第7章真空成像器件——像管

1、六、光電器件的應(yīng)用選擇六、光電器件的應(yīng)用選擇 v光電檢測(cè)器件必須和輻射信號(hào)源及光學(xué)光電檢測(cè)器件必須和輻射信號(hào)源及光學(xué) 系統(tǒng)在光譜特性上匹配；系統(tǒng)在光譜特性上匹配； v光電器件的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻光電器件的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻 射能量相匹配；射能量相匹配； v光電檢測(cè)器件必須和光信號(hào)的調(diào)制形式、光電檢測(cè)器件必須和光信號(hào)的調(diào)制形式、 信號(hào)頻率及波形相匹配，以保證得到?jīng)]有頻信號(hào)頻率及波形相匹配，以保證得到?jīng)]有頻 率失真的輸出波形和良好的時(shí)間響應(yīng)；率失真的輸出波形和良好的時(shí)間響應(yīng)； v光電檢測(cè)器件必須和輸入電路在電特光電檢測(cè)器件必須和輸入電路在電特 性上良好匹配，以保證有足夠大的轉(zhuǎn)換系性上良

2、好匹配，以保證有足夠大的轉(zhuǎn)換系 數(shù)、線性范圍、信噪比及快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)、線性范圍、信噪比及快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 等；等； v為了使器件具有長(zhǎng)期工作的可靠性，為了使器件具有長(zhǎng)期工作的可靠性， 必須注意選好器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條必須注意選好器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條 件。件。 v光電成象器件是指能夠輸出圖象信息的一類光電成象器件是指能夠輸出圖象信息的一類 器件。包括真空成像器件和固體成像器件。器件。包括真空成像器件和固體成像器件。 真空成像器件根據(jù)管內(nèi)有無(wú)掃描機(jī)構(gòu)粗略的分真空成像器件根據(jù)管內(nèi)有無(wú)掃描機(jī)構(gòu)粗略的分 為像管和攝像管。為像管和攝像管。 功能：把不可見(jiàn)光圖像 或微弱光圖像通過(guò)電子 光學(xué)透鏡直接轉(zhuǎn)

3、換成可 見(jiàn)圖像，如變像管、像 增強(qiáng)管、X射線像增強(qiáng)器 等等。 功能：把可見(jiàn)或不可見(jiàn)光圖 像通過(guò)電子束掃描后轉(zhuǎn)換成 相應(yīng)的電信號(hào)，通過(guò)顯示器 件再成像的光電成像器件。 固體成像器件：通過(guò)某些特殊結(jié)構(gòu)或電路 （自掃描形式）讀出電信號(hào)，然后通過(guò)顯示 器件再成像。 真空成像器件：用電子束在高真空度的管內(nèi)進(jìn) 行掃描。 v其功能大致可歸為以下兩類：其功能大致可歸為以下兩類： v1、使不可見(jiàn)光圖象（紅外、紫外）變?yōu)榭梢?jiàn)、使不可見(jiàn)光圖象（紅外、紫外）變?yōu)榭梢?jiàn) 光圖象光圖象 v2、使光學(xué)圖象變?yōu)殡娨曅盘?hào)、使光學(xué)圖象變?yōu)殡娨曅盘?hào) v像管和攝像管的區(qū)別：直視，非直視像管和攝像管的區(qū)別：直視，非直視 第一節(jié)第一節(jié) 像

4、管的工作原理與結(jié)構(gòu)像管的工作原理與結(jié)構(gòu) v一、工作原理（三大功能）：一、工作原理（三大功能）： v變換光譜：將紅外、紫外的輻射圖像變成可見(jiàn)圖像變換光譜：將紅外、紫外的輻射圖像變成可見(jiàn)圖像 v增強(qiáng)亮度：使圖像亮度接近人眼的視覺(jué)響應(yīng)峰值增強(qiáng)亮度：使圖像亮度接近人眼的視覺(jué)響應(yīng)峰值 v光學(xué)成像：將電子圖像在熒光屏上變成光學(xué)圖像光學(xué)成像：將電子圖像在熒光屏上變成光學(xué)圖像 像管：變像管和像增強(qiáng)管的統(tǒng)稱。像管：變像管和像增強(qiáng)管的統(tǒng)稱。 v二、結(jié)構(gòu)：二、結(jié)構(gòu)： v光電變換部分，即光電陰極，光電子發(fā)射圖象光電變換部分，即光電陰極，光電子發(fā)射圖象 v電子光學(xué)部分，即電子透鏡，它可以使光電陰極發(fā)射出來(lái)電子光學(xué)部分，

