光電測(cè)試技術(shù)44課件

光電測(cè)試技術(shù)第四章光電測(cè)試器件--4光電成像器件光電成像器件：能夠輸出圖像信息的一類光電器件工作方式：直視型非直視型用于直接觀察，具有圖像轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)以及顯示的部分1、入射輻射圖像通過外光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電子圖像2、由電場(chǎng)或磁場(chǎng)聚焦加速進(jìn)行能量增強(qiáng)3、由電場(chǎng)的二次發(fā)射作用進(jìn)行倍增4、激發(fā)熒光屏產(chǎn)生可見光圖像用于電視攝像和熱成像系統(tǒng)1、接受光學(xué)圖像和熱圖像2、利用光敏面光電效應(yīng)或熱導(dǎo)效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾蓤D像3、通過電子束掃描或耦合等方式產(chǎn)生視頻信號(hào)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)。光電陰極：實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，使不可見光或亮度很低的圖像，轉(zhuǎn)換成光電子發(fā)射圖像電子光學(xué)部分：透鏡，使光電子圖像，獲得能量和數(shù)量上的增強(qiáng)熒光屏：使發(fā)射到它上面的圖像變成可見的光學(xué)圖像。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)換為電子圖像的過程。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。2電子圖像的能量增強(qiáng)像管中的電子圖像通過特定的靜電場(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，在剛離開光陰極面時(shí)是低速運(yùn)動(dòng)的電子流，其初速由愛因斯坦定律所決定。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)。3電子圖像的發(fā)光顯示

像管輸出的是可見光學(xué)圖像。為把電子圖像轉(zhuǎn)換成可見的光學(xué)圖像，通常采用熒光屏。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+10—10E+14Ωcm，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。基本材料是金屬的硫化物、氧化物或硅酸鹽等晶體。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)磷光體受激發(fā)光的物理過程，將電子圖像轉(zhuǎn)換為可見的光學(xué)圖像。二像管的類型與結(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：工作于非可見輻射(近紅外、紫外、X射線、γ射線)的像管，稱之為變像管；工作于微弱可見光的像管，稱之為像增強(qiáng)器。根據(jù)像管的發(fā)展階段可分為：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。1．近貼式像管

近貼式像管的結(jié)構(gòu)如圖所示，光陰極在輸入窗的內(nèi)表面，熒光屏在輸出窗的內(nèi)表面，光陰極和熒光屏相互平行。在光陰極與熒光屏之間施加高壓時(shí)，兩電極間形成縱向均勻電場(chǎng)，由光陰極發(fā)射出的電子受電場(chǎng)的作用飛向熒光屏，由于間距很近(約lmm)，所以稱為近貼聚焦的電子光學(xué)系統(tǒng)。近貼式像管是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的像管，熒光屏上成正像，且無(wú)畸變。但是由于受分辨力的限制，極間距離不能太大，又因?yàn)槭軋?chǎng)致發(fā)射的限制，極間電壓不能太高，因此系統(tǒng)的亮度增益受到限制，象質(zhì)也受到影響。常用的單級(jí)靜電聚焦

倒像式像管的結(jié)構(gòu)

在通常采用的雙球面電極系統(tǒng)中，陽(yáng)極頭部曲面和光陰極球面以及熒光屏都是近似同心球面。由此構(gòu)成近似的球形對(duì)稱靜電場(chǎng)，使軸外各點(diǎn)的電子主軌跡都是近似對(duì)稱軸，從而使軸外象差如場(chǎng)曲、像散、畸變等都比雙圓筒系統(tǒng)小。

三級(jí)級(jí)聯(lián)像管示意圖

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。

3．電磁復(fù)合聚焦式像管

采用平面像場(chǎng)。在平面光陰極和熒光屏之間設(shè)置有環(huán)形電極，其上加有逐步升高的電壓，沿管軸建立起上升的電位；同時(shí)管殼外設(shè)置有通以恒定電流的螺旋線圈而產(chǎn)生的均勻磁場(chǎng)，由此形成縱向的均勻電磁場(chǎng)。該電磁場(chǎng)使光陰極發(fā)射的電子加速并聚焦到熒光屏上成像。只要嚴(yán)格地控制電壓和磁場(chǎng)，就可以得到良好的像平面，使熒光屏上獲得較高的分辨力。但是由于復(fù)合聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，給使用帶來(lái)不方便。因此通常只在需要高性能的場(chǎng)合，如天文觀察時(shí)才使用這種聚焦方式。

