光電成像技術(shù)Chapter6-直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析

第六章直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析2/5/20231光電成像原理§6直視型光電成像系統(tǒng)與特性分析

直視型光電成像器件也稱作像管，器件本身具有圖像轉(zhuǎn)換、圖像增強(qiáng)及顯示功能。

隨著技術(shù)的發(fā)展，器件朝著小型化、集成化方向發(fā)展，直視型光電成像器件與電視型光電成像器件的區(qū)別逐步淡化，甚至難以區(qū)別，本章主要講授直視型夜視光電成像系統(tǒng)。2/5/20232光電成像原理一、直視型主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)§6.1直視型光電成像系統(tǒng)的原理

直視型主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)的主要部件：

紅外照明光源、物鏡、紅外變像管/具有近紅外延伸的像增強(qiáng)器、目鏡。發(fā)射→大氣傳輸→反射→大氣傳輸→接收→光電轉(zhuǎn)換→圖像增強(qiáng)→可見光圖像顯示直視型主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)的主要應(yīng)用：

公安、工業(yè)監(jiān)測、醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究；另外，像管的選通技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了其在軍事領(lǐng)域的重要應(yīng)用，比如巡航導(dǎo)彈的導(dǎo)航等。直視型主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)的工作波段：

0.76~1.2um。2/5/20233光電成像原理§6.1直視型光電成像系統(tǒng)的原理

電子光學(xué)系統(tǒng)：圖像增強(qiáng)、加速聚焦人眼2/5/20234光電成像原理主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)工作在近紅外波段的特點(diǎn)：§6.1直視型光電成像系統(tǒng)的原理

充分利用(軍事)目標(biāo)和自然界景物之間反射能力的顯著差異。圖6-2的典型目標(biāo)反射光譜曲線，利用反射光譜曲線在某一波段的差異獲得高對比度的目標(biāo)與背景細(xì)節(jié)。(識別偽裝)近紅外輻射比可見光受大氣散射的影響小，具有較高的大氣透射比。惡劣天氣情況除外。主動(dòng)成像系統(tǒng)工作不受環(huán)境照明的影響，可在“全黑”條件下工作，并且可利用窄光束照明，從而使得目標(biāo)與背景的反差增大，獲得較為清晰的圖像。2/5/20235光電成像原理§6.1直視型光電成像系統(tǒng)的原理

紅外照明光源帶來的致命弱點(diǎn)：容易暴露自己。主動(dòng)紅外向被動(dòng)紅外發(fā)展；夜視成像向近紅外拓展。選通技術(shù)的應(yīng)用，減少了傳輸介質(zhì)的后向散射對成像系統(tǒng)的影響，促使其在軍事及其他領(lǐng)域的應(yīng)用。二、直視型（被動(dòng)）微光成像系統(tǒng)直視型微光成像系統(tǒng)的主要部件：微光物鏡、像管、目鏡，圖6-3。反射、大氣傳輸→接收→光電轉(zhuǎn)換→圖像增強(qiáng)→可見光圖像顯示直視型微光成像系統(tǒng)的主要應(yīng)用：

軍事、天文、公安、安防、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究。2/5/20236光電成像原理§6.1直視型光電成像系統(tǒng)的原理

直視型微光成像系統(tǒng)的工作波段：

可見光波段、有一定的近紅外或紫外光譜響應(yīng)，但是通常情況下不選擇紅外/紫外變像管。直視型微光成像系統(tǒng)工作的特點(diǎn)：被動(dòng)式工作，靠自然光照明景物，隱蔽性好，但是目標(biāo)與景物之間反差小，圖像較平淡，層次不夠分明。系統(tǒng)受自然照度和大氣透明度影響較大，尤其是在濃云和地面煙霧較濃的情況下，景物照度和對比度會明顯下降。2/5/20237光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

一、夜視成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)：圖像增強(qiáng)、加速聚焦光陰極顯示屏物鏡：把目標(biāo)場景成像于光陰極上目鏡：人眼通過目鏡觀察顯示屏上的可見光圖像光學(xué)系統(tǒng)是夜視成像系統(tǒng)的重要組成部分，對系統(tǒng)性能有很大的影響。2/5/20238光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

夜視光電成像系統(tǒng)的種類：

微光夜視系統(tǒng)（微光成像物鏡）、主動(dòng)紅外夜視成像系統(tǒng)和熱成像系統(tǒng)（紅外成像物鏡）。1.夜視成像物鏡(1)夜視系統(tǒng)對物鏡的基本要求a.大的通光口徑和相對孔徑景物的輻射噪聲影響微光成像系統(tǒng)的視見能力。由第三章“成像系統(tǒng)像平面的輻照度”可知，夜視系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)是低信噪比系統(tǒng)，需要加大相對孔徑以最大限度地接收來自目標(biāo)的輻射，提高光陰極的照度和系統(tǒng)的信噪比。2/5/20239光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

