光電子器件-第四章微光像增強(qiáng)器

1、第四章變像管和微電像增強(qiáng)器 變像管是指把不可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的器件。如紅外變像管和紫外變像管。如紅外變像管，其核心部分是對(duì)紅外光敏感的光電陰極。當(dāng)紅外光照射到陰極時(shí)，產(chǎn)生光電發(fā)射，經(jīng)過(guò)電子光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光譜變換。一、變像管2021/9/121 把微弱的可見(jiàn)光圖象增強(qiáng)亮度，變成人眼可以觀察到的圖像。明朗夏天采光良好的室內(nèi)照度大致在100至500lx之間 太陽(yáng)直射時(shí)的地面照度可以達(dá)到10萬(wàn)lx 滿月在天頂時(shí)的地面照度大約是0.2lx 夜間無(wú)月時(shí)的地面照度只有10-4lx數(shù)量級(jí) 微光光電成像系統(tǒng)的工作條件就是環(huán)境照度低于10-1lx 微光光電成像系統(tǒng)的核心部分是微光像增強(qiáng)器件 二、微光像增強(qiáng)器202

2、1/9/1224.1 像管的基本原理和結(jié)構(gòu) 像管變像管 圖像增強(qiáng)管 是指能夠把不可見(jiàn)光圖像變?yōu)榭梢?jiàn)光圖像的真空光電管。 是指能夠把亮度很低的光學(xué)圖象變?yōu)橛凶銐蛄炼葓D象的真空光電管。 像管和攝象管的主要區(qū)別是，像管內(nèi)部沒(méi)有掃描機(jī)構(gòu)，不能輸出電視信號(hào)，對(duì)它的使用就跟使用望遠(yuǎn)鏡去觀察遠(yuǎn)處景物一樣，觀察者必須通過(guò)它來(lái)直接面對(duì)著景物。 image converter tube image intensifier tube 直視型電真空成像器件統(tǒng)稱為像管，它是用于直視成像系統(tǒng)的光電成像器件。2021/9/123 2021/9/124 像管成像的物理過(guò)程 像管實(shí)現(xiàn)圖像的電磁波譜轉(zhuǎn)換和亮度增強(qiáng)是通過(guò)三個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)

3、完成的:首先是將接受的微弱的或不可見(jiàn)的輸入輻射圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像；其次是使電子圖像獲得能量或數(shù)量增強(qiáng)，并聚焦成像；第三是將增強(qiáng)的電子圖像轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)的光學(xué)圖像。上述三個(gè)環(huán)節(jié)分別由光陰極電子光學(xué)系統(tǒng)熒光屏完成。這三部分共同封在一個(gè)高真空的管殼內(nèi)。2021/9/1251 輻射圖像的光電轉(zhuǎn)換 (光陰極) 像管的輸入端面是采用光電發(fā)射材料制成的光敏面。該光敏面接收輻射量子產(chǎn)生電子發(fā)射。所發(fā)射的電子流密度分布正比于人射的輻射通量分布。由此完成輻射圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像的過(guò)程。 2021/9/126 由于電子發(fā)射需要在發(fā)射表面有法向電場(chǎng)，所以光敏面應(yīng)接以負(fù)電位。 這一光敏面通常稱為光陰極。 像管中常用的光陰極有

4、： 對(duì)紅外光敏感的銀氧銫紅外光陰極； 對(duì)可見(jiàn)光敏感的單堿和多堿光陰極； 對(duì)紫外光敏感的紫外光陰極。 2021/9/127光陰極有透射型和反射型兩種。像管中常用的光陰極是透射型的半透明。 必須在高真空中。光陰極進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)換的簡(jiǎn)要物理過(guò)程是： 當(dāng)具有能量為 hv的輻射量子入射到半透明的光電發(fā)射體內(nèi)，與體內(nèi)電子產(chǎn)生非彈性碰撞而交換能量。根據(jù)光電發(fā)射的斯托列托夫定律可知，飽和光電發(fā)射的電子流密度與入射輻射通量密度成正比。因此由入射輻射分布所構(gòu)成的圖像可以通過(guò)光陰極變換成由電子流分布所構(gòu)成的圖像。這一圖像稱為電子圖像2021/9/128根據(jù)光電發(fā)射的斯托列托夫定律可知，飽和光電發(fā)射的電子流密度與入射輻射

