第7章真空成像器件

1、第七章 真空成像器件 真空成象器件根據(jù)管內(nèi)有無掃描機(jī)構(gòu)粗略地分真空成象器件根據(jù)管內(nèi)有無掃描機(jī)構(gòu)粗略地分 為為象管和攝象管象管和攝象管。 象管的主要功能是能把象管的主要功能是能把不可見光不可見光( (紅外或紫外紅外或紫外) ) 圖象或圖象或微弱光圖象微弱光圖象通過電子光學(xué)透鏡直接轉(zhuǎn)換成通過電子光學(xué)透鏡直接轉(zhuǎn)換成 可見光圖象?？梢姽鈭D象。 攝象管是一種把攝象管是一種把可見光或不可見光可見光或不可見光( (紅外、紫紅外、紫 外或外或x x射線等射線等) )圖象通過圖象通過電子束掃描電子束掃描后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)后轉(zhuǎn)換成相應(yīng) 的電信號，通過顯示器件再成象的光電成象器件。的電信號，通過顯示器件再成象的光電成象器

2、件。 71變象管和象增強(qiáng)器 變象管相象增強(qiáng)器統(tǒng)稱為象管，部具有光變象管相象增強(qiáng)器統(tǒng)稱為象管，部具有光 譜變換和圖象增強(qiáng)的功能。譜變換和圖象增強(qiáng)的功能。 一、像管的結(jié)構(gòu)和工作原理一、像管的結(jié)構(gòu)和工作原理 1 1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu) 2 2、工作原理、工作原理 光電陰極使不可見的亮度很低的輻射象光電陰極使不可見的亮度很低的輻射象 轉(zhuǎn)換成電子圖象，通過熒光屏將電子圖象轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成電子圖象，通過熒光屏將電子圖象轉(zhuǎn)換成 可見光學(xué)圖象。電子光學(xué)系統(tǒng)對電子施加很強(qiáng)電可見光學(xué)圖象。電子光學(xué)系統(tǒng)對電子施加很強(qiáng)電 場，使電子獲得能量，高速轟擊熒光屏，使熒光場，使電子獲得能量，高速轟擊熒光屏，使熒光 屏發(fā)射出強(qiáng)得多的光能。

3、利用電子透鏡能使電子屏發(fā)射出強(qiáng)得多的光能。利用電子透鏡能使電子 成象的原理將光電陰極發(fā)出的電子圖象呈現(xiàn)在熒成象的原理將光電陰極發(fā)出的電子圖象呈現(xiàn)在熒 光屏上。光屏上。 像管的基本結(jié)構(gòu)有三部分組成：像管的基本結(jié)構(gòu)有三部分組成：光電陰極、電子光光電陰極、電子光 學(xué)系統(tǒng)和熒光屏。學(xué)系統(tǒng)和熒光屏。 （1 1）光電陰極）光電陰極 目前最常用的紅外和可見光電陰極有： Ag-O-Cs，用于可見光和紅外波段。 Sb-Cs，光電陰極的光譜響應(yīng)主要在可見光區(qū)。 Sb-K-Na-Cs，光電陰極峰值和長波閾均向長波移動 負(fù)電子親和勢光電陰極：具有更長的長波閾和更高 的紅光響應(yīng)。 像管中常用的光電陰極是透射式的。上述陰

4、極已在 第二章有所論述。 （2）電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng) 像管中電子光學(xué)系統(tǒng)的任務(wù)有兩個：像管中電子光學(xué)系統(tǒng)的任務(wù)有兩個： 加速光電子；使光電子成像在像面上。加速光電子；使光電子成像在像面上。 把能使電子流聚焦成像的電子光學(xué)系統(tǒng)稱把能使電子流聚焦成像的電子光學(xué)系統(tǒng)稱 為電子透鏡。電子透鏡可分為為電子透鏡。電子透鏡可分為靜電透鏡靜電透鏡和和 磁透鏡兩類磁透鏡兩類。 靜電透鏡即靜電電子光學(xué)系統(tǒng)，靠靜電靜電透鏡即靜電電子光學(xué)系統(tǒng)，靠靜電 場來使光電子加速，聚焦成像。這種又分為場來使光電子加速，聚焦成像。這種又分為 非聚焦型和聚焦型兩種。非聚焦型和聚焦型兩種。 磁透鏡即電磁復(fù)合系統(tǒng)，靠靜電場的加磁透鏡

