光電檢測(cè)技術(shù)與光纖基礎(chǔ)課件：第六章 真空成像器件

1、1第六章 真空成像器件光電成像器件真空成像器件固體成像器件像管變像管像增強(qiáng)管攝像管光電發(fā)射型像管（攝像管）光電導(dǎo)型像管（視像管） 無(wú)存儲(chǔ)（無(wú)電頻信號(hào)輸出） 直視不可見(jiàn)光可見(jiàn)光弱光強(qiáng)光 有存儲(chǔ)（電頻信號(hào)輸出） 非直視26.1 像管變像管：能夠把不可見(jiàn)光的圖像變?yōu)榭梢?jiàn)光的圖像圖像增強(qiáng)管：把亮度很低的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)楦吡炼鹊膱D像6.1.1 像管結(jié)構(gòu)和工作原理31. 光電陰極使不可見(jiàn)光圖像或亮度很低的光圖像轉(zhuǎn)化為電子圖像常用的光電陰極有：銀氧銫光電陰極、單堿或多堿光電陰極、各種紫外光電陰極、及負(fù)電子親合勢(shì)光電陰極2. 電子光學(xué)系統(tǒng)（1）靜電系統(tǒng)非聚焦型（近貼式像管）：光電陰極螢光面分辨率低電子光學(xué)系統(tǒng)對(duì)

2、電子施加很強(qiáng)電場(chǎng)，使電子獲得能量，因而能將光電陰極發(fā)出的電子束加速并聚焦成像在熒光屏上；從而實(shí)現(xiàn)圖像亮度的增強(qiáng)，使熒光屏發(fā)射出強(qiáng)得多的光能。4聚焦型：5（2）復(fù)合聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)（電磁聚焦系統(tǒng)） 電磁聚焦型像管中電子的運(yùn)動(dòng)線圈設(shè)渡越時(shí)間為:t電子運(yùn)動(dòng)一圈的時(shí)間為： Tt=nT63. 熒光屏在高速電子的轟擊下將電子圖像轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光圖像76.1.2 像管的特性參數(shù)1.光譜響應(yīng)特性和光譜匹配光譜響應(yīng)特性：由光電陰極決定光譜匹配：光源與光電陰極; 熒光屏與人眼視覺(jué)函數(shù)2. 增益特性圖像增強(qiáng)管的亮度增益-熒光屏上的輻射出射度與入射到像管光電陰極上的照度之比：?jiǎn)渭?jí)圖像增強(qiáng)管的增益為Ba熒光屏的發(fā)光效率光電

3、陰極對(duì)光源的積分靈敏度陽(yáng)極電壓光電子透過(guò)系數(shù)陰極面積陽(yáng)極面積83. 等效背景照度等效背景照度：產(chǎn)生與暗背景相同輻射出射度時(shí)入射輻射照度值暗背景：在無(wú)輸入圖像時(shí)加上工作電壓時(shí)熒光屏上仍然有一定的亮度，稱為暗背景4. 分辯率在熒光屏上每毫米內(nèi)人眼能分辨開的明暗條紋的最大對(duì)數(shù)lp/mm96.2 常見(jiàn)像管6.2.1 常見(jiàn)變像管1.紅外變像管光電陰極多為S-I (Ag-O-Cs) 陰極，可使波長(zhǎng)小于1.15m的紅外光變成光電子負(fù)電子親合勢(shì)陰極：把波長(zhǎng)大于1.15m的紅外光變成光電子光纖面板：改善邊緣成像質(zhì)量102.紫外變像管3.選通式變像管窗口材料為石英材料，光電陰極為S-11陰極，可以使波長(zhǎng)大于200

4、nm的紫外光變成光電子采用主動(dòng)照明：如可以使用周期性紅外光源照明物體，提高信噪比。116.2.2 常見(jiàn)像增強(qiáng)管1.級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)管第一、級(jí)間的輸入-輸出是用光纖面板制成第二、注意熒光屏和后級(jí)光電陰極的光譜匹配，最后一級(jí)熒光屏的發(fā)射光譜特性要與人眼視覺(jué)相吻合(第一代)三級(jí)級(jí)聯(lián)像增強(qiáng)器，若單級(jí)分辨率50lp/mm，則三級(jí)可達(dá)30-38lp/mm，亮度增益可達(dá)105122.微通道板像增強(qiáng)管（第二代）雙近貼式這種管子體積小、重量輕、使用方便，但像質(zhì)和分辨率較差倒像式電子經(jīng)過(guò)聚焦后再進(jìn)入微通道板，所以像質(zhì)和分辨率比較高3.第三代像增強(qiáng)管第二代像微通道板像增強(qiáng)管+負(fù)電子親合勢(shì)光電陰極 的使用134. X射線

5、像增強(qiáng)管-實(shí)質(zhì)是變像管將不可見(jiàn)的X射線圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光圖像，并進(jìn)一步的增強(qiáng)常用于醫(yī)療診斷和工業(yè)探傷146.3 攝像管6.3.1、 6.3.2 攝像管的作用及結(jié)構(gòu) 分類1.攝像管的作用：將空間光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像記錄并轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)的成像裝置-利用外光電效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的1）光電發(fā)射型攝像管2.分類:光電發(fā)射型及光電導(dǎo)型光電轉(zhuǎn)換電荷的積累電信號(hào)的存儲(chǔ)和掃描有移像區(qū)152）光電導(dǎo)型攝像管（視像管）-利用光電導(dǎo)效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換無(wú)移像區(qū)兩者的不同之處:前者有移像區(qū),后者無(wú)光電陰極電子光學(xué)系統(tǒng)移像區(qū)兩者相同之處:掃描區(qū)（慢掃描）電子槍燈絲,熱陰極,控制柵極,各加速電極,聚焦線圈,偏轉(zhuǎn)線圈,校正線圈166.

