光电检测第七章真空成像器件

1、光电检测第七章真空成像器件第1页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一真空成像器件应用范围第七章真空成像器件 图像测量 零件微小尺寸及质量的检验 光学干涉图像判读 机器视觉：自动瞄准 定位 跟踪 识别 控制第2页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一本章内容第七章真空成像器件7.1 像管7.1 像管7.2 常见像管7.3 摄像管7.4 光导靶和存储靶7.5 摄像管的特性参数7.6 摄像管的发展方向第3页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一像管第七章真空成像器件 真空成像器件中没有扫描机构的称为像管。 像管的主要功能是把不可见辐射(红

2、外或紫外)图像或微弱光图像通过光电阴极和电子光学系统转换成可见光图像。 把不可见辐射图像转换成可见光图像的象管称为变象管。 使微弱光图像增强的象管称为像增强器。返回第4页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一摄像管第七章真空成像器件真空成像器件中有扫描机构的称为摄像管。摄像管是把可见光或不可见辐射(红外、紫外或X射线等)的二维图像通过光电靶和电子束扫描后转换成相应的一维视频信号, 通过显示器件再成像的光电成像器件。摄像管根据光电靶转换的方式又分为摄像管和视像管两类。返回第5页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一像管第七章真空成像器件 像管包括变像管和像

3、增强器。 变像管是一种能把各种不可见辐射(红外,紫外和X射线)图像转换成可见光图像的真空光电成像器件。 像增强器是能把微弱的辐射图像增强到人眼可直接观察的真空光电成像器件,因此也称为微光管。 变像管和像增强器都具有光谱变换、图像增强和成像的功能。7.1 像管第6页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件第三是将增强的电子图像转换成可见的光学图像。7.1 像管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:其次是使电子图像获得能量或数量增强，并聚焦成像；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；第7页，共104页，2022年，5月2

4、0日，17点42分，星期一7.1节内容第七章真空成像器件7.1 像管7.1.1 像管结构和工作原理返回7.1.2 像管的特性参量第8页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一像管结构和工作原理第七章真空成像器件 像管由3个基本部分组成,如图所示。一、光电变换部分,即光电阴极;（实现光电转换） 二、电子光学系统,即电子透镜；(实现电子加速) 三、电光变换部分，即荧光屏；（实现图像显示）7.1 像管返回第9页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一光电阴极第七章真空成像器件光电阴极使不可见的亮度很低的辐射图像转换成电子图像。 像管中常用的光电阴极有4种: 银氧铯

5、光电阴极； 单碱和多碱光电阴极； 各种紫外光电阴极； 负电子亲合势(NEA)光电阴极。7.1 像管返回第10页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一电子光学系统第七章真空成像器件电子光学系统对电子施加很强的电场和磁场,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。 电子光学系统有两种形式：静电系统:靠静电场的加速和聚焦作用来完成;电磁复合系统:靠静电场的加速和磁场的聚焦作用来共同完成。7.1 像管返回第11页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一静电系统第七章真空成像器件 又可分

6、为非聚焦型和聚焦型两种。 非聚焦型电子光学系统结构的像管,一般由光电阴极和阳极(与荧光屏在一起)构成。两者平行且距离很近,所以这种像管又称近贴式像管。 工作时两极之间加上高压,形成纵向均匀电场,只能对光电子起到加速作用,不能聚焦成像,所以从光电阴极上同一点发出的不同初速的光电子,不能在荧光屏上会聚成一个像点,而是一个弥散圆斑。因此,近贴式像管的分辨率较低。7.1 像管第12页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 聚焦型电子光学系统有双圆筒电极系统和双球面电极系统两种形式,如图所示。 从图中可知,从光电阴极发出的电子只能从阳极中间的小孔通过;7.1 像管第

7、13页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件由等位线可以看出:电子从阴极到阳极运动过程中会受到聚焦和加速,然后射向荧光屏,并在荧光屏上成一倒像,如图所示。7.1 像管返回第14页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件复合聚焦电子光学系统(即电磁聚焦系统)中既有磁场也有电场。如图所示。7.1 像管第15页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 从光电阴极面上发出的电子在纵向电场和磁场的复合作用下,都能以不同螺旋线向阳极前进;由阴极面上同一点发出的电子,只要在轴向有相同的初速度,如图所