選通式像管具有可控的間斷工作功能。選通的工作方式有兩種：?jiǎn)蚊}沖觸發(fā)式工作；連續(xù)脈沖觸發(fā)式工作。前者用于高速攝影中作為電子快門，后者用于主動(dòng)紅外選通成像與測(cè)距。選通式像管中另有一種類型，它增加了一對(duì)偏轉(zhuǎn)電極。這對(duì)偏轉(zhuǎn)電極設(shè)置在陽(yáng)極錐體內(nèi)，其上施加線性斜坡狀脈沖電壓使輸出圖像偏轉(zhuǎn)，將連續(xù)選通的幾幅圖像在熒光屏上分開。這種像管也稱為條紋管。5．變倍式像管

能夠改變倍率的像管稱為變倍式像管。它具有可變放大率的電子光學(xué)系統(tǒng)。由于變倍的同時(shí)也必然使焦距發(fā)生變化，因此在普通像管內(nèi)除了加變倍電極外，同時(shí)還需要加聚焦電極來(lái)補(bǔ)償像面的變動(dòng)，所以變倍式像管是四電極結(jié)構(gòu)。

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5一10μm。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。

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。

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。

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)7．負(fù)電子親和勢(shì)光陰極像管(第三代像管)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)離子所釋放出的能量。結(jié)構(gòu)與第二代近貼式像管類似，其根本區(qū)別在于光陰極。第一代像管采用的是表面具有正電子親和勢(shì)的多晶薄膜結(jié)構(gòu)的多堿光陰極．其光靈敏度約為250—550uA/lm；而第三代像管采用的負(fù)電子親和勢(shì)光陰極，它的光靈敏度高達(dá)l000uA/lm以上。因此第三代像管具有高增益、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)。負(fù)電子親和勢(shì)是熱化電子發(fā)射，光電子的初動(dòng)能較低，能量又比較集中，因此第三代像管又具有較高的圖像分辨力。由于這些特點(diǎn)使第三代像管成為目前性能最優(yōu)越的直視型光電成像器件。8．

X射線變像管和

γ射線變像管

X射線和γ射線變像管是分別將不可見的X射線圖像和γ射線圖像轉(zhuǎn)換為可見的光學(xué)圖像。此類變像管只比普通像管多了一個(gè)射線轉(zhuǎn)換熒光屏(又稱輸入熒光屏)。

射線轉(zhuǎn)換屏位于射線變像管的輸入窗內(nèi)，它與外殼之間設(shè)置薄鋁層以擋雜光；轉(zhuǎn)移屏與光陰極之間靠很薄的玻璃耦合，以減小熒光圖像的擴(kuò)散。這一轉(zhuǎn)換屏可將入射的x射線圖像或γ射線圖像轉(zhuǎn)換為熒光的弱光圖像，該弱光圖像入射在光陰極上產(chǎn)生光電子圖像。其后續(xù)過程與普通像管相同。

三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的目標(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?，盡量小的亮度(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。1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。2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?！霸鲆妗本褪怯脕?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/EV3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．4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。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。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縮小能力的一個(gè)性能參數(shù)。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。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)定像管的成像質(zhì)量，最簡(jiǎn)單常用的方法是測(cè)定其分辯力.

