光电子器件-第四章微光像增强器教材课件

1、第四章变像管和微电像增强器 变像管是指把不可见光转换为可见光的器件。如红外变像管和紫外变像管。如红外变像管，其核心部分是对红外光敏感的光电阴极。当红外光照射到阴极时，产生光电发射，经过电子光学系统，实现光谱变换。一、变像管第四章变像管和微电像增强器 变像管是指把 把微弱的可见光图象增强亮度，变成人眼可以观察到的图像。明朗夏天采光良好的室内照度大致在100至500lx之间 太阳直射时的地面照度可以达到10万lx 满月在天顶时的地面照度大约是0.2lx 夜间无月时的地面照度只有10-4lx数量级 微光光电成像系统的工作条件就是环境照度低于10-1lx 微光光电成像系统的核心部分是微光像增强器件 二

2、、微光像增强器 把微弱的可见光图象增强亮度，变成人眼可以观察到的图4.1 像管的基本原理和结构 像管变像管 图像增强管 是指能够把不可见光图像变为可见光图像的真空光电管。 是指能够把亮度很低的光学图象变为有足够亮度图象的真空光电管。 像管和摄象管的主要区别是，像管内部没有扫描机构，不能输出电视信号，对它的使用就跟使用望远镜去观察远处景物一样，观察者必须通过它来直接面对着景物。 image converter tube image intensifier tube 直视型电真空成像器件统称为像管，它是用于直视成像系统的光电成像器件。4.1 像管的基本原理和结构 像管变像管 图像增强管 是指 像管

3、成像的物理过程 像管实现图像的电磁波谱转换和亮度增强是通过三个环节来完成的:首先是将接受的微弱的或不可见的输入辐射图像转换成电子图像；其次是使电子图像获得能量或数量增强，并聚焦成像；第三是将增强的电子图像转换成可见的光学图像。上述三个环节分别由光阴极电子光学系统荧光屏完成。这三部分共同封在一个高真空的管壳内。 像管成像的物理过程 像管实现图像的电磁波谱转换和亮1 辐射图像的光电转换 (光阴极) 像管的输入端面是采用光电发射材料制成的光敏面。该光敏面接收辐射量子产生电子发射。所发射的电子流密度分布正比于人射的辐射通量分布。由此完成辐射图像转换为电子图像的过程。 1 辐射图像的光电转换 (光阴极)

4、 由于电子发射需要在发射表面有法向电场，所以光敏面应接以负电位。 这一光敏面通常称为光阴极。 像管中常用的光阴极有： 对红外光敏感的银氧铯红外光阴极； 对可见光敏感的单碱和多碱光阴极； 对紫外光敏感的紫外光阴极。 由于电子发射需要在发射表面有法向电场，所以光光阴极有透射型和反射型两种。像管中常用的光阴极是透射型的半透明。 必须在高真空中。光阴极进行图像转换的简要物理过程是： 当具有能量为 hv的辐射量子入射到半透明的光电发射体内，与体内电子产生非弹性碰撞而交换能量。根据光电发射的斯托列托夫定律可知，饱和光电发射的电子流密度与入射辐射通量密度成正比。因此由入射辐射分布所构成的图像可以通过光阴极变

5、换成由电子流分布所构成的图像。这一图像称为电子图像光阴极有透射型和反射型两种。根据光电发射的斯托列托夫定律可知根据光电发射的斯托列托夫定律可知，饱和光电发射的电子流密度与入射辐射通量密度成正比。因此由入射辐射分布所构成的图像可以通过光阴极变换成由电子流分布所构成的图像。这一图像称为电子图像。根据光电发射的斯托列托夫定律可知，饱和光电发射的电子流密度与2 电子图像的能量增强(电子透镜)像管中的电子图像通过特定的静电场或电磁复合场获得能量增强。由光阴极的光电发射产生的电子图像，在刚离开光阴极面时是低速运动的电子流，其初速由爱因斯坦定律所决定。这一低能量的电子图像在静电场或电磁复合场的洛伦茨力作用下

