光電檢測(cè)第七章真空成像器件

光電檢測(cè)第七章真空成像器件真空成像器件應(yīng)用范圍第七章真空成像器件——圖像測(cè)量

——零件微小尺寸及質(zhì)量的檢驗(yàn)

——光學(xué)干涉圖像判讀

——機(jī)器視覺(jué)：自動(dòng)瞄準(zhǔn)

定位

跟蹤

識(shí)別

控制本章內(nèi)容第七章真空成像器件像管像管7.2常見(jiàn)像管7.3攝像管7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶7.5攝像管的特性參數(shù)7.6攝像管的發(fā)展方向像管第七章真空成像器件真空成像器件中沒(méi)有掃描機(jī)構(gòu)的稱為像管。像管的主要功能是把不可見(jiàn)輻射(紅外或紫外)圖像或微弱光圖像通過(guò)光電陰極和電子光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光圖像。

把不可見(jiàn)輻射圖像轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光圖像的象管稱為變象管。

使微弱光圖像增強(qiáng)的象管稱為像增強(qiáng)器。返回?cái)z像管第七章真空成像器件真空成像器件中有掃描機(jī)構(gòu)的稱為攝像管。攝像管是把可見(jiàn)光或不可見(jiàn)輻射(紅外、紫外或X射線等)的二維圖像通過(guò)光電靶和電子束掃描后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的一維視頻信號(hào),通過(guò)顯示器件再成像的光電成像器件。攝像管根據(jù)光電靶轉(zhuǎn)換的方式又分為攝像管和視像管兩類。返回像管第七章真空成像器件像管包括變像管和像增強(qiáng)器。變像管是一種能把各種不可見(jiàn)輻射(紅外,紫外和X射線)圖像轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光圖像的真空光電成像器件。

像增強(qiáng)器是能把微弱的輻射圖像增強(qiáng)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(qiáng)器都具有光譜變換、圖像增強(qiáng)和成像的功能。像管第七章真空成像器件第三是將增強(qiáng)的電子圖像轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)的光學(xué)圖像。像管像管實(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)完成的:其次是使電子圖像獲得能量或數(shù)量增強(qiáng)，并聚焦成像；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；節(jié)內(nèi)容第七章真空成像器件像管7.1.1像管結(jié)構(gòu)和工作原理返回7.1.2像管的特性參量像管結(jié)構(gòu)和工作原理第七章真空成像器件

像管由3個(gè)基本部分組成,如圖所示。一、光電變換部分,即光電陰極;（實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換）二、電子光學(xué)系統(tǒng),即電子透鏡；(實(shí)現(xiàn)電子加速)三、電光變換部分，即熒光屏；（實(shí)現(xiàn)圖像顯示）像管返回光電陰極第七章真空成像器件

光電陰極使不可見(jiàn)的亮度很低的輻射圖像轉(zhuǎn)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(fù)電子親合勢(shì)(NEA)光電陰極。像管返回電子光學(xué)系統(tǒng)第七章真空成像器件

