光电成像原理

关于光电成像原理空间任一点电位：一、轴对称场的幂级数表示形式：任何静电场均满足拉普拉斯方程：轴对称场：第2页,共33页，2024年2月25日，星期天电位可展开为幂级数，且只存在偶次幂项：已知轴上电位分布，可唯一地完全决定空间电位分布。——轴上电位分布谢尔赤（Scherzer）公式第3页,共33页，2024年2月25日，星期天近轴情况：二、近轴区电场对电子的作用力：电场对电子在两个方向上的作用力：场强分量：第4页,共33页，2024年2月25日，星期天电子轴向受力分析电子所受轴向力的与成正比，与无关：：电子在方向被加速；：电子在方向被减速；电子径向受力分析电子所受径向力的大小与及成正比；受力方向由的符号决定：：为无场空间，电子匀速漂移。径向力方向指向对称轴，电子受到会聚作用；:径向力方向背离对称轴，电子受到发散作用。:第5页,共33页，2024年2月25日，星期天三、旋转对称静电磁场的聚焦成像性能电子运动的近轴（高斯）轨迹方程：性质1.

若轴上电位分布已知，就可求得整个近轴空间的轨迹。高斯光学：研究高斯轨迹理想成像规律的理论。高斯光学理想成像性质:1.

从物平面上发出的所有电子，通过场的作用，能够在像平面上会聚于相应的像点上。2.

不含荷质比，由零电位的同一点发出的电子，不论其质量与电量如何，在近轴场内轨迹相同。2.

像和物的几何形状相似，也就是说各点的横向放大率与物高无关。第6页,共33页，2024年2月25日，星期天高斯轨迹理想成像的证明：其通解:初始条件：离对称轴单位距离的平行入射的电子轨迹轴上发出与轴成角入射的电子轨迹电子近轴轨迹的表达式:第7页,共33页，2024年2月25日，星期天若则时由轴上点发出的所有电子，不论其初始斜率如何，都将会聚在轴上处。1.轴上点的理想聚焦成像：第8页,共33页，2024年2月25日，星期天2.轴外点的理想聚焦成像：由物平面上轴外同一物点发出的电子，不论其初始斜率如何，都会聚在同一点第9页,共33页，2024年2月25日，星期天像点坐标：高斯像面，是物平面的共轭像面。平面：——电子光学系统的横向放大率第10页,共33页，2024年2月25日，星期天第11页,共33页，2024年2月25日，星期天§5.4电子透镜电子透镜：能使电子流聚焦成像的电子光学系统。单透镜膜孔透镜浸没透镜阴极透镜根据轴上电位分布情况电子透镜场空间的划分：物空间像空间透镜空间：电子轨迹在场的作用下连续改变。物空间和像空间：电位不变（等位空间）透镜空间电子透镜静电透镜磁透镜复合透镜第12页,共33页，2024年2月25日，星期天一、单透镜1.单透镜轴上电位分布：透镜两旁的电位为常数，且数值相等。类似于单个光学会聚透镜2.单透镜的电极结构：由三个电极组成，两边电极电位相同第13页,共33页，2024年2月25日，星期天3.单透镜的聚焦特性：（1）会聚作用占优势速度大速度大速度小发散会聚发散第14页,共33页，2024年2月25日，星期天单透镜是会聚透镜。（2）会聚作用占优势速度小速度小速度大会聚发散会聚第15页,共33页，2024年2月25日，星期天二、浸没透镜1.浸没透镜轴上电位分布：透镜两旁电位为常数但数值不同类似于光学中浸没透镜2.浸没透镜的电极结构：两个（或两个以上）同轴圆筒（或膜片）组成第16页,共33页，2024年2月25日，星期天3.浸没透镜聚焦特性分析：（1）会聚作用占优势速度小速度大会聚发散第17页,共33页，2024年2月25日，星期天（2）浸没透镜是会聚透镜浸没透镜对电子束不仅起聚焦作用，还可以起加速或减速作用。会聚作用占优势速度大速度小发散会聚第18页,共33页，2024年2月25日，星期天三、膜孔透镜1.膜孔透镜轴上电位分布：2.浸没透镜的电极结构：将一个带孔的膜片插入平板电容器中间透镜两旁电位不是常数，随变化第19页,共33页，2024年2月25日，星期天3.膜孔透镜聚焦特性分析：会聚透镜（1）发散透镜（2）浸没透镜可以是会聚的，也可以是发散的第20页,共33页，2024年2月25日，星期天四、阴极透镜（浸没物镜）1.阴极透镜轴上电位分布：透镜场为加速电场，阴极浸没场中透镜在阴极表面建立加速电场，电子一离开阴极就受到场的作用。透镜的加速电场直接和物毗连（一般以阴极作为物），即物浸没在透镜电场内。第21页,共33页，2024年2月25日，星期天2.阴极透镜的电极结构一般由阴极、调制极膜片、阳极膜片组成阴极：发射电子调制极：控制电子发射可正可负（一般为负）阳极：加速电子第22页,共33页，2024年2月25日，星期天3.阴极透镜聚焦特性分析：大部分区域，阴极透镜为会聚透镜第23页,共33页，2024年2月25日，星期天§5.6电子枪简介电子枪：由多个电子透镜组成的电子光学系统。用来产生可控并具有一定电流密度、一定形状、往一定方向投射的聚焦电子束。一、电子枪的功能要求1.

