光电成像技术 玉林师范学院期末考试讲解

1.简述：

（1）CMOS器件和CCD器件的工作原理上有什么相同点和不同点；

答：CMOS图像传感器的光电转换原理与CCD基本相同，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。（2）在应用上各自有什么优缺点，以及各自的应用领域是什么？

答：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）与系统灵活性与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能力，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在像元中采用高增益低功耗互补放大器结构，其电压转换率略优于CCD。

运用的领域：CMOS传感器在低端成像系统中具有广泛运用，如数码相机，微型和超微型摄像机。CCD在工业生产中的应用广泛，如冶金部门中的各种管、线轧制过程中的尺寸测量。（3）全球生产CMOS器件和CCD几件的企业有哪些？分别位于哪些国家，并对先关企业进行简要描述。

2、简要概述《光电成像原理与技术》各章的主要内容，并用自己的语言陈述各章之间的联系（文字在1000字以上）。

答：

1.光电成像技术的产生及发展，光电成像对视见光谱域的延伸，光电成像技术的应用范畴，光电成像器件的分类，光电成像器件的特性。

2.人眼的视觉特性与图像探测：人眼的视觉特性与模型，图像探测理论与图像探测方程，目标的探测与识别。

3.辐射源与典型景物辐射：辐射度量及光度量，朗伯辐射体及其辐射特性，黑体辐射定律，辐射源及其特性。

4.辐射在大气中的传输：大气的构成，大气消光及大气窗口，大气吸收和散射的计算，大气消光对光电成像系统性能的影响。

5.直视型电真空成像器件成像物理：像管成像的物理过程，像管结构类型与性能参数，辐射图像的光电转换，电子图像的成像理论，电子图像的发光显示，光学图像的传像与电子图像的倍增。

6.直视型光电成像系统与特性分析：直视型光电成像系统的原理，夜视光电成像系统的主要部件及特性，直视型夜视成像系统的总体设计，夜视系统的作用距离。

7.电视型电真空成像器件成像物理：电视摄像的基本原理，摄像管的主要性能参数，摄像管的分类，热释电摄像管，电子枪简介。

8.固体成像器件成像原理及应用：CCD的物理基础与工作原理，CDD的结构与特性，CCD成像原理，增强型（微光）电荷耦合成像器件，CCD的应用，CMOS成像器件及其应用。

9.电视型光电成像系统与特性分析：电视系统的组成与工作原理，电视型微光成像系统（微光电视），成像光子计数探测系统。

10.红外热成像器件成像物理：红外探测器的分类，红外探测器的工作条件与性能参数，光电导型红外探测器，光伏型红外探测器，红外焦平面阵列探测器，非制冷红外焦平面陈列探测器，量子阱红外探测器。

11.红外热成像系统的结构与特性分析：热成像系统类型与基本参数，光机扫描系统，制冷器工作原理与分类，信号的处理与显示，热成像系统的性能与作用距离模型，热成像系统的实验室评价，热成像系统总体设计的基本考虑。

3、请用自己的语言陈述学习《光电成像原理与技术》之后的收获和感受（文字在500字以上），并提出三条以上的建议。

答：

收获：在系统的学习了光电成像原理与技术之后更加的深入了解了光电成像的内部原理以及技术关键。再第一章中我知道了光电成像技术的发展历史以及应用范围；第二章里面学习到了人眼的视觉特性是怎样的，以人眼作为研究模型进一步改进我们的光电器械；第三章我学会了辐射相关的公式定律以及辐射的特性等等；

感受：

本课程的学习可以培养学生运用所学数理知识和方法认识和分析各种光电成像器件工作机理的能力和创新意识，提高学生对光电成像系统整体技术构成的认识，为他们走上工作岗位从事相关工作奠定基础。通过对本学科新理论、新器件、新系统的介绍，还可以使学生了解本学科的最新发展动态和技术前沿。本课程的内容亦军亦民，与国防装备密切相关，因此，本课程的学习可以培养学生的爱国主义精神和大国防意识。

