第三章 直视型电真空成像原理

1、直视型电真空成像原理直视型电真空成像原理 像管实现图像的电磁波谱转换和亮像管实现图像的电磁波谱转换和亮 度增强是通过三个环节来完成的度增强是通过三个环节来完成的: l首先是将接受的微弱的或不可见的输入首先是将接受的微弱的或不可见的输入 辐射图像转换成电子图像；辐射图像转换成电子图像； l其次是使电子图像获得能量或数量增强，其次是使电子图像获得能量或数量增强， 并聚焦成像；并聚焦成像； l第三是将增强的电子图像转换成可见的第三是将增强的电子图像转换成可见的 光学图像。光学图像。 上述三个环节分别由上述三个环节分别由 光阴极光阴极 电子光学系统电子光学系统 荧光屏荧光屏 完成。这三部分共同封在一个

2、高真空的管完成。这三部分共同封在一个高真空的管 壳内。壳内。 像管成像原理如图像管成像原理如图3l所示。所示。 l像管的输入端面是采像管的输入端面是采 用光电发射材料制成用光电发射材料制成 的光敏面。该光敏面的光敏面。该光敏面 接收辐射量子产生电接收辐射量子产生电 子发射。所发射的电子发射。所发射的电 子流密度分布正比于子流密度分布正比于 人射的辐射通量分布。人射的辐射通量分布。 由此完成辐射图像转由此完成辐射图像转 换为电子图像的过程。换为电子图像的过程。 由于电子发射需要在发射由于电子发射需要在发射 表面有法向电场，所以表面有法向电场，所以 光敏面应接以负电位。光敏面应接以负电位。 这一光

3、敏面通常称为光这一光敏面通常称为光 阴极。像管中常用的光阴极。像管中常用的光 阴极有：阴极有： 对红外光敏感的对红外光敏感的银氧铯红银氧铯红 外光阴极；外光阴极； 对可见光敏感的对可见光敏感的单碱和多单碱和多 碱光阴极；碱光阴极； 对紫外光敏感的对紫外光敏感的紫外光阴紫外光阴 极极。 由于电子发射需要在发由于电子发射需要在发 射表面有法向电场，所射表面有法向电场，所 以光敏面应接以负电位。以光敏面应接以负电位。 这一光敏面通常称为光这一光敏面通常称为光 阴极。像管中常用的光阴极。像管中常用的光 阴极有：阴极有： 对红外光敏感的对红外光敏感的银氧铯银氧铯 红外光阴极；红外光阴极； 对可见光敏感的

4、对可见光敏感的单碱和单碱和 多碱光阴极；多碱光阴极； 对紫外光敏感的对紫外光敏感的紫外光紫外光 阴极阴极。 l光阴极有透射型和反射型两种。光阴极有透射型和反射型两种。 l像管中常用的光阴极是透射型的像管中常用的光阴极是透射型的半透明。半透明。 必须在高真空中。必须在高真空中。 l 光阴极进行图像转换的简要物理过程是：光阴极进行图像转换的简要物理过程是： 当具有能量为当具有能量为 hv的辐射量子入射到半透明的的辐射量子入射到半透明的 光电发射体内，与体内电子产生非弹性碰撞而光电发射体内，与体内电子产生非弹性碰撞而 交换能量。交换能量。 当辐射量子的能量大干电子产生跃迁的能量时，当辐射量子的能量大

5、干电子产生跃迁的能量时， 电子被激发到受激态。这些受激电子向真空界电子被激发到受激态。这些受激电子向真空界 面迁移，由于半导体中自由电子数量很少，所面迁移，由于半导体中自由电子数量很少，所 以产生自由电子散射的几率很小，只有在迁移以产生自由电子散射的几率很小，只有在迁移 中与晶格产生相互作用，由于声子散射而引起中与晶格产生相互作用，由于声子散射而引起 少量的能量损失；如果电了在到达真空界面仍少量的能量损失；如果电了在到达真空界面仍 有克服电子亲和势的能量，就可以发射到真空有克服电子亲和势的能量，就可以发射到真空 中，成为光电发射的电子。对具有负电子亲和中，成为光电发射的电子。对具有负电子亲和

6、势的光阴极，则不需要克服电子亲和势的能量。势的光阴极，则不需要克服电子亲和势的能量。 l 根据光电发射的斯托列托夫定律可知，根据光电发射的斯托列托夫定律可知， 饱和光电发射的电子流密度与人射辐射饱和光电发射的电子流密度与人射辐射 通量密度成正比。因此由入射辐射分布通量密度成正比。因此由入射辐射分布 所构成的图像可以通过光阴极变换成由所构成的图像可以通过光阴极变换成由 电子流分布所构成的图像。这一图像称电子流分布所构成的图像。这一图像称 为电子图像。为电子图像。 l像管中的电子图像通过特定的静电场或电磁复像管中的电子图像通过特定的静电场或电磁复 合场获得能量增强。由光阴极的光电发射产生合场获得能

