光電成像系統(tǒng)

1、光電成像系統(tǒng)教學(xué)目的1、掌握CCD勺結(jié)構(gòu)和工作原理、光電成像原理、光電成像光學(xué) 系統(tǒng)；2、了解微光像增強(qiáng)器件和纖維光學(xué)成像原理。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：CCD勺結(jié)構(gòu)和工作原理、光電成像原理、光電成像光學(xué)系 統(tǒng)的組成。難點(diǎn)：CCD勺結(jié)構(gòu)和工作原理、調(diào)制傳遞函數(shù)的分析。成像轉(zhuǎn)換過(guò)程有四個(gè)方面的問(wèn)題需要研究：能量方面一一物體、光學(xué)系統(tǒng)和接收器的光度學(xué)、輻射度學(xué)性質(zhì)， 解決能否探測(cè)到目標(biāo)的問(wèn)題成像特性一一能分辨的光信號(hào)在空間和時(shí)間方面的細(xì)致程度， 對(duì)光譜成像還包括它的光譜分辨率噪聲方面一一決定接收到的信號(hào)不穩(wěn)定的程度或可靠性信息傳遞速率方面（成像特性、噪聲一一信息傳遞問(wèn)題，決定能被傳遞的信息量大光源物體（

2、信號(hào)源）光信號(hào)，光信號(hào)光學(xué)系統(tǒng)（信號(hào)分析器）背景噪聲光信號(hào) M 背景噪聲光電攝像器件（信號(hào)變換器）信號(hào)噪聲顯示器信號(hào)，噪聲人眼光電成像器件是光電成像系統(tǒng)的核心 1固體攝像器件固體攝像器件的功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光 強(qiáng)信息(可見(jiàn)光、紅外輻射等)，轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)一 一視頻信號(hào)，而視頻信號(hào)能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件(Charge Coupled Device ,即 CCD互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器(即CMOS電荷注入器件(Charge Injenction Device ,即 CID)一、電荷耦合攝像器件電荷耦合器件(CCD特點(diǎn)

3、)一一以電荷作為信號(hào)CCD-基本功能一一電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移CCD作過(guò)程一一信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)的過(guò)程1.電荷耦合器件的基本原理(1)電荷存儲(chǔ)氧化層1金息 / / 川構(gòu)成CCD勺基本單元是MOS金屬-氧化物-半導(dǎo)體)電容器電荷耦合器件必須工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài)(2)電荷轉(zhuǎn)移以三相表面溝道CC兩例表面溝道器件，即 SCCD(Surface Channel CCD ) 轉(zhuǎn)移溝 道在界面的CC湍件體內(nèi)溝道(或埋溝道 CCD即 BCCD(Bulk or Buried Channel CCD )用離子注入方法 改變轉(zhuǎn)移溝道的結(jié)構(gòu)，從而使勢(shì)能極小值脫離界面而進(jìn)入襯底內(nèi)部， 形成體內(nèi)的轉(zhuǎn)移溝道，

4、避免了表面態(tài)的影響，使得該種器件的轉(zhuǎn)移效 率高達(dá)99.999 %以上，工作頻率可高達(dá)100MHz且能做成大規(guī)模器 件(3)電荷檢測(cè)浮置擴(kuò)散輸出CCDt出信號(hào)的特點(diǎn)是：信號(hào)電壓是在浮置電平基礎(chǔ)上的負(fù)電壓； 每個(gè)電荷包的輸出占有一定的時(shí)間長(zhǎng)度To;在輸出信號(hào)中疊加有復(fù)位期間的高電平脈沖。對(duì)CCD勺輸出信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，較多地采用了取樣技術(shù)，以去除 浮置電平、復(fù)位高脈沖及抑制噪聲。2.電荷耦合攝像器件的工作原理CCD勺電荷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移的概念+半導(dǎo)體的光電性質(zhì)一一CCDK像器 件按結(jié)構(gòu)可分為線陣CCDK面陣CCD按光譜可分為可見(jiàn)光 CCD紅外CCD X光CCDF口紫外CCD可見(jiàn)光CC取可分為黑白CCD彩色

