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1、光电成像原理及技术课后题答案(北理工)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。而区分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力量很差； 区分力的限制，没有足够的视角和比照度就难以识别； 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. 反映光电成像系统光电转换力量的参数有哪些？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
2、成像器件用于增加可见光图像时，被定义为电镀增益G1，光电灵敏度：错误！未找到引用源。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， 利用区分力和光学传递函数来描述。区分力是以人眼作为接收器所判定的极限区分力。通常用光电成像系统在肯定距离内能够区分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。对于具有线性准时间、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。其次章6.影响光电成像系统区分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承受孔径的张角；景物细节与背景之间
3、的辐射比照度。第三章13.依据物体的辐射放射率可见物体分为哪几种类型？ 答：依据辐射放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；灰体，错误！未找到引用源。1,与波长无关；选择体，错误！未找到引用源。0 时透镜是会聚的f 为正，(z)0 时透镜是发散的f 为负，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放射称为荧光。停顿电子激发后持续产生的光放射称为磷光。21. 荧光屏外表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 0.1um，其作用为：引走积存的负电荷；防
4、止光反响给光阴极；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？p185受激辐射可见光的条件是电子跃迁的能级差必需与可见光光子的能量一样。25. 荧光屏的转换效率与哪些因素有关？为什么说图像区分力和发光效率对荧光粉颗粒度的要求是相互冲突的？p192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，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区分力。厚度的增加会导致光集中的增大，区分力将随之下降。因此，粒度应当适当。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
5、区分力的最正确组合。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光纤面板是基于光线的全反射原理进展传像的，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。光纤面板使像增加器获得以下优点：增加了传递图像的传光效率；供给了承受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 大多承受斜通道或弯曲通道的形式？196、205通常MCP 不垂直于端面，而具有 715的斜
6、角。一方面可提高通道内的二次电子放射次数，另一方面也可使正离子不能穿出通道，消退或削减离子反响。P2448. 夜视成像系统对物镜的根本要求是什么？p213夜视成像系统对物镜的根本要求大致有以下几点：大的同光口径和相对孔径。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。最大限度的消退杂散光，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，必需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
7、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根本型，由于这种构造较简洁在 较宽光谱范围内修正像差，属于根本对称型构造，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，其根本构造是两个正光焦 度的双胶透镜，构造简洁，球差和慧差校正较好，但视场加大时场曲严峻。（2） 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。（3）
8、 把反射镜的主镜和次镜都承受球面镜，而用参加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. 红外物镜相对于可见光物镜有什么不同？答：1大的通光孔径和相对孔径。限制微光成像系统视见力量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。（2） 小的渐晕。（3） 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，对微光成
9、像系统为0.40.9 微米，对热成像系统为 1.514 微米。（4） 物镜有好的调制传递特性。像管为低通滤波器，目前的极限区分力为 3070lp/mm，通常要求物镜在 10lp/mm 的空间频率时MTF 不低于75%。（5） 最大限度地消退杂散光，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。（6） 在红外光学系统中，必需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陷。11、在直视型成像系统中对目镜的根本要求是什么？答12、像管直流高压电源的特点是什么？其主要包括哪几局部？答：特点（1） 供给稳定的直流高压，使像管工作时保持适宜
10、的输出亮度；（2） 性能稳定，在凹凸温环境下保证仪器正常工作；（3） 实现自动亮度掌握ABC功能；（4） 对于选通系统，应供给选通周期、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。包括以下几个局部：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：假设T 的输出端上负、下正，则D2 因反向偏置截止，D1 回路导
11、通，对C1 充电，在正半周完毕前，C1 两端电压为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，在负半周完毕前，C2 两端电压为 2 倍V2，送至输出端口为 2 倍V2 的直流。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四周，在照耀远距离目标时，探照灯光轴格外接近系统光轴。照耀光束在大气传输过程中被大气散射，其中一局部后向散射将进入观看视场，在成像面上造成一个附加背景，从而降低成像的比照度和清楚度。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根本限制因素，会对
12、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？ 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，使由被观看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加器的要求。答：在设计直视型夜视成像系统时，应当提高增加器极限区分力 m0； 为使系统性能尽可能到达光子噪声限，像增加器暗背景噪声应尽可能减小， 通常要求EbL0RA(2C)82;还要求像
13、增加器有较高的G；还需留意几点：像增加器的输入输出窗类型、荧光屏类型以及调制传递函数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：自动亮度掌握电路的作用是通过掌握像增加器外加电压的方法来掌握它的增益，以到达掌握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。级联像增加器高压电源及ABC 电路工作原理：图为级联像增加器高压电源，其中包括典型的ABC 电路。ABC 电路实际是一个带负反响的直流低压电源，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给像增加器。图中R1、R2 和稳压二极管D1 构成比较电压回路；RW