攝像管能輸出視頻信號(hào)的真空光電管叫做攝像管。原理：將二維空間分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間變化的一維電信號(hào)具體步驟：光敏元件接收輸入圖像的輻照度進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換電荷存儲(chǔ)元件累計(jì)點(diǎn)亮，保持電荷量在空間的分布靶電子槍產(chǎn)生空間二維掃描電子束，逐點(diǎn)將電荷與負(fù)載回路接通（一維）電視技術(shù)的出現(xiàn)，使人類擺脫了必須面對(duì)景物才能觀察的限制，從而開拓了一條實(shí)時(shí)圖像傳輸?shù)募夹g(shù)途徑。電視是利用無(wú)線電或有線電電子學(xué)的方法來(lái)傳送和顯示遠(yuǎn)距離景物圖像的設(shè)備。它不僅能超越障礙提供遠(yuǎn)距離景物的圖像，而且能夠在大屏幕上顯示，其亮度和對(duì)比度還可以調(diào)節(jié)。一電視攝像的基本原理電視攝像過程是將兩維空間分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為一維時(shí)間變化的視頻電信號(hào)。完成這一過程的器件稱為攝像管。具體的攝像過程可分為如下的三個(gè)步驟：①攝像管的光敏元件接受輸入圖像的輻照進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將兩維空間分布的光強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)閮删S空間分布的電量；

②攝像管的電荷存貯元件在一幀的周期內(nèi)連續(xù)積累由光敏元件產(chǎn)生的電量，并保持電荷量在空間的分布。這一存貯電荷的元件稱之為靶；③攝像管的電子槍產(chǎn)生空間兩維掃描的電子束，在一幀的周期內(nèi)完成全靶面的掃描。逐點(diǎn)掃描的電子束到達(dá)靶面的電荷量與靶面貯存的電荷量相關(guān)，因此掃描電子束的電流被靶面電荷量所制，從而在輸出電路上即可得到視頻信號(hào)。二攝像管的基本原理和分類

為了完成攝像任務(wù)，攝像管必須具有圖像的寫入、存貯過程即輸入的光學(xué)圖像照射在靶面上產(chǎn)生電荷(電位)圖像；圖像的閱讀、抹除過程即掃描電子束從靶面上取出視頻信號(hào)。一般攝像管應(yīng)具有的結(jié)構(gòu)它主要由兩大部分組成光電變換與存貯部分信號(hào)閱讀部分。1．光電變換與存貯部分(1)光電變換部分將光學(xué)圖像變成電荷圖像的任務(wù)是由光電變換部分來(lái)完成的。該部分由光敏元件構(gòu)成。常用的材料有光電發(fā)射體和光電導(dǎo)體。①光電發(fā)射體。用于像管中的各種光陰極，都可以作攝像管中的光電發(fā)射體。光陰極在光照下產(chǎn)生與光通量成正比的光電子流，這既可以利用光電子流進(jìn)行放大處理，以作為信號(hào)輸出，也可以利用因光電子發(fā)射而提高的光陰極電位作為信號(hào)輸出。

②光電導(dǎo)體。光電導(dǎo)體是目前攝像管中應(yīng)用最廣泛的光電變換材料。這類攝像管的光電變換基于內(nèi)光電效應(yīng)的原理。它的光敏面和靶是合而為一的元件。此元件即具有光電變換功能，又具有存貯與積累電荷的作用。該元件稱之為攝像管的靶。光電導(dǎo)攝像管簡(jiǎn)稱為視像管。光電導(dǎo)體的光電變換原理在光電導(dǎo)層上接有數(shù)十伏的直流電壓，形成跨層電場(chǎng)。當(dāng)受光照時(shí)，靶的電導(dǎo)率升高，由此使正電荷從電位較高的一邊流向較低的一邊(如圖從左到右)。使靶右邊的正電荷增加，即電位上升。電位升高量與光照相對(duì)應(yīng)。這樣就把人射在光電導(dǎo)左邊的光學(xué)圖像，轉(zhuǎn)換成了右面的電位圖像(電荷圖像)。

(2)電荷存貯與積累部分由于光電變換所得的瞬時(shí)信號(hào)很弱，所以現(xiàn)在攝像管均采用積累元件。它對(duì)圖像上的任一像元，在整個(gè)幀周期內(nèi)不斷地積累電荷信號(hào)。因?yàn)橐e累和存貯信號(hào)，所以在幀周期內(nèi)要求信號(hào)不能漏走。因此要求存貯元件應(yīng)具有足夠的絕緣能力。常用的存貯元件有：①二次電子發(fā)射積累。在光陰極僅作為光電變換元件的攝像管中，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的積累，還必須具有電荷積累和存貯元件，二次電子發(fā)射靶就是其中之一。