5、CCDffi微光CCD(1)線陣CCD線陣CC6分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)cEE動(dòng)脈沖復(fù)一口 口 口口脈沖鬻(2)面陣CCD常見(jiàn)的面陣CCDg像器件有兩種：行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)與幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)0-動(dòng)脈沖水平C3二、電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)1 .轉(zhuǎn)移效率電荷包從一個(gè)柵轉(zhuǎn)移到下一個(gè)柵時(shí)，有部分的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)去，余下部分沒(méi)有被轉(zhuǎn)移，稱轉(zhuǎn)移損失率。1一個(gè)電荷量為Qo的電荷包，經(jīng)過(guò)n次轉(zhuǎn)移后的輸出電荷量應(yīng)為：Qn Qo n總效率為：Qn/Qo n2 .不均勻度光敏元的不均勻與CCD勺不均勻。本節(jié)討論光敏元的不均勻性，認(rèn)為CC虛近似均勻的，即每次轉(zhuǎn) 移的效率是一樣的。光敏元響應(yīng)的不均勻是由于工藝過(guò)程及材料不均

6、勻引起的，越是大規(guī)模的器件，均勻性問(wèn)題越是突出，這往往是成品率下降的重要原 因。定義光敏元響應(yīng)的均方根偏差對(duì)平均響應(yīng)的比值為 CCD的不均 勻度：式中Von為第n個(gè)光敏元原始響應(yīng)的等效電壓，Vo為平均原始響 應(yīng)等效電壓；N為線列CCD勺總位數(shù)。由于轉(zhuǎn)移損失的存在，CCD勺輸出信號(hào)與它所對(duì)應(yīng)的光敏元的 原始響應(yīng)Von并不相等。根據(jù)總損失公式，在測(cè)得 后，可求出Von：VonVnnp式中P是CCD勺相數(shù)3 .暗電流CC區(qū)像器件在既無(wú)光注入又無(wú)電注入情況下的輸出信號(hào)稱暗信號(hào)，即暗電流。暗電流的根本起因在于耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)合中心的熱激發(fā)由于工藝過(guò)程不完善及材料不均勻等因素的影響，CC暗電流密度的分布是不均

7、勻的。暗電流的危害有兩個(gè)方面：限制器件的低頻限、引起固定圖像噪 聲4 .靈敏度（響應(yīng)度）它是指在一定光譜范圍內(nèi)，單位曝光量的輸出信號(hào)電壓（電流）c 5.光譜響應(yīng)CCD勺光譜響應(yīng)是指等能量相對(duì)光譜響應(yīng)，最大響應(yīng)值歸一化為 100晰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，稱峰值波長(zhǎng) max,通常將10% （或更低）的響應(yīng) 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱截止波長(zhǎng)。有長(zhǎng)波端的截止波長(zhǎng)與短波端的截止波 長(zhǎng)，兩截止波長(zhǎng)之間所包括的波長(zhǎng)范圍稱光譜響應(yīng)范圍。6 .噪聲CCD勺噪聲可歸納為三類：散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲。7 .分辨率分辨率是攝像器件最重要的參數(shù)之一，它是指攝像器件對(duì)物像中 明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。測(cè)試時(shí)用專門的測(cè)試卡。目前國(guó)際上一般用M

8、T F （調(diào)制傳遞函數(shù)）來(lái)表示分辨率。8 .動(dòng)態(tài)范圍與線性度光敏元滿阱信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍二等效噪聲信號(hào)線性度是指在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，輸出信號(hào)與曝光量的關(guān)系是否成直線 關(guān)系。三、CMO鍛像器件采用CMO皴術(shù)可以將光電攝像器件陣列、驅(qū)動(dòng)和控制電路、信 號(hào)處理電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、全數(shù)字接口電路等完全集成在一起，可 以實(shí)現(xiàn)單芯片成像系統(tǒng)。1. CMOSB素結(jié)構(gòu)無(wú)源像素型（PPS、有源像素型（APS）（1）無(wú)源像素結(jié)構(gòu)無(wú)源像素單元具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、像素填充率高及量子效率比較高的 優(yōu)點(diǎn)。但是，由于傳輸線電容較大，CMOSE源像素傳感器的讀出噪聲較高，而且隨著像素?cái)?shù)目增加，讀出速率加快，讀出噪聲變得更大。 （2）有源像素結(jié)

