第五章光电成像器件

1、第五章光电成像器件 第五章第五章 光电成像器件光电成像器件 5.1 5.1 像管定义分类及功能像管定义分类及功能 5.2 5.2 像管的工作原理与结构像管的工作原理与结构 5.3 5.3 像管的主要特性分析像管的主要特性分析 5.4 5.4 变像管变像管 5.5 5.5 像增强器像增强器 5.6 5.6 摄像管摄像管 第五章光电成像器件 5.1 像管的定义分类及功能像管的定义分类及功能 不可见光图像不可见光图像 微弱光图像微弱光图像 可见光图像可见光图像 1、概念、概念 光电子成像器件光电子成像器件 第五章光电成像器件 光电成像器件光电成像器件 真空成像真空成像 器件器件 固体成像固体成像 器

2、件器件 像管像管 摄像管摄像管 变像管变像管 像增强器（微光管）像增强器（微光管） 光电发射型摄像管光电发射型摄像管 光电导型摄像管光电导型摄像管 （摄像管）（摄像管） （视像管）（视像管） 2.分类：分类： 第五章光电成像器件 变换光谱变换光谱 增强亮度增强亮度 光学成像光学成像 3.功能：功能： 第五章光电成像器件 5.2 像管的结构与工作原理像管的结构与工作原理 结构：结构： 第五章光电成像器件 光电阴极（光电变换部分）光电阴极（光电变换部分） 常用的有常用的有4 4种：种： Ag-O-CsAg-O-Cs光电阴极、光电阴极、 单碱和多碱光电阴极、单碱和多碱光电阴极、 各种紫外光电阴极、各

3、种紫外光电阴极、 NEANEA光电阴极光电阴极 不可见光图像不可见光图像 微弱光图像微弱光图像 电子图像电子图像 第五章光电成像器件 电子图像的能量电子图像的能量 电子光学系统电子光学系统 （电子透镜）（电子透镜） 增增 强强 聚焦成像聚焦成像 非非 聚聚 焦焦 型型 聚聚 焦焦 型型 复复 合合 型型 第五章光电成像器件 荧光屏（电光变换部分）荧光屏（电光变换部分） 能量增强的电子图像能量增强的电子图像 可见光学图像可见光学图像 第五章光电成像器件 5.3 像管主要特性分析像管主要特性分析 第五章光电成像器件 1、光电转换特性及参数、光电转换特性及参数 1.1光谱响应特性光谱响应特性 像管的

4、光谱匹配：像管的光谱匹配： 光电阴极、光电阴极、 光电阴极与荧光屏、光电阴极与荧光屏、 荧光屏与人眼视见函数荧光屏与人眼视见函数 像管的光源像管的光源 第五章光电成像器件 定义为：定义为： 光电阴极的光谱响应率函数；光电阴极的光谱响应率函数； 荧光屏的发光光谱分布。荧光屏的发光光谱分布。 总是小于总是小于1 1， 越大，说明匹配的越合理越大，说明匹配的越合理 d dS )( )()( 0 0 )(S )( 光谱匹配系数，用光谱匹配系数，用 表示。表示。 第五章光电成像器件 常用光电阴极和光源的常用光电阴极和光源的值值 0.4610.4610.0710.071 0 0 0.2010.201 0.

5、7070.707 0.6260.626 0.2270.227 0.01790.0179 0.9530.953 0.7820.782 0.8680.868 0.1120.112 0.8770.877 0.5830.583 0.7220.722 0.060.06 0.9140.914 0.4270.427 0.6980.698 0.5160.516 0.2730.273 0.2170.217 0.3950.395 0.2760.276 标准光源标准光源 标准红外光源标准红外光源 荧光屏荧光屏 荧光屏荧光屏 荧光屏荧光屏 0 00.01770.01770.270.27标准红外光源标准红外光源 0.2