二次電子發(fā)射積累電荷的原理工作時(shí)，均勻的光陰極發(fā)射出與光通量成比例的光電子，它們?cè)诩铀賵?chǎng)的作用下，以高速轟擊二次電子發(fā)射靶。由于靶是絕緣體，所以發(fā)射的部分將維持正電位，并隨著光的繼續(xù)照射而積累下去，直到閱讀時(shí)才被取出。

②二次電子導(dǎo)電積累。上述的二次電子發(fā)射積累，是指二次電子跑出靶層以外，飛向收集極。這樣二次電子應(yīng)該具有較大的能量，或處于較強(qiáng)的電場(chǎng)下才能到達(dá)收集極。而二次電子導(dǎo)電型與此不同，其原理如圖8—4所示。光電子在加速電場(chǎng)的作用下穿過透明的支撐膜和導(dǎo)電膜，轟擊二次電子導(dǎo)電層，產(chǎn)生二次電子。二次電子導(dǎo)電層是疏松的纖維狀結(jié)構(gòu)。由它所產(chǎn)生的二次電子并不跑出靶外，而仍在層內(nèi)運(yùn)動(dòng)。由于信號(hào)板上總加有固定正電壓，所以二次電子不斷地流入信號(hào)板，從而使靶的自由面(左)帶上正電荷，電位升高。電位升高量與景物入射照度相一致，在電子束掃描之前，靶電荷將一直積累下去。

③電子轟擊感應(yīng)電導(dǎo)積累。利用二次電子發(fā)射積累，需要較大的一次電子能量，如果采用電子轟擊感應(yīng)電導(dǎo)積累，則一次電子的能量要節(jié)省得多。因?yàn)椴恍枰央娮哟虻襟w外，只需將其激發(fā)到導(dǎo)帶。這種積累型式如圖8—5所示，只需把二次電子發(fā)射靶換成該靶。工作時(shí)，光電子以高速轟擊靶面，使靶電導(dǎo)率增加，由于電導(dǎo)率增加，使得信號(hào)板上的正電荷向靶的自由面轉(zhuǎn)移。從而在靶表面上建立起電位圖像。閱讀時(shí)，用慢電子束掃描，使靶面電位恢復(fù)到電子槍陰極電位，同時(shí)有信號(hào)輸出。

④光電導(dǎo)積累。在這種積累形成中，光電導(dǎo)層既是光電變換元件又是電荷積累元件。其原理如圖8—6所示。光電導(dǎo)靶是半導(dǎo)體，未接受光照時(shí)具有較高的電阻率，通常約為1012Ωcm。在靶的受光表面上是導(dǎo)電的輸出信號(hào)電極，其上接有數(shù)十伏的工作電壓。但由于靶的電阻率較高，因此靶的另一表面與工作電壓絕緣。當(dāng)電子束掃描這一絕緣表面時(shí)，電子束的電子將到達(dá)這一表面。由于電子槍發(fā)射電子的陰極電位為零伏，所以靶的絕緣表面電位經(jīng)電子束掃描后將穩(wěn)定在電子槍陰極的電位上。因此靶的兩個(gè)表面間產(chǎn)生了數(shù)十伏的電壓差。

光電導(dǎo)攝像管工作時(shí)，靶面接受光學(xué)圖像的輻照。當(dāng)入射光子的能量大于光電導(dǎo)靶的禁帶寬度時(shí)，就構(gòu)成本征吸收，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶產(chǎn)生光生載流子。光生載流子的密度分布與輸入圖像的照度分布一致。因此由光生載流子所產(chǎn)生的電導(dǎo)率變化也與圖像照度分布相一致。這一電導(dǎo)率的增加將導(dǎo)致靶的兩表面間產(chǎn)生相應(yīng)的放電電流，因此靶的絕緣面電位隨之上升。電位上升的數(shù)值對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)的輸入圖像照度值。由于輸入的光學(xué)圖像是連續(xù)輻照在靶面上，所以在電子束掃描一幀圖像的時(shí)間間隔內(nèi)靶的兩個(gè)表面間的放電電荷是連續(xù)積累的，這表明光電攝像管在攝取一幀圖像時(shí)，它的靶面通過光電導(dǎo)效應(yīng)連續(xù)放電而形成了電荷圖像

