第7章真空成像器件——像管

1、六、光电器件的应用选择六、光电器件的应用选择 v光电检测器件必须和辐射信号源及光学光电检测器件必须和辐射信号源及光学 系统在光谱特性上匹配；系统在光谱特性上匹配； v光电器件的光电转换特性必须和入射辐光电器件的光电转换特性必须和入射辐 射能量相匹配；射能量相匹配； v光电检测器件必须和光信号的调制形式、光电检测器件必须和光信号的调制形式、 信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频 率失真的输出波形和良好的时间响应；率失真的输出波形和良好的时间响应； v光电检测器件必须和输入电路在电特光电检测器件必须和输入电路在电特 性上良好匹配，以保证有足够大的转换系性上良

2、好匹配，以保证有足够大的转换系 数、线性范围、信噪比及快速的动态响应数、线性范围、信噪比及快速的动态响应 等；等； v为了使器件具有长期工作的可靠性，为了使器件具有长期工作的可靠性， 必须注意选好器件的规格和使用的环境条必须注意选好器件的规格和使用的环境条 件。件。 v光电成象器件是指能够输出图象信息的一类光电成象器件是指能够输出图象信息的一类 器件。包括真空成像器件和固体成像器件。器件。包括真空成像器件和固体成像器件。 真空成像器件根据管内有无扫描机构粗略的分真空成像器件根据管内有无扫描机构粗略的分 为像管和摄像管。为像管和摄像管。 功能：把不可见光图像 或微弱光图像通过电子 光学透镜直接转

3、换成可 见图像，如变像管、像 增强管、X射线像增强器 等等。 功能：把可见或不可见光图 像通过电子束扫描后转换成 相应的电信号，通过显示器 件再成像的光电成像器件。 固体成像器件：通过某些特殊结构或电路 （自扫描形式）读出电信号，然后通过显示 器件再成像。 真空成像器件：用电子束在高真空度的管内进 行扫描。 v其功能大致可归为以下两类：其功能大致可归为以下两类： v1、使不可见光图象（红外、紫外）变为可见、使不可见光图象（红外、紫外）变为可见 光图象光图象 v2、使光学图象变为电视信号、使光学图象变为电视信号 v像管和摄像管的区别：直视，非直视像管和摄像管的区别：直视，非直视 第一节第一节 像

4、管的工作原理与结构像管的工作原理与结构 v一、工作原理（三大功能）：一、工作原理（三大功能）： v变换光谱：将红外、紫外的辐射图像变成可见图像变换光谱：将红外、紫外的辐射图像变成可见图像 v增强亮度：使图像亮度接近人眼的视觉响应峰值增强亮度：使图像亮度接近人眼的视觉响应峰值 v光学成像：将电子图像在荧光屏上变成光学图像光学成像：将电子图像在荧光屏上变成光学图像 像管：变像管和像增强管的统称。像管：变像管和像增强管的统称。 v二、结构：二、结构： v光电变换部分，即光电阴极，光电子发射图象光电变换部分，即光电阴极，光电子发射图象 v电子光学部分，即电子透镜，它可以使光电阴极发射出来电子光学部分，

5、即电子透镜，它可以使光电阴极发射出来 的光电子图象进行加速和聚焦，静电场和电磁场的光电子图象进行加速和聚焦，静电场和电磁场 v三是电光变换部分，即荧光屏，它可以使电子图象变成可三是电光变换部分，即荧光屏，它可以使电子图象变成可 见光图像（见光图像（P154） v三、几种像管结构：三、几种像管结构： v1、非聚焦型像管（近贴型）、非聚焦型像管（近贴型） v光电子在电场的作用下以光电子在电场的作用下以抛物线抛物线轨迹向荧光屏投轨迹向荧光屏投 射。由于均匀电场只有加速投射作用，没有聚焦射。由于均匀电场只有加速投射作用，没有聚焦 成像作用，所以从光电阴极一点发出的不同初速成像作用，所以从光电阴极一点发

6、出的不同初速 的电子，不能在荧光屏上形成点像，而是一个弥的电子，不能在荧光屏上形成点像，而是一个弥 散圆斑。（故分辨率较低）散圆斑。（故分辨率较低） v2、静电聚焦型像管、静电聚焦型像管 v几个圆筒形的电极可形成对光电子聚焦和加速的电场，使电几个圆筒形的电极可形成对光电子聚焦和加速的电场，使电 子滤在荧光屏上呈倒立的象。当各电极电压之比保持不变时，子滤在荧光屏上呈倒立的象。当各电极电压之比保持不变时， 电子轨迹也基本不变，因此，各电极电压多用电阻链分压的电子轨迹也基本不变，因此，各电极电压多用电阻链分压的 办法供给。办法供给。 静电聚焦型象管结构示意图静电聚焦型象管结构示意图 v3、电磁聚焦型

7、像管、电磁聚焦型像管 v特点：若光电子有偏离于管轴的速度分量，磁场会使它呈特点：若光电子有偏离于管轴的速度分量，磁场会使它呈 螺旋状前进。电子每旋一圈所需的时间与初速度无关，不螺旋状前进。电子每旋一圈所需的时间与初速度无关，不 管起初是沿什么方向发射，最终都可以被会聚于一点。管起初是沿什么方向发射，最终都可以被会聚于一点。 电磁聚焦型象管结构示意图电磁聚焦型象管结构示意图 像管的主要特性参数（P156） 1.光谱响应特性和光谱匹配 光谱响应特性指：光电阴极的光谱响应特性， 它决定管子所能应用的光谱范围。 Q：由上面的特性可以联系到什么器件？ 光谱匹配：在像管的光谱响应范围内光源与光 电阴极、光