9、構(gòu)光電二極管型有源像素（PP-AP9 大多數(shù)中低性能的應(yīng)用 VDD光柵型有源像素結(jié)構(gòu)（PG- AP9 成像質(zhì)量較高Digital Columr SelectOutputLCOL BUSCMOSt源像素傳感器的功耗比較小。但與無(wú)源像素結(jié)構(gòu)相比， 有源像素結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)小，其設(shè)計(jì)填充系數(shù)典型值為20%-30%在CMOSz制作微透鏡陣列，可以等效提高填充系數(shù)。2. CMOS攝像器件的總體結(jié)構(gòu)工作過(guò)程：首先，外界光照射像素陣列，產(chǎn)生信號(hào)電荷，行選通 邏輯單元根據(jù)需要，選通相應(yīng)的行像素單元，行像素內(nèi)的信號(hào)電荷通 過(guò)各自所在列的信號(hào)總線傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理器 （ASP）及A/D 變換器，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)

10、字圖像信號(hào)輸出。 行選通單元可以對(duì)像素陣 列逐行掃描，也可以隔行掃描。隔行掃描可以提高圖像的場(chǎng)頻，但會(huì) 降低圖像的清晰度。行選通邏輯單元和列選通邏輯單元配合， 可以實(shí) 現(xiàn)圖像的窗口提取功能，讀出感興趣窗口內(nèi)像元的圖像信息。3. CMOSf CCD件的比較CCD像器件一一有光照靈敏度高、噪聲低、像素面積小等優(yōu)點(diǎn)。但CCDt敏單元陣列難與驅(qū)動(dòng)電路及信號(hào)處理電路單片集成， 不易處 理一些模擬和數(shù)字功能；ccd車列驅(qū)動(dòng)脈沖復(fù)雜，需要使用相對(duì)高的 工作電壓，不能與深亞微米超大規(guī)模集成（VLSI）技術(shù)兼容，制造成本比較高。CMOS象器件一一集成能力強(qiáng)、體積小、工作電壓?jiǎn)我?、功耗低、?dòng)態(tài)范圍寬、抗輻射和制造

11、成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前 CMO等元像素的面積已與CCDf當(dāng)，CMOSS可以達(dá)到較高的分辨率。如果能進(jìn)一步提高 CMOS器件的信噪比和靈敏度，那么 CMOS1件有可能在中低檔攝像機(jī)、數(shù) 碼相機(jī)等產(chǎn)品中取代CC湍件。2光電成像原理一、光電成像系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)1.光機(jī)掃描方式口口口一 串聯(lián)掃描口口口 匚口口 口口口 口口口并聯(lián)掃描儲(chǔ)串并聯(lián)混合掃描2 .電子束掃描方式3 .固體自掃描方式上述的分類方法不是絕對(duì)的，有的光電成像系統(tǒng)是不同掃描方式 的結(jié)合。從目前情況看，光機(jī)掃描及固體自掃描方式的光電成像系統(tǒng)占主 導(dǎo)地位。二、光電成像系統(tǒng)的基本技術(shù)參數(shù)1 .光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑D和焦距f/2 .瞬時(shí)視場(chǎng)角、（33

