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文章编号: 167329965(2009)062519205微光夜视仪中物镜光学系统的小型优化设计3刘钧,刘欣(西安工业大学光电工程学院,西安710032)摘 要: 为改善传统球面微光夜视系统结构复杂、镜片数较多的特点,将衍射光学元件引入传统球面物镜中,在符合成像质量要求的情况下,设计出一套用于微光夜视仪的折/衍混合物镜光学系统.该物镜视场为40°,相对孔径为1/1.19,包含三个衍射面,并将传统球面系统透镜数减少了2～3片,仅由5片组成,在空间频率为40lp/mm时,轴上传递函数可达0.89,轴外可达0.43.关键词: 微光夜视仪;光学设计;折/衍混合系统;衍射光学元件中图号: TB851 文献标志码: A 微光夜视仪是利用光增强技术进行观察的夜视系统,可以在夜间或低亮度条件下(10-1～10-5 L X),利用微弱星光、月光和大气辉光,通过像增强器转变成人眼可观察的图像,弥补了人眼在能量、光谱和分辨能力等方面的局限性,扩展了人的视野和功能.微光夜视仪主要用于隐蔽性夜战、夜间侦察、夜间抢险救援、夜间导航等,尤其适用于夜间低空贴地飞行[123].为了降低使用者的负担,安装在头盔上的微光夜视系统,通常情况下要求其体积小,重量轻,而且对物镜视场和相对孔径要求较大,传统的系统设计大多采用球面,其结构复杂,镜片较多,使得系统体积和质量较大,很难满足设计要求.随着光学加工工艺和光学检测技术的提高,衍射面由于其衍射效率高,负色散性,不产生场曲,并且有较多的设计自由度,使之代替球面成为了一种趋势.文献[4]设计了由6片透镜和一个衍射面组成的折/衍混合微光夜视头盔的光学系统,对传统的系统设计进行了优化[527].文中将折/衍混和光学元件应用于微光夜视仪的物镜光学系统设计中,将原有的7片透镜减少为5片,并给出成像质量图.在符合成像质量要求的情况下,设计出一套用于微光夜视仪的折/衍混合物镜光学系统.1 物镜光学系统的参数与结构1.1 设计要求物镜是微光系统信号的入口,一般安装在微光夜视仪的最前端,要求其重量尽可能小,使整个系统的重心后移.为使像面有足够的照度,需要大相对孔径物镜,另外,还需要有足够的大视场[8210].针对设计要求,对该物镜计算出相应的技术指标:焦距19mm;视场40°;相对孔径1/1.19;全视场畸变≤5%;在空间频率为40lp/mm时,传递函数(Modulation Tromsfer Function,M TF)轴上≥0.60,轴外≥0.40.由于夜天辐射除可见光之外,还包含丰富的近红外辐射,为此选择560.82nm, 721.27nm和876.22nm为设计波长.1.2 初始结构的选择夜视仪器通常使用两种类型的物镜,一种是匹兹伐型,一种是双高斯型.匹兹伐型物镜结构简单,球差和彗差校正较容易,但是当视场加大时场曲很严重,故通常适用于仪器对视场要求不大的情况下.双高斯型物镜是微光仪器中最基本结构,主要是由于这种结构较容易在宽光谱范围修正球差,并且其基本结构是对称型,垂轴像差容易校正,系统第29卷第6期 西 安 工 业 大 学 学 报 Vol.29No.6 2009年12月 Journal of Xi’an Technological University Dec.20093收稿日期:2009209222作者简介:刘钧(19642),女,西安工业大学教授,主要研究方向为光学系统理论及设计.E2mail:junliu1990@.相对孔径可达到1∶1,甚至更大,视场可达到40°～50°[11212],据此选取双高斯型物镜作为初始结构.由于所选像增强器光阴极的平板保护玻璃影响到整个物镜系统成像,在设计过程中加入该元件,其材料Q K3,厚度为5.57mm.2 传统球面系统的设计与像质评价对于微光物镜的设计,像增强器的特性参数是必不可少的原始数据.本着体积小,重量轻的原则,并考虑到器件性能及其发展现状,设计选用第三代像增强器,有效光阴极直径/屏直径为18/18mm.微光物镜具有大视场、大相对孔径的特点,轴上像差容易校正,但轴外像差很难控制.在选定初始结构后,用ZEMAX 光学设计软件进行初步多次的优化和调整后,得到了一个球面系统.图1 球面光学系统及其传递函数Fig.1 Spherical optical system and its M TF图1给出了球面光学系统及其传递函数.该球面光学系统由5组7片透镜组成,其中包括2片双胶合透镜,总长为61.55mm ,口径达到40.82mm.在空间频率为40lp/mm 时,轴上传递函数达到0.79,但轴外较差,仅0.08～0.32之间.若略微牺牲轴上点传函,轴外点传函也得不到明显的改善.这样的成像质量并不满足使用要求,而且该系统体积,重量过大,不宜长时间佩戴,给使用者带来诸多不便,有待进一步改进.为了提高成像质量,并且减小其体积,则在光学系统中引入衍射面,将传统球面物镜小型化,设计出一套用于微光夜视仪的折/衍物镜.3 物镜光学系统小型优化设计对于夜视仪,物镜的系统长度和口径会影响到整个仪器,这要求在减少系统中透镜的片数的同时又不能降低系统的成像质量.为了使物镜系统结构更简单,并且提高成像质量,在设计好的传统球面光学系统中引入衍射面.衍射光学元件具独特的成像性质,通常情况下,光学成像系统采用回转对称的衍射结构.文中所用的光学设计软件ZEMAX 中,旋转对称的二元光学衍射面的相位函数表示形式为<(r )=2πλ(A λr 2+G λr 4+…)(1)式中:A λ为二次相位系数;G λ等为非球面相位系数.其中A λ决定了该面的旁轴光焦度,对于某一确定的二元光学器件,A λ与使用波长λ成正比,故此项一般用于校正系统色差;G λ多用于校正系统的各级球差[13].在ZEMA X 面型里有很多同时具有折射和衍射光焦度的面,衍射光焦度独立于折射率和表面的失高,它是通过改变光线的波前相位使光线聚焦的.表面类型“二元光学面2(Binary2)”通过连续改变经过此表面的波前相位达到指定的光焦度,其使用的相位变化公式为<=A 1r 2+A 2r 4+A 3r 3+…+A i r 2i , (i 为正整数)(2)式中:r 为归一化的孔径值,A i 为第2次项的系数.式(1)和式(2)的形式虽然不同,但表达的意义是相同的.A 1项也是用于校正系统的色差,A 2,A 3,A 4,…,A i 等项用于校正系统的高级象差.设计中采用ZEMA X 面型中的“二元光学面2(Binary2)”来模拟衍射光学元件,即将附加数据(Ext ra Data )中的二元面的相位系数设为变量,并构建评价函数,对系统进行优化.设计中采用逐步添加衍射面,减少透镜片数的方法来设计折/衍物镜光学系统.共采用三个衍射面,使透镜数量从原有的七片减少为五片.首先用折/衍单透镜来替换球面系统中光阑前的双胶合透镜,如图2所示,替换后系统中的第三个面设为衍射面.在保持系统相对孔径,焦距以及视场不变的条件下,将所在透镜的结构参量和附加数据(Extra25 西 安 工 业 大 学 学 报 第29卷Data )中衍射面的相位系数设为变量,进行整体优化.其中衍射面的相位系数A 1,A 2,A 3,…应逐步增加作为变量优化,其他透镜的结构参量也可设为变量,共同来调节整体光学系统.其次,在优化函数中应加入畸变,色差等函数,并加大权重,可实现对部分像差有效的校正.利用同样的方法,将图2中光阑后的双胶合透镜替换折/衍单透镜,替换后的系统中本应是五片单透镜,但由于在优化过程中第三片和第四片透镜的两接触面无限制的靠近并且曲率非常相似,则迫使删除了衍射面,而在光阑后又形成了一个双胶合透镜.通过反复的实验,并对各种实验结果进行分析比较,最终将衍射面添加在了最后一片单透镜上,也就是系统的第九个面,如图3所示.通过对系统的优化调节发现:当含有一个衍射面时,虽然成像质量有所改善,口径也减小到34.26mm ,但系统过长,达到了70.04mm.当含有两个衍射面时,系统长度减小为59.65mm ,口径为28.62mm ,但是图3可以看出,最后一片透镜过厚,会增加系统通量.