6、70.270.540.540.370.37满月光满月光 0.240.240.0450.0450.1340.1340.06470.0647晴朗星光晴朗星光暗绿色漆暗绿色漆 反射的辐反射的辐 射射 0 00.05390.05390.2690.269标准红外光源标准红外光源 0.0880.0880.270.270.130.13满月光满月光 0.1590.1590.0080.0080.06310.06310.01480.0148晴朗星光晴朗星光绿色草木绿色草木 反射的辐反射的辐 射射 光适应眼光适应眼光阴极光阴极 光源光源 1S11S20S25SNEA 第五章光电成像器件 1.2像管的增益特性像管的增

7、益特性 像管输出亮度的大小像管输出亮度的大小, ,在入射照度一定时在入射照度一定时, , 由亮度增益所决定。由亮度增益所决定。 亮度增益亮度增益 定义：定义： 像管输出亮度像管输出亮度L与光电阴极面入射照度与光电阴极面入射照度E之比之比 的的 倍倍 ，用，用GL表示表示 E M E L GL 第五章光电成像器件 辐射亮度增益辐射亮度增益 辐射亮度增益用辐射亮度增益用 表示，其定义为表示，其定义为 Le G ee Le E M E L G 亮度增益与辐射亮度增益亮度增益与辐射亮度增益KGG LLe K：光源：光源光视效能光视效能 421.3421.347647614014059.259.25.4

8、55.4519.919.913013047.847.8 荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏 满月光下满月光下 的绿色草的绿色草 木木 晴星下的晴星下的 绿色草木绿色草木 标准红外标准红外 光源下的光源下的 绿色草木绿色草木 标准标准 红外红外 光源光源 2856K2856K 标准标准 光源光源 光源光源 光视效光视效 能能 第五章光电成像器件 2、光学特性、光学特性 定量描述图像失真程度的性能指标。定量描述图像失真程度的性能指标。 反映像管成像质量的一个重要参数。反映像管成像质量的一个重要参数。 定义：用荧光屏上每毫米所能分开的黑白定义：用荧光屏上每毫米所能分开的黑白 线对数的多少。线对数的

9、多少。 单位为单位为lplpmmmm。 2.1分辨率分辨率 第五章光电成像器件 测试方法：测试方法： 标准测试图案聚焦在光电阴极表面，用目视方标准测试图案聚焦在光电阴极表面，用目视方 法观察荧光屏上的图像，然后确定该系统的分法观察荧光屏上的图像，然后确定该系统的分 辨率大小。辨率大小。 第五章光电成像器件 定义：定义： 当有一圆形辐射图案投射在光电阴极表面上时，在荧当有一圆形辐射图案投射在光电阴极表面上时，在荧 光屏上显示的图像直径与输入图案直径之比。用光屏上显示的图像直径与输入图案直径之比。用m表表 示。示。 c s d d m 习惯上常用光电阴极及荧光屏的有效习惯上常用光电阴极及荧光屏的有

10、效 面积来表示。面积来表示。 2.2线放大率线放大率 第五章光电成像器件 如果图案刚好充满光电阴极有效面积，输出图象也刚如果图案刚好充满光电阴极有效面积，输出图象也刚 好充满荧光屏有效面积，则好充满荧光屏有效面积，则 c s c s A A d d m 2 2 2 c s A A m 第五章光电成像器件 畸变的定义为畸变的定义为: : mc：中心放大率，：中心放大率，me：边缘放大率。：边缘放大率。 通常取光电阴极有效直径的通常取光电阴极有效直径的70%70%80%80%处的畸变值处的畸变值 表示器件的特性。表示器件的特性。 %)(1001 c e m m m D 2.3畸变畸变 第五章光电成

11、像器件 2.4光传递特性光传递特性 输出亮度随入射照度的变化关系。输出亮度随入射照度的变化关系。 当入射照度过高时，输出和输入不再保持线性关系。当入射照度过高时，输出和输入不再保持线性关系。 输出趋于饱和，原因：输出趋于饱和，原因： 1.1.光电发射能力有限；光电发射能力有限； 2.2.光电子空间电荷效应；光电子空间电荷效应； 3.3.荧光屏发光能力有限。荧光屏发光能力有限。 第五章光电成像器件 2.5背景特性背景特性 （1）暗背景）暗背景 概念：无光照时概念：无光照时, ,像管的输出像管的输出 亮度。亮度。 产生原因：产生原因： 光电阴极热电子发射光电阴极热电子发射 局部场强产生的电子发射局