6、得到加速并聚焦到荧光屏上。在到达像面时是高速运动的电子流，能量很大。由此完成了电子图像的能量增强。 像管中特定设置的静电场或电磁复合场称之为电子光学系统。由于它具有聚焦电子图像的作用，故又被称之为电子透镜。 2 电子图像的能量增强(电子透镜)像管中的电子图像通过3 电子图像的发光显示(荧光屏) 像管输出的是可见光学图像。为把电子图像转换成可见的光学图像，通常采用荧光屏(电子动能转换成光能) 。能将电子动能转换成光能的荧光屏是由发光材料的微晶颗粒沉积而成的薄层。由于荧光屏的电阻率通常在10E+1010E+14cm，介于绝缘体和半导体之间，因此当它受到高速电子轰击时，会积累负电荷，使加在荧光屏上的

7、电压难以提高，为此应在荧光屏上蒸镀一层铝膜，引走积累的负电荷，而且可防止光反馈到光阴极。 像管中常用的荧光屏材料有多种。基本材料是金属的硫化物、氧化物或硅酸盐等晶体。上述材料经掺杂后具有受激发光特性，统称之为晶态磷光体。荧光屏是利用掺杂的晶态磷光体受激发光的物理过程，将电子图像转换为可见的光学图像。3 电子图像的发光显示(荧光屏) 像管输出的是可见光学 像管中常用的荧光屏，不仅应该具有高的转换效率，而且它的辐射光谱要和人眼或与之耦合的其他接收器件的光谱响应相一致。实验证明，荧光屏由高速电子激发发光的亮度除与发光材料的性质有关外，主要取决于入射电子流的密度和加速电压值。当像管中光电子图像的加速电

8、压一定时，荧光屏的发光亮度正比于入射光电子流的密度。由此可知，像管的荧光屏可以将光电子图像转换成可见的光学图像。 像管中常用的荧光屏，不仅应该具有高的转换效率，而且它的辐4光学纤维(1)纤维导光 原理上一页下一页返 回4光学纤维(1)纤维导光 原理上一页下一页返 回n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n01上一页下一页返 回n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n0当r =90的临界状态时， Sin i定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture） 相对折射率差 arcsinNA是一个临界角，i arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包

9、层消失；i arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。上一页下一页返 回当r =90的临界状态时， Sin i定义为“数值孔径(2)(2)光学纤维面板及性能对于像管中的纤维要求如下:数值孔径要大;光透过率要高;分辨率要高;气密性、化学稳定性、机械加工性能及热稳定性要好(2)(2)光学纤维面板及性能4.2 像管的主要特性与参数直视式光电成像器件是为扩展人限视力范围而发展起来的，它既能探测到微弱的或人眼不可见的目标辐射信号，又能将目标满意地成像，使人眼能看到再现的目标图像。因此像管既是一个辐射探测器，放大器，又是成像器。作为辐射探测器，它应具有高的量子效率和信号放大能力，以提供足够的亮度.

10、 这一性能通常用灵敏度和亮度增益来描述.作为图像成像器，它必须具有小的图像几何失真，适当的几何放大率，尽量小的亮度(能量)扩散能力，以提供足够的视角和对比。这些性能通常用畸变、放大率、分辨力及调制传递函数来描述。4.2 像管的主要特性与参数直视式光电成像器件是为扩展人1 光谱响应特性光谱响应特性是指像管的响应能力随入射波长的变化关系。像管的光谱响应特性实际上是其光阴极的光谱响应待性。它决定了像管应用的光谱范围。像管的光谱响应特性通常用光谱响应率、量子效率、光谱特性曲线和积分响应率(简称响应率)来描述。 光谱响应率是像管对单色入射辐射的响应能力，以Rj 表示。响应率是像管对全色入射辐射的响应能力

11、，以R表示。由于在实际应用中，像管接收的往往不是单色辐射，而是某一光源的全色辐射，所以响应率更具有实际意义。1 光谱响应特性光谱响应特性是指像管的响应能力随入射波长2 增益特性合适的亮度是观察图像的必要条件。像管输出的图像亮度既与入射图像的照度有关，又取决于像管本身对辐射能量的变换与增强的能力。“增益”就是用来描述像管这种能力的参数。（1）. 增益定义像管的增益有：亮度增益、辐射亮度增益及光通量增益之分。其中亮度增益是最基本而通用的。（2）. 亮度增益的定义像管的亮度增益定义为：像管在标准光源照射下，荧光屏上的光出射度M与入射到阴极面上的照度Ev之比。即 GL = M / EV2 增益特性合适

