光電檢測第七章真空成像器件

光電檢測第七章真空成像器件第1頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一真空成像器件應用范圍第七章真空成像器件——圖像測量

——零件微小尺寸及質量的檢驗

——光學干涉圖像判讀

——機器視覺：自動瞄準

定位

跟蹤

識別

控制第2頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一本章內容第七章真空成像器件7.1像管7.1像管7.2常見像管7.3攝像管7.4光導靶和存儲靶7.5攝像管的特性參數7.6攝像管的發(fā)展方向第3頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一像管第七章真空成像器件真空成像器件中沒有掃描機構的稱為像管。像管的主要功能是把不可見輻射(紅外或紫外)圖像或微弱光圖像通過光電陰極和電子光學系統(tǒng)轉換成可見光圖像。

把不可見輻射圖像轉換成可見光圖像的象管稱為變象管。

使微弱光圖像增強的象管稱為像增強器。返回第4頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一攝像管第七章真空成像器件真空成像器件中有掃描機構的稱為攝像管。攝像管是把可見光或不可見輻射(紅外、紫外或X射線等)的二維圖像通過光電靶和電子束掃描后轉換成相應的一維視頻信號,通過顯示器件再成像的光電成像器件。攝像管根據光電靶轉換的方式又分為攝像管和視像管兩類。返回第5頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一像管第七章真空成像器件像管包括變像管和像增強器。變像管是一種能把各種不可見輻射(紅外,紫外和X射線)圖像轉換成可見光圖像的真空光電成像器件。

像增強器是能把微弱的輻射圖像增強到人眼可直接觀察的真空光電成像器件,因此也稱為微光管。變像管和像增強器都具有光譜變換、圖像增強和成像的功能。7.1像管第6頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件第三是將增強的電子圖像轉換成可見的光學圖像。7.1像管像管實現圖像的電磁波譜轉換和亮度增強是通過三個環(huán)節(jié)來完成的:其次是使電子圖像獲得能量或數量增強，并聚焦成像；首先是將接受的微弱的或不可見的輸入輻射圖像轉換成電子圖像；第7頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一7.1節(jié)內容第七章真空成像器件7.1像管7.1.1像管結構和工作原理返回7.1.2像管的特性參量第8頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一像管結構和工作原理第七章真空成像器件

像管由3個基本部分組成,如圖所示。一、光電變換部分,即光電陰極;（實現光電轉換）二、電子光學系統(tǒng),即電子透鏡；(實現電子加速)三、電光變換部分，即熒光屏；（實現圖像顯示）7.1像管返回第9頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一光電陰極第七章真空成像器件

光電陰極使不可見的亮度很低的輻射圖像轉換成電子圖像。像管中常用的光電陰極有4種:

——銀氧銫光電陰極；

——單堿和多堿光電陰極；

——各種紫外光電陰極；

——負電子親合勢(NEA)光電陰極。7.1像管返回第10頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一電子光學系統(tǒng)第七章真空成像器件