8、示就能保证在一个周期之后相聚于一点。电磁聚焦的优点：聚焦作用强,容易调节,边缘像差小,分辨率高; 缺点：体积和重量较大,结构较复杂。7.1 像管返回第16页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一荧光屏第七章真空成像器件7.1 像管荧光屏的作用是在高速电子的轰击下将电子图像转换成可见光图像。一般要求荧光屏不仅应具有高的转换效率,而且屏的发射光谱要同人眼或与之耦合的下级光电阴极的吸收光谱一致。常见荧光屏发光材料的光谱发射特性如图所示。返回第17页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一像管的特性参量第七章真空成像器件7.1 像管1.光谱响应特性和光谱匹配返回2

9、.增益特性3.等效背景照度4.分辨率第18页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件7.1 像管像管的光谱响应特性由光电阴极的响应特性决定,因此描述像管光谱响应特性的参量有 光谱响应特性和光谱匹配 光谱灵敏度量子效率光谱特性曲线积分灵敏度第19页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件7.1 像管光谱匹配是指像管的光源与光电阴极、光电阴极与荧光屏、荧光屏与人眼视觉函数之间的光谱分布匹配,即两两光谱响应曲线的重合程度大小 。如图所示，可表示为返回第20页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像

10、器件7.1 像管确定波长在单色光照射时,阴极输出光电流与入射的单色辐射通量之比。即其量纲为A/W或A /W。返回光谱灵敏度第21页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件7.1 像管光电阴极受特定波长的光照射时,该阴极所发射的光电子数Ne()与入射的光子数Np()之比值,称为量子效率,用符号Q()表示。光电阴极的量子效率决定像管的灵敏度。 返回量子效率第22页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件7.1 像管在一定的白光(色温2856K的钨丝灯)照射下，光电阴极光电流与入射的白光光通量之比，称为积分灵敏度。即返回积分灵敏

11、度第23页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件7.1 像管光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射光波长的关系曲线,称为光谱响应曲线。返回光谱特性曲线第24页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一增益特性第七章真空成像器件 亮度增益是荧光屏的光亮度Ba和入射至光电阴极面上的照度Ek之比,以GB表示。7.1 像管为常数。单级变像管的增益为式中:为荧光屏的发光效率;Sk为光电阴极对光源的积分灵敏度;Ua为像管的阳极电压;为光电子透过系数;Ak、Aa分别为光电阴极和荧光屏的面积。返回第25页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星

12、期一等效背景照度第七章真空成像器件7.1 像管 无光照时，荧光屏的发光称为像管的暗背景。 等效背景照度是指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度值,以EBI表示。式中,Bb为暗背景亮度。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起的场致发射。返回第26页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一分辨率第七章真空成像器件 所谓分辨率是指在足够照度下（100lx为宜），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,单位是每毫米线对数,记为lp/mm。 这种方法总会受到主观因素的影响。比

13、较客观的方法是采用调制传递函数来描述。7.1 像管返回第27页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一常见像管第七章真空成像器件7.2 常见像管7.2.1 常见变像管返回7.2.2 常见像增强器7.2.3 特殊变像管第28页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一常见变像管第七章真空成像器件变像管是指把不可见光转换为可见光的器件。7.2 常见像管1. 红外变像管返回2. 紫外变像管3. 选通式变像管第29页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一红外变像管第七章真空成像器件核心部分是对红外光敏感的光电阴极。当红外光照射到阴极时，产生光电发射

14、，经过电子光学系统，实现光谱变换。红外变像管结构如图所示。7.2 常见像管第30页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 图(a)所示的红外变像管,由于光电阴极和荧光屏都是平面,使边缘像质变差; 图(b)所示的红外变像管,把光电阴极和荧光屏制成平凹形,经过光学纤维面板的导光从而大大提高了像质。7.2 常见像管返回第31页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一紫外变像管第七章真空成像器件 紫外变像管的窗口材料为石英玻璃,光电发射材料为S-11,Sb-Cs阴极。它可以使波长大于200 nm的紫外光变成光电子。紫外变像管与光学显微镜结合起来,

