镜成像在像增强器光阴极面上，像增强器对景物像进行光电转换、电子倍增成像和亮度增强，在荧光屏上显示场景目标的增强图像。 微光与主动红外成像系统相比最主要的优点是被动式工作，不用人工照明而是靠夜天自然光照明景物，故隐蔽性好，但景物之间反差小，图像较平淡，层次不够分明，且系统工作受自然照度和大气透明度影响大 。 ,下一页,上一页,6.1.2 直视型(被动)微光成像系

5、,6.2.1 夜视成像系统的光学系统 6.2.2 主动红外成像的照明系统 6.2.3 像管的小型化直流高压电源,返回,6.2.1 夜视成像系统的光学系统,夜视光电成像系统包括微光夜视系统和热成像系统。微光夜视的光学系统主要是微光成像物镜；热成像光学系统除红外成像物镜外，还包括扫描光学系统和中继光学系统 1.夜视成像物镜 2.目镜,返回6.2,1 夜视成像物镜,(1) 夜视系统对物镜的基本要求 物镜把目标场景成像于光电接收器(像管、摄像管或红外探测器)上，因此夜视系统对物镜的基本要求大致有以下几点： 大的通光口径和相对孔径。 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

6、地消除杂散光。 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。,下一页,1 夜视成像物镜,(2) 成像物镜的基本类型 光电成像系统用物镜系统分为三类： 即折射系统、反射系统和折反射系统。 折射系统。 折射物镜系统较易校正像差，可获得较大视场，结构简单，装调方便。光电成像系统中常用折射物镜有双高斯型和匹兹伐型 。,下一页,上一页,双高斯和匹兹伐物镜的基本结构 （a) 双高斯型；(b) 匹兹伐型,下一页,上一页,微光头盔改进的双高斯物镜,下一页,上一页,1 夜视成像物镜,上图是微光头盔采用的一种改进型双高斯物镜，相对孔径为11，f=20.58m

7、m。在仪器视场不大的情况下，可用匹兹伐型物镜，其基本结构视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。,下一页,上一页,改进的匹兹伐物镜,下一页,上一页,1 夜视成像物镜,由于红外材料价格昂贵，折射比高而反射损失大，在满足需要条件下应尽可能减少透镜片数。在像质要求不高的辐射计中多用单片折射透镜。为了减小单透镜的球差和色差，可做成组合透镜。,下一页,上一页,组合红外物镜的结构,下一页,上一页,1 夜视成像物镜, 反射系统。 反射式物镜可做成大口径，长焦距，且取材容易，对材料要求不高。反射式物镜光能损失小，无透射损失，不产生色差。这些优点使其在红外光学系统中应用较多

8、，但也存在体积大及次镜遮挡等缺点。 反射式物镜分为单反射镜和双反射镜。最常用的是双反射镜。 单反射镜分为球面镜和非球面镜(抛物面、椭球面和双曲面镜)系统。分别由对应的曲线绕对称轴旋转得到，其光学焦距都是顶点曲率半径的一半，即f=r/2。,下一页,上一页,单反射镜的四种形式 球面单反射镜；(b) 抛物面反射镜；(c) 椭球面反射镜； (d) 双曲面反射镜,下一页,上一页,1 夜视成像物镜,球面反射镜和抛物面反射镜可单独使用,两种常用的抛物面反射镜 (a) 光阑位于焦面(同轴)；(b) 焦点在入射光束之外(离轴),下一页,上一页,1 夜视成像物镜,通常单球面镜和抛物面反射镜的焦点均是在入射光路内，

9、若在焦点放置接收器，则装调不方便，并会产生遮挡，通常采用在反射镜光路里加另一个反射镜的方法把焦点引到主反射镜之外，构成双反射镜系统。常用的双反射系统有牛顿系统、卡塞格伦系统和格里高里系统。,下一页,上一页,双反射镜系统的基本结构 (a) 牛顿系统；(b) 卡塞格伦系统；(c) 格里高里系统,下一页,上一页,1 夜视成像物镜, 牛顿系统： 由抛物面主镜和平面次镜组成，次镜在主镜焦点附近与光轴成45角。由于主镜是抛物面反射镜，对轴上无穷远点无像差，像质只受衍射限制，弥散圆为艾利圆，但轴外像差大，常用于像质要求高的小视场红外系统中。特点是镜筒长、质量大。 卡塞格伦系统： 由抛物面主镜和双曲面次镜构成