课程主要介绍各类光电成像器件的基本工作原理和各种光电成像系统的结构以及相关的学科和技术。课程的任务是使学生掌握光电成像器件的基础理论和光电成像技术的基本原理，完成知识综合的教育和系统应用的教育。课程强调应用所学习的基础理论和方法分析光电成像器件各环节的物理过程，理解和认识光电成像系统的结构、各子系统的作用，掌握光电成像技术的基本理论和思想方法等。

课程注重理论联系实际，注重对学习者的能力的培养。通过本课程的学习，可以使学习者掌握现代光电成像原理与技术的基础理论和基本技术，了解当今广泛使用的光电成像器件的基本工作原理，各种光电成像系统的设计思想、结构和性能等。同时，还可以培养学生运用所学的数理知识和思想方法分析和认识光电成像的物理过程，利用理论知识指导和分析各种光电成像器件的工作机理以及构成光电成像系统的技术途径，掌握光电成像系统的应用设计方法和应用光电成像技术解决实际问题的能力，为学生认识和理解系统的概念及其所学知识与理论在工程上的应用打下良好的基础。

建议：书本的理论依据充足，公式也够完整，但是整体看来比较复杂，搞科学不一定非要都是一堆堆公式，可以试着将某些原理、现象、公式通过图片的方式直观的展示给学生，这样学生的学习兴趣会增加，而且要更容易理解。

4、简述光电成像器件将二维图像转换成一维电信号可通过哪些途径实现？

答：1.电真空型摄像管

（1）内光电变换型的光电导摄像器件①利用内光电效应将入射的光学辐射图像变换为电信号，在视像管中，光电导靶既作为光电变换器，又作为电信号存储与积累器异质结②又可分为注入型光电导靶、阻挡型光电导靶、异质结光电导靶、硅二极管阵列光电导靶

（2）外光电变换型的光电发射型摄像器件①利用的是外光电效应完成二维图像转换成一维电信号的②光电发射型摄像管都具有一下两个共同点： A、光电变换部分是采用光阴极把输入的光学图像转换成光电子图像 B、光电变换器和信号存储靶是分开的。③常见的有超正析摄像管、二次电子导电摄像管（SEC）、电子轰击型硅靶摄像管（EBS）

2. 热释电摄像管

热释电摄像管与普通的光电导摄像管在结构上类似，只是用热释电靶代替了光电导靶但是存在本质的区别，首先热释电靶是利用热释电效应来工作的，其次热释电靶是近乎完美的绝缘体，容易积累电荷而使电子束不能连续工作，为此要设法消除靶

面的负电荷积累。

3. 固体成像器件CCD

（1）CCD是电荷耦合器件的英文缩写，他利用的是处于非热平衡状态的势阱来进行电荷存储和转移的，它是基于MOS电容器在非稳态下工作的一种器件，为一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列，具有存储和转移信息的能力（2）可分为表面CCD(SCCD)和埋沟CCD(BCCD) （3）且它既能制成线阵CCD也能制成面阵CCD,还

能和像增强器耦合在一起构成图像增强型CCD(ICCD),也可用光电子轰击CCD的像敏元构成电子轰击型CCD(EBCCD),还可以采用延时--积分工作模式构成TDI

4. CMOS成像器件

（1）CMOS是互补金属—氧化物—半导体的英文缩写（2）和CCD具有基本相同的光电转换原理，即光敏单元受到光照后产生光生电子，在通过信号读出电路将其读出，但是CMOS的每个源像素传感单元都有自己的缓冲放大器，而且可以呗单独选址和读出

5.红外探测器

（1）热探测器 A、热探测器吸收红外辐射后，产生温升，伴随这温升而发生某些物理性质的变化，如产生温差电动势、电阻率变化、自发极化强度变化、气体体积和压强变化等。测量这些变化就可以测量出他们吸收的红外辐射的能量和功率 B、常用的有热释电探测器、微测辐射热计、微测辐射热电堆等（2）光子探测器 A、某些固体受到红外辐射照射后，其中的电子直接吸收红外辐射而产生运动状态的改变，从而导致该固体的某种电学参量的改变，这种性质统称为固体的光电效应，光子探测器就是利用光电效应制成的一种探测器 B、常用的可以分为以下几类：光电子发射探测器（利用的是外光电效应）、光电导探测器（利用的是内光电效应）、光伏探测器光磁电探测器（利用的是光磁电效应）、肖特基势垒探测器、量子阱探测器等（3）红外焦平面阵列探测器①由红外探测器和具有扫描功能的信号读出器件组成的红外焦平面阵列，是凝视型红外热成像系统的核心，红外焦平面阵列包括光敏元件和信号处理两个部分，可采用不同的光子探测器、信号电荷读出器多路传输②可分为单片式红外焦平面阵列、混合式红外焦平面阵列、Z平面红外焦平面等