7、量增强。由光阴极的光电发射产生 的电子图像，在刚离开光阴极面时是低速运动的电子图像，在刚离开光阴极面时是低速运动 的电子流，其初速由爱因斯坦定律所决定。的电子流，其初速由爱因斯坦定律所决定。 l这一低能量的电子图像在静电场或电磁复合场这一低能量的电子图像在静电场或电磁复合场 的洛伦茨力作用下得到加速并聚焦到荧光屏上。的洛伦茨力作用下得到加速并聚焦到荧光屏上。 在到达像面时是高速运动的电子流，能量很大。在到达像面时是高速运动的电子流，能量很大。 由此完成了电子图像的能量增强。像管由此完成了电子图像的能量增强。像管中特定中特定 设置的静电场或电磁复合场称之为设置的静电场或电磁复合场称之为电子光学系

8、电子光学系 统。统。由于它具有聚焦电子图像的作用，故又被由于它具有聚焦电子图像的作用，故又被 称之为称之为电子透镜。电子透镜。 l像管输出的是可见光学图像。为把电子图像转像管输出的是可见光学图像。为把电子图像转 换成可见的光学图像，通常采用荧光屏。能将换成可见的光学图像，通常采用荧光屏。能将 电子动能转换成光能的荧光屏是由发光材料的电子动能转换成光能的荧光屏是由发光材料的 微晶颗粒沉积而成的薄层。由于荧光屏的电阻微晶颗粒沉积而成的薄层。由于荧光屏的电阻 率通常在率通常在10E+1010E+14cm，介于绝缘体，介于绝缘体 和半导体之间，因此当它受到高速电子轰击时，和半导体之间，因此当它受到高速

9、电子轰击时， 会积累负电荷，使加在荧光屏上的电压难以提会积累负电荷，使加在荧光屏上的电压难以提 高，为此应在荧光屏上蒸镀一层铝膜，引走积高，为此应在荧光屏上蒸镀一层铝膜，引走积 累累的负电荷，而且可防止光反馈到光阴极。的负电荷，而且可防止光反馈到光阴极。 l 像管中常用的荧光屏材料有多种。基本像管中常用的荧光屏材料有多种。基本 材料是金属的硫化物、氧化物或硅酸盐材料是金属的硫化物、氧化物或硅酸盐 等晶体。上述材料经掺杂后具有受激发等晶体。上述材料经掺杂后具有受激发 光特性，统称之为晶态磷光体。光特性，统称之为晶态磷光体。 l 荧光屏是利用掺杂的晶态磷光体受激荧光屏是利用掺杂的晶态磷光体受激 发

10、光的物理过程，将电子图像转换为可发光的物理过程，将电子图像转换为可 见的光学图像。见的光学图像。 l纯净而无缺陷的基质晶体一般是不具有纯净而无缺陷的基质晶体一般是不具有 受激发光特性的，只有掺入微量重金属受激发光特性的，只有掺入微量重金属 离子作杂质时离子作杂质时(如铜、银等如铜、银等)才具有较强的才具有较强的 受激发光特性。这是由于杂质的掺入对受激发光特性。这是由于杂质的掺入对 相邻基质的能态产生微扰而出现了局部相邻基质的能态产生微扰而出现了局部 能级。由这些局部能级构成了受激发光能级。由这些局部能级构成了受激发光 过程所需要的基态能级。通常称过程所需要的基态能级。通常称之为发之为发 光中心

11、。光中心。 l当像管中高速电子轰击荧光屏时，晶态当像管中高速电子轰击荧光屏时，晶态 磷光体基质中的价带电子受激跃迁到导磷光体基质中的价带电子受激跃迁到导 带，所产生的电子和空穴分别在导带和带，所产生的电子和空穴分别在导带和 价带中扩散。当空穴迁移到发光中心的价带中扩散。当空穴迁移到发光中心的 基态能级上时，就相当于发光中心被激基态能级上时，就相当于发光中心被激 发了。而在导带中的受激电子有可能迁发了。而在导带中的受激电子有可能迁 移到这一受激的发光中心，产生电子和移到这一受激的发光中心，产生电子和 空穴的复合而放出光子。所发射的光波空穴的复合而放出光子。所发射的光波 波长是由发光中心基态与导带