经过反复实验,将系统的第二个面替换为衍射面,优化调节后得到了一个比较理想的系统,如图4所示.图2 含有一个衍射面的物镜光学系统Fig.2 Objective lens optical systemswith a diffractive surface 图3 含有两个衍射面的物镜光学系统Fig.3 Objective lens optical systems with two diff ractive surfaces 图4 折/衍物镜光学系统Fig.4 Refractive /diff ractivelens optical system 在折/衍物镜光学系统中,第二、三、九面为衍射面,表1给出了各衍射面的相位系数.通过对设计结果的分析可知:折/衍射光学系统不仅将传统球面光学系统中的透镜数由原来的7片减少为5片,其系统口径也由40.82mm 减小到24mm ,长度也有所下降,为58.56mm.图5给出了折/衍物镜光学系统的传递函数和畸变.该物镜的几何像差校正得比较好,基本满足了像差校正的公差容限.色差较小,相对畸变在5%以内,在空间频率为40lp/mm 时,中心视场的传递函数(M TF )可达到0.89,全视场可达到0.43以上,满足了设计要求.表1 折/衍物镜衍射面相位系数Tab.1 Phase coefficient of three diff ractive surfaces ref ractive /diff ractive lens面数A 1A 2A 3A 422367.7319-125739.92051522340.8543-1.5197E +0083-3929.4188-1557759.518437207755.1704-1.8547E +0099-79994.31624083263.401789765015.18581.7082E +010图5 折/衍物镜光学系统传递函数、场曲和畸变Fig.5 M TF ,astigmatism and distortion of ref ractive/diff ractive objective lens125 第6期 刘钧等:微光夜视仪中物镜光学系统的小型优化设计4 结论文中将衍射光学元件引入传统球面光学系统中,将其小型化,设计出了满足要求的微光夜视仪的折/衍射物镜光学系统.通过对球面光学系统和折/衍光学系统进行成像质量和结构比较结果可以看出,折/衍射光学系统不仅将球面光学系统中的透镜数由原来的7片减少为5片,其系统口径由40.82mm减小到24 mm,长度也略有下降.当传递函数值在空间频率为40lp/mm时,轴上像质保持不变,轴外均达到0.43以上.整个折/衍光学系统结构简单,透镜片数较少,均选用国产玻璃,半径参数适中,符合加工工艺条件,保证了物镜的可实现性及较低的成本.随着各种新型光学材料的不断涌现以及机械加工技术光电检测技术的不断提高,将会有更多新型面型应用到光学系统中来.参考文献:[1] 李景生.微光夜视技术及其军事应用展望[J].应用光学,1997,18(2):1. 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J IN Guo2fan,YAN Y ing2bai,WU Min2xian.Binary Optics[M].Beijing:National Defence IndustryPress,1998.(in Chinese)225 西 安 工 业 大 学 学 报 第29卷Miniaturization Design of Objective Lens Optical SystemsUsed in Low 2Level 2Light Night VisionL I U J un ,L I U X i n(School of Optoelectronic Engineering ,Xi ’an Technological University ,Xi ’an 710032,China )Abstract : In order to meet t he requirement of image quality ,t he diff raction optical element s are int roduced to t he t raditional sp herical lens ,and an optical system wit h hybrid refractive 2diffractive lens is designed to imp rove t he characteristics of complex st ruct ure and large number of lenses in t he t raditional sp herical and low 2level 2light night visio n.In t his system ,t he field of view is 40°and t he relative apert ure is 1/1.19,and t he number of t raditional sp herical lens is decreased by 2or 3to 5including 3diff ractive surfaces.When t he spatial f requency is 40lp/mm ,t he value of M TF on 2axis can reach to 0.89,t he value of M TF off 2axis 0.43.K ey w ords : low 2light level night vision ;optical design ;hybrid diffractive 2refractive optical system ;diff ractive optical element s(责任编辑、校对 张立新)简 讯医用局部深孔手术摄像照明装置在五官科、脑外科手术中,由于光源的光轴与人眼睛的视轴无法完全重合,当手术部位距体表有一定深度时,人眼观察到的手术部位的某个边沿总有一部分区域存在阴影,孔越深两光轴夹角越大,阴影的区域越大。
红外成像与微光成像的区别微光成像技术微光夜视技术又称像增强技术，是通过带像增强管的夜视镜，对夜天光照亮的微弱目标像进行增强，以供观察的光电成像技术。
微光技术是光电高新技术中的重要组成部分。
在微光夜视产品中，图像增强器是核心器件，利用图像增强器将夜空中微弱的自然光，如月光、星光、大气灰光增强几百倍、几万倍达到使人眼能够进行远距离观察的程度。
黄绿光是人眼最敏感的波长，因此，这种颜色的荧光屏常常被应用到增像器上。
我们在电影电视里看特种部队进行夜视成像时，夜视镜头里的图景呈现黄绿色就是因为这个原因。
红外成像技术红外夜视技术分为主动红外夜视技术和被动红外夜视技术。
主动红外夜视技术是通过主动照射并利用目标反射红外源的红外光来实施观察的夜视技术，对应装备为主动红外夜视仪。
被动红外夜视技术是借助于目标自身发射的红外辐射来实现观察的红外技术，它根据目标与背景或目标各部分之间的温差或热辐射差来发现目标。
其装备为热成像仪。
现阶段监控摄像机装备的都是主动红外系统，对被动红外系统的应用还较少。
微光成像技术优点微光成像技术之所以被各国军队大量应用在夜视上，是因为它的全面性。
该技术相比红外技术，不需要红外灯发射红外线、不需要被观测物体必须有热量。
从而很好的适应军队在不同环境下作战。
选择红外成像技术，第一得考虑红外灯的损耗和维护，第二要考虑被观测物体是否自身含有热量。
而微光成像技术不需要考虑这么多，只需借助自然光即可达成夜视效果。
同时，微光夜视仪图像清晰、体积小、重量轻、价格低、使用和维修方便、不易被电子侦察和干扰，应用范围广，这些也是红外夜视成像不可比拟的。
微光成像技术的缺点微光成像技术的缺点在于易受周边环境影响。
如怕强光，具有晕光现象。
在遇到强光的时候夜视仪无法进行观测，观测者会感到眩晕。