将阴极发射的电子流聚成细束，投射至荧光屏上形成足够小的光点；2.

电子束应举有足够的电流，足够高的速度，从而在屏上得到足够的亮度；3.

束电流应能被方便地控制，从而方便地改变屏上光点的亮度。强流电子枪（束电流几十毫安～几安）细束电子枪（束电流1～500微安）电子枪第24页,共33页，2024年2月25日，星期天二、电子枪的结构与分类：第一透镜（发射系统，预透镜）第二透镜（主聚焦系统，主透镜）结构第25页,共33页，2024年2月25日，星期天1.第一透镜（发射系统）发射电子并初步聚焦。四电极结构预聚焦透镜—弱会聚透镜，改善边缘分辨力，提高像质。三电极结构阳极—使电子获得动能调制极—控制电子束电流密度阴极—电子发射源（阴极透镜）第26页,共33页，2024年2月25日，星期天2.第二透镜（主聚焦系统，主透镜）将发射系统出射的电子束聚焦成像型：磁聚焦，磁偏转型：静电聚焦，静电偏转型：磁聚焦，静电偏转型：静电聚焦，磁偏转第27页,共33页，2024年2月25日，星期天三、电子枪工作原理不能控制电流，阴极电流饱和截止状态阴极电流可控第28页,共33页，2024年2月25日，星期天第29页,共33页，2024年2月25日，星期天第30页,共33页，2024年2月25日，星期天Anelectrongun(alsocalledelectronemitter)isanelectricalcomponentthatproducesanelectronbeamthathasaprecisekineticenergyandismostoftenusedintelevisionsandmonitorswhichusecathoderaytubetechnology,aswellasinotherinstruments,suchaselectronmicroscopesandparticleaccelerators.Electrongunsmaybeclassifiedinseveralways:bythetypeofelectricfieldgeneration,byemissionmechanism(thermionic,photocathode,coldemission,plasmasource),byfocusing(pureelectrostaticorwithmagneticfields),orbythenumberofelectrodes.Electrongun第31页,共33页，2024年2月25日，星期天Mostcolorcathoderaytubes—suchasthoseusedincolortelevisions—incorporatethreeelectronguns,eachoneproducingadifferentstreamofelectrons.Eachstreamtravelsthroughashadowmaskwheretheelectronswillimpingeuponeitherared,greenorbluephosphortolight