光电子器件 第4章微光像增强器

1、第第4章章 微光像增强器微光像增强器v光电成像器件分类光电成像器件分类v按器件结构分为按器件结构分为: 像管、真空摄像管、固体成像器件像管、真空摄像管、固体成像器件 等；等；v按灵敏范围可分为：可见光、红外、紫外、按灵敏范围可分为：可见光、红外、紫外、X射线成射线成像器件。像器件。v像管像管包括变像管和像增强器。包括变像管和像增强器。v变像管变像管是把非可见光，如红外、紫外、是把非可见光，如红外、紫外、X射线等图像射线等图像转化成可见光图像，如红外变像管、紫外变像管。转化成可见光图像，如红外变像管、紫外变像管。v像增强器像增强器，主要是指把微弱的可见光图像增强亮度，主要是指把微弱的可见光图像增

2、强亮度，变成人眼可以观察到的图像，也称为微光管。变成人眼可以观察到的图像，也称为微光管。v由于红外变像管和像增强器能用于夜视条件下的光电由于红外变像管和像增强器能用于夜视条件下的光电成像，属于夜视器件。成像，属于夜视器件。v近的物体，在可见光区，有足够照度的物体我们的近的物体，在可见光区，有足够照度的物体我们的眼睛可以看见，但限于人眼的特性，遥远的物体或眼睛可以看见，但限于人眼的特性，遥远的物体或很小的物体或光线很弱很暗的环境，我们的眼睛就很小的物体或光线很弱很暗的环境，我们的眼睛就不能观察，于是出现了各种成像器件。不能观察，于是出现了各种成像器件。 v如如: 光学望远镜，主要用于光学望远镜，

3、主要用于放大视角放大视角，用于小物体，用于小物体或直视遥远的物体进行放大，提高对物体的分辨力，或直视遥远的物体进行放大，提高对物体的分辨力，但这些也只有在光线足够强时才能应用，而且其光但这些也只有在光线足够强时才能应用，而且其光线不能被阻挡，它们不能观察遥远的被阻挡着的物线不能被阻挡，它们不能观察遥远的被阻挡着的物体，在很暗的环境中不能观察和成像。体，在很暗的环境中不能观察和成像。 v如如: 像管能在像管能在暗环境暗环境中，把人眼不能中，把人眼不能观察观察到的物体到的物体转换成可见光图像，转换成可见光图像， v如如: 摄像管能把各种图像信号转化成电信号，记录、摄像管能把各种图像信号转化成电信号

4、，记录、贮存传输给贮存传输给很远的距离观察，能随时供人们观赏。很远的距离观察，能随时供人们观赏。 v光电成像器件极大地扩大了人的视野，扩展了人眼光电成像器件极大地扩大了人的视野，扩展了人眼的视力范围，丰富了人们的生活。光电成像器件在的视力范围，丰富了人们的生活。光电成像器件在光电技术中占有非常重要的地位。光电技术中占有非常重要的地位。光电探测器和光电成像器件的比较光电探测器和光电成像器件的比较v光电探测器和光电成像器件都是基于光电转换原理，光电探测器和光电成像器件都是基于光电转换原理，二者均是把光信号转化成电信号二者均是把光信号转化成电信号.v但前者一般用于点探测或多点探测，但前者一般用于点探

5、测或多点探测，v而后者能够提供空间上的二维图像，不仅要求有高而后者能够提供空间上的二维图像，不仅要求有高的灵敏度、低噪声，而且要有高的空间信息分辨率，的灵敏度、低噪声，而且要有高的空间信息分辨率，其结构复杂，涉及许多电子扫描、成像、聚焦和荧其结构复杂，涉及许多电子扫描、成像、聚焦和荧光屏发光等新的问题。光屏发光等新的问题。4.1 像管的基本原理和结构像管的基本原理和结构像管结构示意图像管结构示意图 1物镜；物镜；2光电阴极；光电阴极；3电子透镜；电子透镜；4荧光屏；荧光屏；5目镜目镜 结构有三部分组成：光电阴极、电子光学系统、荧光屏结构有三部分组成：光电阴极、电子光学系统、荧光屏 v像管本身应

6、能起到像管本身应能起到光谱变换、增强亮度和成像作用。光谱变换、增强亮度和成像作用。v1. 光谱变换之一光谱变换之一: 光电阴极完成光电阴极完成 光光-电子图象电子图象; v2. 电子成像电子成像:电子光学系统类似于光学透镜，能使电子成像，电子光学系统类似于光学透镜，能使电子成像，将光电阴极发出的电子图像呈现在荧光屏上将光电阴极发出的电子图像呈现在荧光屏上;v3. 增强亮度增强亮度: 由于电子光学系统上加有高电压，能使电子加由于电子光学系统上加有高电压，能使电子加速，电子能获得能量，以高速轰击荧光屏，使之发射出比入速，电子能获得能量，以高速轰击荧光屏，使之发射出比入射光强得多的光能量。射光强得多

7、的光能量。v光谱变换之二光谱变换之二:荧光屏荧光屏 完成完成 电子电子-光光.v这样像管就完成了光谱变换、成像和增强亮度的功能。这样像管就完成了光谱变换、成像和增强亮度的功能。 1物镜；物镜；2光电阴光电阴极；极；3电子透镜；电子透镜；4荧光屏；荧光屏；5目镜目镜 4.1.1 光电阴极光电阴极光电阴极光谱响应曲线 4.1.2 电子光学系统电子光学系统v像管中电子光学系统的任务有两个：加速光电子；使像管中电子光学系统的任务有两个：加速光电子；使光电子成像在像面上。光电子成像在像面上。v它具有与光学透镜相似的性质，能运用几何光学中类它具有与光学透镜相似的性质，能运用几何光学中类似的方法进行物象处理