15、可用于医学和生物学等方面的研究。7.2 常见像管返回第32页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一选通式变像管第七章真空成像器件变像管的光电阴极和阳极间增加一对带孔阑的金属电极-控制栅极,就成为选通式变像管,如图所示。只要改变栅极的电压就可控制变像管的导通。7.2 常见像管第33页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件7.2 常见像管 工作原理如图所示。只要选通式变像管的工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质量。返回第34页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一常见像增强器第七章真空成像器件

16、7.2 常见像管像增强器是一种能把微弱的光学图像增强、转换成适合人眼观察的光学图像的真空成像器件。1.级联式像增强器返回2.微通道板像增强器3.第三代像增强器4.X射线像增强器第35页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一级联式像增强器第七章真空成像器件7.2 常见像管 在实际应用中，为了获得更高的亮度增益，将完全相同的单级像管，用光学纤维面板进行多级耦合。如图a所示。 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完成级间耦合。第36页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件7.2 常见像管 由于每级像管都成倒像

17、，所以耦合的级数多取单数，通常为三级。该像管称为第一代像增强器。如图所示为三级级联式像增强器的结构示意图。 第一代像增强器具有与增益高、成像清晰的优点，但重量大，防强光能力差。第37页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 为了保证连接后的成像效果,必须注意荧光屏和后级光电阴极的光谱匹配,即荧光屏发射的光谱峰值与光电阴极吸收的峰值波长相接近,而最后一级荧光屏的发射光谱特性应与人眼的明视觉光谱光视效率曲线相一致。 若单级像增强器的分辨率大于50lp/mm,三级像增强器可达3038 lp/mm,亮度增益可达105。7.2 常见像管返回第38页，共104页，20

18、22年，5月20日，17点42分，星期一微通道板像增强器第七章真空成像器件微通道板是两维空间的电子倍增器，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510m。工作原理如图所示。7.2 常见像管第39页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一7.2 常见像管第七章真空成像器件 通道内壁具有较高的二次电子发射系数。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内壁，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。 第40页，共104页，2022年，5月2

19、0日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 微通道板像增强器属于第二代像管。 第二代像管与第一代像管的根本区别在于：它不是用多级级联实现光电子倍增，而是采用在单级像管中设置微通道板来实现电子图像倍增的。可得到108量级的电子增益。 微通道板像增强器有两种结构形式:双近贴式和倒像式。 倒像式增强器性能上比双贴近式好一些，但重量较大。7.2 常见像管返回第41页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 双近贴式像增强器,如图所示。其光电阴极、微通道板、荧光屏三者相互靠得很近,故称双近贴。 光电阴极发射的光电子在电场作用下,进入微通道板输入端,经MCP电子倍增和

20、加速后打到荧光屏上,输出光学图像。 这种管子体积小、重量轻、使用方便,但像质和分辨率较差。7.2 常见像管返回第42页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 如图所示为倒像式像增强器,它与单级像管结构十分相似,只是在电子光学系统与荧光屏之间插入微通道板,像增强器的输入端、输出端均采用光纤面板。由微通道板增强后的电子图像通过近贴聚焦到荧光屏上。由于在荧光屏上所成的像，相对于光阴极上的像来说是倒像，因此称为倒像管。7.2 常见像管返回第43页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第三代像增强器第七章真空成像器件 负电子亲合势光电阴极在可见光

21、范围和近红外区都有较高的灵敏度和量子效率。 第二代像增强器的微通道板结构配以负电子亲合势光电阴极,就构成第三代像增强器。 这种像增强器能同时起到光谱变换和微光增强的作用,因此可做到一机二用。7.2 常见像管第44页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 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光阴极，其光灵敏度约为250 550uA/lm；而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l000uA/lm 以上。因此第三代像管具有高增益、低噪声的优点。 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

22、具有较高的图像分辨力。由于这些特点使第三代像管成为目前性能最优越的直视型光电成像器件。7.2 常见像管返回第45页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一X射线像增强器第七章真空成像器件X射线像增强器实质是一种变像管,它的作用是将不可见的X射线图像转换成可见光图像,并使图像亮度增强。如图所示,一般的X射线像增强器是由输入7.2 常见像管转换屏、光电阴极、电子光学系统和输出荧光屏几部分组成的。比普通像管多了一个输入转换荧光屏。第46页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 输入转换屏位于射线变像管的输入窗内，它与外壳之间设置薄铝层以挡杂光；