10、。次镜位于主镜焦点之内，双曲面镜的一个焦点与抛物面镜焦点重合，另一个焦点为整个系统的焦点，系统无穷远轴上点没像差。特点是焦距长、镜筒短、结构紧凑、会聚光束通过主反射镜中心的孔使焦面上便于放置接收器件，但非球面加工较困难。,下一页,上一页,1 夜视成像物镜, 格里高里系统： 由抛物面主镜和椭球次镜组成。次镜位于主镜焦距之外，椭球面的一个焦点和抛物面主镜焦点重合，另一个焦点为整个系统的焦点。系统对无穷远轴上的点没有像差。 人们研究改进反射系统，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

11、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。 ,下一页,上一页,施密特校正板工作原理 (a) 施密特校正板；(b) 改进的施密特校正板,下一页,上一页,1 夜视成像物镜,施密特系统： 由球面反射镜和位于球面反射镜曲率中心的球面或非球面校正透镜组成，校正透镜又叫施密特校正板(原理如图(a)。球面反射镜没有色差，将光阑放于反射镜中心时没有慧差和像散，只产生球差和场曲；校正板校正球面反射镜的球差。为避免产生其他像差，校正板做得很薄，且位于反射镜曲率中心。由于校正板边缘比中心厚，光线通过校正板时会由于强折射而产生色差。为克服这一缺点，又产生了改进后的施密特校正板(如图(b)。系统的相对

12、孔径可达10.65。,下一页,上一页,曼金折反射镜 (a) 曼金折反射镜；(b) 曼金-卡塞格伦系统,返回,1 夜视成像物镜,曼金折反射镜： 由球面反射镜和与之相贴的负透镜组成(如图(a)。球面反射镜的光阑就是它本身，各种像差都有，负透镜的作用是减小它的球差，但又增加了色差。曼金折反射镜常被用在卡塞格伦系统中，图 (b)为带曼金反射镜的卡塞格伦系统。主镜为球面反射镜，曼金折反次镜做成消色差的组合透镜。如果要进一步减小球差，主镜也可改用曼金折反射镜。,下一页,上一页,1 夜视成像物镜,包沃斯-卡塞格伦系统,下一页,上一页,1 夜视成像物镜,包沃斯-卡塞格伦系统： 由于包沃斯系统的焦点在球面反射镜

13、和校正透镜中间，接收器造成中心挡光，为此发展成包沃斯-卡塞格伦系统系统把校正透镜的中心部分镀上铝或银等反射层作次镜用，将焦点引到主反射镜之外。,下一页,上一页,包沃斯-马克苏托夫系统 1校正透镜的交替位置；2孔径光阑；3校正透镜； 4焦面；5球面反射镜,下一页,上一页,1 夜视成像物镜, 包沃斯-马克苏托夫系统： 把曼金折反射镜的球面反射镜和负透镜分开就构成包沃斯-马克苏托夫系统。由于多了反射镜和负透镜第二个面的间距及透镜第二个面的曲率半径两个变量，可消去更多的像差，故像质比曼金折反射镜有更大的改进。,下一页,上一页,1 夜视成像物镜,微光望远镜用折反物镜由一对薄透镜、一对反射镜和一个校正透镜

14、组成的系统，薄透镜的位置靠近主反射镜焦点，负薄透镜中央部分镀反射膜层，作为次反射镜，主反射镜中部为通孔放置校正透镜，来自场景目标的光线经透镜和反射镜，经校正透镜到达像增强器的光阴极面。系统在宽光谱消色差，性能良好。,下一页,上一页,微光望远镜用折反射物镜,上一页,返回,2 目镜,对目镜的主要要求有： 合适的焦距。 足够的视场。 合适的出瞳距离p和出瞳直径d。 适当的前节距(目镜前表面和前焦点之间的距离)，以保证工作时的视度调整。,下一页,上一页,光电成像系统常用的目镜组,下一页,上一页,6.2.2 主动红外成像的照明系统,主动红外成像系统对红外照明系统的要求有： 照明系统的辐射光谱(光源与滤光