8、。因此把能使电子流聚焦成像似的方法进行物象处理。因此把能使电子流聚焦成像的电子光学系统称为的电子光学系统称为电子透镜电子透镜。v电子透镜电子透镜分为分为静电透镜静电透镜和和磁透镜磁透镜两类。两类。v静电透镜静电透镜按是否聚焦可分为按是否聚焦可分为:聚焦型和非聚焦型聚焦型和非聚焦型。静。静电电子光学系统，靠静电场来使光电子加速，聚焦成电电子光学系统，靠静电场来使光电子加速，聚焦成像。像。v磁透镜磁透镜即电磁复合系统，靠静电场的加速和磁场来完即电磁复合系统，靠静电场的加速和磁场来完成聚焦成像。成聚焦成像。1非聚焦型电子光学系统非聚焦型电子光学系统 即近贴型即近贴型 C阴极阴极 ,A阳极；阳极；电子

9、落点高度的计算电子落点高度的计算v设从物点设从物点O发出的任意电子，其初发射发出的任意电子，其初发射角为角为 ， 分别表示电子初能分别表示电子初能及其在及其在r和和z方面上的能量的分量方面上的能量的分量(eV)。v则该电子的轨迹就是抛物线：则该电子的轨迹就是抛物线：v v在该电子到达阳极时，其落点的径向高在该电子到达阳极时，其落点的径向高度为：度为：v v 在近贴聚焦像管中一般在近贴聚焦像管中一般U ,则得则得v v因为因为zzrzVulzr)(2)(zzruulr2urlr220sinrsin20ulr z所以所以zr,0全色电子束的最大弥散圆半全色电子束的最大弥散圆半径的计算径的计算v考虑

10、到电子的初角度分布，可考虑到电子的初角度分布，可得单能电子束的最大得单能电子束的最大弥散圆斑弥散圆斑的半径的半径v v因为光电子不仅有角度分布，因为光电子不仅有角度分布，还有初能量分布，若最大初电还有初能量分布，若最大初电能为能为 ,则得全色电子束的最则得全色电子束的最大弥散圆半径为大弥散圆半径为v从此式可以看出，阴极与阳极从此式可以看出，阴极与阳极之间的电位差之间的电位差U越大，弥散圆越大，弥散圆斑越小，最大初电位及极间距斑越小，最大初电位及极间距离离l越小，弥散圆斑也越小。越小，弥散圆斑也越小。ulRm2msin20ulr ulRm2 通常，极间距离通常，极间距离l总是很小，如小于总是很小

11、，如小于1mm，而，而U却很大，如却很大，如3-7KV，极间距离越小，电位差越高，极间距离越小，电位差越高，图像越清晰，近贴型在像管中仍得到广泛应用。图像越清晰，近贴型在像管中仍得到广泛应用。 2静电聚焦静电聚焦电子光学系统电子光学系统(1) 等径双圆筒结构等径双圆筒结构 等径双圆筒透镜等径双圆筒透镜成像原理成像原理: 静电聚焦电子光学系统，即静电聚焦电子光学系统，即静电透镜，通常由轴对称静静电透镜，通常由轴对称静电场所形成，在几个具有轴电场所形成，在几个具有轴对称几何形状的金属导体电对称几何形状的金属导体电极上加以不同的电位，就可极上加以不同的电位，就可以形成轴对称电场。以形成轴对称电场。

12、会聚大于发散会聚大于发散:形成凸透镜形成凸透镜v由于会聚部分处在轴向速度相对较慢的低电位空由于会聚部分处在轴向速度相对较慢的低电位空间，电子受到径向电场会聚作用时间较长，因而间，电子受到径向电场会聚作用时间较长，因而会聚作用较强。而在发散空间的电子轴向速度较会聚作用较强。而在发散空间的电子轴向速度较大，发散作用弱，故总的透镜作用仍然是会聚的。大，发散作用弱，故总的透镜作用仍然是会聚的。v经过透镜区，到达等位区，以直线运动打在荧光经过透镜区，到达等位区，以直线运动打在荧光屏上，由于电子透镜成像作用，使阴极面上的物屏上，由于电子透镜成像作用，使阴极面上的物在屏上成一倒像。在电位变化空间，透镜相当于

13、在屏上成一倒像。在电位变化空间，透镜相当于一个凸透镜。一个凸透镜。 （2）不等径的双圆筒）不等径的双圆筒由于有孔兰，可有效地控制系统的发散作用，阻止电子射由于有孔兰，可有效地控制系统的发散作用，阻止电子射到屏上，也可以减小荧光屏发光对阴极的光反馈，从而降到屏上，也可以减小荧光屏发光对阴极的光反馈，从而降低背景干扰和噪声。在平面阴极象管中，几何象差比较严低背景干扰和噪声。在平面阴极象管中，几何象差比较严重，边缘象质较差。重，边缘象质较差。（3）双球面系统v特点：特点：v电场分布，尤其是阴极附近电场的分布，球面性很好，因电场分布，尤其是阴极附近电场的分布，球面性很好，因此，每一条主轨迹都是轴对称，

14、其邻近轨迹是旋转对称的，此，每一条主轨迹都是轴对称，其邻近轨迹是旋转对称的，因而像散较小。所谓像散，指电子透镜随射线方向不同而因而像散较小。所谓像散，指电子透镜随射线方向不同而产生的像差。产生的像差。v采用曲面荧光屏后，场曲的影响大为减小，因而像质在整采用曲面荧光屏后，场曲的影响大为减小，因而像质在整个像面上比较均匀。所谓场曲：由于轴外场折射率与近轴个像面上比较均匀。所谓场曲：由于轴外场折射率与近轴场折射率不同而引起的像差。场折射率不同而引起的像差。 v采用曲面屏，也使畸变大大下降，但有可能出现桶形畸变，采用曲面屏，也使畸变大大下降，但有可能出现桶形畸变，但是考虑到图像亮度的均匀性，宁肯采用较

15、大的屏面曲率但是考虑到图像亮度的均匀性，宁肯采用较大的屏面曲率半径，保留较小的枕形畸变。半径，保留较小的枕形畸变。v阴极面上的电场强度，从轴上到轴外基本上保持不变，且阴极面上的电场强度，从轴上到轴外基本上保持不变，且略有提高，这样使得色差的影响在像面上比较均匀。略有提高，这样使得色差的影响在像面上比较均匀。3复合聚焦电子光学系统复合聚焦电子光学系统 利用静电场和静磁场形成的复合磁场使电子聚焦利用静电场和静磁场形成的复合磁场使电子聚焦 电子在复合场中的运动电子在复合场中的运动 电磁复合电子光学系统原理电磁复合电子光学系统原理v电子在与磁场相垂直的平面上作园周运动，旋转电子在与磁场相垂直的平面上作