6、4 光導(dǎo)靶和存儲(chǔ)靶 攝像管的關(guān)鍵器件是靶，視像管和光電發(fā)射型攝像管的靶的作用不同， 結(jié)構(gòu)也不同 。 視像管的靶是光電導(dǎo)靶，靶的厚度約幾微米到20微米。 視像管靶的主要作用是完成光學(xué)圖像的光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)電荷的積累和存儲(chǔ)，適合視像管靶的材料必須具有電荷的存儲(chǔ)功能，要求靶上每個(gè)像素的馳豫時(shí)間遠(yuǎn)大于儲(chǔ)存時(shí)間。 6.4.1.視像管靶 目前生產(chǎn)的視像管大都采用阻擋型靶，由于PN結(jié)的存在，降低了暗電流，使靶的性能有所改進(jìn)而獲得廣泛應(yīng)用。 硅靶 氧化鉛靶異質(zhì)結(jié)靶硒化鎘（CdSe）靶硒砷碲（SeAsTe）靶碲化鋅鎘（ZnCdTe）靶阻擋型靶17N信號(hào)板 硅靶結(jié)構(gòu)圖1.硅靶 硅靶窗口玻璃內(nèi)表面涂有一層很薄的既可透

7、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，稱為信號(hào)板。挨著信號(hào)板的是一塊N型硅片（硅靶）。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，再通過(guò)摻雜使每個(gè)小孔都變成P-Si。這樣，許多個(gè)小的P-Si被SiO2隔離，故稱為P型島。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)牟牧希ǔ７Q為電阻海。 18 視像管等效電路圖三個(gè)過(guò)程：（1）無(wú)光照掃描 充電(歸零)（2）有光照無(wú)掃描 光 電（3）電子束再次掃描, 輸出(歸零)PNU0U0Is192*.氧化鉛靶INPSnO2RL

8、光3*. 異質(zhì)結(jié)靶a）硒化鎘（CdSe）靶b）硒砷碲（SeAsTe）靶c）碲化鋅鎘（ZnCdTe）靶像元連續(xù)，分辨率高光譜響應(yīng)范圍寬，動(dòng)態(tài)范圍大，信號(hào)電流大，暗電流小，分辨率高，惰性小X值小，靈敏度高，暗電流增大，光譜特性峰值波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)在可見(jiàn)光靈敏度比硅靶高約2個(gè)量級(jí)，適合低照度成像206.4.2 光電發(fā)射型攝像管靶-存儲(chǔ)靶1.二次電子傳導(dǎo)靶（SEC） 支撐層（Al2O3）信號(hào)板（Al膜）疏松的KCl電子束三個(gè)過(guò)程：（1）無(wú)光照掃描 零電位（2）有光照無(wú)掃描 電位升高（3）電子束再次掃描 輸出一次電子加速電壓為8KV時(shí)的二次電子增益約為（133）左右特點(diǎn)：響應(yīng)率高，改變加速電壓的大小可

9、得到80200倍的增益，但極限分辨率稍低 約為600TVL0eeU0IS212. 增強(qiáng)硅靶（SIT）N 硅靶結(jié)構(gòu)圖電子增強(qiáng)硅靶靈敏度比硅靶靈敏度大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，靶不易燒傷，壽命長(zhǎng)。Pb光電子轟擊硅靶電子空穴對(duì)光電陰極PNU0U0Is226.5 攝像管的特性參數(shù)6.5.1 攝像管的特性參數(shù)2.光電特性如果=1表示線性關(guān)系如1時(shí)灰度畸變，一般11.靈敏度u描述攝像管的光電轉(zhuǎn)換特性，反映它對(duì)圖像灰度（色調(diào)）傳遞性能233.分辨力（空間分辨率）黑白條紋總合為N（垂直分辨力）：TVL/H（1）極限分辨力極限分辨率：則黑白條紋對(duì)數(shù)為:h（2）調(diào)制傳遞函數(shù)f 調(diào)制度傳遞函數(shù)曲線 MTF（%）調(diào)制度下降到最大值10%對(duì)應(yīng)的頻率稱極限分辨率，可以實(shí)驗(yàn)測(cè)量，客觀。何謂空間頻率？用眼睛測(cè)量有主觀性244.惰性產(chǎn)生惰性的原因一是：光電導(dǎo)惰性 二是：電容性惰性，由RbC決定惰性會(huì)引起圖像模糊，或彩色拖尾等問(wèn)題5. 暗電流和噪聲暗電流-PN結(jié)攝像管：暗電流很小光電發(fā)射攝像管：光電陰極的熱發(fā)射電子、場(chǎng)致發(fā)射電子、離子流等引起噪聲-視像管的主要噪聲：前置放大器噪聲、負(fù)載電阻的熱噪聲。光電發(fā)射攝像管：管內(nèi)噪聲256. 動(dòng)態(tài)范圍照度下限：由噪聲決定照度上限：由受靶面像元的存貯信息容量決定，照度太高，會(huì)出現(xiàn)“開花”現(xiàn)像26靈敏度與波長(zhǎng)有關(guān)主要由