光電檢測技術(shù)6

光電成像器件是能輸出圖像信息的一類器件。

第6章真空成像器件光電成像器件固體成像器件真空成像器件像管攝像管變像管像增強(qiáng)管攝像管視像管真空成像器件都具有一個(gè)真空管，都將光電成像單元放置于真空管中，所以也可稱為真空光電成像器件

管內(nèi)有無掃描機(jī)構(gòu)攝像管根據(jù)光電靶轉(zhuǎn)換的方式又分為攝像管和視像管兩類象管和攝象管的主要區(qū)別:象管內(nèi)部沒有掃描機(jī)構(gòu)，不能輸出電視信號，對它的使用就跟使用望遠(yuǎn)鏡去觀察遠(yuǎn)處景物一樣，觀察者必須通過它來直接面對著景物。固體成像器件，只要通過某些特殊結(jié)構(gòu)或電路（即自掃描形式）讀出電信號，然后通過顯示器件再成像。區(qū)別像管包括變像管和像增強(qiáng)器,都具有光譜變換、圖像增強(qiáng)和成像的功能。變像管是一種能把各種不可見輻射圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像的真空光電成像器件。像增強(qiáng)器是能把微弱的輻射圖像增強(qiáng)到人眼可直接觀察的真空光電成像器件，因此也稱為微光管。§6.1像管6.1.1像管結(jié)構(gòu)和工作原理

一是光電變換部分，即光電陰極，它可以使不可見光圖象或亮度很低的光學(xué)圖象，變成光電子發(fā)射圖象；二是電子光學(xué)部分，即電子透鏡，有電聚焦和磁聚焦兩種形式，它可以使光電陰極發(fā)射出來的光電子圖象，在保持相對分布不變的情況下進(jìn)行加速；三是電光變換部分，即熒光屏,它可以使打到它上面的電子圖象變成可見光圖像。

像管由三個(gè)基本部分組成1.光電陰極光電陰極使不可見的亮度很低的輻射圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像。銀氧銫光電陰極；單堿和多堿光電陰極；各種紫外光電陰極；負(fù)電子親和勢（NEA）光電陰極像管中常用的光電陰極有四種電子光學(xué)系統(tǒng)對電子施加很強(qiáng)電場，使電子獲得能量，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。電子光學(xué)系統(tǒng)有兩種形式，即靜電系統(tǒng)和電磁復(fù)合系統(tǒng)。前者靠靜電場的加速和聚焦作用來完成，后者靠靜電場的加速和磁場的聚焦作用來共同完成。靜電系統(tǒng)非聚焦型聚焦型2.電子光學(xué)系統(tǒng)靜電聚焦型電子光學(xué)系統(tǒng)有雙圓筒電極系統(tǒng)和雙球面電極系統(tǒng)兩種形式如左下圖所示。從圖可知，從光電陰極發(fā)出的電子只能從陽極中間的小孔通過；由等位線可以看出：電子從陰極到陽極運(yùn)動過程中會受到聚焦和加速，然后射向熒光屏，并在熒光屏上成一倒像，如右下圖所示。

電磁聚焦系統(tǒng)中既有磁場也有電場。如下圖所示，該系統(tǒng)的磁場是由像管外面的長螺線管通過恒定電流產(chǎn)生的，電場是由光電陰極和陽極間所加直流高壓產(chǎn)生的。因此，從光電陰極面上發(fā)出的電子，在縱向電場和磁場的復(fù)合作用下，都能以不同螺旋線向陽極前進(jìn)；由陰極面上同一點(diǎn)發(fā)出的電子，只要在軸向有相同的初速度，如右下圖所示就能保證在一個(gè)周期之后相聚于一點(diǎn)，起到聚焦作用。

3.熒光屏熒光屏的作用是在高速電子的轟擊下將電子圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像。一般要求熒光屏不僅應(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吸收光譜一致。常見熒光屏發(fā)光材料的光譜發(fā)射特性如下圖所示。通常在電子入射的一邊鍍上鋁層。這樣可以引走熒光屏上積累的負(fù)電荷，同時(shí)避免光反饋，增加發(fā)射光的輸出。P-1ZnS:AgP-2(Zn:Cd)S:AgP-3ZnS:Cu6.1.2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)特性由光電陰極的響應(yīng)特性決定，因此描述像管光譜響應(yīng)性的參量與第5章光電陰極的一致。

