第五章光電成像器件

1、第五章第五章 光電成像器件光電成像器件5.1 5.1 像管定義分類及功能像管定義分類及功能5.2 5.2 像管的工作原理與結(jié)構(gòu)像管的工作原理與結(jié)構(gòu)5.3 5.3 像管的主要特性分析像管的主要特性分析5.4 5.4 變像管變像管5.5 5.5 像增強(qiáng)器像增強(qiáng)器5.6 5.6 攝像管攝像管5.1 像管的定義分類及功能像管的定義分類及功能不可見光圖像不可見光圖像微弱光圖像微弱光圖像可見光圖像可見光圖像1、概念、概念光電子成像器件光電子成像器件光電成像器件光電成像器件真空成像真空成像器件器件固體成像固體成像器件器件像管像管攝像管攝像管變像管變像管像增強(qiáng)器（微光管）像增強(qiáng)器（微光管）光電發(fā)射型攝像管光電

2、發(fā)射型攝像管光電導(dǎo)型攝像管光電導(dǎo)型攝像管（攝像管）（攝像管）（視像管）（視像管）2.分類：分類：變換光譜變換光譜增強(qiáng)亮度增強(qiáng)亮度光學(xué)成像光學(xué)成像3.功能：功能：5.2 像管的結(jié)構(gòu)與工作原理像管的結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：光電陰極（光電變換部分）光電陰極（光電變換部分）常用的有常用的有4 4種：種： Ag-O-CsAg-O-Cs光電陰極、光電陰極、 單堿和多堿光電陰極、單堿和多堿光電陰極、 各種紫外光電陰極、各種紫外光電陰極、 NEANEA光電陰極光電陰極不可見光圖像不可見光圖像微弱光圖像微弱光圖像電子圖像電子圖像電子圖像的能量電子圖像的能量電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng) （電子透鏡）（電子透鏡）增增

3、 強(qiáng)強(qiáng)聚焦成像聚焦成像非非聚聚焦焦型型聚聚焦焦型型復(fù)復(fù)合合型型熒光屏（電光變換部分）熒光屏（電光變換部分）能量增強(qiáng)的電子圖像能量增強(qiáng)的電子圖像可見光學(xué)圖像可見光學(xué)圖像5.3 像管主要特性分析像管主要特性分析1、光電轉(zhuǎn)換特性及參數(shù)、光電轉(zhuǎn)換特性及參數(shù)1.1光譜響應(yīng)特性光譜響應(yīng)特性像管的像管的光譜匹配光譜匹配：光電陰極、光電陰極、光電陰極與熒光屏、光電陰極與熒光屏、熒光屏與人眼視見函數(shù)熒光屏與人眼視見函數(shù)像管的光源像管的光源定義為：定義為： 光電陰極的光譜響應(yīng)率函數(shù)；光電陰極的光譜響應(yīng)率函數(shù)； 熒光屏的發(fā)光光譜分布。熒光屏的發(fā)光光譜分布。 總是小于總是小于1 1， 越大，說明匹配的越合理越大，說明

4、匹配的越合理ddS)()()(00)(S)(光譜匹配系數(shù)光譜匹配系數(shù)，用，用 表示。表示。常用光電陰極和光源的常用光電陰極和光源的值值0.4610.4610.0710.0710 00.2010.2010.7070.7070.6260.6260.2270.2270.01790.01790.9530.9530.7820.7820.8680.8680.1120.1120.8770.8770.5830.5830.7220.7220.060.060.9140.9140.4270.4270.6980.6980.5160.5160.2730.2730.2170.2170.3950.3950.2760.276

5、標(biāo)準(zhǔn)光源標(biāo)準(zhǔn)光源標(biāo)準(zhǔn)紅外光源標(biāo)準(zhǔn)紅外光源熒光屏熒光屏熒光屏熒光屏熒光屏熒光屏0 00.01770.01770.270.27標(biāo)準(zhǔn)紅外光源標(biāo)準(zhǔn)紅外光源0.270.270.540.540.370.37滿月光滿月光0.240.240.0450.0450.1340.1340.06470.0647晴朗星光晴朗星光暗綠色漆暗綠色漆反射的輻反射的輻射射0 00.05390.05390.2690.269標(biāo)準(zhǔn)紅外光源標(biāo)準(zhǔn)紅外光源0.0880.0880.270.270.130.13滿月光滿月光0.1590.1590.0080.0080.06310.06310.01480.0148晴朗星光晴朗星光綠色草木綠色草木反射