12、.觀察視場(chǎng)角W、W?4 .幀時(shí)Tf和幀速f5 .掃描效率不TfovTf6 .滯留時(shí)間d對(duì)光機(jī)掃描系統(tǒng)而言，物空間一點(diǎn)掃過(guò)單元探測(cè)器所經(jīng)歷的時(shí)間 稱為滯留時(shí)間d ,探測(cè)器在觀察視場(chǎng)中對(duì)應(yīng)的分辨單元數(shù)為：WhWv1.22D/fn 由d的定義，有：Tfd?n WHWV F光電成像系統(tǒng)的綜合性能參數(shù)是在以上各基本技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ) 上作進(jìn)一步的綜合分析得出的。 3紅外成像光學(xué)系統(tǒng)紅外成像光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下幾方面的基本要求：物像共鈍位置、成像放大率、一定的成像范圍，以及在像平面上有一定的 光能量 和反映物體細(xì)節(jié)的能力（即 分辨率）。一、理想光學(xué)系統(tǒng)模型y/ f x/牛頓公式：x/x f/f, y x f/

13、111l/,/高斯公式：l l f , l二、光學(xué)系統(tǒng)中的光闌1 .孔徑光闌2 .視場(chǎng)光闌3 .漸暈光闌4 .消雜光光闌三、紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)1 .焦距決定光學(xué)系統(tǒng)的軸向尺寸，f越大，所成的像越大，光學(xué)系統(tǒng) 一般也越大。2 .相對(duì)孔徑D/f 相對(duì)孔徑定義為光學(xué)系統(tǒng)的入瞳直徑 D與焦距f 之比，相對(duì)孔 米 f /徑的倒數(shù)叫F數(shù)，F(xiàn)數(shù)6。相對(duì)孔徑?jīng)Q定紅外成像光學(xué)系統(tǒng)的衍射分辨率及像面上的輻照 度。衍射分辨率：3.83 f / D像面中心處的輻照度計(jì)算公式為:E/ K L sin2U /2 n-2n3.視場(chǎng)四、光學(xué)系統(tǒng)的像差光學(xué)系統(tǒng)近軸區(qū)具有理想光學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì)，光學(xué)系統(tǒng)近軸區(qū)的成 像被認(rèn)為是

14、理想像。實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)所成的像和近軸區(qū)所成的像的差異即為像差。光學(xué)系統(tǒng)對(duì)單色光成像時(shí)產(chǎn)生單色像差，分為五類：球面像差(球 差)、彗形像差(彗差)、像散差(像散)、像面彎曲(場(chǎng)曲)和畸變。對(duì)多色光成像時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)除對(duì)各單色光成分有單色像差外， 還 產(chǎn)生兩種色差：軸向色差和垂軸色差(亦稱倍率色差)。五、紅外光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)由于紅外輻射的特有性能，使得紅外光學(xué)系統(tǒng)具有以下一些特八、(1)紅外輻射源的輻射波段位于1 w m以上的不可見(jiàn)光區(qū)，普通 光學(xué)玻璃對(duì)2.5 pm以上的光波不透明，而在所有有可能透過(guò)紅外波 段的材料中，只有幾種材料有必需的機(jī)械性能，并能得到一定的尺寸， 如錯(cuò)、硅等，這就大大限制了透鏡系

15、統(tǒng)在紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用， 使反射式和折反射式光學(xué)系統(tǒng)占有比較重要的地位。(2)為了探測(cè)遠(yuǎn)距離的微弱目標(biāo)，紅外光學(xué)系統(tǒng)的孔徑一般比 較大。(3)在紅外光學(xué)系統(tǒng)中廣泛使用各類掃描器，如平面反射鏡、 多面反射鏡、折射棱鏡及光楔等。(4) 8至14 pm波段的紅外光學(xué)系統(tǒng)必須考慮衍射效應(yīng)的影響。(5)在各種氣象條件下或在抖動(dòng)和振動(dòng)條件下，具有穩(wěn)定的光 學(xué)性能。鑒于上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)紅外光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循下列原則：(1)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)所工作的波段有良好的透過(guò)性能。(2)光學(xué)系統(tǒng)在尺寸、像質(zhì)和加工工藝許可的范圍內(nèi)，應(yīng)具有 盡可能大的相對(duì)孔徑，以保證系統(tǒng)有高的靈敏度。(3)光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)背景噪聲有較強(qiáng)的抑制能

