光电测试技术4-4.ppt

1、光电测试技术，第4章光电测试设备-4，光电成像设备，光电成像设备：一种能够输出图像信息的光电设备。工作模式为直视型和非直视型，用于直接观察，具有图像转换、增强和显示部分。1.通过外部光电效应将入射辐射图像转换成电子图像；2.通过聚焦和加速电场或磁场来增强能量；4.可见光图像通过激发荧光屏产生，用于电视摄像和热成像系统；1.接收光学图像和热图像；2.光敏表面的光电效应或导热效应被转换成电荷图像；3.视频信号通过电子束扫描或耦合产生。像管成像的物理过程，1。图像管的电磁频谱转换和亮度增强通过三个环节完成。首先，将弱的或不可见的输入辐射图像转换成电子图像；第二，电子图像在能量或数量上被增强并且聚焦在

2、成像上；第三是将增强的电子图像转换成可见光图像。以上三个环节分别由光阴极电子光学系统屏幕完成。这三个部分被密封在一个高真空管壳里。光阴极：实现光电转换，使不可见光或低亮度图像能转换成光电子发射图像；电子光学部分：透镜，使光电子图像在能量和数量上得到增强；荧光屏：这样发射到荧光屏上的图像就可以变成可见的光学图像。显像管的输入端面是由光电发射材料制成的光敏面。光敏表面接收辐射量子以产生电子发射。发射电子电流的密度分布与人体辐射的辐射通量分布成正比。从而完成将放射线图像转换成电子图像的过程。因为电子发射需要在发射表面上有一个正常的电场，所以光敏表面应该与负电位相连。这种光敏表面通常被称为光电阴极。影

3、像管中常用的光阴极有：对红外光敏感的银氧铯红外阴极；对可见光敏感的单碱和多碱光电阴极；紫外线阴极对紫外线敏感。光阴极有两种：透射型和反射型。影像管中常用的光阴极是透射和半透明的。一定是在高真空中。光电阴极图像转换的简单物理过程是：当能量为hv的辐射量子入射到半透明的光电发射器时，它与体内的电子发生非弹性碰撞，交换能量。根据斯托尔托夫光电发射定律，饱和光电发射的电子电流密度与入射辐射的通量密度成正比。因此，由入射辐射分布组成的图像可以通过光电阴极转换成由电子流分布组成的图像。这个图像被称为电子图像。电子图像的能量被增强，图像管中的电子图像被特定的静电场或电磁复合场增强。光电阴极光电发射产生的电子

4、图像是一种低速电子流，当它刚离开光电阴极时，其初速度由爱因斯坦定律决定。这种低能电子图像在静电场或电磁复合场的洛仑兹力作用下被加速并聚焦在荧光屏上。当它到达像平面时，它是一个具有巨大能量的高速电子流。从而完成电子图像的能量增强。图像管中专门设置的静电场或电磁复合场称为电子光学系统。因为它有聚焦电子图像的功能，所以也叫电子镜头。3、电子图像的发光显示，以及显像管输出的可见光图像。为了将电子图像转换成可见光图像，通常使用荧光屏。能够将电子动能转化为光能的荧光屏是由发光材料的微晶颗粒沉积而成的薄层。由于荧光屏的电阻率通常为10E 1010E 14cm，介于绝缘体和半导体之间，当它受到高速电子轰击时，

5、会积累负电荷荧光屏是一种物理过程，它利用掺杂晶体磷光体的激发光将电子图像转换成可见光图像。在直视成像系统中使用的第二显像管的类型和结构有多种类型。根据像管的工作波段，可分为：工作在非可见光辐射(近红外、紫外、x光、射线)下的像管，称为像管转换器；在弱可见光下工作的像管被称为像增强器。根据显像管的工作方式，可分为：连续工作显像管；门控工作显像管；变焦工作显像管。根据像管的结构，可以分为：近贴像管；倒置像管：静电聚焦型像管：电磁复合聚焦像管。根据显像管的发展阶段，可分为：级联第一代显像管；微通道板第二代显像管：负电子亲和势光阴极第三代显像管。1近装显像管。近装显像管的结构如图所示。光阴极在输入窗口

6、的内表面，荧光屏在输出窗口的内表面。光阴极和荧光屏相互平行。当在光阴极和荧光屏之间施加高电压时，两个电极之间形成纵向均匀电场，光阴极发射的电子在电场的作用下飞向荧光屏。因为距离很近(约1毫米)，所以称之为近距聚焦电子光学系统。近贴式显像管是最简单的结构，屏幕恰到好处，没有失真。然而，由于分辨率的限制，电极之间的距离不能太大，并且由于场发射的限制，电极之间的电压不能太高，因此系统的亮度增益受到限制，并且图像质量也受到影响。2静电聚焦倒置像管，可形成轴对称静电场。由静电场形成的电子透镜可以加速光电阴极表面物体像发射的电子，并聚焦在荧光屏上形成反转像。在常用的双球形电极系统中，阳极头、光阴极球和荧光