2/5/202310光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

b.小的漸暈斜光束照射時(shí)，漸暈導(dǎo)致像面（光陰極）邊緣相對于中心的照度會下降，光陰極上照度的不均勻?qū)⒃斐蔁晒馄辽蠄D像亮度不均勻，邊緣的像質(zhì)變壞，尤其是低信噪比的夜視微光系統(tǒng)。c.寬光譜范圍的色差校正不同種類的成像系統(tǒng)在不同的光譜范圍進(jìn)行校正色差。（微光：0.4~0.9；主動(dòng)：0.65~1.2；熱成像：1.5~14）d.物鏡在低頻情況下具有好的調(diào)制傳遞特性微光成像系統(tǒng)是低通濾波器。由緒論部分的知識可知：復(fù)合成像系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)為各環(huán)節(jié)調(diào)制傳遞函數(shù)的乘積。2/5/202311光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

e.最大限度地消除雜散光雜散光對低信噪比的夜視系統(tǒng)影響較明顯，必須減小成像光學(xué)系統(tǒng)的雜散光以減小夜視系統(tǒng)像質(zhì)的變壞。f.同時(shí)考慮聚光系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)（對紅外光學(xué)系統(tǒng)）平行光束掃描時(shí)，要求光學(xué)系統(tǒng)的出射光束仍為平行光束；掃描系統(tǒng)處于會聚光束中掃描時(shí)將導(dǎo)致掃描散焦，要求設(shè)計(jì)紅外物鏡時(shí)加以校正以減小掃描散焦。g.盡可能減小被動(dòng)紅外系統(tǒng)中冷反射所產(chǎn)生的圖像缺陷。（紅外熱成像系統(tǒng)的重要指標(biāo)）2/5/202312光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

(2)成像物鏡的基本類型成像物鏡有三類：折射系統(tǒng)、反射系統(tǒng)和折反射系統(tǒng).a.折射系統(tǒng)折射物鏡較易校正像差，可獲得較大視場，結(jié)構(gòu)簡單，裝調(diào)方便。雙高斯物鏡、匹茲伐物鏡，以及它們的改進(jìn)型。雙高斯物鏡：利用厚透鏡校正像面彎曲。應(yīng)用于較大視場(40~50o)的場合該物鏡結(jié)構(gòu)完全對稱于光欄，垂軸像差可以自動(dòng)消除。其半部由彎月形厚透鏡和正光焦度的雙膠合透鏡，厚透鏡用于校正初級場曲系數(shù)SⅣ，雙膠合透鏡的彎月用于校正初級球差系數(shù)SⅠ，兩個(gè)半部之間的間距用于校正初級彗差系數(shù)SⅡ，雙膠合用于校正初級軸向色差CⅠ。2/5/202313光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

匹茲伐物鏡的基本結(jié)構(gòu)由兩個(gè)正透鏡組構(gòu)成，球差和彗差校正較好，但視場較大時(shí)場曲變大。適用于大孔徑和較小視場的場合。紅外材料折射率高但反射損失大，在滿足需要的條件下盡可能減少透鏡片數(shù)，甚至采用單片透鏡（像質(zhì)允許下）或組合透鏡（消除球差和色差）。

采用非球面光學(xué)和衍射光學(xué)元件(衍射光學(xué)與微電子技術(shù)相互滲透，基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和微米級加工技術(shù)制成的平面浮雕型光學(xué)器件)提高系統(tǒng)的成像性能和減小鏡片數(shù)量與體積。微型化、集成化

折射物鏡系統(tǒng)多用于短焦距(≤75mm)和短焦距大視場的情況。2/5/202314光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

b.反射系統(tǒng)

反射物鏡可做成大口徑、長焦距，且取材容易，可用金屬材料，也可用普通玻璃鍍金屬膜或介質(zhì)膜；另外，反射物鏡的光能損失小，不存在透射損失，不產(chǎn)生色差。

反射物鏡多采用雙反射鏡，少采用單反射鏡，常用的雙反射鏡有：牛頓系統(tǒng)、卡賽格林系統(tǒng)和格里高里系統(tǒng)。拋物面反射鏡牛頓系統(tǒng)由拋物面主鏡和位于主鏡焦點(diǎn)附近的平面次鏡組成，拋物面反射鏡決定了軸上無窮遠(yuǎn)點(diǎn)無像差，常用于像質(zhì)要求高的小視場紅外系統(tǒng)，特點(diǎn)是鏡筒長、質(zhì)量大。2/5/202315光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