15、片的组合光谱)要与像管光电阴极的光谱响应有效地匹配; 有一定的照射范围; 红光暴露距离要短; 应保证足够的辐射强度; 在结构上应保证容易调焦、滤光片和光源更换方便; 应尽量做到体积小、质量轻、寿命长、成本低、功耗小、工作可靠。,下一页,上一页,返回6.2,6.2.2 主动红外成像的照明系统,1.红外光源 红外照明系统所用的光源种类很多。在主动红外成像系统中常用电热光源(如白炽灯)；气体放电光源(如高压氙灯)；半导体光源(如砷化镓发光二极管)和激光光源(如砷化镓激光二极管)等四类。 ,下一页,上一页,6.2.2 主动红外成像的照明系统,(1) 白炽灯 白炽灯(包括普通、充气和卤钨白炽灯)是根据热

16、辐射原理制成，用电流加热灯丝使之达到白炽而发光。白炽灯工作在白热状态，要求灯丝材料有高熔点和低蒸发率。灯丝形状影响光源的发光效率(单位为lm/W)。充气白炽灯比真空白炽灯有更高的工作温度和发光效率，但也只有1020 lm/W，在0.81.2m的近红外辐射光谱区具有较高的辐射强度，并与S1光阴极匹配，可用做主动红外成像系统的光源。,下一页,上一页,钨丝白炽灯的辐射光谱 13000K色温充气白炽灯； 22500K色温真空白炽灯,下一页,上一页,6.2.2 主动红外成像的照明系统,(2) 氙灯 氙灯是利用高压、超高压惰性气体氙放电现象制造的一种高效率光源，是一种以石英玻璃管为放电管，以钍钨材料为电极

17、封接而成强电流弧光放电灯。主动红外成像系统中用的高压短弧氙灯作光源电弧长只有几毫米，光斑集中，发光效率高且寿命长。高压短弧氙灯的光谱为叠加着少量线状光谱的连续光谱，其光谱分布接近于太阳光谱，在近红外光谱区有强辐射谱线，更适合做大功率红外探照灯光源。,下一页,上一页,6.2.2 主动红外成像的照明系统,(3)大功率红外发光二极管(LED) 大功率红外发光二极管(IR-LED)主要有砷化镓(GaAs)和镓铝砷(GaAlAs)等。IR-LED是一种非相干P-N结光源，在结上加正向电压时，P-N结区产生强的近红外辐射。 大功率红外发光二极管是目前普遍使用的低成本红外光源，具有发光效率高、寿命长、体积小

18、、质量轻、结构牢固、不需加红外滤光片等许多优点。,下一页,上一页,6.2.2 主动红外成像的照明系统,(4) GaAs激光二极管 GaAs激光二极管是一种注入式电致发光器件。它与发光二极管在辐射输出上的差别是能否产生激光的阈值电流，垂直于P-N结的两个相互平行的反射面构成谐振腔，光在腔内反射形成雪崩式感应跃迁而产生激光。 GaAs激光二极管除具备一般激光器的优点外，还有效率高、体积小、质量轻、结构简单、抗震性强等独特的长处，易通过调制电流来调制激光发射。,下一页,上一页,6.2.2 主动红外成像的照明系统,2.红外滤光片 红外滤光片是一种光学滤波器，主要滤除光源辐射中的可见光成分。对红外滤光片

19、的基本要求是： 在红外波段光能损失应尽可能地小，而对其他波段的辐射应尽量全部吸收或反射；光谱透射比与光阴极光谱灵敏度曲线红外部分相匹配；热稳定性好，防潮性和机械性能好，耐光源工作时的高温。,下一页,上一页,6.2.2 主动红外成像的照明系统,3.照明系统的反射镜 反射镜通常是照明系统的重要组成之一，它把位于焦点的光源发出的一定立体角范围内的光辐射聚焦成沿轴向窄发射角射出的光束。反射镜由镜基和镀层两部分组成，镜基材料有金属和玻璃两种。,下一页,上一页,6.2.2 主动红外成像的照明系统,为增加反射特性，通常在镜基表面上镀一层高反射比涂层。涂层主要用银或铝,银反射膜的反射比高达95%，铝层的反射比