5、PV型光电探测器的工作机理是什么？有哪些特点？常用哪些材料？

答：（1）工作机理：其基本部分是一个P-N结光电二极管。波长比材料的截止波

长短的红外辐射，被光电二极管吸收后将产生电子-空穴对。如果吸收是发生在结区1，电子和空穴即强电场分开，并在电路中产生光电流。如果吸收是在P区或者N 区到结的扩散长度区内，光生载流子必定会首先扩散到空间电荷区，然后在那里受到电场作用，对外电路贡献光电流。如果光电二极管是开路，则P-N结两端出现开路电压，即产生光生伏特效应。若在P、N两端连接一个低电阻，则光电二极管被短路，且有短路电流流动（反向）。

（2）特点： 1、光伏探测器响应速度快，有利于进行高速探测；其器件结构有利于排成二维阵列；探测率高。2. 提高光伏探测器的响应度，首先要提高光生电流，即量子产额，其次是降低反饱和电流，即提高增量电阻。 3、光伏探测器常工作于无外加偏压情况，此时器件功耗极低，特别适用于大规模两维阵列。如果后接放大器的输入阻抗高，则入射光信号通过器件电压变化检出信号，即为光伏模式。若后接放大器的输入阻抗很低，则光信号通过二极管短路电流变化检出。若在器件上加一直流偏压，能使器件工作于任何特性工作点，可用电容将探测器耦合到放大器上。

在高频使用时常用反偏以减小耗尽区电容和相应的时间常数Rl*Cj。

（3）材料：

6、热成像系统对扫描器的基本要求是什么？常用的光机扫描器有哪些？各有什么特点？

答：1. 热成像系统对扫描器的基本要求：

用于热成像系统的扫描器大部分产生直线扫描光栅。对扫描器的基本要求是：扫描器转角与光束转角呈线性关系；扫描器扫描时对聚光系统像差的影响尽量小；扫描效率高；扫描器尺寸尽可能小；结构紧凑。

2.常用的光机扫描器及特点：

a．摆动平面反射镜

摆动平面反射镜在一定范围内周期性地摆动完成扫描。根据反射光学原理，摆动反射镜使光线产生的偏转角二倍于反射镜的摆角，即当反射镜摆动α角时，反射光线偏转2α角。摆动平面镜是周期性往复运动，因为机构有一定的惯性，所以速度不宜太高，且在告诉摆动的情况下，视场边缘变的不稳定，要求较高的电机传动功率，因此，总的来说摆动平面镜不舍和高速扫描。

b.旋转反射镜鼓

在高速扫描的情况下，经常采用旋转反射镜鼓，由于镜鼓是连续转动，故比较

平稳。旋转反射镜鼓主要用于平行光束扫描。旋转反射镜鼓与摆动平面镜工作

状态基本相同，转角关系和像差也类似。但旋转反射镜鼓的反射面是绕镜鼓中

心线旋转，所以镜面位置相对于光线产生位移。

c.旋转折射棱镜扫描器

具有2（n+1）个侧面(n=1,2,3,…)的折射棱镜，绕通过其质心的轴线旋转，构

成旋转折射棱镜扫描器，旋转折射棱镜只用作会聚光束扫描器。会聚光束中旋

转折射棱镜扫描器除使焦点移动外，还产生各种像差，但由于其运动平衡而连

续，尺寸小，机械噪声小，有利于提高扫描速度。此外，对物镜系统消像差要

求较高，增加了设计难度。

d.旋转折射光楔

旋转折射光楔是一非常灵活的光学扫描器，一般用在平行光路中。利用一对旋

转光楔，改变其旋转方向和转速可以得到许多不同的扫描图形。

7、红外探测器的制冷器按制冷原理划分可以分为哪几种类型？

答：

特点：1. 杜瓦瓶：结构简单，制冷温度稳定，冷量充足。制冷物质多为液氮77K。

2.焦-汤制冷器：制冷物质为高压氮气。制冷部件体积小，重量轻，无运动部件，机械噪声小，使用方便。缺点：气源可得性差，高压气瓶较重，对工作气体纯度要求苛刻，杂质不能超过0.01%，否则节流孔堵塞会停止工作。