16、园周运动，旋转周期为周期为T=2m/Be，而与径向速度无关。而与径向速度无关。v电子将在管轴方向作加速运动。在与磁力线垂直电子将在管轴方向作加速运动。在与磁力线垂直的平面上，电子仍做周期旋转运动，所以综合运的平面上，电子仍做周期旋转运动，所以综合运动，电子在空间的运动轨迹为一变节距螺旋线。动，电子在空间的运动轨迹为一变节距螺旋线。象点与物点间的距离计算象点与物点间的距离计算v设电子离开物平面的轴向初设电子离开物平面的轴向初速度为速度为v0z，在场的加速下，在场的加速下，经过经过n个周期，电子会聚于点，个周期，电子会聚于点，经过几个螺距后，象点与物经过几个螺距后，象点与物点间的距离为点间的距离为

17、v va=eE/m为轴向加速度，为轴向加速度，E所加的均匀电场强度所加的均匀电场强度,周期周期为为T=2m/Bev v这样，只要由阴极面上发出这样，只要由阴极面上发出的电子轴向速度相等，就能的电子轴向速度相等，就能保证在每一周期之后相交于保证在每一周期之后相交于一点，因而可以形成点像。一点，因而可以形成点像。对长磁透镜，像高和物高平对长磁透镜，像高和物高平直而相等。当然轴向初速不直而相等。当然轴向初速不相同的电子会产生像差。相同的电子会产生像差。20)(2)(nTanTvLzn222022nEeBmnBemvLzn磁聚焦的优缺点：磁聚焦的优缺点：v磁聚焦的优点：聚焦作用强，并且容易调节聚焦能磁

18、聚焦的优点：聚焦作用强，并且容易调节聚焦能力，只需调节线圈电流即可；力，只需调节线圈电流即可；v轴上点和轴外点有相同的成像质量，因而容易保证轴上点和轴外点有相同的成像质量，因而容易保证边缘像质；像差较小，鉴别率较高。边缘像质；像差较小，鉴别率较高。v磁聚焦的缺点磁聚焦的缺点:由于产生磁场的需要，要附设直流激由于产生磁场的需要，要附设直流激磁和螺旋管等，使得设备尺寸、重量增大、结构复磁和螺旋管等，使得设备尺寸、重量增大、结构复杂。常用在真空摄像管以及电子显微镜等设备上。杂。常用在真空摄像管以及电子显微镜等设备上。4.1.3 荧光屏荧光屏荧光屏将电子动能转换成光能。高能量电子打在荧光屏荧光屏将电子

19、动能转换成光能。高能量电子打在荧光屏上，荧光屏发光。上，荧光屏发光。 v像管对荧光屏的主要要求是：像管对荧光屏的主要要求是：v荧光屏应该具有高的转换效率；荧光屏应该具有高的转换效率；v能产生足够的光亮度；能产生足够的光亮度；v发射光谱要同眼睛，或与之相耦合的下一级光电阴发射光谱要同眼睛，或与之相耦合的下一级光电阴极的光谱响应相一致；极的光谱响应相一致；v合适的余辉时间；合适的余辉时间；v当然还必须具有良好的机械强度、化学稳定性和热当然还必须具有良好的机械强度、化学稳定性和热稳定性等基本要求。稳定性等基本要求。荧光屏发光材料主要特性有：光谱特性、发光效率。荧光屏发光材料主要特性有：光谱特性、发光

20、效率。 发光效率的定义发光效率的定义v所谓发光效率，指轰击荧光屏的电子流能量引起的所谓发光效率，指轰击荧光屏的电子流能量引起的荧光屏的发光强度，单位为荧光屏的发光强度，单位为lm/W。这个数值是表征。这个数值是表征荧光粉发光的强度的一个重要参量，它与光谱特性荧光粉发光的强度的一个重要参量，它与光谱特性对多级像管亮度增益作用很大。对多级像管亮度增益作用很大。荧光屏光谱发射特性荧光屏光谱发射特性 v荧光粉材料有：荧光粉材料有：vZnS:Ag（P11）, ZnS:Cu(P31), (Zn, Cd) S:Ag(P20)等等，几种典型的荧光屏光谱效率如图等等，几种典型的荧光屏光谱效率如图.v像管中常用的

21、荧光粉像管中常用的荧光粉P20，发光颜色为黄绿光，峰，发光颜色为黄绿光，峰值波长值波长0.56m，余辉时间，余辉时间0.05-2ms，粉的粒度控制，粉的粒度控制在在3.5m，以保证屏的分辨率。，以保证屏的分辨率。v荧光粉材料的电阻率很高，通常在荧光粉材料的电阻率很高，通常在10101014cm，介于绝缘体和半导体之间介于绝缘体和半导体之间.v当它受到光电子轰击时，会积累负电荷，电压下降，当它受到光电子轰击时，会积累负电荷，电压下降，影响阳极及屏的电位。影响阳极及屏的电位。v为此，在屏上蒸铝，能引走积累的负电荷；同时铝为此，在屏上蒸铝，能引走积累的负电荷；同时铝还有反射光作用，使光出射强度增加。

22、还有反射光作用，使光出射强度增加。v不过蒸铝后，电子通过铝膜后能量有损失。铝膜越不过蒸铝后，电子通过铝膜后能量有损失。铝膜越厚，电子能量损失越大；电子能量越小，损失能量厚，电子能量损失越大；电子能量越小，损失能量越大。因此，在满足引走电荷作用下，尽量减少膜越大。因此，在满足引走电荷作用下，尽量减少膜厚度，厚度， 4.1.4 光学纤维面板光学纤维面板简称为光纤板，它是由许多单根纤维组合而成的，其传光原简称为光纤板，它是由许多单根纤维组合而成的，其传光原理是利用材料界面的全反射。理是利用材料界面的全反射。 cossin1210nn临界入射角临界入射角 2211sinsinnn222121100co