微光图像的对比度差、灰度级有限、瞬间动态范围差、高增益时有闪烁、只敏感于目标场景的反射，与目标场景的热对比无关。
红外成像技术的优点红外成像技术的优点在于其无需借助外部环境光，自身发射红外线光进行夜视成像。
第42卷 第1期吉林大学学报(信息科学版)Vol.42 No.12024年1月Journal of Jilin University (Information Science Edition)Jan.2024文章编号:1671⁃5896(2024)01⁃0081⁃05微光数字观瞄镜的强杂光抑制技术研究收稿日期:2023⁃01⁃03基金项目:长春市科技发展计划基金资助项目(21ZGM34)作者简介:梁国龙(1983 ),男,吉林公主岭人,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副研究员,博士,主要从事嵌入式系统㊁数字图像处理研究,(Tel)86⁃133****9759(E⁃mail)lianggl_1984@㊂梁国龙,张明超,黄剑波,丁 浩,白 晶,张尧禹(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033)摘要:针对观瞄镜强杂光干扰问题,提出一套完整的强杂光抑制技术方案㊂首先,对物镜内表面采用绒布消光;然后,在软件图像处理上结合使用相邻图像累加积分㊁直方图统计和宽动态灰度增强等算法完成强杂光抑制;在天空照度为1×10-3lx 以下的野外暗夜环境下,加入强杂光干扰后进行实验测试㊂实验结果表明,该技术方案能有效完成强杂光抑制和图像细节增强,提升图像质量㊂软件算法在FPGA(Field Programmable Gate Array)平台上运行,2ms 内完成图像处理工作,满足实时性要求㊂关键词:数字观瞄镜;强杂光;干扰;抑制;消光绒布;直方图;宽动态灰度增强中图分类号:TP36文献标志码:A Research on Strong Stray Light Suppression Technology of Low⁃Light Level Digital Sighting TelescopeLIANG Guolong,ZHANG Mingchao,HUANG Jianbo,DING Hao,BAI Jing,ZHANG Yaoyu (Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China)Abstract :The low⁃light level digital sighting telescope encounters strong stray light interference,which causes imaging overexposure and submerges useful information in the image.To address this issue,a set of strong stray light suppression technology solutions is proposed.First,absorbance flannelette is pasted to the inner surface of the objective lens,and then several algorithms such as cumulative integration of adjacent images,histogramstatistics,and wide dynamic gray enhancement are used in software image processing to suppress strong stray light.In outdoor environments with night sky illumination below 1×10-3lx,the experiment is conducted with added strong stray light interference.The results show that the technical solution can effectively suppress strong stray light and enhance image details,thereby improving image quality.The software runs based on FPGA(Field Programmable Gate Array),with a maximum processing time of 2ms,meeting the real⁃time requirements of the system.Key words :digital sighting telescope;strong stray light;interference;suppression;absorbance flannelette;histogram;dynamic gray enhancement 0 引 言微光数字观瞄镜[1⁃2]主要用于在暗夜或照度很低的环境下辅助人眼快速观察和瞄准,也可以在白天等亮场环境下应用,具有很高的动态范围,满足昼夜通用要求㊂微光数字观瞄镜依托高动态CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)传感器[3⁃4],通过光学机械设计㊁成像驱动㊁图像处理㊁接口控制㊁显示输出等环节完成设备研制㊂观瞄镜主要由物镜组㊁CMOS 成像㊁图像处理模组㊁OLED(OrganicLight⁃Emitting Diode)显示屏㊁目镜组㊁电池仓以及外围控制模块组成㊂其基本工作过程是:经目标漫反射的光线由产品物镜投射到模组CMOS 传感器靶面,将光信号转换为电信号,模组处理器进行自动调光㊁灰度拉伸等图像处理后,输出到OLED 显示屏上,通过目镜放大用于观察,同时具有PAL(Phase Alteration Line)接口视频输出功能,外部按键可实时调节控制设备模式㊁状态㊂由于环境场景复杂,微光数字观瞄镜在使用过程中不可避免地会遇到视场内较强的非目标光线影响传感器成像的情况,比如太阳㊁干扰弹㊁车灯等,认定为强杂光干扰[5]㊂当非目标入射光达到一定的辐射强度时,传感器成像会发生过曝现象,淹没图像中的有用信息,导致观瞄镜无法获取有用信息,甚至短暂致盲㊂因此,观瞄镜减弱甚至去除强杂光干扰,最大程度获取有用信息具有非常重要意义㊂笔者针对该问题,提出了一整套强杂光抑制技术方案㊂1 强杂光抑制技术抑制强杂光干扰的方法[6]有多种,比如在光学上利用光阑㊁滤光片㊁光学镀膜等阻挡非成像光线和冗余强光光线的射入;机械结构上利用遮光罩㊁消光螺纹㊁吸光蜂窝腔以及在物镜内表面黑化处理(如喷图1 观瞄镜原理框图Fig.1 Principle block diagram of sighting telescope 涂消光漆㊁粘贴黑色吸光绒布等);电子学上主要通过实时图像处理或机芯控制完成强杂光抑制,典型的有直方图均衡㊁伽马矫正㊁图像帧减法㊁滤波法和机芯曝光法等㊂由于微光数字观瞄镜对尺寸㊁重量和成本都有非常苛刻的要求,在光机结构上不宜做很复杂的设计,笔者重点在电子学软件算法上结合机械结构消光技术实现微光数字观瞄镜的强光抑制㊂图1给出了观瞄镜的组成示意图,表1给出了观瞄镜的具体设计技术指标㊂表1 观瞄镜的设计指标遮光罩㊁光阑通过阻断杂散光散射路径,达到抑制杂光的目的,但考虑到观瞄镜属于小型手持设备或装卡到步枪上使用,基于尺寸小㊁重量轻的设计原则,再考虑到设备使用场景可能存在强冲击㊁振动的情况,微光数字观瞄镜不适合配装遮光罩和光阑等冗余设计㊂杂光的强弱与物镜壳体表面散射属性直接相关[7],可对物镜组处于光路中的机械结构内表面进行消图2 物镜内表面植绒模型图Fig.2 Model diagram of flannelette 