3. 斯特林制冷器：结构紧凑，体积小，重量轻，制冷温度范围宽（77K-10K），启动时间短，效率高，寿命长，操作简单，可长时间连续工作。缺点：冷头有高速运动活塞，机械振动大，容易引起器件噪声增大，分置式可减小这一问题。

4.半导体制冷器：制冷能力取决于半导体材料的性质和回路中电流的大小。目前一级半导体制冷器可产生60℃的温差，为达到更冷，可将n个热电偶串接起来。结构简单，寿命长，可靠性高，体积小，重量轻，无机械振动和冲击噪声，维护方便，只耗电能。

5. 辐射制冷器：耗能极少，甚至不需要能源的被动式制冷器，使用寿命长，不需外加制冷功率，无运动部件，更不会产生振动、冲击噪声，可靠性高。缺点：要求卫星的轨道和姿态得到控制，保证辐射制冷式中对准超低温的宇宙空间，不允许太阳光、地球等红外辐射直射到制冷器的辐射器上。

8、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？各有什么特点？

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。双高斯结构是微光成像系统中

大相对孔径的基本型，由于这种结构较容易在较宽光谱范围内修正像差，属于基本对称型结构，使轴外像差能自动抵消。在仪器视场不大的情况下，可用匹茲伐型物镜，其基本结构是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。（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）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。

9、象管直流高压电源有什么特点？主要包括哪些部分？

答：（1）提供稳定的直流高压，使像管工作时保持合适的输出亮度；（2）性能稳定，在高低温环境下保证仪器正常工作；（3）实现自动亮度控制（ABC）功能；（4）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；（5）对自动快门，能够根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。包括以下几个部分：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.

10、常用的光机扫描方案有哪些？特点如何？

答：1.物方扫描：扫描器位于聚光光学系统之前或置于无焦望远系统压缩的平行光路中。

由于扫描器在平行光路中工作，故称平行光束扫描。

2.相仿扫描：扫描器位于聚光光学系统和探测器之间的光路中，对像方光束进行扫描。对

于扫描器在会聚光路中工作，故称会聚光束扫描。

特点：

11.、试简述黑体辐射的几个定律，并讨论其物理意义，写出表达式及其试中字母的含义。答：1. 普朗克公式：错误！未找到引用源。

第一辐射常数c1=2πhc^2=3.7148*10^ -16(w. ㎡); 第二辐射常数：

c2=hc/k=1.4388*10^ -2(m.k); k为波尔兹曼常数；c为光速；M。为波长；

公式描述了黑体辐射的光谱分规律，是黑体理论的基础。

2. 斯蒂芬-波尔滋蔓公式：M。（T）=∫（∞－0）M。（λT) dλ=c1π^4

/15(c2)^4 *T^4=бT^4或M。（λ,T)=бT^4

。б=c1π^4/15(c2)^4=5.669*10^ -8 (w.m^ -2.k^ -4)称为斯蒂芬-波尔滋蔓常数。

C1为第一辐射常数。

表明黑体在单位面积上单位时间内辐射的总能量与黑体温度T的四次方成正比。

3. 维恩位移定律：峰值波长错误！未找到引用源。(μm.k)

常数b=C2/4.9651=2898(μm.k)C2为第二辐射常数；

他表示当黑体的温度升高时，其光谱辐射的峰值波长向短波方向移动。

4. 最大辐射定律：错误！未找到引用源。

M om为最大辐射出射度；

B=C1b^-5 / (e^ c2/b - 1)=1.2862* 10^ -11(w.m^ -2.μm^ -1.k^ -5)