23、s1sinsinnnnnn2光学纤维面板及性能光学纤维面板及性能 对于像管中用的光纤板主要有以下性能要求对于像管中用的光纤板主要有以下性能要求: 数值孔径要大如芯料数值孔径要大如芯料n1=1.76，皮料，皮料n2=1.50，则，则N.A=0.8476，从空气中或真空入射，全反射临界角是，从空气中或真空入射，全反射临界角是57.9，而实测为而实测为53左右。左右。 光透过率要高光透过率要高; 分辨率要高分辨率要高; 气密性、化学稳定性、机械加工性能以及热稳定性要好。气密性、化学稳定性、机械加工性能以及热稳定性要好。 22210sinnnAN数值孔径数值孔径v像管不仅是辐射探测器件，而且还是成像器

24、件。像管不仅是辐射探测器件，而且还是成像器件。v作为作为辐射探测器件辐射探测器件，它必须具有高的量子效率和信，它必须具有高的量子效率和信息放大能力，以便给出足够的亮度，其特性通常采息放大能力，以便给出足够的亮度，其特性通常采用光电阴极灵敏度和整管亮度增益来描述；用光电阴极灵敏度和整管亮度增益来描述；v作为作为成像器件成像器件，它必须具有小的图像几何失真，合，它必须具有小的图像几何失真，合适的几何放大率，尽可能小的亮度扩散能力，以提适的几何放大率，尽可能小的亮度扩散能力，以提供足够的视角和对比，对这些特性通常用畸变、放供足够的视角和对比，对这些特性通常用畸变、放大率、调制传递函数、分辨率、对比损

25、失来描述。大率、调制传递函数、分辨率、对比损失来描述。v作为两者综合性能则用观察灵敏阈以及信噪比等参作为两者综合性能则用观察灵敏阈以及信噪比等参量来描述。量来描述。4.2 像管主要特性分析像管主要特性分析4.2.1 像管的光谱响应特性像管的光谱响应特性v像管的光谱响应特性实际上就是第一光电阴极的光像管的光谱响应特性实际上就是第一光电阴极的光谱响应特性，研究像管的光谱响应特性有两大作用：谱响应特性，研究像管的光谱响应特性有两大作用：v决定光电阴极光电流决定光电阴极光电流: 光电流影响着灵敏度，提高光电流影响着灵敏度，提高光电流有利于减小背景噪声，提高像管的亮度，提光电流有利于减小背景噪声，提高像

26、管的亮度，提高探测率，提高像管可探测的最小辐射能力。高探测率，提高像管可探测的最小辐射能力。v提供目标与背景之间的光电子图像的对比提供目标与背景之间的光电子图像的对比: 初始对初始对比决定了输出信噪比，是影响像管极限鉴别能力的比决定了输出信噪比，是影响像管极限鉴别能力的关键。关键。1光电阴极积分灵敏度光电阴极积分灵敏度光电流光电流 eemRRI 光谱匹配系数光谱匹配系数 00)()()(ddR0)()(dRRImm根据响应率或灵敏度定义根据响应率或灵敏度定义单位辐射所产生的光电流单位辐射所产生的光电流:mmmmmRddRRddRRR0000)()()()()()(入射辐射通量入射辐射通量 em

27、0)(光电流光电流 单位单位R(安安/瓦，瓦，A/W)2积分灵敏度的换算积分灵敏度的换算(1) 以光辐射量表示的积分灵敏度以光辐射量表示的积分灵敏度R 因为辐射通量因为辐射通量 与光通量与光通量 有有KveK光视效能，单位光视效能，单位lm/wKRKIIRve evR(安安/瓦，瓦，A/W)， (安安/流明，流明，A/lm) R(2) 光电阴极对光源光电阴极对光源1的积分灵敏度可以换算成对光源的积分灵敏度可以换算成对光源2的积分的积分 灵敏度灵敏度因为因为 mRR111122RR分别为光阴极与光源分别为光阴极与光源1和和2的光谱匹配系数的光谱匹配系数. 1 2111RKR将将222RK R代入

28、代入 ,得得121122RKKR K1，K2分别为光源分别为光源1和和2的光视效能的光视效能 ;R1，R2分别为光阴极对光源分别为光阴极对光源1和和2的积分灵敏度的积分灵敏度(A/lm) 22mRR(3) 用积分灵敏度换算等效光通量用积分灵敏度换算等效光通量/22/11RR1/2/12RR112212KKv初始对比度系指阴极面发射的光电子图像的对比，初始对比度系指阴极面发射的光电子图像的对比，常以光电子发射密度来计算。由于目标与背景的辐常以光电子发射密度来计算。由于目标与背景的辐射及反射性质不同，它们提供给光电阴极的光谱也射及反射性质不同，它们提供给光电阴极的光谱也不相同，与阴极作用之后，产生

29、的电子密度分布也不相同，与阴极作用之后，产生的电子密度分布也不相同，因而在目标和背景的成像区域产生不同的不相同，因而在目标和背景的成像区域产生不同的光电流密度。光电流密度。 3像管的光谱响应与对比度像管的光谱响应与对比度121212121212( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( ) ( )( )( ) ( )( )( ) ( )( )( ) ( )mmmmmmmmR RdR RdIICIIR RdR RdRdRdRdRd 光源经目标光源经目标1和目标和目标2反射之后，在阴极面上所产生的光电流密度反射之后，在阴极面上所产生的光电流密度分别为分别为I1

30、及及I2，则它们之间的初始对比度为：，则它们之间的初始对比度为：典型目标的反射光谱曲线典型目标的反射光谱曲线1- 绿色草木绿色草木 2- 暗绿色漆暗绿色漆 以草木为背景，涂有暗绿色漆的目标，在星光或月光以草木为背景，涂有暗绿色漆的目标，在星光或月光照射下，对于其反射光的接收，照射下，对于其反射光的接收，. 绿色草木及暗色漆绿色草木及暗色漆在短波在短波0.6m以下相差不大，而在长波区的反差能力以下相差不大，而在长波区的反差能力相差极大，因而在同一光源照射下，目标和背景在长相差极大，因而在同一光源照射下，目标和背景在长波区提供给阴极的辐射之差也大。波区提供给阴极的辐射之差也大。 而而S-25和和S