6、的輻反射的輻射射光適應(yīng)眼光適應(yīng)眼光陰極光陰極光源光源1S11S20S25SNEA1.2像管的增益特性像管的增益特性 像管像管輸出亮度的大小輸出亮度的大小, ,在入射照度一定時(shí)在入射照度一定時(shí), ,由亮度增益所決定。由亮度增益所決定。亮度增益亮度增益定義：定義：像管輸出亮度像管輸出亮度L與光電陰極面入射照度與光電陰極面入射照度E之比之比的的 倍倍 ，用，用GL表示表示EMELGL輻射亮度增益輻射亮度增益 輻射亮度增益用輻射亮度增益用 表示，其定義為表示，其定義為 LeGeeLeEMELG亮度增益與輻射亮度增益亮度增益與輻射亮度增益KGGLLeK：光源：光源光視效能光視效能421.3421.347

7、647614014059.259.25.455.4519.919.913013047.847.8熒光屏熒光屏熒光屏熒光屏熒光屏熒光屏滿月光下滿月光下的綠色草的綠色草木木晴星下的晴星下的綠色草木綠色草木標(biāo)準(zhǔn)紅外標(biāo)準(zhǔn)紅外光源下的光源下的綠色草木綠色草木標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)紅外紅外光源光源2856K2856K標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)光源光源光源光源光視效光視效能能2、光學(xué)特性、光學(xué)特性 定量描述定量描述圖像失真程度圖像失真程度的性能指標(biāo)。的性能指標(biāo)。反映像管成像質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。反映像管成像質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。定義：用熒光屏上每毫米所能分開的定義：用熒光屏上每毫米所能分開的黑白黑白線對(duì)數(shù)線對(duì)數(shù)的多少。的多少。單位為單位為lp

8、lpmmmm。2.1分辨率分辨率測(cè)試方法：測(cè)試方法：標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖案聚焦在光電陰極表面，用目視方標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖案聚焦在光電陰極表面，用目視方法觀察熒光屏上的圖像法觀察熒光屏上的圖像，然后確定該系統(tǒng)的分，然后確定該系統(tǒng)的分辨率大小。辨率大小。定義：定義：當(dāng)有一圓形輻射圖案投射在光電陰極表面上時(shí)，在熒當(dāng)有一圓形輻射圖案投射在光電陰極表面上時(shí)，在熒光屏上顯示的圖像光屏上顯示的圖像直徑直徑與輸入圖案與輸入圖案直徑直徑之比。用之比。用m表表示。示。csddm 習(xí)慣上常用光電陰極及熒光屏的習(xí)慣上常用光電陰極及熒光屏的有效有效面積面積來表示。來表示。2.2線放大率線放大率如果圖案剛好充滿光電陰極有效面積，輸出圖象也

9、如果圖案剛好充滿光電陰極有效面積，輸出圖象也剛好充滿熒光屏有效面積，則剛好充滿熒光屏有效面積，則cscsAAddm222csAAm 畸變的定義為畸變的定義為: : mc：中心放大率，：中心放大率，me：邊緣放大率。：邊緣放大率。 通常取光電陰極有效直徑的通常取光電陰極有效直徑的70%70%80%80%處的畸變值處的畸變值表示器件的特性。表示器件的特性。%)(1001 cemmmD2.3畸變畸變2.4光傳遞特性光傳遞特性輸出亮度輸出亮度隨隨入射照度入射照度的變化關(guān)系。的變化關(guān)系。當(dāng)入射照度過高時(shí)，輸出和輸入當(dāng)入射照度過高時(shí)，輸出和輸入不再保持線性關(guān)系。不再保持線性關(guān)系。輸出趨于飽和，原因：輸出趨

10、于飽和，原因：1.1.光電發(fā)射能力有限；光電發(fā)射能力有限；2.2.光電子空間電荷效應(yīng)；光電子空間電荷效應(yīng)；3.3.熒光屏發(fā)光能力有限。熒光屏發(fā)光能力有限。 2.5背景特性背景特性（1）暗背景）暗背景概念：概念：無光照時(shí)無光照時(shí), ,像管的輸出像管的輸出亮度。亮度。產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：光電陰極熱電子發(fā)射光電陰極熱電子發(fā)射局部場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生的電子發(fā)射局部場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生的電子發(fā)射正電極上的二次電子發(fā)射正電極上的二次電子發(fā)射措施：措施：降低陰極溫度降低陰極溫度減少電極污染減少電極污染暗背景度量：暗背景度量：可以用可以用等效背景照度等效背景照度來度量。來度量。當(dāng)像管受微弱光照時(shí)，在熒光屏上產(chǎn)生同暗背當(dāng)像管受微弱光照

