光電子器件第四章微光像增強器

第四章變像管和微電像加強器變像管是指把不可見光轉(zhuǎn)換為可見光的器件。如紅外變像管和紫外變像管。如紅外變像管，其中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(chǎn)生光電發(fā)射，經(jīng)過電子光學系統(tǒng)，實現(xiàn)光譜變換。一、變像管把微弱的可見光圖象加強亮度，變成人眼可以察看到的圖像。明朗夏天采光良好的室內(nèi)照度大致在100至500lx之間太陽直射時的地面照度可以到達10萬lx滿月在天頂時的地面照度大約是0.2lx夜間無月時的地面照度只需10-4lx數(shù)量級微光光電成像系統(tǒng)的任務條件就是環(huán)境照度低于10-1lx微光光電成像系統(tǒng)的中心部分是微光像加強器件二、微光像加強器4.1像管的根本原理和構(gòu)造

像管變像管圖像加強管是指可以把不可見光圖像變?yōu)榭梢姽鈭D像的真空光電管。是指可以把亮度很低的光學圖象變?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)部沒有掃描機構(gòu)，不能輸出電視信號，對它的運用就跟運用望遠鏡去察看遠處景物一樣，察看者必需經(jīng)過它來直接面對著景物。imageconvertertubeimageintensifiertube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。

像管成像的物理過程像管實現(xiàn)圖像的電磁波譜轉(zhuǎn)換和亮度加強是經(jīng)過三個環(huán)節(jié)來完成的:首先是將接受的微弱的或不可見的輸入輻射圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像；其次是使電子圖像獲得能量或數(shù)量加強，并聚焦成像；第三是將加強的電子圖像轉(zhuǎn)換成可見的光學圖像。上述三個環(huán)節(jié)分別由光陰極電子光學系統(tǒng)熒光屏完成。這三部分共同封在一個高真空的管殼內(nèi)。1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)射資料制成的光敏面。該光敏面接納輻射量子產(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。由于電子發(fā)射需求在發(fā)射外表有法向電場，所以光敏面應接以負電位。這一光敏面通常稱為光陰極。

像管中常用的光陰極有：對紅外光敏感的銀氧銫紅外光陰極；對可見光敏感的單堿和多堿光陰極；對紫外光敏感的紫外光陰極。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。必需在高真空中。光陰極進展圖像轉(zhuǎn)換的簡要物理過程是：當具有能量為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)成的圖像可以經(jīng)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)成的圖像可以經(jīng)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電子圖像的能量加強(電子透鏡)像管中的電子圖像經(jīng)過特定的靜電場或電磁復合場獲得能量加強。由光陰極的光電發(fā)射產(chǎn)生的電子圖像，在剛分開光陰極面時是低速運動的電子流，其初速由愛因斯坦定律所決議。這一低能量的電子圖像在靜電場或電磁復合場的洛倫茨力作用下得到加速并聚焦到熒光屏上。在到達像面時是高速運動的電子流，能量很大。由此完成了電子圖像的能量加強。像管中特定設(shè)置的靜電場或電磁復合場稱之為電子光學系統(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。

3電子圖像的發(fā)光顯示(熒光屏)

像管輸出的是可見光學圖像。為把電子圖像轉(zhuǎn)換成可見的光學圖像，通常采用熒光屏(電子動能轉(zhuǎn)換成光能)。能將電子動能轉(zhuǎn)換成光能的熒光屏是由發(fā)光資料的微晶顆粒堆積而成的薄層。由于熒光屏的電阻率通常在10E+10—10E+14Ωcm，介于絕緣體和半導體之間，因此當它遭到高速電子轟擊時，會積累負電荷，使加在熒光屏上的電壓難以提高，為此應在熒光屏上蒸鍍一層鋁膜，引走積累的負電荷，而且可防止光反響到光陰極。像管中常用的熒光屏資料有多種。根本資料是金屬的硫化物、氧化物或硅酸鹽等晶體。上述資料經(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)換為可見的光學圖像。

像管中常用的熒光屏，不僅應該具有高的轉(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納器件的光譜呼應相一致。

實驗證明，熒光屏由高速電子激發(fā)發(fā)光的亮度除與發(fā)光資料的性質(zhì)有關(guān)外，主要取決于入射電子流的密度和加速電壓值。當像管中光電子圖像的加速電壓一定時，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)換成可見的光學圖像。4光學纖維

