第六章直视型光电成像系统与特性分析.ppt

《第六章直视型光电成像系统与特性分析.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第六章直视型光电成像系统与特性分析.ppt（64页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第六章 直视型光电成像系统与特性分析n n6.1.6.1.直视型光电成像系统的工作原理直视型光电成像系统的工作原理n n6.2.6.2.夜视光电成像系统的主要部件及其夜视光电成像系统的主要部件及其特性特性n n6.3.6.3.直视型光电成像系统的总体设计直视型光电成像系统的总体设计n n6.4.6.4.夜视系统的作用距离估算夜视系统的作用距离估算AN/AVS-6AN/AVS-9NW-2000ICCDAN/PVS-7DF7000A/F7001AN.269776专用箱专用箱2023/1/42023/1/46.1.直视型光电成像系统的工作原理n直视型主动红外成像系统直视型主动红外成像系统n红外光源红

2、外光源n物镜组物镜组n红外变像管红外变像管n高压电源高压电源n目镜组目镜组n人眼人眼n直视型夜视成像系统（夜视仪）直视型夜视成像系统（夜视仪）n物镜组物镜组n像增强器像增强器n高压电源高压电源n目镜组目镜组n人眼人眼2023/1/42023/1/46.1.直视型光电成像系统的工作原理n主动红外成像系统：主动红外成像系统：工工作作波波段段为为0.761.2m的的近近红红外外波波段段，其其长长波波限限由由变变像像管光管光电电阴极的光阴极的光谱谱响响应应决定。决定。2023/1/42023/1/46.1.直视型光电成像系统的工作原理n主动红外成像系统的工作主动红外成像系统的工作特点：特点：J利用反射

3、能力的差异。利用反射能力的差异。J天气好时，近红外具有较高的天气好时，近红外具有较高的大气透射比。大气透射比。J“主动照明主动照明”不受环境影响，不受环境影响，目标与背景反差加大。目标与背景反差加大。J选通，可在很多特殊场合下应选通，可在很多特殊场合下应用对于军事应用。用对于军事应用。L容易暴露。容易暴露。绿色草木绿色草木混凝土混凝土暗绿色漆暗绿色漆2023/1/42023/1/46.1.直视型光电成像系统的工作原理n直视型直视型(被动被动)微光成像系统微光成像系统：直直视视型型微微光光成成像像系系统统(又又称称为为微微光光夜夜视视仪仪)利利用用微微光光增增强强技技术术，可可在在极极低低照照度

4、度(10-5lx)下下完完全全“被被动动”式式工工作作，可可明明显显改改善善人人眼眼在微光下的视觉性能。在微光下的视觉性能。2023/1/42023/1/46.1.直视型光电成像系统的工作原理n直视型直视型(被动被动)微光成像系统的工微光成像系统的工作特点：作特点：J被动被动-隐蔽性好隐蔽性好L景物之间反差小景物之间反差小L受自然照度和大气透明度影响大受自然照度和大气透明度影响大2023/1/42023/1/46.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性n夜视成像系统的光学系统夜视成像系统的光学系统 n夜视成像物镜夜视成像物镜n夜视系统对成像物镜的基本夜视系统对成像物镜的基本要求要求n光电成像系

5、统用物镜的分类光电成像系统用物镜的分类n目镜目镜 n直视成像系统对成像目镜的直视成像系统对成像目镜的基本要求基本要求n光电成像系统中常用的目镜光电成像系统中常用的目镜dsds0 0dsds1 1u u0 0u u1 1L L0 0E Ef f l l D D D Dn n1 1n n0 0 l l2023/1/42023/1/46.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性n主动红外成像的照明系统主动红外成像的照明系统 n主动红外成像系统对红外照明系统的基本要求主动红外成像系统对红外照明系统的基本要求n红外光源红外光源 、红外滤光片、照明系统的反射镜红外滤光片、照明系统的反射镜 n像管的小型化直流

6、高压电源像管的小型化直流高压电源n直视成像系统对高压电源的基本要求直视成像系统对高压电源的基本要求n直流高压电源的工作原理直流高压电源的工作原理n倍压整流电路倍压整流电路n自动亮度控制（自动亮度控制（ABCABC）电路）电路n直流选通高压电源直流选通高压电源2023/1/42023/1/46.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性夜视成像系统的光学系统夜视成像系统的光学系统成像物镜成像物镜n夜视系统对成像物镜的基本要求夜视系统对成像物镜的基本要求大的通光口径和相对孔径。大的通光口径和相对孔径。小的渐晕。小的渐晕。宽光谱范围的色差校正。宽光谱范围的色差校正。物镜有好的调制传递特性。物镜有好的调制