12、的亮度是观察图像的必要条件。像管输出的3 背景特性合适的亮度是人眼观察图像的必要条件，但像管的输出亮度并不都是有用的。在输出端荧光屏的图像上，除了有用的成像(信号)亮度以外，还存在一种非成像的附加亮度，称之为背景(或背景亮度)。像管的背景包括无光照射情况下的暗背景和因人射信号的影响而产生的附加背景，称为信号感生背景(或光致背景) 。 暗背景产生的主要原因是光阴极的热电子发射和管内颗粒引起的场致发射。3 背景特性合适的亮度是人眼观察图像的必要条件，但像管4 成像特性像管既是一个辐射探测器，又是一个图像探测器。作为图像探测器，它应该具备好的成像特性。像管光阴极面上接收来自物空间的图像辐射照度，并由

13、这一辐射照度的值在阴极面上的强度分布构成输入图像通过像管这个成像器件的转换与增强在荧光屏上产生相应的亮度分布，构成输出图像。像管在完成转换与增强的过程中，由于非理想成像，所以输出图像的几何尺寸、形状及亮度分布不能准确地再现输入的幅照度分布，而使图像像质下降。这种像质下降主要表现在几何形状及亮度分布的失真。通常用放大率、畸变、分辨力和调制传递函数来描述。4 成像特性像管既是一个辐射探测器，又是一个图像探测器。（1）放大率 像管的放大率m，指的是像管出射端输出图像的线性尺寸 l 与其对应的入射端图像的线性尺寸 l 之比， m = l / l 因此，放大率是表征像管对图像几何尺寸放大或缩小能力的一个

14、性能参数。（1）放大率（2）. 畸变 由于像管常采用静电聚焦电子光学系统，它的边缘放大率比近轴放大率大，所以在出射端图像产生枕形畸变。由于物高不同，放大率不同，导致图像形状发生畸形变化，故称为畸变，并以D表示畸变的程度。式中， mr为距光阴极中心特定半径处的放大率，m0为中心放大率。（2）. 畸变式中， mr为距光阴极中心特定半径处的放大（3）分辨力 成像器件能够将两个相隔极近的目标的像，刚刚能分辨清的能力称为分辨力。 由于像管中电子光学系统存在着各种象差，再加上荧光屏对入射电子、输出电子的散射和荧光粉粒度的限制，以及级间耦合元件对光的散射、串光等原因造成亮度分布失真，使输出图像的清晰度下降。

15、为评定像管的成像质量，最简单常用的方法是测定其分辩力。（）.调制传递函数 调制传递函数是一种可以全面描述成像系统对构成图像的各种细节（较高空间频率）的衰减能力的数学关系。（3）分辨力4.4 像管的类型与结构用于直视成像系统的像管，具有多种类型。根据像管的工作波段可分为：工作于非可见辐射(近红外、紫外、 X射线、射线)的像管，称之为变像管；工作于微弱可见光的像管，称之为像增强器。4.4 像管的类型与结构用于直视成像系统的像管，具有根据像管的工作方式可分为：连续工作像管；选通工作像管；变倍工作像管。根据像管的结构可分为：近贴式像管；倒像式像管；静电聚焦式像管；电磁复合聚焦式像管。根据像管的工作方式

16、可分为：根据像管的发展阶段可分为：级联式的第一代像管；带微通道板的第二代像管；采用负电子亲和势光阴极的第三代像管。根据像管的发展阶段可分为： 4.5第一代像增强器 第一代像增强器是以纤维光学面板作为输入、输出窗三级级联耦合的像增强器。由于经过三级增强，因而第一代管具有很高的增益。 一代管以三级级联增强技术为特征，增益高达几万倍，但体积大，重量重 一代管的典型性能为：光灵敏度为300 ，辐射灵敏度(0.85)为20 ， 亮度增益为 ，分辨率为35 。一代管具有增益高、成像清晰的优点，但重量大，防强光能力差。 4.5第一代像增强器在实际应用中，为了获得更高的亮度增益，将完全相同的单级像管，用光学纤