光譜匹配是指像管的光源與光電陰極、光電陰極與熒光屏、熒光屏與人眼視覺函數(shù)或攝像機(jī)之間的光譜分布匹配，匹配良好，像管將獲得較高的靈敏度。

2.增益特性

增益是熒光屏的亮度Ba和入射至光電陰極面上的照度Ek之比，以GB表示：4.分辨率

分辨率是指用標(biāo)準(zhǔn)測試板通過像管成像后，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)，單位lp/mm。3.等效背景照度

等效背景照度是指在熒光屏上產(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度值，以

Bb為暗背景亮度1.紅外變像管§6.2常見像管紅外變像管結(jié)構(gòu)如下圖所示。該管由光電陰極、陽極和熒光屏三部分組成

光電陰極和熒光屏都是平面，使邊緣像質(zhì)變差光電陰極和熒光屏制成平凹形，經(jīng)過光學(xué)纖維面板的導(dǎo)光大大提高了像質(zhì)

紫外變象管的窗口材料為石英玻璃，紫外變象管與光學(xué)顯微鏡結(jié)合起來，可用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)等方面的研究。

2．紫外變像管6.2.1常見變像管下圖所示的變像管的光電陰極和陽極間增加一對帶孔闌的金屬電極—控制柵極，就成為選通式變像管。只要改變柵極的電壓就可控制變像管的導(dǎo)通。因此只要使選通式變像管的工作周期與光源的調(diào)制周期一樣，同步工作，于是可以提高圖像的對比度和圖像質(zhì)量。

3.選通式變像管6.2.2常見像增強(qiáng)器1.級聯(lián)式像增強(qiáng)器上圖為三級級聯(lián)式像增強(qiáng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。為了保證連接后的成像效果，應(yīng)注意：1）圖中每個(gè)單級變像管的輸入和輸出都用光纖面板制成，便于級與級之間的耦合。2）必須注意熒光屏和后級光電陰極的光譜匹配。三級級聯(lián)像增強(qiáng)器，若單級的分辨率大于50lp/mm，三級可達(dá):30～38lp/mm，亮度增益可達(dá)105。

三級級聯(lián)式像增強(qiáng)器屬第一代像增強(qiáng)器。

級聯(lián)式像增強(qiáng)器是由幾個(gè)分立的單級變像管組合而成2.微通道板像增強(qiáng)器微通道板像增強(qiáng)器有兩種結(jié)構(gòu)形式：雙近貼式和倒像式雙近貼式像增強(qiáng)器，如下圖所示，用微通道板代替電子光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電子圖像增強(qiáng)。

屬于第二代像增強(qiáng)器。光電陰極、微通道板、熒光屏三者相互靠得很近，故稱雙近貼

倒像式像增強(qiáng)器，它與單級像管結(jié)構(gòu)十分相似，只是在電子光學(xué)系統(tǒng)與熒光屏之間插入微通道板，像增強(qiáng)器的輸入、輸出端均采用光纖面板。3.第三代像增強(qiáng)器第二代像增強(qiáng)器的微通道板結(jié)構(gòu)配以負(fù)電子親和勢光電陰極，就構(gòu)成第三代像增強(qiáng)器。這種像增強(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。

X射線像增強(qiáng)器實(shí)質(zhì)是一種變像管，它的作用是將不可見的X射線圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像，并使圖像亮度增強(qiáng)。如下圖所示，一般的X射線像增強(qiáng)器是由輸入轉(zhuǎn)換屏、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)和輸出熒光屏幾部分組成的。

4.X射線像增強(qiáng)器X射線像增強(qiáng)器常用在醫(yī)療診斷和工業(yè)探傷等方面

圖像放大像管是由光電陰極、磁性線圈（放大、聚焦、偏轉(zhuǎn)）、微通道板及熒光屏組成的磁聚焦型像管，如左下圖所示。6.2.3特殊變像管1.圖像放大像管多功能像增強(qiáng)器由光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、柵極偏轉(zhuǎn)板、旋轉(zhuǎn)線圈、微通道板和熒光屏組成，如右上圖所示。

2.多功能像增強(qiáng)器

多功能像增強(qiáng)器采用磁場使圖像旋轉(zhuǎn)和平移，有利于完成識別圖像所需要的大部份預(yù)處理工作。它應(yīng)用于光學(xué)字符閱讀器、光學(xué)數(shù)據(jù)處理和遙感圖像識別系統(tǒng)等方面。