電子光學(xué)系統(tǒng)對(duì)電子施加很強(qiáng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng),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(shí)現(xiàn)圖像亮度的增強(qiáng),使熒光屏發(fā)射出強(qiáng)得多的光能。電子光學(xué)系統(tǒng)有兩種形式：——靜電系統(tǒng):靠靜電場(chǎng)的加速和聚焦作用來(lái)完成;——電磁復(fù)合系統(tǒng):靠靜電場(chǎng)的加速和磁場(chǎng)的聚焦作用來(lái)共同完成。像管返回靜電系統(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(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的像管,一般由光電陰極和陽(yáng)極(與熒光屏在一起)構(gòu)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(shí)兩極之間加上高壓,形成縱向均勻電場(chǎng),只能對(duì)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(diǎn)發(fā)出的不同初速的光電子,不能在熒光屏上會(huì)聚成一個(gè)像點(diǎn),而是一個(gè)彌散圓斑。因此,近貼式像管的分辨率較低。像管第七章真空成像器件聚焦型電子光學(xué)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(yáng)極中間的小孔通過(guò);像管第七章真空成像器件由等位線可以看出:電子從陰極到陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)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。像管返回第七章真空成像器件復(fù)合聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)(即電磁聚焦系統(tǒng))中既有磁場(chǎng)也有電場(chǎng)。如圖所示。像管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(chǎng)和磁場(chǎng)的復(fù)合作用下,都能以不同螺旋線向陽(yáng)極前進(jìn);由陰極面上同一點(diǎn)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(gè)周期之后相聚于一點(diǎn)。電磁聚焦的優(yōu)點(diǎn)：聚焦作用強(qiáng),容易調(diào)節(jié),邊緣像差小,分辨率高;缺點(diǎn)：體積和重量較大,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。像管返回?zé)晒馄恋谄哒抡婵粘上衿骷窆軣晒馄恋淖饔檬窃诟咚匐娮拥霓Z擊下將電子圖像轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光圖像。一般要求熒光屏不僅應(yīng)具有高的轉(zhuǎn)換效率,而且屏的發(fā)射光譜要同人眼或與之耦合的下級(jí)光電陰極的吸收光譜一致。常見(jiàn)熒光屏發(fā)光材料的光譜發(fā)射特性如圖所示。返回像管的特性參量第七章真空成像器件像管1.光譜響應(yīng)特性和光譜匹配返回2.增益特性3.等效背景照度4.分辨率第七章真空成像器件像管

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

光譜響應(yīng)特性和光譜匹配

——光譜靈敏度——量子效率——光譜特性曲線——積分靈敏度第七章真空成像器件像管

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(jué)函數(shù)之間的光譜分布匹配,即兩兩光譜響應(yīng)曲線的重合程度大小。如圖所示，可表示為返回第七章真空成像器件像管

確定波長(zhǎng)在單色光照射時(shí),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。返回光譜靈敏度第七章真空成像器件像管

光電陰極受特定波長(zhǎng)的光照射時(shí),該陰極所發(fā)射的光電子數(shù)Ne(λ)與入射的光子數(shù)Np(λ)之比值,稱為量子效率,用符號(hào)Q(λ)表示。光電陰極的量子效率決定像管的靈敏度。返回量子效率第七章真空成像器件像管在一定的白光(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七章真空成像器件像管

光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線,稱為光譜響應(yīng)曲線。返回光譜特性曲線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。像管π為常數(shù)。單級(jí)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(duì)光源的積分靈敏度;Ua為像管的陽(yáng)極電壓;α為光電子透過(guò)系數(shù);Ak、Aa分別為光電陰極和熒光屏的面積。返回等效背景照度第七章真空成像器件像管

無(wú)光照時(shí)，熒光屏的發(fā)光稱為像管的暗背景。

等效背景照度是指當(dāng)像管受微弱光照時(shí),在熒光屏上產(chǎn)生同暗背景相等的亮度時(shí),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(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。返回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(dāng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板通過(guò)像管后,在熒光屏的每毫米長(zhǎng)度上用目測(cè)法能分辨開(kāi)的黑白相間等寬距條紋的對(duì)數(shù),單位是每毫米線對(duì)數(shù),記為lp/mm。

這種方法總會(huì)受到主觀因素的影響。比較客觀的方法是采用調(diào)制傳遞函數(shù)來(lái)描述。像管返回常見(jiàn)像管第七章真空成像器件7.2常見(jiàn)像管7.2.1常見(jiàn)變像管返回7.2.2常見(jiàn)像增強(qiáng)器7.2.3特殊變像管常見(jiàn)變像管第七章真空成像器件變像管是指把不可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的器件。

