第6章真空成像器件

1、第六章 真空成像器件,主讲人：许鹏,光电成像器件是能传输图像器件的一类器件，它包括真空成像器件和固体成像器件两大类。,光电成像器件,真空成像器件,固体成像器件,像管,变像管,像增强管,摄像管,光电发射型像管（摄像管）,光电导型像管（视像管）,无存储 直视,不可见光可见光,弱光强光,有存储 非直视,6.1 像管,变像管：能把各种不可见光辐射图像变为可见光图像的真空光电成像器件,图像增强管：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,6.1.1 像管结构和工作原理,1. 光电阴极,能把一些辐射图像或亮度低的图像转换成电子图像。,常用的光电阴极有： 银氧铯光电阴极、单碱和多碱光电阴极、

2、各种紫外光电阴极及负电子亲合势（NEA）光电阴极。,2. 电子光学系统,（1）静电系统,非聚焦型（近贴式像管）：,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：,（2）复合聚焦电子光学系统（电磁聚焦系统）,设渡越时间为:t,电子运动一圈的时间为： T,t=nT,3. 荧光屏,在高速电子的轰击下将电子图像转化成可见光图像,一般要求荧光屏不仅具有高的转换效率，而且屏的发射光谱要同人眼或与之耦合的级的光电阴极的吸收光谱一致。,6.1.2 像管的特性参数,1.光

3、谱响应特性和光谱匹配,光谱响应特性：由光电阴极决定。,光谱匹配：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的光谱分布匹配。,2. 增益特性,亮度增益是荧光屏的光亮度Ba与入射到光电阴极面上的照度Ek之比：,单级图像增强管的增益为,3. 等效背景照度,等效背景照度：产生与暗背景相同辐射出射度时入射辐射照度值。,暗背景：无光照射时加上工作电压荧光屏上仍然有一定的亮度，称为暗背景。,4. 分辩率,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，单位是每毫米对数，记为lp/mm。,6.2 常见像管,6.2.1 常见变像管,1.

4、红外变像管,光电阴极多为S-I (Ag-O-Cs) 阴极，可使波长小于1.15m的红外光变成光电子。对于波长大于1.15m的红外光，采用负电子亲和势光电阴极。,2.紫外变像管,3.选通式变像管,窗口材料为石英材料，光电发射材料为S-2（Sb-Cs）阴极，可以使波长大于200nm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,1.级联式像增强管,第一、每个单级变像管的输入输出都是用光纤面板制成,第二、注意荧光屏和后级光电阴极的光谱匹配，最后一级荧光屏的发射光谱特性要与人眼视觉相吻合,(第一代),对于三级

5、级联像增强器，若单级分辨率50lp/mm，则三级可达30-38lp/mm，亮度增益可达105,2.微通道板像增强管（第二代）,双 近贴式,这种管子体积小、重量轻、使用方便，但像质和分辨率较差,倒像式,电子经过聚焦后又进入微通道板，所以像质和分辨率比较高，还有自动防强光的优点。,3.第三代像增强管,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 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。,4. X射线像增强管-实质是变像管,将不可见的X射线图像转变为可见光图像，并进一步的增强，,常用于医疗诊断和工业探伤,6.2.3* 特殊变像管,1、图像放大

6、管 2、多功能像增强管 3、位置敏感传感器像管 4、装有光电导靶的反射式变像管,6.3 摄像管,6.3.1 摄像管的作用及分类,1.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频信号的成像装置,-利用外光电效应进行光电转换,1）光电发射型摄像管（摄像管）,2.分类,有移像区,2）光电导型摄像管（视像管）,-利用内光电效应进行光电转换,无移像区,两者的不同之处:,前者有移像区,后者无,光电阴极,电子光学系统,移像区,两者的相同之处：都有扫描区，也称为电子枪。电子枪主要包括：灯丝、热阴极、控制栅极等等。作用是产生热电子，并使它聚集成很细的电子射线，按着一定轨迹扫描靶面。,6.3.2 摄像管

7、的结构和工作原理,摄像管具有3个基本功能：光电变换、光电信息的累计、存储及扫描输出。,1.视像管,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。,2.摄像管,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4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。,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

8、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， 结构也不同 。,视像管的靶是光电导靶，靶的厚度约几微米到20微米。 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，适合视像管靶的材料必须具有电荷的存储功能，要求靶上每个像素的驰豫时间远大于储存时间。,6.4.1.视像管靶,目前生产的视像管大都采用阻挡型靶，由于PN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。,1.硅靶,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

9、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。,2*.氧化铅靶,3*. 异质结靶,a）硒化镉（CdSe）靶,b）硒砷碲（SeAsTe）靶,c）碲化锌镉（ZnCdTe）靶,像元连续，分辨率高,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,X值小，灵敏度高，暗电流增大，光谱特性峰

10、值波长向长波方向移动,氧化铅的结构和工作过程都与硅靶类似。不同的是它由PbO材料制成的。,6.4.2 光电发射型摄像管靶-存储靶,1.二次电子传导靶（SEC）,SEC靶有三层结构。第一层是Al2O3膜，起机械支撑作用，厚5070nm；第二层是铝膜，厚50nm，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。,特点：响应率高，改变光电子加速电压的大小，可得到80200倍的增益，但极限分辨率稍低，约为600TVL。,2. 增强硅靶（SIT）,增强硅靶灵敏度比硅靶灵敏度大两个数量级，靶不易烧伤，寿命长。,光,电子,轰击硅靶,电子空穴对

11、,6.5 摄像管的特性参数,6.5.1 摄像管的特性参数,2.光电转换特性,K1为常数，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）传递的性能。,一般1,1.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。,3.分辨率,黑白条纹总合为N（垂直分辨力）：TVL/H,（1）极限分辨率,极限分辨率：,则黑白条纹对数为:,（2）调制传递函数（MTF）,表示能够分辨图像中明暗细节的能力,M-调制度 A-光信息最大值 B-光信息最小值,4.惰性,产生惰性的原因： 一是：光电导惰性 二是：电容性惰性，由RbC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。惰性会引起图像模糊，或彩色拖尾等问题。,5. 暗电流和噪声,暗电流- PN结摄像管：暗电流很小 光电发射摄像管：光电阴极的热发射电子、场致发射电子、离子流等引起,噪声-,视像管的主要噪声：前置放大器噪声、负载电阻的热噪声。,光电发射摄像管：管内噪声,束电阻,6. 动态范围,照度下限：由噪声决定 照度上限：由受靶面像元的存贮信息容量决定，照度太高，会出现“开花”现像，引起亮区扩大，最后使图像消失。,6.5.2 不同视像管的特性参数比较,摄像管能处理的最高照度值与最低照度值之比称为摄像管的动态范围。,