17、维面板进行多级耦合。因此像管的输入窗和输出窗都是由光学纤维面板制成，以便将球面像转换为平面像来完成级间耦合。由于每级像管都成倒像，所以稠合的级数多取单数，通常为三级。该像管称为第一代像增强器。 在实际应用中，为了获得更高的亮度增益，将完全相同的单级像管，4.6 第二代像增强器 第二代像管与第一代像管的根本区别在于： 它不是用多级级联实现光电子倍增，而是采用在单级像管中设置微通道板来实现电子图像倍增的。 微通道板是两维空间的电子倍增器。微通道板是由大量平行堆集的微细单通道电子倍增器组成的薄板。通道孔径为5一10m。通道内壁具有较高的二次电子发射系数。 在微通道板的两个端面之间施加直流电压形成电场

18、。入射到通道内的电子在电场作用下，碰撞通道内壁产生二次电子。这些二次电子在电场力加速下不断碰撞通道内壁，直至由通道的输出端射出，实现连续倍增，达到增强电子图像的作用。 4.6 第二代像增强器 第二代像管与第一代像管的根本利用MCP（微通道板：在电阻管的内壁涂上具有二次电子发射内力的物质，以实现电荷的倍增）的像管称为第二代像增强器（二代管）。 锐聚焦类似单级一代管，但在管子的荧光屏前放置一MCP，称为二代倒像管； 近贴聚焦在光阴极和荧光屏之间双近贴放置MCP，荧光屏配制在纤维光学面板或光纤扭像器上，称为二代近贴管。利用MCP（微通道板：在电阻管的内壁涂上具有二次电子发射内力一、近贴式 MCP像管

19、的结构 微通道板近贴于光阴极和荧光屏之间。构成两个近贴空间。因此又称为双近贴式像管。由于采用了双近贴、均匀场，所以图像无畸变，放大率为 l，不倒像。同样由于近贴，会出现光阴极、 MCP、荧光屏三者之间的相互影响。 一、近贴式 MCP像管的结构 微通道板近贴于光阴极和荧光屏之二、第2代静电聚焦倒像式像管的结构 微通道板与光阴极之间采用静电透镜，MCP置于电子透镜的像面位置；像管中还在阳极与MCP之间设置一个消畸变电极。由微通道板增强后的电子图像通过近贴聚焦到荧光屏上。由于在荧光屏上所成的像，相对于光阴极上的像来说是倒像，因此称为倒像管。二、第2代静电聚焦倒像式像管的结构 微通道板与光阴极之间采用

20、微通道扳的输出端，由于连续倍增其电子密度较高、速度快，易于使像管内残余气体分子电离。如果电离产生的正离子轰击光阴极将降低像管的寿命。当微通道扳输入端电位低于阳极电位时，则形成一个防止正离子反馈的位垒。这个位垒一方面阻止正离子另方面又收集微通道板端面上产生的二次电子，从而消除了光晕现象。由于微通道板本身具有高增益、增益可控、电流饱和等待性，因此第二代像管，无论近贴式或倒像式与第一代像管相比，均具有体积小、重量轻、亮度可调、防强光等优点 微通道扳的输出端，由于连续倍增其电子密度较高、速度快，易于使光电子器件_第四章微光像增强器教材课件 二代管采用了不同于一代管的增益机构-MCP，MCP由上百万个紧

21、密排列的空芯通道管组成。通道芯径间距约12，长径比为4060。通道的内壁具有较高的二次电子发射特性，入射到通道的初始电子在电场作用下使激发出来的电子依次倍增，从而在输出端获得很高的增益。MCP的两个端面镀镍，构成输入和输出电极。 二代管采用了不同于一代管的增益机构-MCP，MCP由上光电子器件_第四章微光像增强器教材课件4.7 第三代像增强器 第三代像增强器是在二代近贴管的基础上，将三碱光电阴极置换为GaAs NEA光阴极。NEA 光电阴极的制作过程极为复杂。但光灵敏度性能较一、二代多碱光阴极提高2-3倍。光谱响应向红外延伸，与夜天光辐射光谱更匹配，视距增大1.5-2倍。 第三代像管是采用了负电子亲和势光阴极的像管。 电子亲和势（能）晶格中原子捕获一个电子成为负离子所释放出的能量。 4.7 第三代像增强器 第三代像增强器是在二代近贴光电子器件_第四章微光像