7.2常見(jiàn)像管1.紅外變像管返回2.紫外變像管3.選通式變像管紅外變像管第七章真空成像器件核心部分是對(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。紅外變像管結(jié)構(gòu)如圖所示。7.2常見(jiàn)像管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(zhì)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(jīng)過(guò)光學(xué)纖維面板的導(dǎo)光從而大大提高了像質(zhì)。7.2常見(jiàn)像管返回改變移像區(qū)的加速電壓可改變靶的電子增益。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。這種管子體積小、重在電視中,通常是指在光柵高度范圍內(nèi)可分辨的最多電視行數(shù)(TVL/H),如圖所示。像管由3個(gè)基本部分組成,如圖所示。短波光的吸收，提高靈敏度。電子圖像轉(zhuǎn)換成尺寸縮小而亮度增強(qiáng)的可見(jiàn)光圖像。如圖所示,視像管由光導(dǎo)靶和電子束掃描區(qū)構(gòu)成。增強(qiáng)硅靶管的靶叫增強(qiáng)硅靶(SIT)。按這種方法表示的分辨率稱為極限分辨率。調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)是在調(diào)制度的基礎(chǔ)上提出的。動(dòng)態(tài)范圍的下限受噪聲的限制,上限則受到靶面像元存儲(chǔ)信息容量的限制。硒砷碲靶的膜結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖(b)。2)硒砷碲(SeAsTe)靶有時(shí)也采用“線對(duì)/毫米”的單位,它等于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(zhǎng)大于200nm的紫外光變成光電子。紫外變像管與光學(xué)顯微鏡結(jié)合起來(lái),可用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)等方面的研究。7.2常見(jiàn)像管返回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(yáng)極間增加一對(duì)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(dǎo)通。7.2常見(jiàn)像管第七章真空成像器件7.2常見(jiàn)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(diào)制周期一樣，同步工作，便可提高圖像的對(duì)比度和質(zhì)量。返回常見(jiàn)像增強(qiáng)器第七章真空成像器件7.2常見(jiàn)像管像增強(qiáng)器是一種能把微弱的光學(xué)圖像增強(qiáng)、轉(zhuǎn)換成適合人眼觀察的光學(xué)圖像的真空成像器件。1.級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)器返回2.微通道板像增強(qiáng)器3.第三代像增強(qiáng)器射線像增強(qiáng)器級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)器第七章真空成像器件7.2常見(jiàn)像管在實(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。如圖a所示。

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。第七章真空成像器件7.2常見(jiàn)像管由于每級(jí)像管都成倒像，所以耦合的級(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。如圖所示為三級(jí)級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

第一代像增強(qiáng)器具有與增益高、成像清晰的優(yōu)點(diǎn)，但重量大，防強(qiáng)光能力差。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(jí)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(zhǎng)相接近,而最后一級(jí)熒光屏的發(fā)射光譜特性應(yīng)與人眼的明視覺(jué)光譜光視效率曲線相一致。若單級(jí)像增強(qiáng)器的分辨率大于50lp/mm,三級(jí)像增強(qiáng)器可達(dá)30~38lp/mm,亮度增益可達(dá)105。7.2常見(jiàn)像管返回微通道板像增強(qiáng)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(xì)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(jiàn)像管7.2常見(jiàn)像管第七章真空成像器件通道內(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。第七章真空成像器件

微通道板像增強(qiáng)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(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?？傻玫?08量級(jí)的電子增益。微通道板像增強(qiáng)器有兩種結(jié)構(gòu)形式:雙近貼式和倒像式。

倒像式增強(qiáng)器性能上比雙貼近式好一些，但重量較大。7.2常見(jiàn)像管返回第七章真空成像器件

雙近貼式像增強(qiáng)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(chǎng)作用下,進(jìn)入微通道板輸入端,經(jīng)MCP電子倍增和加速后打到熒光屏上,輸出光學(xué)圖像。這種管子體積小、重量輕、使用方便,但像質(zhì)和分辨率較差。7.2常見(jiàn)像管返回第七章真空成像器件

如圖所示為倒像式像增強(qiáng)器,它與單級(jí)像管結(jié)構(gòu)十分相似,只是在電子光學(xué)系統(tǒng)與熒光屏之間插入微通道板,像增強(qiáng)器的輸入端、輸出端均采用光纖面板。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。7.2常見(jiàn)像管返回第三代像增強(qiáng)器第七章真空成像器件