7、传递特性。最大限度地消除杂散光。最大限度地消除杂散光。在在红红外外光光学学系系统统中中，必必须须同同时时考考虑虑聚聚光光系系统统和和扫扫描系统。描系统。尽尽可可能能减减小小被被动动红红外外系系统统中中冷冷反反射射所所产产生生的的图图像像缺陷。缺陷。2023/1/42023/1/46.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性夜视成像系统的光学系统夜视成像系统的光学系统 成像物镜成像物镜n n光电成像系统用物镜的分类光电成像系统用物镜的分类n折射系统：n反射系统：n折反系统：2023/1/42023/1/46.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性a)双高斯型物镜 b)匹兹伐型物镜改进的双高斯型 改

8、进的匹兹伐型n折射系统：易校正像差，可获得较大视场，结构简单，装调方便。2023/1/42023/1/46.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性由于红外材料价格昂贵(Ge,Si单晶)，折射比高而反射损失大，在满足需要条件下应尽可能减少透镜片数。在像质要求不高的辐射计中多用单片折射透镜。为了减小单透镜的球差和色差，也做成组合透镜。2023/1/42023/1/46.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性单反射镜的四种形式单反射镜的四种形式(a)球面单反射镜球面单反射镜(b)抛物面反射镜抛物面反射镜(c)椭球面反射镜椭球面反射镜(d)双曲面反射镜双曲面反射镜两种常用的抛物面反射镜两种常用的抛物面

9、反射镜(a)光阑位于焦面（同轴）光阑位于焦面（同轴）(b)焦点在入射光束之外（离轴）焦点在入射光束之外（离轴）2023/1/42023/1/46.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性双反射镜的基本结构双反射镜的基本结构(a)牛顿系统牛顿系统(b)卡塞格伦系统卡塞格伦系统(c)格里高里系统格里高里系统n反射系统：大口径，长焦距，且取材容易，即可用金属材料，也可在普通玻璃上镀金属膜或介质膜来制作，对材料要求不高。n其光能损失小，无透射损失(即镜面反射比比透镜的透射比高)，不产生色差。，但也存在体积大及次镜遮挡等缺点。2023/1/42023/1/46.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性夜视成

10、像系统的光学系统 成像物镜n n光电成像系统用物镜的分类折反系统：n要解决的问题：反射式物镜系统需要采用非球面镜，而非球面镜加工检验困难，成本高。n解决途径：改进反射系统，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，构成折反式物镜系统。n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。2023/1/42023/1/46.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性(a)施密特校正板施密特校正板(b)改进的施密特校正板改进的施密特校正板施密特校正板工作原理施密特校正板工作原理(a)曼金折反镜曼金折反镜-(b)曼金

11、卡塞格伦系统曼金卡塞格伦系统曼金折反射镜曼金折反射镜包沃斯包沃斯-马克苏托夫系统马克苏托夫系统1-校正透镜的交替位置；校正透镜的交替位置；2-孔径光阑；孔径光阑；3-校正透镜；校正透镜；4-焦面；焦面；5-球面反射镜球面反射镜2023/1/42023/1/46.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性夜视成像系统的光学系统夜视成像系统的光学系统 成像目镜成像目镜直视成像系统对成像目镜的基本要求直视成像系统对成像目镜的基本要求n合适的焦距合适的焦距。目镜焦距。目镜焦距fe通常在通常在1055mm.n足够的视场足够的视场。通常。通常2 在在30 90 之间。之间。n合合适适的的出出瞳瞳距距离离和和出

12、出瞳瞳直直径径。一一般般视视不不同同的的应应用用条条件件，成成像像系系统统出出瞳瞳直直径径取取人人眼眼夜夜间间瞳瞳孔孔直直径径57mm。出出瞳瞳距距离离p(目目镜镜后后表表面到人眼瞳孔的距离面到人眼瞳孔的距离)一般在一般在850mm。n适适当当的的前前节节距距(目目镜镜前前表表面面和和前前焦焦点点之之间间的的距距离离)，以以保保证证工工作作时的视度调整。时的视度调整。n此此外外，因因为为目目镜镜视视场场大大，轴轴外外像像差差是是影影响响像像质质的的重重要要因因素素；又又由由于于目目镜镜口口径径大大，球球差差和和慧慧差差也也要要校校正正；校校正正像像差差的的波波长长由由荧荧光屏的光谱特性决定。光

13、屏的光谱特性决定。2023/1/42023/1/46.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性夜视成像系统的光学系统夜视成像系统的光学系统 成像目镜成像目镜n n常用的几种目镜常用的几种目镜2023/1/42023/1/4主动红外成像的照明系统主动红外成像系统对红外照明系统的基本要求n照照明明系系统统的的辐辐射射光光谱谱(光光源源与与滤滤光光片片的的组组合合光光谱谱)要要与与像像管管光光电电阴阴极极的的光光谱谱响响应应有有效效的的匹匹配配，并在匹配的光谱内有高的辐射效率。并在匹配的光谱内有高的辐射效率。n有一定的照射范围。有一定的照射范围。n红光暴露距离要短红光暴露距离要短。n应保证足够的辐射强