31、-20阴极的光谱响应在短波区相差不多，阴极的光谱响应在短波区相差不多，而在长波区而在长波区(0.6m以上以上)，S-25的光谱响应比的光谱响应比S-20大得多。大得多。S-25阴极在长波区的较大响应，能使目标阴极在长波区的较大响应，能使目标和背景的辐射之差有效地变为电流之差，因而能得和背景的辐射之差有效地变为电流之差，因而能得到大的对比。到大的对比。典型目标的反射光谱曲线典型目标的反射光谱曲线1- 绿色草木绿色草木 2- 暗绿色漆暗绿色漆 典型目标的反射光谱曲线典型目标的反射光谱曲线1- 绿色草木绿色草木 2- 暗绿色漆暗绿色漆v对同一光源，阴极长波响应大者，提供的初对同一光源，阴极长波响应大

32、者，提供的初始对比较高，这是因为它充分利用了目标间始对比较高，这是因为它充分利用了目标间在长波上的反差，这就是为什么阴极响应要在长波上的反差，这就是为什么阴极响应要向红外延伸的原因。向红外延伸的原因。v如在星光下：如在星光下：CNEACS-25CS-20C人眼人眼。v(2) 对同一阴极对同一阴极(如如S-25)，比较星光和月光两种情，比较星光和月光两种情况可以看出，星光照射下，阴极所提供的对比总是况可以看出，星光照射下，阴极所提供的对比总是高于月光，这是因为经反射后目标和背景在长波区高于月光，这是因为经反射后目标和背景在长波区相差悬殊，而星光在长波区相对分布大于月光，因相差悬殊，而星光在长波区

33、相对分布大于月光，因而经目标反射之后，星光提供的辐射差比月光提供而经目标反射之后，星光提供的辐射差比月光提供的辐射差为大，而经同一阴极之后，有效地反映了的辐射差为大，而经同一阴极之后，有效地反映了这一差值，所以星光提供的对比较大。这一差值，所以星光提供的对比较大。v对同一阴极，光源光谱偏向长波者，能提供较高的对同一阴极，光源光谱偏向长波者，能提供较高的初始对比。如对初始对比。如对S-25，C标红标红C星光星光C月光月光。v(3) 由于光电阴极长波阈总是大于眼睛，由于光电阴极长波阈总是大于眼睛，光电阴光电阴极极S-20，S-25，NEA等所提供的初始对比总是大于等所提供的初始对比总是大于人眼。人

34、眼。v以上三点归纳起来，是由于绿色草木和暗绿色漆在以上三点归纳起来，是由于绿色草木和暗绿色漆在长波区长波区(红光和近红外区红光和近红外区)的反射能力相差很大，如的反射能力相差很大，如果光源和阴极能够充分利用这一区域，则目标和背果光源和阴极能够充分利用这一区域，则目标和背景产生的光电子密度相差悬殊，因而能够提高初始景产生的光电子密度相差悬殊，因而能够提高初始对比。对比。v所以所以,要尽可能地延伸阴极在长波要尽可能地延伸阴极在长波(红外红外)响应，并努响应，并努力提高高效长波辐射光源。以上三结论是研究像管力提高高效长波辐射光源。以上三结论是研究像管光电阴极和光源的指导思想。光电阴极和光源的指导思想

35、。4.2.2 像管的增益特性像管的增益特性v足够的亮度是观察图像的必要条件，要有足足够的亮度是观察图像的必要条件，要有足够的亮度，使输出的亮度足够亮，眼睛不会够的亮度，使输出的亮度足够亮，眼睛不会因亮度而影响探测能力。而输出亮度的大小，因亮度而影响探测能力。而输出亮度的大小，在入射照度一定时，由亮度增益所决定。在入射照度一定时，由亮度增益所决定。1增益的定义增益的定义 1) 亮度增益定义为：像管输出亮度亮度增益定义为：像管输出亮度L与阴极入射照度与阴极入射照度Ev之比的之比的 倍倍 vLELG2 ) 辐射亮度增益辐射亮度增益 eLeELG由于由于Ev=EeK KGEKLGLvLevLEMG对朗

36、伯光源增益对朗伯光源增益式中式中M为光出射度为光出射度lm/m23) 光通量增益光通量增益 inouG/inou,分别为输出和输入光通量。分别为输出和输入光通量。 又因为又因为 2sLvcMAGG mEAm像管几何放大率像管几何放大率 As, Ac分别为荧光屏和阴极有效面积。分别为荧光屏和阴极有效面积。 所以，光通量增益为亮度增益的所以，光通量增益为亮度增益的m2倍倍 2亮度增益的大小亮度增益的大小 1111cAREI v电子光学系统透射比为电子光学系统透射比为 ，高压为，高压为U1，轰击荧光屏的电流功，轰击荧光屏的电流功率为率为 ： 111111111cAuREuIP 设屏的发光效率为设屏的

37、发光效率为 （ lm/w），阳极有效面积为），阳极有效面积为As1，则屏发，则屏发出的光通量为出的光通量为111111111cAuREP21111111111muRAEEMGsL1121/CSAAm v对于单级像管，设入射照度为对于单级像管，设入射照度为E1，积分灵敏度为，积分灵敏度为 ，阴极有，阴极有效面积效面积AC1，则阴极发射的电流，则阴极发射的电流I1为：为：1R1v对于二级像管，第一级出射的光通量就是第二级的对于二级像管，第一级出射的光通量就是第二级的入射光通量，则第二级的输出光通量。入射光通量，则第二级的输出光通量。221222222222uRuIP2221212121121221