(1)纖維導光原理上一頁下一頁返回n0為入射光線AB所在空間的折射率，普通皆為空氣，故n0≈1上一頁下一頁返回當θr=90°的臨界形狀時，Sinθi定義為“數(shù)值孔徑〞NA〔NumericalAperture〕相對折射率差arcsinNA是一個臨界角，θi>arcsinNA，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消逝；θi<arcsinNA，光線才可以進入光纖被全反射傳播。上一頁下一頁返回(2)(2)光學纖維面板及性能對于像管中的纖維要求如下:數(shù)值孔徑要大;光透過率要高;分辨率要高;氣密性、化學穩(wěn)定性、機械加工性能及熱穩(wěn)定性要好4.2像管的主要特性與參數(shù)

直視式光電成像器件是為擴展人限視力范圍而開展起來的，它既能探測到微弱的或人眼不可見的目的輻射信號，又能將目的稱心地成像，使人眼能看到再現(xiàn)的目的圖像。因此像管既是一個輻射探測器，放大器，又是成像器。作為輻射探測器，它應具有高的量子效率和信號放大才干，以提供足夠的亮度.這一性能通常用靈敏度和亮度增益來描畫.作為圖像成像器，它必需具有小的圖像幾何失真，適當?shù)膸缀畏糯舐?，盡量小的亮度(能量)分散才干，以提供足夠的視角和對比。這些性能通常用畸變、放大率、分辨力及調(diào)制傳送函數(shù)來描畫。1光譜呼應特性

光譜呼應特性是指像管的呼應才干隨入射波長的變化關(guān)系。像管的光譜呼應特性實踐上是其光陰極的光譜呼應待性。它決議了像管運用的光譜范圍。像管的光譜呼應特性通常用光譜呼應率、量子效率、光譜特性曲線和積分呼應率(簡稱呼應率)來描畫。光譜呼應率是像管對單色入射輻射的呼應才干，以Rj表示。呼應率是像管對全色入射輻射的呼應才干，以R表示。由于在實踐運用中，像管接納的往往不是單色輻射，而是某一光源的全色輻射，所以呼應率更具有實踐意義。2增益特性適宜的亮度是察看圖像的必要條件。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輻射能量的變換與加強的才干。“增益〞就是用來描畫像管這種才干的參數(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。其中亮度增益是最根本而通用的?！?〕.亮度增益的定義像管的亮度增益定義為：像管在規(guī)范光源照射下，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背景特性適宜的亮度是人眼察看圖像的必要條件，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)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)。像管的背景包括無光照射情況下的暗背景和因人射信號的影響而產(chǎn)生的附加背景，稱為信號感生背景(或光致背景)。暗背景產(chǎn)生的主要緣由是光陰極的熱電子發(fā)射和管內(nèi)顆粒引起的場致發(fā)射。4成像特性像管既是一個輻射探測器，又是一個圖像探測器。作為圖像探測器，它應該具備好的成像特性。像管光陰極面上接納來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度分布構(gòu)成輸入圖像．經(jīng)過像管這個成像器件的轉(zhuǎn)換與加強在熒光屏上產(chǎn)生相應的亮度分布，構(gòu)成輸出圖像。像管在完成轉(zhuǎn)換與加強的過程中，由于非理想成像，所以輸出圖像的幾何尺寸、外形及亮度分布不能準確地再現(xiàn)輸入的幅照度分布，而使圖像像質(zhì)下降。這種像質(zhì)下降主要表如今幾何外形及亮度分布的失真。通常用放大率、畸變、分辨力和調(diào)制傳送函數(shù)來描畫?！?〕．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’與其對應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圖像幾何尺寸放大或減少才干的一個性能參數(shù)。〔2〕.畸變由于像管常采用靜電聚焦電子光學系統(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，導致圖像外形發(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?！?〕．分辨力成像器件可以將兩個相隔極近的目的的像，剛剛能分辨清的才干稱為分辨力。由于像管中電子光學系統(tǒng)存在著各種象差，再加上熒光屏對入射電子、輸出電子的散射和熒光粉粒度的限制，以及級間耦合元件對光的散射、串光等緣由．呵斥亮度分布失真，使輸出圖像的明晰度下降。為評定像管的成像質(zhì)量，最簡單常用的方法是測定其分辯力?！玻础?調(diào)制傳送函數(shù)調(diào)制傳送函數(shù)是一種可以全面描畫成像系統(tǒng)對構(gòu)成圖像的各種細節(jié)〔較高空間頻率〕的衰減才干的數(shù)學關(guān)系。4.4像管的類型與構(gòu)造