20、稍低，但也在85%以上。银膜层稳定性能差，因此，通常银层镀在玻璃反射镜基的背面，并在外面涂保护层(铜或漆)。考虑到玻璃折射率的影响，很少在红外探照灯中用银作反射膜。铝膜层与玻璃附着力好，性能稳定，但铝膜层经不起擦拭，通常要在铝反射层外镀一层SiO2或TiO2保护膜。,下一页,上一页,6.2.2 主动红外成像的照明系统,反射镜有球面、抛物面、椭球面、双曲面等形状，在主动红外系统中常用抛物面反射镜。抛物面反射参量如图抛物面的对称轴为反射镜的光轴或旋转轴，它是通过抛物面顶点O和焦点F的直线。,下一页,上一页,6.2.2 主动红外成像的照明系统,利用抛物面反射镜的几何关系，可以确定照明系统的基本性能参

21、数： (1) 散射角 在理想抛物面反射镜焦点处放一光源，经反射镜反射，射出一束与光轴平行的平行光束。由于实际光源有一定大小，反射光束实际要在一个2角的范围内散开(如图)。若半径为r的球形光源球心与抛物面焦点重合，则最大散射角m满足 sinm=r/f,下一页,上一页,照明系统的光束散射角,下一页,上一页,6.2.2 主动红外成像的照明系统,(2) 全发光距离 由光源发出的光线径反射镜反射后在某一散射角范围散开，所以照明系统的轴向光强在不同距离是变化的。把反射面分成许多同心环，每一环又分成许多反射元，反射的立体角如图所示。,下一页,上一页,返回,6.2.2 主动红外成像的照明系统,(6-3),6.

22、2.2 主动红外成像的照明系统,(3) 轴向光强 轴向光强指在大于全发光距离l0时的轴向光强。考虑到反射镜口径面积 S=D2/4=4f2tan2(m/2) 则 I=LS 即系统轴向光强I只取决于光源亮度L、反射镜的光孔面积S及反射比。,下一页,上一页,6.2.2 主动红外成像的照明系统,(4) 光强分布 光强分布是照明系统在光束散射角内光强度随投射方向与光轴夹角的分布(通常轴向光强最强，光强随散射角增大而衰减，一般用光强降到中心光强10%对应的散射角表示系统的散射角大小。,下一页,上一页,照明系统的光强分布 (a) 离散叠加；(b) 分布图,下一页,上一页,6.2.3 像管的小型化直流高压电源

23、,变像管和像增强器需要在几千到几万伏的工作电压下才能完成图像增强的任务，且由于直视型成像系统通常为便携式仪器，因此，需要小型化直流高压电源。通常要求高压电源： 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；,下一页,上一页,返回6.2,6.2.3 像管的小型化直流高压电源, 实现自动亮度控制(Auto-Brightness control,ABC)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(Auto-Gating)，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。,下一页,上一

24、页,6.2.3 像管的小型化直流高压电源,1.直流高压电源工作原理 像管多采用晶体管直流变换器式高压电源(直流高压电源框图如图)，各部分作用如下： 直流低压电源： 通常为几伏到二十几伏，由干电池或蓄电池提供，为高压电源提供能量； 晶体管变换器： 主要由晶体三极管、升压变压器的初级绕组和反馈绕组构成，其作用是将直流低压变为高频交流低压；,下一页,上一页,6.2.3 像管的小型化直流高压电源, 升压变压器： 将低压交流电压升为高压交流，输出可达数千至上万伏； 倍压整流电路： 由高压整流二极管(或高压硅堆)、高压电容和高压变压器次级绕阻构成，把变压器次级绕阻上的交流高压整流并倍压到所需直流高压； 稳

25、压电路： 保证晶体管变换电路有稳定的输入电压，以使电源的高压输出稳定。,下一页,上一页,直流高压电源框图,下一页,上一页,6.2.3 像管的小型化直流高压电源,2.倍压整流电路 倍压整流电路把变压器次级绕阻上的交流高压整流并倍压到所需直流高压。 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。 ,下一页,上一页,二倍压电路,下