12、的能量差波长是由发光中心基态与导带的能量差 所决定。所决定。 l由于发光中心基态能级的分散，使辐射由于发光中心基态能级的分散，使辐射 的波长具有一定的分布，通常掺杂的晶的波长具有一定的分布，通常掺杂的晶 态磷光体的发光光谱呈钟型分布。态磷光体的发光光谱呈钟型分布。 l像管中常用的荧光屏，不仅应该具有高像管中常用的荧光屏，不仅应该具有高 的转换效率，而且它的发射光谱要和眼的转换效率，而且它的发射光谱要和眼 睛或与之耦合的光阴极的光谱响应相一睛或与之耦合的光阴极的光谱响应相一 致。致。 l 实验证明，荧光屏由高速电子激发发实验证明，荧光屏由高速电子激发发 光的亮度除与发光材料的性质有关外，光的亮度

13、除与发光材料的性质有关外， 主要取决于人射电子流的密度和加速电主要取决于人射电子流的密度和加速电 压值。当像管中电子图像的加速电压一压值。当像管中电子图像的加速电压一 定时，则荧光屏的发光亮度就正比于入定时，则荧光屏的发光亮度就正比于入 射电子流的密度。由此可知，像管的荧射电子流的密度。由此可知，像管的荧 光屏可以将电子图像转换成可见的光学光屏可以将电子图像转换成可见的光学 图像。图像。 l用于直视成像系统的像管，具有多种类用于直视成像系统的像管，具有多种类 型。根据像管的工作波段可分为：型。根据像管的工作波段可分为： l工作于非可见辐射工作于非可见辐射(近红外、紫外、近红外、紫外、 X射射

14、线、线、射线射线)的像管，称之为的像管，称之为变像管变像管； l工作于微弱可见光的像管，称之为工作于微弱可见光的像管，称之为像增像增 强器。强器。 l根据像管的工作方式可分为：根据像管的工作方式可分为： l连续工作像管；连续工作像管； l选通工作像管；选通工作像管； l变倍工作像管。变倍工作像管。 l根据像管的结构可分为：根据像管的结构可分为： l近贴式像管；近贴式像管； l倒像式像管；倒像式像管； l静电聚焦式像管；静电聚焦式像管； l电磁复合聚焦式像管电磁复合聚焦式像管。 l根据像管的发展阶段可分为：根据像管的发展阶段可分为： l级联式的第一代像管；级联式的第一代像管； l带微通道板的第二

15、代像管；带微通道板的第二代像管； l采用采用负电子亲和势光阴极的第三代像管。负电子亲和势光阴极的第三代像管。 l近贴式像管的结构如近贴式像管的结构如 图所示，光阴极在输图所示，光阴极在输 入窗的内表面，荧光入窗的内表面，荧光 屏在输出窗的内表面，屏在输出窗的内表面， 光阴极和荧光屏相互光阴极和荧光屏相互 平行。在光阴极与荧平行。在光阴极与荧 光屏之间施加高压时，光屏之间施加高压时， 两电极间形成纵向均两电极间形成纵向均 匀电场，由光阴极发匀电场，由光阴极发 射出的电子受电场的射出的电子受电场的 作用飞向荧光屏，由作用飞向荧光屏，由 于间距很近于间距很近(约约 lmm)， 所以称为近贴聚焦的所以

16、称为近贴聚焦的 电子光学系统。电子光学系统。 l近贴式像管是结构最简单的像管，荧光近贴式像管是结构最简单的像管，荧光 屏上成正像，且无畸变。屏上成正像，且无畸变。 l但是由于受分辨力的限制，极间距离不但是由于受分辨力的限制，极间距离不 能太大，又因为受场致发射的限制，极能太大，又因为受场致发射的限制，极 间电压不能太高，因此系统的亮度增益间电压不能太高，因此系统的亮度增益 受到限制，象质也受到影响。受到限制，象质也受到影响。 l它们都能形成轴对称的静电场。由静电场形成它们都能形成轴对称的静电场。由静电场形成 的电子透镜可使光阴极面上的物像发射出来的的电子透镜可使光阴极面上的物像发射出来的 电电