14、度应保证足够的辐射强度。n在在结结构构上上应应保保证证容容易易调调焦焦，滤滤光光片片和和光光源源更更换换方便方便。n应应尽尽量量做做到到体体积积小小、重重量量轻轻、寿寿命命长长、成成本本低低、功耗小、工作可靠。功耗小、工作可靠。2023/1/42023/1/4主动红外成像的照明系统n常用的红外光源：常用的红外光源：n白白炽炽灯灯：电电流流加加热热灯灯丝丝发发光光。（卤卤钨钨灯灯，溴溴钨灯）工作温度：钨灯）工作温度：24003200n氙氙灯灯：高高压压气气体体放放电电发发光光。光光斑斑集集中中，发发光光效效率率高高，寿寿命命长长。谱谱线线接接近近太太阳阳光光谱谱，在在近近红外有强辐射谱线。红外有

15、强辐射谱线。n大大功功率率红红外外发发光光二二极极管管（LED）：低低成成本本，排排列列方方式式随随意意，发发光光效效率率高高，寿寿命命长长，质质量量轻，结构牢固，不用滤光片。轻，结构牢固，不用滤光片。nGaAs激激光光二二极极管管：谱谱线线窄窄，发发光光功功率率高高，最好的脉冲光源。最好的脉冲光源。2023/1/42023/1/4主动红外成像的照明系统n红外滤光片：红外滤光片：n红外波段光能损失尽可能小，红外波段光能损失尽可能小，n其他波段辐射尽量全吸收或反射，其他波段辐射尽量全吸收或反射，n光谱透射比与光阴极的光谱灵敏度匹配好；光谱透射比与光阴极的光谱灵敏度匹配好；n热稳定性好，防潮，机械

16、性能好，耐高温。热稳定性好，防潮，机械性能好，耐高温。n照明系统的反射镜照明系统的反射镜n把把位位于于焦焦点点的的光光源源发发出出的的一一定定立立体体角角范范围围的的光辐射聚焦成沿轴向窄发射角出射的光束。光辐射聚焦成沿轴向窄发射角出射的光束。2023/1/42023/1/4像管的小型化直流高压电源直视成像系统对高压电源的基本要求直视成像系统对高压电源的基本要求n提供稳定的直流高压，使像管工作时保持合适的输出亮度；n性能稳定，在高低温环境下保证仪器正常工作；n实现自动亮度控制(Auto-Brightness control，ABC)功能；n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

17、；n对自动快门(Auto-Gating)，能够根据像管电流自动调整工作电压的占空比；n防潮、防震、体积小、重量轻、耗电省。2023/1/42023/1/46.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性像管的小型化直流高压电源像管的小型化直流高压电源直流高压电源的工作原理直流高压电源的工作原理n直直流流低低压压电电源源：通通常常为为几几伏伏到到二二十十几几伏伏，由由干干电电池池或或蓄蓄电电池池提提供供，为为高高压电源提供能量。压电源提供能量。n晶晶体体管管变变换换器器：主主要要由由晶晶体体三三极极管管、升升压压变变压压器器的的初初级级绕绕阻阻和和反反馈馈绕绕阻阻构成，其作用是将直流低压变为高频交流低

18、压。构成，其作用是将直流低压变为高频交流低压。n升压变压器升压变压器：将低压交流电压升为高压交流，输出可达数千至上万伏。：将低压交流电压升为高压交流，输出可达数千至上万伏。n倍倍压压整整流流电电路路：由由高高压压整整流流二二极极管管(或或高高压压硅硅堆堆)、高高压压电电容容和和高高压压变变压压器器次次级级绕绕阻阻构构成成,把把变变压压器器次次级级绕绕阻阻上上的的交交流流高高压压整整流流并并倍倍压压到到所所需需直直流高压。流高压。n稳稳压压电电路路：保保证证晶晶体体管管变变换换电电路路有有稳稳定定的的输输入入电电压压，以以使使电电源源的的高高压压输输出稳定。出稳定。直流低压直流低压直流低压直流低

19、压DCDCDCDC电源电源电源电源晶体管变换晶体管变换晶体管变换晶体管变换DCDCDCDCACACACAC电路电路电路电路升压变压器升压变压器升压变压器升压变压器(AC(AC(AC(ACAC)AC)AC)AC)倍压整流倍压整流倍压整流倍压整流ACACACACDCDCDCDC电路电路电路电路直流高压直流高压直流高压直流高压稳压电路稳压电路稳压电路稳压电路或或或或ABCABCABCABC电路电路电路电路直流高压电源框图直流高压电源框图直流高压电源框图直流高压电源框图2023/1/42023/1/46.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性像管的小型化直流高压电源倍倍压压整整流流电电路路：把把变变压