電子光學系統(tǒng)對電子施加很強的電場和磁場,使電子獲得能量,因而能將光電陰極發(fā)出的電子束加速并聚焦成像在熒光屏上,從而實現圖像亮度的增強,使熒光屏發(fā)射出強得多的光能。電子光學系統(tǒng)有兩種形式：——靜電系統(tǒng):靠靜電場的加速和聚焦作用來完成;——電磁復合系統(tǒng):靠靜電場的加速和磁場的聚焦作用來共同完成。7.1像管返回第11頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一靜電系統(tǒng)第七章真空成像器件又可分為非聚焦型和聚焦型兩種。非聚焦型電子光學系統(tǒng)結構的像管,一般由光電陰極和陽極(與熒光屏在一起)構成。兩者平行且距離很近,所以這種像管又稱近貼式像管。工作時兩極之間加上高壓,形成縱向均勻電場,只能對光電子起到加速作用,不能聚焦成像,所以從光電陰極上同一點發(fā)出的不同初速的光電子,不能在熒光屏上會聚成一個像點,而是一個彌散圓斑。因此,近貼式像管的分辨率較低。7.1像管第12頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件聚焦型電子光學系統(tǒng)有雙圓筒電極系統(tǒng)和雙球面電極系統(tǒng)兩種形式,如圖所示。從圖中可知,從光電陰極發(fā)出的電子只能從陽極中間的小孔通過;7.1像管第13頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件由等位線可以看出:電子從陰極到陽極運動過程中會受到聚焦和加速,然后射向熒光屏,并在熒光屏上成一倒像,如圖所示。7.1像管返回第14頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件復合聚焦電子光學系統(tǒng)(即電磁聚焦系統(tǒng))中既有磁場也有電場。如圖所示。7.1像管第15頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件從光電陰極面上發(fā)出的電子在縱向電場和磁場的復合作用下,都能以不同螺旋線向陽極前進;由陰極面上同一點發(fā)出的電子,只要在軸向有相同的初速度,如圖所示就能保證在一個周期之后相聚于一點。電磁聚焦的優(yōu)點：聚焦作用強,容易調節(jié),邊緣像差小,分辨率高;缺點：體積和重量較大,結構較復雜。7.1像管返回第16頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一熒光屏第七章真空成像器件7.1像管熒光屏的作用是在高速電子的轟擊下將電子圖像轉換成可見光圖像。一般要求熒光屏不僅應具有高的轉換效率,而且屏的發(fā)射光譜要同人眼或與之耦合的下級光電陰極的吸收光譜一致。常見熒光屏發(fā)光材料的光譜發(fā)射特性如圖所示。返回第17頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一像管的特性參量第七章真空成像器件7.1像管1.光譜響應特性和光譜匹配返回2.增益特性3.等效背景照度4.分辨率第18頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件7.1像管

像管的光譜響應特性由光電陰極的響應特性決定,因此描述像管光譜響應特性的參量有

光譜響應特性和光譜匹配

——光譜靈敏度——量子效率——光譜特性曲線——積分靈敏度第19頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件7.1像管

光譜匹配是指像管的光源與光電陰極、光電陰極與熒光屏、熒光屏與人眼視覺函數之間的光譜分布匹配,即兩兩光譜響應曲線的重合程度大小。如圖所示，可表示為返回第20頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件7.1像管

確定波長在單色光照射時,陰極輸出光電流與入射的單色輻射通量之比。即其量綱為μA/W或A/W。返回光譜靈敏度第21頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件7.1像管

光電陰極受特定波長的光照射時,該陰極所發(fā)射的光電子數Ne(λ)與入射的光子數Np(λ)之比值,稱為量子效率,用符號Q(λ)表示。光電陰極的量子效率決定像管的靈敏度。返回量子效率第22頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件7.1像管在一定的白光(色溫2856K的鎢絲燈)照射下，光電陰極光電流與入射的白光光通量之比，稱為積分靈敏度。即返回積分靈敏度第23頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件7.1像管

光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射光波長的關系曲線,稱為光譜響應曲線。返回光譜特性曲線第24頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一增益特性第七章真空成像器件

亮度增益是熒光屏的光亮度Ba和入射至光電陰極面上的照度Ek之比,以GB表示。7.1像管π為常數。單級變像管的增益為式中:ξ為熒光屏的發(fā)光效率;Sk為光電陰極對光源的積分靈敏度;Ua為像管的陽極電壓;α為光電子透過系數;Ak、Aa分別為光電陰極和熒光屏的面積。返回第25頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一等效背景照度第七章真空成像器件7.1像管

無光照時，熒光屏的發(fā)光稱為像管的暗背景。

等效背景照度是指當像管受微弱光照時,在熒光屏上產生同暗背景相等的亮度時,光電陰極面上所需的輸入照度值,以EBI表示。式中,Bb為暗背景亮度。暗背景產生的主要原因是光陰極的熱電子發(fā)射和管內顆粒引起的場致發(fā)射。返回第26頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一分辨率第七章真空成像器件