17、子加速并聚焦于荧光屏上，并形成一倒像。子加速并聚焦于荧光屏上，并形成一倒像。 l在通常采用的在通常采用的 双球面电极系双球面电极系 统中，阳极头统中，阳极头 部曲面和光阴部曲面和光阴 极球面以及荧极球面以及荧 光屏都是近似光屏都是近似 同心球面。由同心球面。由 此构成近似的此构成近似的 球形对称静电球形对称静电 场，使轴外各场，使轴外各 点的电子主轨点的电子主轨 迹都是近似对迹都是近似对 称轴，从而使称轴，从而使 轴外象差如场轴外象差如场 曲、像散、畸曲、像散、畸 变等都比双圆变等都比双圆 筒系统小。筒系统小。 l在实际应用中，为了获得更高的亮度增益，将完全相同的单级在实际应用中，为了获得更高

18、的亮度增益，将完全相同的单级 像管，用光学纤维面板进像管，用光学纤维面板进行多级耦合。因此像管的输入窗和输行多级耦合。因此像管的输入窗和输 出窗都是由光学纤维面板制成，以便将球面像转换为平面像来出窗都是由光学纤维面板制成，以便将球面像转换为平面像来 完成级间耦合。由于每级像管都成倒像，所以稠合的级数多取完成级间耦合。由于每级像管都成倒像，所以稠合的级数多取 单数，通常为三级。单数，通常为三级。该像管称为该像管称为第一代像增强器第一代像增强器。 采用平面像场。在平面光阴极和 荧光屏之间设置有环形电极， 其上加有逐步升高的电压，沿 管轴建立起上升的电位；同时 管壳外设置有通以恒定电流的 螺旋线圈而

19、产生的均匀磁场， 由此形成纵向的均匀电磁场。 该电磁场使光阴极发射的电子 加速并聚焦到荧光屏上成像。 只要严格地控制电压和磁场， 就可以得到良好的像平面，使 荧光屏上获得较高的分辨力。 但是由于复合聚焦系统结构复 杂、笨重，给使用带来不方便。 因此通常只在需要高性能的场 合，如天文观察时才使用这种 聚焦方式。 l选通式像管是静电 聚焦式像管。它是 在普通二电极像管 的结构上增加控制 栅极而构成的 l控制栅极是由靠近 光阴极的栅网和阳 极孔栏组成。当栅 极电位低于光阴极 电位时，则形成反 向电场使光电发射 截止；当正电位的 工作脉冲施加在栅 极上时，则构成聚 焦成像的电场。由 此实现了选通式工

20、作状态。 l选通式像管具有可控的间断工作功能。选通的选通式像管具有可控的间断工作功能。选通的 工作方式有两种：工作方式有两种： l单脉冲触发式工作；单脉冲触发式工作； l连续脉冲触发式工作。连续脉冲触发式工作。 l前者用于高速摄影中作为电子快门，后者用于前者用于高速摄影中作为电子快门，后者用于 主动红外选通成像与测距。主动红外选通成像与测距。 l 选通式像管中另有一种类型，它增加了一对选通式像管中另有一种类型，它增加了一对 偏转电极。这对偏转电极设置在阳极锥体内，偏转电极。这对偏转电极设置在阳极锥体内， l其上施加线性斜坡状脉冲电压使输出图像偏转，其上施加线性斜坡状脉冲电压使输出图像偏转， 将

21、连续选通的几幅图像在荧光屏上分开。这将连续选通的几幅图像在荧光屏上分开。这 l种像管也称为条纹管。种像管也称为条纹管。 l能够改变倍率的像管称 为变倍式像管。它具有 可变放大率的电子光学 系统。由于变倍的同时 也必然使焦距发生变化， 因此在普通像管内除了 加变倍电极外，同时还 需要加聚焦电极来补偿 像面的变动，所以变倍 式像管是四电极结构。 l改变像管放大率是通过 改变加在像管电极上的 电压比值来实现的。当 阳极电位与变倍电极电 位相同时，像管的放大 率等于1；当阳极电位逐 渐降低，而变倍电极电 位保持不变时，像管的 放大率随之下降；阳极 电位由15kV调节到3kV 时，像管的放大率由 l变

22、为0.2。同时还需改变调 焦电极的电位来获得最 佳聚焦，保持变倍时的 成像质量。 l第二代像管与第一代第二代像管与第一代 像管的根本区别在于：像管的根本区别在于： 它它不是用多级级联实不是用多级级联实 现光电子倍增，而是现光电子倍增，而是 采用在单级像管中设采用在单级像管中设 置微通道板来实现电置微通道板来实现电 子图像倍增的。子图像倍增的。 l微通道板是两维空间的电子倍增器。微通微通道板是两维空间的电子倍增器。微通 道板是由大量平行堆集的微细单通道电子道板是由大量平行堆集的微细单通道电子 倍增器组成的薄板。通道孔径为倍增器组成的薄板。通道孔径为5一一10m。 通道内壁具有较高的通道内壁具有较