38、2mmuuRRAEEMGsL22212112212mmAAAAAAmcscscs2322213213213211321mmmuuuRRRGL3. 亮度增益的分析亮度增益的分析v亮度增益与像管各参量的关系，在一定照度范围亮度增益与像管各参量的关系，在一定照度范围内，内，GL与与 ,R, , U成正比，与成正比，与m2成反比，我成反比，我们希望通过改变这些参数来提高象管增益。们希望通过改变这些参数来提高象管增益。v(1) 电子光学系统的透过率电子光学系统的透过率 要高，亦即电子光要高，亦即电子光学系统阻挡的电子尽可能少，这要通过合理地选学系统阻挡的电子尽可能少，这要通过合理地选择设计电子光学系统，

39、在保证系统像质的前提下择设计电子光学系统，在保证系统像质的前提下增大阳极孔径，保证边缘轨迹不被切割。增大阳极孔径，保证边缘轨迹不被切割。2322213213213211321mmmuuuRRRGLv(2) 阴极积分灵敏度阴极积分灵敏度R要大，这一方面要求光电要大，这一方面要求光电阴极的峰值灵敏度阴极的峰值灵敏度Rm及阴极与光源的光谱匹配系及阴极与光源的光谱匹配系数大，第一级光电阴极与目标入射来的辐射光谱数大，第一级光电阴极与目标入射来的辐射光谱要很好地吻合，中间的阴极响应与前级荧光屏的要很好地吻合，中间的阴极响应与前级荧光屏的发射光谱也要很好地吻合。发射光谱也要很好地吻合。v由于夜天光主要在红

40、光和近红外区，绿色草木在由于夜天光主要在红光和近红外区，绿色草木在这一光波段的反射能力很强，它和军事目标在这这一光波段的反射能力很强，它和军事目标在这一光波区的反射能力相差悬殊，所以延伸阴极长一光波区的反射能力相差悬殊，所以延伸阴极长波响应即可提高对比，又能提高增益。波响应即可提高对比，又能提高增益。2322213213213211321mmmuuuRRRGLv(3) 加速电压加速电压U越高，增益越大，但是过高的电越高，增益越大，但是过高的电压会使场致发射加剧，甚至造成放电，使图像压会使场致发射加剧，甚至造成放电，使图像对比显著下降，严重响应成像质量。因此电压对比显著下降，严重响应成像质量。因

41、此电压要恰到好处，适可而止。要恰到好处，适可而止。v(4) 荧光屏的发光效率荧光屏的发光效率 要高，这可通过选择合要高，这可通过选择合适的粉型及工艺来达到。粉层较厚，颗粒大，适的粉型及工艺来达到。粉层较厚，颗粒大，荧光屏效率高，但鉴别率降低。荧光屏效率高，但鉴别率降低。2322213213213211321mmmuuuRRRGLv(5) 窗口及中间耦合材料的透光率要高。如果采用窗口及中间耦合材料的透光率要高。如果采用光纤板，有效数值孔径要大。光纤板，有效数值孔径要大。v(6) 缩小电子光学系统的线倍率，亮度增益将以平缩小电子光学系统的线倍率，亮度增益将以平方关系增加，但是图像变小，因而观察视角

42、减小，方关系增加，但是图像变小，因而观察视角减小，不利于观察；而且由于荧光屏的鉴别率有限，过不利于观察；而且由于荧光屏的鉴别率有限，过小的图像细节难以分辨，所以不宜太小，一般取小的图像细节难以分辨，所以不宜太小，一般取m在在0.51之间。之间。2322213213213211321mmmuuuRRRGLv像管之所以能够实现亮度增益，其实质在于高压像管之所以能够实现亮度增益，其实质在于高压u的作用，通过高压，电子能量增加，亮度增加。而的作用，通过高压，电子能量增加，亮度增加。而其它因素只能起传递和转换图像的作用，没有能量其它因素只能起传递和转换图像的作用，没有能量馈入，但是这些因素对增益影响极大

43、，必须合理选馈入，但是这些因素对增益影响极大，必须合理选取。取。v像管的亮度增益并非越大越好，增益过大会使输出像管的亮度增益并非越大越好，增益过大会使输出亮度过高，产生眩目现象，通常保证输出亮度为亮度过高，产生眩目现象，通常保证输出亮度为10cd/m2的数量级即可，三级像增强器工作在的数量级即可，三级像增强器工作在10-3lx光照条件下，其亮度增益光照条件下，其亮度增益(25)104倍。要用自动倍。要用自动亮度控制电路。亮度控制电路。2322213213213211321mmmuuuRRRGL4.2.3 像管的光传递特性像管的光传递特性指输出亮度随入射照度的关系指输出亮度随入射照度的关系 v入

44、射照度较低时，输出亮度同入射照度保持着线入射照度较低时，输出亮度同入射照度保持着线性，当入射照度大到某一值后，亮度不再增加，这性，当入射照度大到某一值后，亮度不再增加，这个现象称饱和，在出现饱和后，亮度增益将随照度个现象称饱和，在出现饱和后，亮度增益将随照度增加而下降增加而下降. 亮度增益将随照度增加而下降的原因亮度增益将随照度增加而下降的原因v(1) 光电阴极光电发射的有限性，它的发射能力光电阴极光电发射的有限性，它的发射能力不可能无限制地增加，所以当入射照度大到一不可能无限制地增加，所以当入射照度大到一定值后，阴极出现疲劳现象，阴极没有能力迅定值后，阴极出现疲劳现象，阴极没有能力迅速补偿所

45、失去的大量电子，致使光电子发射的速补偿所失去的大量电子，致使光电子发射的数目减小；数目减小；v(2) 空间电荷区。由于入射照度增加，阴极发射光空间电荷区。由于入射照度增加，阴极发射光电子数目随着增加，因而在光电子奔赴荧光屏的过电子数目随着增加，因而在光电子奔赴荧光屏的过程中，空间电荷效应增加，结果使部分电子不能打程中，空间电荷效应增加，结果使部分电子不能打在屏上，影响亮度的增加；在屏上，影响亮度的增加；v(3) 在光电子密度太大时，荧光屏的发光能力也在光电子密度太大时，荧光屏的发光能力也不可能无限的增大。一般来说，荧光屏对亮度不可能无限的增大。一般来说，荧光屏对亮度饱和现象影响不大。饱和现象影

