光电子光离子成像研究毕业论文.doc
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1、(此文档为word格式,下载后您可任意编辑修改!)学号:2007030228 哈尔滨师范大学学士学位论文题 目 光电子/光离子成像研究学 生 王鸿梅指导教师 王丙星 讲师年 级 2007级专 业 化学系 别 化学系学 院 化学化工学院哈 尔 滨 师 范 大 学学士学位论文开题报告论文题目 光电子/光离子成像研究学生姓名 王鸿梅指导教师 王丙星 讲师年 级 2007级专 业 化学2011 年 3 月课题来源:教师指定课题研究的目的和意义:光电子/光离子成像的研究克服了人眼所见到的图像包含了肉眼所不能察觉或难以察觉的图像信息,由此可见光电子成像技术克服了人眼在极低照度及有限光谱响应下的限制。而光电
2、子成像技术作为一门分支学科,随着科学技术的发展、国防战略和经济建设的需要,正在不断发展之中,特别是在军事上的需要,使得作为光电子成像技术的重要组成部分夜视技术得到迅猛发展。国内外同类课题研究现状及发展趋势: 国内外对此类课题都有相关的研究,国内外学者对光电子成像特别是对微光成像和红外热成像领域,取得了显著的科研成果。而在生物技术方面,外国学者对于相对平坦的培养细胞,病毒和蛋白质-DNA复合物的研究取得了极大的成果,为研究生物表面独特的敏感技术提供了支持。新世纪的光电子成像技术发展总趋势为向着高增益、高分辨力、低噪声、宽光谱响应、大动态范围、小型化、固体化方向前进。课题研究的主要内容和方法,研究
3、过程中的主要问题和解决办法:该课题主要从光电子成像的应用领域进行研究,通过研究归纳国内外对此方面有所研究的人的研究方法和成果,完成了此次论文。研究过程中,发现外国学者在光电子成像方面研究比较深入,相对来说,中国学者研究的较少,所以通过翻阅和查找大量的外国文献和书籍,来完成论文。课题研究起止时间和进度安排:3月7号3月13号确定论文题目3月14号3月27号查找相关文献3月28号4月3号写开题报告4月4号5月1号完成论文初稿5月2号5月20号在老师的意见下将论文进行修改并定稿课题研究所需主要设备、仪器及药品:无外出调研主要单位,访问学者姓名:无指导教师审查意见:该生对其论文题目光电子/光离子成像研
4、究认识基本清楚,并有针对性地收集了文献资料,这些文献资料内容较为详实。该生据此撰写了开题报告,其拟定的课题研究进度基本合理,同意开题。指导教师 (签字) 2011年 3 月 教研室(研究室)评审意见: _教研室(研究室)主任 (签字) 2011 年 3 月院(系)审查意见: _院(系)主任 (签字) 2011年 3 月学 士 学 位 论 文题 目 光电子/光离子成像研究学 生 王鸿梅指导教师 王丙星 讲师年 级 2007级专 业 化学系 别 化学系学 院 化学化工学院哈尔滨师范大学2011年5月 光电子/光离子成像研究王鸿梅摘要:综述了光电子/光离子成像技术原理和设计,光电子/光离子成像的发展
5、历史。介绍了光电子/光离子成像在多个领域的应用,并取得了惊人的发展,显示出极为辉煌的前景。 关键词:光电子成像;原理;发展;历史;应用光电子成像扩展了人眼的视觉,它一方面借助于图像的转换和增强以更有效地利用可见光或不可见的电磁辐射,克服眼睛作为辐射探测器的局限,另一方面借助于电视摄像并通过传输存储以及图像处理等手段克服眼睛在时间空间以及特征辩识上的局限,光电子成像器件均含有一个转换或增强入射辐射的光电发射体或探测器,其工作波段自射线紫外可见光直至红外并可设计在不同条件下工作,如强光或极低微光瞬时超高速摄影或长时间积累等,这样,人眼所见到的图像包含了肉眼所不能察觉或难以察觉的图像信息,由此可见光