負(fù)電子親合勢(shì)光電陰極在可見(jiàn)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(qiáng)器的微通道板結(jié)構(gòu)配以負(fù)電子親合勢(shì)光電陰極,就構(gòu)成第三代像增強(qiáng)器。這種像增強(qiáng)器能同時(shí)起到光譜變換和微光增強(qiáng)的作用,因此可做到一機(jī)二用。7.2常見(jiàn)像管像管由3個(gè)基本部分組成,如圖所示。光電陰極使不可見(jiàn)的亮度很低的輻射圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像。把含有MCP板的X射線像增強(qiáng)器稱為第三代,如圖所示。硒砷碲靶的膜結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖(b)。用此方法描述的分辨率較為客觀。有光照時(shí),光進(jìn)入到每個(gè)PN結(jié)區(qū)將產(chǎn)生電子—空穴對(duì),它們被結(jié)內(nèi)電場(chǎng)分離以后,光生電子通過(guò)信號(hào)板等外電路入地,光生空穴則被積累于P型島上。不同視像管的特性參數(shù)比較器件產(chǎn)生惰性的原因有兩種:2攝像管的結(jié)構(gòu)和工作原理核心部分是對(duì)紅外光敏感的光電陰極。圖像在傳送過(guò)程中,調(diào)制度M是隨線數(shù)的增大而減小的。光電陰極的量子效率決定像管的靈敏度。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。確定波長(zhǎng)在單色光照射時(shí),陰極輸出光電流與入射的單色輻射通量之比。當(dāng)電子束掃描各個(gè)二極管時(shí),其電位被拉平到陰極電位,產(chǎn)生的光電流流過(guò)負(fù)載電阻就形成與光學(xué)圖像對(duì)應(yīng)的視頻信號(hào)。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(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。7.2常見(jiàn)像管返回X射線像增強(qiáng)器第七章真空成像器件

X射線像增強(qiáng)器實(shí)質(zhì)是一種變像管,它的作用是將不可見(jiàn)的X射線圖像轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光圖像,并使圖像亮度增強(qiáng)。如圖所示,一般的X射線像增強(qiáng)器是由輸入7.2常見(jiàn)像管轉(zhuǎn)換屏、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)和輸出熒光屏幾部分組成的。比普通像管多了一個(gè)輸入轉(zhuǎn)換熒光屏。第七章真空成像器件

輸入轉(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；X射線通過(guò)被檢體后,在輸入轉(zhuǎn)換屏前形成被檢體的X射線圖像,此圖像轟擊轉(zhuǎn)換屏后轉(zhuǎn)換成微弱的可見(jiàn)光圖像;微弱的可見(jiàn)光圖像激發(fā)相鄰的光電陰極發(fā)射相應(yīng)的電子圖像;光電子流被電子光學(xué)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(zhuǎn)換成尺寸縮小而亮度增強(qiáng)的可見(jiàn)光圖像。7.2常見(jiàn)像管第七章真空成像器件