11、時(shí)，在熒光屏上產(chǎn)生同暗背景相等的亮度時(shí)，光電陰極面上所需的輸入照景相等的亮度時(shí)，光電陰極面上所需的輸入照度值。度值。0eqLLEG暗背景亮暗背景亮度值度值（2） 信號(hào)感生背景信號(hào)感生背景概念：概念：因入射信號(hào)的影響而產(chǎn)生的背景。因入射信號(hào)的影響而產(chǎn)生的背景。產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：信號(hào)增強(qiáng)時(shí)，陰極透射光、管內(nèi)散射信號(hào)增強(qiáng)時(shí)，陰極透射光、管內(nèi)散射光、光反饋、電子反饋等的增強(qiáng)。光、光反饋、電子反饋等的增強(qiáng)。別處亮度別處亮度某處亮度某處亮度的變化的變化5.4 變像管變像管紅外輻射圖像紅外輻射圖像紫外輻射圖像紫外輻射圖像可見光圖像可見光圖像光譜變換光譜變換光學(xué)成像光學(xué)成像主要功能主要功能工作原理工作原理

12、紅外輻射圖像被光學(xué)物鏡成像后位于光電陰紅外輻射圖像被光學(xué)物鏡成像后位于光電陰極的極的前方前方，該，該輻射圖像輻射圖像相當(dāng)于對(duì)光電陰極有一輻相當(dāng)于對(duì)光電陰極有一輻射通量，光電陰極將其變成與其射通量，光電陰極將其變成與其亮度亮度成正比的電成正比的電子圖像，經(jīng)靜電聚焦后轟擊熒光屏，形成可見光子圖像，經(jīng)靜電聚焦后轟擊熒光屏，形成可見光圖像。圖像。紅外變像管紅外變像管特點(diǎn)特點(diǎn)光電陰極多為光電陰極多為Ag-O-CsAg-O-Cs陰極陰極；它可以使波長(zhǎng)小于它可以使波長(zhǎng)小于1.15m1.15m的紅外光變成光電的紅外光變成光電子。子。對(duì)于波長(zhǎng)大于對(duì)于波長(zhǎng)大于1.15m1.15m的紅外光，采用的紅外光，采用負(fù)電子

13、負(fù)電子親和勢(shì)陰極。親和勢(shì)陰極。將將光電陰極光電陰極及及熒光屏熒光屏連同光纖面板一起制成球面連同光纖面板一起制成球面型，使型，使聚焦面聚焦面與與熒光屏熒光屏重合，從而改善了像質(zhì)。重合，從而改善了像質(zhì)。熒光屏上的像借助于平凹形的光纖平板展開成平熒光屏上的像借助于平凹形的光纖平板展開成平面像。面像。光纖面板變像管光纖面板變像管5.5 像增強(qiáng)器像增強(qiáng)器功能：功能：增強(qiáng)微弱光圖像的亮度，使其便增強(qiáng)微弱光圖像的亮度，使其便于觀察。于觀察。但該微弱光圖像仍屬于可見光范但該微弱光圖像仍屬于可見光范圍，只是發(fā)光強(qiáng)度較弱。圍，只是發(fā)光強(qiáng)度較弱。增強(qiáng)亮度增強(qiáng)亮度光學(xué)成像光學(xué)成像主要功能主要功能第一代微光像增強(qiáng)器第一

14、代微光像增強(qiáng)器為了增強(qiáng)圖像的亮度，將完全相同的多個(gè)單級(jí)為了增強(qiáng)圖像的亮度，將完全相同的多個(gè)單級(jí)像增強(qiáng)器耦合起來，使亮度逐級(jí)增益。像增強(qiáng)器耦合起來，使亮度逐級(jí)增益。3 3級(jí)串級(jí)串聯(lián)的圖像增強(qiáng)管，亮度增益可達(dá)聯(lián)的圖像增強(qiáng)管，亮度增益可達(dá)10105 5。需要注意需要注意光譜匹配問題。光譜匹配問題。微通道板微通道板-MCP (Micro Channel Plate)MCP (Micro Channel Plate)是利用電是利用電子在通道內(nèi)的二次倍增來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)亮度的子在通道內(nèi)的二次倍增來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)亮度的, ,具有傳輸、具有傳輸、增強(qiáng)電子圖像功能的電子倍增器增強(qiáng)電子圖像功能的電子倍增器 。第二代微光像增強(qiáng)