2．信號(hào)閱讀部分從靶面上取出信號(hào)的任務(wù)是由閱讀部分來(lái)完成的。閱讀部分是掃描電子槍系統(tǒng)。它由細(xì)電子束的發(fā)射源、電子束的聚焦系統(tǒng)和電子束的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)三部分組成。

細(xì)電子束的發(fā)射源通常采用間熱式氧化物陰極，并帶有負(fù)偏壓的控制柵極、加速電極和電子束限制膜孔。一般間熱式的氧化物陰極所發(fā)射的電流密度為0.5~1uA，陰極的電位定為零電位。當(dāng)控制柵極的負(fù)電位增加時(shí)，陰極發(fā)射的電子束流將受到抑制。因此電子束流可以通過調(diào)節(jié)控制柵極的負(fù)電位來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。加速電極接正電位，以提供電子束連續(xù)發(fā)射的加速電場(chǎng)。電子束限制膜孔通常設(shè)置在電子束交叉點(diǎn)的后方，膜孔直徑為30μm左右。膜孔限制了電子束直徑，并保持電子束具有較小的發(fā)散角，以減小聚焦系統(tǒng)產(chǎn)生的像差。同時(shí)也攔截了徑向初速較大的電子，以便形成一個(gè)擴(kuò)展小、速度分散小的電子束。

電子束的聚焦系統(tǒng)有靜電聚焦和電磁復(fù)合聚焦兩種類型，后者的像差較小而被廣泛采用。電磁復(fù)合聚焦系統(tǒng)是由準(zhǔn)直電極、場(chǎng)網(wǎng)、長(zhǎng)磁聚焦線圈及校正線圈所組成。場(chǎng)網(wǎng)是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的電極，位于貼近靶面處，其作用是使靶面附近形成均勻電場(chǎng)，使電子垂直著靶，減小電子著靶時(shí)能量的差異。校正線圈是用來(lái)校正電子束的入射方向，以便電子束軌跡與聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)線圈的對(duì)稱軸線一致。

電子束的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是由兩對(duì)磁偏轉(zhuǎn)線圈構(gòu)成，如果采用靜電偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)則是兩對(duì)偏轉(zhuǎn)電極。攝像管的電子束偏轉(zhuǎn)角不宜過大，一般要小于10°。2視頻信號(hào)的形成

視像管靶的膜層是連成一片的，然而它具有很高的電阻率(1012Ωcm)，以致在掃描面上各點(diǎn)積累的電荷不至于在一幀周期(如l／25s)內(nèi)泄漏。這樣，就可把接收?qǐng)D像的靶面分割成很多像元，按我國(guó)的電視制式，一幀圖像可分成四十多萬(wàn)個(gè)像元。每個(gè)像元可用一個(gè)電阻R和電容C來(lái)等效。電容C起存儲(chǔ)信息的作用，電阻R隨著光照度的增大而變小，無(wú)光照時(shí)R為暗電阻Rd，光照后及變?yōu)镽c(E)，是與照度E有關(guān)的變量。視像管信號(hào)輸出等效電路。Ri與Ci表示第i個(gè)像元的電容和電阻，所有像元的左側(cè)通過導(dǎo)電半導(dǎo)體薄膜、銦電極、負(fù)載電阻RL與電源相連。視頻信號(hào)通過CL輸出。當(dāng)電子束掃描時(shí)，從陰極發(fā)射出的電子束，通過場(chǎng)網(wǎng)后進(jìn)入強(qiáng)烈的減速場(chǎng)，以慢速落到靶的右側(cè)上。由于靶壓很低，二次電子發(fā)射系數(shù)小于l，因此進(jìn)入靶的電子比出來(lái)的電子多，到一定程度就完全阻止電子繼續(xù)上靶。這時(shí)，靶右側(cè)掃描面的電壓將等于陰極電位。也就是使像元電容器C兩端的電位差達(dá)到靶壓，因此是充電過程。電子束在每個(gè)像元上停留的時(shí)間即充電時(shí)間約0.1us。