光处理,通过改变结构内表面粗糙度,提高表面吸收杂散光线能力㊂目前主要的表面处理方式有消光涂层和碳纳米管技术,其中碳纳米管技术属于新材料技术,主要应用于航空航天领域,且成本较高,笔者主要采用常规的消光涂层方法实现杂光抑制㊂目前在设备物镜内处于光路中的机械结构表面粘贴消光绒布,其模型如图2所示㊂图3给出了结构植绒消光前后的输出图像对比,从图3b 可看出,图像饱和区域缩小,隐约可见饱和区域周围的细节信息,对强杂光有一定的抑制作用㊂28吉林大学学报(信息科学版)第42卷图3 物镜内表面植绒前后图像对比Fig.3 Image comparison of flannelette 1.2 软件算法消光为了在图像中显示可疑目标等有用信息,通过结构消光后,还需继续通过电子学软件算法完成强杂光抑制㊂软件算法消光只是增加了软件算法复杂度,对观瞄镜尺寸和重量均无影响㊂从嵌入式处理能力和实时性考虑,笔者提出一套行之有效的强杂光抑制算法,通过相邻图像累加积分㊁直方图统计㊁宽动态灰度增强算法,按照先后顺序结合使用,完成强杂光抑制和图像细节增强㊂1.2.1 相邻图像累加积分观瞄镜在观察或瞄准过程中,成像帧频为25Hz,由于设备相对抖动量较小,默认相邻2幅图像在同样背景下无帧间移动,可利用2幅图像合成的算法实现相邻图像累加积分,扩展图像动态范围[8]㊂该算法主要通过对相邻2幅图像进行像素叠加,原始图像的位深是12bit,叠加后图像位深扩展为13bit,理论上信噪比提升了2倍[9⁃10],图像中暗弱目标会得到一定的增强㊂1.2.2 该算法主要在相邻图像累加积分的基础上,实现将宽动态的13bit 的灰度数据映射到8bit 灰度数据,通过灰度极值法实现图像灰度非线性拉伸,同时完成图像γ矫正,使观瞄镜可在很宽的动态范围内正常成像㊂为了在避免图像信息丢失同时有效抑制强杂光问题,首先通过直方图统计算法[11]找到宽动态图像的最大和最小像素值,定义宽动态图像的分辨率W =800,H =600,图像的总像素数N =800×600,灰度等级i ∈(0,8191),图像中某灰度i 的像素数定义为N i ,则归一化直方图统计数组为H (i )=N i N ㊂(1) 首先定义i min ㊁i max 分别是图像的灰度最小值和最大值,设置灰度数阈值T ,灰度i 从0~8191灰度遍历,如果H (i )≥T ,则此时的灰度i 即为i min ;同理灰度i 从8191~0灰度遍历,如果H (i )≥T ,则此时的灰度i 即为i max ,阈值T 可根据图像灰度信息分布程度进行调整㊂灰度均值为x avr =∑8191i =0(iN i )N ㊂(2) 在实际工程应用中,为更有效地抑制强杂光,取灰度最小值x min =i min ,灰度最大值x max =(i max +x avr )/2㊂(3) 然后用最大值减去最小值对每个像素进行除法操作,将宽动态图像像素值归一化到0~1范围内㊂对此归一化像素灰度值的宽动态图像像素乘以255,从而映射成为8bit 图像,基本映射公式为f (x )=255×(x -x min x max -x min)㊂(4) 为提升视觉效果,归一化映射过程中加入γ矫正法,可得到较好的映射图像㊂如下:f (x )=255×x -x min x max -x æèçöø÷min γ,(5)38第1期梁国龙,等:微光数字观瞄镜的强杂光抑制技术研究其中x 为0~8191灰度宽动态图像的像素值,f (x )为映射后8bit 图像的像素值,γ为图像调整参数,为得到更好的图像效果,可根据不同的场景实时调整㊂2 实验及结果分析为最大程度模拟真实使用环境,验证微光数字观瞄镜的强杂光抑制能力,在夜晚23点后,选择远离图4 实验相对位置示意图Fig.4 Sketch map of relative position 城市㊁地势相对平坦的外场环境,无月星空,天空照度在1×10-3lx 以下㊂E 字靶板位于观瞄镜的正前方约140m 处,其中心离地高度约1.8m,勇士车远光灯径向照射方向与观瞄镜视轴成20°角,具体观瞄镜㊁E 字靶板与车灯3者之间的摆放位置关系如图4所示㊂在猛士车远光灯开启的情况下,利用观瞄镜观察E 字靶板目标,验证强杂光抑制效果㊂各阶段处理图像对比如图5所示㊂图5a 是未经任何处理的外场实验图像,图5b 是经过结构消光处理后的图像,图5c 是经过相邻图像累加积分后的图像,图5d 是图像累加积分后的统计直方图,标定阈值T =0.0015,图5e 是在γ=0.2时经过笔者灰度增强处理算法处理后的图像,图5f 是在γ=0.3时经灰度增强处理算法处理后的图像㊂可以看出取参数γ=0.3时效果最优,图像中的强杂光虽然没有被完全去除,左侧依然能清晰地看到强杂光条纹,但得到有效抑制,图像细节比较清晰,图像中E 字靶板清晰可见㊂图5 各阶段处理图像对比图Fig.5 Image comparison in several stages 48吉林大学学报(信息科学版)第42卷3 结 语针对微光数字观瞄镜在使用过程中遇到的强杂光问题,笔者通过多次实验得出单一的方法对强光抑制效果较差,无法达到实际使用要求㊂因此,笔者分别在机械结构和电子学软件算法上提出了一套行之有效的强杂光抑制方法,不仅能有效抑制强光,还能突出图像细节等有用信息㊂在机械结构上,采用消光绒布对物镜组处于光路中的机械结构内表面进行消光处理,具有一定的强杂光抑制效果;在软件算法上,通过结合使用相邻图像累加积分㊁直方图统计㊁宽动态灰度增强算法,完成强杂光抑制和图像细节增强显示㊂该算法在FPGA 平台上运行,经多帧数据测试,全部在2ms 内完成图像处理工作,满足实时性要求㊂参考文献:[1]孙权.微光瞄准镜检测设备中关键技术研究[D].长春:长春理工大学控制科学与工程学院,2018.SUN Q.Research on Key Technologies in Low Light Sight Detection Equipment [D].Changchun:College of Control Scienceand Engineering,Changchun University of Science and Technology,2018.[2]刘学泽.枪用瞄准镜[J].四川兵工学报,2008,29(1):9⁃10.LIU X Z.Sighting Telescope for Gun [J].Journal of Sichuan Military Industry,2008,29(1):9⁃10.[3]吴昊,伍园,伍伟,等.数字微光夜视器件技术研究[J].光电子技术,2022,42(1):73⁃76.WU H,WU Y,WU W,et al.Study on the Digital Low⁃Light Level Night Vision Device Technology [J].Optoelectronic Technology,2022,42(1):73⁃76.[4]时玮淞,吕耀文.基于FPGA 的高分辨率科学级CMOS 相机设计[J].吉林大学学报(信息科学版),2020,38(3):292⁃300.SHI W S,LÜY W.Design of High Resolution Science CMOS Camera Based on FPGA [J].Journal of Jilin University (Information Science Edition),2020,38(3):292⁃300.[5]高俊光,郭杰,郝道亮.强光对微光夜视设备的干扰效果测量系统设计[J].