所謂分辨率是指在足夠照度下（100lx為宜），當標準測試板通過像管后,在熒光屏的每毫米長度上用目測法能分辨開的黑白相間等寬距條紋的對數,單位是每毫米線對數,記為lp/mm。

這種方法總會受到主觀因素的影響。比較客觀的方法是采用調制傳遞函數來描述。7.1像管返回第27頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一常見像管第七章真空成像器件7.2常見像管7.2.1常見變像管返回7.2.2常見像增強器7.2.3特殊變像管第28頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一常見變像管第七章真空成像器件變像管是指把不可見光轉換為可見光的器件。

7.2常見像管1.紅外變像管返回2.紫外變像管3.選通式變像管第29頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一紅外變像管第七章真空成像器件核心部分是對紅外光敏感的光電陰極。當紅外光照射到陰極時，產生光電發(fā)射，經過電子光學系統(tǒng)，實現光譜變換。紅外變像管結構如圖所示。7.2常見像管第30頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件圖(a)所示的紅外變像管,由于光電陰極和熒光屏都是平面,使邊緣像質變差;圖(b)所示的紅外變像管,把光電陰極和熒光屏制成平凹形,經過光學纖維面板的導光從而大大提高了像質。7.2常見像管返回第31頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一紫外變像管第七章真空成像器件紫外變像管的窗口材料為石英玻璃,光電發(fā)射材料為S-11,Sb-Cs陰極。它可以使波長大于200nm的紫外光變成光電子。紫外變像管與光學顯微鏡結合起來,可用于醫(yī)學和生物學等方面的研究。7.2常見像管返回第32頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一選通式變像管第七章真空成像器件變像管的光電陰極和陽極間增加一對帶孔闌的金屬電極-控制柵極,就成為選通式變像管,如圖所示。只要改變柵極的電壓就可控制變像管的導通。7.2常見像管第33頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件7.2常見像管工作原理如圖所示。只要選通式變像管的工作周期與光源的調制周期一樣，同步工作，便可提高圖像的對比度和質量。返回第34頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一常見像增強器第七章真空成像器件7.2常見像管像增強器是一種能把微弱的光學圖像增強、轉換成適合人眼觀察的光學圖像的真空成像器件。1.級聯式像增強器返回2.微通道板像增強器3.第三代像增強器4.X射線像增強器第35頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一級聯式像增強器第七章真空成像器件7.2常見像管在實際應用中，為了獲得更高的亮度增益，將完全相同的單級像管，用光學纖維面板進行多級耦合。如圖a所示。

像管的輸入窗和輸出窗都是由光學纖維面板制成，以便將球面像轉換為平面像來完成級間耦合。第36頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件7.2常見像管由于每級像管都成倒像，所以耦合的級數多取單數，通常為三級。該像管稱為第一代像增強器。如圖所示為三級級聯式像增強器的結構示意圖。

第一代像增強器具有與增益高、成像清晰的優(yōu)點，但重量大，防強光能力差。第37頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件

為了保證連接后的成像效果,必須注意熒光屏和后級光電陰極的光譜匹配,即熒光屏發(fā)射的光譜峰值與光電陰極吸收的峰值波長相接近,而最后一級熒光屏的發(fā)射光譜特性應與人眼的明視覺光譜光視效率曲線相一致。若單級像增強器的分辨率大于50lp/mm,三級像增強器可達30~38lp/mm,亮度增益可達105。7.2常見像管返回第38頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一微通道板像增強器第七章真空成像器件微通道板是兩維空間的電子倍增器，是由大量平行堆集的微細單通道電子倍增器組成的薄板。通道孔徑為5~10μm。工作原理如圖所示。7.2常見像管第39頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一7.2常見像管第七章真空成像器件通道內壁具有較高的二次電子發(fā)射系數。在微通道板的兩個端面之間施加直流電壓形成電場。入射到通道內的電子在電場作用下，碰撞通道內壁產生二次電子。這些二次電子在電場力加速下不斷碰撞通道內壁，直至由通道的輸出端射出，實現連續(xù)倍增，達到增強電子圖像的作用。第40頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件