26、一页,上一页,6.2.3 像管的小型化直流高压电源,3.自动亮度控制(ABC)电路 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。 当入射到像增强器光阴极面上的照度为Ec(单位为lx)时，荧光屏输出亮度为Ls(单位为cd/m2)，由亮度增益的定义可知,下一页,上一页,(6-7),屏亮度随光阴极照度的变化,返回,6.2.3 像管的小型化直流高压电源,图中给出一种美制像增强器的输出屏亮度随光阴极面上入射照度变化的曲线，图中曲线1是不加任何控制电路的情况；曲线2是在像增强器电源的高压回路中串高阻值电阻的情况；曲线3为电源中有ABC电路的情况

27、。曲线比较可看到：ABC电路能使像管在较大的入射光度范围内输出合适的亮度，从而扩大了微光成像系统的使用光度范围。,下一页,上一页,级联像增强器高压电源及ABC电路,返回,6.2.3 像管的小型化直流高压电源,上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；C 2 、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。,

28、下一页,上一页,6.2.3 像管的小型化直流高压电源,4直流选通高压电源 直流选通高压电源主要用于选通型静电像管。选通管与普通像管的主要区别在于其中某一电极(对于倒像管为选通电极或聚焦电极，对近贴管由于一般MCP输入端电极接地，因此选通电极为光阴极)作为选通电极。当电极被施加正常电压时，像管正常工作，但当电极被施加相对于光阴极更低的电压时，由于静电场为保守场，从阴极发射出的电子被阻滞，难以加速(及电子倍增)到达荧光屏，像管被截止。,下一页,上一页,6.2.3 像管的小型化直流高压电源,5.自动快门(Auto-gating)电路 自动快门电路是为像管防强光而设计的。目前，为了使直视型微光夜视仪更

29、适合实际可能的使用环境(如战场、城市)，发展了自动快门技术。自动快门实际利用了荧光屏的余辉特性和人眼的时间暂留特性，自动快门电路根据像管光电流大小对像管实施自动间断供电。 目前采用自动快门技术已使直视微光夜视仪的动态范围拓展到10-6105lx，即在白天具有阳光的自然环境下也可工作。,下一页,上一页,6.3 直视型夜视成像系统的总体设计,6.3.1 微光成像系统性能的基本极限 6.3.2 像管的选择 6.3.3 直视光电成像系统的光学参数及其选择,下一页,返回,6.3.1 微光成像系统性能的基本极限,夜视系统对人眼在微光下的视觉改善有以下几个方面： 由于系统入瞳比人眼瞳孔大得多，捕获的光量按其

30、倍数的平方增加，因此，夜视系统可比人眼更多地捕获和更有效地利用来自目标的光子； 利用光学系统可增加物体的视角，从而提高作用距离；,下一页,返回6.3,上一页,6.3.1 微光成像系统性能的基本极限, 由于像增强器光阴极的量子效率高于暗适应人眼的量子效率，同时也扩大了人眼的光谱响应，从而可提高人眼的视觉增益； 可使人眼在不需暗适应情况下有更高的分辨能力； 在某些场合(如天文观察)可利用像增强器增加积累时间来提高视觉增益，这要以牺牲运动目标信息为代价。,下一页,上一页,6.3.1 微光成像系统性能的基本极限,1.物镜和像增强器参数对系统极限分辨力的影响,下一页,上一页,6.3.1 微光成像系统性能

31、的基本极限, 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10-410-1lx目标照度范围对系统分辨力提供一般的改善。 ,下一页,上一页,6.3.1 微光成像系统性能的基本极限,2.像增强器暗背景噪声对系统极限分辨力的影响 像增强器存在的噪声(如暗噪声等)将使像管输出图像对比度恶化，

32、分辨力下降。,下一页,上一页,像管暗背景对理想像增强器系统性能的影响,下一页,上一页,6.3.1 微光成像系统性能的基本极限,3.人眼与像增强器系统的最佳匹配 在上面的讨论中，相当于假定微光夜视系统的极限性能不受人眼视觉的限制，实际上，还需获得像增强器系统与人眼之间的匹配。为便于讨论，把系统分为两部分： 一是物镜与像增强器的组合；二是目镜与人眼的组合(“人工助视眼”)。,下一页,上一页,下一页,上一页,6.3.1 微光成像系统性能的基本极限,比较两组曲线可以看出：为使人眼特性不限制整个系统性能，要求在任一目标像亮度下，目镜助视眼的锐度特性曲线都应高于物镜像增强器组合的空间分辨力，以使系统性能不