光学与光电技术,2018,16(2):50⁃52.GAO J G,GUO J,HAO D L.Design of the Measurement System for the Strong Light Interference Effect Based Low Light Night Vision Equipment [J].Optics &Optoelectronic 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微光顯微鏡原理介紹Poton Emission Microscopy (PEM)EMission Microscope (EMMI)此篇重點:∙PEM 被證實為可用於確認出IC 問題區域的方法∙其基本原理是可偵測非常微小的光放射∙其為簡單又便宜的方法可以指出Chip上有問題的區域(有問題區域並非一定為錯誤區域,有可能看到的是果而非因)∙對點的定位能力比LC好(liquid crystal, 此方法利用局部高溫找問題點)∙了解"電致發光"(或翻為"場致發光", electroluminescence)其物理原理可更合理(正確)推論出可能的原因內容:∙基本原理∙半導體的發光: 說明發光原理,什麼是F-PE,R-PE∙P-N階面二極體發光∙矽的能階圖:說明何謂間接(indirect)半導體∙順偏& 逆偏說明:利用能階說明發光機制∙F-PE / R-PE 頻譜分佈∙設備介紹∙設備架構∙光感測(受)器(Detector)∙從晶背問題探討∙發射源分類:電路上哪些情況會有由PEM測到亮點.∙發射機制的整理∙判斷亮點是否為問題點∙各種機制的頻譜分布∙單項說明:逐一討論各種情形∙總結完成時間:2005-05-20E-mail連絡作者:基本原理:半導體的發光(electroluminescence in semiconductors)∙熱載子能量釋放(Relaxationaccompaniedwith lightemission)說明:∙一可移動載子(mobile chargecarriers,可為電子或電洞)經過電場加速取得足夠的動能(kinetic,熱載子), 利用光將其累積的動能釋放∙此為PEM測得的主要光來源∙此過程發生在同一能帶(intraband process).(即未跨過能階)∙簡稱代號: F-PE (F: Field) ∙電子電洞結合(Radiative Band-Band Recombination): 說明:∙導帶(conductance band)與價帶(valence band)的電子電洞結合∙不同能帶間轉換(interband process)∙簡稱代號:R-PE(R: Reconmination)∙右圖說明能帶的關係[2]∙(1)-(3) 稱為interbandtransitions.∙(4)-(7) 代表有摻雜物參與反應∙(8)-(9) 稱為intrabandtransitions∙Si Bandgap:1.12 eV(常溫;此值隨溫度升高而下降)P-N 接面二極體發光(註:此並不適合使用,因為測量過程可能會損害元件)∙順向偏壓因為有大量的少數載子注入,所以在低電壓即有大量的電子電洞結合可用於PEM觀測(R-PE). 此現象非常有效率(LED 的發光原理);Si晶圓上此現象並不明顯,因為其為間接能階(因其動量不同,下一段討論).不過PEM還是可以觀察的到矽的能階圖-間接(indirect)半導體∙若連動量一起考慮則如右圖顯示Si為間接(能階)半導體;即其導帶最低處與價帶最高處並不在同一動量,所以其電子電洞結合會有一動量差∙因動量守恆(mementum Array convervation law)所以Si走路徑"1"的機率會遠少GaAs(右圖,為直接能階)∙走"1"的路徑會分為兩分量"動量轉換與能量轉換;藉由聲子(phonon)轉換動量(故走"1"這條路會包含光子與聲子的轉換)∙Si大多數的電子電洞結合都會走"2"-"3"這條路.此方式會經由中間階能階(或稱複合中心)當作中介轉換,使其轉換機率大增∙儘管如此,其順向偏壓所產生的光子足夠PEM偵測∙雷射半導體與LED均是使用直接能階順偏 & 逆偏說明順偏逆偏∙上左顯示順偏時少數載子注入引發電子電洞結合∙Si特性光譜,波長約為1.1 um 的紅外光,(常溫1.1eV band gap).註:可見光波長為為:380 到780 nm ∙能量分佈範圍為以1.1um為中心成高斯(gauss profile)分布(約900nm 到1300nm) ∙逆偏時增加能量障壁(pn-energy barrier),空間電荷(SCR-space charge region)的電場∙通過此區的載子獲得加速及動能∙於散射(scattering)過程放出能量,(某些情況包含電子-電洞結合)原文(說明機制): They relax scattering at lattice disorders like phonons, crystal defects and charged coulomb centers, accompanied by light emission with high probability and in a few cases additionally by recombination∙波長範圍從紅外光(IR)到可見光F-PE / R-PE 頻譜分佈下圖為描繪F-PE 與R-PE 頻譜強度佈圖(從參考資料[1]描繪,有需要請參考原圖)其他:∙電阻性元件('Ohmic' currents)並不會發出PEM可用的光,僅會引發其他部分發光時產生PEM可用訊號∙PEM無法測得溫度,因其偵測的波長範圍需要超過500k(黑體)設備介紹下圖為基本結構[1][2]說明:∙PEM就是將顯微鏡(OM)加上影像擷取系統,且能接收較大的波長範圍(500nm - 1500nm) ∙特性:∙一般系統架設在探針(probes/probe cards)系統上,或局部開口的IC上(decap)+socket使用∙此顯微鏡對所需接收的波長作最佳化∙接收器(detector)需能接收微弱(faint)的光線∙能將PEM影像與OM(顯微鏡)所看到的線路影像作疊圖(overlay) ∙光學系統:∙PEM設備上決定其設備性能的關鍵∙一般OM影像(反射式顯微鏡)因有強光源可反射,所以成像容易.需關注的是微小光源(PE)傳送到Detector過程中顯微鏡的好壞∙高的數值孔徑(numerical aperture, NA), 長焦距鏡頭(high working distance, WD),易於操作∙光感測器(Detector)∙上圖所示為先將光轉為電(非常微量無法偵測),然後利用倍增管將其放大然後打到螢光屏顯像∙目前設備為均用CCD取代,其特性下一段討論.(主要有cooled Si-CCD, MCT-CCD)∙在FA (failure analysis)要求的為在低倍率有高敏感度.∙第一次取影像需求為能取到整顆晶片(whole chip),並且能夠概略得到亮點區域.一般需配0.8x的鏡頭以取得整顆IC(whole chip)∙觀測期間可移除全部不需要的鏡片(High transmission mode)∙提供全黑的環境,任何雜訊都將影響結果靈敏度註:1.數值孔徑(NA) 是測量從一光點(light spot)放出通量(flux)F的光束,通過一倍率為M的光學系統到一CCD的像數(pixel)F=f(NA/M)2. M: magnification, NA: numerical aperture, F:light flux 下表為典型的物鏡(objectives)2.數值孔徑(Numerical Aperture)N.A.是決定物鏡的分辨率、焦深、圖像亮度的基本數據，當物鏡焦點對好後，物鏡前透鏡最邊緣處的傾斜光線與顯微鏡光軸所交角成α，此即該物鏡的半孔徑角設標本數據空間的折射率為n，則N.A.＝n×sinα 資料來源光感測(受)器(Detector):∙偵測波長範圍: 1500 nm to 500nm∙含"頻閃觀測儀"(stroboscopic gating option)約在GHz的頻率,能輸出至TV 影像的頻率∙過去用: Phtocathode, Micro Channel Plate, Vidicon下圖顯示 Si-CCD, MCT-CCD比較[1]:從晶背使用PEM(Backside)∙原因:製程上金屬層增加,覆晶封裝(flip-chip)無法從正面(front side)取得PEM影像∙矽材質僅能穿透波長高於1100nm 的光.