20、压器器次次级级绕绕阻阻上上的的交交流流高高压压整整流流并并倍压到所需直流高压。倍压到所需直流高压。n变变压压器器T的的次次级级绕绕组组输输出出峰峰值电压为值电压为V2的交流，则的交流，则n正正半半周周：假假设设T的的输输出出端端上上负负，下下正正，则则D2因因反反向向偏偏置置截截止止，D1回回路路导导通通，对对C1充充电电，在在正正半半周周结结束束前前，C1两两端端电电压压为为V2；n负负半半周周：T的的输输出出端端上上正正，下下负负，则则D1因因反反向向偏偏置置截截止止，D2回回路路导导通通，对对C2充充电电，在在负负半半周周结结束束前前，C2两两端端电电压压为为2倍倍V2，送送至至输输出出

21、端端口口为为2倍倍V2的直流。的直流。2023/1/42023/1/46.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性像管的小型化直流高压电源自自动动亮亮度度增增益益（ABC）电电路路：通通过过控控制制像像增增强强器器外外加加电电压压的的办办法法来来控控制制它它的的增增益益，以以达达到到控控制制荧荧光光屏屏输输出出图图像亮度的目的。像亮度的目的。nABC电电路路能能使使像像管管在在较较大大的的入入射射光光度度范范围围内内输输出出合合适适的的亮亮度度，从从而而扩扩大大了了微光成像系统的使用光度范围微光成像系统的使用光度范围。nABC电电路路实实际际是是一一个个带带负负反反馈馈的的直直流流低低压压电电源

22、源，输输出出的的直直流流电电压压El到到直直流流变变换换电电路路，变变为为交交流流电电压压后后再再经经升升压压变变压压器器及及倍倍压压整整流流滤滤波波电电路路后后供供给给像像增强器。增强器。2023/1/42023/1/4像管的小型化直流高压电源直流选通高压电源直流选通高压电源：直流选通高压电源主要用于选通型静电像管。：直流选通高压电源主要用于选通型静电像管。n选选通通管管与与普普通通像像管管的的主主要要区区别别在在于于其其中中某某一一电电极极(对对于于倒倒像像管管为为选选通通电电极极或或聚聚焦焦电电极极，对对近近贴贴管管由由于于一一般般MCP输输入入端端电电极极接接地地，因因此此选选通通电电

23、极极为为光光阴阴极极)作作为为选选通通电电极极。当当电电极极被被施施加加正正常常电电压压时时，像像管管正正常常工工作作，但但当当电电极极被被施施加加相相对对于于光光阴阴极极更更低低的的电电压压时时，由由于于静静电电场场为为保保守守场场，从从阴阴极极发发射射出出的的电电子子被被阻阻滞滞，难难以以加速加速(及电子倍增及电子倍增)到达荧光屏，像管被截止。到达荧光屏，像管被截止。6.2.夜视光电成像系统的主要部件及其特性门触发周期信号tT选通门控触发信号及其控制参数2023/1/42023/1/46.3.直视型光电成像系统的总体设计n n微光成像系统性能的基本极限 n n夜视系统对人眼在微光下的视觉性

24、能的改善夜视系统对人眼在微光下的视觉性能的改善n n系统微光性能的基本极限系统微光性能的基本极限n n物镜和像增强器参数对系统极限分辨力的影响物镜和像增强器参数对系统极限分辨力的影响 n n像增强器暗背景噪声对系统极限分辨力的影响像增强器暗背景噪声对系统极限分辨力的影响 n n人眼与像增强器系统的最佳匹配人眼与像增强器系统的最佳匹配 n n像管的选择 n n直视光电成像系统的光学参数及其选择 2023/1/42023/1/4夜视系统对人眼在微光下的视觉性夜视系统对人眼在微光下的视觉性能的改善能的改善1.入瞳大，入瞳大，更有效地利用来自目标的光子；更有效地利用来自目标的光子；2.光学系统可增加物

25、体的视角，光学系统可增加物体的视角，提高作用距离；提高作用距离；3.光阴极的量子效率光阴极的量子效率,扩大了光谱响应，扩大了光谱响应，从而可提高人眼的视觉增益。从而可提高人眼的视觉增益。4.可使人眼在不需暗适应情况下可使人眼在不需暗适应情况下有更高的分辨能力。有更高的分辨能力。5.可增加积累时间可增加积累时间提提高高视视觉觉增增益益，这这要要以以牺牺牲牲运运动动目目标标信信息息为为代代价价。2023/1/42023/1/4系统微光性能的基本极限 一般地，直视微光成像系统性能受到一般地，直视微光成像系统性能受到一般地，直视微光成像系统性能受到一般地，直视微光成像系统性能受到光子噪声光子噪声光子噪

26、声光子噪声、系统光学性能系统光学性能系统光学性能系统光学性能和和和和人眼视觉性能人眼视觉性能人眼视觉性能人眼视觉性能等三个方面限制，正等三个方面限制，正等三个方面限制，正等三个方面限制，正确地设计和使用成像系统可尽可能地减小这些限制确地设计和使用成像系统可尽可能地减小这些限制确地设计和使用成像系统可尽可能地减小这些限制确地设计和使用成像系统可尽可能地减小这些限制的影响。的影响。的影响。的影响。n n在光子噪声和光学分辨力共同限制下，在光子噪声和光学分辨力共同限制下，在光子噪声和光学分辨力共同限制下，在光子噪声和光学分辨力共同限制下，理想微光夜理想微光夜理想微光夜理想微光夜视系统的极限分辨角为视