5、即電子透鏡，它可以使光電陰極發(fā)射出來(lái) 的光電子圖象進(jìn)行加速和聚焦，靜電場(chǎng)和電磁場(chǎng)的光電子圖象進(jìn)行加速和聚焦，靜電場(chǎng)和電磁場(chǎng) v三是電光變換部分，即熒光屏，它可以使電子圖象變成可三是電光變換部分，即熒光屏，它可以使電子圖象變成可 見(jiàn)光圖像（見(jiàn)光圖像（P154） v三、幾種像管結(jié)構(gòu)：三、幾種像管結(jié)構(gòu)： v1、非聚焦型像管（近貼型）、非聚焦型像管（近貼型） v光電子在電場(chǎng)的作用下以光電子在電場(chǎng)的作用下以拋物線拋物線軌跡向熒光屏投軌跡向熒光屏投 射。由于均勻電場(chǎng)只有加速投射作用，沒(méi)有聚焦射。由于均勻電場(chǎng)只有加速投射作用，沒(méi)有聚焦 成像作用，所以從光電陰極一點(diǎn)發(fā)出的不同初速成像作用，所以從光電陰極一點(diǎn)發(fā)

6、出的不同初速 的電子，不能在熒光屏上形成點(diǎn)像，而是一個(gè)彌的電子，不能在熒光屏上形成點(diǎn)像，而是一個(gè)彌 散圓斑。（故分辨率較低）散圓斑。（故分辨率較低） v2、靜電聚焦型像管、靜電聚焦型像管 v幾個(gè)圓筒形的電極可形成對(duì)光電子聚焦和加速的電場(chǎng)，使電幾個(gè)圓筒形的電極可形成對(duì)光電子聚焦和加速的電場(chǎng)，使電 子濾在熒光屏上呈倒立的象。當(dāng)各電極電壓之比保持不變時(shí)，子濾在熒光屏上呈倒立的象。當(dāng)各電極電壓之比保持不變時(shí)， 電子軌跡也基本不變，因此，各電極電壓多用電阻鏈分壓的電子軌跡也基本不變，因此，各電極電壓多用電阻鏈分壓的 辦法供給。辦法供給。 靜電聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖靜電聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖 v3、電磁聚焦型

7、像管、電磁聚焦型像管 v特點(diǎn)：若光電子有偏離于管軸的速度分量，磁場(chǎng)會(huì)使它呈特點(diǎn)：若光電子有偏離于管軸的速度分量，磁場(chǎng)會(huì)使它呈 螺旋狀前進(jìn)。電子每旋一圈所需的時(shí)間與初速度無(wú)關(guān)，不螺旋狀前進(jìn)。電子每旋一圈所需的時(shí)間與初速度無(wú)關(guān)，不 管起初是沿什么方向發(fā)射，最終都可以被會(huì)聚于一點(diǎn)。管起初是沿什么方向發(fā)射，最終都可以被會(huì)聚于一點(diǎn)。 電磁聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖電磁聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖 像管的主要特性參數(shù)（P156） 1.光譜響應(yīng)特性和光譜匹配 光譜響應(yīng)特性指：光電陰極的光譜響應(yīng)特性， 它決定管子所能應(yīng)用的光譜范圍。 Q：由上面的特性可以聯(lián)系到什么器件？ 光譜匹配：在像管的光譜響應(yīng)范圍內(nèi)光源與光 電陰極、光