8、电阴极与荧光屏、荧光屏与人眼 视觉函数之间的光谱分布匹配，匹配好，则 像管灵敏度高。 2.增益特性 亮度增益：荧光屏的光出 射度和入射至光电阴极 表面上的照度之比。 lx照在光 /d荧光屏的亮度，单位 2 B 电阴极上的照度，单位 k a k a E mCB E B G 3.等效背景照度 像管置于完全黑暗的环境中，当加上工作电压 后，荧光屏上仍会发出一定亮度的光，这种 发光称为像管的暗背景。 暗背景存在导致的结果：图像的对比度下降， 有可能使微弱光图像淹没在背景中而不能辨 别。 4.分辨率 单位：每毫米线对数 常用变像管常用变像管 v1、红外变像管、红外变像管 v红外辐射图像被光学物镜成像后位

9、于光电阴极的前方，该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射通量，光电阴极将其辐射图像相当于对光电阴极有一辐射通量，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，再转成光学图像。屏，再转成光学图像。 阳阳 极极 光电阴光电阴 极极 聚焦聚焦 极极 荧光荧光 屏屏 红外变像管的应用红外变像管的应用(红外夜视仪红外夜视仪) 选通式变像管（P157） 阴极和阳极之间增加了一对金属电极（控制 栅），改变控制栅电压，即可控制变像管的 导通和截止，目的是提高成像对比度和质量。 v2、紫外变

10、像管、紫外变像管 v紫外变像管的窗口材料为石英玻璃，光电发紫外变像管的窗口材料为石英玻璃，光电发 射材料为射材料为Sb-Cs阴极。它可以使波长大于阴极。它可以使波长大于 200nm的紫外光变成光电子。紫外变象管与的紫外光变成光电子。紫外变象管与 光学显微镜结合起来，可用于医学和生物学光学显微镜结合起来，可用于医学和生物学 等方面的研究。等方面的研究。 v3、光纤面板变像管、光纤面板变像管 v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

11、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。 光电阴光电阴 极极 聚焦聚焦 极极 阳阳 极极 荧光荧光 屏屏 光纤面光纤面 板板 光纤面光纤面 板板 常用像增强器 v像增强器利用了像管功能中增强亮度、光学成像两像增强器利用了像管功能中增强亮度、光学成像两 个功能。个功能。 v像增强器与变像管的像增强器与变像管的异同点异同点： v一、第一代微光像增强器结构示意如下图：一、第一代微光像增强器结构示意如下图： 光电光电 阴极阴极 聚焦聚焦 极极 阳阳 极极 荧光荧光 屏屏 光纤光纤 面板面板 光纤光纤 面板面板 v二、二、第二代微光像增强器第二代微光像增强器 v 微通道板像增强器

12、微通道板像增强器 v1、 微通道板的原理和特性：微通道板的原理和特性： v通道电子倍增器：微通道板通道电子倍增器：微通道板MCP (Micro Channel Plate)是利用电子在通道内的二次倍增是利用电子在通道内的二次倍增 来实现增强亮度的。来实现增强亮度的。 U v2、微通道板像增强器微通道板像增强器 微通道板是一种先进的具有传输、增强电子图像微通道板是一种先进的具有传输、增强电子图像 功能的电子倍增器，具有体积小、重量轻、分辨功能的电子倍增器，具有体积小、重量轻、分辨 力好、增益高、噪声低、使用电压低等优点。广力好、增益高、噪声低、使用电压低等优点。广 泛用于光电倍增管、像增强器、微

13、光电视、泛用于光电倍增管、像增强器、微光电视、X光像光像 增强器、高速示波管，以及光子计数、增强器、高速示波管，以及光子计数、 X- 射线、射线、 紫外光子、电子、离子、带电粒子、亚原子粒子紫外光子、电子、离子、带电粒子、亚原子粒子 等的探测等的探测。 v（1 1）近贴式）近贴式MCPMCP像增强器像增强器 v 近贴式近贴式MCPMCP像增强器又称为平面型或薄片型像增像增强器又称为平面型或薄片型像增 强器。它是把强器。它是把MCPMCP平行放置在光电阴极和荧光屏之平行放置在光电阴极和荧光屏之 间，三者相互靠得很近，故称双近贴式。间，三者相互靠得很近，故称双近贴式。 光电阴极光电阴极 MCP 荧

14、光屏荧光屏 v(2)(2)倒像式倒像式MCPMCP像增强器（静电聚焦式像增强器（静电聚焦式MCPMCP像增器像增器） v 结构：结构： 在单级第一代像增强器中，加上一块微通道板在单级第一代像增强器中，加上一块微通道板 MCP，MCP与光电阴极之间是静电透镜，与光电阴极之间是静电透镜，与荧光屏之间是与荧光屏之间是 近贴均匀场。近贴均匀场。 v这种结构的优缺点是：分辨率高，像质好；但噪声较大。这种结构的优缺点是：分辨率高，像质好；但噪声较大。 静电聚焦式静电聚焦式MCPMCP像增器像增器 v微通道板像增强器的优缺点微通道板像增强器的优缺点： 体积小，重量轻，整管长度和重量约为一代级联体积小，重量轻

15、，整管长度和重量约为一代级联 管的二分之一；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 其突出的缺点是：其突出的缺点是： 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对工艺难度大，主要是的制作以及后续工序对 MCP有影响。有影响。 3.负电子亲和势（负电子亲和势（NEA）光电阴极和第三代像）光电阴极和第三代像 增强器增强器 该阴极材料在可见光范围有较高的灵敏度，在该阴极材料在可见光范围有较高的灵敏度，在 近红外有极高（相对于银氧铯光电阴极）的近红外有极高（相对于