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1、第五章第五章 光电成像器件光电成像器件5.1 5.1 像管定义分类及功能像管定义分类及功能5.2 5.2 像管的工作原理与结构像管的工作原理与结构5.3 5.3 像管的主要特性分析像管的主要特性分析5.4 5.4 变像管变像管5.5 5.5 像增强器像增强器5.6 5.6 摄像管摄像管5.1 像管的定义分类及功能像管的定义分类及功能不可见光图像不可见光图像微弱光图像微弱光图像可见光图像可见光图像1、概念、概念光电子成像器件光电子成像器件光电成像器件光电成像器件真空成像真空成像器件器件固体成像固体成像器件器件像管像管摄像管摄像管变像管变像管像增强器(微光管)像增强器(微光管)光电发射型摄像管光电

2、发射型摄像管光电导型摄像管光电导型摄像管(摄像管)(摄像管)(视像管)(视像管)2.分类:分类:变换光谱变换光谱增强亮度增强亮度光学成像光学成像3.功能:功能:5.2 像管的结构与工作原理像管的结构与工作原理结构:结构:光电阴极(光电变换部分)光电阴极(光电变换部分)常用的有常用的有4 4种:种: Ag-O-CsAg-O-Cs光电阴极、光电阴极、 单碱和多碱光电阴极、单碱和多碱光电阴极、 各种紫外光电阴极、各种紫外光电阴极、 NEANEA光电阴极光电阴极不可见光图像不可见光图像微弱光图像微弱光图像电子图像电子图像电子图像的能量电子图像的能量电子光学系统电子光学系统 (电子透镜)(电子透镜)增增

3、 强强聚焦成像聚焦成像非非聚聚焦焦型型聚聚焦焦型型复复合合型型荧光屏(电光变换部分)荧光屏(电光变换部分)能量增强的电子图像能量增强的电子图像可见光学图像可见光学图像5.3 像管主要特性分析像管主要特性分析1、光电转换特性及参数、光电转换特性及参数1.1光谱响应特性光谱响应特性像管的像管的光谱匹配光谱匹配:光电阴极、光电阴极、光电阴极与荧光屏、光电阴极与荧光屏、荧光屏与人眼视见函数荧光屏与人眼视见函数像管的光源像管的光源定义为:定义为: 光电阴极的光谱响应率函数;光电阴极的光谱响应率函数; 荧光屏的发光光谱分布。荧光屏的发光光谱分布。 总是小于总是小于1 1, 越大,说明匹配的越合理越大,说明

4、匹配的越合理ddS)()()(00)(S)(光谱匹配系数光谱匹配系数,用,用 表示。表示。常用光电阴极和光源的常用光电阴极和光源的值值0.4610.4610.0710.0710 00.2010.2010.7070.7070.6260.6260.2270.2270.01790.01790.9530.9530.7820.7820.8680.8680.1120.1120.8770.8770.5830.5830.7220.7220.060.060.9140.9140.4270.4270.6980.6980.5160.5160.2730.2730.2170.2170.3950.3950.2760.276

5、标准光源标准光源标准红外光源标准红外光源荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏0 00.01770.01770.270.27标准红外光源标准红外光源0.270.270.540.540.370.37满月光满月光0.240.240.0450.0450.1340.1340.06470.0647晴朗星光晴朗星光暗绿色漆暗绿色漆反射的辐反射的辐射射0 00.05390.05390.2690.269标准红外光源标准红外光源0.0880.0880.270.270.130.13满月光满月光0.1590.1590.0080.0080.06310.06310.01480.0148晴朗星光晴朗星光绿色草木绿色草木反射

6、的辐反射的辐射射光适应眼光适应眼光阴极光阴极光源光源1S11S20S25SNEA1.2像管的增益特性像管的增益特性 像管像管输出亮度的大小输出亮度的大小, ,在入射照度一定时在入射照度一定时, ,由亮度增益所决定。由亮度增益所决定。亮度增益亮度增益定义:定义:像管输出亮度像管输出亮度L与光电阴极面入射照度与光电阴极面入射照度E之比之比的的 倍倍 ,用,用GL表示表示EMELGL辐射亮度增益辐射亮度增益 辐射亮度增益用辐射亮度增益用 表示,其定义为表示,其定义为 LeGeeLeEMELG亮度增益与辐射亮度增益亮度增益与辐射亮度增益KGGLLeK:光源:光源光视效能光视效能421.3421.347