23、高的二次电子发射系数。二次电子发射系数。 l在微通道板的两个端面之间施加直流电压在微通道板的两个端面之间施加直流电压 形成电场。入射到通道内的电子在电场作形成电场。入射到通道内的电子在电场作 用下，碰撞通道内壁产生二次电子。这些用下，碰撞通道内壁产生二次电子。这些 二次电子在电场力加速下不断碰撞通道二次电子在电场力加速下不断碰撞通道内内 壁，直至由通道的输出端射出，实现连续壁，直至由通道的输出端射出，实现连续 倍增，达到增强电子图像的作用。倍增，达到增强电子图像的作用。 l微通道板近贴于光微通道板近贴于光 阴极和荧光屏之间。阴极和荧光屏之间。 构成两个近贴空间。构成两个近贴空间。 因此又称为双

24、近贴因此又称为双近贴 式像管。式像管。 l由于采用了双近贴、由于采用了双近贴、 均匀场，所以图像均匀场，所以图像 无畸变，放大无畸变，放大率为率为 l，不倒像。同样由，不倒像。同样由 于近于近贴贴，会出现光，会出现光 阴极、阴极、 MCP、荧、荧 光屏三者之间的相光屏三者之间的相 互影响。互影响。 l微通道板与光阴极之微通道板与光阴极之 间 采 用 静 电 透 镜 ，间 采 用 静 电 透 镜 ， MCP置于电子透镜的置于电子透镜的 像面位置；像面位置； l像 管 中 还 在 阳 极 与像 管 中 还 在 阳 极 与 MCP之间设置一个消之间设置一个消 畸变电极。畸变电极。 l由微通道板增强后

25、的由微通道板增强后的 电子图像通过近贴聚电子图像通过近贴聚 焦到荧光屏上。由于焦到荧光屏上。由于 在荧光屏上所成的像，在荧光屏上所成的像， 相对于光阴极上的像相对于光阴极上的像 来说是倒像，因此称来说是倒像，因此称 为倒像管。为倒像管。 l 微通道扳的输出端，由于连续倍增其电子密微通道扳的输出端，由于连续倍增其电子密 度较高、速度快，易于使像管内残余气体分子度较高、速度快，易于使像管内残余气体分子 电离。如果电离产生的正离子轰击光阴极将降电离。如果电离产生的正离子轰击光阴极将降 低像管的寿命。当微通道扳输入端电位低于阳低像管的寿命。当微通道扳输入端电位低于阳 极电位时，则形成一个防止正离子反馈

26、的位垒。极电位时，则形成一个防止正离子反馈的位垒。 这个位垒一方面阻止正离子另这个位垒一方面阻止正离子另方面又收集微方面又收集微 通道板端面上产生的二次电子，从而消除了光通道板端面上产生的二次电子，从而消除了光 晕现象。晕现象。 l 由于微通道板本身具有高增益、增益可控、由于微通道板本身具有高增益、增益可控、 电流饱和等待性，因此第二代像管，无论近贴电流饱和等待性，因此第二代像管，无论近贴 式或倒像式与第一代像管相比，均具有体积小、式或倒像式与第一代像管相比，均具有体积小、 重量轻、亮度可调、防强光等优点重量轻、亮度可调、防强光等优点 l第三代像管是采用了负电子亲和势第三代像管是采用了负电子亲

27、和势 光阴极的像管。光阴极的像管。 l电子亲和势（能）电子亲和势（能）晶格中原子捕获晶格中原子捕获 一个电子成为负离子所释放出的能量。一个电子成为负离子所释放出的能量。 l由于目前还只能在乎面上制做负电子亲和势阴由于目前还只能在乎面上制做负电子亲和势阴 极，所以它的结构与第二代近贴式像管类似，极，所以它的结构与第二代近贴式像管类似， 其根本区别在于光阴极。第一代像管采用的是其根本区别在于光阴极。第一代像管采用的是 表面具有正电子亲和势的多晶薄膜结构的多碱表面具有正电子亲和势的多晶薄膜结构的多碱 光阴极其光灵敏度约为光阴极其光灵敏度约为250 550uA/lm；而；而 第三代像管采用的负电子亲和

