光電成像技術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、圖像增強及顯示功能。

隨著技術的發(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→可見光圖像顯示直視型主動紅外成像系統(tǒng)的主要應用：

公安、工業(yè)監(jiān)測、醫(yī)學、科學研究；另外，像管的選通技術的發(fā)展促進了其在軍事領域的重要應用，比如巡航導彈的導航等。直視型主動紅外成像系統(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

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

充分利用(軍事)目標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與背景細節(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：容易暴露自己。主動紅外向被動紅外發(fā)展；夜視成像向近紅外拓展。選通技術的應用，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域的應用。二、直視型（被動）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→可見光圖像顯示直視型微光成像系統(tǒng)的主要應用：

軍事、天文、公安、安防、生物醫(yī)學、科學研究。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，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：被動式工作，靠自然光照明景物，隱蔽性好，但是目標與景物之間反差小，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)的光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)：圖像增強、加速聚焦光陰極顯示屏物鏡：把目標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，漸暈導致像面（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行校正色差。（微光：0.4~0.9；主動：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，必須減小成像光學系統(tǒng)的雜散光以減小夜視系統(tǒng)像質(zhì)的變壞。f.同時考慮聚光系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)（對紅外光學系統(tǒng)）平行光束掃描時，要求光學系統(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將導致掃描散焦，要求設計紅外物鏡時加以校正以減小掃描散焦。g.盡可能減小被動紅外系統(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）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，結構簡單，裝調(diào)方便。雙高斯物鏡、匹茲伐物鏡，以及它們的改進型。雙高斯物鏡：利用厚透鏡校正像面彎曲。應用于較大視場(40~50o)的場合該物鏡結構完全對稱于光欄，垂軸像差可以自動消除。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構由兩個正透鏡組構成，球差和彗差校正較好，但視場較大時場曲變大。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）。

采用非球面光學和衍射光學元件(衍射光學與微電子技術相互滲透，基于計算機輔助設計和微米級加工技術制成的平面浮雕型光學器件)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附近的平面次鏡組成，拋物面反射鏡決定了軸上無窮遠點無像差，常用于像質(zhì)要求高的小視場紅外系統(tǒng)，特點是鏡筒長、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附近的雙曲面次鏡組成。雙曲面鏡的虛焦點與拋物面主鏡的焦點重合，系統(tǒng)無窮遠軸上點無像差。主鏡和次鏡的場曲異號，對整個場曲有一定的校正作用，但是彗差和場曲嚴重，限制了它的視場。主鏡中央留有小孔。特點是焦距長、鏡筒短、結構緊湊，軸上點分辨率高。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。拋物面主鏡的焦點與橢球面的一個焦點重合，軸上點也沒有像差，但軸外點的彗差和像散嚴重，且鏡筒較長，結構較為笨重。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，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，以改善整個系統(tǒng)的成像質(zhì)量，尤其是軸外視場的像差?？蓪崿F(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、遠紅外、真空紫外和X光波段中使用。折反射光學系統(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像，使人眼能進行舒適清晰地觀察。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?shù)那肮?jié)距（目鏡前表面和前焦點之距），以保證工作時的適度調(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，通常認為可分辨目標的最小角度約6’。2/5/202320光電成像原理夜空自然微光照射目標，經(jīng)目標反射的微光輻射進入光學系統(tǒng)物鏡，物鏡組把目標成像于焦平面的像增強器光陰極面上，像增強器對目標像進行光電轉(zhuǎn)換、光電子成像和亮度增強，顯示于熒光屏。由于工作時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?！?.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，不易暴露目標。2/5/202321光電成像原理直視微光夜視系統(tǒng)目標目鏡系統(tǒng)人眼像增強器高壓電源物鏡系統(tǒng)核心器件：把微弱的光圖像增強到足夠的亮度，以便人眼進行觀察§6.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

光學系統(tǒng)（物鏡組、目鏡組）；像增強器；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)的技術要求：①足夠的亮度增益；②低背景噪聲；③高響應度④好的調(diào)制傳遞特性⑥響應速度快§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：成像清晰、對比度高、不受環(huán)境光源影響；缺點：易暴露，不利于軍事應用?！?.2夜視光電成像系統(tǒng)的主要部件和特性