下面討論像元從無(wú)光照到受強(qiáng)光照射輸出信號(hào)的過程。設(shè)在無(wú)光照時(shí)，某一像元的暗電阻為Rd,在被電子束掃瞄以后，電容器開始沿RdC回路放電，但不輸出信號(hào)電流。靶的外側(cè)B電位固定為靶壓VT;掃描側(cè)A的電位VAd隨像元電容器C的放電而從零上升，如圖8．8所示的a線段，其值為像元的放電時(shí)間近似地等于幀周期Tf即4ms。因此，在下一次電子束對(duì)像元掃描以前，在掃描側(cè)A點(diǎn)電位的最大值如果暗電阻Rd很大，則Vad≈0。

當(dāng)像元再次掃描時(shí)，電流通過束電阻Rb、電容C、負(fù)載電阻RL、靶電源和地，構(gòu)成回路而向電容器C充電。在充電過程中，A點(diǎn)電位的變化如圖8．8所示的b線段，其值因?yàn)镽d通常為10MΩ，而RL＜lMΩ，所以充電電流在RL上產(chǎn)生電壓降ΔVd，此電位變化通過電容器CL輸出，稱為黑色電平。

當(dāng)用強(qiáng)光照射時(shí)，由于光電導(dǎo)增大而使電阻R變小。在放電過程中，A點(diǎn)的電位上升，如圖8．8所示的C線段，最高的電位VAem等于：

而在電子束再一次掃描充電時(shí)，電位下降，如d線段所示，其變化為這樣，由于光照產(chǎn)生的有效信號(hào)

由此信號(hào)電壓引起的充電電流在RL上產(chǎn)生電壓降ΔVL，ΔVL被稱為白電平。此電位變化將作為由光照產(chǎn)生的信號(hào)電壓通過CL輸出，即視頻信息的白電平。然而，由于電子束對(duì)靶的掃描面不斷地從左到右，從上到下掃描，因此實(shí)際輸出的是相對(duì)于空間照度分布的、時(shí)間序列脈沖的視頻信號(hào)。3攝像管的分類發(fā)展到目前，由于對(duì)攝像管的各種不同用途的需要，其種類極為繁多，它的分類方法也很多。通?？砂聪率龇椒ǚ诸悾?/p>

1)按電荷積累方式分類①二次電子發(fā)射積累型，如超正析攝像管；②二次電子導(dǎo)電積累型，如SEC攝像管；③光電導(dǎo)積累型，如各種視像管；④電子轟擊感應(yīng)電導(dǎo)積累型；如電子轟擊硅靶攝像管。

2)按光電變換形式分類①外光電變換型，它是利用外光電效應(yīng)變換的光電發(fā)射型攝像管，即帶光陰極的攝像管。②內(nèi)光電變換型，它是利用內(nèi)光電效應(yīng)變換的視像管。3)按視頻信號(hào)讀出方式分類①信號(hào)板輸出型，利用上靶的電子取出信號(hào)，由于信號(hào)板和靶是固定在一起的，故又稱為靶輸出型。②雙面靶輸出型，利用從靶面反射電子取出信號(hào)，故又稱為返束輸出型。

