付小寧版“光電檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)”第六章-第5節(jié)

1、2021-10-1916.5 、其他成像探測(cè)器其他成像探測(cè)器6.5.1 視像管視像管6.5.3 光電發(fā)射式攝像管光電發(fā)射式攝像管6.5.4 微光像增強(qiáng)器微光像增強(qiáng)器6.5.5 微光攝像微光攝像CCD器件器件6.5.2 硅靶攝像管硅靶攝像管2021-10-1926.5.1 6.5.1 光電導(dǎo)攝象管（視象管）光電導(dǎo)攝象管（視象管） 2021-10-193攝象管的基本結(jié)構(gòu)光電靶電子槍 靶面的光敏層可進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，它的軸向電阻小，橫向電阻大，有利于保持光電轉(zhuǎn)換形成的電量潛象，并在掃描周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)積分存儲(chǔ)。光電靶光電靶光窗信號(hào)極靶 燈絲、熱陰極、控制柵極、各加速電極和聚焦電極、靶網(wǎng)電極和管外的聚焦線圈、偏

2、轉(zhuǎn)線圈、校正線圈等，它的作用是產(chǎn)生熱電子，并使它聚焦成很細(xì)的電子射線，按著一定的軌跡掃描靶面。電子槍2021-10-1946.5.2 6.5.2 硅靶攝象管硅靶攝象管 硅靶結(jié)構(gòu)圖與硅靶攝象管簡(jiǎn)圖硅靶結(jié)構(gòu)圖與硅靶攝象管簡(jiǎn)圖 2021-10-195 每個(gè)P型島與N型襯底之間即形成一個(gè)PN結(jié)(光電二極管)。最后再在SiO2和P型島表面上蒸涂上一層電阻率適當(dāng)?shù)牟牧?，即成為硅靶?信號(hào)板信號(hào)板: :硅靶攝象管窗口玻璃內(nèi)表面涂有一層很薄的既可透光也可導(dǎo)電的金屬膜，在它上面接有引線可同負(fù)載相連。N型硅片 硅片朝著電子槍一邊的表面，先生成一層氧化層(SiO2)，接著利用光刻技術(shù)在SiO2上光刻成幾十萬(wàn)個(gè)小孔，

3、再通過(guò)摻雜使每個(gè)小孔都變成P-Si。許多個(gè)小的P-Si被SiO2隔離，稱為P型島硅靶硅靶2021-10-196硅靶的光電變換硅靶的光電變換信號(hào)板引線負(fù)載電阻 靶電源的正極電子槍的熱陰極接地，掃描電子束具有地的電位當(dāng)電子束掃描到每個(gè)P型島時(shí)，P型島的PN結(jié)即被反偏置反偏置，結(jié)電容被充電到靶電源電壓由于PN結(jié)有反向漏電流(暗電流)，在負(fù)載電阻上要產(chǎn)生少量的電壓降，靶的兩邊成象面(信號(hào)板一邊的靶面)和掃描面(朝著電子槍一邊的靶面)之間的電壓，略低于靶電源電壓。無(wú)光照2021-10-197 如果光照是均勻的，靶的掃描面電位只是均勻地升高。如果光照不均勻，是一幅光學(xué)圖象，則掃描面上各P型島的電勢(shì)分布，將

4、正比于入射光學(xué)圖象的亮度分布，亮度高的點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)的P型島的電勢(shì)也高。 光進(jìn)入到每個(gè)PN結(jié)區(qū)將產(chǎn)生電子空穴對(duì)，它們被結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)分離以后，光生的電子通過(guò)信號(hào)板等外電路入地，光生的空穴則被積累于P型島上。有光照2021-10-198硅靶攝象管產(chǎn)生視頻信號(hào)的過(guò)程 掃描電子束按一定的制式去掃描靶面。例如先從左上角開始，從左向右掃，然后再一行挨著一行地從上向下掃，當(dāng)掃到最右下角時(shí)，再返回到左上角，接著掃下一幀。 相當(dāng)于用一條軟導(dǎo)線，按著一定的次序去接通每個(gè)P型島。當(dāng)電子束與每個(gè)P型島接觸時(shí)，靶上電子數(shù)的多少，正比于各P型島電勢(shì)的高低。2021-10-199輸出回路（靶-負(fù)載電阻-電源-熱陰極-靶）中即產(chǎn)生

5、與之對(duì)應(yīng)的電子流，在負(fù)載電阻上即得到與之對(duì)應(yīng)的視頻電壓信號(hào)。與此同時(shí)，被掃到的P型島，即被拉回到地的電位，為下一幀光積分作準(zhǔn)備。當(dāng)下一幀再掃到它時(shí)，它就可以把一個(gè)幀周期時(shí)間內(nèi)積累起的信息電荷，瞬時(shí)地放出來(lái)，就這樣反復(fù)下去，即可得到與光學(xué)圖象亮度分布相對(duì)應(yīng)的時(shí)序視頻信號(hào)。2021-10-1910碲化鋅鎘靶攝象管 由圖可見，窗口玻璃內(nèi)壁涂有一層SnO2薄膜為信號(hào)板，接著就是靶。靶有三層結(jié)構(gòu)，第一層為ZnSe，屬于N型半導(dǎo)體，厚50100nm。第二層為碲化鋅和碲化鎘的困溶體（ZnxCd1-xTe），屬于P型半導(dǎo)體，厚35m。2021-10-1911光電效應(yīng)主要發(fā)生在第二層，x值的大小對(duì)靈敏度、暗電流