卡賽格林系統(tǒng)由拋物面主鏡和位于主鏡焦點(diǎn)附近的雙曲面次鏡組成。雙曲面鏡的虛焦點(diǎn)與拋物面主鏡的焦點(diǎn)重合，系統(tǒng)無窮遠(yuǎn)軸上點(diǎn)無像差。主鏡和次鏡的場曲異號，對整個(gè)場曲有一定的校正作用，但是彗差和場曲嚴(yán)重，限制了它的視場。主鏡中央留有小孔。特點(diǎn)是焦距長、鏡筒短、結(jié)構(gòu)緊湊，軸上點(diǎn)分辨率高。拋物面反射鏡雙曲面鏡2/5/202316光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

格里高里系統(tǒng)由拋物面主鏡和橢球面次鏡組成。拋物面主鏡的焦點(diǎn)與橢球面的一個(gè)焦點(diǎn)重合，軸上點(diǎn)也沒有像差，但軸外點(diǎn)的彗差和像散嚴(yán)重，且鏡筒較長，結(jié)構(gòu)較為笨重。主鏡中央留有小孔，使光線經(jīng)主鏡和副鏡兩次反射后從小孔中射出，到達(dá)目鏡，從而消除球差和色差。

反射物鏡可以使系統(tǒng)獲得好的像質(zhì)，但是需要采用非球面鏡，非球面鏡加工、檢測較困難，成本高。2/5/202317光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

c.折反射系統(tǒng)折反射系統(tǒng)是對反射系統(tǒng)的改進(jìn)，為了少采用非球面鏡但又可得到好的成像質(zhì)量，主、次鏡都采用球面鏡構(gòu)成折反射物鏡系統(tǒng)。

折反射系統(tǒng)在反射系統(tǒng)中加折射元件(校正板)，用于校正反射鏡引起的像差，以改善整個(gè)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，尤其是軸外視場的像差?？蓪?shí)現(xiàn)大口徑、長焦距，常用的有：施密特系統(tǒng)、曼金折反射鏡、包沃斯-馬克托夫系統(tǒng)、包沃斯-卡賽格倫系統(tǒng)。2/5/202318光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

折反射系統(tǒng)中折射元件的透過率波譜范圍有限，通常只限于近紅外和近紫外的波譜范圍使用，而不適于在中、遠(yuǎn)紅外、真空紫外和X光波段中使用。折反射光學(xué)系統(tǒng)通常分為兩大類：一類是在主反射鏡前加校正元件，如施密特校正板等。由于主鏡前的折射元件，口徑不能做的太大，通常不超過300mm，屬于中小尺寸的折反射系統(tǒng)。另一類是在主鏡之后加折射元件，這些折射元件處于會聚光路中，其尺寸比主鏡小很多，可使得這類折反射系統(tǒng)的口徑做的很大，可達(dá)幾米。2.目鏡

像管中，目鏡的作用是放大像管熒光屏或顯示屏上的目標(biāo)像，使人眼能進(jìn)行舒適清晰地觀察。2/5/202319光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

對目鏡的要求：合適的焦距，決定放大率，通常在20mm左右；足夠的視場（大視場），30~90°之間；合適的出瞳距離和出瞳直徑；夜間人眼的瞳孔直徑約5~8mm，出瞳距離約12~15mm，炮、車25~50mm。適當(dāng)?shù)那肮?jié)距（目鏡前表面和前焦點(diǎn)之距），以保證工作時(shí)的適度調(diào)整。像差校正：大視場，軸外像差；大口徑，球差和彗差。常用的目鏡：圖6-16。

人眼通過目鏡觀察熒光屏，通常認(rèn)為可分辨目標(biāo)的最小角度約6’。2/5/202320光電成像原理夜空自然微光照射目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射的微光輻射進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)物鏡，物鏡組把目標(biāo)成像于焦平面的像增強(qiáng)器光陰極面上，像增強(qiáng)器對目標(biāo)像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、光電子成像和亮度增強(qiáng)，顯示于熒光屏。由于工作時(shí)只靠夜天光照明而受自然照度和大氣透明度影響大，圖像平淡而層次不夠分明。§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