5、即電磁復(fù)合系統(tǒng)，靠靜電場的加 速和磁場來完成聚焦成像。速和磁場來完成聚焦成像。 A、非聚焦型、非聚焦型 非聚焦型電子光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的象管比較簡單，非聚焦型電子光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的象管比較簡單， 它由兩個子行電極它由兩個子行電極( (光電陰極和熒光屏光電陰極和熒光屏) )構(gòu)成，因構(gòu)成，因 兩電極距離很近，所以非聚焦型象管又稱近貼式兩電極距離很近，所以非聚焦型象管又稱近貼式 象管。象管。 工作時(shí)極間加上高電壓，形成縱向均勻電場。工作時(shí)極間加上高電壓，形成縱向均勻電場。 均勻電場對光電子只有加速投射作用，沒有聚焦均勻電場對光電子只有加速投射作用，沒有聚焦 成象作用，所以從光電陰極同一點(diǎn)發(fā)出的不同韌成象作用，

6、所以從光電陰極同一點(diǎn)發(fā)出的不同韌 速的光電子，不能在熒光屏上會聚成一個象點(diǎn)，速的光電子，不能在熒光屏上會聚成一個象點(diǎn)， 而是一個彌散固斑，因此，近貼式象管的分辨率而是一個彌散固斑，因此，近貼式象管的分辨率 較低。較低。 B B、聚焦型、聚焦型 在靜電聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)中，兩個電在靜電聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)中，兩個電 極分別與光電陰極和熒光屏連接，因電極極分別與光電陰極和熒光屏連接，因電極 形狀不同，有形狀不同，有雙圓筒電極系統(tǒng)雙圓筒電極系統(tǒng)和和雙球面電雙球面電 極系統(tǒng)極系統(tǒng)。作為陽極，帶有小孔光欄讓電子。作為陽極，帶有小孔光欄讓電子 通過，工作時(shí)陰極接零電位；陽極加直流通過，工作時(shí)陰極接零電位；陽極加

7、直流 高壓，此時(shí)在兩電極之間就形成軸對稱靜高壓，此時(shí)在兩電極之間就形成軸對稱靜 電場。電場。 C、復(fù)合聚焦電子光學(xué)系統(tǒng) 復(fù)合聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)是由磁場聚焦和電 場加速共同完成電子透鏡成象作用的。 （3）熒光屏 熒光屏的作用是將電子動能轉(zhuǎn)換成光能。 對熒光屏的要求是不僅應(yīng)具有高的轉(zhuǎn)換 效率，而且屏的發(fā)射光譜要同人眼或與 之耦合的下級光電陰極的響應(yīng)一致。 二、特性參數(shù)二、特性參數(shù) 1 1、像管的光譜響應(yīng)特性和光譜匹配、像管的光譜響應(yīng)特性和光譜匹配 像管的光譜響應(yīng)特性實(shí)際上就是第一光 電陰極的光譜響應(yīng)特性，研究像管的光譜響 應(yīng)特性有兩大作用：決定光電陰極光電流； 提供目標(biāo)與背景之間的光電子圖像的對比。

8、 光譜匹配是指在象管的光譜響應(yīng)范圍內(nèi)光 源與光電陰極、光電陰極與熒光屏以及熒光 屏與人眼視覺函數(shù)之間的光譜分布匹配 2 2、像管的增益特性、像管的增益特性 亮度增益定義為：熒光屏的光出射度亮度增益定義為：熒光屏的光出射度BkBk與與 陰極入射照度陰極入射照度EkEk之比的之比的 倍，倍， 2 6 1 10, M VSG E B G akB k a B 若為單級相管， 由此可知線性放大倍數(shù)由此可知線性放大倍數(shù)M M對對G GB B影響較大，當(dāng)影響較大，當(dāng)M M減小減小 時(shí)，時(shí)，G GB B增大，但增大，但M M不能過小，因?yàn)闊晒馄辽系膱D不能過小，因?yàn)闊晒馄辽系膱D 像太小時(shí)，會導(dǎo)致圖像分辨率下降。