7、647614014059.259.25.455.4519.919.913013047.847.8荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏荧光屏满月光下满月光下的绿色草的绿色草木木晴星下的晴星下的绿色草木绿色草木标准红外标准红外光源下的光源下的绿色草木绿色草木标准标准红外红外光源光源2856K2856K标准标准光源光源光源光源光视效光视效能能2、光学特性、光学特性 定量描述定量描述图像失真程度图像失真程度的性能指标。的性能指标。反映像管成像质量的一个重要参数。反映像管成像质量的一个重要参数。定义:用荧光屏上每毫米所能分开的定义:用荧光屏上每毫米所能分开的黑白黑白线对数线对数的多少。的多少。单位为单位为lp

8、lpmmmm。2.1分辨率分辨率测试方法:测试方法:标准测试图案聚焦在光电阴极表面,用目视方标准测试图案聚焦在光电阴极表面,用目视方法观察荧光屏上的图像法观察荧光屏上的图像,然后确定该系统的分,然后确定该系统的分辨率大小。辨率大小。定义:定义:当有一圆形辐射图案投射在光电阴极表面上时,在荧当有一圆形辐射图案投射在光电阴极表面上时,在荧光屏上显示的图像光屏上显示的图像直径直径与输入图案与输入图案直径直径之比。用之比。用m表表示。示。csddm 习惯上常用光电阴极及荧光屏的习惯上常用光电阴极及荧光屏的有效有效面积面积来表示。来表示。2.2线放大率线放大率如果图案刚好充满光电阴极有效面积,输出图象也

9、如果图案刚好充满光电阴极有效面积,输出图象也刚好充满荧光屏有效面积,则刚好充满荧光屏有效面积,则cscsAAddm222csAAm 畸变的定义为畸变的定义为: : mc:中心放大率,:中心放大率,me:边缘放大率。:边缘放大率。 通常取光电阴极有效直径的通常取光电阴极有效直径的70%70%80%80%处的畸变值处的畸变值表示器件的特性。表示器件的特性。%)(1001 cemmmD2.3畸变畸变2.4光传递特性光传递特性输出亮度输出亮度随随入射照度入射照度的变化关系。的变化关系。当入射照度过高时,输出和输入当入射照度过高时,输出和输入不再保持线性关系。不再保持线性关系。输出趋于饱和,原因:输出趋

10、于饱和,原因:1.1.光电发射能力有限;光电发射能力有限;2.2.光电子空间电荷效应;光电子空间电荷效应;3.3.荧光屏发光能力有限。荧光屏发光能力有限。 2.5背景特性背景特性(1)暗背景)暗背景概念:概念:无光照时无光照时, ,像管的输出像管的输出亮度。亮度。产生原因:产生原因:光电阴极热电子发射光电阴极热电子发射局部场强产生的电子发射局部场强产生的电子发射正电极上的二次电子发射正电极上的二次电子发射措施:措施:降低阴极温度降低阴极温度减少电极污染减少电极污染暗背景度量:暗背景度量:可以用可以用等效背景照度等效背景照度来度量。来度量。当像管受微弱光照时,在荧光屏上产生同暗背当像管受微弱光照

11、时,在荧光屏上产生同暗背景相等的亮度时,光电阴极面上所需的输入照景相等的亮度时,光电阴极面上所需的输入照度值。度值。0eqLLEG暗背景亮暗背景亮度值度值(2) 信号感生背景信号感生背景概念:概念:因入射信号的影响而产生的背景。因入射信号的影响而产生的背景。产生原因:产生原因:信号增强时,阴极透射光、管内散射信号增强时,阴极透射光、管内散射光、光反馈、电子反馈等的增强。光、光反馈、电子反馈等的增强。别处亮度别处亮度某处亮度某处亮度的变化的变化5.4 变像管变像管红外辐射图像红外辐射图像紫外辐射图像紫外辐射图像可见光图像可见光图像光谱变换光谱变换光学成像光学成像主要功能主要功能工作原理工作原理