二、主動紅外成像的照明系統(tǒng)主動式紅外成像系統(tǒng)結構照明系統(tǒng)；光學系統(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、主動紅外成像的照明系統(tǒng)

紅外發(fā)射器(照明系統(tǒng))：是主動紅外成像系統(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)出光束的散射角應與成像系統(tǒng)的視場角基本一致，以保證系統(tǒng)觀察目標所要求的照明的同時，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)光學儀器不同，變像管將物鏡組和目鏡組隔開，使得光學系統(tǒng)的入瞳和出瞳不存在物象共軛關系！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)光軸方向由遠及近，當人眼剛能發(fā)現(xiàn)照明系統(tǒng)透過的紅光時，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。應保證足夠的輻射強度，以保證在工作距離內(nèi)從目標反射回來的輻射具有一定的強度;結構上應保證容易調(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行放電。其光譜在近紅外光譜區(qū)有強輻射譜線，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體PN結，在正向電壓的作用下產(chǎn)生近紅外輻射，可以設計不同材料、不同結構的PN結得到不同中心波長的強紅外輻射。

主動紅外成像系統(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。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（主動選通像管）激光二極管也是利用半導體材料PN結，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

耐光源工作時的高溫，其熱穩(wěn)定性好；防潮性和機械性能好。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：平行于反射鏡光軸的光線會聚點F。焦距：反射鏡頂點O到焦點的距離。鏡深：鏡口切平面中心到頂點的距離H。包容角：焦點為頂點，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

有一定實際大小的光源放在焦點處，經(jīng)反射鏡反射的實際出射光束在一定角度范圍內(nèi)2α散開，當半徑r的球形光源球心與焦點重合時，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)的軸向光強在光軸不同位置的貢獻是不一樣的，隨著遠離光源的距離增加，反射光線對軸上光強的貢獻量幾乎忽略，光強趨于穩(wěn)定。鏡面頂點O到軸上光強穩(wěn)定點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

軸向光強是指在大于全發(fā)光距離l0時的軸向光強，其大小為：

上式適用于各種光源的計算，對于非球形光源只作為近似估算。軸向光強只取決于光源亮度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（實際中還需考慮光線遮擋部分以及濾光片損失）。

實際中，光強通常采用照度計（光電池）測得全發(fā)光距離外的照度，再通過（點源對微面元的照度）I=El2計算得到。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)光強分布

光強分布是指光源在散射角內(nèi)光強隨投射方向與光軸夾角的分布，通常是軸向光強最強，隨著發(fā)散角增大而衰減，當光強下降到軸向光強的10%對應的散射角表示系統(tǒng)的散射角大小。三、主動紅外成像系統(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；像增強器：幾千~幾萬伏。主動紅外成像系統(tǒng)對高壓點源的要求：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.實現(xiàn)自動亮度控制功能；4.對選通系統(tǒng)，提供選通周期、脈寬、延時可調(diào)的選通電壓；5.對自動快門，能根據(jù)像管電流自動調(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)的總體設計

直視型夜視成像系統(tǒng)受信噪比和光學系統(tǒng)性能的限制，總體性能涉及光學系統(tǒng)、像管以及與人眼的匹配等，設計時必須尋求各種參數(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)的總體設計

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)光學性能和人眼三個方面的限制，設計或使用時盡可能減少這些限制的影響。在光子噪聲和光學分辨力共同限制下，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是光學分辨角，D是物鏡的有效直徑，C是目標對比度，e是電子電荷，L0是目標亮度，τ0是物鏡透射比，t是系統(tǒng)積累時間，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)的總體設計

1.物鏡和像增強器參數(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)積累時間以及像增強器的極限分辨力。

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)和目標特性可能有細微的差別。2/5/202341光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設計

2.像增強器暗背景噪聲對系統(tǒng)極限分辨力的影響

像增強器存在的噪聲（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，目標的總亮度是目標的固有亮度和背景亮度之和，此時目標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，當目標亮度L0很高時，背景噪聲的影響很小，L0下降時，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)的總體設計