微通道板像增強器屬于第二代像管。

第二代像管與第一代像管的根本區(qū)別在于：它不是用多級級聯實現光電子倍增，而是采用在單級像管中設置微通道板來實現電子圖像倍增的?？傻玫?08量級的電子增益。微通道板像增強器有兩種結構形式:雙近貼式和倒像式。

倒像式增強器性能上比雙貼近式好一些，但重量較大。7.2常見像管返回第41頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件

雙近貼式像增強器,如圖所示。其光電陰極、微通道板、熒光屏三者相互靠得很近,故稱雙近貼。光電陰極發(fā)射的光電子在電場作用下,進入微通道板輸入端,經MCP電子倍增和加速后打到熒光屏上,輸出光學圖像。這種管子體積小、重量輕、使用方便,但像質和分辨率較差。7.2常見像管返回第42頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件

如圖所示為倒像式像增強器,它與單級像管結構十分相似,只是在電子光學系統(tǒng)與熒光屏之間插入微通道板,像增強器的輸入端、輸出端均采用光纖面板。由微通道板增強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，相對于光陰極上的像來說是倒像，因此稱為倒像管。7.2常見像管返回第43頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第三代像增強器第七章真空成像器件

負電子親合勢光電陰極在可見光范圍和近紅外區(qū)都有較高的靈敏度和量子效率。第二代像增強器的微通道板結構配以負電子親合勢光電陰極,就構成第三代像增強器。這種像增強器能同時起到光譜變換和微光增強的作用,因此可做到一機二用。7.2常見像管第44頁，共104頁，2023年，2月20日，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電子親和勢的多晶薄膜結構的多堿光陰極，其光靈敏度約為250~550uA/lm；而第三代像管采用的負電子親和勢光陰極，它的光靈敏度高達l000uA/lm

以上。因此第三代像管具有高增益、低噪聲的優(yōu)點。負電子親和勢是熱化電子發(fā)射，光電子的初動能較低，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。7.2常見像管返回第45頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一X射線像增強器第七章真空成像器件

X射線像增強器實質是一種變像管,它的作用是將不可見的X射線圖像轉換成可見光圖像,并使圖像亮度增強。如圖所示,一般的X射線像增強器是由輸入7.2常見像管轉換屏、光電陰極、電子光學系統(tǒng)和輸出熒光屏幾部分組成的。比普通像管多了一個輸入轉換熒光屏。第46頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件

輸入轉換屏位于射線變像管的輸入窗內，它與外殼之間設置薄鋁層以擋雜光；X射線通過被檢體后,在輸入轉換屏前形成被檢體的X射線圖像,此圖像轟擊轉換屏后轉換成微弱的可見光圖像;微弱的可見光圖像激發(fā)相鄰的光電陰極發(fā)射相應的電子圖像;光電子流被電子光學系統(tǒng)聚焦和加速;高能電子激發(fā)輸出熒光屏,將電子圖像轉換成尺寸縮小而亮度增強的可見光圖像。7.2常見像管第47頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件

把用CsI:Na材料做轉換屏的增強器稱為第二代X射線像增強器;7.2常見像管把含有MCP板的X射線像增強器稱為第三代,如圖所示。第三代X射線像增強器靈敏度高,在一般室內光線下可直接觀察和照明。返回第48頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一特殊變像管第七章真空成像器件7.2常見像管1.圖像放大像管返回2.多功能像增強器3.位置敏感傳感器像管第49頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一圖像放大像管第七章真空成像器件如圖所示,圖像放大像管是由光電陰極、磁性線圈(放大、聚焦、偏轉)、微通道板及熒光屏組成的磁聚焦型像管?？蓪崿F對目標的細微局部進行圖像放大和增強。7.2常見像管返回第50頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一多功能像增強器第七章真空成像器件多功能像增強器由光電陰極、電子光學系統(tǒng)、柵極偏轉板、旋轉線圈、微通道板和熒光屏組成,如圖所示。改變加在偏轉板上的電壓可使圖像朝X和Y兩個方向移動,使圖像放大;改變電極G1電壓可改變光電子速度,使圖像增亮;管子后部所加的平行于管軸的均勻磁場可使圖像旋轉,旋轉的角度正比于所加的磁場強度。7.2常見像管返回第51頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一位置敏感傳感器像管第七章真空成像器件如圖是位置敏感傳感器像管的結構示意圖。它用位置敏感傳感器(PSD)代替了一般像管的熒光屏,并多加了幾個MCP板。7.2常見像管第52頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件