46、响不大。vL-E线性部分，线性部分，G是常数可以测量，但达到饱和是常数可以测量，但达到饱和后，后，G不再是常数，所以测试像管增益时，必须不再是常数，所以测试像管增益时，必须考虑工作照度，使其光学传递特性处在线性范考虑工作照度，使其光学传递特性处在线性范围内。围内。4.2.4 像管的背景特性像管的背景特性v像管的背景指它的背景亮度，即指除信号以外的附加亮度，像管的背景指它的背景亮度，即指除信号以外的附加亮度，根据背景的来源又分为暗背景亮度和信号感生背景亮度。根据背景的来源又分为暗背景亮度和信号感生背景亮度。 v1暗背景暗背景v把象管置于完全黑暗的环境中，当加上工作电压后，荧光屏把象管置于完全黑暗

47、的环境中，当加上工作电压后，荧光屏上仍然会发出一定亮度的光，这种无照射时荧光屏的发光称上仍然会发出一定亮度的光，这种无照射时荧光屏的发光称为象管的暗背景。为象管的暗背景。v 主要来源主要来源:v 光电阴极的热发射电流光电阴极的热发射电流;v 局部场强产生的场致发射局部场强产生的场致发射;v 电极上的二次电子发射等等电极上的二次电子发射等等.v 这些电子也在电场的加速下轰击荧光屏使之发光。这些电子也在电场的加速下轰击荧光屏使之发光。v 暗背景影响暗背景影响: v由于暗背景的存在，在荧光屏上的目标图象上都叠加了一个由于暗背景的存在，在荧光屏上的目标图象上都叠加了一个背景亮度，使图像的对比下降，甚至

48、在微弱照明下产生的图背景亮度，使图像的对比下降，甚至在微弱照明下产生的图像有可能淹没在背景中而不能辨别。像有可能淹没在背景中而不能辨别。 2信号感生背景信号感生背景Lsb当管子受到辐照时还要引起一种与入射信号无关的当管子受到辐照时还要引起一种与入射信号无关的附加背景亮度，附加背景亮度， 主要来源有：光反馈和离子反馈。主要来源有：光反馈和离子反馈。 背景等效照度背景等效照度Eb定义为与暗背景亮度定义为与暗背景亮度相当的阴极入射照度相当的阴极入射照度 LdBbeGLELdB暗背景亮度暗背景亮度GL亮度增益。亮度增益。LdB一般为一般为10-310-2(cd/m2)，通过增益可得，通过增益可得Ebe

49、，而通常变像管的而通常变像管的Ebe为为10-3lx数量级，而微光管数量级，而微光管Ebe为为10-7lx数量级数量级v光反馈来源光反馈来源: v入射光有一部分要透过半透明阴极，这部分透过光入射光有一部分要透过半透明阴极，这部分透过光在管内电极和管壁的散射下又反馈到光电阴极上，在管内电极和管壁的散射下又反馈到光电阴极上，v另外荧光屏的光也有一部分经过阳极孔或管壁和电另外荧光屏的光也有一部分经过阳极孔或管壁和电极的散射反馈到光电阴极上。极的散射反馈到光电阴极上。v所有这些反馈都将引起光电阴极产生不希望有的电所有这些反馈都将引起光电阴极产生不希望有的电子发射，并在荧光屏上激发一个附加的背景亮度，子

50、发射，并在荧光屏上激发一个附加的背景亮度，这就是这就是光反馈光反馈。v减少光反馈的办法：减少光反馈的办法：v在像管中，黑化电极、荧光屏上蒸铝以及合理地减在像管中，黑化电极、荧光屏上蒸铝以及合理地减小阳极孔径尺寸，都是小阳极孔径尺寸，都是减少光反馈减少光反馈的措施。的措施。v离子反馈离子反馈:v是由于管内残余气体被电离后，正离子轰击阴极表是由于管内残余气体被电离后，正离子轰击阴极表面而产生的大量二次电子所造成的。离子反馈在无面而产生的大量二次电子所造成的。离子反馈在无光照时由于热发射电流的作用就已存在，当有光照光照时由于热发射电流的作用就已存在，当有光照时将随入射光强度的提高又有所增加。时将随入

51、射光强度的提高又有所增加。3背景对像质的影响背景对像质的影响像管的总背景亮度像管的总背景亮度Lb是暗背景亮度是暗背景亮度Ldb和入射辐射所和入射辐射所引起的信号感生背景亮度引起的信号感生背景亮度Lsb之和之和Lb=Ldb+Lsb 在没考虑背景亮度在没考虑背景亮度时，图像对比度时，图像对比度: minmaxminmax0LLLLC在考虑背景亮度时在考虑背景亮度时,荧光屏的图象对比荧光屏的图象对比度度 : bbbbbLLLLLLLLCminmaxminmax)()(minmaxminmax0LLLLCbbbbbLLLLLLLLCminmaxminmax)()(在没考虑背景亮度在没考虑背景亮度时，图

52、像对比度时，图像对比度: 在考虑背景亮度时在考虑背景亮度时,荧光屏的图象对比度荧光屏的图象对比度 :1100(1)babsbCCC对比恶化系数与光对比恶化系数与光照度之间的关系照度之间的关系 4.2.5 像管的传像特性像管的传像特性 指像管传递图象时，对图像几何形状和亮度分布的影响指像管传递图象时，对图像几何形状和亮度分布的影响 放大率：像管出射端图象的线性尺寸放大率：像管出射端图象的线性尺寸l 与入射端图像与入射端图像相应的线性尺寸相应的线性尺寸l之比之比 llM变像管和像增强器是一种宽束电子光学系统的电真空变像管和像增强器是一种宽束电子光学系统的电真空器件，它的边缘由于透镜对不同的离轴距离