16、力，提高輸入信噪 比。(4)光學(xué)系統(tǒng)的形式和組成應(yīng)有利于充分發(fā)揮探測(cè)器的效能, 如合理利用光敏元面積，保證高的光斑均勻性等。(5)光學(xué)系統(tǒng)及組成元件力求簡(jiǎn)單。(6)合理選擇掃描方式及掃描器的類型。六、典型的紅外光學(xué)系統(tǒng)紅外光學(xué)系統(tǒng)主要由紅外物鏡系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)組成。1.紅外物鏡系統(tǒng)(1)透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：無(wú)擋光，加工球面透鏡較容易，通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)易消除各種 像差。缺點(diǎn)：光能損失較大，裝配調(diào)整比較困難。(2)反射式紅外光學(xué)系統(tǒng)由于紅外輻射的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，能透過(guò)它的材料很少，因而大都采用 反射式紅外光學(xué)系統(tǒng)。按反射鏡截面的形狀不同，反射系統(tǒng)有球面形、 拋物面形、雙曲面形或橢球面形等幾種。牛頓光學(xué)系統(tǒng)

17、：紅外格利高利系統(tǒng):(3)折反射組合式光學(xué)系統(tǒng) 施密特系統(tǒng)：校正版馬克蘇托夫系統(tǒng):2.掃描系統(tǒng)平行光束掃描會(huì)聚光束掃描 4紅外成像系統(tǒng)的綜合特性紅外成像系統(tǒng)性能的綜合量度指標(biāo)一一 空間分辨率、溫度分辨率 空間分辨率一一調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF溫度分辨率一一噪聲等效溫差（NETD最小可分辨溫差（MRTD 最小可探測(cè)溫差（MDTD 一、調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF 1.基本概念紅外成像系統(tǒng)可以看作是一個(gè)低通線性濾波器，給紅外成像系統(tǒng) 輸入一個(gè)正弦信號(hào)（即給出一個(gè)光強(qiáng)正弦分布的目標(biāo)），輸出仍然是 同一頻率的正弦信號(hào)（即目標(biāo)成的像仍然是同一空間頻率的正弦分 布），只不過(guò)像的對(duì)比有所降低，位相發(fā)生移動(dòng)。對(duì)比降低的程

18、度和 位相移動(dòng)的大小是空間頻率的函數(shù)，被稱為紅外成像系統(tǒng)的對(duì)比傳遞 函數(shù)（MTF和位相傳遞函數(shù)（PTF）,這個(gè)函數(shù)的具體形式則完全由 紅外成像系統(tǒng)的成像性能所決定，因此傳遞函數(shù)客觀地反映了成像系 統(tǒng)的成像質(zhì)量，紅外成像系統(tǒng)存在一個(gè)截止頻率，對(duì)這個(gè)頻率，正弦 目標(biāo)的像的對(duì)比降低到0。目標(biāo)經(jīng)系統(tǒng)成像后一般都是能量減少，對(duì)比降低和信息衰減。通常所謂的分辯率，是將物體結(jié)構(gòu)分解為線或點(diǎn)，這只是分解物 體方法的一種。另一種方法是將物體結(jié)構(gòu)分解為各種頻率的譜，即認(rèn)為物體是由各種不同的空間頻率組合而成的。 這樣紅外成像系統(tǒng)的特 性就表現(xiàn)為它對(duì)各種物體結(jié)構(gòu)頻率的反應(yīng)：透過(guò)特性、對(duì)比變化和位 相推移?？臻g頻率定義

19、為周期量在單位空間上變化的周期數(shù) ：設(shè)有亮暗相間的等寬度條紋圖案，兩相鄰條形中心之間距離改稱 為空間周期（mm, Tx的倒數(shù)稱為空間頻率（單位是線對(duì) /毫米，即 lp/mm）。在紅外成像系統(tǒng)中通常用單位弧度中的周期數(shù)來(lái)表示（c/mrad）,若觀察點(diǎn)O與圖案之間的距離為R （n）,則x Tx/R（單位 mrad）稱為角周期，其倒數(shù)即為（角）空間頻率 fx： fx 1/ x R/Tx線性周期xMo物體的調(diào)制度(對(duì)比度)定義:bi bo光學(xué)系統(tǒng)對(duì)某一頻率的調(diào)制傳遞函數(shù) MTF為:MTF1MiMTF(fx)-Mo2.紅外成像過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)制傳遞函數(shù)紅外成像系統(tǒng)模型如前所述，根據(jù)線性濾波理論，對(duì)于由