5、通量密度成正比。因此由入射輻射分布所構(gòu)成的圖像可以通過(guò)光陰極變換成由電子流分布所構(gòu)成的圖像。這一圖像稱為電子圖像。2021/9/1292 電子圖像的能量增強(qiáng)(電子透鏡)像管中的電子圖像通過(guò)特定的靜電場(chǎng)或電磁復(fù)合場(chǎng)獲得能量增強(qiáng)。由光陰極的光電發(fā)射產(chǎn)生的電子圖像，在剛離開(kāi)光陰極面時(shí)是低速運(yùn)動(dòng)的電子流，其初速由愛(ài)因斯坦定律所決定。這一低能量的電子圖像在靜電場(chǎng)或電磁復(fù)合場(chǎng)的洛倫茨力作用下得到加速并聚焦到熒光屏上。在到達(dá)像面時(shí)是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，能量很大。由此完成了電子圖像的能量增強(qiáng)。 像管中特定設(shè)置的靜電場(chǎng)或電磁復(fù)合場(chǎng)稱之為電子光學(xué)系統(tǒng)。由于它具有聚焦電子圖像的作用，故又被稱之為電子透鏡。 2021/

6、9/12103 電子圖像的發(fā)光顯示(熒光屏) 像管輸出的是可見(jiàn)光學(xué)圖像。為把電子圖像轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)的光學(xué)圖像，通常采用熒光屏(電子動(dòng)能轉(zhuǎn)換成光能) 。能將電子動(dòng)能轉(zhuǎn)換成光能的熒光屏是由發(fā)光材料的微晶顆粒沉積而成的薄層。由于熒光屏的電阻率通常在10E+1010E+14cm，介于絕緣體和半導(dǎo)體之間，因此當(dāng)它受到高速電子轟擊時(shí)，會(huì)積累負(fù)電荷，使加在熒光屏上的電壓難以提高，為此應(yīng)在熒光屏上蒸鍍一層鋁膜，引走積累的負(fù)電荷，而且可防止光反饋到光陰極。 像管中常用的熒光屏材料有多種?；静牧鲜墙饘俚牧蚧铩⒀趸锘蚬杷猁}等晶體。上述材料經(jīng)摻雜后具有受激發(fā)光特性，統(tǒng)稱之為晶態(tài)磷光體。熒光屏是利用摻雜的晶態(tài)磷光體受

7、激發(fā)光的物理過(guò)程，將電子圖像轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)的光學(xué)圖像。2021/9/1211 像管中常用的熒光屏，不僅應(yīng)該具有高的轉(zhuǎn)換效率，而且它的輻射光譜要和人眼或與之耦合的其他接收器件的光譜響應(yīng)相一致。實(shí)驗(yàn)證明，熒光屏由高速電子激發(fā)發(fā)光的亮度除與發(fā)光材料的性質(zhì)有關(guān)外，主要取決于入射電子流的密度和加速電壓值。當(dāng)像管中光電子圖像的加速電壓一定時(shí)，熒光屏的發(fā)光亮度正比于入射光電子流的密度。由此可知，像管的熒光屏可以將光電子圖像轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)的光學(xué)圖像。2021/9/12124光學(xué)纖維(1)纖維導(dǎo)光 原理上一頁(yè)下一頁(yè)返 回2021/9/1213n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故 n01上一頁(yè)下一頁(yè)返 回

8、2021/9/1214當(dāng)r =90的臨界狀態(tài)時(shí)， Sin i定義為“數(shù)值孔徑”NA（Numerical Aperture） 相對(duì)折射率差 arcsinNA是一個(gè)臨界角，i arcsinNA，光線進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失；i arcsinNA，光線才可以進(jìn)入光纖被全反射傳播。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回2021/9/1215(2)(2)光學(xué)纖維面板及性能對(duì)于像管中的纖維要求如下:數(shù)值孔徑要大;光透過(guò)率要高;分辨率要高;氣密性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械加工性能及熱穩(wěn)定性要好2021/9/12164.2 像管的主要特性與參數(shù)直視式光電成像器件是為擴(kuò)展人限視力范圍而發(fā)展起來(lái)的，它既能探測(cè)到微弱的或人眼不可見(jiàn)的目