7、屏的曲面都是近似同心的球体。因此，形成近似球形对称的静电场，使得轴外所有点的主电子轨迹都是近似对称轴，因此轴外的像差，例如场曲率、像散和畸变，小于双筒系统的像差。在实际应用中，为了获得更高的亮度增益，相同的单级图像管与光纤面板在多级中耦合。因此，像管的输入窗口和输出窗口都是由光纤面板制成的，这样球面像可以转换成平面像，完成级间耦合。因为图像管的每一级都是倒置的，所以融合的系列通常是单个的，通常是三个。这种像管被称为第一代像增强器。3、电磁复合聚焦式像管，采用平面像场。平面光阴极和荧光屏之间有一个环形电极，其上施加一个逐渐增加的电压，并沿管轴建立一个增加的电势；同时，在管壳外设置由恒流螺旋线圈产

8、生的均匀磁场，从而形成纵向均匀电磁场。电磁场加速光电阴极发射的电子，并将它们聚焦在荧光屏上成像。只要严格控制电压和磁场，就可以获得良好的图像平面，并且可以在屏幕上获得更高的分辨率。但是，由于复合聚焦系统结构复杂、笨重，使用起来不方便。因此，这种聚焦方法通常只在需要高性能时使用，例如天文观测。4个门控显像管，它们是静电聚焦显像管。在普通双电极像管的结构上增加一个控制栅，控制栅由靠近光阴极的栅和阳极孔栅组成。当栅极电势低于光阴极电势时，形成反向电场以切断光电发射；当工作脉冲时该对偏转电极布置在阳极锥体中，在阳极锥体上施加线性斜坡脉冲电压以偏转输出图像，在荧光屏上分离几个连续选通的图像。这种像管也叫

9、条纹管。5、变焦型显像管，能改变放大率的显像管称为变焦型显像管。它有一个可变放大率的电子光学系统。因为变焦会同时改变焦距，所以需要增加变焦电极和聚焦电极来补偿像面的变化，所以变焦管是四电极结构。5变焦型显像管，显像管的放大率是通过改变施加到显像管电极上的电压比来改变的。当阳极电势与变焦电极电势相同时，图像管的放大率等于1；当阳极电势逐渐降低并且变焦电极电势保持不变时，图像管的放大率降低。当阳极电位从15kV调节到3kV时，图像管的放大率从1变为0.2。同时，有必要改变聚焦电极的电势，以获得最佳聚焦并在可变放大率下保持成像质量。6个带MCP的显像管(第二代显像管)。第二代显像管与第一代显像管的根

10、本区别在于，它们不是通过多级级联实现光电子倍增，而是通过在单级显像管中设置微通道板实现电子图像倍增。微通道板是二维空间中的电子倍增器。微通道板是由大量平行堆叠的微单通道电子倍增器组成的薄板。通道的孔径为5-10米。通道的内壁具有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以形成电场。在电场的作用下，入射到沟道中的电子与沟道内壁碰撞产生二次电子。这些二次电子在电场力的加速下不断与通道的内壁碰撞，直至从通道的输出端发射出去，从而实现连续倍增，增强电子图像。微通道板附着在光阴极和荧光屏之间。形成两个紧密配合的空间。因此，它也被称为双近像管。由于使用了双贴身和均匀场，图像没有失真，放大倍

11、数为L，图像没有反转。此外，由于邻近，光电阴极、微通道板和荧光屏之间会有相互作用。第二代静电聚焦倒像管的结构是在微通道板和光阴极之间采用静电透镜，微通道板放置在电子透镜的像面位置；图像管中的阳极和微通道板之间还设置有畸变消除电极。由微通道板增强的电子图像通过邻近聚焦在荧光屏上。因为在荧光屏上形成的图像是相对于光阴极上的图像的倒置图像，所以它被称为倒置图像管。微通道板的输出端由于其连续倍增的高电子密度和高速度而易于电离图像管中的残留气体分子。如果电离产生的正离子轰击光阴极，显像管的寿命将会缩短。当微通道板输入端的电势低于阳极电势时，形成势垒以防止正离子反馈。一方面，该势垒阻止正离子，另一方面，它