因為能階的關係(bandgap)∙所面面臨問題:∙CCD∙Si-CCD不很適合使用,因為其最佳吸收波長剛好與底材的吸收波長相同(穿透率不佳) Array∙若參雜不重(lightdoping),Si-CCD的吸收光譜小部分重疊(見右圖P-與Si CCD所圍區域), 此區間已可取得很多有用的資訊∙建議使用MCT-CCD∙Si 底材(substrate)∙si的diffraction index為3.4會造成光線發散,使影像模糊(因為只有小部分在聚焦點上)∙有特殊物鏡可以補償,不過須工作在特定的底材厚度∙表面拋光(polish)對影像的結果有很大影響∙Si 底材重參雜(Heavydoping)∙嚴重影響光線傳輸,即使波長操過1100nm,原因為能階變窄(bandgap-narrowing) & 被自由載子(free carriers)吸收(右圖P+所示穿透率不到10%)∙使用Si-CCD問題更為嚴重, 需將底材磨到厚度小於50 um∙使用MCT-CCD問題此問題不嚴重∙右圖紅線說明不同參雜濃度的透光率& 特性光譜& Si-CCD發射源分類(Classification of Emission Source)下表為發射機制的整理[1]:F-PE => 電場加速後能量釋放 (LightEmission Generated by Scattering ofField Accelerated Carriers)∙大多數PEM的亮點都是取自此機制∙包括MOS操作在飽和區與大多數矽晶圓漏電的現象∙歐姆型的漏電(ohmic leakage current)發生在Gate Oxide也可測得.條件:局部電流密度(current density)大到能產生(F-PE)∙GOX defect能夠用PEM測得通常需局部區域壓降大於2V∙F-N (Fowler-Nordheim) 電流通常由於發生在矽或多晶矽上的散射(scatter)R-PE => 電子電洞結合(Photoemission Generated byRadiant Electron-HoleRecombination)∙主要用於Latch up 分析∙well floating 才會有順偏的PEM∙對於雙極性電晶體與Power IC, 其轉換過程極為重要判斷亮點是否為問題點[3]很多人認為亮點即為有問題區域,這並不對應該利用下面兩項判斷1.利用下表所分類的歸納可能原因2.了解PEM的原理與機制來判斷原因各種機制的頻譜分布[1]放射頻譜(emission Spectra)∙右圖為以下討論的總結Array∙電子電洞結合R-PE(recombination radiation),由於電子溫度較低(low electron temperature)集中在一狹小區域. Lath-up時會將元件加熱所以其區域會有些不同∙電場加速＆散射F-PE(Radiantscattering of field accelerated carriers):遵守Boltzmann statistics, 所以電子溫度(動能)大於1500K且成指數下降(exponential slopes)∙FN-current (F-PE)電子直接穿過Oxide,並無特別的特徵除了在1.8e有上升一些∙所有PEM量化的評估均建立在作用載子密度與發射量成正比,因為有太多因素會影響接收情況(如光學系統,傳輸經過的層次),所以無法建立適用於各種狀況的自動判斷的設備(automatic recognition)單項說明PN接面漏電(Leakage Current across a pn-Junction in Silicon)∙正常元件逆偏時,僅在發生壘增崩潰(avalanche mode)才會於PEM中見到(F-PE).(例外:well-substrate diodes)∙矽晶圓的漏電大多數情況可用PEM定位故障點(failure localization).∙亮點產生原因為載子通過SCR(F-PE)∙Contact spiking 也為接面漏電的一種∙某些狀況可測到pA級得漏電.(Highly localized junctions or capacitors)MOS飽和區操作/熱電子(Saturated MOSFETs/Hot Electrons)轉區為一低電阻通道並不會釋放光.(右上圖)∙於飽和區操作時,夾止(pinch-off)現象發生,在汲極與夾止點(pinch-off point)間會有空間電荷區(SCR)∙亮點強度與偏壓和基材電流有關(backbias/substrate current).基材電流越大亮度越強∙正常的邏輯線路中若輸入為HIGH或LOW並不會有亮點在PEM出現(指CMOS),因為沒有足夠電流∙靜態操作下PEM中見到亮點代表了: floatgate, leaky gate, leaky junction, avalanche動態操作下見到的PEM亮點代表了: FETswitch.(不在本主題範圍,參考PICA-picosecondimaging circuit analysis)∙此現象可用於IC功能確認與故障點定位,但若電源小於1 V的IC此方法將不適用∙電源電壓越低(製程越先進)發射量越小,且波長也會往較低能的紅外光(IR)區偏移,∙PEM訊號的強度與SCR區載子的倍增有關,若於夾止區倍增出的高能載子穿過Gate Oxide稱為熱載子(熱電子)∙PEM可測得熱電子造成的損壞,利用PEM的頻譜分布圖可推得熱電子的溫度Fowler-Nordheim 電流∙Fowler-Nordheim 穿透(tunneling): 其指當閘極氧化層很薄時,電子可穿過氧化成形成閘極電流∙發光現象一樣為F-PE,不過其光譜有很大差異,在PEM記錄的區間幾乎為一定值並不隨波長而改變,且不易觀察因為雜訊很大∙與閘極氧化成厚度成反比,若閘極太薄波長將往藍光(或到紫外光)偏移,超出PEM可接收光線的範圍局部大電流/ 閘氧化層電崩潰(Locally High Currents / Thin Oxide Breakdown)∙閘氧化層崩潰產生的PEM亮點,在閘極與基材使用同一摻雜時,並不需利用SCR區產生亮源∙故障區域將產生局部的高電流密度區,而產生足夠的電位差造成F-PE(typically > 2V )∙前一點說明了為什麼PEM能觀察閘極崩潰.同時也說明了為什麼有時會觀察不到,如:局部高電流融掉了該區域,崩潰區域過大使電流密度不足產生亮點二極體(Bipolar Diode)∙順偏:∙典型的R-PE影像會分佈較廣(不會集中一點,會成暈開的影像);因為載子的擴散∙載子的擴散的長度更可由此圖計算∙逆偏:∙逆向偏壓的影像大不同,僅在邊緣看到非常集中的亮點(F-PE, avalanche condition)∙反應了高電場發生在元件的邊緣與角落,若使用及時觀測此光點會強烈擺動(fluctuate)∙須到倍增崩潰(avalanche multiplication)發生才可產生足夠PEM接收的亮度∙典型的F-PE影像亮點集中在供高電場處雙載子電晶體(Bipolar Transistor)∙以下說明為橫躺(lateral)的雙極性電晶體,一般IC上的雙極性電晶體為直立的(vaetically)的以下的說明並不會出現(照片及詳細說明請見參考資料[1])∙主動區:∙PEM影像顯示主動區操作亮點集中且明亮,其為F-PE; (參考前一段PN接面說明)∙原因:主動區操作時基極集極逆向偏壓,使基極加深了擴散梯度(steeper diffusionslope),並將電流往集極方向集中∙另一方面在很薄的基極發生電子電洞結合基機率很低,雖有大量少數載子進入,但缺少SCR所以不會見到亮點∙飽和區∙飽和區操作亮點比較擴散為R-PE.可以反證主動區操作時缺乏SCR∙散佈的亮點可以說明載子的擴散與電場的加速∙從PEM觀點可利用提高基極電流使PEM能取得亮點,不須做其他可能傷害元件的觸發閂鎖效應(Latch up)∙一CMOS會寄生兩電晶體形成類是閘流體(Thyistor, 即pnpn))結構(相關說明有時間在寫) ∙在閂鎖效應穩定發生時為R-PE, 順向衝越(forward-breakover) turn-on為F-PE總結∙成功利用PEM訂出故障點,需要從矽晶圓上發出亮點. 