第7章真空成像器件

1、第七章 真空成像器件 真空成象器件根据管内有无扫描机构粗略地分真空成象器件根据管内有无扫描机构粗略地分为为象管和摄象管象管和摄象管。 象管的主要功能是能把象管的主要功能是能把不可见光不可见光( (红外或紫外红外或紫外) )图象或图象或微弱光图象微弱光图象通过电子光学透镜直接转换成通过电子光学透镜直接转换成可见光图象。可见光图象。 摄象管是一种把摄象管是一种把可见光或不可见光可见光或不可见光( (红外、紫红外、紫外或外或x x射线等射线等) )图象通过图象通过电子束扫描电子束扫描后转换成相应后转换成相应的电信号，通过显示器件再成象的光电成象器件。的电信号，通过显示器件再成象的光电成象器件。71变

2、象管和象增强器 变象管相象增强器统称为象管，部具有光变象管相象增强器统称为象管，部具有光谱变换和图象增强的功能。谱变换和图象增强的功能。一、像管的结构和工作原理一、像管的结构和工作原理1 1、结构、结构2 2、工作原理、工作原理 光电阴极使不可见的亮度很低的辐射象光电阴极使不可见的亮度很低的辐射象转换成电子图象，通过荧光屏将电子图象转换成转换成电子图象，通过荧光屏将电子图象转换成可见光学图象。电子光学系统对电子施加很强电可见光学图象。电子光学系统对电子施加很强电场，使电子获得能量，高速轰击荧光屏，使荧光场，使电子获得能量，高速轰击荧光屏，使荧光屏发射出强得多的光能。利用电子透镜能使电子屏发射出

3、强得多的光能。利用电子透镜能使电子成象的原理将光电阴极发出的电子图象呈现在荧成象的原理将光电阴极发出的电子图象呈现在荧光屏上。光屏上。像管的基本结构有三部分组成：像管的基本结构有三部分组成：光电阴极、电子光光电阴极、电子光学系统和荧光屏。学系统和荧光屏。（1 1）光电阴极）光电阴极目前最常用的红外和可见光电阴极有：Ag-O-Cs，用于可见光和红外波段。Sb-Cs，光电阴极的光谱响应主要在可见光区。Sb-K-Na-Cs，光电阴极峰值和长波阈均向长波移动负电子亲和势光电阴极：具有更长的长波阈和更高的红光响应。像管中常用的光电阴极是透射式的。上述阴极已在第二章有所论述。（2）电子光学系统电子光学系统

4、 像管中电子光学系统的任务有两个：像管中电子光学系统的任务有两个：加速光电子；使光电子成像在像面上。加速光电子；使光电子成像在像面上。 把能使电子流聚焦成像的电子光学系统称把能使电子流聚焦成像的电子光学系统称为电子透镜。电子透镜可分为为电子透镜。电子透镜可分为静电透镜静电透镜和和磁透镜两类磁透镜两类。 静电透镜即静电电子光学系统，靠静电静电透镜即静电电子光学系统，靠静电场来使光电子加速，聚焦成像。这种又分为场来使光电子加速，聚焦成像。这种又分为非聚焦型和聚焦型两种。非聚焦型和聚焦型两种。 磁透镜即电磁复合系统，靠静电场的加磁透镜即电磁复合系统，靠静电场的加速和磁场来完成聚焦成像。速和磁场来完成

5、聚焦成像。A、非聚焦型、非聚焦型 非聚焦型电子光学系统结构的象管比较简单，非聚焦型电子光学系统结构的象管比较简单，它由两个子行电极它由两个子行电极( (光电阴极和荧光屏光电阴极和荧光屏) )构成，因构成，因两电极距离很近，所以非聚焦型象管又称近贴式两电极距离很近，所以非聚焦型象管又称近贴式象管。象管。 工作时极间加上高电压，形成纵向均匀电场。工作时极间加上高电压，形成纵向均匀电场。均匀电场对光电子只有加速投射作用，没有聚焦均匀电场对光电子只有加速投射作用，没有聚焦成象作用，所以从光电阴极同一点发出的不同韧成象作用，所以从光电阴极同一点发出的不同韧速的光电子，不能在荧光屏上会聚成一个象点，速的光