6、和光譜特性都有較大的影響，x值小，靈敏度高，體內(nèi)暗電流增大，光譜特性的峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方面移動(dòng)。第三層是無(wú)定形三氧化二銻Sb2O3，厚100nm。第一層與第二層之間形成異質(zhì)結(jié)。第二層與第三層之間不形成結(jié)。第一層ZnSe無(wú)光電效應(yīng)，它的作用是增強(qiáng)對(duì)短波光的吸收，提高整個(gè)可見光區(qū)的靈敏度，另外它還可以阻止光生空穴向成象面一邊擴(kuò)散，有提高靈敏度，減小暗電流的作用。第三層的作用是減小掃描電子束的電子注入效應(yīng)（圖象上的浮雕現(xiàn)象），減小暗電流和惰 性。2021-10-19126.5.3 6.5.3 光電發(fā)射式攝象管光電發(fā)射式攝象管 二次電子導(dǎo)電攝象管（SEC） SEC管是60年代初出現(xiàn)的一種高靈敏度攝象管，

7、適于微光攝象。SEC管的基本結(jié)構(gòu)分三部分：光電陰極，靶和電子槍。光電陰極和靶合在一起統(tǒng)稱為移象區(qū)。2021-10-1913 SEC管的工作原理是：光學(xué)圖象投射到光電陰極上，產(chǎn)生相應(yīng)的光電子發(fā)射，在加速電場(chǎng)和聚焦線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)共同作用下，使它打到SEC靶上，產(chǎn)生二次電子發(fā)射。于是在靶的掃描面即形成與之對(duì)應(yīng)的電勢(shì)起伏，從而使光電陰極上的光學(xué)圖象轉(zhuǎn)移到SEC靶，變?yōu)榘袙呙杳嫔系碾妱?shì)分布圖象。靶的二次電子發(fā)射系數(shù)越大，移象后靶上的電勢(shì)起伏也就越大。以后，視頻信號(hào)的輸出過(guò)程，就與光電導(dǎo)式攝象管完全相同了。2021-10-1914硅增強(qiáng)靶攝象管（SIT） SIT管的結(jié)構(gòu)和SEC管類似，只是靶不同。SIT

8、管中的靶和硅靶攝象管中的靶基本相同。 從光電陰極發(fā)射出來(lái)的電子，在高的電壓作用下去轟擊硅靶，使靶內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。經(jīng)理論計(jì)算，每個(gè)入射的光電子能量為3.43.5eV時(shí)，可產(chǎn)生1個(gè)電子空穴對(duì)。如果移象區(qū)的電壓為10kV，則每個(gè)入射光電子可產(chǎn)生28002900個(gè)電子空穴對(duì)。但由于表面和體內(nèi)的復(fù)合和收集率等原因，實(shí)際的電子增益約為2000倍。通過(guò)改變移象區(qū)的加速電壓可改變靶的電子增益。 2021-10-1915氧化鉛靶攝象管 PbO靶攝象管的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程都與硅靶管類似，所不同的是，它的靶是由PbO材料制成的。 PbO靶結(jié)構(gòu)及能帶圖靶結(jié)構(gòu)及能帶圖 2021-10-1916工作時(shí)，信號(hào)板通過(guò)負(fù)載和靶電

9、源的正極相接，電子槍的熱陰極接地，當(dāng)掃描電子束掃描靶面時(shí)，相當(dāng)于對(duì)PIN進(jìn)行反偏置。窗口玻璃內(nèi)壁是一層金屬膜作為信號(hào)板，接著就是PbO靶靶的成象面一邊為N-PbO，掃描面一邊為P-PbO，兩者之間夾著一層(相對(duì))很厚的本征氧化鉛I-PbO，因而具有PIN結(jié)構(gòu)。靶電源電壓約45V左右。PbO靶也有光信息的存儲(chǔ)功能，它的軸向電阻較小，橫向電阻很大，掃描面上的電勢(shì)起伏可保持較長(zhǎng)時(shí)間不變。 2021-10-19176.5.4 微光像增強(qiáng)器微光像增強(qiáng)器 在軍事領(lǐng)域，微光成像技術(shù)有廣泛的應(yīng)用。微光光電成像系統(tǒng)的工作條件就是環(huán)境照度低于 （滿月在天頂時(shí)的地面照度大約是 ）。微光光電成像系統(tǒng)的核心是微光像增強(qiáng)器件。 20世紀(jì)60年代歐美國(guó)家開始研制增像管，至今已經(jīng)經(jīng)歷了三代，一代管以三級(jí)級(jí)聯(lián)增強(qiáng)技術(shù)為 特征，增益高達(dá)幾萬(wàn)倍，但體積大，重量重；二代管以微通道板（MCP）增強(qiáng)技術(shù)為特征，體積小，重量輕，但夜視距離無(wú)明顯突破；三代管則采用了負(fù)電子親和勢(shì)（NEA）GaAs光電陰極，使夜視距離提高1.52倍以上。 三代管的商品水平為：光靈敏度為 ，輻射靈敏度（ ） 為 ，亮度增益為 ，分辨率為 。三代管具有高度靈敏度、高分辨率、寬光譜響應(yīng)、高傳遞函數(shù)和長(zhǎng)壽等