6、电子成像技术克服了人眼在极低照度及有限光谱响应下的限制。1 光电子/光离子成像原理光电子成像是将入射电磁辐射进行转换和增强以取得可供观察、记录、传输、存储等技术和器件的泛称,光电子成像是以光子光电子作为信息载体研究图像转换、增强、接收、传输、处理、显示及存储等物理过程的一门综合性学科。2 光电子成像的发展历史光电子成像始于20世纪30年代,1926年电子透镜与1931年红外光阴极的发明揭开了光电子成像的序幕。1934年在德国第一只主动红外变像管问世。它利用光子-电子转换原理使银氧铯光阴极接受红外辐射,由光子转变为电子,再通过荧光屏使电子转换为光子得到人眼能察觉的图像,它在第二次世界大战和朝鲜战
7、争的夜战中得到了应用,但是,主动红外夜视有暴露自身目标的缺点,人们想到从二个方向发展,一是利用夜天自然微光,即研究被动微光夜视技术,像增强技术(微光摄像技术和光子计数技术)使微弱照度下的目标成为可见;另一是利用红外波段的两个大气窗口,利用物体本身的热辐射,研究被动红外热成像技术使热目标可见,但在20世纪四、五十年代,具体的技术途径是不清楚的。离子成像技术是80年代末由Chandler和Houston共同提出的,这种方法是在类似于飞行时间质谱仪的装置中,以位置敏感的微通道板作为探测器,在其后连接荧光屏和CCD 照相机。实验中用一束偏振方向与探测器表面平行的激光作为解离光,另外一束激光对解离产物进
8、行共振多光子选态电离,所产生的离子因其速度不同而在探测器上形成不同的二维分布图像。对于多数体系对该图像的分析可以得到离子的三维速度分布情况(包括碎片的空间角度分布)。事实上,对光解过程中矢量相关的研究是当初发展离子成像技术的动机之一。 3 光电子成像的应用领域对于20世纪发展起来的光电子成像技术微光成像技术、成像光子计数技术、红外热成像技术、微光摄像技术及生物表面独特的敏感技术,均取得了惊人的发展,为了在以后在光电子成像方面的更好研究,我们可以对这几方面的技术研究做一下回顾。3.1 直观微光成像技术微光成像利用夜间自然弱光或低照度下的反射辐射,通过光电-电光转换及增强措施,使景物转换为可见光图
9、像,人在白天自然光下有相当强的视觉探测能力,但在微光条件下,人眼视觉细胞的灵敏度分辨力响应速度均下降,通常,微光成像技术在输入端采用具有比人眼视觉高得多的量子效率,宽得多的光谱响应和快得多的响应速度的光敏面,并进行光电电光转换与增强,从而可提供足够的图像亮度供人眼观察或其它记录装置处理。 作为微光成像技术的一个重要部分,直视微光像增强技术的发展经历了三个发展历程,所谓,直视微光像增强技术是指景物的极微弱的辐射投射到成像器件的光敏面上,产生光电子或光生载流子,经过电子光学系统聚焦到荧光屏上,显示出被增强的人眼直接可视的图像,如像增强器等,主要用在夜视上。20世纪50年代中期,对可见光敏感的高灵敏
10、度三碱光阴极以及传输图像的纤维光学面板的出现,加上同心球电子光学系统,使60年代初诞生了以纤维光学面板作为输入、输出窗的三级级联耦合的像增强器,称为第一代微光像增强器(或称一代管),第一代微光像增强器于60年代在微光观察镜、瞄准镜,以及远距离夜间观察装置上应用。利用微通道板的像管称为第二代像增强器(二代管),它有二种聚焦形式:一是锐聚焦它类似通常的纤维光学输入、输出窗的单级一代管静电聚焦像管,但在像管的荧光屏前安置一微通道板,称为二代倒像管;二是近贴聚焦,微通道板被贴近放置在光阴极与荧光屏之间,荧光屏通常制在纤维光学面板或光纤扭像器上称为二代薄片管。从性能上比较,二代倒像管的像质要更好一些,但