用于直視成像系統(tǒng)的像管，具有多種類型。根據(jù)像管的任務波段可分為：任務于非可見輻射(近紅外、紫外、X射線、γ射線)的像管，稱之為變像管；任務于微弱可見光的像管，稱之為像加強器。根據(jù)像管的任務方式可分為：延續(xù)任務像管；選通任務像管；變倍任務像管。根據(jù)像管的構(gòu)造可分為：近貼式像管；倒像式像管；靜電聚焦式像管；電磁復合聚焦式像管。根據(jù)像管的開展階段可分為：級聯(lián)式的第一代像管；帶微通道板的第二代像管；采用負電子親和勢光陰極的第三代像管。4.5第一代像加強器第一代像加強器是以纖維光學面板作為輸入、輸出窗三級級聯(lián)耦合的像加強器。由于經(jīng)過三級加強，因此第一代管具有很高的增益。一代管以三級級聯(lián)加強技術(shù)為特征，增益高達幾萬倍，但體積大，分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、成像明晰的優(yōu)點，但分量大，防強光才干差。在實踐運用中，為了獲得更高的亮度增益，將完全一樣的單級像管，用光學纖維面板進展多級耦合。因此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(zhuǎn)換為平面像來完成級間耦合。由于每級像管都成倒像，所以稠合的級數(shù)多取單數(shù)，通常為三級。該像管稱為第一代像加強器。4.6第二代像加強器第二代像管與第一代像管的根本區(qū)別在于：它不是用多級級聯(lián)實現(xiàn)光電子倍增，而是采用在單級像管中設(shè)置微通道板來實現(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)。在微通道板的兩個端面之間施加直流電壓構(gòu)成電場。入射到通道內(nèi)的電子在電場作用下，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，實現(xiàn)延續(xù)倍增，到達加強電子圖像的作用。

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)，以實現(xiàn)電荷的倍增〕的像管稱為第二代像加強器〔二代管〕。銳聚焦——類似單級一代管，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面板或光纖扭像器上，稱為二代近貼管。一、近貼式MCP像管的構(gòu)造微通道板近貼于光陰極和熒光屏之間。構(gòu)成兩個近貼空間。因此又稱為雙近貼式像管。由于采用了雙近貼、均勻場，所以圖像無畸變，放大率為l，不倒像。同樣由于近貼，會出現(xiàn)光陰極、MCP、熒光屏三者之間的相互影響。二、第2代靜電聚焦倒像式像管的構(gòu)造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；像管中還在陽極與MCP之間設(shè)置一個消畸變電極。由微通道板加強后的電子圖像經(jīng)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。微通道扳的輸出端，由于延續(xù)倍增其電子密度較高、速度快，易于使像管內(nèi)剩余氣體分子電離。假設(shè)電離產(chǎn)生的正離子轟擊光陰極將降低像管的壽命。當微通道扳輸入端電位低于陽極電位時，那么構(gòu)成一個防止正離子反響的位壘。這個位壘一方面阻止正離子另—方面又搜集微通道板端面上產(chǎn)生的二次電子，從而消除了光暈景象。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，無論近貼式或倒像式與第一代像管相比，均具有體積小、分量輕、亮度可調(diào)、防強光等優(yōu)點二代管采用了不同于一代管的增益機構(gòu)-MCP，MCP由上百萬個嚴密陳列的空芯通道管組成。通道芯徑間距約12，長徑比為40—60。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作用下使激發(fā)出來的電子依次倍增，從而在輸出端獲得很高的增益。MCP的兩個端面鍍鎳，構(gòu)成輸入和輸出電極。4.7第三代像加強器第三代像加強器是在二代近貼管的根底上，將三堿光電陰極置換為GaAsNEA光陰極。NEA光電陰極的制造過程極為復雜。但光靈敏度性能較一、二代多堿光陰極提高2-3倍。光譜呼應向紅外延伸，與夜天光輻