20、一系列 具有一定頻率特性(空間的或時(shí)間的)的分系統(tǒng)所組成的紅外成像系 統(tǒng)，只要逐個(gè)求出分系統(tǒng)的傳遞函數(shù)， 其乘積就是整個(gè)系統(tǒng)的傳遞函 數(shù)。(1)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF(2)探測(cè)器的MTF(3)電子線路的MTF(4)顯示器的MTF(5)大氣擾動(dòng)的MTFm(6)人眼調(diào)制傳遞函數(shù)MT&e人眼能發(fā)現(xiàn)的能量起伏為 0.05,即最大能量為1,最低能量是 0.95時(shí)也能發(fā)現(xiàn)，所以人眼能接收感知的極限調(diào)制度為 0.026,目視 儀器各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)值可以以此作為考慮的出發(fā)點(diǎn)。(7)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)MTF紅外成像系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)為各分系統(tǒng)傳遞函數(shù)的乘積：MTF MTFo MTFd MTFe MTF m M

21、TFom MTF eye二、噪聲等效溫差(NETD1. NETD的定義用紅外成像系統(tǒng)觀察標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)圖案，當(dāng)紅外成像系統(tǒng)輸出端產(chǎn)生 的峰值信號(hào)與均方根噪聲電壓之比為 1時(shí)的目標(biāo)與背景之間的溫差， 稱為噪聲等效溫差(NETD NETD是表征紅外成像系統(tǒng)受客觀信噪比 限制的溫度分辨率的一種量度。NETDW試圖案2. NETD的表達(dá)式及物理意義假設(shè)目標(biāo)與背景都是朗伯輻射體，先求出紅外成像系統(tǒng)分辨單元 接收到的輻射功率，再求出由于目標(biāo)與背景溫差引起的接收功率的差netD勺表異，繼而求得信號(hào)電壓的變化量及信噪比，由定義可得到 達(dá)式。對(duì)單元探測(cè)器光機(jī)掃描方式，其 NETDg達(dá)式為：NETD 2 .Ao3/?2

22、 f:WHWV F2()D ()15d式中針 是掃描效率, 光譜透過(guò)率,是光學(xué)系統(tǒng)的焦距,TWH、WV是觀察視場(chǎng)角,是瞬時(shí)視場(chǎng)角，Ao是入瞳面積，D是探測(cè)器的歸一化探測(cè)度(比探測(cè)率)?F是幀速， 是光學(xué)系統(tǒng)的,M (T)是目標(biāo)的光譜輻射出射度，1 2是系統(tǒng)工作波段。 ?NETD f及 是表征一個(gè)紅外成像系統(tǒng)性能的三個(gè)主要特征參 數(shù)，分別反映了系統(tǒng)的溫度分辨率、信息傳遞速率及空間分辨率：NETD這三個(gè)特征參數(shù)在性能要求上是相互矛盾的，即存在制約關(guān)系。NETD勺局限性：(1) NETDE映的是客觀信噪比限制的溫度分辨率，沒(méi)有考慮視 覺(jué)特性的影響。(2)單純追求低的NETD直并不意味著一定有很好的系