33、受人眼限制。由图看到：在用15目镜时，在屏上目标像亮度范围内，G必须大于103才符合要求，在中等光度区目镜助视眼特性曲线下弯。成像系统用目镜通常在13 以下，这就要求像增强器有较高的G。,下一页,上一页,6.3.2 像管的选择,在选择像增强器时，除考虑主要的极限分辨力m、增益G和噪声等效背景EBI等性能参量外，还需要注意几点： 1.像增强器的输入输出窗 应注意像增强器的输入和输出窗类型。下图给出美国ITT公司超三代管的FOP输出窗结构，F9810系列具有一定的弧度，以利于与后续光学系统的光学耦合，而FS9901系列为平面输出窗，用于级联或与CCD的耦合。,下一页,返回6.3,上一页,超三代管的

34、光纤面板输出窗及其结构 (a) F9810系列；(b) FS9901系列,下一页,上一页,6.3.2 像管的选择,2.荧光屏类型 材料及工艺决定荧光屏发光的波长范围和效率，也对荧光屏的分辨力有着重要影响。目前较成熟的工艺过程可使荧光屏的分辨力达到120 lp/mm以上。 3.调制传递函数(MTF) MTF表征了对不同空间频率正弦亮度分布条纹的调制度衰减特性，能够比较完整地描述系统的空间传递特性。下图是具有相同极限分辨力夜视仪的图像，具有高传递函数的系统明显优于低传递函数。,下一页,上一页,6.3.2 像管的选择,高与低MTF的观察效果,下一页,上一页,6.3.2 像管的选择,4.信噪比(SNR

35、) SNR对于低照度下微光夜视对景物目标探测和识别具有重要作用,像增强器的SNR对观察效果的影响,下一页,上一页,6.3.3 直视光电成像系统的光学参数及其选择,在直视光电成像系统中，像管的光阴极位于物镜后焦面，荧光屏则位于目镜的前焦面(如图)，由此可以根据几何关系，以系统极限性能确定系统的主要光学参数。,下一页,上一页,返回6.3,6.3.3 直视光电成像系统的光学参数及其选择,1.系统视场 直视光电成像系统的视场光阑为像管光阴极的固定框，故系统视场 即物镜确定后，视场越大则要求光阴极直径越大；在选定像管后，则应设计相应焦距的物镜来满足视场要求。,下一页,上一页,(6-15),6.3.3 直

36、视光电成像系统的光学参数及其选择,2.系统角放大率 系统的角放大率可表示为 在选定像管的情况下，系统的放大率取决于物镜和目镜的焦距之比。,下一页,上一页,(6-16),6.3.3 直视光电成像系统的光学参数及其选择,系统放大率受多种因素限制而不能随便加大。 放大率与像管观察灵敏阈相关。 在目镜选定情况下，增加倍率将增加物镜焦距，即要以牺牲物方视场为代价。 放大率受系统外形尺寸的限制。,下一页,上一页,6.3.3 直视光电成像系统的光学参数及其选择,3.分辨力 在直视光电成像系统中，限制系统分辨力的主要器件是像管，故一般以像管分辨力来估算系统分辨力。同时，为保证人眼视觉不成为系统性能的限制因素，

37、应具有足够的角放大率。,下一页,上一页,6.3.3 直视光电成像系统的光学参数及其选择,4.入瞳、出瞳和出瞳距离 由于直视光电成像系统的物镜和目镜被成像器件隔开，使物方和像方光线不成对应的共轭关系，所以，要分别讨论物镜和目镜对光束的限制。,下一页,上一页,6.3.3 直视光电成像系统的光学参数及其选择,物镜口径D限制成像光束而成为系统的孔径光阑；光阴极面有效工作直径Dc限制系统的成像范围而成为视场光阑。,下一页,上一页,6.3.3 直视光电成像系统的光学参数及其选择,目镜系统由像管荧光屏和目镜组成。屏上的像是目镜系统的物，故荧光屏的有效成像面决定了目镜成像范围 。 由于光电成像系统在出瞳距离上

