第6章+真空成像器件

1、第六章 真空成像器件 主讲人：许鹏 光电成光电成 像器件像器件 真空成真空成 像器件像器件 固体成像器件固体成像器件 像管像管 变像管变像管 像增强管像增强管 摄像管摄像管 光电发射型像管（摄像管）光电发射型像管（摄像管） 光电导型像管（视像管）光电导型像管（视像管） 无存储无存储 直视直视不可见光不可见光可见光可见光 弱光弱光强光强光 有存储有存储 非直视非直视 6.1 像管像管 变像管：变像管：能把能把各种各种不可见光不可见光辐射辐射图像变为可见光图像图像变为可见光图像的真空光电成像器件的真空光电成像器件 图像增强管：图像增强管：把把微弱的辐射图像增强到人眼可直接观察到的真空光电成像器件微

2、弱的辐射图像增强到人眼可直接观察到的真空光电成像器件 6.1.1 像管结构和工作原理像管结构和工作原理 能把一些辐射图像或能把一些辐射图像或亮度低的亮度低的 图像转图像转换成换成电子图像电子图像。 常用的光电阴极有：常用的光电阴极有： 银氧银氧铯铯光电阴极、单碱光电阴极、单碱和和多碱光电阴极、各种紫外光电阴极及多碱光电阴极、各种紫外光电阴极及 负电子亲合势负电子亲合势（NEA）光电阴极光电阴极。 非聚焦型（近贴式像管）：非聚焦型（近贴式像管）： 光电阴极光电阴极 萤光面萤光面 分辨率低分辨率低 电子光学系统对电子施加很强电场，使电子获得能量， 因而能将光电阴极发出的电子束加速并聚焦成像在荧光

3、屏上；从而实现图像亮度的增强，使荧光屏发射出强得 多的光能。它有两种形式： 聚焦型：聚焦型： 电磁聚焦型像管中电子的运动电磁聚焦型像管中电子的运动 线圈线圈 设渡越时间为设渡越时间为:t 电子运动一圈的时间电子运动一圈的时间 为：为： T t=nT 在高速电子的轰击下将电子在高速电子的轰击下将电子 图像转化图像转化成成可见光图像可见光图像 一般要求荧光屏不仅具有一般要求荧光屏不仅具有 高的转换效率，而且屏的发高的转换效率，而且屏的发 射光谱要同人眼或与之耦合射光谱要同人眼或与之耦合 的级的光电阴极的吸收光谱的级的光电阴极的吸收光谱 一致。一致。 6.1.2 像管的特性参数像管的特性参数 光谱响

4、应特性：光谱响应特性：由光电阴极决定由光电阴极决定。 光谱匹配：光谱匹配：指像管的指像管的光源与光电阴极光源与光电阴极、光电阴极与荧光、光电阴极与荧光 屏、屏、荧光屏与人眼视觉函数荧光屏与人眼视觉函数的光谱分布匹配。的光谱分布匹配。 亮度增益是亮度增益是荧光屏荧光屏的光亮度的光亮度Ba与入射到光电阴极与入射到光电阴极面面上的照度上的照度Ek之比：之比： 单级图像增强单级图像增强 管的增益为管的增益为 a K KB A A USGa B G k E Ba 荧光屏的荧光屏的 发光效率发光效率 光电阴极对光电阴极对 光源的积分光源的积分 灵敏度灵敏度 像管像管阳极电压阳极电压 光电子透光电子透 过系

5、数过系数 光电光电阴极面积阴极面积 荧光屏的荧光屏的面积面积 等效背景照度：等效背景照度：产生与暗背景相同产生与暗背景相同 辐射出射度辐射出射度时入射辐射照度值时入射辐射照度值。 暗背景：暗背景：无光照射无光照射时加上工作电时加上工作电 压荧光屏上仍然有一定的亮度，压荧光屏上仍然有一定的亮度， 称为暗背景称为暗背景。 B b G B EBI 所谓分辨率是指当标准测试板通过像管后，在荧光屏的每毫所谓分辨率是指当标准测试板通过像管后，在荧光屏的每毫 米长度上用目测法能分辨开的黑白相间等宽距条纹的对数，单位米长度上用目测法能分辨开的黑白相间等宽距条纹的对数，单位 是每毫米对数，记为是每毫米对数，记为