27、系统的极限分辨角为视系统的极限分辨角为视系统的极限分辨角为2023/1/42023/1/4物镜和像增强器参数对系统极限分辨力的影响n物镜焦距物镜焦距f增大，在大于星光照增大，在大于星光照度情况下，系统分辨力得到明显度情况下，系统分辨力得到明显改善，反之则改善很小。改善，反之则改善很小。n物镜直径物镜直径D增大，在低于满月光增大，在低于满月光情况下，系统分辨力得到明显改情况下，系统分辨力得到明显改善，反之改善很小。善，反之改善很小。n光阴极灵敏度光阴极灵敏度S提高，在低于提高，在低于1/4月光照度，系统得到最大改善。月光照度，系统得到最大改善。n增加积累时间增加积累时间t，与光灵敏度，与光灵敏度

28、S类类似的改善。似的改善。n提高像增强器极限分辨力提高像增强器极限分辨力m0，在，在10-410-1lx目标照度范围对系统分目标照度范围对系统分辨力提供一般的改善。当辨力提供一般的改善。当D、S、t一起增加时这种改善更有意义。一起增加时这种改善更有意义。在像增强器暗噪声可忽略的前提下在像增强器暗噪声可忽略的前提下(C=1(C=1，t t=1)=1)。需需要要指指出出，上上述述分分析析中中具具体体的的照照度度值值范范围围可可能能随随系系统统参参数数和和目目标标特特性性而而有有所所改改变变，但但其其反反映映出出对对低低、中中和和高高照照度度条条件件下下对对系系统性能的影响规律是一致的统性能的影响规

29、律是一致的2023/1/42023/1/4像增强器暗背景噪声对系统极限分辨力的影响n像像增增强强器器存存在在的的噪噪声声(如如暗暗噪噪声声等等)将将使使像像管管输输出出图图像像对对比比度度恶恶化，分辨力下降。化，分辨力下降。n设设像像增增强强器器等等效效背背景景照照度度为为Eb，其其相相应应在在目目标标场场景景上上附附加加一一个个暗背景亮度暗背景亮度Lb(RA是物镜的相对孔径）是物镜的相对孔径）n若若目目标标的的固固有有亮亮度度为为L0，则则目目标标亮亮度度变变成成L0=L0+Lb。目目标标的的表观对比度变为表观对比度变为n故而推导出系统极限分辨角表达式故而推导出系统极限分辨角表达式.2023

30、/1/42023/1/4像增强器暗背景噪声对系统极限分辨力的影响2023/1/42023/1/4人眼与像增强器系统的最佳匹配为为便便于于讨讨论论，把把系系统统分分为为两两部部分分：一一是是物物镜镜与与像像增增强强器器的的组组合合；二二是是目目镜镜与与人人眼眼的的组组合合(“人工助视眼人工助视眼”)。n把把物物镜镜与与像像增增强强器器组组合合的的极极限限分分辨辨特特性性表表示示为为像像增增强强器器荧荧光光屏屏目目标标亮亮度度La(人人眼眼观观察察目标亮度目标亮度)的函数关系，的函数关系，n在在光光子子噪噪声声限限制制下下，荧荧光光屏屏上上极极限限分分辨辨力力为为ms2023/1/42023/1/

31、4人眼与像增强器系统的最佳匹配n人人眼眼视视觉觉分分辨辨力力与与观观察察视视场场亮亮度度有有关关，在在忽忽略略目目镜镜光光损损失失和和像像差差的的情情况况下下，目镜助视眼的视觉锐度曲线等于人眼锐度曲线乘以目镜放大率目镜助视眼的视觉锐度曲线等于人眼锐度曲线乘以目镜放大率(如图中虚线如图中虚线)。n为为使使人人眼眼特特性性不不限限制制整整个个系系统统性性能能，需需要要任任一一目目标标像像亮亮度度下下，目目镜镜助助视视眼眼锐度特性曲线应高于物镜像增强器组合的空间分辨力。锐度特性曲线应高于物镜像增强器组合的空间分辨力。2023/1/42023/1/46.3.直视型光电成像系统的总体设计像管的选择在在选

32、选择择像像增增强强器器时时，除除考考虑虑主主要要的的极极限限分分辨辨力力m、增增益益G和和噪噪声声等等效效背背景景EBI等等性性能能参参量量外外，还还需需要要注注意意几几点：点：1.像增强器的输入输出窗像增强器的输入输出窗2.荧光屏类型荧光屏类型3.调制传递函数调制传递函数(MTF)4.信噪比信噪比(SNR)美美国国近近年年来来提提出出一一种种新新的的质质量量评评价价指指标标品品质质因因素素D=mSNR。并并规规定定D1250可可向向不不结结盟盟国国家家出出口口(相相当当于于 美美 国国 20世世 纪纪 80年年 代代 水水 平平)，D1600则则在在美美国国国国内内使使用用。图图6-35给给