8、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，匹配好，則 像管靈敏度高。 2.增益特性 亮度增益：熒光屏的光出 射度和入射至光電陰極 表面上的照度之比。 lx照在光 /d熒光屏的亮度，單位 2 B 電陰極上的照度，單位 k a k a E mCB E B G 3.等效背景照度 像管置于完全黑暗的環(huán)境中，當(dāng)加上工作電壓 后，熒光屏上仍會(huì)發(fā)出一定亮度的光，這種 發(fā)光稱為像管的暗背景。 暗背景存在導(dǎo)致的結(jié)果：圖像的對(duì)比度下降， 有可能使微弱光圖像淹沒(méi)在背景中而不能辨 別。 4.分辨率 單位：每毫米線對(duì)數(shù) 常用變像管常用變像管 v1、紅外變像管、紅外變像管 v紅外輻射圖像被光學(xué)物鏡成像后位

9、于光電陰極的前方，該紅外輻射圖像被光學(xué)物鏡成像后位于光電陰極的前方，該 輻射圖像相當(dāng)于對(duì)光電陰極有一輻射通量，光電陰極將其輻射圖像相當(dāng)于對(duì)光電陰極有一輻射通量，光電陰極將其 變成與其亮度成正比的電子圖像，經(jīng)靜電聚焦后轟擊熒光變成與其亮度成正比的電子圖像，經(jīng)靜電聚焦后轟擊熒光 屏，再轉(zhuǎn)成光學(xué)圖像。屏，再轉(zhuǎn)成光學(xué)圖像。 陽(yáng)陽(yáng) 極極 光電陰光電陰 極極 聚焦聚焦 極極 熒光熒光 屏屏 紅外變像管的應(yīng)用紅外變像管的應(yīng)用(紅外夜視儀紅外夜視儀) 選通式變像管（P157） 陰極和陽(yáng)極之間增加了一對(duì)金屬電極（控制 柵），改變控制柵電壓，即可控制變像管的 導(dǎo)通和截止，目的是提高成像對(duì)比度和質(zhì)量。 v2、紫外變

10、像管、紫外變像管 v紫外變像管的窗口材料為石英玻璃，光電發(fā)紫外變像管的窗口材料為石英玻璃，光電發(fā) 射材料為射材料為Sb-Cs陰極。它可以使波長(zhǎng)大于陰極。它可以使波長(zhǎng)大于 200nm的紫外光變成光電子。紫外變象管與的紫外光變成光電子。紫外變象管與 光學(xué)顯微鏡結(jié)合起來(lái)，可用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)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。等方面的研究。 v3、光纖面板變像管、光纖面板變像管 v將光電陰極及熒光屏連同光纖面板一起制成球面將光電陰極及熒光屏連同光纖面板一起制成球面 型，使聚焦面與熒光屏重合，從而改善了像質(zhì)。型，使聚焦面與熒光屏重合，從而改善了像質(zhì)。 熒光屏上的像借助于平凹形的光纖平板

11、展開(kāi)成平熒光屏上的像借助于平凹形的光纖平板展開(kāi)成平 面像。面像。 光電陰光電陰 極極 聚焦聚焦 極極 陽(yáng)陽(yáng) 極極 熒光熒光 屏屏 光纖面光纖面 板板 光纖面光纖面 板板 常用像增強(qiáng)器 v像增強(qiáng)器利用了像管功能中增強(qiáng)亮度、光學(xué)成像兩像增強(qiáng)器利用了像管功能中增強(qiáng)亮度、光學(xué)成像兩 個(gè)功能。個(gè)功能。 v像增強(qiáng)器與變像管的像增強(qiáng)器與變像管的異同點(diǎn)異同點(diǎn)： v一、第一代微光像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)示意如下圖：一、第一代微光像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)示意如下圖： 光電光電 陰極陰極 聚焦聚焦 極極 陽(yáng)陽(yáng) 極極 熒光熒光 屏屏 光纖光纖 面板面板 光纖光纖 面板面板 v二、二、第二代微光像增強(qiáng)器第二代微光像增強(qiáng)器 v 微通道板像增強(qiáng)器