23、統(tǒng)性能。 例如，增大工作波段的寬度，顯然會(huì)使 NETEM小。但在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng) 合，可能會(huì)由于所接收的日光反射成分的增加，使系統(tǒng)測(cè)出的溫度與真實(shí)溫度的差異增大。表明 NET必式未能保證與系統(tǒng)實(shí)際性能的一 致性。(3) NETDS映的是系統(tǒng)對(duì)低頻景物(均勻大目標(biāo))的溫度分辨 率，不能表征系統(tǒng)用于觀測(cè)較高空間頻率景物時(shí)的溫度分辨性能。NETD具有概念明確、測(cè)量容易的優(yōu)點(diǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，采用 NETD乍為對(duì)系統(tǒng)諸參數(shù)進(jìn)行選擇的權(quán)衡標(biāo)準(zhǔn)是有用的。 三、最小可分辨溫差(MRTDMRTDM景物空間頻率的函數(shù)，是表征系統(tǒng)受視在信噪比限制的 溫度分辨率的量度。MRTD勺測(cè)試圖案：由成像系統(tǒng)對(duì)某一組四條帶圖案成像

24、，調(diào)節(jié)目標(biāo)相對(duì)背景的溫差，從零逐漸增大，直到在顯示屏上剛能分辨出條帶圖案為止。此時(shí) 的溫差就是在該組目標(biāo)空間頻率下的最小可分辨溫差。 分別對(duì)不同空 間頻率的條帶圖案重復(fù)上述測(cè)量過(guò)程，可得到 MRT曲線。MRT的線：ofxMRT除合描述了在噪聲中成像時(shí)，紅外成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的空間 及溫度分辨能力。MRT而在的問(wèn)題主要是：它是一種帶有主觀成分 的量度，測(cè)試結(jié)果會(huì)因人而異。止匕外，未考慮人眼的調(diào)制傳遞函數(shù)對(duì) 信號(hào)的影響也是其不足之處。四、最小可探測(cè)溫差（MDTD最小可探測(cè)溫差 MDT奧將NETDW MRTD勺概念在某些方面作了 取舍后而得出的。具體地說(shuō)，MDTD5是采用MRTD）觀測(cè)方式，由在 顯示屏

25、上剛能分辨出目標(biāo)時(shí)所需的目標(biāo)對(duì)背景的溫差來(lái)定義。但MDTD采用的標(biāo)準(zhǔn)圖案是位于均勻背景中的單個(gè)方形目標(biāo)，其尺寸W可調(diào)整，這是對(duì)NETDW MRT加準(zhǔn)圖案特點(diǎn)的一種綜合。MDTDg來(lái)估算點(diǎn)源目標(biāo)的可探測(cè)性是有價(jià)值的。 5微光像增強(qiáng)器件明朗夏天采光良好的室內(nèi)照度大致在100至500lx之間太陽(yáng)直射時(shí)的地面照度可以達(dá)到10萬(wàn)lx滿月在天頂時(shí)的地面照度大約是0.2lx夜間無(wú)月時(shí)的地面照度只有10-4lx數(shù)量級(jí)微光光電成像系統(tǒng)的工作條件就是環(huán)境照度低于10-1 lx微光光電成像系統(tǒng)的核心部分是微光像增強(qiáng)器件一、微光像增強(qiáng)器1 .基本原理光電陰極將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像， 電子光學(xué)成像系統(tǒng)（電極 系統(tǒng)）將

26、電子圖像傳遞到熒光屏，在傳遞過(guò)程中增強(qiáng)電子能量并完成 電子圖像幾何尺寸的縮放，熒光屏完成電光轉(zhuǎn)換，即將電子圖像轉(zhuǎn)換 為可見(jiàn)光圖像，圖像的亮度已被增強(qiáng)到足以引起人眼視覺(jué)， 在夜間或 低照度下可以直接進(jìn)行觀察。光電陰極 熒光屏2 .微光像增強(qiáng)器的性能參數(shù) （1）光電陰極靈敏度表征光電陰極發(fā)射(或轉(zhuǎn)換)特性的參量是光電靈敏度，即像管 光電陰極產(chǎn)生的光電流與入射輻射通量之比。對(duì)微光器件，光靈敏度是指用色溫2856K 50K的標(biāo)準(zhǔn)鴇絲白熾燈(CIE規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)“ A 光源)照射光電陰極時(shí)，其上產(chǎn)生的光電流與入射光通量之比。(2)有效直徑有效光電陰極直徑是在像管輸入端上與光電軸同心、能完全成像于熒光屏上的最

