《光电成像原理》第3章 直视型电真空成像原理20100908定

第三章直视型电真空成像原理

§3.2像管的主要特性与参数

§3.1像管成像的物理过程§3.3像管的类型与结构

微弱的或不可见的辐射图像通过光电成像系统变成可见图像，像管本身应能起到变换光谱，增强亮度和成像的作用。

§3.1

像管成像的物理过程三个环节:光电转换电子图像增强并聚焦成像电光显示光电阴极电子透镜荧光屏VcVsVa简要物理过程具有hv

光阴极

非弹性碰撞而交换能量当辐射量子的能量大于电子产生跃迁的能量时，电子被激发到受激态。受激电子向真空界面迁移，半导体中自由电子数量很少，散射的几率很小，在迁移中只有与晶格产生相互作用，声子散射引起少量的能量损失；电子到达真空界面仍有克服电子亲和势的能量，就可以发射到真空中，成为光电发射的电子。辐射图像的光电转换（光阴极）

电子图像的发光显示（荧光屏）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光图像。

高的转换效率，发射光谱要和眼睛或者与之耦合的光阴极的光谱响应相一致。

亮度：发光材料的性质、入射电子流密度和加速电压值。电子图像的能量增强（电子光学系统）

任务：加速光电子；使其成像在像面上。

电子光学系统：静电、电磁复合。

静电系统：聚焦型和非聚焦型。微光光电成像系统的核心是微光像增强器件明朗夏天100－500lx太阳直射满月在天顶

0.2lx

夜间无月

10-4lx微光光电成像系统低于10-1lx

2023/1/11微光夜视技术的应用公安侦察上的应用AN/AVS-6AN/AVS-9NW-2000ICCDAN/PVS-7DF7000A/F7001AN.269776专用箱军事上的应用各种车载观瞄系统外，主要用于轻武器观瞄、车辆驾驶、夜视头盔和单兵手持式侦察仪等(采用一代、二代和部分超二代像增强器）。2023/1/11视频摄像与科学研究生物荧光显微镜

Canon摄象机

探测器：

高的量子效率和信号放大能力，才能有足够亮度。光阴极灵敏度、整管亮度增益。成像器：

高的保真度。好的衬度传递特性（MTF）和小的几何畸变。畸变、放大率、分辨力及调制传递函数。

§3.2

像管的主要特性与参数

一、光谱响应特性

二、增益特性

三、光传递特性

四、背景特性

五、传像特性

六、时间响应特性

像管的光谱响应特性

光谱响应特性：响应能力随入射波长的变化关系。

（光谱响应率、量子效率、光谱特性曲线、积分响应率）积分响应率：即光阴极产生的光电流与入射辐射通量之比。对微光器件，用色温2856K士50K的标准钨丝白炽灯照射光电阴极时，光电流与入射光通量之比。引入：

令

，

则

光谱匹配系数。光谱匹配系数是选择像管各级材料的重要依据光谱匹配系数反映了光源与光阴极的吻合程度。

阴极光电流光电子图像的对比

研究光谱响应特性有两大作用：阴极光电子发射密度及其对比

阴极类型

S-1,S-20

S-25

眼睛

NEA

光源

标准红外光源星光月光星光月光标准红外光源星光月光日光光电子发射密度（相对值）

绿色草本

0.17060.23760.16190.66260.22050.18400.19820.16780.34350.116暗绿色漆

0.02460.16950.14470.23010.13650.02940.18160.15030.30840.025对比0.74800.16700.05600.48400.23500.72500.04370.05500.05230.645结论：对夜天光源，阴极长波响应大，C值大，如NEA阴极。同一阴极，光源光谱偏向长波，能提供较高C值。

光电阴极提供的C值大于人眼。

亮度增益

标准A光源入射像管的光电阴极，荧光屏上的光出射度M与入射到光电阴极的照度EV之比。

像管的增益特性

亮度增益GL的表达式

单级像管

二级像管

注意：用亮度增益公式时，灵敏度Rn对应的光源。像管能够实现亮度增益，实质在于高压U（12～15kv）的作用。亮度增益并非越大越好。增益过大会使输出亮度过高，产生眩目现象。通常保证输出亮度为10(cd/m2)的数量级。