二、微光夜視成像系統(tǒng)不用人工照明是其最主要的優(yōu)點(diǎn)，不易暴露目標(biāo)。2/5/202321光電成像原理直視微光夜視系統(tǒng)目標(biāo)目鏡系統(tǒng)人眼像增強(qiáng)器高壓電源物鏡系統(tǒng)核心器件：把微弱的光圖像增強(qiáng)到足夠的亮度，以便人眼進(jìn)行觀察§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

光學(xué)系統(tǒng)（物鏡組、目鏡組）；像增強(qiáng)器；高壓電源。2/5/202322光電成像原理⑤圖像傳遞信噪比高夜視光電成像系統(tǒng)的技術(shù)要求：①足夠的亮度增益；②低背景噪聲；③高響應(yīng)度④好的調(diào)制傳遞特性⑥響應(yīng)速度快§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

2/5/202323光電成像原理

主動(dòng)式紅外成像系統(tǒng)自身帶有紅外光源，是根據(jù)被成像物體對紅外光源的不同反射率，以紅外變像管作為光電成像器件的紅外成像系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：成像清晰、對比度高、不受環(huán)境光源影響；缺點(diǎn)：易暴露，不利于軍事應(yīng)用?！?.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

二、主動(dòng)紅外成像的照明系統(tǒng)主動(dòng)式紅外成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)照明系統(tǒng)；光學(xué)系統(tǒng)（物鏡組、目鏡組）；紅外變像管；高壓電源。2/5/202324光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

二、主動(dòng)紅外成像的照明系統(tǒng)

紅外發(fā)射器(照明系統(tǒng))：是主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)的主要組成部分之一，其性能對系統(tǒng)的性能有著重要影響。系統(tǒng)對紅外發(fā)射器(包含光源、濾光片等)的要求如下：照明系統(tǒng)的輻射光譜與像管光陰極的光譜響應(yīng)有效地匹配，并在匹配的光譜范圍內(nèi)有高的輻射效率；有一定的照射范圍，照明系統(tǒng)發(fā)出光束的散射角應(yīng)與成像系統(tǒng)的視場角基本一致，以保證系統(tǒng)觀察目標(biāo)所要求的照明的同時(shí)，盡可能減少自身的暴露；目鏡組把變像管熒光屏上的像放大，便于人眼觀察；

與常規(guī)光學(xué)儀器不同，變像管將物鏡組和目鏡組隔開，使得光學(xué)系統(tǒng)的入瞳和出瞳不存在物象共軛關(guān)系！2/5/202325光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

紅光暴露距離短;

紅光暴露距離是夜間觀察者沿照明系統(tǒng)光軸方向由遠(yuǎn)及近，當(dāng)人眼剛能發(fā)現(xiàn)照明系統(tǒng)透過的紅光時(shí)，觀察者與照明系統(tǒng)的距離。為保證對方不使用同類儀器情況下自身的隱蔽性，紅光暴露距離盡可能短。應(yīng)保證足夠的輻射強(qiáng)度，以保證在工作距離內(nèi)從目標(biāo)反射回來的輻射具有一定的強(qiáng)度;結(jié)構(gòu)上應(yīng)保證容易調(diào)焦、濾光片和光源更換方便；體積小、質(zhì)量輕、壽命長、成本低、功耗小、工作可靠。2/5/202326光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

1.紅外光源(1)白熾燈

利用白熾燈的紅外熱輻射向目標(biāo)照明，光電成像系統(tǒng)的光陰極接收反射回來的熱輻射。0.81.2λ/umP2/5/202327光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

(2)氙燈氙燈是利用高壓惰性氣體氙進(jìn)行放電。其光譜在近紅外光譜區(qū)有強(qiáng)輻射譜線，適合于大功率紅外探照燈，但是需要專門的觸發(fā)器點(diǎn)燃氙燈。(3)大功率紅外發(fā)光二極管LED

砷化鎵或鎵鋁砷半導(dǎo)體PN結(jié)，在正向電壓的作用下產(chǎn)生近紅外輻射，可以設(shè)計(jì)不同材料、不同結(jié)構(gòu)的PN結(jié)得到不同中心波長的強(qiáng)紅外輻射。

主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)的光源大功率紅外LED采用陣列排布方式，具有發(fā)光效率高、壽命長、體積小、質(zhì)量輕、不需要紅外濾光片等優(yōu)點(diǎn)。2/5/202328光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

(4)激光二極管（主動(dòng)選通像管）激光二極管也是利用半導(dǎo)體材料PN結(jié)，在正向電壓的作用下向外輻射紅外光，使用于脈沖工作方式，經(jīng)常被用作選通像管的脈沖光源。2.紅外濾光片