28、势光阴极，它的第三代像管采用的负电子亲和势光阴极，它的 光灵敏度高达光灵敏度高达l000uA/lm 以上。因此第三代像以上。因此第三代像 管具有高增益、低噪声的优点。管具有高增益、低噪声的优点。 l负电子亲和势是热化电子发射，光电子的初动负电子亲和势是热化电子发射，光电子的初动 能较低，能量又比较集中，因此第三代像管又能较低，能量又比较集中，因此第三代像管又 具有较高的图像分辨力。由于这些特点使具有较高的图像分辨力。由于这些特点使第三第三 代像管成为目前性能最优越的直视型光电成像代像管成为目前性能最优越的直视型光电成像 器件。器件。 lX射线和 射线变像 管是分别将不可见的 X射线图像和 射线

29、 图像转换为可见的光 学图像。 l此类变像管只比普通 像管多了一个射线转 换荧光屏(又称输入 荧光屏)。 l射线转换屏位于射线变射线转换屏位于射线变 像管的输入窗内，它与像管的输入窗内，它与 外壳之间设置薄铝层以外壳之间设置薄铝层以 挡杂光；转移屏与光阴挡杂光；转移屏与光阴 极之间靠很薄的玻璃耦极之间靠很薄的玻璃耦 合，以减小荧光图像的合，以减小荧光图像的 扩散。这一转换屏可将扩散。这一转换屏可将 入射的入射的x射线图像或射线图像或射射 线图像转换为荧光的弱线图像转换为荧光的弱 光图光图像，该弱光图像入像，该弱光图像入 射在光阴极上产生光电射在光阴极上产生光电 子图像。子图像。 l其后续过程与

30、普通像管其后续过程与普通像管 相同。相同。 l lx x射线转换屏由射线转换屏由 X X射线激发能发光的材料制成。射线激发能发光的材料制成。 l目前国内通常采用目前国内通常采用ZnSnS： Ag(PllAg(Pll) )和和( (CdCd，Zn)Sn)S： Ag(P2O)Ag(P2O)和和CsICsI(TI)(TI)等材料。等材料。射线转换屏是由射线转换屏是由NaI(TtNaI(Tt) )、 CsICsI(TI)(TI)和和CsICsI(Na)(Na)等闪烁晶体制成。等闪烁晶体制成。 l l直视式光电成像器件是为扩展人限视力范围而发展起直视式光电成像器件是为扩展人限视力范围而发展起 来的，它既

31、能探测到微弱的或人眼不可见的目标辐射来的，它既能探测到微弱的或人眼不可见的目标辐射 信号，又能将目标满意地成像，使人眼能看到再现的信号，又能将目标满意地成像，使人眼能看到再现的 目标图像。因此像管既是一个辐射探测器，放大器，目标图像。因此像管既是一个辐射探测器，放大器， 又是成像器。又是成像器。 l作为辐射探测器，它应具有高的量子效率和信号放大作为辐射探测器，它应具有高的量子效率和信号放大 能力，以提供足够的亮度能力，以提供足够的亮度. 这一性能通常用灵敏度和亮这一性能通常用灵敏度和亮 度增益来描述度增益来描述. l作为图像成像器，它必须具有小的图像几何失真，适作为图像成像器，它必须具有小的图

32、像几何失真，适 当的几何放大率，尽量小的亮度当的几何放大率，尽量小的亮度(能量能量)扩散能力，以提扩散能力，以提 供足够的视角和对比。这些性能通常用畸变、放大率、供足够的视角和对比。这些性能通常用畸变、放大率、 分辨力及调制传递函数来描述。分辨力及调制传递函数来描述。 l光谱响应特性是指像管的响应能力随入光谱响应特性是指像管的响应能力随入 射波长的变化关系。射波长的变化关系。 l像管的光谱响应特性实际上是其光阴极像管的光谱响应特性实际上是其光阴极 的光谱响应待性。它决定了像管应用的的光谱响应待性。它决定了像管应用的 光谱范围。光谱范围。 l像管的光谱响应特性通常用光像管的光谱响应特性通常用光谱

33、响应率、谱响应率、 量子效率、光谱特性曲线和积分响应率量子效率、光谱特性曲线和积分响应率 (简称响应率简称响应率)来描述。来描述。 l光谱响应率是像管对单色入射辐射的响光谱响应率是像管对单色入射辐射的响 应能力，以应能力，以Rj 表示。表示。 l响应率是像管对全色入射辐射的响应能响应率是像管对全色入射辐射的响应能 力，以力，以R表示。表示。 l由于在实际应用中，像管接收的往往不由于在实际应用中，像管接收的往往不 是单色辐射，而是某一光源的全色辐射，是单色辐射，而是某一光源的全色辐射， 所以响应率更具有实际意义。所以响应率更具有实际意义。 l根据响应率根据响应率R的定义的定义入射辐射功率入射辐射

