光电子技术学课件之十六： ——第五章光电成像系统 （2）

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1 光电子技术学课件之十六： ——第五章光电成像系统 （2）
光电子技术学课件之十六： ——第五章光电成像系统 （2） 光电成像原理 制作者： 赣南师范学院物理与电子信息学院： 王形华 2006 ．10

2 §2 光电成像原理 景物反射外界的照明光（或自身发出的热辐射） 经光电成像系统的光学系统，在像面上形成与景物对应的图像，置于像面上的具有空间扫描功能的光电摄像器件，将二维空间图像转变为一维时序电信号，再经放大和视频信号处理后送至显示器，在同步信号的参与下，显示出与景物对应的图像。

3 一、光电成像系统的基本结构 1、光电成像系统的类型
按照接收系统对景物分解的方式，光电成像系统的类型可以分为光机扫描、电子束扫描、固体自扫描三种。 2、光机扫描 采用单元探测器成像时，要采用光机扫描机构。

4 光机扫描方式类型：串联扫描 、 并联扫描 、 串并联混合扫描 。 串联扫描 并联扫描 串并联混合扫描

5 3. 电子束扫描方式：各类热释电显像管。 4. 固体自扫描方式：各种面阵固体摄像器件，如CCD、CMOS摄像器件等。固体摄像器件中的每一个单元与景物空间的一个小区域相对应，整个面阵固体摄像器件对应于所观察的景物空间。 上述的分类方法不是绝对的，有的光电成像系统是不同扫描方式的结合。如俯仰光机扫描与方位固体自扫描相结合，光机扫描与面阵摄像器件相结合。 从目前情况看，光机扫描及固体自扫描方式的光电成像系统占主导地位。

6 二、光电成像系统的基本技术参数 光学系统的通光口径D和焦距f/ 。 瞬时视场角α、β 。 3. 观察视场角WH、WV 。
4. 帧时Tf 和帧速 5. 扫描效率η ：

7 6. 滞留时间

8 §3 红外成像光学系统 红外成像光学系统应满足以下几方面的基本要求：物像共轭位置、成像放大率、一定的成像范围，以及在像平面上有一定的光能量和反映物体细节的能力（即分辨率）。

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10 二、光学系统中的光阑 1. 孔径光阑 2. 视场光阑 3. 渐晕光阑 4. 消杂光光阑

11 三、红外成像光学系统的主要参数 1. 焦距f′ 决定光学系统的轴向尺寸，f′越大，所成的像越大，光学系统一般也越大。 2. 相对孔径D/f′
相对孔径定义为光学系统的入瞳直径D与焦距f′之比，相对孔径的倒数叫F数， 。 相对孔径决定红外成像光学系统的衍射分辨率及像面上的辐照度。

12 3、视场

13 四、光学系统的像差 光学系统近轴区具有理想光学系统的性质，光学系统近轴区的成像被认为是理想像。
实际光学系统所成的像和近轴区所成的像的差异即为像差。 光学系统对单色光成像时产生单色像差，分为五类：球面像差（球差）、彗形像差（彗差）、像散差（像散）、像面弯曲（场曲）和畸变。 对多色光成像时，光学系统除对各单色光成分有单色像差外，还产生两种色差：轴向色差和垂轴色差（亦称倍率色差）。

14 五、红外光学系统的特点 由于红外辐射的特有性能，使得红外光学系统具有以下一些特点：
（1）红外辐射源的辐射波段位于1μm以上的不可见光区，普通光学玻璃对2.5μm以上的光波不透明，而在所有有可能透过红外波段的材料中，只有几种材料有必需的机械性能，并能得到一定的尺寸，如锗、硅等，这就大大限制了透镜系统在红外光学系统设计中的应用，使反射式和折反射式光学系统占有比较重要的地位。

15 （2）为了探测远距离的微弱目标，红外光学系统的孔径一般比较大。
（3）在红外光学系统中广泛使用各类扫描器，如平面反射镜、多面反射镜、折射棱镜及光楔等。 （4）8至14μm波段的红外光学系统必须考虑衍射效应的影响。 （5）在各种气象条件下或在抖动和振动条件下，具有稳定的光学性能。

16 鉴于上述特点，设计红外光学系统时，应遵循下列原则：
（1）光学系统应对所工作的波段有良好的透过性能。 （2）光学系统在尺寸、像质和加工工艺许可的范围内，应具有尽可能大的相对孔径，以保证系统有高的灵敏度。 （3）光学系统应对背景噪声有较强的抑制能力，提高输入信噪比。

17 （4）光学系统的形式和组成应有利于充分发挥探测器的效能，如合理利用光敏元面积，保证高的光斑均匀性等。
（5）光学系统及组成元件力求简单。 （6）合理选择扫描方式及扫描器的类型。

18 六、典型的红外光学系统 红外光学系统主要由红外物镜系统和扫描系统组成。 1. 红外物镜系统 （1）透射式红外光学系统
优点：无挡光，加工球面透镜较容易，通过光学设计易消除各种像差。 缺点：光能损失较大，装配调整比较困难。

19 （2）反射式红外光学系统 由于红外辐射的波长较长，能透过它的材料很少，因而大都采用反射式红外光学系统。按反射镜截面的形状不同，反射系统有球面形、抛物面形、双曲面形或椭球面形等几种。

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24 2. 扫描系统 平行光束扫描 会聚光束扫描