33、出出部部分分典典型型高高性性能能像像增增强强器的品质因素。器的品质因素。2023/1/42023/1/46.3.直视型光电成像系统的总体设计像管的选择2023/1/42023/1/4有关像管的发展历程及最新消息n n第一代像管：60年代中期，以纤维光学面板作为输入、输出窗三级级联耦合的像增强器问世，称为第一代像增强器(一代管)。LL防强光性能差，特别是当战场上出现强闪光时，防强光性能差，特别是当战场上出现强闪光时，整个画面出现光晕和开花，观察不到目标，在战整个画面出现光晕和开花，观察不到目标，在战火弥漫的战场上难以使用；火弥漫的战场上难以使用；LL体积大、笨重，限制了它在轻武器、头盔镜上的体积

34、大、笨重，限制了它在轻武器、头盔镜上的应用。应用。2023/1/42023/1/4有关像管的发展历程及最新消息每一级具有畸变、渐晕以及荧光屏的余辉，并由于前后两级每一级具有畸变、渐晕以及荧光屏的余辉，并由于前后两级级联间光纤的串光，引起图像的模糊，其清晰度难以提高级联间光纤的串光，引起图像的模糊，其清晰度难以提高 。2023/1/42023/1/4有关像管的发展历程及最新消息n n第二代像管：20世纪70年代初成功地研制了能实现电子倍增的二维元件微通道板。第二代微光夜视像增强器的长度仅为第一代三级级联耦合像增强器的1/51/3，质量轻、畸变小、鉴别率高；能防强光和自动控制亮度。n n当当遇遇到

35、到强强光光如如照照明明弹弹与与炮炮火火时时，虽虽有有光光晕晕，仍仍不不妨妨碍碍观观察察。二二代代微微光光夜夜视视的的作作用用距距离离较较一一代代微微光光夜夜视视提高约提高约1.21.21.51.5倍。倍。2023/1/42023/1/4有关像管的发展历程及最新消息n n第三代像管：20世纪80年代中期，美国成功研制了负电子亲和势(NEA)GaAs 光阴极型微光像增强器(三代管)。n n具具有有高高灵灵敏敏度度、高高鉴鉴别别率率、宽宽光光谱谱响响应应、高高传传递递特特性性和和长长寿寿命命，且且结结构构紧紧凑凑、能能与与二二代代管管互互换换等等优优点点。能能充充分分利利用用夜夜间间自自然然光光，在

36、在lxlx或或更更低低的的光光阴阴极极照照度度下下，更更为为灵灵敏敏和和有有效效。三三代代夜夜视视仪仪的的作作用用距距离离较较二二代夜视仪提高了代夜视仪提高了3030以上。以上。2023/1/42023/1/4有关像管的发展历程及最新消息n n第三代像管：n n大多数三代光阴极的光谱响应为大多数三代光阴极的光谱响应为500500900nm900nm。n n90 90 年年代代初初，负负电电子子亲亲和和势势光光阴阴极极又又有有新新的的进进展展，出出现现了了向向蓝蓝延延伸伸和和向向红红延延伸伸的的 NEA NEA 光光阴阴极极，分分别别被被称称为为蓝蓝加加强强 NEA NEA 光光阴阴极极和和红红

37、加加强强 NEA NEA 光光阴阴极极，其其灵灵敏敏度度和和光光谱谱响响应应又又有有大大幅幅度度的的提提高高和和改改善。善。n n此此外外，还还有有向向红红外外延延伸伸的的光光阴阴极极，其其光光谱谱区区可可延延伸伸到到1100nm1100nm，这这便便可可以以观观察察由由 NdNd：YAGYAG激激光光器器测距仪和目标定向器所发射的测距仪和目标定向器所发射的1.06m 1.06m 的激光。的激光。2023/1/42023/1/4有关像管的发展历程及最新消息2023/1/42023/1/4有关像管的发展历程及最新消息n n超二代像管超二代像管：n n90 90 年年代代初初，二二代代管管在在传传

38、统统的的多多碱碱光光阴阴极极的的灵灵敏敏度度上上取取得得突突破破（灵灵敏敏度度由由300A/lm 300A/lm 提提高高到到700A/lm700A/lm），通通过过减减小小微微通通道道板板噪噪声声因因数数来来提提高高输输出出信信噪噪比比(改改进进微微通通道道板板的的性性能能)。同同时时改改进进管管子子结结构构和和整整管管的的 MTFMTF，出出现现了了高高灵灵敏敏度度、高性能的二代管，称为超二代管。高性能的二代管，称为超二代管。n n其其效效费费比比好好，鉴鉴别别率率和和输输出出信信噪噪比比接接近近三三代代管管的的水水平平，使使用效果与标准的三代管接近。用效果与标准的三代管接近。n n最最新