34、功率P所产生的输出所产生的输出 光电流光电流I，则，则 l l l式中，式中，P为人射辐射功率；为人射辐射功率； I为输出信号电流；为输出信号电流；P为单为单 色辐射功率；色辐射功率；R为光阴极光谱响应率；为光阴极光谱响应率； lP()为单色辐射功率相对值；为单色辐射功率相对值；R()为光阴极相对光谱响为光阴极相对光谱响 应率；应率；Pm为单色辐射功率最大值；为单色辐射功率最大值；Rm为光阴极光谱为光阴极光谱 响应率最大值。响应率最大值。 l 0 0 dP dRP P I R m m RRR PPP l最后可得：最后可得： l R = a Rm l其中其中 a 称为光谱匹配系数。它反映了在像管

35、响称为光谱匹配系数。它反映了在像管响 应的波长范围内光源与光阴极，荧光屏与光应的波长范围内光源与光阴极，荧光屏与光 阴极及荧光屏与人眼光谱光视效率的分布之间阴极及荧光屏与人眼光谱光视效率的分布之间 的吻合程度。如果匹配良好，就能获得高的整的吻合程度。如果匹配良好，就能获得高的整 管响应度。管响应度。 l因此，光谱匹配系数是选择像管各级材料的重因此，光谱匹配系数是选择像管各级材料的重 要依据。要依据。 l表表31给出了常用的辐射源和光阴极的光谱匹给出了常用的辐射源和光阴极的光谱匹 配系数值。配系数值。 l合适的亮度是观察图像的必要条件。像合适的亮度是观察图像的必要条件。像 管输出的图像亮度既与入

36、射图像的照度管输出的图像亮度既与入射图像的照度 有关，又取决于像管本身对辐射能量的有关，又取决于像管本身对辐射能量的 变换与增强的能力。变换与增强的能力。“增益增益”就是用来就是用来 描述像管这种能力的参数。描述像管这种能力的参数。 l1. 增益定义增益定义 l像管的增益有：亮度增益、辐射亮度增益及光像管的增益有：亮度增益、辐射亮度增益及光 通量增益之分。其中亮度增益是最基本而通用通量增益之分。其中亮度增益是最基本而通用 的。的。 l 2. 亮度增益的定义亮度增益的定义 l 像管的亮度增益定义为：像管在标准光源照像管的亮度增益定义为：像管在标准光源照 射下，荧光屏上的光出射度射下，荧光屏上的光

37、出射度M与入射到阴极面与入射到阴极面 上的照度上的照度Ev之比。即之比。即 l GL = M / EV l由光度学可知，荧光屏上的光出射度由光度学可知，荧光屏上的光出射度M 与亮度与亮度L之间的关系可表示为之间的关系可表示为: M= L 这时亮度增益为像管输出亮度这时亮度增益为像管输出亮度L与光阴极与光阴极 面入射照度面入射照度EV之比的之比的倍。倍。 l有时由于像管的输出与输入采用的单位不同，有时由于像管的输出与输入采用的单位不同， 像管的增益还用辐射亮度增益像管的增益还用辐射亮度增益GLe和光通量增和光通量增 益益G来表示，即来表示，即 l式中，式中，Ee为光阴极面入射辐照度；为光阴极面入

38、射辐照度； K为光视效为光视效 能能, ou为荧光屏输出光通量；为荧光屏输出光通量； in为光阴极面为光阴极面 输入光通量；输入光通量； As为荧光屏有效面积；为荧光屏有效面积；Ac为光为光 阴极面有效面积，阴极面有效面积， m为像管的几何放大率为像管的几何放大率. l合适的亮度是人眼观察图像的必要条件，但像管的输合适的亮度是人眼观察图像的必要条件，但像管的输 出亮度并不都是有用的。在输出端荧光屏的图像上，出亮度并不都是有用的。在输出端荧光屏的图像上， 除了有用的成像除了有用的成像(信号信号)亮度以外，还存在一种非成像的亮度以外，还存在一种非成像的 附加亮度，称之为背景附加亮度，称之为背景(或

39、背景亮度或背景亮度)。像管的背景包括。像管的背景包括 无光照射情况下的暗背景和因人射信号的影响而产生无光照射情况下的暗背景和因人射信号的影响而产生 的附加背景，称为信号感生背景的附加背景，称为信号感生背景(或光致背景或光致背景). 暗背景暗背景 产生的主要原因是光阴极的热电子发射和管内颗粒引产生的主要原因是光阴极的热电子发射和管内颗粒引 起的场致发射产生信号感生背景的主要原因是，阴起的场致发射产生信号感生背景的主要原因是，阴 极透射光、管内散射光、离子反馈、光反馈所致。由极透射光、管内散射光、离子反馈、光反馈所致。由 于背景的存在，在荧光屏上的目标和其周围背景的图于背景的存在，在荧光屏上的目标