6、lp/mm。 暗背景亮度暗背景亮度 6.2 常见像管常见像管 6.2.1 常见变像管常见变像管 光电阴极多为光电阴极多为S-I (Ag-O-Cs) 阴极，可使波长小于阴极，可使波长小于1.15m的红的红 外光变成光电子外光变成光电子。对于。对于波长大于波长大于1.15m的红外光的红外光，采用负电，采用负电 子亲和势光电阴极。子亲和势光电阴极。 窗口材料为石英材料，光电窗口材料为石英材料，光电发射材料发射材料为为S-2（Sb-Cs）阴极，可阴极，可 以使波长大于以使波长大于200nm的紫外光变成光电子的紫外光变成光电子。 通过使选通式变像管的工作周期与光源的调制周期一样，同通过使选通式变像管的工

7、作周期与光源的调制周期一样，同 步工作，便可提高图像的对比度和图像质量。步工作，便可提高图像的对比度和图像质量。 6.2.2 常见像增强管常见像增强管 第一、第一、每个单每个单级级变像管的输入变像管的输入 输出都输出都是用光纤面板制成是用光纤面板制成 第二、第二、注意荧光屏和后级光电注意荧光屏和后级光电 阴极的光谱匹配，最后一级荧阴极的光谱匹配，最后一级荧 光屏的发射光谱特性要与人眼光屏的发射光谱特性要与人眼 视觉相吻合视觉相吻合 (第一代第一代) 对于对于三级级联像增强三级级联像增强 器，若单级分辨率器，若单级分辨率 50lp/mm，则三级，则三级 可达可达30-38lp/mm， 亮度增益可

8、达亮度增益可达105 双双 近近 贴贴 式式 这种管子体积小、重这种管子体积小、重 量轻、使用方便，但量轻、使用方便，但 像质和分辨率较差像质和分辨率较差 倒倒 像像 式式 电子经过聚焦后又进入电子经过聚焦后又进入 微通道板，所以像质和微通道板，所以像质和 分辨率比较高分辨率比较高，还有自，还有自 动防强光的优点。动防强光的优点。 第二代像增强第二代像增强器的器的微通道板微通道板结构配以结构配以负电子亲合势光电阴极负电子亲合势光电阴极 构成第三代像增强管，这种像增强管能同时起到光谱变换和构成第三代像增强管，这种像增强管能同时起到光谱变换和 微光增强的作用，因而可以做到一机二用。微光增强的作用，

9、因而可以做到一机二用。 将不可见的将不可见的X射线射线 图像转变为可见光图像转变为可见光 图像，并进一步的图像，并进一步的 增强，增强， 常用于医疗诊断和常用于医疗诊断和 工业探伤工业探伤 6.2.3* 特殊变像管特殊变像管 1、图像放大管、图像放大管 2、多功能像增强管、多功能像增强管 3、位置敏感传感器像管、位置敏感传感器像管 4、装有光电导靶的反射式变像管、装有光电导靶的反射式变像管 6.3 摄像管摄像管 6.3.1 摄像管的作用及分类摄像管的作用及分类 1.摄像管的作用：摄像管的作用：将空间光强分布的光学图像记录并转换成视将空间光强分布的光学图像记录并转换成视 频信号的成像装置频信号的

10、成像装置 -利用外光电效应进行光电转换利用外光电效应进行光电转换1）光电发射型摄像管）光电发射型摄像管（摄像管）（摄像管） 2.分类分类 有移像区有移像区 2）光电导型摄像管（视像管）光电导型摄像管（视像管） -利用利用内光电效应内光电效应进行光电转换进行光电转换 无移像区无移像区 两者的两者的不同不同之处之处: 前者有移像区前者有移像区, 后者无后者无 光电阴极光电阴极 电子光学系统电子光学系统 移移 像像 区区 两者的两者的相同相同之处：都有扫描区，也称为电子枪。电子枪之处：都有扫描区，也称为电子枪。电子枪 主要包括：主要包括：灯丝灯丝、热阴极热阴极、控制栅极控制栅极等等。作用是产生等等。