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

3.人眼與像增強器系統(tǒng)的最佳匹配

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

在物鏡光學分辨極限與像增強器組合受光子噪聲限制時，熒光屏上極限分辨力ms為ms與熒光屏目標像亮度La之間的關系。對于目鏡與人眼的組合，要求在任一目標像亮度下，目鏡助視眼的銳度曲線都應高于物鏡像增強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，要求像增強器有較高的增益G。2/5/202345光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設計

二、像管的選擇像管的選擇根據(jù)實際使用情況或設計用途選取合適的光陰極、某種技術類型或某種結構的像管。

選擇像管時考慮極限分辨力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，選擇光學玻璃、光學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，選通像管還應考慮響應時間對熒光屏的要求。2/5/202346光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設計

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)的景物目標探測和識別具有重要作用。三、直視光電成像系統(tǒng)的光學參數(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)的總體設計

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：設計要點：設計系統(tǒng)時，根據(jù)圖中的幾何關系，由系統(tǒng)性能極限確定系統(tǒng)的光學參數(shù)。2/5/202348光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設計

設計系統(tǒng)時，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；設計系統(tǒng)時，像管首先確定，則物鏡的焦距要求設計相應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)的總體設計

設計要點：放大率與像管觀察靈敏閾有關，即放大率取決于觀察靈敏閾對應的光陰極上的最小照度，一旦像管確定，熒光屏的目標像對目鏡的張角大于某一角度時，觀察靈敏閾不再下降，無法觀察更小照度的目標；整個系統(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；放大率受系統(tǒng)外形尺寸的限制。工程經(jīng)驗：2/5/202350光電成像原理§6.3直視型夜視成像系統(tǒng)的總體設計

在目鏡的幫助下，人眼觀察熒光屏時可分辨目標的最小角度約6’（0.00174rad）。為使人眼不限制系統(tǒng)的性能，應有：如果光陰極的分辨力為每毫米30線對，像管放大率為1，則目鏡焦距應小于19mm，此時目鏡放大率應大于等于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)的總體設計

另外，由應用光學的知識可知：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

和應用光學中不同的是：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不成對應的共軛關系。另外，整個像管系統(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)的總體設計

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

目鏡的出射光束以w’進入人眼成像，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，出瞳距離滿足:

50%漸暈時，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指標，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)設計與分析的基礎。為保證系統(tǒng)的設計質(zhì)量、縮短研制周期和提升應用效果，必須科學合理地預測夜視系統(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)的視距預測視距預測采用了目標等效條帶圖案和約翰遜準則.1.視距模型

由上節(jié)知識可知，在光學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器光陰極面上的分辨力m決定，目標被分辨的條件為: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)在約翰遜準則50%概率條件下對目標的觀察距離。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，目標亮度L0和目標對比度C未考慮大氣的影響，而實際作用距離中對應的參數(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：由能見度計算目標反射率改為式4-472/5/202357光電成像原理§6.4夜視系統(tǒng)的作用距離

(2)關于概率概率與條帶周期數(shù)的關系可利用美國熱成像系統(tǒng)模型研究中擬合出的經(jīng)驗公式：通過上式，對條帶周期數(shù)進行修改可得到不同概率條件下的作用距離的預測。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

在獲得像增強器多種目標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行微光夜視系統(tǒng)的視距預測。(2)視距等效處理方法3.二代、三代成像系統(tǒng)的視距

視距是評價微光夜視成像系統(tǒng)的最直接指標。隨著技術的發(fā)展，用自動電子快門實現(xiàn)防強光的像管。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：主動紅外夜視系統(tǒng)的作用距離與氣象環(huán)境、目標和背景特性等條件有關之外，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。與微光夜視成像系統(tǒng)不同的是：主動紅外成像系統(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

主動紅外夜視系統(tǒng)作用距離的預測由別列克條件得到，在識別觀察暗亮度為LBI的屏上圖像時必須滿足別列克條件：通?？紤]主動紅外成像系統(tǒng)的照明光路與成像光路重合，設照明系統(tǒng)軸向光強為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得：所以照明系統(tǒng)被濾除可見光后目標的紅外增益有：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