紅外濾光片用來濾除光源輻射中的可見光部分，紅外主動(dòng)成像系統(tǒng)對它的主要要求如下：紅外波段的光能損失盡量小，其他波段盡可能大甚至全部吸收或反射；光譜透射比與光陰極光譜靈敏度曲線紅外部分相匹配；2/5/202329光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

耐光源工作時(shí)的高溫，其熱穩(wěn)定性好；防潮性和機(jī)械性能好。3.照明系統(tǒng)的非平面反射鏡

非平面反射鏡是照明系統(tǒng)的重要組成部分，把焦點(diǎn)處的光源發(fā)出的一定立體角范圍內(nèi)的光輻射聚焦成沿軸向窄發(fā)射角出射的光束。反射鏡由鏡基（金屬或玻璃材料）和鍍層（銀或鋁）組成。

非平面反射鏡采用球面、拋物面、橢球面或雙曲面，主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)中通常采用拋物面反射鏡。2/5/202330光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

拋物面反射鏡參數(shù)：反射鏡的光孔：反射鏡正面在垂直于光軸平面上的投影圓稱為反射鏡的光孔，其直徑D為反射鏡口徑。焦點(diǎn)：平行于反射鏡光軸的光線會聚點(diǎn)F。焦距：反射鏡頂點(diǎn)O到焦點(diǎn)的距離。鏡深：鏡口切平面中心到頂點(diǎn)的距離H。包容角：焦點(diǎn)為頂點(diǎn)，口徑D為底的空間圓錐角。2/5/202331光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

拋物面反射鏡的包容角滿足如下關(guān)系：由反射鏡參數(shù)確定照明系統(tǒng)的性能參數(shù)：(1)散射角

有一定實(shí)際大小的光源放在焦點(diǎn)處，經(jīng)反射鏡反射的實(shí)際出射光束在一定角度范圍內(nèi)2α散開，當(dāng)半徑r的球形光源球心與焦點(diǎn)重合時(shí)，最大散射角的理論值為：2/5/202332光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

(2)全發(fā)光距離（光束形成距離）

由于有一定實(shí)際大小的光源發(fā)出的光線經(jīng)反射鏡反射后在某一散射角2α內(nèi)散開，使得照明系統(tǒng)的軸向光強(qiáng)在光軸不同位置的貢獻(xiàn)是不一樣的，隨著遠(yuǎn)離光源的距離增加，反射光線對軸上光強(qiáng)的貢獻(xiàn)量幾乎忽略，光強(qiáng)趨于穩(wěn)定。鏡面頂點(diǎn)O到軸上光強(qiáng)穩(wěn)定點(diǎn)K的距離l0稱作照明系統(tǒng)的全發(fā)光距離。2/5/202333光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

(3)軸向光強(qiáng)

軸向光強(qiáng)是指在大于全發(fā)光距離l0時(shí)的軸向光強(qiáng)，其大小為：

上式適用于各種光源的計(jì)算，對于非球形光源只作為近似估算。軸向光強(qiáng)只取決于光源亮度L、反射鏡的光孔面積S和反射比ρ或者探照燈光能損失K（實(shí)際中還需考慮光線遮擋部分以及濾光片損失）。

實(shí)際中，光強(qiáng)通常采用照度計(jì)（光電池）測得全發(fā)光距離外的照度，再通過（點(diǎn)源對微面元的照度）I=El2計(jì)算得到。2/5/202334光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

(4)光強(qiáng)分布

光強(qiáng)分布是指光源在散射角內(nèi)光強(qiáng)隨投射方向與光軸夾角的分布，通常是軸向光強(qiáng)最強(qiáng)，隨著發(fā)散角增大而衰減，當(dāng)光強(qiáng)下降到軸向光強(qiáng)的10%對應(yīng)的散射角表示系統(tǒng)的散射角大小。三、主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)對角放大率的選擇2/5/202335光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

1.角放大率2.角放大率與視場在目鏡選定的情況下，增加放大率必須犧牲物方視場。3.放大率與儀器外形尺寸增大放大率意味著增加物鏡的焦距。四、主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)對分辨率的選擇2/5/202336光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

1.從人眼觀測的角度出發(fā)儀器分辨角2.從光陰極角度出發(fā)儀器分辨角3.經(jīng)驗(yàn)公式

五、像管的小型化直流高壓電源（略）2/5/202337光電成像原理§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