12、收集微通道板端面上产生的二次电子，从而消除晕圈现象。由于微通道板本身具有高增益、可控增益和电流饱和等待等优点，与第一代相比，第二代显像管无论是封闭式还是倒置式，都具有体积小、重量轻、亮度可调、耐光性强等优点。电子亲合力(能量)晶格中的原子捕获电子并变成负离子时释放的能量。其结构与第二代近贴显像管相似，根本区别在于光阴极。第一代图像管使用多碱光电阴极，多晶薄膜结构，表面具有正电子亲合性x光图像转换器和x光图像转换器，分别将不可见的x光图像和x光图像转换成可见的光学图像。这种图像转换器只比普通图像转换器多一个光线转换屏幕(也称为输入屏幕)。辐射转换屏位于辐射图像转换管的输入窗口内，在辐射转换屏和外

13、壳之间设置一层薄铝层，以阻挡杂散光；转移屏和光阴极通过薄玻璃耦合以减少荧光图像的扩散。该转换屏可以将入射的x光图像或x光图像转换成荧光的弱光图像，该弱光图像入射到光电阴极上以产生光电图像。后续过程与普通显像管相同。三显管的主要特性和参数，直接观察光电成像装置是为了扩大有限的可视范围而研制的，它不仅能探测微弱或不可见的目标辐射信号，而且能对目标进行满意的成像，使人眼能看到再现的目标图像。因此，像管不仅是一个辐射探测器、放大器，也是一个成像仪。作为辐射探测器，它应该具有高量子效率和信号放大能力，以提供足够的亮度。这种性能通常用灵敏度和亮度增益来描述。作为图像成像仪，它必须具有小的图像几何失真、适当

14、的几何放大率和尽可能小的亮度(能量)扩散能力，以提供足够的视角和对比度。这些特性通常用失真、放大率、分辨率和调制传递函数来描述。1光谱响应特性，指图像管的响应能力和入射波长之间的关系。显像管的光谱响应特性实际上是其光阴极的光谱响应准备度。它决定了使用像管的光谱范围。显像管的光谱响应特性通常用光谱响应率、量子效率、光谱特性曲线和积分响应率来描述。光谱响应度是图像管对单色入射辐射的响应能力，用Rj表示。响应性是图像管对全色入射辐射的响应能力，表示为r。在实际应用中，图像管经常接收来自某一光源的全色辐射而不是单色辐射，因此响应率具有更大的实际意义。2.适当的亮度是观察图像的必要条件。图像管输出的图像

15、亮度不仅与入射图像的照度有关，还取决于图像管自身转换和增强辐射能的能力。“增益”是用于描述电子管性能的参数。1.增益定义显像管的增益包括亮度增益、辐射亮度增益和光通量增益。其中，亮度增益是最基本和最普遍的。2.亮度增益的定义显像管的亮度增益定义为当用标准光源照射显像管时，荧光屏上的光出射度与入射到阴极表面的照度之比。也就是说，GL=M/EV，3个背景特征，适当的亮度是人眼观察图像的必要条件，但是图像管的输出亮度并不都有用。除了有用的成像(信号)亮度之外，还有一个非成像附加亮度，称为背景(或背景亮度)。像管背景包括无光照射的暗背景和人为信号影响引起的附加背景，称为信号诱导背景(或照片诱导背景)。

16、产生暗背景的主要原因是光阴极的热电子发射和管内粒子引起的场发射，以及4种成像特性。图像管既是辐射探测器又是图像探测器。作为图像检测器，它应该具有良好的成像特性。图像管的光阴极表面接收来自物体空间的图像辐射，并且该辐射值在阴极表面上的强度分布构成输入图像。通过图像管的成像装置的转换和增强，在荧光屏上产生相应的亮度分布，从而构成输出图像。在像管转换和增强过程中，由于成像不理想，输出图像的几何尺寸、形状和亮度分布不能准确再现输入图像1放大率显像管的放大率m是指显像管出口端输出图像的线性尺寸l与入口端相应图像的线性尺寸l之比，m=l/l。因此，放大率是表征显像管放大或缩小图像几何尺寸能力的性能参数。畸变由于静电聚焦电子光学系统常用在像管中，其边缘放大倍数大于傍轴放大倍数，所以在出射端的像产生枕形畸变。不同的高度和放大率会导致图像形状的异常变化，这种变化称为畸变，畸变的程度用d表示，其中mr是从光电阴极中心特定半径处的放大率，m0是中心放大率。3分辨率成像设备可以区分两个彼此非常接近的物体的图像，这称为分辨率。图像管中的电子光学系统存在各种像差，加上荧光屏对入射电子和输出电