光传递特性：输出亮度随入射照度的变化关系。

原因：（1）光电发射能力有限；（存在极限电流密度）

（2）光电子的空间电荷效应；

（3）荧光屏发光能力有限。像管的光传递特性自动光亮度控制（ABC）特性和最大输出光亮度（MOB）

暗背景

原因：光阴极的热电子发射；场致电子发射；正极上的二次电子发射等。方法：降低阴极温度；减少电极污染，尤其是铯的污染可降低局部强场和二次电子发射。

像管的背景特性变像管均匀发光，微光管则出现闪烁。

等效背景Ebe：与暗背景亮度相当的光阴极入射照度。

变像管Ebe

10-3lx

微光管Ebe

10-7lx

信号感生背景

原因：当信号增强时，阴极透射光、管内散射光、输入窗上的光扩散、离子反馈、光反馈等的增强。

方法：黑化电极，荧光屏蒸铝，合理减小阳极孔径尺寸。背景对像质的影响

L—亮暗单元的平均亮度；γ-1—对比恶化系数。

像管的传像特性

图形几何形状

主要因素：宽束电子光学系统的电真空器件，边缘放大率比近轴大，出射端图像产生枕形畸变。畸变：

对多级像管：图像亮度分布

原因：电子光学系统的像差，荧光屏的分辨能力，端窗及耦合元件对光的散射、串光等。成像质量用分辨率和调制传递函数评价时间响应特性时间响应特性主要由荧光屏决定。光电阴极的发射过程很短，约为10-12s,光电子在管中的渡越时间也很短，约为10-10s级。荧光屏的惰性时间(ms)：由荧光粉的类型和激发电子流密度决定。

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；

二代管以微通道板（MCP）增强技术为特征，体积小，重量轻，但夜视距离无明显突破；

三代管则采用了负电子亲和势（NEA）GaAs光电阴极，使夜视距离提高1.5-2倍以上。§3.3

像管的类型与结构一代像增强器

一代像增强器是以光纤面板作为输入、输出窗三级级联耦合。光纤面板具有集光效能高、传像清晰的优点，端面可加工成球面，使单管的场曲和象散小，满足电子光学设计中消像差的要求。阴极（宽电子束聚焦电子光学系统，象散、场曲像差较严重）两电极定焦式静电聚焦像管。电极为双球面系统。一代管的典型性能：光电灵敏度为300μA·lm-1辐射灵敏度(0.85μm)为20mA·W-1亮度增益2×104－3×104cd·m-2·lx-1分辨率35lp·mm-1优点：增益高、成像清晰缺点：重量大，防强光能力差。二代管增益机构——MCP，MCP由上百万个的空芯通道管组成。通道芯径相距约12μm

，长径比为40—60。内壁具有较高的二次电子发射特性。二代像增强器

锐聚焦——类似单级一代管，荧光屏前放置MCP

技术特点：静电聚焦，倒像，高的MTF。

近贴聚焦——双近贴放置MCP，荧光屏配制在光纤面板或光纤扭像器上。

技术特点：

非聚焦（投射）正像，无畸变。光反馈严重，场致发射，分辨率低。二代管优缺点:噪音大（10-4lx）（MCP二次电子发射的统计起伏）

（18/18mm）、（25/25）、分辨率30lp·mm-1。

二代倒像管18／18，25／25，20／30，性能较近贴管好些，但重量较大。

近贴管亮度增益增益连续可调自动防强光（MCP电流饱和特性）；

三代像增强器

将三碱光电阴极置换为GaAs

NEA光阴极。光灵敏度较一、二代多碱光阴极提高2-3倍。光谱响应向红外延伸，NEA光阴极与夜天光辐射光谱更匹配，视距增大1.5-2倍。

三代管的商品水平为：

光灵敏度为1000

辐射灵敏度(0.85μm)100

mA·W-1，

亮度增益分辨率36lp·mm-1。

优点：高灵敏度、高分辨力、宽光谱响应、高传递特性和长寿命等。

X射线像增强器１、荧光输入屏把弱X射线图像转换成弱可见光图像。铯化：碱金属蒸气（Cs）可把（Cd，Zn）S：Ag（p20)中Cd和Zn置换出来，荧光屏发黑。2、电子光学系统放大率远小于1（0.1），压缩图像，增加亮度。管内钛泵吸气，保持高真空。用于医疗诊断与工业探伤。可降低X射线源功率10倍。高速摄影快速开关式变像管

曝光前，栅极电位约-90v，像被截止。当曝光栅网电位上到175v，光电子按正常轨迹聚焦到荧光屏上，偏转电极在控制栅打开后立即施加斜波脉冲电压，使脉宽很小光信号在荧光屏上展成条纹光