12、红外辐射图像被光学物镜成像后位于光电阴红外辐射图像被光学物镜成像后位于光电阴极的极的前方前方,该,该辐射图像辐射图像相当于对光电阴极有一辐相当于对光电阴极有一辐射通量,光电阴极将其变成与其射通量,光电阴极将其变成与其亮度亮度成正比的电成正比的电子图像,经静电聚焦后轰击荧光屏,形成可见光子图像,经静电聚焦后轰击荧光屏,形成可见光图像。图像。红外变像管红外变像管特点特点光电阴极多为光电阴极多为Ag-O-CsAg-O-Cs阴极阴极;它可以使波长小于它可以使波长小于1.15m1.15m的红外光变成光电的红外光变成光电子。子。对于波长大于对于波长大于1.15m1.15m的红外光,采用的红外光,采用负电子

13、负电子亲和势阴极。亲和势阴极。将将光电阴极光电阴极及及荧光屏荧光屏连同光纤面板一起制成球面连同光纤面板一起制成球面型,使型,使聚焦面聚焦面与与荧光屏荧光屏重合,从而改善了像质。重合,从而改善了像质。荧光屏上的像借助于平凹形的光纤平板展开成平荧光屏上的像借助于平凹形的光纤平板展开成平面像。面像。光纤面板变像管光纤面板变像管5.5 像增强器像增强器功能:功能:增强微弱光图像的亮度,使其便增强微弱光图像的亮度,使其便于观察。于观察。但该微弱光图像仍属于可见光范但该微弱光图像仍属于可见光范围,只是发光强度较弱。围,只是发光强度较弱。增强亮度增强亮度光学成像光学成像主要功能主要功能第一代微光像增强器第一

14、代微光像增强器为了增强图像的亮度,将完全相同的多个单级为了增强图像的亮度,将完全相同的多个单级像增强器耦合起来,使亮度逐级增益。像增强器耦合起来,使亮度逐级增益。3 3级串级串联的图像增强管,亮度增益可达联的图像增强管,亮度增益可达10105 5。需要注意需要注意光谱匹配问题。光谱匹配问题。微通道板微通道板-MCP (Micro Channel Plate)MCP (Micro Channel Plate)是利用电是利用电子在通道内的二次倍增来实现增强亮度的子在通道内的二次倍增来实现增强亮度的, ,具有传输、具有传输、增强电子图像功能的电子倍增器增强电子图像功能的电子倍增器 。第二代微光像增强

15、器第二代微光像增强器 微通道板像增强器微通道板像增强器特性特性当光电面发射的电子进入当光电面发射的电子进入MCP后后 ,MCP两端加上高两端加上高的直流电压的直流电压(约数千伏)后,在每个微管道内即形(约数千伏)后,在每个微管道内即形成极强的电场。在强电场作用下经过和管壁的多次成极强的电场。在强电场作用下经过和管壁的多次碰撞,而得到电子倍增。碰撞,而得到电子倍增。 一般直流电压为一般直流电压为10kV的微的微通道板,可得到通道板,可得到105106的电子增益。的电子增益。工作原理工作原理 体积小,重量轻,整管长度和重量约为一代体积小,重量轻,整管长度和重量约为一代级联管的二分之一;级联管的二分

16、之一; (2)亮度便于调节;亮度便于调节; (3) 减少了荧光屏的光反馈;减少了荧光屏的光反馈; (4)整管电压较低整管电压较低微通道板像增强器的优缺点微通道板像增强器的优缺点其突出的是:其突出的是:噪声大,主要是的附加噪声;噪声大,主要是的附加噪声;图像不够均匀;图像不够均匀;工艺难度大,主要是的制作以及后续工序工艺难度大,主要是的制作以及后续工序对对MCP有影响。有影响。缺点缺点第三代像增强器第三代像增强器第二代象增强器的微通道板结构配以第二代象增强器的微通道板结构配以负电子亲负电子亲和势光电阴极和势光电阴极,构成第三代像增强器。,构成第三代像增强器。第三代像管具有高增益、低噪声、较高的图

17、像第三代像管具有高增益、低噪声、较高的图像分辨力的优点,成为目前性能最优越的直视型分辨力的优点,成为目前性能最优越的直视型光电成像器件。光电成像器件。WGS15-1 型手持微光夜视仪型手持微光夜视仪WGS15-1 型手持微光夜视仪型手持微光夜视仪 主要特点:该夜视仪是以微光像增强器为核心携带方便的一代手持微光夜视仪,该夜视仪配有IR助视灯,视场大、体积小、重量轻、使用方便。 用途:用于夜间和低照度下进行观察。在公安侦破、边防守卫、海关及科学研究等方面均可广泛运用。 主要性能: 物镜孔径: 48毫米 放大倍率: 1.8倍 物方视场: 17 调焦范围: 5米无穷远 视度范围: 5屈光度 出瞳直径:

18、 7毫米 分辨力: 2.8毫弧度 工作电压: 3伏直流(采用标准5号电池) 像增强器: 一代像增强器(XX1490) 尺寸: 192(L)66(W)88(H) 质量: 0.7公斤 WGS40-1型双目观察夜视仪型双目观察夜视仪 主要特点:该夜视仪可手持、或配置三角架使用,选用高性能二代像增强器,体积小、重量轻、性能优良。 适用范围:主要适合于军事、准军事部门远距离侦察、跟踪、监视,还可粗略测距。 主要性能: 放大倍率: 1倍 物方视场: 38 调焦范围: 250mm无穷远 分辨力: 0.9毫弧度 视度范围: -5+2屈光度 出瞳直径: 7毫米 工作电压: 3伏直流(采用标准5号电池) 像增强器

19、: 高性能二代像增强器(1XZ18/18WHS-2) 5.6 摄像管摄像管 摄像管摄像管是电视摄像机中将光学图像转换为电信号的一种电真空器件电真空器件,是整个电视发送系整个电视发送系统中的第一个部件。统中的第一个部件。摄像管性能的优劣,对整个电视系统的质量关系极大。 摄像管的基本任务基本任务是把输入的光学图像信息转换成适合于处理和传递的时间序列的一维电信号。而视频信号能再现入射的光图像信号。2、分类1、组成与作用3、光电发射型摄像管的应用3、4、光电导型摄像管的应用一、摄像管的分类一、摄像管的分类1、按电荷积累方式分类 光电导型:内光电变换型,内光电变换型,没有移像部分,视像管视像管 光电发射

20、型:外光电变换型,外光电变换型,有移像部分二、摄像管的基本组成和作用 写入、存贮:写入、存贮:输入的光学图像照射在靶面上输入的光学图像照射在靶面上产生电荷产生电荷(电位电位)图像并存储;图像并存储; 阅读阅读、抹除:抹除:扫描电子束从靶面上取出视频扫描电子束从靶面上取出视频信号。信号。 a)光电导式摄像管 b)光电发射式摄像管三、光电导式摄像管(视像管)三、光电导式摄像管(视像管)完成光电变换与信号存储视频信号输出2、分类靶面结构无结型:结型:3、光窗:玻璃窗口3.1组成信号板:光刻产生 电阻海3.2工作原理工作时,信号板通过引线、负载电阻与靶电源的正极相连。热阴极接地。PN电子束逐行扫描轨迹

21、(3)扫描方式)扫描方式逐行扫描与隔行扫描(a)奇数场(b)偶数场隔行扫描的一帧电子束轨迹隔行扫描重现图像示意图 4、光电导型摄像管的应用1、组成与作用由移像区与扫描区组成,适于光电阴极:靶:扫描区(电子枪):视频信号输出光窗2、二次电子导电摄像管(、二次电子导电摄像管(SEC)2.1结构2.2工作原理(1)光电变换 光学图像投射到光电阴极上,产生相应的光电子发射,在电子光学系统的加速聚焦作用下,使它打到SEC靶上,产生二次电子发射。(2)电子图像存储 在靶的扫描面即形成与之对应的电势起伏,从而使光电阴极上的光学图像转移到SEC靶,变为靶扫描面上的电势分布图像。靶的二次电子发射系数越大,移像后

22、靶上的电势起伏也就越大。(3)视频信号输出(4)总结3、光电发射型摄像管的应用)lx/A(EIR一、摄像管的灵敏度一、摄像管的灵敏度定义:输出信号电流与输入光通量定义:输出信号电流与输入光通量(或照度或照度)的的比值。其单位为比值。其单位为 Alm或或 A1x。)lm/A(IR二、光电特性 Is kEIs灰度等级:按照一定标准划分的亮度等级。表明亮度的明暗程度。也称色阶或灰阶。三、分辨率三、分辨率 摄像管的分辨率是指摄象管对于光学图像细节的鉴别能力。有两种表达方式,即极限分辨率和调制传递函数。1、极限分辨率定义用每毫米所能分辩的最多黑白条线对数表示(lp/mm) 在接收图像的高度、宽度范围内所能分辩的等宽黑白条数表示摄像管习惯用每帧多少电视行(TVL)表示分辨率分水平分辨率与垂直分辨率 h

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