23、 X射线通过被检体后,在输入转换屏前形成被检体的X射线图像,此图像轰击转换屏后转换成微弱的可见光图像;微弱的可见光图像激发相邻的光电阴极发射相应的电子图像;光电子流被电子光学系统聚焦和加速;高能电子激发输出荧光屏,将电子图像转换成尺寸缩小而亮度增强的可见光图像。7.2 常见像管第47页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 把用CsI: Na材料做转换屏的增强器称为第二代X射线像增强器;7.2 常见像管 把含有MCP板的X射线像增强器称为第三代,如图所示。 第三代X射线像增强器灵敏度高,在一般室内光线下可直接观察和照明。返回第48页，共104页，2022年

24、，5月20日，17点42分，星期一特殊变像管第七章真空成像器件7.2 常见像管1.图像放大像管返回2.多功能像增强器3.位置敏感传感器像管第49页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一图像放大像管第七章真空成像器件如图所示,图像放大像管是由光电阴极、磁性线圈(放大、聚焦、偏转)、微通道板及荧光屏组成的磁聚焦型像管。可实现对目标的细微局部进行图像放大和增强。7.2 常见像管返回第50页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一多功能像增强器第七章真空成像器件多功能像增强器由光电阴极、电子光学系统、栅极偏转板、旋转线圈、微通道板和荧光屏组成,如图所示。改变加在偏

25、转板上的电压可使图像朝X和Y两个方向移动,使图像放大;改变电极G1电压可改变光电子速度,使图像增亮;管子后部所加的平行于管轴的均匀磁场可使图像旋转,旋转的角度正比于所加的磁场强度。7.2 常见像管返回第51页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一位置敏感传感器像管第七章真空成像器件 如图是位置敏感传感器像管的结构示意图。它用位置敏感传感器(PSD)代替了一般像管的荧光屏,并多加了几个MCP板。7.2 常见像管第52页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 这种像管的工作原理是:从目标来的入射光子被光电阴极转换成光电子,经电子透镜、3块M

26、CP倍增放大(107)后,这些电子群被加速注入位置敏感传感器的敏感面并产生大量的电子-空穴对,最后从位7.2 常见像管置敏感传感器输出电极以脉冲电流形式输出。如图所示为位置敏感传感器像管工作原理图。返回第53页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一摄像管第七章真空成像器件7.3 摄像管7.3.1 摄像管的作用及分类返回7.3.2 摄像管的结构和工作原理第54页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一摄像管的作用及分类第七章真空成像器件摄像管是把按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。 按光电变换形式，摄像管基本上分为两类。 -光电发射型摄像

27、管。 -光电导型摄像管。7.3 摄像管返回第55页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 光电发射型摄像管是利用外光电效应进行光电转换的，有时也简称摄像管,属于微光摄像,其增益和灵敏度很高,可工作在亮度较低的场合。如图所示。7.3 摄像管返回第56页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 光电导型摄像管是利用内光电效应进行光电转换的,也称为视像管,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PN结(阻挡)型两种。视像管的特点是:结构简单,体积小,使用方便,在工业电视中被广泛应用。7.3 摄像管第57页，共1

28、04页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 光电发射型摄像管和光电导型摄像管的区别是前者有移像区,移像区包括光电阴极和电子光学系统,后者没有。 二者共同的地方是两者都有扫描区,也称电子枪。电子枪部分包括灯丝、热阴极、控制栅极、各加速电极和聚焦电极、靶网电极和管外的聚焦线圈、偏转线圈和校正线圈。它们的作用是产生热电子,并使它聚焦成很细的电子射线,按一定轨迹扫描靶面。7.3 摄像管返回第58页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一摄像管的结构和工作原理第七章真空成像器件 摄像管具有3个基本功能:光电变换、光电信息积累、储存及扫描输出。7.3 摄像管1

29、.视象管结构与工作原理2.光电发射型摄像管的结构和工作原理第59页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件概括地说,摄像管的工作原理是: 首先，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，通过电子束扫描把电位图像读出,形成视频信号输出。7.3 摄像管返回第60页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一视象管结构与工作原理第七章真空成像器件7.3 摄像管 如图所示,视像管由光导靶和电子束扫描区构成。其光电变换和光电信息的积累和储存功能都由光电导靶来完成。当被摄景物的光学图像通过物镜成像到摄像管上时,由于光