38、没有视场光阑像存在，因此,出瞳距离是指观察者实际工作时眼瞳的位置。,下一页,上一页,6.4 夜视系统的作用距离,6.4.1 微光夜视系统的视距预测 6.4.2 主动(红外)夜视系统的观察距离 ,返回,6.4.1 微光夜视系统的视距预测,微光夜视系统的视距预测采用了目标等效条带图案和约翰逊准则。 1.视距模型 设目标的临界尺寸(最小高度或宽度)为H，目标到系统距离为l，根据约翰逊准则，目标的探测、识别和认清所需的条带周期数n分别为1、4、8 lp/目标临界尺寸(50%概率)，则目标的分辨角为 =H/(nl) ,下一页,返回6.4,(6-22),6.4.1 微光夜视系统的视距预测,微光夜视系统所能

39、达到的最小分辨角m由物镜焦距f0和像增强器光阴极面上的分辨力m决定，目标能够被分辨的条件为,下一页,上一页,(6-23),6.4.1 微光夜视系统的视距预测,(1) 大气传输的影响 由于其中L0和C在原推导中未考虑大气影响，未直接显现大气传输的影响。在作用距离预测中，应将其分别理解为表观值，则可将大气传输影响计入，即,下一页,上一页,(6-25),(6-26),6.4.1 微光夜视系统的视距预测,(2) 关于概率 上式通过条带周期数的修改可适合于其他概率下作用距离的预测。概率与条带周期数的关系可利用美国热成像系统模型研究中拟合出的经验公式,下一页,上一页,(6-27),6.4.1 微光夜视系统

40、的视距预测,2.视距估算方法 (1)视距估算列线图 如果能获得像增强器在多种景物对比度和光阴极照度下的分辨力特性，可采用视距估算列线图进行视距预测。,下一页,上一页,下一页,上一页,6.4.1 微光夜视系统的视距预测,(2) 视距等效处理方法 视距估算列线图需要已知像增强器在多种目标对比度和光阴极照度下的分辨力，这在实际测量中很难得到，通常可以得到对比度为100%的测试结果。,下一页,上一页,6.4.1 微光夜视系统的视距预测,3.二代和三代成像系统视距比较 作用距离是评价微光夜视系统最直接的指标。,下一页,上一页,6.4.1 微光夜视系统的视距预测,微光夜视系统性能与场景照度密切相关，一般地

41、，当阴极面照度在110-3lx时，MTF对目标的探测和识别起关键作用；当照度低于10-3lx后，SNR则起主导地位。为使微光夜视系统更适应实际战场、城镇等具有局部火光、灯光的环境，目前带有自动快门(Auto-gating)功能的高性能像增强器可使动态范围扩展到日光照明(105lx)。这种防强光高性能像增强器在伊拉克战争美英联军的装备中得到普遍使用。,下一页,上一页,6.4.2 主动(红外)夜视系统的观察距离,主动(红外)夜视成像系统的作用距离除了受本身性能影响外，还与气象环境、目标与背景特性等条件相关。一般地，系统本身性能对观察距离的影响是一定的，故观察距离是相应于某个特定条件来确定的。与被动

42、夜视成像不同，由于主动夜视系统的照明光路与成像光路基本重合，传输介质的后向散射将成为重要因素。为了便于分析，在下面的推导中将后向散射作为对比度衰减进行分析。,上一页,返回6.4,6.4.2 主动(红外)夜视系统的观察距离,1.作用距离模型 为简化推导距离过程，假定气候条件为一般晴朗天气，则照明系统的后向散射所造成的附加背景可不考虑，此时成像面附加背景主要由红外变像管的暗发射造成。,下一页,上一页,6.4.2 主动(红外)夜视系统的观察距离,设被观察目标是一小尺寸平面朗伯体，置于系统瞄准线的垂直平面内，主动成像系统与被观察目标的距离为l，照明系统轴向光强为I，则在目标处形成的照度E0为,下一页,上一页,(6-28),6.4.2 主动(红外)夜视系统的观察距离,若目标和背景的反射比分别为t和b，则景物的亮度为 , (x=t,b),下一页,上一页,(6-29),6.4.2 主动(红外)夜视系统的观察距离,于是，景物辐射经物镜后在光阴极面上形成的照度为,下一