變像管和像增強(qiáng)器需要很高的能量，該能量由高壓電源提供。變像管：1.2萬~2.9萬伏；像增強(qiáng)器：幾千~幾萬伏。主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)對高壓點(diǎn)源的要求：1.為光電成像器件提供所需的穩(wěn)定直流高壓，使變像管在實(shí)際工作情況下保持合適的輸出亮度；2.性能穩(wěn)定，在高低溫等環(huán)境保證系統(tǒng)正常工作；3.實(shí)現(xiàn)自動(dòng)亮度控制功能；4.對選通系統(tǒng)，提供選通周期、脈寬、延時(shí)可調(diào)的選通電壓；5.對自動(dòng)快門，能根據(jù)像管電流自動(dòng)調(diào)整工作電壓的占空比；6.防潮、防震，體積小，重量輕，耗電少。2/5/202338光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

直視型夜視成像系統(tǒng)受信噪比和光學(xué)系統(tǒng)性能的限制，總體性能涉及光學(xué)系統(tǒng)、像管以及與人眼的匹配等，設(shè)計(jì)時(shí)必須尋求各種參數(shù)的最佳化。2/5/202339光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

一、微光成像系統(tǒng)性能的基本極限直視微光成像系統(tǒng)性能受到光子噪聲、系統(tǒng)光學(xué)性能和人眼三個(gè)方面的限制，設(shè)計(jì)或使用時(shí)盡可能減少這些限制的影響。在光子噪聲和光學(xué)分辨力共同限制下，理想微光夜視系統(tǒng)的極限分辨角為：式中，αk是系統(tǒng)受光子噪聲限制的極限分辨角，αt是光學(xué)分辨角，D是物鏡的有效直徑，C是目標(biāo)對比度，e是電子電荷，L0是目標(biāo)亮度，τ0是物鏡透射比，t是系統(tǒng)積累時(shí)間，s是光陰極的光靈敏度，m0是光陰極面上的極限分辨力，f0’是物鏡焦距。2/5/202340光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.物鏡和像增強(qiáng)器參數(shù)對系統(tǒng)極限分辨力的影響參數(shù)：物鏡焦距、物鏡口徑、光陰極靈敏度、系統(tǒng)積累時(shí)間以及像增強(qiáng)器的極限分辨力。

圖中具體的照度值范圍反映出不同條件下對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，對不同的系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)特性可能有細(xì)微的差別。2/5/202341光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.像增強(qiáng)器暗背景噪聲對系統(tǒng)極限分辨力的影響

像增強(qiáng)器存在的噪聲（背景亮度）使得像管輸出的對比度惡化，分辨力下降。由于背景亮度的存在，目標(biāo)的總亮度是目標(biāo)的固有亮度和背景亮度之和，此時(shí)目標(biāo)的表觀對比度和噪聲限制的極限分辨角αk’分別為：

由極限分辨角可以看出，當(dāng)目標(biāo)亮度L0很高時(shí)，背景噪聲的影響很小，L0下降時(shí)，系統(tǒng)受背景噪聲的影響增加，以至信號被噪聲淹沒，由第三章知識可知：夜視系統(tǒng)應(yīng)盡可能采用大相對孔徑的物鏡。2/5/202342光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

因此，像增強(qiáng)器的背景噪聲使得系統(tǒng)的極限分辨角增大，必須盡可能減小像增強(qiáng)器的背景噪聲，通常要求背景噪聲（用照度表示），RA是物鏡相對孔徑：

因此，像增強(qiáng)器存在背景亮度時(shí)，系統(tǒng)的極限分辨角為：而無噪聲影響時(shí)：2/5/202343光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.人眼與像增強(qiáng)器系統(tǒng)的最佳匹配

以上“物鏡和像增強(qiáng)器的參數(shù)”以及“背景亮度”兩項(xiàng)的討論忽略了系統(tǒng)極限性能不受人眼視覺的限制，事實(shí)上人眼視覺的限制必須考慮，從而獲得像增強(qiáng)器系統(tǒng)與人眼之間的匹配。把整個(gè)系統(tǒng)分為兩部分：物鏡與像增強(qiáng)器的組合和目鏡與人眼的組合；把物鏡與像增強(qiáng)器組合的極限分辨特性表示為像增強(qiáng)器熒光屏目標(biāo)亮度。2/5/202344光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

在物鏡光學(xué)分辨極限與像增強(qiáng)器組合受光子噪聲限制時(shí)，熒光屏上極限分辨力ms為ms與熒光屏目標(biāo)像亮度La之間的關(guān)系。對于目鏡與人眼的組合，要求在任一目標(biāo)像亮度下，目鏡助視眼的銳度曲線都應(yīng)高于物鏡像增強(qiáng)器組合的空間分辨力，以使系統(tǒng)性能不受人眼限制。因此，目鏡倍率（<13×）較小時(shí)，要求像增強(qiáng)器有較高的增益G。2/5/202345光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