39、新的的结结果果是是在在18mm 18mm 二二代代管管中中，用用6m6m孔孔径径的的MCP MCP,鉴鉴别率达到别率达到57lp/mm57lp/mm，与，与18mm 18mm 三代管的三代管的64lp/mm 64lp/mm 相接近。相接近。三代管在性能上虽有很大的改进，与二代管相比，作用距离增加了30，但工艺复杂，价格昂贵。因此降低成本、提高效费比是三代管面临的重大任务。2023/1/42023/1/4有关像管的发展历程及最新消息2023/1/42023/1/4有关像管的发展历程及最新消息n n第四代像管：把高量子效率的GaAs光电阴极与具有高鉴别率的微通道板(MCP)相结合,同时采用高均匀性

40、的荧光屏,使像管的空间鉴别率主要地由MCP的孔径大小来确定。四代管所用的MCP,其通道直径仅为6m,它使四代管的鉴别率又提高了一大步。四代管于20世纪90年代首先由美国研制成功。LL复杂的工艺与较高的价格是四代管的缺陷复杂的工艺与较高的价格是四代管的缺陷 2023/1/42023/1/4有关像管的发展历程及最新消息n n第第四四代代像像管管：如如何何使使光光阴阴极极向向红红外外波波段段延延伸伸,于于是是出出现现了了两种光阴极微光管的尝试两种光阴极微光管的尝试 n nGaAsGaAs/InPInP 传传输输电电子子近近红红外外(0.0.9 9 1.1.06m)06m)光光阴阴极极微微光光管管。光

41、光阴阴极极结结构构为为P2InP P2InP(衬衬底底)/P2In0.P2In0.33 33 Ga0.Ga0.47As 47As(吸吸收收层层)/O2InP O2InP(发发射射层层)/Ag(Ag(场场助助极极)/Cs2O Cs2O(NEA)(NEA)层层，其其特特点点是是：近近红红外外高高灵敏度光阴极，在灵敏度光阴极，在1.06m 1.06m 处有很高的辐射灵敏度处有很高的辐射灵敏度(量子效率量子效率)。n nPbTePbTe/PbSnTePbSnTe 复复合合列列阵阵式式红红外外光光阴阴极极微微光光管管(STIRP)(STIRP)(8(814m 14m 或或3 35m)5m)热热红红外外变

42、变像像管管。像像管管原原理理结结构构与与三三代代管管类类似似，但但STIRPSTIRP采采用用复复层层结结构构，它它由由两两部部分分组组成成：一一个个光光电电二二极极管管镶镶嵌嵌列列阵阵(光光电电二二极极管管一一般般是是外外延延PbSnTePbSnTe/PbTePbTe 异异质质结结构构，该该镶镶嵌嵌列列阵阵可可在在3 35m 5m 或或8 814m 14m 波波段段下下工工作作)和和一一个个金金属属-半半导导体体-金金属属(MIM)(MIM)冷冷阴阴极极电电子子发发射射体体构构成成所所谓谓“复复合合式式热热红红外外光光阴极阴极”。2023/1/42023/1/4有关像管的发展历程及最新消息n

43、 n第四代像管第四代像管：尽尽管管这这两两种种光光阴阴极极具具有有灵灵敏敏度度高高,向向红红外外延延伸伸等等特特点点,但但与与二二代代的的多多碱碱光光阴阴极极、三三代代的的GaAsGaAs 光光阴阴极极完完全全不不同同,工工艺艺上上不不兼兼容容。同同时时,人人们们还还逐逐渐渐明明白白了了提提高高器器件件特特性性最最重重要要的的是是两两个个指指标标:高高信信噪噪比比和和高高鉴鉴别别率率。既既然然二二代代能能发发展展到到超超二二代代、高高性性能能超超二二代代,那那么么三三代代更更有有发发展展的的潜潜力力;也也许许改改进进二二代代和和三三代代可可以以达达到到所所期期望望“四四代代”的的指指标标,而而

44、这这种种改改进进工工艺艺完完全全与与二二代代、三三代代工工艺艺兼兼容容。三三代代的的弱弱点点是是在在微微通通道道板板的的入入射射端端涂涂敷敷一一层层AlAl2 2O O3 3 薄薄膜膜,它它起起着着壁壁垒垒的的作作用用,以以防防止止离离子子的的反反馈馈,缩缩短短器器件件的的工工作作寿寿命命。因因此制作了一种不镀膜或无膜的三代像增强器。此制作了一种不镀膜或无膜的三代像增强器。2023/1/42023/1/4有关像管的发展历程及最新消息n n第四代像管：1998 年,Northrop Grumman 公司制造出一种不镀膜的像增强器,这种管子在非常低的阴云星空下工作很有效。此外还有一个重大的进展,即