6、电子，不能在荧光屏上会聚成一个象点，而是一个弥散固斑，因此，近贴式象管的分辨率而是一个弥散固斑，因此，近贴式象管的分辨率较低。较低。B B、聚焦型、聚焦型 在静电聚焦电子光学系统中，两个电在静电聚焦电子光学系统中，两个电极分别与光电阴极和荧光屏连接，因电极极分别与光电阴极和荧光屏连接，因电极形状不同，有形状不同，有双圆筒电极系统双圆筒电极系统和和双球面电双球面电极系统极系统。作为阳极，带有小孔光栏让电子。作为阳极，带有小孔光栏让电子通过，工作时阴极接零电位；阳极加直流通过，工作时阴极接零电位；阳极加直流高压，此时在两电极之间就形成轴对称静高压，此时在两电极之间就形成轴对称静电场。电场。C、复合

7、聚焦电子光学系统 复合聚焦电子光学系统是由磁场聚焦和电场加速共同完成电子透镜成象作用的。（3）荧光屏 荧光屏的作用是将电子动能转换成光能。对荧光屏的要求是不仅应具有高的转换效率，而且屏的发射光谱要同人眼或与之耦合的下级光电阴极的响应一致。二、特性参数二、特性参数1 1、像管的光谱响应特性和光谱匹配、像管的光谱响应特性和光谱匹配 像管的光谱响应特性实际上就是第一光电阴极的光谱响应特性，研究像管的光谱响应特性有两大作用：决定光电阴极光电流；提供目标与背景之间的光电子图像的对比。 光谱匹配是指在象管的光谱响应范围内光源与光电阴极、光电阴极与荧光屏以及荧光屏与人眼视觉函数之间的光谱分布匹配2 2、像管

8、的增益特性、像管的增益特性 亮度增益定义为：荧光屏的光出射度亮度增益定义为：荧光屏的光出射度BkBk与与阴极入射照度阴极入射照度EkEk之比的之比的 倍，倍，26110,MVSGEBGakBkaB若为单级相管，由此可知线性放大倍数由此可知线性放大倍数M M对对G GB B影响较大，当影响较大，当M M减小减小 时，时，G GB B增大，但增大，但M M不能过小，因为荧光屏上的图不能过小，因为荧光屏上的图像太小时，会导致图像分辨率下降。提高像太小时，会导致图像分辨率下降。提高G GB B的关的关键因素还是加大加速电压，但不能加的太高。键因素还是加大加速电压，但不能加的太高。 3 3、等效背景照度

9、、等效背景照度 把象管置于完全黑暗的环境中，当加上工作电压后，荧光屏上仍然会发出一定亮度的光这种无光照射时荧光屏的发光称为象管的暗背景，由于暗背景的存在，使图象的对比度下降甚至使微弱光图象淹没在背景中而不能辨别。 4 4、分辨率、分辨率 所谓分辨率是指当标准测试板通过象管后，在荧光屏的每毫米长度上用目测法能分辨得开的黑白相间等宽距条纹的对数(即“空间频率”数)，单位是每毫米线对数(IpmM)。三、常用变像管1、红外变像管 光电阴极采用银氧铯材料的象管一般称为红外变象管，它是能将不可见的近红外辐射图象转变为可见光图象的光电成象器件。这两种形式的变象管均由于采用银氧铂光电阴极，其热发射系数大，量子

10、效率低，所以工作时要另加红外光源另加红外光源。但由于制造容易，成本低廉，在红外夜视仪器中仍广泛应用。2、选通式变象管其只是在光电阴极和阳极之间增加了一对带孔阑的金属电极称为控制栅，只要改变控制栅的电压。只要改变控制栅极的电压就可以控制冠电子发射。四、常用像增强器四、常用像增强器n1、级联式象增强器n由几个分立的单级象增强器组合而成为了增强图像的亮度，必须注意荧光屏和后级光电阴极的光谱匹配，即荧光屏发射的光谱峰值与光电阴极的峰值波长相接近，而最后一级荧光屏的发射光谱特性与人眼的明视觉光谱光视效率曲线一致。n 微通道板象增强器n微通道板象增强器是利用微通道的二次电子倍增原理实现单级高增益图象增强，