9、提高像太小時(shí)，會導(dǎo)致圖像分辨率下降。提高G GB B的關(guān)的關(guān) 鍵因素還是加大加速電壓，但不能加的太高。鍵因素還是加大加速電壓，但不能加的太高。 3 3、等效背景照度、等效背景照度 把象管置于完全黑暗的環(huán)境中，當(dāng)加上 工作電壓后，熒光屏上仍然會發(fā)出一定亮 度的光這種無光照射時(shí)熒光屏的發(fā)光稱為 象管的暗背景，由于暗背景的存在，使圖 象的對比度下降甚至使微弱光圖象淹沒在 背景中而不能辨別。 4 4、分辨率、分辨率 所謂分辨率是指當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)測試板通過象管 后，在熒光屏的每毫米長度上用目測法能 分辨得開的黑白相間等寬距條紋的對數(shù) (即“空間頻率”數(shù))，單位是每毫米線對 數(shù)(IpmM)。 三、常用變像管 1、

10、紅外變像管 光電陰極采用銀氧銫材料的象管一般 稱為紅外變象管，它是能將不可見的近 紅外輻射圖象轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽鈭D象的光電 成象器件。 這兩種形式的變象管均由于采用銀氧鉑光電陰 極，其熱發(fā)射系數(shù)大，量子效率低，所以工作 時(shí)要另加紅外光源另加紅外光源。但由于制造容易，成本低 廉，在紅外夜視儀器中仍廣泛應(yīng)用。 2、選通式變象管 其只是在光電陰極和陽極之間增加了一對 帶孔闌的金屬電極稱為控制柵，只要改 變控制柵的電壓。只要改變控制柵極的 電壓就可以控制冠電子發(fā)射。 四、常用像增強(qiáng)器四、常用像增強(qiáng)器 n1、級聯(lián)式象增強(qiáng)器 n由幾個分立的單級象增強(qiáng)器組合而成為 了增強(qiáng)圖像的亮度，必須注意熒光屏和 后級光電陰極

11、的光譜匹配，即熒光屏發(fā) 射的光譜峰值與光電陰極的峰值波長相 接近，而最后一級熒光屏的發(fā)射光譜特 性與人眼的明視覺光譜光視效率曲線一 致。 n 微通道板象增強(qiáng)器 n微通道板象增強(qiáng)器是利用微通道的二次電 子倍增原理實(shí)現(xiàn)單級高增益圖象增強(qiáng)，它 屬于第二代象增強(qiáng)器。 n 微通道板象增強(qiáng)器主要有兩種形式：雙近 貼式和倒象式。 對雙近貼式結(jié)構(gòu)象增強(qiáng)器，其光電陰極、微對雙近貼式結(jié)構(gòu)象增強(qiáng)器，其光電陰極、微 通道板、熒光屏三者相互靠得很近，故稱通道板、熒光屏三者相互靠得很近，故稱 雙近貼，光電陰極發(fā)射的光電子在電場作雙近貼，光電陰極發(fā)射的光電子在電場作 用下，打到微通道板輸入端，經(jīng)用下，打到微通道板輸入端，經(jīng)

12、MCPMCP電子倍電子倍 增和加速后，打到熒光屏上輸出圖象。增和加速后，打到熒光屏上輸出圖象。 這種管子體積小、重量輕、使用方便，但這種管子體積小、重量輕、使用方便，但 象質(zhì)和分辨率較差。象質(zhì)和分辨率較差。 倒象式結(jié)構(gòu)：在管內(nèi)熒光屏前插入微通道板， 微通道板的輸出端與熒光屏之間仍采用近貼聚焦。 其原理是：由光纖面板上的光電陰極發(fā)射電子 圖象，經(jīng)靜電透鏡聚焦在微通道板上，微通道板 將電子圖象倍增后，在均勻電場作用下直接投射 到熒光屏上，因?yàn)樵跓晒馄辽纤傻南笙鄬τ诠?電陰極來說是倒象，故也稱為倒象管。 它具有較高的分辨率和象質(zhì)。若改變微通 道板兩端電壓即可改變其增益，此種管 子還具有自動防強(qiáng)光的