這種像管的工作原理是:從目標來的入射光子被光電陰極轉換成光電子,經電子透鏡、3塊MCP倍增放大(107)后,這些電子群被加速注入位置敏感傳感器的敏感面并產生大量的電子-空穴對,最后從位7.2常見像管置敏感傳感器輸出電極以脈沖電流形式輸出。如圖所示為位置敏感傳感器像管工作原理圖。返回第53頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一攝像管第七章真空成像器件7.3攝像管7.3.1攝像管的作用及分類返回7.3.2攝像管的結構和工作原理第54頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一攝像管的作用及分類第七章真空成像器件

攝像管是把按空間光強分布的光學圖像記錄并轉換成視頻信號的成像裝置。按光電變換形式，攝像管基本上分為兩類。

--光電發(fā)射型攝像管。

--光電導型攝像管。7.3攝像管返回第55頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件

光電發(fā)射型攝像管是利用外光電效應進行光電轉換的，有時也簡稱攝像管,屬于微光攝像,其增益和靈敏度很高,可工作在亮度較低的場合。如圖所示。7.3攝像管返回第56頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件光電導型攝像管是利用內光電效應進行光電轉換的,也稱為視像管,如圖所示。視像管按光導靶的結構又可分為光電導(注入)型和PN結(阻擋)型兩種。視像管的特點是:結構簡單,體積小,使用方便,在工業(yè)電視中被廣泛應用。7.3攝像管第57頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件光電發(fā)射型攝像管和光電導型攝像管的區(qū)別是前者有移像區(qū),移像區(qū)包括光電陰極和電子光學系統(tǒng),后者沒有。二者共同的地方是兩者都有掃描區(qū),也稱電子槍。電子槍部分包括燈絲、熱陰極、控制柵極、各加速電極和聚焦電極、靶網電極和管外的聚焦線圈、偏轉線圈和校正線圈。它們的作用是產生熱電子,并使它聚焦成很細的電子射線,按一定軌跡掃描靶面。7.3攝像管返回第58頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一攝像管的結構和工作原理第七章真空成像器件

攝像管具有3個基本功能:光電變換、光電信息積累、儲存及掃描輸出。7.3攝像管1.視象管結構與工作原理2.光電發(fā)射型攝像管的結構和工作原理第59頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件概括地說,攝像管的工作原理是:首先，將輸入的光學圖像轉換成電荷圖像；然后，通過電荷的積累和儲存構成電位圖像；最后，通過電子束掃描把電位圖像讀出,形成視頻信號輸出。7.3攝像管返回第60頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一視象管結構與工作原理第七章真空成像器件7.3攝像管

如圖所示,視像管由光導靶和電子束掃描區(qū)構成。其光電變換和光電信息的積累和儲存功能都由光電導靶來完成。當被攝景物的光學圖像通過物鏡成像到攝像管上時,由于光電導靶材料的光電導作用,在靶面上就建立起與入射光照度分布相對應的電位圖像,這就完成了光電變換的功能;第61頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件持續(xù)的光電變換過程實現了光電量的積累。從電子槍發(fā)射出來的電子束依次沿著靶面掃描,將靶面的電位起伏順序地轉變成視頻信號輸出,就完成了掃描輸出的功能。7.3攝像管第62頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件如圖所示靶面電位的變化，說明了不同光照下像素所對應的信號電壓的形成過程。7.3攝像管返回第63頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一光電發(fā)射型攝像管的結構和工作原理第七章真空成像器件如圖所示,光電發(fā)射型攝像管的結構包括光電陰極、移像區(qū)、存儲靶和電子束掃描區(qū)4部分。其光電變換和光電信息的積累和儲存功能分別由光電陰極和存儲靶完成，它們之間隔一個移像區(qū)。7.3攝像管第64頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件移相區(qū)的作用是使光電陰極產生的光電子在運動過程中獲得能量而加速，以便在靶上產生更多的電荷，提高攝像管的響應率。在靶面電位圖像建立后由電子槍用細電子束進行掃描而獲取視頻信號。