把用CsI:Na材料做轉(zhuǎn)換屏的增強(qiáng)器稱為第二代X射線像增強(qiáng)器;7.2常見(jiàn)像管把含有MCP板的X射線像增強(qiáng)器稱為第三代,如圖所示。第三代X射線像增強(qiáng)器靈敏度高,在一般室內(nèi)光線下可直接觀察和照明。返回特殊變像管第七章真空成像器件7.2常見(jiàn)像管1.圖像放大像管返回2.多功能像增強(qiáng)器3.位置敏感傳感器像管動(dòng)態(tài)范圍的下限受噪聲的限制,上限則受到靶面像元存儲(chǔ)信息容量的限制。光電陰極的光譜靈敏度或量子效率與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線,稱為光譜響應(yīng)曲線。硒化鎘靶如圖(a)所示，它是在光敏半導(dǎo)體CdSe上鍍一層絕緣膜，在兩者交界處形成PN結(jié)。--光電發(fā)射型攝像管。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(wǎng)電極和管外的聚焦線圈、偏轉(zhuǎn)線圈和校正線圈。攝像管是把按空間光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像記錄并轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)的成像裝置。又可分為非聚焦型和聚焦型兩種。——零件微小尺寸及質(zhì)量的檢驗(yàn)該像管稱為第一代像增強(qiáng)器。一方面要求光電導(dǎo)材料的電阻率ρ≥1012Ω?cm,同時(shí)材料的橫向電阻也應(yīng)足夠高，方塊電阻在2х1013~2х1014Ω之間，這樣可以防止各個(gè)像素之間表面漏電將圖像電位拉平。二、電子光學(xué)系統(tǒng),即電子透鏡；5攝像管的特性參數(shù)——存儲(chǔ)靶每個(gè)入射的光電子能量為3.光譜響應(yīng)特性和光譜匹配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(zhuǎn))、微通道板及熒光屏組成的磁聚焦型像管?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的細(xì)微局部進(jìn)行圖像放大和增強(qiáng)。7.2常見(jiàn)像管返回多功能像增強(qiáng)器第七章真空成像器件多功能像增強(qiáng)器由光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、柵極偏轉(zhuǎn)板、旋轉(zhuǎn)線圈、微通道板和熒光屏組成,如圖所示。改變加在偏轉(zhuǎn)板上的電壓可使圖像朝X和Y兩個(gè)方向移動(dòng),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(chǎng)可使圖像旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)的角度正比于所加的磁場(chǎng)強(qiáng)度。7.2常見(jiàn)像管返回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(jié)構(gòu)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(gè)MCP板。7.2常見(jiàn)像管目前各國(guó)都在研制超小型、高性能的攝像管。變像管的光電陰極和陽(yáng)極間增加一對(duì)帶孔闌的金屬電極-控制柵如圖所示,視像管由光導(dǎo)靶和電子束掃描區(qū)構(gòu)成。如果把調(diào)制度的損失程度以百分?jǐn)?shù)表示(以零頻時(shí)的調(diào)制度為100%),則調(diào)制度與線數(shù)的關(guān)系曲線,就是調(diào)制傳遞函數(shù),如圖所示。最后，通過(guò)電子束掃描把電位圖像讀出,形成視頻信號(hào)輸出。核心部分是對(duì)紅外光敏感的光電陰極。攝像管是把按空間光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像記錄并轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)的成像裝置。概括地說(shuō),攝像管的工作原理是:——零件微小尺寸及質(zhì)量的檢驗(yàn)工作時(shí)兩極之間加上高壓,形成縱向均勻電場(chǎng),只能對(duì)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(diǎn)發(fā)出的不同初速的光電子,不能在熒光屏上會(huì)聚成一個(gè)像點(diǎn),而是一個(gè)彌散圓斑。熒光屏的作用是在高速電子的轟擊下將電子圖像轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光圖像。5攝像管的特性參數(shù)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。真空成像器件中沒(méi)有掃描機(jī)構(gòu)的稱為像管。光電陰極受特定波長(zhǎng)的光照射時(shí),該陰極所發(fā)射的光電子數(shù)Ne(λ)與入射的光子數(shù)Np(λ)之比值,稱為量子效率,用符號(hào)Q(λ)表示。第七章真空成像器件

這種像管的工作原理是:從目標(biāo)來(lái)的入射光子被光電陰極轉(zhuǎn)換成光電子,經(jīng)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(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì),最后從位7.2常見(jiàn)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?cái)z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(jié)構(gòu)和工作原理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(qiáng)分布的光學(xué)圖像記錄并轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)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(dǎo)型攝像管。7.3攝像管返回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(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，有時(shí)也簡(jiǎn)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(chǎng)合。如圖所示。7.3攝像管返回第七章真空成像器件光電導(dǎo)型攝像管是利用內(nèi)光電效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的,也稱為視像管,如圖所示。視像管按光導(dǎo)靶的結(jié)構(gòu)又可分為光電導(dǎo)(注入)型和PN結(jié)(阻擋)型兩種。視像管的特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,使用方便,在工業(yè)電視中被廣泛應(yīng)用。7.3攝像管第七章真空成像器件光電發(fā)射型攝像管和光電導(dǎo)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(xué)系統(tǒng),后者沒(méi)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(wǎng)電極和管外的聚焦線圈、偏轉(zhuǎn)線圈和校正線圈。它們的作用是產(chǎn)生熱電子,并使它聚焦成很細(xì)的電子射線,按一定軌跡掃描靶面。7.3攝像管返回?cái)z像管的結(jié)構(gòu)和工作原理第七章真空成像器件