一定温度下，黑体最大辐射出射度与温度的五次方成正比。

12、光电发射为什么会存在极限电流密度？试分析并导出连续工作条件下和脉冲工作条件下的极限电流密度表达式。

答：（1）在工作状态下，像管维持光电发射要依赖于光阴极的真空界面有向内的电场场强，这一电场是由电子光学系统提供的。光阴极的光电发射将产生空间电荷，此空间电

荷所形成的附加电场与电子光学系统的电场方向相反。随着光电发射电流密度的增

大，空间电荷的电场会增加到足以抵消电子光学系统所提供的电场。如果忽略光电

子的初速度，当光阴极画的法向场强为零时，光电发射就要受到限制，这时像管的

光电发射将呈饱和状态。这一电流密度称之为光电发射的极限电流密度。

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13、LED光源和LD光源的英文全称是什么？中文全称是什么？本质区别是什么？哪个光源的相干性好？

答：LD的英文全称为：LD light source , 中文全称：半导体激光二极管区别：

1.LED是利用注入有源区的载流子自发辐射复合发光

2.LD是受激辐射复合发光

3.结构上的差别：LD有光学谐振腔，使产生的光子在腔内振荡放大，LED没有谐振腔。

4.性能上的差别：LED没有阈值特性 ,光谱密度比LD高几个数量级 , LED输出光功率小,发散角大。Ld的相干性好，led是部分相干。

14、简述像管的结构以及像管与摄像管的区别。

答：像管的结构：光电变换部分（光电阴极）、电子学部分（电子透镜）、电光变换部分（荧光屏）。

像管和摄像管的区别：像管内部没有扫描机构，不能输出电视信号，观察者必须通过它来直接面对景物。

15、简述下列教材每一章的内容：（1）《现代光电子成像技术概论》（第二版）向世明主编；（2）《成像光学导论》廖延彪；

答：（1）第一章：光电子成像技术的意义和作用，神奇的人眼视觉及其局限性，子成像系统的物理功能及技术特点，光电子成像系统的构成、工作原理及工作模式，光电

子成像器件和显示器件的一般原理，光电子成像技术基本科学问题探讨，“成像”

一词的来源，现代光电子成像技术的数理含义。

第2章辐射源、目标及大气特性

第3章固体光电子成像器件

第4章真空光电子成像器件

第5章图像显示技术

16、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？

答：1.光纤面板是基于光线的全反射原理进行传像的，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。

2.光纤面板使像增强器获得以下优点：①增加了传递图像的传光效率；②提供了采

用准球对称电子光学系统的可能性，从而改善了像质；③可制成锥形光纤面板或

光学纤维扭像器。

17、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，能够重新产生靶面的静电电荷图像。

具体方法：

平移式：

摄全景式：——优点：装置简单。但图像总在运动，不便于观察，热目标后边缘有黑色拖尾

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，必须加校正电路将负极性新后倒相

18.全国哪些高校有光学工程专业或者光学专业的硕士点？（30）哪些高校有光学工程专业或者光学专业的博士点？（20）在广西哪些高校有光学工程专业或者光学专业的硕士点？硕士点:哈尔滨工业大学、河北师范大学、北京大学、苏州大学、.长春理工大学、.

电子科技大学、西北大学、四川师范大学、西安电子科技大学、南京航空航天大学、上海交通大学、南京农业大学、华东师范大学、首都师范大学、南京理工大学、湖南师范大学、北京工业大学、南昌大学、西北工业大学、哈尔滨工程大学、赣南师范学院、中山大学、天津理工大学、河北大学、重庆大学、内蒙古师范大学、苏州科技大学、南京艺术学院、昆明理工大学、兰州大学。

博士点:北京大学、北京工业大学、北京交通大学、北京师范大学、长春理工大学、

大连理工大学、电子科技大学、复旦大学、国防科学技术大学、哈尔滨工业大学、湖南师范大学、华东师范大学、华南师范大学华中科技大学、华中师范大学、吉林

大学、兰州大学、南京大学、南开大学、清华大学、曲阜师范大学、山东大学、

山东师范大学、山西大学、上海交通大学

广西光学专业的硕士点: 广西大学、