13、優(yōu)點(diǎn)。 3 3負(fù)電子親和勢負(fù)電子親和勢(NEA)(NEA)光電陰極和第三代象增強(qiáng)器光電陰極和第三代象增強(qiáng)器 這種陰極不僅在可見光范圍有較高的靈敏度，這種陰極不僅在可見光范圍有較高的靈敏度， 而且在近紅外區(qū)也有比銀氧艷光電陰極高的量子而且在近紅外區(qū)也有比銀氧艷光電陰極高的量子 效率。第二代象增強(qiáng)器的微通道板結(jié)構(gòu)配以這種效率。第二代象增強(qiáng)器的微通道板結(jié)構(gòu)配以這種 負(fù)電子親和勢光電陰極，這樣就構(gòu)成了第三代象負(fù)電子親和勢光電陰極，這樣就構(gòu)成了第三代象 增強(qiáng)器，這種象增強(qiáng)器能同時(shí)起到光譜變換和微增強(qiáng)器，這種象增強(qiáng)器能同時(shí)起到光譜變換和微 光增強(qiáng)的作用，因此可做到一機(jī)二用。光增強(qiáng)的作用，因此可做到一機(jī)二用

14、。 4 4x x射線象增強(qiáng)器射線象增強(qiáng)器 x x射線象增強(qiáng)器的作用是將不可見的射線象增強(qiáng)器的作用是將不可見的X X射線圖射線圖 象轉(zhuǎn)換成可見光圖象，并校圖象亮度增強(qiáng)。象轉(zhuǎn)換成可見光圖象，并校圖象亮度增強(qiáng)。 它是由：輸入熒光屏、光電陰極、電子光學(xué)系它是由：輸入熒光屏、光電陰極、電子光學(xué)系 統(tǒng)和輸出熒光屏組成，統(tǒng)和輸出熒光屏組成， 原理是原理是: : x x射線通過被檢體時(shí)，由于各部分射線通過被檢體時(shí)，由于各部分 對對x x射線的吸收不同，在輸入熒光屏上形射線的吸收不同，在輸入熒光屏上形 成被檢體的成被檢體的x x射線圖象，經(jīng)熒光屏轉(zhuǎn)換成射線圖象，經(jīng)熒光屏轉(zhuǎn)換成 微弱的可見光圖象，微弱的可見光圖象

15、微弱的可見光圖象，微弱的可見光圖象 激發(fā)光電陰極產(chǎn)生相應(yīng)的電子圖象，光激發(fā)光電陰極產(chǎn)生相應(yīng)的電子圖象，光 電子被出光電陰極、聚焦極和陽極組成電子被出光電陰極、聚焦極和陽極組成 的靜電透鏡聚焦和加速，高能電子激發(fā)的靜電透鏡聚焦和加速，高能電子激發(fā) 輸出熒光屏面，使電子圖象轉(zhuǎn)換成尺寸輸出熒光屏面，使電子圖象轉(zhuǎn)換成尺寸 縮小而亮度增強(qiáng)的可見光圖象?？s小而亮度增強(qiáng)的可見光圖象。 隨著隨著x x射線象增強(qiáng)器的發(fā)展和改進(jìn)，人們把射線象增強(qiáng)器的發(fā)展和改進(jìn)，人們把 有隔離膜結(jié)構(gòu)有隔離膜結(jié)構(gòu)( (為避免銫化現(xiàn)象，在熒光屏和光電為避免銫化現(xiàn)象，在熒光屏和光電 陰極之間夾一層薄玻璃或用真空蒸鍍辦法制隔離陰極之間夾一層薄玻璃或用真空蒸鍍辦法制隔離 膜膜) )輸入屏的增強(qiáng)器稱為第一代輸入屏的增強(qiáng)器稱為第一代x x射線象增強(qiáng)器；射線象增強(qiáng)器； 把用把用CsICsI：NaNa蒸鍍層做輸入屏的增強(qiáng)器稱為蒸鍍層做輸入屏的增強(qiáng)器稱為 第二代第二代x x射線象增強(qiáng)器；射線象增強(qiáng)器； 第三代是指第三代是指McPMcP板板x