12、微通道板像增強(qiáng)器 v1、 微通道板的原理和特性：微通道板的原理和特性： v通道電子倍增器：微通道板通道電子倍增器：微通道板MCP (Micro Channel Plate)是利用電子在通道內(nèi)的二次倍增是利用電子在通道內(nèi)的二次倍增 來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)亮度的。來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)亮度的。 U v2、微通道板像增強(qiáng)器微通道板像增強(qiáng)器 微通道板是一種先進(jìn)的具有傳輸、增強(qiáng)電子圖像微通道板是一種先進(jìn)的具有傳輸、增強(qiáng)電子圖像 功能的電子倍增器，具有體積小、重量輕、分辨功能的電子倍增器，具有體積小、重量輕、分辨 力好、增益高、噪聲低、使用電壓低等優(yōu)點(diǎn)。廣力好、增益高、噪聲低、使用電壓低等優(yōu)點(diǎn)。廣 泛用于光電倍增管、像增強(qiáng)器、微

13、光電視、泛用于光電倍增管、像增強(qiáng)器、微光電視、X光像光像 增強(qiáng)器、高速示波管，以及光子計(jì)數(shù)、增強(qiáng)器、高速示波管，以及光子計(jì)數(shù)、 X- 射線、射線、 紫外光子、電子、離子、帶電粒子、亞原子粒子紫外光子、電子、離子、帶電粒子、亞原子粒子 等的探測(cè)等的探測(cè)。 v（1 1）近貼式）近貼式MCPMCP像增強(qiáng)器像增強(qiáng)器 v 近貼式近貼式MCPMCP像增強(qiáng)器又稱為平面型或薄片型像增像增強(qiáng)器又稱為平面型或薄片型像增 強(qiáng)器。它是把強(qiáng)器。它是把MCPMCP平行放置在光電陰極和熒光屏之平行放置在光電陰極和熒光屏之 間，三者相互靠得很近，故稱雙近貼式。間，三者相互靠得很近，故稱雙近貼式。 光電陰極光電陰極 MCP 熒

14、光屏熒光屏 v(2)(2)倒像式倒像式MCPMCP像增強(qiáng)器（靜電聚焦式像增強(qiáng)器（靜電聚焦式MCPMCP像增器像增器） v 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 在單級(jí)第一代像增強(qiáng)器中，加上一塊微通道板在單級(jí)第一代像增強(qiáng)器中，加上一塊微通道板 MCP，MCP與光電陰極之間是靜電透鏡，與光電陰極之間是靜電透鏡，與熒光屏之間是與熒光屏之間是 近貼均勻場(chǎng)。近貼均勻場(chǎng)。 v這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)是：分辨率高，像質(zhì)好；但噪聲較大。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)是：分辨率高，像質(zhì)好；但噪聲較大。 靜電聚焦式靜電聚焦式MCPMCP像增器像增器 v微通道板像增強(qiáng)器的優(yōu)缺點(diǎn)微通道板像增強(qiáng)器的優(yōu)缺點(diǎn)： 體積小，重量輕，整管長(zhǎng)度和重量約為一代級(jí)聯(lián)體積小，重量輕

15、，整管長(zhǎng)度和重量約為一代級(jí)聯(lián) 管的二分之一；管的二分之一； (2)亮度便于調(diào)節(jié)；亮度便于調(diào)節(jié)； (3) 減少了熒光屏的光反饋；減少了熒光屏的光反饋； (4)整管電壓較低整管電壓較低 其突出的缺點(diǎn)是：其突出的缺點(diǎn)是： 噪聲大，主要是的附加噪聲；噪聲大，主要是的附加噪聲； 圖像不夠均勻；圖像不夠均勻； 工藝難度大，主要是的制作以及后續(xù)工序?qū)に囯y度大，主要是的制作以及后續(xù)工序?qū)?MCP有影響。有影響。 3.負(fù)電子親和勢(shì)（負(fù)電子親和勢(shì)（NEA）光電陰極和第三代像）光電陰極和第三代像 增強(qiáng)器增強(qiáng)器 該陰極材料在可見(jiàn)光范圍有較高的靈敏度，在該陰極材料在可見(jiàn)光范圍有較高的靈敏度，在 近紅外有極高（相對(duì)于銀氧銫光電陰極）的近紅外有極高（相對(duì)于