12、部场强产生的电子发射 正电极上的二次电子发射正电极上的二次电子发射 措施：措施： 降低阴极温度降低阴极温度 减少电极污染减少电极污染 第五章光电成像器件 暗背景度量：暗背景度量： 可以用等效背景照度来度量。可以用等效背景照度来度量。 当像管受微弱光照时，在荧光屏上产生同暗背当像管受微弱光照时，在荧光屏上产生同暗背 景相等的亮度时，光电阴极面上所需的输入照景相等的亮度时，光电阴极面上所需的输入照 度值。度值。 0 eq L L E G 暗背景亮暗背景亮 度值度值 第五章光电成像器件 （2） 信号感生背景信号感生背景 概念：因入射信号的影响而产生的背景。概念：因入射信号的影响而产生的背景。 产生原

13、因：产生原因： 信号增强时，阴极透射光、管内散射信号增强时，阴极透射光、管内散射 光、光反馈、电子反馈等的增强。光、光反馈、电子反馈等的增强。 别处亮度别处亮度 某处亮度某处亮度 的变化的变化 第五章光电成像器件 5.4 变像管变像管 红外辐射图像红外辐射图像 紫外辐射图像紫外辐射图像 可见光图像可见光图像 光谱变换光谱变换 光学成像光学成像 主要功能主要功能 第五章光电成像器件 第五章光电成像器件 工作原理工作原理 红外辐射图像被光学物镜成像后位于光电阴红外辐射图像被光学物镜成像后位于光电阴 极的前方，该辐射图像相当于对光电阴极有一辐极的前方，该辐射图像相当于对光电阴极有一辐 射通量，光电阴

14、极将其变成与其亮度成正比的电射通量，光电阴极将其变成与其亮度成正比的电 子图像，经静电聚焦后轰击荧光屏，形成可见光子图像，经静电聚焦后轰击荧光屏，形成可见光 图像。图像。 红外变像管红外变像管 第五章光电成像器件 特点特点 光电阴极多为光电阴极多为Ag-O-CsAg-O-Cs阴极；阴极； 它可以使波长小于它可以使波长小于1.15m1.15m的红外光变成光电的红外光变成光电 子。子。 对于波长大于对于波长大于1.15m1.15m的红外光，采用负电子的红外光，采用负电子 亲和势阴极。亲和势阴极。 第五章光电成像器件 将光电阴极及荧光屏连同光纤面板一起制成球面将光电阴极及荧光屏连同光纤面板一起制成球

15、面 型，使聚焦面与荧光屏重合，从而改善了像质。型，使聚焦面与荧光屏重合，从而改善了像质。 荧光屏上的像借助于平凹形的光纤平板展开成平荧光屏上的像借助于平凹形的光纤平板展开成平 面像。面像。 光纤面板变像管光纤面板变像管 第五章光电成像器件 5.5 像增强器像增强器 功能：功能： 增强微弱光图像的亮度，使其便增强微弱光图像的亮度，使其便 于观察。于观察。 但该微弱光图像仍属于可见光范但该微弱光图像仍属于可见光范 围，只是发光强度较弱。围，只是发光强度较弱。 增强亮度增强亮度 光学成像光学成像 主要功能主要功能 第五章光电成像器件 第一代微光像增强器第一代微光像增强器 为了增强图像的亮度，将完全相

16、同的多个单级为了增强图像的亮度，将完全相同的多个单级 像增强器耦合起来，使亮度逐级增益。像增强器耦合起来，使亮度逐级增益。3 3级串级串 联的图像增强管，亮度增益可达联的图像增强管，亮度增益可达10105 5。 需要注意光谱匹配问题。需要注意光谱匹配问题。 第五章光电成像器件 第五章光电成像器件 微通道板微通道板-MCP (Micro Channel Plate)-MCP (Micro Channel Plate)是利用电是利用电 子在通道内的二次倍增来实现增强亮度的子在通道内的二次倍增来实现增强亮度的, ,具有传输、具有传输、 增强电子图像功能的电子倍增器增强电子图像功能的电子倍增器 。 第