11、作用是产生 热电子，并使它聚集成很细的电子射线，按着一定轨迹热电子，并使它聚集成很细的电子射线，按着一定轨迹 扫描靶面。扫描靶面。 6.3.2 摄像管的结构摄像管的结构和工作原理和工作原理 摄像管具有摄像管具有3个基本功能：光电变换、光电信息的累计、个基本功能：光电变换、光电信息的累计、 存储及扫描输出。存储及扫描输出。 1.视视像管像管 视像管由光电导和电子束扫描区构成，如图所示视像管由光电导和电子束扫描区构成，如图所示 视像管按光导靶的结构又可分为光电导（注入型）和视像管按光导靶的结构又可分为光电导（注入型）和 PN（阻挡）结型两种。（阻挡）结型两种。 2.摄摄像管像管 光电发射型摄像管包

12、括光电阴极、移像区、存储靶和光电发射型摄像管包括光电阴极、移像区、存储靶和 电子束扫描区电子束扫描区4部分。如图所示部分。如图所示 移像区包括光电阴极和电子光学系统，其作用是使光移像区包括光电阴极和电子光学系统，其作用是使光 电阴极产生的光电子在运动过程中获得能量而加速，以便电阴极产生的光电子在运动过程中获得能量而加速，以便 在靶上产生更多的电荷，提高摄像管的响应率。在靶上产生更多的电荷，提高摄像管的响应率。 摄像管的工作原理是：先将输入的光学图像转换成电摄像管的工作原理是：先将输入的光学图像转换成电 荷图像，然后通过电荷的积累和储存构成电位图像，最后荷图像，然后通过电荷的积累和储存构成电位图

13、像，最后 通过电子束扫描把电位图像读出，形成视频信号输出。通过电子束扫描把电位图像读出，形成视频信号输出。 6.4 光导靶和存储靶光导靶和存储靶 摄像管的关键器件是靶，视像管和光电发射型摄像管的靶的作用不同，摄像管的关键器件是靶，视像管和光电发射型摄像管的靶的作用不同， 结构也不同结构也不同 。 视像管的靶是视像管的靶是光电导靶光电导靶，靶的厚度约几微米到，靶的厚度约几微米到2020微米。微米。 视像管靶的视像管靶的主要作用主要作用是完成光学图像的光电转换和信号电荷的积累是完成光学图像的光电转换和信号电荷的积累 和存储，适合视像管靶的材料必须具有电荷的存储功能，要求靶上每个和存储，适合视像管靶

14、的材料必须具有电荷的存储功能，要求靶上每个 像素的驰豫时间远大于储存时间。像素的驰豫时间远大于储存时间。 6.4.1.6.4.1.视像管靶视像管靶 目前生产的视像管大都采用阻挡型靶，由于目前生产的视像管大都采用阻挡型靶，由于PNPN结的存在，降低了暗电结的存在，降低了暗电 流，使靶的性能有所改进而获得广泛应用。流，使靶的性能有所改进而获得广泛应用。 硅靶硅靶 氧化铅靶氧化铅靶 异质结靶异质结靶 硒化镉（硒化镉（CdSeCdSe）靶）靶 硒砷碲（硒砷碲（SeAsTeSeAsTe）靶）靶 碲化锌镉（碲化锌镉（ZnCdTeZnCdTe）靶）靶 阻挡型靶阻挡型靶 N 信号板信号板 硅靶结构图硅靶结构图

15、 硅靶窗口玻璃内表面涂有一层很薄的 既可透光也可导电的金属膜，在它上面接 有引线可同负载相连，称为信号板。挨着 信号板的是一块N型硅片（硅靶）。硅片 朝着电子枪一边的表面，先生成一层氧化 层（SiO2），接着利用光刻技术在SiO2上 光刻成几十万个小孔，再通过掺杂使每个 小孔都变成P-Si。这样，许多个小的P-Si被 SiO2隔离，故称为P型岛。每个P型岛与N 型衬底之间即形成一个PN结（光电二极 管）。最后再在SiO2和P型岛表面上蒸涂上 一层电阻率适当的材料，通常称为电阻海。 硅靶具有光谱响应范围宽、量子效率 高、抗烧伤能力强等优点。 I N P SnO2 RL 光光 a）硒化镉）硒化镉