15、器第二代微光像增強(qiáng)器 微通道板像增強(qiáng)器微通道板像增強(qiáng)器特性特性當(dāng)光電面發(fā)射的電子進(jìn)入當(dāng)光電面發(fā)射的電子進(jìn)入MCP后后 ，MCP兩端加上高兩端加上高的直流電壓的直流電壓（約數(shù)千伏）后，在每個(gè)微管道內(nèi)即形（約數(shù)千伏）后，在每個(gè)微管道內(nèi)即形成極強(qiáng)的電場(chǎng)。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下經(jīng)過和管壁的多次成極強(qiáng)的電場(chǎng)。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下經(jīng)過和管壁的多次碰撞，而得到電子倍增。碰撞，而得到電子倍增。 一般直流電壓為一般直流電壓為10kV的微的微通道板，可得到通道板，可得到105106的電子增益。的電子增益。工作原理工作原理 體積小，重量輕，整管長(zhǎng)度和重量約為一代體積小，重量輕，整管長(zhǎng)度和重量約為一代級(jí)聯(lián)管的二分之一；級(jí)聯(lián)管的二分

16、之一； (2)亮度便于調(diào)節(jié)；亮度便于調(diào)節(jié)； (3) 減少了熒光屏的光反饋；減少了熒光屏的光反饋； (4)整管電壓較低整管電壓較低微通道板像增強(qiáng)器的優(yōu)缺點(diǎn)微通道板像增強(qiáng)器的優(yōu)缺點(diǎn)其突出的是：其突出的是：噪聲大，主要是的附加噪聲；噪聲大，主要是的附加噪聲；圖像不夠均勻；圖像不夠均勻；工藝難度大，主要是的制作以及后續(xù)工序工藝難度大，主要是的制作以及后續(xù)工序?qū)?duì)MCP有影響。有影響。缺點(diǎn)缺點(diǎn)第三代像增強(qiáng)器第三代像增強(qiáng)器第二代象增強(qiáng)器的微通道板結(jié)構(gòu)配以第二代象增強(qiáng)器的微通道板結(jié)構(gòu)配以負(fù)電子親負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極和勢(shì)光電陰極，構(gòu)成第三代像增強(qiáng)器。，構(gòu)成第三代像增強(qiáng)器。第三代像管具有高增益、低噪聲、較高的圖

17、像第三代像管具有高增益、低噪聲、較高的圖像分辨力的優(yōu)點(diǎn)，成為目前性能最優(yōu)越的直視型分辨力的優(yōu)點(diǎn)，成為目前性能最優(yōu)越的直視型光電成像器件。光電成像器件。WGS15-1 型手持微光夜視儀型手持微光夜視儀WGS15-1 型手持微光夜視儀型手持微光夜視儀 主要特點(diǎn)：該夜視儀是以微光像增強(qiáng)器為核心攜帶方便的一代手持微光夜視儀，該夜視儀配有IR助視燈，視場(chǎng)大、體積小、重量輕、使用方便。 用途：用于夜間和低照度下進(jìn)行觀察。在公安偵破、邊防守衛(wèi)、海關(guān)及科學(xué)研究等方面均可廣泛運(yùn)用。 主要性能： 物鏡孔徑： 48毫米 放大倍率： 1.8倍 物方視場(chǎng)： 17 調(diào)焦范圍： 5米無窮遠(yuǎn) 視度范圍： 5屈光度 出瞳直徑：

18、 7毫米 分辨力： 2.8毫弧度 工作電壓： 3伏直流（采用標(biāo)準(zhǔn)5號(hào)電池） 像增強(qiáng)器： 一代像增強(qiáng)器（XX1490） 尺寸： 192（L）66（W）88（H） 質(zhì)量： 0.7公斤 WGS40-1型雙目觀察夜視儀型雙目觀察夜視儀 主要特點(diǎn)：該夜視儀可手持、或配置三角架使用，選用高性能二代像增強(qiáng)器，體積小、重量輕、性能優(yōu)良。 適用范圍：主要適合于軍事、準(zhǔn)軍事部門遠(yuǎn)距離偵察、跟蹤、監(jiān)視，還可粗略測(cè)距。 主要性能： 放大倍率： 1倍 物方視場(chǎng)： 38 調(diào)焦范圍： 250mm無窮遠(yuǎn) 分辨力： 0.9毫弧度 視度范圍： -5+2屈光度 出瞳直徑： 7毫米 工作電壓： 3伏直流（采用標(biāo)準(zhǔn)5號(hào)電池） 像增強(qiáng)器