11、二代薄片管更短、更小。与三级级联一代管相比,二代管的优点是体积小、长度仅是级联一代管的三分之一至五分之一,质量轻,畸变小,能防强光和自动亮度控制。因此,自问世以来发展很快,部分已取代三级级联一代管。第三代像增强器(三代管)是在二代薄片管的基础上,将多碱光阴极置换为负电子亲和势GaAs光阴极。第三代像增强器具有高灵敏度、高分辨力、宽光谱响应、高传递特性和长寿命等优点,故自20世纪80年代初不少技术发达国家竞相研制。到80年代中期,美国装备了三代管的航空驾驶员夜视成像系统(ANVIS)和AN/PVS7夜视眼镜,将三代管和夜视眼镜二代管比较,在夜间照度下,视距约提高50%。应该指出,制作三代管需要超
12、高真空技术、表面物理技术、大面积高质量的单晶和复杂的外延生长技术,难度是相当大的,因而像管的价格也相当昂贵。有没有可能在二代管的各部件如光阴极、微通道板、荧光屏以及结构上挖掘潜力、改进性能,从而大幅度提高二代管水平,增大观察视距呢?答案是肯定的。经过不断地努力,人们在二代光阴极的基础上,通过阴极薄膜生长光电流监控技术和测反射比法相结合制作光阴极,使二代管光阴极的灵敏度有大幅度提高。除了超二代管和三代管的光谱信噪比,减小噪声的途径,可以通过增大的开口面积比,提高电子首次撞击的二次发射系数以及撞击它的倍增过程的统计特性,开口面积比可以增大到80%以上。此外,在通道输入端涂上高二次发射系数的材料也可
13、以降低噪声因数。 在微光技术领域.预期不久GaAs光阴极的灵敏度将高达30003500A/lm且将会有灵敏度4000A/lm以上。光谱响应向1.5m以上波长扩展的NEA光阴极;孔径为2m的长寿命微通道板;新型的电子倍增器(特别是用硅材料)与高性能的靶面;高光器件的光谱响应向红外波段延伸是必然的趋势,所有这一切将使图像增强、低照度摄像和光子计数探测等技术跃上一个新的台阶。3.2 红外热成像技术 红外热成像技术实质上是一种波长转换技术,即把红外辐射能转换为可视图像的技术。它利用景物自身各部分辐射的差异获得图像的细节。通常采用两个波段,这是由大气透红外性质和目标自身辐射所决定的。这种热成像技术既克服
14、了主动红外夜视需要依靠人工热辐射,并由此产生容易自我暴露的缺点,又克服了被动微光夜视完全依赖于环境自然光和无光不能成像的缺点。红外热成像仪器和系统具有穿透烟、尘、雾、雪以及识别伪装的能力,不受战场上强光、眩光干扰而致盲,可以进行远距离、全天候观察。这些特点使它特别适合于军事应用。正因为如此,一些技术发达的国家,特别是美、英、法、俄等国竞相研究热成像技术,以巨大的物力、人力进行开发,发展十分迅速。红外热成像技术可分为两类:致冷和非致冷两种类型。制冷系统又分为第一代红外热成像系统、第二代红外热成像系统、第三代红外热成像系统。第一代红外热成像系统主要由红外探测器(含致冷器)、光机扫描器、信号处理电路
15、和视频显示器组成。红外探测器通常有铟锑和碲镉汞(CMT)器件,目前广泛发展的是高性能多元CMT探测器,器件元数已高达60元、120元和180元,多元CMT器件不但提高了探测度,还可以增大视场,提高分辨力和信噪比,并可在35或814两个大气窗口波段下工作。20世纪80年代初,一种新型红外探测器称为扫积型探测器问世它是由n条纵横比大于10:1的窄条光导CMT元件所组成,在高偏压下工作。扫积型探测器除了具有探测功能外,又能在元件内部实现信号的时间延迟和积分,从而取消了普通线列器件所需的后接信号处理电路,减少了元件引线数和热负载使红外系统简化紧凑。杜瓦瓶结构简单,工艺难度下降,大大地提高了可靠性,一个