且有局部有大的電流密度∙F-PE須有足夠的載子散射造成亮點(light emission).如:GOX breakdown∙需有足夠的載子進入SCR(space charge region)∙順偏時須有足夠的載子才能產生亮點∙前三項即是說須達到PEM所能接收的最小極限∙通常亮點並不一定是故障點.例如ㄧ正反器(flip-flop)失效造成其下一級的(another FET)閘極處在中間態並且成為亮點∙重點就是要分析原因與元件的電路特性來斷定問題其他:∙50% CMOS電路僅加電源即可見到問題點∙若有好的IC可以比對更容易判斷其是否為問題點.若沒有可以比對同一IC中相同功能的點∙測試前需確認該IC的錯誤(failure)依然存在.即經過Decap, Socket等的環境改變錯誤依然發生;若需要可能需要改變測試溫度或使用ATE等設備製造出環境∙Lach-up會引發很多地方一起發亮∙Power bus pulling down, PEM會見到所引發的很多亮點, 不過不會見到問題點, 可用V oltage Contrast, internal probing, liquid crystal 測得∙CMOS Inverter探討: Output 與Vdd短路將引發nMOS 發亮, 與Vss短路將為pMOS發亮; 對Input端則視短路電阻大小,與MOS參數決定哪一MOS發亮(或比較亮).此狀況MOS 沒有問題(問題非一定發生在亮點)∙charge pumd (DRAMS), Large clock circuit, 都會引發亮點, 最好跟好的IC比對,以免誤判問題∙確認每一I/O點都在應有的狀態(不能有輸入不確定),不然有可能出現不該有的亮點Reference:1.Fundamentals of Photon Emission (PEM) is Silicon - Electroluminescence for analysis ofElectronic Circuit and Device Functionality. Christian Boit, Microelectronics Failure analysis Desk Reference Fifth Edition. p356-3682.Semiconductor Device and Failure Analysis using photon Emissionj Microscopy, Wai Kin CHim,WILEY3.Photon Emission Microscopy. Gray Shade, Microelectronics Failure analysis Desk Reference FifthEdition. p347-355微光顯微鏡分析主要之應用範圍∙矽基材缺陷(如: Crystal defects, stacking faults, mechanical damage)∙接面漏電(junction leakage)∙接點穿突(contact spiking)∙熱載子效應(飽和區電晶體) (hot electrons, saturated transistors)∙閂鎖現象(latch-up)∙閘極氧化層漏電流(oxide current leakage)∙復晶矽鎢絲型橋接(polysilicon filaments)。
采用塑料光学元件的微光夜视物镜设计张良;潘晓东【摘要】介绍一种采用塑料光学元件和玻璃光学元件进行混合设计的微光夜视物镜,该系统利用光学被动无热化原理进行环境适应性设计和像差平衡,其工作波长范围为0.65 ～0.95μm,视场为40°,F数为1.2.利用CODE V光学设计软件对微光夜视光学系统的调制传递函数(MTF)、温度适应性、零件质量等性能进行了综合分析与评价.设计结果表明,在高低温情况下,各个视场的MTF值均大于0.4,光学零件质量为20 g,在实现系统减轻的同时获得了良好的光学性能.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2014(035)008【总页数】5页(P1308-1312)【关键词】兵器科学与技术;微光夜视;物镜;光学设计;无热化【作者】张良;潘晓东【作者单位】中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所,河南洛阳471023;中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所,河南洛阳471023【正文语种】中文【中图分类】V243微光夜视是一种利用光增强技术的光电成像系统。
它利用夜间月光、星光、大气辉光等自然微光工作,工作隐蔽、可靠,可以大大改善人眼在微光下的视觉性能,在军事上可以用来观察敌方的夜间行动、发现隐蔽目标以及飞机的夜视导航,是执行夜间作战任务的必备装备之一,在军事上得到迅速发展和广泛应用。
由于微光夜视系统是一种被动探测系统,隐蔽性好,在国内外各兵种都有装备。
为了便于头部佩戴,通常对微光夜视镜的尺寸、质量有着严格的规定[1-2],采用常规的光学玻璃材料和金属材料,通常难以满足系统的质量指标要求。
塑料光学元件是一种新型光学元件,具有质量轻、较好的光学性能、易于批量生产的优点[3],可以用来替代光学玻璃材料。
但是塑料光学元件有着明显的缺点,热膨胀系数比玻璃材料大出一个数量级,光学塑料的折射率温度系数比玻璃要大6～50倍,因此,采用塑料元件的光学系统其高低温光学性能比常温光学性能有着明显的下降,必须考虑无热化措施[4-5]。
物镜成像物理知识点总结一、物镜成像的基本原理1. 光的成像光的成像是指光线经过透明介质的折射、反射等过程后，集中到一点或者区域上，形成清晰的图像。
在物镜成像中，光线穿过物体，经过物镜折射后在焦平面上形成物体的清晰图像。
2. 物镜的光学性质物镜是一种光学透镜，根据其形状和折射率的不同，可以分为凸透镜、凹透镜、透镜组等类型。
物镜的主要作用是将通过物体的光线进行折射，使其在焦平面上聚焦成像。
3. 成像过程在物镜成像中，物体发出的光线首先通过物镜折射，然后聚焦在焦平面上形成清晰的图像。
如果物体在焦距范围内，成像就会很清晰。
4. 成像特点物镜成像的特点包括放大率、景深、透视和投影等方面，这些特点与物镜的性质、物体的性质、成像距离等都有关系。
二、物镜成像的光学理论1. 光的传播光的传播是物镜成像的基础。
光的传播包括光的直线传播和光的波动传播两种方式，在物镜成像中，可以通过光的传播规律来推导出物体成像的数学模型。
2. 光的折射定律光线在穿过不同介质时，会根据折射定律发生折射。
折射定律表明，光线在通过两种介质的界面时，折射角和入射角之间满足一定的关系。
利用折射定律可以推导出物镜成像的折射规律，了解光线穿过物镜后的轨迹和成像特点。
3. 成像的数学模型物镜成像可以用几何光学方法来描述。
通过导出光线的传播路径、成像距离、焦距等数据，可以建立成像的数学模型，从而分析物镜成像的特点和规律。
三、物镜成像的工程应用1. 显微镜显微镜是一种用于观察微观物体的光学设备，它利用物镜成像原理对微小物体进行放大成像。
显微镜的物镜通常具有高放大率和高分辨率，以便观察微观结构和细胞等。
2. 望远镜望远镜是一种用于观察远处物体的光学设备，利用物镜成像原理进行放大成像。
望远镜的物镜通常具有大口径和长焦距，可以观察远处的星体、景物等。
3. 相机相机是一种用于拍摄照片的光学设备，利用物镜成像原理对景物进行放大成像。
相机的物镜通常具有不同的焦段和光圈，可以拍摄不同焦段和景深范围的照片。