17、二代微光像增强器第二代微光像增强器 微通道板像增强器微通道板像增强器 特性特性 第五章光电成像器件 当光电面发射的电子进入当光电面发射的电子进入MCP后后 ，MCP两端加上高两端加上高 的直流电压的直流电压（约数千伏）后，在每个微管道内即形成（约数千伏）后，在每个微管道内即形成 极强的电场。在强电场作用下经过和管壁的多次碰撞，极强的电场。在强电场作用下经过和管壁的多次碰撞， 而得到电子倍增。而得到电子倍增。 一般直流电压为一般直流电压为10kV的微通道板，的微通道板， 可得到可得到105106的电子增益。的电子增益。 工作原理工作原理 第五章光电成像器件 体积小，重量轻，整管长度和重量约为一代

18、体积小，重量轻，整管长度和重量约为一代 级联管的二分之一；级联管的二分之一； (2)亮度便于调节；亮度便于调节； (3) 减少了荧光屏的光反馈；减少了荧光屏的光反馈； (4)整管电压较低整管电压较低 微通道板像增强器的优缺点微通道板像增强器的优缺点 其突出的是：其突出的是： 噪声大，主要是的附加噪声；噪声大，主要是的附加噪声； 图像不够均匀；图像不够均匀； 工艺难度大，主要是的制作以及后续工序工艺难度大，主要是的制作以及后续工序 对对MCP有影响。有影响。 缺点缺点 第五章光电成像器件 第三代像增强器第三代像增强器 第二代象增强器的微通道板结构配以负电子亲第二代象增强器的微通道板结构配以负电子

19、亲 和势光电阴极，构成第三代像增强器。和势光电阴极，构成第三代像增强器。 第三代像管具有高增益、低噪声、较高的图像第三代像管具有高增益、低噪声、较高的图像 分辨力的优点，成为目前性能最优越的直视型分辨力的优点，成为目前性能最优越的直视型 光电成像器件。光电成像器件。 第五章光电成像器件 WGS15-1 型手持微光夜视仪型手持微光夜视仪 第五章光电成像器件 WGS15-1 型手持微光夜视仪型手持微光夜视仪 主要特点：该夜视仪是以微光像增强器为核心携带方 便的一代手持微光夜视仪，该夜视仪配有IR助视灯，视 场大、体积小、重量轻、使用方便。 用途：用于夜间和低照度下进行观察。在公安侦破、 边防守卫、

20、海关及科学研究等方面均可广泛运用。 主要性能： 物镜孔径： 48毫米 放大倍率： 1.8倍 物方视场： 17 调焦范围： 5米无穷远 视度范围： 5屈光度 出瞳直径： 7毫米 分辨力： 2.8毫弧度 工作电压： 3伏直流（采用标 准5号电池） 像增强器： 一代像增强器（XX1490） 尺寸： 192（L）66（W）88（H） 质量： 0.7公斤 第五章光电成像器件 第五章光电成像器件 WGS40-1型双目观察夜视仪型双目观察夜视仪 主要特点：该夜视仪可手持、或配置三角架使用， 选用高性能二代像增强器，体积小、重量轻、性能优 良。 适用范围：主要适合于军事、准军事部门远距离侦 察、跟踪、监视，还

21、可粗略测距。 主要性能： 放大倍率： 1倍 物方视场： 38 调焦范围： 250mm无穷远 分辨力： 0.9毫弧度 视度范围： -5+2屈光度 出瞳直径： 7毫米 工作电压： 3伏直流（采用标准5号电池） 像增强器： 高性能二代像增强器（1XZ18/18WHS-2） 第五章光电成像器件 5.6 摄像管摄像管 第五章光电成像器件 第五章光电成像器件 第五章光电成像器件 第五章光电成像器件 摄像管摄像管是电视摄像机中将光学图像转换为电 信号的一种电真空器件电真空器件，是整个电视发送系整个电视发送系 统中的第一个部件。统中的第一个部件。摄像管性能的优劣，对 整个电视系统的质量关系极大。 摄像管的基本