9、標(biāo)輻射信號(hào)，又能將目標(biāo)滿意地成像，使人眼能看到再現(xiàn)的目標(biāo)圖像。因此像管既是一個(gè)輻射探測(cè)器，放大器，又是成像器。作為輻射探測(cè)器，它應(yīng)具有高的量子效率和信號(hào)放大能力，以提供足夠的亮度. 這一性能通常用靈敏度和亮度增益來(lái)描述.作為圖像成像器，它必須具有小的圖像幾何失真，適當(dāng)?shù)膸缀畏糯舐剩M量小的亮度(能量)擴(kuò)散能力，以提供足夠的視角和對(duì)比。這些性能通常用畸變、放大率、分辨力及調(diào)制傳遞函數(shù)來(lái)描述。2021/9/12171 光譜響應(yīng)特性光譜響應(yīng)特性是指像管的響應(yīng)能力隨入射波長(zhǎng)的變化關(guān)系。像管的光譜響應(yīng)特性實(shí)際上是其光陰極的光譜響應(yīng)待性。它決定了像管應(yīng)用的光譜范圍。像管的光譜響應(yīng)特性通常用光譜響應(yīng)率、量子

10、效率、光譜特性曲線和積分響應(yīng)率(簡(jiǎn)稱響應(yīng)率)來(lái)描述。 光譜響應(yīng)率是像管對(duì)單色入射輻射的響應(yīng)能力，以Rj 表示。響應(yīng)率是像管對(duì)全色入射輻射的響應(yīng)能力，以R表示。由于在實(shí)際應(yīng)用中，像管接收的往往不是單色輻射，而是某一光源的全色輻射，所以響應(yīng)率更具有實(shí)際意義。2021/9/12182 增益特性合適的亮度是觀察圖像的必要條件。像管輸出的圖像亮度既與入射圖像的照度有關(guān)，又取決于像管本身對(duì)輻射能量的變換與增強(qiáng)的能力。“增益”就是用來(lái)描述像管這種能力的參數(shù)。（1）. 增益定義像管的增益有：亮度增益、輻射亮度增益及光通量增益之分。其中亮度增益是最基本而通用的。（2）. 亮度增益的定義像管的亮度增益定義為：像管

11、在標(biāo)準(zhǔn)光源照射下，熒光屏上的光出射度M與入射到陰極面上的照度Ev之比。即 GL = M / EV2021/9/12193 背景特性合適的亮度是人眼觀察圖像的必要條件，但像管的輸出亮度并不都是有用的。在輸出端熒光屏的圖像上，除了有用的成像(信號(hào))亮度以外，還存在一種非成像的附加亮度，稱之為背景(或背景亮度)。像管的背景包括無(wú)光照射情況下的暗背景和因人射信號(hào)的影響而產(chǎn)生的附加背景，稱為信號(hào)感生背景(或光致背景) 。 暗背景產(chǎn)生的主要原因是光陰極的熱電子發(fā)射和管內(nèi)顆粒引起的場(chǎng)致發(fā)射。2021/9/12204 成像特性像管既是一個(gè)輻射探測(cè)器，又是一個(gè)圖像探測(cè)器。作為圖像探測(cè)器，它應(yīng)該具備好的成像特性。

12、像管光陰極面上接收來(lái)自物空間的圖像輻射照度，并由這一輻射照度的值在陰極面上的強(qiáng)度分布構(gòu)成輸入圖像通過(guò)像管這個(gè)成像器件的轉(zhuǎn)換與增強(qiáng)在熒光屏上產(chǎn)生相應(yīng)的亮度分布，構(gòu)成輸出圖像。像管在完成轉(zhuǎn)換與增強(qiáng)的過(guò)程中，由于非理想成像，所以輸出圖像的幾何尺寸、形狀及亮度分布不能準(zhǔn)確地再現(xiàn)輸入的幅照度分布，而使圖像像質(zhì)下降。這種像質(zhì)下降主要表現(xiàn)在幾何形狀及亮度分布的失真。通常用放大率、畸變、分辨力和調(diào)制傳遞函數(shù)來(lái)描述。2021/9/1221（1）放大率 像管的放大率m，指的是像管出射端輸出圖像的線性尺寸 l 與其對(duì)應(yīng)的入射端圖像的線性尺寸 l 之比， m = l / l 因此，放大率是表征像管對(duì)圖像幾何尺寸放大或