當電子束掃描各像素時，由于電子上靶的中和作用使靶面電位與電子槍陰極電位平衡；由于靶面各像素累積電荷不同，需要中和的電子數也不相同，這個電子數就反映了積累信號的大小。7.3攝像管返回第65頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一光導靶和存儲靶第七章真空成像器件攝像管的關鍵器件是靶，視象管和光電發(fā)射型攝像管的靶的作用不同，結構也不同。7.4光導靶和存儲靶7.4.1視像管靶返回7.4.2光電發(fā)射型攝像管靶——存儲靶第66頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一視像管靶第七章真空成像器件視像管的靶是光電導靶,靶的厚度約幾微米到20μm。視像管靶的主要作用是完成光學圖像的光電轉換和信號電荷的積累和存儲。一方面要求光電導材料的電阻率ρ≥1012Ω?cm,同時材料的橫向電阻也應足夠高，方塊電阻在2х1013~2х1014Ω之間，這樣可以防止各個像素之間表面漏電將圖像電位拉平。另一方面還要求光電導材料的禁帶寬度小于1.7eV~2eV，使靶材料由較長的長波限。7.4光導靶和存儲靶返回第67頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件7.4光導靶和存儲靶1.硅靶返回2.氧化鉛靶3.異質結靶視象管靶的結構、工作原理及性能第68頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一硅靶第七章真空成像器件7.4光導靶和存儲靶如圖所示。硅靶窗口玻璃內表面涂有一層很薄的既可透光也可導電的金屬膜，在上面接有引線可同負載相連，稱為信號板。挨著信號板的是一塊N型硅片。硅片在朝電子槍一面先生成一層SiO2，接著利用光刻技術在SiO2上光刻幾十萬個小孔再通過摻雜是每個小孔都變成P型硅，被稱為P型島。每個P型島與N型襯底形成PN結。第69頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件7.4光導靶和存儲靶硅靶的光電變換過程是：信號板通過引線、負載電阻與靶電源的正極相連。電子槍的熱陰極接地，掃描電子束即具有地的電位。當電子束掃描到每個P型島時，P型島的PN結即被反偏置,結電容被充電到靶電源電壓。第70頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件

無光照時,由于PN結有反向漏電流(暗電流),在負載電阻上要產生少量的電壓降,靶的兩邊——成像面和掃描面之間的電壓,略低于靶電源電壓。有光照時,光進入到每個PN結區(qū)將產生電子—空穴對,它們被結內電場分離以后,光生電子通過信號板等外電路入地,光生空穴則被積累于P型島上。7.4光導靶和存儲靶第71頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件如果光照是均勻的,靶的掃描面電位只是均勻地升高;如果光照不均勻,是一幅光學圖像,則掃描面上各P型島的電勢分布將正比于入射光學圖像的亮度分布,亮度高的點,所對應的P型島的電勢也高。當電子束掃描各個二極管時,其電位被拉平到陰極電位,產生的光電流流過負載電阻就形成與光學圖像對應的視頻信號。硅靶的優(yōu)點：光譜響應范圍寬、量子效率高、抗燒傷能力強。7.4光導靶和存儲靶返回第72頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一

氧化鉛靶第七章真空成像器件

PbO靶的結構和工作過程都與硅靶類似。所不同的是,它是由PbO材料制成的。如圖所示，PbO靶窗口玻璃內壁是一層金屬膜作為信號板，接著就是PbO靶，靶的成像面一邊為N型PbO，掃描面一邊為P型PbO，兩者之間夾著一層較厚的本征I型PbO，因而具有PIN結構。7.4光導靶和存儲靶第73頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件