22、任务基本任务是把输入的光学图像信息 转换成适合于处理和传递的时间序列的一维 电信号。而视频信号能再现入射的光图像信 号。 第五章光电成像器件 第五章光电成像器件 2、分类 1、组成与作用 3、光电发射型摄像管的应用 3、 4、光电导型摄像管 的应用 第五章光电成像器件 一、摄像管的分类一、摄像管的分类 1、按电荷积累方式分类 光电导型：内光电变换型，内光电变换型，没有移像部分， 视像管视像管 光电发射型：外光电变换型，外光电变换型，有移像部分 第五章光电成像器件 第五章光电成像器件 二、摄像管的基本组成和作用 写入、存贮：输入的光学图像照射在靶面上写入、存贮：输入的光学图像照射在靶面上 产生电

23、荷产生电荷(电位电位)图像并存储；图像并存储； 阅读、抹除：扫描电子束从靶面上取出视频阅读、抹除：扫描电子束从靶面上取出视频 信号。信号。 a)光电导式摄像管 b)光电发射式摄像管 第五章光电成像器件 三、光电导式摄像管（视像管）三、光电导式摄像管（视像管） 第五章光电成像器件 完成光电变换与 信号存储 第五章光电成像器件 视频信号输出 第五章光电成像器件 2、分类 靶面结构 无结型： 结型： 第五章光电成像器件 3、 光窗：玻璃窗口 3.1组成 第五章光电成像器件 信号板： 第五章光电成像器件 光刻产生 电阻海 第五章光电成像器件 3.2工作原理 工作时，信号板通过引线、负载电阻与靶电源的

24、正极相连。热阴极接地。 第五章光电成像器件 PN 第五章光电成像器件 第五章光电成像器件 第五章光电成像器件 电子束逐行扫描轨迹 （3）扫描方式）扫描方式 逐行扫描与隔行扫描 第五章光电成像器件 （a）奇数场（b）偶数场 隔行扫描的一帧 电子束轨迹 第五章光电成像器件 隔行扫描重现图像示意图 第五章光电成像器件 第五章光电成像器件 4、光电导型摄像管的应用 第五章光电成像器件 1、组成与作用 由移像区与扫描区组成，适于 第五章光电成像器件 光电阴极： 靶： 扫描区（电子枪）：视频信号输出 光窗 第五章光电成像器件 2、二次电子导电摄像管（、二次电子导电摄像管（SEC） 2.1结构 第五章光电成

25、像器件 2.2工作原理 （1）光电变换 光学图像投射到光电阴极上，产生相应的光 电子发射，在电子光学系统的加速聚焦作用 下，使它打到SEC靶上，产生二次电子发射。 （2）电子图像存储 在靶的扫描面即形成与之对应的电势起伏， 从而使光电阴极上的光学图像转移到SEC靶， 变为靶扫描面上的电势分布图像。 靶的二次电子发射系数越大，移像后靶上的电 势起伏也就越大。 第五章光电成像器件 （3）视频信号输出 （4）总结 第五章光电成像器件 3、光电发射型摄像管的应用 第五章光电成像器件 )lx/A( E I R 一、摄像管的灵敏度一、摄像管的灵敏度 定义：输出信号电流与输入光通量定义：输出信号电流与输入光通量(或照度或照度)的的 比值。其单位为比值。其单位为 Alm或或 A1x。 )lm/A( I R 第五章光电成像器件 二、光电特性 Is kEIs 第五章光电成像器件 灰度等级：按照一定标准划分的亮度等 级。表明亮度的明暗程度。也称色阶或 灰阶。 第五章光电成像器件 三、分辨率三、分辨率 摄像管的分辨率是指摄象管对于光学图像细节 的鉴别能力。有两种表达方式，即极限分辨率 和调制传递函数。 1、极限分辨率定义 用每毫米所能分辩的最多黑白条线对数表示 （lp/mm) 在接收图像的高度、宽度范围内所能分辩的等 宽黑白条数表示 摄像管习惯用