微光显微镜原理介绍Poton Emission Microscopy (PEM) EMission Microscope (EMMI)整理自 www.fibman.idv.tw hfxin2001@重点和内容¾PEM/EMMI用于定位IC的问题区域，是既简单又便宜的定位方法(但观察到的问题区域并非一定为错误区域,有可能看到的是果而非因)¾PEM/EMMI基本原理是可侦测非常微小的光放射¾对问题点的定位能力比LC强(Liquid Crystal, 此方法利用局部高温找问题点)¾了解"电致发光"(或译为"场致发光", electroluminescence)的物理原理，可更合理(正确)地推论出可能的原因1．基本原理¾半导体的发光: 说明发光原理,什么是F-PE,R-PE¾P-N阶面二极管发光¾硅的能阶图:说明何谓间接(indirect)半导体¾正偏 & 反偏说明:利用能阶说明发光机制¾F-PE / R-PE 频谱分布2. 设备介绍¾设备架构¾光感测(受)器(Detector)¾从晶背问题探讨3. 发射源分类:电路上哪些情况会有由PEM测到亮点¾发射机制的整理¾判断亮点是否为问题点¾各种机制的频谱分布¾单项说明:逐一讨论各种情形4. 总结1．基本原理1.1半导体发光(electroluminescence in semiconductors)半导体有两种发光机制分别为：热载流子能量释放和电子空洞结合1）热载流子能量释放(Relaxation accompanied with light emission)可移动载流子(mobile charge carriers,可为电子或空洞)经过电场加速取得足够的动 能(kinetic,热载流子), 利用光将其累积的动能释放此为PEM测得的主要光来源此过程发生在同一能带(intraband process).(即未跨跃能阶)简称代号: F-PE (F: Field)2） 电子空洞结合(Radiative Band-Band Recombination)导带(conductance band)与价带(valence band)的电子空洞结合不同能带间转换(interband process)简称代号: R-PE(R: Reconmination)上图说明能带的关系[2](1)-(3) 称为 interband transitions；(4)-(7) 代表有掺杂物参与反应(8)-(9) 称为 intraband transitions注: Si的Bandgap是1.12eV(常温；此值随温度升高而下降)；SiO2的Bandgap为5.2eV Ec---导带的底能级；Ev---价带的顶能级；Eg=禁带宽度（Ec和Ev之间的能量间隔）导带（Conduction Band）：自由电子存在的能带。
2013 年 10 月 第 6 卷 第 5 期 中国光学 Chinese Optics Vol. 6 No. 5 Oct. 2013文章编号 1674-2915(2013)05-0701-09星载微光立体成像技术及实现胡晓华 ∗ ,周晓中,刘松涛,张春华,杨 楠( 中国人民解放军 61741 部队,北京 100094 )摘要:为了监测夜间和晨昏时段的低云大雾,实现云的三维立体成像,对微光立体成像的关键技术进行了研究。
首先, 介 绍了微光立体成像原理,分析了成像需要解决的宽视场覆盖和多镜头布局。
然后,介绍了实现微光探测需要解决的低照 度成像技术及其实现方法。
最后 ,针对观测目标照度变化较大的问题, 提出了动态范围拓展技术, 介绍了后期数据处理 中的云雾监测技术。
仿真计算结果表明:采用电子倍增 CCD( EMCCD) 探测器和推扫扫描成像模式 、 集成探测器组件以 及多台相机拼接方案可有效实现微光立体成像,相机扫描幅宽超过 2 800 km; 高程分辨率 < 817. 7 m。
提出的成像技术 可在低照度条件下监测低云大雾,获取高分辨率的三维立体云图,满足气象海洋探测的需求。
关 键 词 :微光立体成像;低照度成像;低云大雾;立体云图 中图分类号 :TP73 文献标识码:A doi:10. 3788 / CO. 20130605. 0701Spaceborne shimmer tridimensional imaging technology and its implementationHU Xiao-hua ∗ , ZHOU Xiao-zhong, LIU Song-tao, ZHANG Chun-hua, YANG Nan ( No. 61741 Troop ,the Chinese People′s Liberation Army,Beijing 100094,China) ∗Corresponding author, E-mail:x. h. hu @ 163 . commensional imaging of the clouds, the key technologies of shimmer tridimensional imaging were discussed.Abstract : In order to detect low clouds and heavy fogs during nighttime and twilight, and to achieve three-diFirst, the theory of shimmer tridimensional imaging was introduced, and the wide-field coverage and multi-lens layout for imaging were analyzed. Then, the low-light imaging technology and its implementation were introtechnology is presented, and detecting technology for clouds and fogs was introduced. Emulation calculation results indicate that the EMCCD detector and push-broom imaging mode, integrated detector assembly and the multi-camera stitching program can effectively realize shimmer tridimensional imaging. The camera swath is beyond 2 800 km and elevation resolution is less than 817. 7 m. By using this imaging technology, we can de-duced. Finally, aiming at the larger illuminance change of an observed target, the dynamic range expandingtect the low clouds and heavy fogs in a low-light condition, and can get high-resolution three-dimensional imaging of the clouds, which satisfies the requirements of meteorologycal and oceanic detection. image Key words: shimmer tridimensional imaging;low-light imaging;low cloud and heavy fog;tridimensional cloud 收稿日期:2013-07-13 ;修订日期:2013-09-16 基金项目:国家自然科学基金资助项目( No. 41205004)702 中国光学 第 6 卷 1 引 言 低云大雾天气多产生于夜间和晨昏时段, 是 造成低能见度的主要天气现象,严重影响航海、航 空、公路运输安全[1]表目标进行推扫,可获取月表同一目标星下点、前 视 16. 7°、后视 16. 7° 3 幅二维原始数据图像, 经 辐射定标后重构月表三维立体影像。