27、大圓直徑。有效熒光屏直徑是在像管輸出端上與光電 軸同心，并與有效光電陰極直徑成物像關(guān)系的圓直徑。 一般將其表示 為有效陰極直徑/有效屏直徑，如 18/18 (單位mm。(3)增益用色溫為2856K士 50K的鴇絲白熾燈照射像管的光電陰極，熒光 屏輸出的光通量與輸入到光電陰極的光通量之比即為光通量增益。(4)暗背景光亮度和等效背景光照度光電陰極無(wú)光照時(shí)，處于工作狀態(tài)的像管熒光屏上的輸出光亮度 稱為暗背景光亮度。等效背景光照度是指產(chǎn)生和暗背景相等的輸出光 亮度在光電陰極上所需的輸入光照度。(5)放大率、畸變像管的放大率是指熒光屏上輸出像的幾何大小與光電陰極上輸入像的幾何大小之比。像管的畸變是距離光

28、電軸中心不同位置處各點(diǎn)放大率不同的表 征：Dr c 100% c式中D是與光電陰極中心距離為r處的畸變，是與光電陰極中 心距離為r處的放大率，c是光電陰極中心處的放大率。 立為正值時(shí) 產(chǎn)生枕形畸變，為負(fù)值時(shí)產(chǎn)生桶形畸變。(6)分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)分辨率是指像管分辨相鄰兩個(gè)物點(diǎn)或像點(diǎn)的能力。如果把矩形波空間頻率圖樣投射到光電陰極上，分辨率可用在熒光屏上能分辨的最 高空間頻率表示。調(diào)制傳遞函數(shù)MT喝熒光屏上輸出的正弦波圖樣的 調(diào)制度與光電陰極上輸入的正弦波圖樣的調(diào)制度之比。(7)光生背景在有光輸入時(shí)，處于工作狀態(tài)的像管熒光屏上存在的隨入射光強(qiáng) 弱而變化的那部分附加光亮度，稱為光生背景。當(dāng)光電陰極的

29、中心用 一個(gè)不透明的圓片遮掩，并均勻照明光電陰極，熒光屏中心會(huì)出現(xiàn)一 個(gè)暗斑，暗斑處的輸出光亮度與取掉不透明圓片、 用同一光源均勻照 明光電陰極時(shí)熒光屏中心處的輸出光亮度之比， 即表示光生背景的大 小。(8)信噪比信噪比是評(píng)定像管成像質(zhì)量的綜合指標(biāo)。 像管在規(guī)定的工作條件 下輸出的信號(hào)與噪聲之比即為信噪比。 像管的噪聲源主要是：由暗背 景引起的固定背景噪聲；由于光子、光電子的量子特性引起的漲落量 子噪聲；由于微通道板等增益機(jī)構(gòu)引起的增益噪聲；由于熒光屏顆粒 結(jié)構(gòu)引起的顆粒噪聲。(9)自動(dòng)光亮度控制(ABC特性和最大輸出光亮度(MOB像管的自動(dòng)光亮度控制是帶電源的像管組件的特性。當(dāng)輸入光照 度大于某一規(guī)定值時(shí)，輸出光亮度與輸入光照度之間呈非線性關(guān)系， 輸出光亮度曲線的最大值稱為最大輸出光亮度。光電陰極輸入光照度度亮出光輸屏光熒3 .三代像增強(qiáng)器一代管以三級(jí)級(jí)聯(lián)增強(qiáng)技術(shù)為特征，增益高達(dá)幾萬(wàn)倍，但體積大, 重量重；二代管以微通道板(MCP增強(qiáng)技術(shù)為特征，體積小，重量輕， 但夜視距離無(wú)明顯突破；三代管則采用了負(fù)電子親和勢(shì)(NEA GaAs光電陰極，使夜視距 離提高1.5-2倍以上。(1)第一代像增強(qiáng)器第一代像增強(qiáng)器是以纖維光學(xué)面板作為輸入、 輸