30、电导靶材料的光电导作用,在靶面上就建立起与入射光照度分布相对应的电位图像,这就完成了光电变换的功能;第61页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 持续的光电变换过程实现了光电量的积累。 从电子枪发射出来的电子束依次沿着靶面扫描, 将靶面的电位起伏顺序地转变成视频信号输出,就完成了扫描输出的功能。7.3 摄像管第62页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 如图所示靶面电位的变化，说明了不同光照下像素所对应的信号电压的形成过程。7.3 摄像管返回第63页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一光电发射

31、型摄像管的结构和工作原理第七章真空成像器件如图所示,光电发射型摄像管的结构包括光电阴极、移像区、存储靶和电子束扫描区4部分。其光电变换和光电信息的积累和储存功能分别由光电阴极和存储靶完成，它们之间隔一个移像区。7.3 摄像管第64页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 移相区的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，以便在靶上产生更多的电荷，提高摄像管的响应率。在靶面电位图像建立后由电子枪用细电子束进行扫描而获取视频信号。 当电子束扫描各像素时，由于电子上靶的中和作用使靶面电位与电子枪阴极电位平衡；由于靶面各像素累积电荷不同，需要中和的电

32、子数也不相同，这个电子数就反映了积累信号的大小。7.3 摄像管返回第65页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一光导靶和存储靶第七章真空成像器件 摄像管的关键器件是靶，视象管和光电发射型摄像管的靶的作用不同，结构也不同。7.4 光导靶和存储靶7.4.1 视像管靶返回7.4.2 光电发射型摄像管靶 存储靶第66页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一视像管靶第七章真空成像器件视像管的靶是光电导靶,靶的厚度约几微米到20m。视像管靶的主要作用是完成光学图像的光电转换和信号电荷的积累和存储。一方面要求光电导材料的电阻率1012cm,同时材料的横向电阻也应足够高

33、，方块电阻在21013 210 14 之间，这样可以防止各个像素之间表面漏电将图像电位拉平。另一方面还要求光电导材料的禁带宽度小于1.7eV2eV，使靶材料由较长的长波限。7.4 光导靶和存储靶返回第67页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件7.4 光导靶和存储靶1. 硅靶返回2. 氧化铅靶3. 异质结靶视象管靶的结构、工作原理及性能第68页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一硅靶第七章真空成像器件7.4 光导靶和存储靶 如图所示。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，在上面接有引线可同负载相连，称为信号板。挨着

34、信号板的是一块N型硅片。硅片在朝电子枪一面先生成一层SiO2 ，接着利用光刻技术在SiO2上光刻几十万个小孔再通过掺杂是每个小孔都变成P型硅，被称为P型岛。每个P型岛与N型衬底形成PN结。第69页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件7.4 光导靶和存储靶 硅靶的光电变换过程是：信号板通过引线、负载电阻与靶电源的正极相连。电子枪的热阴极接地，扫描电子束即具有地的电位。当电子束扫描到每个P型岛时，P型岛的PN结即被反偏置,结电容被充电到靶电源电压。 第70页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 无光照时,由于PN结有反

35、向漏电流(暗电流),在负载电阻上要产生少量的电压降,靶的两边成像面和扫描面之间的电压,略低于靶电源电压。 有光照时,光进入到每个PN结区将产生电子空穴对,它们被结内电场分离以后,光生电子通过信号板等外电路入地,光生空穴则被积累于P型岛上。7.4 光导靶和存储靶第71页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件如果光照是均匀的,靶的扫描面电位只是均匀地升高;如果光照不均匀,是一幅光学图像,则扫描面上各P型岛的电势分布将正比于入射光学图像的亮度分布,亮度高的点,所对应的P型岛的电势也高。当电子束扫描各个二极管时,其电位被拉平到阴极电位,产生的光电流流过负载电阻就形