工作時,信號板通過負載和靶電源的正極相接，電子槍的熱陰極接地，當掃描電子束掃描靶面時，相當于對PIN進行反偏置。

靶電源電壓45V左右，PbO靶也有光信息的存儲功能，它的軸向電阻較小，橫向電阻很大，掃描面上的電勢起伏可保持較長時間不變。7.4光導靶和存儲靶返回第74頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一

另有幾種異質結靶,它們的窗口玻璃內壁涂有一層SnO2透明導電薄膜作為信號板,接著就是不同的靶,主要有以下幾種。異質結靶第七章真空成像器件7.4光導靶和存儲靶1)硒化鎘(CdSe)靶返回2)硒砷碲(SeAsTe)靶3)碲化鋅鎘(ZnCdTe)靶第75頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一

硒化鎘靶如圖(a)所示，它是在光敏半導體CdSe上鍍一層絕緣膜，在兩者交界處形成PN結。硒化鎘靶具有分辨率高、暗電流小、在響應范圍內量子效率較高的優(yōu)點。硒化鎘(CdSe)靶第七章真空成像器件7.4光導靶和存儲靶返回第76頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一硒砷碲(SeAsTe)靶第七章真空成像器件

硒砷碲靶的膜結構見圖(b)。這種結構的靶具有光譜響應范圍寬、動態(tài)范圍大、信號電流大、暗電流小、分辨率高、惰性小等優(yōu)點。7.4光導靶和存儲靶返回第77頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一碲化鋅鎘(ZnCdTe)靶第七章真空成像器件

碲化鋅鎘靶其結構和工作過程也與硅靶類似,只是靶材料不同。它的化學成分為碲化鋅鎘ZnxCd1-xTe。由圖(c)可見,碲化鋅鎘靶有3層結構。第一層與第二層之間形成異質結,第二層與第三層之間不形成結。第一層ZnSe無光電效應，其作用是增強對短波光的吸收，提高靈敏度。7.4光導靶和存儲靶第78頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件光電效應主要發(fā)生在第二層。第三層的作用是減小掃描電子束的電子注入效應，減少暗電流和惰性。在可見光區(qū)，碲化鋅鎘靶的靈敏度比硅靶約高1.5~2倍，工藝較簡單，成本較便宜，適宜于做低照度攝像管。7.4光導靶和存儲靶返回第79頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一光電發(fā)射型攝像管靶——存儲靶第七章真空成像器件7.4光導靶和存儲靶1.二次電子傳導靶(SEC)返回2.增強硅靶（SIT）第80頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一二次電子傳導靶(SEC)第七章真空成像器件

如圖所示,SEC靶有3層結構。第一層是Al2O3膜,起機械支撐作用,厚50~70nm;第二層是鋁膜,厚50nm,起信號板作用,通過負載電阻和靶電源的正極相接；第三層是疏松的KCl,其密度只有固體KCl的1%~2%,厚15~20μm。7.4光導靶和存儲靶第81頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件在慢電子束掃描下,靶的掃描面穩(wěn)定在零電位，因此靶的兩面承受著一定的靶電壓。當光電陰極發(fā)出來的光電子被加速后打到靶上時,靶將產生二次電子發(fā)射。這些二次電子除了極小一部分與正離子復合外，絕大部分在靶電場的作用下流向信號板，而在靶的掃描面留下一個正電勢圖像。

7.4光導靶和存儲靶第82頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件讀出時,掃描電子束補充靶上失去的電子,同時把被掃點電勢拉回到零。這樣,在輸出回路中即產生視頻電流。由此可見,這種靶的導電,不是利用材料導帶中的電子或價帶中的空穴,而是依靠二次電子導電的,故稱它為二次電子導電靶。7.4光導靶和存儲靶第83頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件

靶的電子增益與一次電子的加速電壓有關。加速電壓為8KV時,電子增益最大。當加速電壓為8KV時,約有2keV的能量消耗于穿透Al2O3和Al層,約有2keV的能量消耗于穿透SEC靶而未發(fā)揮作用，實際被靶吸收而發(fā)射二次電子的能量只有4keV左右。對KCl靶來說,每產生一個二次電子約要消耗30eV的能量,因此靶的二次電子增益在120左右。