16、（CdSe）靶）靶 b）硒砷碲）硒砷碲 （SeAsTe）靶）靶 c）碲化锌镉）碲化锌镉 （ZnCdTe）靶）靶 像元连续，像元连续， 分辨率高分辨率高 光谱响应范围宽，动态范围光谱响应范围宽，动态范围 大，信号电流大，暗电流小，大，信号电流大，暗电流小， 分辨率高，惰性小分辨率高，惰性小 X值小，灵敏度高，暗值小，灵敏度高，暗 电流增大，光谱特性峰电流增大，光谱特性峰 值波长向长波方向移动值波长向长波方向移动 氧化铅的结构和工作过程氧化铅的结构和工作过程 都与硅靶类似。不同的是都与硅靶类似。不同的是 它由它由PbO材料制成的。材料制成的。 6.4.2 光电发射型摄像管靶光电发射型摄像管靶-存储

17、靶存储靶 SEC靶有三层结构。第一层靶有三层结构。第一层 是是Al2O3膜，起机械支撑作用，膜，起机械支撑作用， 厚厚5070nm；第二层是铝膜，；第二层是铝膜， 厚厚50nm，起信号板作用，通过，起信号板作用，通过 负载电阻和靶电源的正极相接；负载电阻和靶电源的正极相接； 第三层是疏松的第三层是疏松的KCl，其密度，其密度 只有固体只有固体KCl的的1%2%。厚。厚 1520m。 特点：响应率高，改变特点：响应率高，改变光电子光电子加速电压的大小加速电压的大小，可得到可得到 80200倍的增益，但极限分辨率稍低倍的增益，但极限分辨率稍低，约为约为600TVL。 N 硅靶结构图硅靶结构图 电电

18、 子子 增强硅靶灵敏度比硅靶灵敏增强硅靶灵敏度比硅靶灵敏 度大两个数量级，靶不易烧度大两个数量级，靶不易烧 伤，寿命长。伤，寿命长。 AL 光光电子电子轰击硅靶轰击硅靶电子空穴对电子空穴对 光电阴极光电阴极 6.5 摄像管的特性参数摄像管的特性参数 6.5.1 摄像管的特性参数摄像管的特性参数 K1为常数，为常数，称为摄像管的光电转换特性，称为摄像管的光电转换特性， 表征的是摄像管的图像灰度（色调）传递表征的是摄像管的图像灰度（色调）传递 的性能。的性能。 一般一般1 EKu 1 lmA I S S /10 6 u 表示在一定光通量表示在一定光通量照射时摄像照射时摄像 管输出信号电流管输出信号

19、电流Is的大小。的大小。 黑白条纹总合为黑白条纹总合为N（垂直分辨力）：（垂直分辨力）：TVL/H （1）极限分辨）极限分辨率率 极限分辨率：极限分辨率： 则黑白条纹对数为则黑白条纹对数为: h 2 N h N 2 （2）调制传递函数）调制传递函数（MTF） BA BA M f 调制度传递函数曲线调制度传递函数曲线 MTF（%） %100 i o M M MTF 表示能够分辨图像中明暗细节的能力 M-调制度调制度 A-光信息最大值光信息最大值 B-光信息最小值光信息最小值 产生惰性的原因产生惰性的原因： 一是：光电导惰性一是：光电导惰性 二是：电容性惰性，由二是：电容性惰性，由RbC决定决定 摄像管的惰性是指输出信号的变化相对于照度的变化有一定的滞后。摄像管的惰性是指输出信号的变化相对于照度的变化有一定的滞后。 惰性会引起图像模糊，或彩色拖尾等问题惰性会引起图像模糊，或彩色拖尾等问题。 暗电流暗电流- PN结摄像管：暗电流很小结摄像管：暗电流很小 光电发射摄像管：光电阴