11、它属于第二代象增强器。n 微通道板象增强器主要有两种形式：双近贴式和倒象式。对双近贴式结构象增强器，其光电阴极、微对双近贴式结构象增强器，其光电阴极、微通道板、荧光屏三者相互靠得很近，故称通道板、荧光屏三者相互靠得很近，故称双近贴，光电阴极发射的光电子在电场作双近贴，光电阴极发射的光电子在电场作用下，打到微通道板输入端，经用下，打到微通道板输入端，经MCPMCP电子倍电子倍增和加速后，打到荧光屏上输出图象。增和加速后，打到荧光屏上输出图象。这种管子体积小、重量轻、使用方便，但这种管子体积小、重量轻、使用方便，但象质和分辨率较差。象质和分辨率较差。 倒象式结构：在管内荧光屏前插入微通道板，微通道

12、板的输出端与荧光屏之间仍采用近贴聚焦。 其原理是：由光纤面板上的光电阴极发射电子图象，经静电透镜聚焦在微通道板上，微通道板将电子图象倍增后，在均匀电场作用下直接投射到荧光屏上，因为在荧光屏上所成的象相对于光电阴极来说是倒象，故也称为倒象管。 它具有较高的分辨率和象质。若改变微通道板两端电压即可改变其增益，此种管子还具有自动防强光的优点。 3 3负电子亲和势负电子亲和势(NEA)(NEA)光电阴极和第三代象增强器光电阴极和第三代象增强器 这种阴极不仅在可见光范围有较高的灵敏度，这种阴极不仅在可见光范围有较高的灵敏度，而且在近红外区也有比银氧艳光电阴极高的量子而且在近红外区也有比银氧艳光电阴极高的

13、量子效率。第二代象增强器的微通道板结构配以这种效率。第二代象增强器的微通道板结构配以这种负电子亲和势光电阴极，这样就构成了第三代象负电子亲和势光电阴极，这样就构成了第三代象增强器，这种象增强器能同时起到光谱变换和微增强器，这种象增强器能同时起到光谱变换和微光增强的作用，因此可做到一机二用。光增强的作用，因此可做到一机二用。 4 4x x射线象增强器射线象增强器 x x射线象增强器的作用是将不可见的射线象增强器的作用是将不可见的X X射线图射线图象转换成可见光图象，并校图象亮度增强。象转换成可见光图象，并校图象亮度增强。它是由：输入荧光屏、光电阴极、电子光学系它是由：输入荧光屏、光电阴极、电子光

14、学系统和输出荧光屏组成，统和输出荧光屏组成，原理是原理是: : x x射线通过被检体时，由于各部分射线通过被检体时，由于各部分对对x x射线的吸收不同，在输入荧光屏上形射线的吸收不同，在输入荧光屏上形成被检体的成被检体的x x射线图象，经荧光屏转换成射线图象，经荧光屏转换成微弱的可见光图象，微弱的可见光图象微弱的可见光图象，微弱的可见光图象激发光电阴极产生相应的电子图象，光激发光电阴极产生相应的电子图象，光电子被出光电阴极、聚焦极和阳极组成电子被出光电阴极、聚焦极和阳极组成的静电透镜聚焦和加速，高能电子激发的静电透镜聚焦和加速，高能电子激发输出荧光屏面，使电子图象转换成尺寸输出荧光屏面，使电子图象转换成尺寸缩小而亮度增强的可见光图象。缩小而亮度增强的可见光图象。 随着随着x x射线象增强器的发展和改进，人们把射线象增强器的发展和改进，人们把有隔离膜结构有隔离膜结构( (为避免铯化现象，在荧光屏和光电为避免铯化现象，在荧光屏和光电阴极之间夹一层薄玻璃或用真空蒸镀办法制隔离阴极之间夹一层薄玻璃或用真空蒸镀办法制隔离膜膜) )输入屏的增强器称为第一代输入屏的增强器称为第一代x x射线象增强器；射线象增强器； 把用把用CsICsI：NaNa蒸镀层做输入屏的增强器称为蒸镀层做输入屏的增强器称为第二代第二代x x射线象增强器；射线象增强器； 第三代是指第三代是指McPMcP板板x x