45、选用自动的选通(Auto2gate)电源代替了常用的连续电源。在自动选通时,光阴极在高速下时开时关,降低了强光下微通道板中的电子流,阻止其饱和并避免图像模糊。因此,当通过夜视头盔镜观看夜间景物,遇到强光如照明弹、炮火以及车灯照明时,自动选通也帮助减少光晕或图像开花。2023/1/42023/1/4有关像管的发展历程及最新消息2023/1/42023/1/4n n目目前前国国际际上上对对微微光光夜夜视视器器件件技技术术的的研研发发工工作作一一刻刻也也没没有有终终止止下下面面列列举举一一些些文文献献上上报报导导的的新新型型微微光光成像器件：成像器件：n nGap/GaInAs(0.91.65um)

46、Gap/GaInAs(0.91.65um)第第四四代代微微光光管管，美美俄俄联联合合研研制制，19941994年在伦敦展出。年在伦敦展出。n nPbTe/PbSnTePbTe/PbSnTe复合阵列式红外光阴极（复合阵列式红外光阴极（814um814um）热像管。）热像管。n nGaAlAs/GaAsGaAlAs/GaAs超晶体格红外（超晶体格红外（10um10um）热像探测器）热像探测器n n远远程程（=100km=100km卫卫星星、洲洲际际导导弹弹）光光电电预预警警用用自自适适应应光光学学“微光图像光子计数器微光图像光子计数器”波前传感器。波前传感器。n n高灵敏度（高灵敏度（450705

47、ua/lm450705ua/lm）多碱光以及超二代微光管。）多碱光以及超二代微光管。n n与与以以上上器器件件配配套套的的高高增增益益、低低噪噪声声、长长寿寿命命弯弯曲曲MCPMCP和和大电流热微通道板（大电流热微通道板（HOT-MCPHOT-MCP）等。）等。有关像管的发展历程及最新消息2023/1/42023/1/46.3.直视型光电成像系统的总体设计光学参数及其选择 n系系统统视视场场：直直视视光光电电成成像像系系统统的的视视场场光光阑为像管光阴极的固定框，故系统视场阑为像管光阴极的固定框，故系统视场n系统角放大率系统角放大率：n放放大大率率与与像像管管观观察察灵灵敏敏阈阈相相关关。观观

48、察察灵灵敏敏阈阈指指人人眼眼在在荧荧光光屏屏背背景景上上刚刚能能觉觉察察出出星星点点像像时时，光光阴阴极极面面上上的的最最小小照照度度。对对于于某某个个像像管管，当当屏屏上上的的目目标标像像对对目目镜镜的的张张角角大大于于一一定定值值m时，观察灵敏阈不再下降。时，观察灵敏阈不再下降。n在在目目镜镜选选定定情情况况下下，增增加加倍倍率率将将增增加加物物镜镜焦焦距距，即即要要以以牺牺牲牲物物方方视视场场为代价。为代价。n放大率受系统外形尺寸的限制。放大率受系统外形尺寸的限制。n人人眼眼通通过过目目镜镜观观察察荧荧光光屏屏，一一般般认认为为可可分分辨辨目目标标的的最最小小角角度度约约为为6，为为使使

49、人人眼眼不限制系统的性能，应有不限制系统的性能，应有2023/1/42023/1/46.3.直视型光电成像系统的总体设计光学参数及其选择 n系系统统视视场场：直直视视光光电电成成像像系系统统的的视视场场光光阑为像管光阴极的固定框，故系统视场阑为像管光阴极的固定框，故系统视场n系统角放大率系统角放大率：n放放大大率率与与像像管管观观察察灵灵敏敏阈阈相相关关。观观察察灵灵敏敏阈阈指指人人眼眼在在荧荧光光屏屏背背景景上上刚刚能能觉觉察察出出星星点点像像时时，光光阴阴极极面面上上的的最最小小照照度度。对对于于某某个个像像管管，当当屏屏上上的的目目标标像像对对目目镜镜的的张张角角大大于于一一定定值值m时

50、，观察灵敏阈不再下降。时，观察灵敏阈不再下降。n在在目目镜镜选选定定情情况况下下，增增加加倍倍率率将将增增加加物物镜镜焦焦距距，即即要要以以牺牺牲牲物物方方视视场场为代价。为代价。n放大率受系统外形尺寸的限制。放大率受系统外形尺寸的限制。n人人眼眼通通过过目目镜镜观观察察荧荧光光屏屏，一一般般认认为为可可分分辨辨目目标标的的最最小小角角度度约约为为6，为为使使人人眼眼不限制系统的性能，应有不限制系统的性能，应有n分分辨辨力力：在在实实际际观观察察条条件件下下，一一般般取取人人眼眼的的极极限限分分辨辨角角为为6，为为确确保保观观察察条条件件，应使应使n入瞳、出瞳和出瞳距离入瞳、出瞳和出瞳距离20