三攝像管的主要特性參數(shù)衡量攝像管優(yōu)劣的總標(biāo)準(zhǔn)是：在測(cè)試臺(tái)的監(jiān)視器上能否分辨一定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖案。圖案的清晰程度是由許多因素決定的。為了分析和研究各種因素對(duì)像質(zhì)的影響，必須規(guī)定出具體的特性參數(shù)。攝像管的最主要特性參數(shù)是：靈敏度、惰性、分辨力和光電轉(zhuǎn)換特性等。其中靈敏度和惰性主要決定于靶面，分辨力主要決定于掃描電子槍。1)攝像管的靈敏度靈敏度S是攝像管的一個(gè)極其重要的特性參數(shù)。它定義為輸出信號(hào)電流與輸入光通量(或照度)的比值。其單位為μA／lm或μA／1x。光電導(dǎo)攝像管的靈敏度公式為式中的N是靶面的像元總數(shù)。由于靶面每個(gè)像元接受光照的時(shí)間是電子束掃描時(shí)間的N倍，所以每個(gè)像元在幀周期Tf內(nèi)輸入的光通量為。NΦ，對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)電流為Is，2)攝像管的惰性在攝取動(dòng)態(tài)圖像時(shí)，攝像管的輸出信號(hào)滯后于輸入照度的變化，這一現(xiàn)象稱為惰性。當(dāng)輸入照度增加時(shí)，輸出信號(hào)的滯后稱為上升惰性。當(dāng)輸入照度減小時(shí)，輸出信號(hào)的滯后稱為衰減惰性。對(duì)于電視攝像管的惰性指標(biāo)，通常采用輸入照度截止后第三場(chǎng)和第十二場(chǎng)(以幀周期0.04s計(jì)為60ms和240ms)剩余信號(hào)所占的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。攝像管產(chǎn)生惰性的主要原因有兩個(gè)：一是圖像寫入時(shí)的光電導(dǎo)惰性；二是圖像讀出時(shí)掃描電子束的等效電阻與靶的等效電容所構(gòu)成的充放電惰性。3)攝像管的分辨力電視攝像管在攝像時(shí)對(duì)圖像細(xì)節(jié)的分辨能力是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。由于電視系統(tǒng)采用掃描方式，故分辨力在垂直和水平方向上是不同的。因而分成垂直分辨力和水平分辨力即以畫面垂直方向或水平方向尺寸內(nèi)所能分辨的黑白條紋數(shù)來(lái)表示。這一極限分辨的線條數(shù)簡(jiǎn)稱為電視線(TVL)。對(duì)攝像管亦應(yīng)如此。

1．垂直分辨力(或稱分解力)在整個(gè)畫面上，沿垂直方向所能分辨的像元數(shù)或黑白相間的水平等寬矩形條紋數(shù)，稱為垂直分辨力。比如，若能夠分辨600行，即垂直分辨力為600TVL。靶面像元的大小是由電子束落點(diǎn)尺寸，掃描行數(shù)和掃描位置所決定的。它們決定了垂直分辨力的上限，當(dāng)這些因素確定之后，靶本身的質(zhì)量就決定著分辨力的大小。

①掃描行數(shù)的影響。水平掃描行數(shù)為600行的電視系統(tǒng)，其垂直分辨力絕對(duì)不會(huì)超過600TVL?？紤]實(shí)際掃描過程中的消隱行數(shù)，最高垂直分辨力總要低于掃描行數(shù)。

②掃描位置的影響。如果掃描中心線的位置不當(dāng)，會(huì)使應(yīng)有的分辨力下降。設(shè)被傳送的是黑白測(cè)試圖案，線條數(shù)為N，當(dāng)掃描中心線與條紋中心線正好重合時(shí)，分辨力最高，如圖8—10(a)所示。此時(shí)垂直分辨力等于有效掃描行數(shù)(不考慮其它因素)。當(dāng)掃描中心線與條紋邊界線重合時(shí)，垂直分辨力最低，圖案難以分辨。如圖8—10(b)所示。但是如果圖案線條加寬一倍，仍可分辨，但垂直分辨力下降一半。如圖8—10(c)所示。如果掃描中心線介于線條的中心線和邊界線之間，垂直分辨力將介于以上兩種情況之間。

③掃描電子束落點(diǎn)尺寸及其電流密度分布。以上是假設(shè)掃描電子束落點(diǎn)尺寸正好等于線寬的情況。如果不等，垂直分辨力隨著束點(diǎn)尺寸的變化而變化。如果束點(diǎn)尺寸增大，垂直分辨力將會(huì)下降。這是由于在掃描時(shí)，同時(shí)取走了相鄰線條的信號(hào)，使它們相互混淆所致。此外，垂直分辨力還與束點(diǎn)上的電流密度分布有關(guān)。通常束截面上的電流密度服從高斯分布。所以束點(diǎn)中心和邊緣部分的閱讀能力不同。如果設(shè)計(jì)均勻密度分布的束點(diǎn)