這種管子的極限分辨率可從放大率為1的40線對/毫米提高到放大率為21.6時(shí)的400線對/毫米。下圖是位置敏感傳感器像管的結(jié)構(gòu)示意圖。它用位置敏感傳感器（PSD）代替了一般像管的熒光屏，并多加了幾個(gè)MCP板。

3.位置敏感傳感器像管4．裝有光電導(dǎo)靶的反射式變象管有的變象管也采用光電導(dǎo)技術(shù)，使紅外光成象到光電導(dǎo)靶面上，在靶的另一邊形成電勢分布圖象，用磁場使由電子槍射出的電子流受到調(diào)制，利用返回的電子流轟擊熒光面而發(fā)出熒光。這種像管稱為反射式變像管，其結(jié)構(gòu)和外形如右圖所示。

§6.3攝像管6.3.1攝像管的作用及分類

攝像管是把按空間光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像記錄并轉(zhuǎn)換成視頻信號的成像裝置。按光電變換形式攝像管基本上分為兩類：一類是利用外光電效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的攝像管，稱光電發(fā)射型攝像管，也簡稱攝像管，如下圖所示。這一類攝像管有：二次電子導(dǎo)電攝像管和硅靶攝像管等。光電發(fā)射型攝像管屬于微光攝像，其增益和靈敏度很高，可工作在亮度較低的場合。另一類是利用內(nèi)光電效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的攝像管，統(tǒng)稱為光電導(dǎo)型攝像管，也稱為視像管，如下圖所示。視像管按光導(dǎo)靶的結(jié)構(gòu)又可分為光電導(dǎo)（注入）型和PN結(jié)（阻擋）型兩種。光電導(dǎo)型采用光電導(dǎo)材料，如硫化銻（Sb2S3）管；PN結(jié)型管采用結(jié)型材料，有氧化鉛（PbO）管、硅靶管和異質(zhì)結(jié)靶管等等。

光電發(fā)射型攝像管和光電導(dǎo)型攝像管的區(qū)別是：前者有移像區(qū)，后者沒有。移像區(qū)包括光電陰極和電子光學(xué)系統(tǒng)，相同是二者都有掃描區(qū)，也稱電子槍，電子槍部分包括燈絲、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、偏轉(zhuǎn)線圈和校正線圈。它們的作用是產(chǎn)生熱電子，并使它聚焦成很細(xì)的電子射線，按著一定軌跡掃描靶面。

視像管的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便，在工業(yè)電視中被廣泛應(yīng)用。攝像管具有三個(gè)基本功能：光電變換、光電信息的積累、儲存及掃描輸出。視像管由光導(dǎo)靶和電子束掃描區(qū)構(gòu)成，如下圖所示。其光電變換和光電信息的積累和儲存功能都由光電導(dǎo)靶來完成，當(dāng)被攝景物的光學(xué)圖像通過物鏡成像到攝像管上時(shí)，由于光電導(dǎo)靶材料的光電導(dǎo)作用，在靶面上就建立起與入射光照度分布相對應(yīng)的電位圖像，這就完成了光電變換的功能從電子槍發(fā)射出來的電子束依次沿著靶面掃描，掃描線經(jīng)過某一點(diǎn)的時(shí)間只占掃描整個(gè)光敏面所需周期的極小部分（0.062）。為了提高檢測靈敏度，每個(gè)像素在掃描周期內(nèi)應(yīng)不間斷地對轉(zhuǎn)換后的電量進(jìn)行積累，這時(shí)靶又起到了積累存儲光電信息的功能；當(dāng)電子束依次沿著靶面掃描，將靶面的電位起伏順序地轉(zhuǎn)變成視頻信號輸出，就完成了掃描輸出的功能。6.3.2攝像管的結(jié)構(gòu)和工作原理如下圖所示，光電發(fā)射型攝像管包括光電陰極、移像區(qū)、存儲靶和電子束掃描區(qū)四部分。其光電變換和光電信息的積累和儲存功能分別由光電陰極和存儲靶完成，它們之間隔一個(gè)移像區(qū)。移像區(qū)的作用是使光電陰極產(chǎn)生的光電子在運(yùn)動過程中獲得能量而加速，以便在靶上產(chǎn)生更多的電荷，提高攝像管的響應(yīng)率。在靶面電位圖像建立后由電子槍用細(xì)電子束進(jìn)行掃描而獲取視頻信號。在常見的攝像管中幾乎全部采用慢電子束掃描。