二次電子傳導攝像管響應率高，可得到80~200倍的電子增益，極限分辨率稍低。7.4光導靶和存儲靶返回第84頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一增強硅靶（SIT）第七章真空成像器件增強硅靶管的靶叫增強硅靶(SIT)。SIT靶和硅靶結構基本相同。從光電陰極發(fā)射出來的電子,在高壓作用下轟擊硅靶,使靶內產生電子-空穴對。每個入射的光電子能量為3.4~3.5eV時,可產生1個電子～空穴對。若移像區(qū)的電壓為10KV,則每個入射光電子可產生2800一2900個電子～空穴對。但由于表面和體內的復合和收集率等原因,實際的電子增益約為2000倍。改變移像區(qū)的加速電壓可改變靶的電子增益。7.4光導靶和存儲靶第85頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件增強硅靶靈敏度一般比硅靶大兩個數量級,約為40μA/lx，硅靶不易燒傷，壽命長。以增強硅靶構成的增強型硅靶管如圖所示。7.4光導靶和存儲靶返回第86頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一攝像管的特性參數第七章真空成像器件7.5攝像管的特性參數7.5.1攝像管的特性參數返回7.5.2不同視像管的特性參數比較第87頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一攝像管的特性參數第七章真空成像器件7.5攝像管的特性參數1．靈敏度返回2.光電轉換特性（γ）3.分辨率4.惰性5.暗電流和噪聲6.動態(tài)范圍第88頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一靈敏度第七章真空成像器件攝像管的靈敏度S可表示為7.5攝像管的特性參數

(7-4)攝像管的靈敏度表示在一定光通量Φ照射時攝像管輸出信號電流Is的大小。返回第89頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一光電轉換特性（γ）第七章真空成像器件攝像管輸出視頻信號電壓u與入射光照度Eb不一定是線性關系,通常寫成7.5攝像管的特性參數式中,K1為常數,γ稱為攝像管的光電轉換特性。通常用對數坐標描繪它們,見圖。(7-5)第90頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件

曲線斜率γ值表征攝像管對圖像灰度(色調)傳遞的性能,也稱γ特性，又稱為灰度系數。對攝像管來說,γ取決于光電轉換部件的特性。

γ＝1時，灰度等級均勻；

γ＜1時，有均勻的灰度畸變。但此時提高了弱照度時的靈敏度，而使強照度時的光電特性呈一定的飽和狀態(tài)。前者有利于提高暗場時的信噪比，后者有利于擴展動態(tài)范圍。

γ＞1，是不適用的。7.5攝像管的特性參數返回第91頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一3.分辨率第七章真空成像器件

分辨率表示能夠分辨圖像中明暗細節(jié)的能力,分辨率通常用兩種方式表達,即極限分辨率和調制傳遞函數(MTF)。1)極限分辨率在最佳照度下,使高對比度的黑白相間條形圖案投射到攝像管的光敏面上,然后在監(jiān)視器上去觀察可分辨的最高空間頻率數。7.5攝像管的特性參數第92頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件在電視中,通常是指在光柵高度范圍內可分辨的最多電視行數(TVL/H),如圖所示。有時也采用“線對/毫米”的單位,它等于可分辨的電視行數一半除以靶的有效高度(mm)。即按這種方法表示的分辨率稱為極限分辨率。7.5攝像管的特性參數第93頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件

2)調制傳遞函數(MTF)

調制傳遞函數(MTF)是在調制度的基礎上提出的。調制度M是無線電學中的概念,引用到光學中來可以說它是對比度。M的定義是,光信息的最大值A與光信息最小值B之差對A、B之和的百分比。MTF的定義是,輸出調制度MO與輸入調制度Mi之比的百分數,即

7.5攝像管的特性參數第94頁，共104頁，2023年，2月20日，星期一第七章真空成像器件圖像在傳送過程中,調制度M是隨線數的增大而減小的。如果把調制度的損失程度