16、8条扫积型探测器相当于120元CMT器件的性能,但只需8个信号通道。目前美国的热成像通用组件采用多元(60元,120元,180元)CMT 探测器并扫体制,图像清晰度可与像增强技术的图像相比,最小可分辨温差可达0.1K。 为了便于组织大量生产,降低热像仪成本,省去重复设计和研制的费用,便于维修、保养和培训,以便更有效地装备部队,美、英、法等国自20世纪70年代起制定了热成像的通用组件计划。这一计划的要点是:热成像的4个核心元件(即探测器、致冷器、扫描器和信号处理电路)标准化、模块化和通用化。而红外望远镜、监视器、控制器、附加电路、外形结构等则根据使用要求进行选择和设计,构成陆海空三军所需要的各种
17、热成像系统。很显然,推行通用组件计划是很科学的,它是发展热成像系统的方向,也是热成像技术发展到成熟阶段的产物。第二代红外热成像系统必须优于第一代通用组件所达到的水平:即更高的响应度、更高的分辨力、更大的视场、尺寸小、质量轻、可靠性好、能耗小、自动化程度更高,且应用范围更广,以适应未来战争中夜视观察、搜索跟踪、导弹寻的、光电对抗、卫星侦察的要求第二代红外热成像系统采用了位于光学系统的焦平面,具有nm元且带有信号处理的面阵探测器,即红外焦平面探测器列阵,它是借助于集成电路的方法将探测器装在同一块芯片上并具有信号处理的功能,并利用极少量引线把每个芯片上成千上万个探测器信号读出到信号处理器中,这种焦平
18、面列阵的优点是,既能在焦平面上封装高密度探测器又能在焦平面上进行信号处理。 红外焦平面列阵有二种工作方式:一种是扫描式,其列阵规模多在504100032元之间,前一数字表示分辨通道的数目,后一数字决定时间延迟和积分的次数;另一种是凝视式,其列阵规模在3232512512元之间。列阵中元数越多,能获得视场景物的分辩力就越高,目前红外焦平面凝视式列阵(称为第三代红外热成像器件)日趋成熟,除3232和6464元凝视式中波红外列阵外,512512元高密度CMT列阵已经问世。鉴于第一代热像仪太笨重,体积也大;而第二代、第三代用焦平面列阵的热像仪成本又太高,制造难度大,人们便从非致冷途径探讨热成像技术,试
19、图在轻型、低成本上有所突破。 非致冷热成像技术采用热(释)电探测器探测景物的热辐射,利用热(释)电探测器对红外辐射引起的温度变化敏感,而温度变化速度又与探测器某些电参量(如热释电电流)成正比,通过光电和电光转换成像。它的主要优点是可以在一般环境温度下工作,不需要致冷;缺点是灵敏度低和响应速度慢。目前,非致冷热成像有二种形式的探测器:一是用硫酸三甘肽等制成的热释电摄像管,最小可分辨温差为0.20.5K;另一种是采用多元焦平面阵列的热电探测器与固体多路电子传输器件组成的混合结构。与以CMT为基础的第一代热像仪相比,非致冷型热电探测器为基础的热像仪的鲜明优点是:室温下工作,不需要真空杜瓦瓶和高压气瓶
20、等低温致冷系统,不需要机械扫描装置,因而可以大大减轻系统的质量与功耗,降低成本,可靠性高。显然,在中等灵敏度和中等响应速度的场合,非致冷热电探测器的热像仪大有用武之地。目前,用多元焦平面列阵热电探测器制成的热像仪被称为第四代红外热成像的灵敏度与分辨力已达到第一代前视红外热像仪的水平,如美国德克萨斯仪器公司采用室温工作的2万元列阵钛酸锶钡热电探测器研制的近程热瞄准具(例如:用阴极射线管显示),质量为1.60kg(若用液晶显示质量为1.35kg)。由此可见,非致冷热成像技术的前景是十分喜人的。 应该指出,在被动红外领域红外热成像原是作为夜视系统的一个扩展领域而进行研究的,期望它能为图像转换提供一条
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