13、縮小能力的一個(gè)性能參數(shù)。2021/9/1222（2）. 畸變 由于像管常采用靜電聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)，它的邊緣放大率比近軸放大率大，所以在出射端圖像產(chǎn)生枕形畸變。由于物高不同，放大率不同，導(dǎo)致圖像形狀發(fā)生畸形變化，故稱為畸變，并以D表示畸變的程度。式中， mr為距光陰極中心特定半徑處的放大率，m0為中心放大率。2021/9/1223（3）分辨力 成像器件能夠?qū)蓚€(gè)相隔極近的目標(biāo)的像，剛剛能分辨清的能力稱為分辨力。 由于像管中電子光學(xué)系統(tǒng)存在著各種象差，再加上熒光屏對(duì)入射電子、輸出電子的散射和熒光粉粒度的限制，以及級(jí)間耦合元件對(duì)光的散射、串光等原因造成亮度分布失真，使輸出圖像的清晰度下降。為評(píng)定像管

14、的成像質(zhì)量，最簡(jiǎn)單常用的方法是測(cè)定其分辯力。（）.調(diào)制傳遞函數(shù) 調(diào)制傳遞函數(shù)是一種可以全面描述成像系統(tǒng)對(duì)構(gòu)成圖像的各種細(xì)節(jié)（較高空間頻率）的衰減能力的數(shù)學(xué)關(guān)系。2021/9/12244.4 像管的類型與結(jié)構(gòu)用于直視成像系統(tǒng)的像管，具有多種類型。根據(jù)像管的工作波段可分為：工作于非可見(jiàn)輻射(近紅外、紫外、 X射線、射線)的像管，稱之為變像管；工作于微弱可見(jiàn)光的像管，稱之為像增強(qiáng)器。2021/9/1225根據(jù)像管的工作方式可分為：連續(xù)工作像管；選通工作像管；變倍工作像管。根據(jù)像管的結(jié)構(gòu)可分為：近貼式像管；倒像式像管；靜電聚焦式像管；電磁復(fù)合聚焦式像管。2021/9/1226根據(jù)像管的發(fā)展階段可分為：

15、級(jí)聯(lián)式的第一代像管；帶微通道板的第二代像管；采用負(fù)電子親和勢(shì)光陰極的第三代像管。2021/9/1227 4.5第一代像增強(qiáng)器 第一代像增強(qiáng)器是以纖維光學(xué)面板作為輸入、輸出窗三級(jí)級(jí)聯(lián)耦合的像增強(qiáng)器。由于經(jīng)過(guò)三級(jí)增強(qiáng)，因而第一代管具有很高的增益。 一代管以三級(jí)級(jí)聯(lián)增強(qiáng)技術(shù)為特征，增益高達(dá)幾萬(wàn)倍，但體積大，重量重 一代管的典型性能為：光靈敏度為300 ，輻射靈敏度(0.85)為20 ， 亮度增益為 ，分辨率為35 。一代管具有增益高、成像清晰的優(yōu)點(diǎn)，但重量大，防強(qiáng)光能力差。 2021/9/1228在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得更高的亮度增益，將完全相同的單級(jí)像管，用光學(xué)纖維面板進(jìn)行多級(jí)耦合。因此像管的輸入窗

16、和輸出窗都是由光學(xué)纖維面板制成，以便將球面像轉(zhuǎn)換為平面像來(lái)完成級(jí)間耦合。由于每級(jí)像管都成倒像，所以稠合的級(jí)數(shù)多取單數(shù)，通常為三級(jí)。該像管稱為第一代像增強(qiáng)器。 2021/9/12294.6 第二代像增強(qiáng)器 第二代像管與第一代像管的根本區(qū)別在于： 它不是用多級(jí)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)光電子倍增，而是采用在單級(jí)像管中設(shè)置微通道板來(lái)實(shí)現(xiàn)電子圖像倍增的。 微通道板是兩維空間的電子倍增器。微通道板是由大量平行堆集的微細(xì)單通道電子倍增器組成的薄板。通道孔徑為5一10m。通道內(nèi)壁具有較高的二次電子發(fā)射系數(shù)。 在微通道板的兩個(gè)端面之間施加直流電壓形成電場(chǎng)。入射到通道內(nèi)的電子在電場(chǎng)作用下，碰撞通道內(nèi)壁產(chǎn)生二次電子。這些二次電子在