攝像管具有3個(gè)基本功能:光電變換、光電信息積累、儲(chǔ)存及掃描輸出。7.3攝像管1.視象管結(jié)構(gòu)與工作原理2.光電發(fā)射型攝像管的結(jié)構(gòu)和工作原理第七章真空成像器件概括地說(shuō),攝像管的工作原理是:首先，將輸入的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電荷圖像；然后，通過(guò)電荷的積累和儲(chǔ)存構(gòu)成電位圖像；最后，通過(guò)電子束掃描把電位圖像讀出,形成視頻信號(hào)輸出。7.3攝像管返回視象管結(jié)構(gòu)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(dǎo)靶和電子束掃描區(qū)構(gòu)成。其光電變換和光電信息的積累和儲(chǔ)存功能都由光電導(dǎo)靶來(lái)完成。當(dāng)被攝景物的光學(xué)圖像通過(guò)物鏡成像到攝像管上時(shí),由于光電導(dǎo)靶材料的光電導(dǎo)作用,在靶面上就建立起與入射光照度分布相對(duì)應(yīng)的電位圖像,這就完成了光電變換的功能;第七章真空成像器件持續(xù)的光電變換過(guò)程實(shí)現(xiàn)了光電量的積累。從電子槍發(fā)射出來(lái)的電子束依次沿著靶面掃描,將靶面的電位起伏順序地轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)輸出,就完成了掃描輸出的功能。7.3攝像管第七章真空成像器件如圖所示靶面電位的變化，說(shuō)明了不同光照下像素所對(duì)應(yīng)的信號(hào)電壓的形成過(guò)程。7.3攝像管返回光電發(fā)射型攝像管的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)包括光電陰極、移像區(qū)、存儲(chǔ)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(chǔ)存功能分別由光電陰極和存儲(chǔ)靶完成，它們之間隔一個(gè)移像區(qū)。7.3攝像管第七章真空成像器件移相區(qū)的作用是使光電陰極產(chǎn)生的光電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中獲得能量而加速，以便在靶上產(chǎn)生更多的電荷，提高攝像管的響應(yīng)率。在靶面電位圖像建立后由電子槍用細(xì)電子束進(jìn)行掃描而獲取視頻信號(hào)。

當(dāng)電子束掃描各像素時(shí)，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(shù)也不相同，這個(gè)電子數(shù)就反映了積累信號(hào)的大小。7.3攝像管返回光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶第七章真空成像器件攝像管的關(guān)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(jié)構(gòu)也不同。7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)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(chǔ)靶視像管靶第七章真空成像器件視像管的靶是光電導(dǎo)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(xué)圖像的光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)電荷的積累和存儲(chǔ)。一方面要求光電導(dǎo)材料的電阻率ρ≥1012Ω?cm,同時(shí)材料的橫向電阻也應(yīng)足夠高，方塊電阻在2х1013~2х1014Ω之間，這樣可以防止各個(gè)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(dǎo)材料的禁帶寬度小于1.7eV~2eV，使靶材料由較長(zhǎng)的長(zhǎng)波限。7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶返回第七章真空成像器件7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶1.硅靶返回2.氧化鉛靶3.異質(zhì)結(jié)靶視象管靶的結(jié)構(gòu)、工作原理及性能硅靶第七章真空成像器件7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶如圖所示。硅靶窗口玻璃內(nèi)表面涂有一層很薄的既可透光也可導(dǎo)電的金屬膜，在上面接有引線可同負(fù)載相連，稱為信號(hào)板。挨著信號(hào)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(shù)在SiO2上光刻幾十萬(wàn)個(gè)小孔再通過(guò)摻雜是每個(gè)小孔都變成P型硅，被稱為P型島。每個(gè)P型島與N型襯底形成PN結(jié)。第七章真空成像器件7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶硅靶的光電變換過(guò)程是：信號(hào)板通過(guò)引線、負(fù)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(dāng)電子束掃描到每個(gè)P型島時(shí)，P型島的PN結(jié)即被反偏置,結(jié)電容被充電到靶電源電壓。第七章真空成像器件