14、 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，供给像增加器的电流上升，ABC 电路的输出电压 E1 下降，最终导致供给像增加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根本不变的作用。21、物镜和像增加器的参数如何影响系统的极限区分力的？答：图见P2296-29。在像增加器暗噪声可无视的前提下，物镜和像管参数对系统极限区分特性的影响如下图。物镜焦距从f增大到 10f，在大于星光照度 10-3l 某状况下， 系统区分力得到明显改善，反之则改善很小；
15、物镜直径从D 增大到 10D，在低于满月光 10l 某状况下，系统区分力得到明显改善，大于满月光改善很小；光阴极灵敏度从提高到 10，在低于 10-2l 某照度范围，系统得到最大改善；增加系统积存时间t 得与光灵敏度类似的改善；提高像增加器极限区分力 m0，在 10-410-1l 某目标照度范围对系统区分力供给一般的改善。当 D、t 一起增加时这种改善更有意义。-1P24522、为什么要对像增加器进展强光保护？如何实现？答：由于假设观看场景中始终存在强光源，则像管荧光屏会消灭局部饱和，影响像管寿命，甚至造成像管不行逆的损坏。传统的防护方法有分压法和散焦法，但对观看有不利影响。自动快门电路依据像
16、管光电源大小对像管实施自动连续供电，可以防强光。23、试述像管增加器背景噪声对系统极限区分特性的影响答：像增加器存在的噪声如暗噪声将使像管输出图像比照度恶化， 区分力下降。像增加器存在等效背景照度Eo 时，系统极限区分角增大，表示如下P2951、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，完成这一过程的器件称为摄像管。工作原理：A、摄像管光敏元件承受输入图像的副照度进展光电转换，将两维空间分布的光强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存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
17、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耀强度成比例的信号，即视频信号。3、摄像管的构造由几局部组成？各局部的作用是什么？答：主要由光电变换与存储局部和信号阅读局部两大局部组成。A、光电变换与存储局部：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存电荷信号。B、信号阅读局部：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 按电荷积存
18、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：1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；（2） 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；是良好的绝缘体，简洁积存电荷。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：1工作过程：具体答案在课本 7.4.2 节P285P289，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)
19、加基底电荷的缘由：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，故靶面信号电荷必需为正。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存，必需在每次电子束 扫描后都给靶面供给肯定量的正电荷；电荷图像读出时：同上（3） 方法：二次电子放射法；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
20、重产生靶面的静电电荷图像。具体方法：平移式：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，必需加校正电路将负极性后倒相P3663、什么是CCD 的开启电压？为什么实际工作中CCD 的开启电压必需考虑平带电压？平带电压又是怎样的？解：CCD 开头产生沟道所需要的栅压就是开启电压。抱负的MOS 系统的CVg特性往往与实际测得的CVg特性不完全全都，这是由于没有考虑金属电极和半导体的功函数差m、Si-SiO2 界面上存在的外表电荷Q 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，必需对抱负状况下的结果进展修正。由于上述因素的影响，外表能带向下弯曲，为了使外表能带由弯曲
21、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。P3025.什么是界面态？怎样削减界面态的影响？什么是“胖零”工作模式？ 为什么SCCD 要承受“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，它可在短时间与衬底半导体交换电荷，是外表复合和散射的主要成因，它主要是对外表沟道的CCD 的转移效率产生重大影响。承受埋沟CCD 可避开界面态俘获信号电荷的不良影响。要削减界面态的影响，可承受“胖零”工作模式。“胖零”工作模式：用肯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
22、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，从而在肯定程度上削减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 工作的特点，并与SCCD 比较各自的优缺点。解7、以三相 CCD 为例，说明打算其工作频率的上下限因素是什么？解：9、面阵CCD 有几种工作模式？各有什么优缺点？解：常见面阵CCD 摄像器件有两种构造：行间转移构造LT-CCD和帧/场转移构造(FT-CCD)。10、什么是增加型CCD？增加型CCD 有哪些耦合类型或工作方式？ 答：像增加器与
23、CCD 耦合在一起，构成图像增加型CCD(ICCD)。增加型 CCD 有两种耦合方式：光学耦合方式和光纤耦合方式。P36612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，各有什么公优缺点？答：CMOS 图像传感器的光电转换原理与CCD 根本一样，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
24、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敏捷性与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力量，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 在像元中承受高增益低功耗互补放大器构造，其电压转换率略优于CCD。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，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1nA/cm2，最低 100pA/cm2，而细心制作的CCD 的暗电流
25、密度为 210pA/cm2。由于大局部相机电路可与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，信号读出承受某-Y 寻址方式，CMOS 工作速度优于CCD。P3952. 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，猎取被摄目标场景的可见光图像，因此又称低照度电视 LLLTV 系统。通常摄像靶面照度在 1L 某以下为微光电视。特点：1图像信号转换成一维的电信号后，除可对信号进展频率特性补偿、 校正等处理外，还可利用当前快速进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。（2） 可实现图像的远距离
26、传送，并可遥控摄像。（3） 改善了观看条件，可多人、多地点同时观看。（4） 可对被观看景物的图像信息作长时间录像存储，便于进一步分析争论。但通常微光电视在体积、质量、功耗和操作修理等方面较逊于直视微光系统，特别是在图像区分力的提高方面，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、中焦距和短焦距镜头大致是怎么划分的？答：7. 摄像物镜为什么存在最近摄影距离？答：高斯公式：P4752、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、外形 及承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，特别工作条件对 于某些特别器件还有湿度、入射辐射功率、视场立体角以及背景温度等。2缘由：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亲热相关。所以，在给出性能参数的同时，必需说明其工作条件。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：