40、和其周围背景的图 像上都叠加了一个背景亮度，因而使图像的对比下降，像上都叠加了一个背景亮度，因而使图像的对比下降， 影响图像的清晰程度。影响图像的清晰程度。 l为了与来自目标的照度相比较，通常用等效背为了与来自目标的照度相比较，通常用等效背 景照度来表示暗背景。为了使荧光屏亮度等于景照度来表示暗背景。为了使荧光屏亮度等于 暗背景亮度值，而需在光阴极面上输入的照度暗背景亮度值，而需在光阴极面上输入的照度 值，就称为等效背景照度。若像管的亮度增益值，就称为等效背景照度。若像管的亮度增益 l为为GL, 在像管的光阴极面没有受到照射时测在像管的光阴极面没有受到照射时测 得荧光屏暗背景亮度为得荧光屏暗背

41、景亮度为Ldb则等效背景照度为则等效背景照度为 L db be G L E l由于背景的存在使图像模糊不清，背景由于背景的存在使图像模糊不清，背景 使像质下降的程度可用对比恶化的多少使像质下降的程度可用对比恶化的多少 来描述。来描述。 l式个式个r-1 称为对比恶化系数，称为对比恶化系数，Cb是有背景影响时输出图是有背景影响时输出图 像的对比，像的对比，C。是没有背景影响时输出图像的对比是没有背景影响时输出图像的对比. 0 1 C C r b l设荧光屏上图像亮度的最大值和最小值分别为设荧光屏上图像亮度的最大值和最小值分别为Lmax和和 Lmin 则则 l )()( )()( minmax m

42、inmax minmax minmax 0 bb bb b LLLL LLLL C LL LL C l像管既是一个辐射探测器，又是一个图像管既是一个辐射探测器，又是一个图 像探测器。作为图像探测器，它应该具像探测器。作为图像探测器，它应该具 备好的成像特性。备好的成像特性。 l像管光阴极面上接收来自物空间的图像辐射照像管光阴极面上接收来自物空间的图像辐射照 度，并由这一辐射照度的值在阴极面上的强度度，并由这一辐射照度的值在阴极面上的强度 分布构成输入图像通过像管这个成像器件的分布构成输入图像通过像管这个成像器件的 转换与增强在荧光屏上产生相应的亮度分布，转换与增强在荧光屏上产生相应的亮度分布，

43、 构成输出图像。像管在完成转换与增强的过程构成输出图像。像管在完成转换与增强的过程 中，由于非理想成像，所以输出图像的几何尺中，由于非理想成像，所以输出图像的几何尺 寸、形状及亮度分布不能准确地再现输入的幅寸、形状及亮度分布不能准确地再现输入的幅 照度分布，而使图像像质下降。这种像质下降照度分布，而使图像像质下降。这种像质下降 主要表现在几何形状及亮度分布的失真。通常主要表现在几何形状及亮度分布的失真。通常 用放大率、畸变、分辨力和调制传递函数来描用放大率、畸变、分辨力和调制传递函数来描 述。述。 l1放大率放大率 l 像管的放大率像管的放大率m，指的是像管出射端，指的是像管出射端 输出图像的

44、线性尺寸输出图像的线性尺寸 l 与其对应的入射与其对应的入射 端图像的线性尺寸端图像的线性尺寸 l 之比，之比， l l m = l / l l因此，放大率是表征像管对图像几何尺因此，放大率是表征像管对图像几何尺 寸放大或缩小能力的一个性能参数。寸放大或缩小能力的一个性能参数。 l2. 畸变畸变 l 由于像管常采用静电聚焦电子光学系由于像管常采用静电聚焦电子光学系 统，它的边缘放大率比近轴放大率大，统，它的边缘放大率比近轴放大率大， 所以在出射端图像产生枕形畸变。由于所以在出射端图像产生枕形畸变。由于 物高不同，放大率不同，导致图像形状物高不同，放大率不同，导致图像形状 发生畸形变化，故称为畸变，并以发生畸形变化，故称为畸变，并以D表示表示 畸变的程度。畸变的程度。 %1 0 m m D r 式中，式中， mr为距光阴极中心特定半径处为距光阴极中心特定半径处 的放大率的放大率, m0为中心放大率。为中心放大率。 l3分辨力分辨力 l 成像器件能够将两个相隔极近的目标的像，成像器件能够将两个相隔极近的