無(wú)光照時(shí),由于PN結(jié)有反向漏電流(暗電流),在負(fù)載電阻上要產(chǎn)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(shí),光進(jìn)入到每個(gè)PN結(jié)區(qū)將產(chǎn)生電子—空穴對(duì),它們被結(jié)內(nèi)電場(chǎng)分離以后,光生電子通過(guò)信號(hào)板等外電路入地,光生空穴則被積累于P型島上。7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶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(xué)圖像,則掃描面上各P型島的電勢(shì)分布將正比于入射光學(xué)圖像的亮度分布,亮度高的點(diǎn),所對(duì)應(yīng)的P型島的電勢(shì)也高。當(dāng)電子束掃描各個(gè)二極管時(shí),其電位被拉平到陰極電位,產(chǎn)生的光電流流過(guò)負(fù)載電阻就形成與光學(xué)圖像對(duì)應(yīng)的視頻信號(hào)。硅靶的優(yōu)點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍寬、量子效率高、抗燒傷能力強(qiáng)。7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶返回

氧化鉛靶第七章真空成像器件

PbO靶的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)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(nèi)壁是一層金屬膜作為信號(hào)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(jié)構(gòu)。7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶第七章真空成像器件

工作時(shí),信號(hào)板通過(guò)負(fù)載和靶電源的正極相接，電子槍的熱陰極接地，當(dāng)掃描電子束掃描靶面時(shí)，相當(dāng)于對(duì)PIN進(jìn)行反偏置。

靶電源電壓45V左右，PbO靶也有光信息的存儲(chǔ)功能，它的軸向電阻較小，橫向電阻很大，掃描面上的電勢(shì)起伏可保持較長(zhǎng)時(shí)間不變。7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶返回

另有幾種異質(zhì)結(jié)靶,它們的窗口玻璃內(nèi)壁涂有一層SnO2透明導(dǎo)電薄膜作為信號(hào)板,接著就是不同的靶,主要有以下幾種。異質(zhì)結(jié)靶第七章真空成像器件7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶1)硒化鎘(CdSe)靶返回2)硒砷碲(SeAsTe)靶3)碲化鋅鎘(ZnCdTe)靶

硒化鎘靶如圖(a)所示，它是在光敏半導(dǎo)體CdSe上鍍一層絕緣膜，在兩者交界處形成PN結(jié)。硒化鎘靶具有分辨率高、暗電流小、在響應(yīng)范圍內(nèi)量子效率較高的優(yōu)點(diǎn)。硒化鎘(CdSe)靶第七章真空成像器件7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶返回硒砷碲(SeAsTe)靶第七章真空成像器件

硒砷碲靶的膜結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖(b)。這種結(jié)構(gòu)的靶具有光譜響應(yīng)范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、信號(hào)電流大、暗電流小、分辨率高、惰性小等優(yōu)點(diǎn)。7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶返回碲化鋅鎘(ZnCdTe)靶第七章真空成像器件

碲化鋅鎘靶其結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程也與硅靶類似,只是靶材料不同。它的化學(xué)成分為碲化鋅鎘ZnxCd1-xTe。由圖(c)可見(jiàn),碲化鋅鎘靶有3層結(jié)構(gòu)。第一層與第二層之間形成異質(zhì)結(jié),第二層與第三層之間不形成結(jié)。第一層ZnSe無(wú)光電效應(yīng)，其作用是增強(qiáng)對(duì)短波光的吸收，提高靈敏度。7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶第七章真空成像器件光電效應(yīng)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(yīng)，減少暗電流和惰性。在可見(jiàn)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(jiǎn)單，成本較便宜，適宜于做低照度攝像管。7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶返回光電發(fā)射型攝像管靶——存儲(chǔ)靶第七章真空成像器件7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶1.二次電子傳導(dǎo)靶(SEC)返回2.增強(qiáng)硅靶（SIT）二次電子傳導(dǎo)靶(SEC)第七章真空成像器件

如圖所示,SEC靶有3層結(jié)構(gòu)。第一層是Al2O3膜,起機(jī)械支撐作用,厚50~70nm;第二層是鋁膜,厚50nm,起信號(hào)板作用,通過(guò)負(fù)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(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶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(dāng)光電陰極發(fā)出來(lái)的光電子被加速后打到靶上時(shí),靶將產(chǎn)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(fù)合外，絕大部分在靶電場(chǎng)的作用下流向信號(hào)板，而在靶的掃描面留下一個(gè)正電勢(shì)圖像。