19、： 高性能二代像增強(qiáng)器（1XZ18/18WHS-2） 5.6 攝像管攝像管 攝像管攝像管是電視攝像機(jī)中將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種電真空器件電真空器件，是整個(gè)電視發(fā)送系整個(gè)電視發(fā)送系統(tǒng)中的第一個(gè)部件。統(tǒng)中的第一個(gè)部件。攝像管性能的優(yōu)劣，對(duì)整個(gè)電視系統(tǒng)的質(zhì)量關(guān)系極大。 攝像管的基本任務(wù)基本任務(wù)是把輸入的光學(xué)圖像信息轉(zhuǎn)換成適合于處理和傳遞的時(shí)間序列的一維電信號(hào)。而視頻信號(hào)能再現(xiàn)入射的光圖像信號(hào)。2、分類1、組成與作用3、光電發(fā)射型攝像管的應(yīng)用3、4、光電導(dǎo)型攝像管的應(yīng)用一、攝像管的分類一、攝像管的分類1、按電荷積累方式分類 光電導(dǎo)型：內(nèi)光電變換型，內(nèi)光電變換型，沒有移像部分，視像管視像管 光電發(fā)射

20、型：外光電變換型，外光電變換型，有移像部分二、攝像管的基本組成和作用 寫入、存貯：寫入、存貯：輸入的光學(xué)圖像照射在靶面上輸入的光學(xué)圖像照射在靶面上產(chǎn)生電荷產(chǎn)生電荷(電位電位)圖像并存儲(chǔ)；圖像并存儲(chǔ)； 閱讀閱讀、抹除：抹除：掃描電子束從靶面上取出視頻掃描電子束從靶面上取出視頻信號(hào)。信號(hào)。 a)光電導(dǎo)式攝像管 b)光電發(fā)射式攝像管三、光電導(dǎo)式攝像管（視像管）三、光電導(dǎo)式攝像管（視像管）完成光電變換與信號(hào)存儲(chǔ)視頻信號(hào)輸出2、分類靶面結(jié)構(gòu)無結(jié)型：結(jié)型：3、光窗：玻璃窗口3.1組成信號(hào)板：光刻產(chǎn)生 電阻海3.2工作原理工作時(shí)，信號(hào)板通過引線、負(fù)載電阻與靶電源的正極相連。熱陰極接地。PN電子束逐行掃描軌跡

21、（3）掃描方式）掃描方式逐行掃描與隔行掃描（a）奇數(shù)場(chǎng)（b）偶數(shù)場(chǎng)隔行掃描的一幀電子束軌跡隔行掃描重現(xiàn)圖像示意圖 4、光電導(dǎo)型攝像管的應(yīng)用1、組成與作用由移像區(qū)與掃描區(qū)組成，適于光電陰極：靶：掃描區(qū)（電子槍）：視頻信號(hào)輸出光窗2、二次電子導(dǎo)電攝像管（、二次電子導(dǎo)電攝像管（SEC）2.1結(jié)構(gòu)2.2工作原理（1）光電變換 光學(xué)圖像投射到光電陰極上，產(chǎn)生相應(yīng)的光電子發(fā)射，在電子光學(xué)系統(tǒng)的加速聚焦作用下，使它打到SEC靶上，產(chǎn)生二次電子發(fā)射。（2）電子圖像存儲(chǔ) 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)圖像轉(zhuǎn)移到SEC靶，變?yōu)榘袙呙杳嫔系碾妱?shì)分布圖像。靶的二次電子發(fā)射系數(shù)越大，移像后

22、靶上的電勢(shì)起伏也就越大。（3）視頻信號(hào)輸出（4）總結(jié)3、光電發(fā)射型攝像管的應(yīng)用)lx/A(EIR一、攝像管的靈敏度一、攝像管的靈敏度定義：輸出信號(hào)電流與輸入光通量定義：輸出信號(hào)電流與輸入光通量(或照度或照度)的的比值。其單位為比值。其單位為 Alm或或 A1x。)lm/A(IR二、光電特性 Is kEIs灰度等級(jí)：按照一定標(biāo)準(zhǔn)劃分的亮度等級(jí)。表明亮度的明暗程度。也稱色階或灰階。三、分辨率三、分辨率 攝像管的分辨率是指攝象管對(duì)于光學(xué)圖像細(xì)節(jié)的鑒別能力。有兩種表達(dá)方式，即極限分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)。1、極限分辨率定義用每毫米所能分辯的最多黑白條線對(duì)數(shù)表示（lp/mm) 在接收?qǐng)D像的高度、寬度范圍內(nèi)所能分辯的等寬黑白條數(shù)表示攝像管習(xí)慣用每幀多少電視行（TVL)表示分辨率分水平分辨率與垂直分辨率 h