36、成与光学图像对应的视频信号。硅靶的优点：光谱响应范围宽、量子效率高、抗烧伤能力强。7.4 光导靶和存储靶返回第72页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一 氧化铅靶第七章真空成像器件PbO靶的结构和工作过程都与硅靶类似。所不同的是,它是由PbO材料制成的。如图所示，PbO靶窗口玻璃内壁是一层金属膜作为信号板，接着就是PbO靶，靶的成像面一边为N型PbO，扫描面一边为P型PbO，两者之间夹着一层较厚的本征I型PbO，因而具有PIN结构。7.4 光导靶和存储靶第73页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件工作时,信号板通过负载和靶电源的正极

37、相接，电子枪的热阴极接地，当扫描电子束扫描靶面时，相当于对PIN进行反偏置。 靶电源电压45V左右，PbO靶也有光信息的存储功能，它的轴向电阻较小，横向电阻很大，扫描面上的电势起伏可保持较长时间不变。7.4 光导靶和存储靶返回第74页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一另有几种异质结靶,它们的窗口玻璃内壁涂有一层SnO2透明导电薄膜作为信号板,接着就是不同的靶,主要有以下几种。异质结靶第七章真空成像器件7.4 光导靶和存储靶1) 硒化镉(CdSe)靶返回2) 硒砷碲(SeAsTe)靶3) 碲化锌镉(ZnCdTe)靶第75页，共104页，2022年，5月20日，17点42分

38、，星期一硒化镉靶如图 (a)所示，它是在光敏半导体CdSe上镀一层绝缘膜，在两者交界处形成PN结。硒化镉靶具有分辨率高、暗电流小、在响应范围内量子效率较高的优点。硒化镉(CdSe)靶第七章真空成像器件7.4 光导靶和存储靶返回第76页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一硒砷碲(SeAsTe)靶第七章真空成像器件硒砷碲靶的膜结构见图 (b)。这种结构的靶具有光谱响应范围宽、动态范围大、信号电流大、暗电流小、分辨率高、惰性小等优点。7.4 光导靶和存储靶返回第77页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一碲化锌镉(ZnCdTe)靶第七章真空成像器件 碲化锌镉

39、靶其结构和工作过程也与硅靶类似,只是靶材料不同。它的化学成分为碲化锌镉ZnxCd1-xTe。由图 (c)可见,碲化锌镉靶有3层结构。第一层与第二层之间形成异质结,第二层与第三层之间不形成结。第一层ZnSe无光电效应，其作用是增强对短波光的吸收，提高灵敏度。7.4 光导靶和存储靶第78页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 光电效应主要发生在第二层。 第三层的作用是减小扫描电子束的电子注入效应，减少暗电流和惰性。 在可见光区，碲化锌镉靶的灵敏度比硅靶约高1.52倍，工艺较简单，成本较便宜，适宜于做低照度摄像管。7.4 光导靶和存储靶返回第79页，共104页

40、，2022年，5月20日，17点42分，星期一光电发射型摄像管靶存储靶第七章真空成像器件7.4 光导靶和存储靶1. 二次电子传导靶(SEC)返回2.增强硅靶（SIT）第80页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一二次电子传导靶(SEC)第七章真空成像器件如图所示, SEC靶有3层结构。第一层是 Al2O3膜,起机械支撑作用,厚50 70 nm;第二层是铝膜,厚50 nm,起信号板作用,通过负载电阻和靶电源的正极相接；第三层是疏松的KCl,其密度只有固体KCl的1%2%,厚1520m。7.4 光导靶和存储靶第81页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七

41、章真空成像器件 在慢电子束扫描下,靶的扫描面稳定在零电位，因此靶的两面承受着一定的靶电压。 当光电阴极发出来的光电子被加速后打到靶上时,靶将产生二次电子发射。这些二次电子除了极小一部分与正离子复合外，绝大部分在靶电场的作用下流向信号板，而在靶的扫描面留下一个正电势图像。 7.4 光导靶和存储靶第82页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 读出时,扫描电子束补充靶上失去的电子,同时把被扫点电势拉回到零。这样,在输出回路中即产生视频电流。 由此可见,这种靶的导电,不是利用材料导带中的电子或价带中的空穴,而是依靠二次电子导电的,故称它为二次电子导电靶。7.4