53、的物点单器件，它的边缘由于透镜对不同的离轴距离的物点单向放大率不同，而产生图象畸变向放大率不同，而产生图象畸变.成像器件的畸变图形成像器件的畸变图形（a）没有畸变的原始图形）没有畸变的原始图形 (b) 枕形畸变图形枕形畸变图形 (c) 桶形畸变图桶形畸变图如果离轴愈远的物点单向放大率比近轴放大率大，如果离轴愈远的物点单向放大率比近轴放大率大，则产生则产生“枕形枕形”畸变，畸变，如果离轴愈远的物点单向放大率比近轴放大率如果离轴愈远的物点单向放大率比近轴放大率小，则产生小，则产生“桶形桶形”畸变畸变.v根据畸变定义，对多级像管有根据畸变定义，对多级像管有vDr=(D1r+1)(D2r+1)(D3r

54、+1)-1 v放大率和畸变的测量放大率和畸变的测量 v畸变可用实际放大率和理想放大率来求得，畸变可用实际放大率和理想放大率来求得，所以就用不着单独测量畸变，只要测出这两所以就用不着单独测量畸变，只要测出这两种放大率就够了。种放大率就够了。v安置在平行光管焦面上的测试板安置在平行光管焦面上的测试板(分划板分划板)，在毛玻璃散射光，在毛玻璃散射光的照射下，经物镜和投影物镜后成象在象管的阴极面上，通的照射下，经物镜和投影物镜后成象在象管的阴极面上，通过像管，在屏上得到测试板的输出图像。只要测出测试板上过像管，在屏上得到测试板的输出图像。只要测出测试板上图案的像高及阴极面上的物高，即可算出象管的放大率

55、，由图案的像高及阴极面上的物高，即可算出象管的放大率，由中心区中心区(认为是理想成像认为是理想成像)和轴外某点的放大率，可算出该点和轴外某点的放大率，可算出该点的畸变值。的畸变值。v读出中心轴上放大率读出中心轴上放大率m0和和r处的放大率。通常所说的放大率，处的放大率。通常所说的放大率，是指中心区而言的。中心区一般取为十分之一有效工作直径是指中心区而言的。中心区一般取为十分之一有效工作直径的区域，而畸变则指的区域，而畸变则指80%有效工作直径处。认为中心的图象有效工作直径处。认为中心的图象是高斯图象。是高斯图象。v畸变低至畸变低至35%，一般认为对观察者来说，已没有什么影响。，一般认为对观察者

56、来说，已没有什么影响。4.2.6 像管的时间响应特性像管的时间响应特性 像管的时间响应特性主要由荧光屏所决定，像管的时间响应特性主要由荧光屏所决定，因为光电阴极的发射过程很短，约为因为光电阴极的发射过程很短，约为10-12s量量级级; 光电子在管中的渡越时间也很短，约为光电子在管中的渡越时间也很短，约为10-10s量级量级; 荧光屏的惰性时间由荧光粉的类型和激发电荧光屏的惰性时间由荧光粉的类型和激发电子流密度所决定，通常为子流密度所决定，通常为ms级。对于特殊需要级。对于特殊需要的像管，应选择短余辉的粉型。的像管，应选择短余辉的粉型。 4.2.7 空间分辨特性空间分辨特性 定义定义:周期量在单

57、位空间（单位长度、面积、体积）上周期量在单位空间（单位长度、面积、体积）上变化的周期数变化的周期数 bf21(1) 单位长度上的周期数，记为单位长度上的周期数，记为f， lp线对，每一线线对，每一线对包含一条亮线和一条暗线，单位为每毫米线对对包含一条亮线和一条暗线，单位为每毫米线对 lp/mm。(2) 以整个目标上的周期数表示，记为以整个目标上的周期数表示，记为ft，这样，这样ft=f h= h目标总宽度目标总宽度2hb1. 空间频率空间频率2 . 空间分辨率空间分辨率 定义为：成像系统能够将两个相隔极近的目标的像定义为：成像系统能够将两个相隔极近的目标的像刚好刚好能分辨清的能力，它反映了系统

58、的成像和传像能分辨清的能力，它反映了系统的成像和传像能力，单位是能力，单位是“线对线对/毫米毫米”， 例如说某像管的分辨率是例如说某像管的分辨率是30lp/mm，就是指空间频，就是指空间频率数小于或等于率数小于或等于30lp/mm，对比度为，对比度为100%的测试图的测试图案经过像管后能看清，而大于案经过像管后能看清，而大于30lp/mm的测试图案的测试图案则模糊不清，就是再放大几倍也分辨不出条纹。则模糊不清，就是再放大几倍也分辨不出条纹。 v测试分辨率比较测试分辨率比较常用图案是栅格常用图案是栅格状的标准测试板。状的标准测试板。v 共有五块？，共有五块？，v每一块由每一块由25个单个单元组成

59、，元组成，v每一单元又由互每一单元又由互成成45的四个方向的四个方向的条纹组成，的条纹组成，v各单元的条纹宽各单元的条纹宽度按一定的排列度按一定的排列依次减小，依次减小，v空间频率逐渐增空间频率逐渐增大。大。所谓分辨出的线对数是指四个方向的条纹能同时分辨出，所谓分辨出的线对数是指四个方向的条纹能同时分辨出，如果不能同时看清，则认为该单元是不可分辨的。如果不能同时看清，则认为该单元是不可分辨的。分辨率是：分辨率是：限制人眼分辨能力的因素有三个：限制人眼分辨能力的因素有三个： 物体的亮度物体的亮度;视角视角;亮度对比度亮度对比度v测试条件：测试条件：v为便于各器件间进行比较，测试图案的亮度对为便于

60、各器件间进行比较，测试图案的亮度对比取规定值，如，比取规定值，如，v测试板的照度足够强，至少大于测试板的照度足够强，至少大于10-3cd/cm2，像管荧光屏的像应调到适合于人眼的亮度；像管荧光屏的像应调到适合于人眼的亮度；v取最大亮度对比取最大亮度对比C=1；v测试分辨率时，测试者用测试分辨率时，测试者用520倍的放大镜观察倍的放大镜观察屏上的图象。屏上的图象。 分辨率的局限分辨率的局限用分辨率评定器件的传像特性，其优点是方便、简单、用分辨率评定器件的传像特性，其优点是方便、简单、直观，直观，但是也有但是也有缺点缺点，主要是：，主要是：（1）受主观因素影响；）受主观因素影响；（2）只给出极限结