17、電場(chǎng)力加速下不斷碰撞通道內(nèi)壁，直至由通道的輸出端射出，實(shí)現(xiàn)連續(xù)倍增，達(dá)到增強(qiáng)電子圖像的作用。 2021/9/1230利用MCP（微通道板：在電阻管的內(nèi)壁涂上具有二次電子發(fā)射內(nèi)力的物質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)電荷的倍增）的像管稱為第二代像增強(qiáng)器（二代管）。 銳聚焦類似單級(jí)一代管，但在管子的熒光屏前放置一MCP，稱為二代倒像管； 近貼聚焦在光陰極和熒光屏之間雙近貼放置MCP，熒光屏配制在纖維光學(xué)面板或光纖扭像器上，稱為二代近貼管。2021/9/1231一、近貼式 MCP像管的結(jié)構(gòu) 微通道板近貼于光陰極和熒光屏之間。構(gòu)成兩個(gè)近貼空間。因此又稱為雙近貼式像管。由于采用了雙近貼、均勻場(chǎng)，所以圖像無(wú)畸變，放大率為 l，不

18、倒像。同樣由于近貼，會(huì)出現(xiàn)光陰極、 MCP、熒光屏三者之間的相互影響。 2021/9/1232二、第2代靜電聚焦倒像式像管的結(jié)構(gòu) 微通道板與光陰極之間采用靜電透鏡，MCP置于電子透鏡的像面位置；像管中還在陽(yáng)極與MCP之間設(shè)置一個(gè)消畸變電極。由微通道板增強(qiáng)后的電子圖像通過(guò)近貼聚焦到熒光屏上。由于在熒光屏上所成的像，相對(duì)于光陰極上的像來(lái)說(shuō)是倒像，因此稱為倒像管。2021/9/1233微通道扳的輸出端，由于連續(xù)倍增其電子密度較高、速度快，易于使像管內(nèi)殘余氣體分子電離。如果電離產(chǎn)生的正離子轟擊光陰極將降低像管的壽命。當(dāng)微通道扳輸入端電位低于陽(yáng)極電位時(shí)，則形成一個(gè)防止正離子反饋的位壘。這個(gè)位壘一方面阻止

19、正離子另方面又收集微通道板端面上產(chǎn)生的二次電子，從而消除了光暈現(xiàn)象。由于微通道板本身具有高增益、增益可控、電流飽和等待性，因此第二代像管，無(wú)論近貼式或倒像式與第一代像管相比，均具有體積小、重量輕、亮度可調(diào)、防強(qiáng)光等優(yōu)點(diǎn) 2021/9/12342021/9/1235 二代管采用了不同于一代管的增益機(jī)構(gòu)-MCP，MCP由上百萬(wàn)個(gè)緊密排列的空芯通道管組成。通道芯徑間距約12，長(zhǎng)徑比為4060。通道的內(nèi)壁具有較高的二次電子發(fā)射特性，入射到通道的初始電子在電場(chǎng)作用下使激發(fā)出來(lái)的電子依次倍增，從而在輸出端獲得很高的增益。MCP的兩個(gè)端面鍍鎳，構(gòu)成輸入和輸出電極。 2021/9/12362021/9/12374.7 第三代像增強(qiáng)器 第三代像增強(qiáng)器是在二代近貼管的基礎(chǔ)上，將三堿光電陰極置換為GaAs NEA光陰極。NEA 光電陰極的制作過(guò)程極為復(fù)雜。但光靈敏度性能較一、二代多堿光陰極提高2-3倍。光譜響應(yīng)向紅外延伸，與夜天光輻射光譜更匹配，視距增大1.5-2倍。 第三代像管是采用了負(fù)電子親和勢(shì)光陰極的像管。 電子親和勢(shì)（能）晶格中原子捕獲一個(gè)電子成為負(fù)離子