42、光导靶和存储靶第83页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 靶的电子增益与一次电子的加速电压有关。加速电压为8KV时,电子增益最大。当加速电压为8KV时,约有2 keV的能量消耗于穿透Al 2O3和Al层,约有2 keV的能量消耗于穿透SEC靶而未发挥作用，实际被靶吸收而发射二次电子的能量只有4 keV左右。 对KCl靶来说,每产生一个二次电子约要消耗30 eV的能量,因此靶的二次电子增益在120左右。 二次电子传导摄像管响应率高，可得到80200倍的电子增益，极限分辨率稍低。7.4 光导靶和存储靶返回第84页，共104页，2022年，5月20日，17点

43、42分，星期一增强硅靶（SIT）第七章真空成像器件增强硅靶管的靶叫增强硅靶(SIT)。SIT靶和硅靶结构基本相同。从光电阴极发射出来的电子,在高压作用下轰击硅靶,使靶内产生电子-空穴对。每个入射的光电子能量为3.43.5 eV时,可产生1个电子空穴对。若移像区的电压为10KV,则每个入射光电子可产生2800一2900个电子空穴对。但由于表面和体内的复合和收集率等原因,实际的电子增益约为2000倍。改变移像区的加速电压可改变靶的电子增益。7.4 光导靶和存储靶第85页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 增强硅靶灵敏度一般比硅靶大两个数量级,约为40A/l

44、x，硅靶不易烧伤，寿命长。以增强硅靶构成的增强型硅靶管如图所示。7.4 光导靶和存储靶返回第86页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一摄像管的特性参数第七章真空成像器件7.5 摄像管的特性参数7.5.1 摄像管的特性参数返回7.5.2 不同视像管的特性参数比较第87页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一摄像管的特性参数第七章真空成像器件7.5 摄像管的特性参数1灵敏度返回2. 光电转换特性（）3. 分辨率4. 惰性5. 暗电流和噪声6. 动态范围第88页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一灵敏度第七章真空成像器件摄像管的灵敏度S

45、可表示为7.5 摄像管的特性参数 (7-4)摄像管的灵敏度表示在一定光通量照射时摄像管输出信号电流Is的大小。返回第89页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一光电转换特性（）第七章真空成像器件摄像管输出视频信号电压u与入射光照度Eb不一定是线性关系,通常写成7.5 摄像管的特性参数式中, K1为常数,称为摄像管的光电转换特性。通常用对数坐标描绘它们,见图。(7-5)第90页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 曲线斜率值表征摄像管对图像灰度(色调)传递的性能,也称特性，又称为灰度系数。对摄像管来说,取决于光电转换部件的特性。 1时，

46、灰度等级均匀； 1 时，有均匀的灰度畸变。但此时提高了弱照度时的灵敏度，而使强照度时的光电特性呈一定的饱和状态。前者有利于提高暗场时的信噪比，后者有利于扩展动态范围。 1，是不适用的。7.5 摄像管的特性参数返回第91页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一3.分辨率第七章真空成像器件分辨率表示能够分辨图像中明暗细节的能力,分辨率通常用两种方式表达,即极限分辨率和调制传递函数(MTF)。1)极限分辨率 在最佳照度下,使高对比度的黑白相间条形图案投射到摄像管的光敏面上,然后在监视器上去观察可分辨的最高空间频率数。7.5 摄像管的特性参数第92页，共104页，2022年，5月2

47、0日，17点42分，星期一第七章真空成像器件在电视中,通常是指在光栅高度范围内可分辨的最多电视行数(TVL/H),如图所示。有时也采用“线对/毫米”的单位,它等于可分辨的电视行数一半除以靶的有效高度(mm)。即按这种方法表示的分辨率称为极限分辨率。7.5 摄像管的特性参数第93页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 2)调制传递函数(MTF) 调制传递函数(MTF)是在调制度的基础上提出的。调制度M是无线电学中的概念,引用到光学中来可以说它是对比度。M的定义是,光信息的最大值A与光信息最小值B之差对A、B之和的百分比。MTF的定义是,输出调制度MO与输入调制度Mi之比的百分数,即 7.5 摄像管的特性参数第94页，共104页，2022年，5月20日，17点42分，星期一第七章真空成像器件 图像在传送过程中,调制度M是随线数的增大而减小的。如果把调制度的损失程度以百分数表示(以零频时的调制度为100%),则调制度与线数的关系曲线,就是调制传递函数,如图所示。7.5 摄像管的特性参数传递函数MTF能用仪器测量,并规定调制深度为10%的线数称为摄像管的极限