二、像管的選擇像管的選擇根據(jù)實(shí)際使用情況或設(shè)計(jì)用途選取合適的光陰極、某種技術(shù)類型或某種結(jié)構(gòu)的像管。

選擇像管時(shí)考慮極限分辨力m、增益G以及噪聲等效背景等性能參數(shù)，另外：1.像增強(qiáng)器的輸入輸出窗

輸入窗考慮的因素主要是光譜匹配，輸出窗則決定于后續(xù)的級聯(lián)耦合、CCD光錐耦合或直接觀測，選擇光學(xué)玻璃、光學(xué)纖維面板或其扭像器。2.熒光屏類型

熒光屏發(fā)光的波長范圍和效率、分辨力，選通像管還應(yīng)考慮響應(yīng)時(shí)間對熒光屏的要求。2/5/202346光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

3.調(diào)制傳遞函數(shù)MTF（不同頻率的特性）4.信噪比SNR

低照度情況下，SNR對微光夜視系統(tǒng)的景物目標(biāo)探測和識別具有重要作用。三、直視光電成像系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)及其選擇

對于直視光電成像系統(tǒng)，光陰極位于物鏡的后焦面上，而熒光屏位于目鏡的前焦面上。2/5/202347光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)視場像管的視場光闌為光陰極的固定框，故其半視場角為：設(shè)計(jì)要點(diǎn)：設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)圖中的幾何關(guān)系，由系統(tǒng)性能極限確定系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)。2/5/202348光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，物鏡首先確定，則物鏡的視場越大其光陰極的直徑要求也越大；設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，像管首先確定，則物鏡的焦距要求設(shè)計(jì)相應(yīng)大小去滿足像管的視場要求。2.系統(tǒng)角放大率按照角放大率的定義，系統(tǒng)的角放大率為：2/5/202349光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)要點(diǎn)：放大率與像管觀察靈敏閾有關(guān)，即放大率取決于觀察靈敏閾對應(yīng)的光陰極上的最小照度，一旦像管確定，熒光屏的目標(biāo)像對目鏡的張角大于某一角度時(shí)，觀察靈敏閾不再下降，無法觀察更小照度的目標(biāo)；整個(gè)系統(tǒng)在目鏡首先確定后，增加倍率將增加物鏡的焦距，犧牲物方視場角為代價(jià)；放大率受系統(tǒng)外形尺寸的限制。工程經(jīng)驗(yàn)：2/5/202350光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

在目鏡的幫助下，人眼觀察熒光屏?xí)r可分辨目標(biāo)的最小角度約6’（0.00174rad）。為使人眼不限制系統(tǒng)的性能，應(yīng)有：如果光陰極的分辨力為每毫米30線對，像管放大率為1，則目鏡焦距應(yīng)小于19mm，此時(shí)目鏡放大率應(yīng)大于等于13×。3.分辨力

限制系統(tǒng)分辨力的主要器件是像管，以像管的分辨力對系統(tǒng)的分辨力進(jìn)行估算。2/5/202351光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

另外，由應(yīng)用光學(xué)的知識可知：為保證人眼視覺不成為系統(tǒng)性能的限制因素，應(yīng)具有足夠的角放大率，以6’作為人眼的極限分辨角，因此有4.入瞳、出瞳和出瞳距離

和應(yīng)用光學(xué)中不同的是：像管的物鏡和目鏡被成像器件隔開，使得物方和像方幾何光學(xué)不成對應(yīng)的共軛關(guān)系。另外，整個(gè)像管系統(tǒng)由兩部分組成：①物鏡子系統(tǒng)、光陰極和電子光學(xué)系統(tǒng)，其中物鏡口徑限制成像光束(孔徑光闌)，而光陰極面有效直徑限制系統(tǒng)的成像范圍(視場光闌)；②熒光屏和目鏡，屏上的像是該部分的物。2/5/202352光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

因此，熒光屏的有效成像面決定了目鏡的成像范圍，對應(yīng)的目鏡半視場角為2/5/202353光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

目鏡的出射光束以w’進(jìn)入人眼成像，因此，最終的成像光束還將取決于人眼瞳孔的大?。ǔ鐾睆剑┖臀恢茫ǔ鐾嚯x）。

無漸暈時(shí)，出瞳距離滿足:

50%漸暈時(shí)，出瞳距離為:2/5/202354光電成像原理§6.4夜視系統(tǒng)的作用距離

夜視系統(tǒng)的作用距離是重要的技術(shù)指標(biāo)，是系統(tǒng)性能的綜合表現(xiàn)，是系統(tǒng)總體方案論證、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的基礎(chǔ)。為保證系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短研制周期和提升應(yīng)用效果，必須科學(xué)合理地預(yù)測夜視系統(tǒng)的作用距離。2/5/202355光電成像原理§6.4夜視系統(tǒng)的作用距離

一、微光夜視系統(tǒng)的視距預(yù)測視距預(yù)測采用了目標(biāo)等效條帶圖案和約翰遜準(zhǔn)則.1.視距模型

由上節(jié)知識可知，在光學(xué)極限分辨力和低光度下光子噪聲限制的極限分辨力為而夜視系統(tǒng)的最小分辨角αm由物鏡焦距和像增強(qiáng)器光陰極面上的分辨力m決定，目標(biāo)被分辨的條件為:2/5/202356光電成像原理§6.4夜視系統(tǒng)的作用距離

滿足（*）式的最大距離l就是成像系統(tǒng)在約翰遜準(zhǔn)則50%概率條件下對目標(biāo)的觀察距離。因此，由（*）式和極限分辨角得到視距模型(作用距離)：(1)大氣傳輸?shù)挠绊?/p>

視距模型中，目標(biāo)亮度L0和目標(biāo)對比度C未考慮大氣的影響，而實(shí)際作用距離中對應(yīng)的參數(shù)必須理解為表觀值，即：光陰極照度環(huán)境照度大氣透射比：由能見度計(jì)算目標(biāo)反射率改為式4-472/5/202357光電成像原理§6.4夜視系統(tǒng)的作用距離

(2)關(guān)于概率概率與條帶周期數(shù)的關(guān)系可利用美國熱成像系統(tǒng)模型研究中擬合出的經(jīng)驗(yàn)公式：通過上式，對條帶周期數(shù)進(jìn)行修改可得到不同概率條件下的作用距離的預(yù)測。2/5/202358光電成像原理§6.4夜視系統(tǒng)的作用距離

2.視距估算方法（略）(1)視距估算列線圖

在獲得像增強(qiáng)器多種目標(biāo)對比度和光陰極照度下的分辨力特性的情況下，采用視距估算列線圖進(jìn)行微光夜視系統(tǒng)的視距預(yù)測。(2)視距等效處理方法3.二代、三代成像系統(tǒng)的視距

視距是評價(jià)微光夜視成像系統(tǒng)的最直接指標(biāo)。隨著技術(shù)的發(fā)展，用自動(dòng)電子快門實(shí)現(xiàn)防強(qiáng)光的像管。2/5/202359光電成像原理§6.4夜視系統(tǒng)的作用距離

二、主動(dòng)紅外夜視系統(tǒng)的作用距離與微光夜視成像系統(tǒng)相同的是：主動(dòng)紅外夜視系統(tǒng)的作用距離與氣象環(huán)境、目標(biāo)和背景特性等條件有關(guān)之外，還受成像系統(tǒng)本身性能的影響，作用距離也是其最直接的指標(biāo)。與微光夜視成像系統(tǒng)不同的是：主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)的照明光路與成像光路基本重合，傳輸介質(zhì)的后向散射是影響其性能的重要因素。1.作用距離模型

理想化的視距模型，通常假定在晴朗天氣下，照明系統(tǒng)的后向散射造成的附加背景可忽略，成像面上的附加背景由紅外變像管的暗發(fā)射造成。2/5/202360光電成像原理§6.4夜視系統(tǒng)的作用距離

主動(dòng)紅外夜視系統(tǒng)作用距離的預(yù)測由別列克條件得到，在識別觀察暗亮度為LBI的屏上圖像時(shí)必須滿足別列克條件：通?？紤]主動(dòng)紅外成像系統(tǒng)的照明光路與成像光路重合，設(shè)照明系統(tǒng)軸向光強(qiáng)為I，濾除可見光后熒光屏的顯示亮度為：2/5/202361光電成像原理§6.4夜視系統(tǒng)的作用距離

式中Ecx是景物輻射經(jīng)物鏡在光陰極面上的照度，由第三章輻射源知識可推導(dǎo)得：所以照明系統(tǒng)被濾除可見光后目標(biāo)的紅外增益有：對于紅外變像管暗發(fā)射造成的附加背景，其在熒光屏上產(chǎn)生的背景亮度（暗背景）LBI為：2/5/202362光電成像原理§6.4夜視系統(tǒng)的作用距離

因此，由別列克條件可得：2/5/202363光電成像原理§6.4夜視系統(tǒng)的作用距離