7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶第七章真空成像器件讀出時(shí),掃描電子束補(bǔ)充靶上失去的電子,同時(shí)把被掃點(diǎn)電勢(shì)拉回到零。這樣,在輸出回路中即產(chǎn)生視頻電流。由此可見(jiàn),這種靶的導(dǎo)電,不是利用材料導(dǎo)帶中的電子或價(jià)帶中的空穴,而是依靠二次電子導(dǎo)電的,故稱它為二次電子導(dǎo)電靶。7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶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(guān)。加速電壓為8KV時(shí),電子增益最大。當(dāng)加速電壓為8KV時(shí),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(shí)際被靶吸收而發(fā)射二次電子的能量只有4keV左右。對(duì)KCl靶來(lái)說(shuō),每產(chǎn)生一個(gè)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(dǎo)攝像管響應(yīng)率高，可得到80~200倍的電子增益，極限分辨率稍低。7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶返回增強(qiáng)硅靶（SIT）第七章真空成像器件增強(qiáng)硅靶管的靶叫增強(qiáng)硅靶(SIT)。SIT靶和硅靶結(jié)構(gòu)基本相同。從光電陰極發(fā)射出來(lái)的電子,在高壓作用下轟擊硅靶,使靶內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。每個(gè)入射的光電子能量為3.4~3.5eV時(shí),可產(chǎn)生1個(gè)電子～空穴對(duì)。若移像區(qū)的電壓為10KV,則每個(gè)入射光電子可產(chǎn)生2800一2900個(gè)電子～空穴對(duì)。但由于表面和體內(nèi)的復(fù)合和收集率等原因,實(shí)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(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶第七章真空成像器件增強(qiáng)硅靶靈敏度一般比硅靶大兩個(gè)數(shù)量級(jí),約為40μA/lx，硅靶不易燒傷，壽命長(zhǎng)。以增強(qiáng)硅靶構(gòu)成的增強(qiáng)型硅靶管如圖所示。7.4光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶返回?cái)z像管的特性參數(shù)第七章真空成像器件7.5攝像管的特性參數(shù)7.5.1攝像管的特性參數(shù)返回7.5.2不同視像管的特性參數(shù)比較攝像管的特性參數(shù)第七章真空成像器件7.5攝像管的特性參數(shù)1．靈敏度返回2.光電轉(zhuǎn)換特性（γ）3.分辨率4.惰性5.暗電流和噪聲6.動(dòng)態(tài)范圍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(shù)

(7-4)攝像管的靈敏度表示在一定光通量Φ照射時(shí)攝像管輸出信號(hào)電流Is的大小。返回光電轉(zhuǎn)換特性（γ）第七章真空成像器件攝像管輸出視頻信號(hào)電壓u與入射光照度Eb不一定是線性關(guān)系,通常寫(xiě)成7.5攝像管的特性參數(shù)式中,K1為常數(shù),γ稱為攝像管的光電轉(zhuǎn)換特性。通常用對(duì)數(shù)坐標(biāo)描繪它們,見(jiàn)圖。(7-5)第七章真空成像器件

曲線斜率γ值表征攝像管對(duì)圖像灰度(色調(diào))傳遞的性能,也稱γ特性，又稱為灰度系數(shù)。對(duì)攝像管來(lái)說(shuō),γ取決于光電轉(zhuǎn)換部件的特性。

γ＝1時(shí)，灰度等級(jí)均勻；

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

γ＞1，是不適用的。7.5攝像管的特性參數(shù)返回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(xì)節(jié)的能力,分辨率通常用兩種方式表達(dá),即極限分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)。1)極限分辨率在最佳照度下,使高對(duì)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(shù)。7.5攝像管的特性參數(shù)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(nèi)可分辨的最多電視行數(shù)(TVL/H),如圖所示。有時(shí)也采用“線對(duì)/毫米”的單位,它等于可分辨的電視行數(shù)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(shù)第七章真空成像器件

2)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)

調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)是在調(diào)制度的基礎(chǔ)上提出的。調(diào)制度M是無(wú)線電學(xué)中的概念,引用到光學(xué)中來(lái)可以說(shuō)它是對(duì)比度。M的定義是,光信息的最大值A(chǔ)與光信息最小值B之差對(duì)A