所謂慢電子束掃描是：當(dāng)電子束掃描各像素時(shí)，由于電子上靶的中和作用，使靶面電位與電子槍陰極電位平衡；由于靶面各像素積累電荷不同，需要中和的電子數(shù)也不相同，這個(gè)電子數(shù)就反映了積累信號的大小。

攝像管的工作原理是：先將輸入的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電荷圖像，然后通過電荷的積累和儲存構(gòu)成電位圖像，最后通過電子束掃描把電位圖像讀出，形成視頻信號輸出。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?！?.4光導(dǎo)靶和存儲靶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)換和信號電荷的積累和存儲，適合視像管靶的材料必須具有電荷的存儲功能，要求靶上每個(gè)像素的馳豫時(shí)間遠(yuǎn)大于儲存時(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）靶阻擋型靶如上圖所示，硅靶窗口玻璃內(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，稱為信號板。挨著信號板的是一塊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上光刻成幾十萬個(gè)小孔，再通過摻雜使每個(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?，通常稱為電阻海。

1.硅靶

硅靶具有光譜響應(yīng)范圍寬，量子效率高，抗燒傷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

PbO靶窗口玻璃內(nèi)壁是一層金屬膜作為信號板，接著就是PbO靶，靶的成像面一邊為N-PbO，掃描面一邊為P-PbO，兩者之間夾著一層（相對）很厚的本征氧化鉛I-PbO，因而具有PIN結(jié)構(gòu)。2．氧化鉛靶氧化鉛靶的結(jié)構(gòu)和工作過程都與硅靶類似如上圖所示，氧化鉛靶是由PbO材料制成的。工作時(shí)，信號板通過負(fù)載和靶電源的正極相接，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PIN進(jìn)行反偏置。靶電源電壓約45V左右。PbO靶也有光信息的存儲功能，它的軸向電阻較小，橫向電阻很大，掃描面上的電勢起伏可保持較長時(shí)間不變。下圖是幾種異質(zhì)結(jié)靶，它們的窗口玻璃內(nèi)壁涂有一層SnO2薄膜作為信號板，接著就是不同的靶

3.異質(zhì)結(jié)靶，硒化鎘靶它是在光敏半導(dǎo)體CdSe上鍍一層絕緣膜（As2S3），在兩者交界處形成PN結(jié)。硒化鎘靶暗電流小、在響應(yīng)范圍內(nèi)量子效率較高的優(yōu)點(diǎn)。硒砷碲靶

N型SnO2與Se+As+Te膜之間形成阻擋層，起光電轉(zhuǎn)換作用，高阻的Sb2S3薄膜與Se+Te膜之間也形成阻擋層。這種結(jié)構(gòu)的靶具有光譜響應(yīng)范圍寬、動態(tài)范圍大、信號電流大、暗電流小、分辨率高、惰性小等優(yōu)點(diǎn)。碲化鋅鎘靶有三層結(jié)構(gòu)：第1層為ZnSe，屬于N型半導(dǎo)體，厚50～100nm。第2層為碲化鋅和碲化鎘的固溶體（ZnxCd1-xTe），屬于P型半導(dǎo)體，厚3～5μm。第3層是無定形三硫化二銻Sb2O3，厚100nm。此靶適宜于做低照度攝像管

6.4.2光電發(fā)射型攝像管靶--存儲靶1.二次電子傳導(dǎo)靶（SEC）如上圖所示，SEC靶有三層結(jié)構(gòu)。第一層是Al2O3膜，起機(jī)械支撐作用，厚50～70nm；第二層是鋁膜，厚50nm，起信號板作用，通過負(fù)載電阻和靶電源的正極相接；第三層是疏松的KCl，其密度只有固體KCl的1%～2%，厚15～20μm。

SEC靶有三層結(jié)構(gòu)這種靶的導(dǎo)電，不是利用材料導(dǎo)帶中的電子或價(jià)帶中的空穴，而是依靠二次電子導(dǎo)電的，故稱它為二次電子導(dǎo)電靶。實(shí)驗(yàn)證明，靶的電子增益與一次電子的加速電壓有關(guān)。

它是KCl在氬氣中蒸發(fā)形成的纖維狀薄層，在慢電子束掃描下，靶的掃描面穩(wěn)定在零電位，因此靶的兩面承受著一定的靶電壓。當(dāng)光電陰極發(fā)出來的光電子被加速后打到靶上時(shí)，靶將產(chǎn)生二次電子發(fā)射。2.增強(qiáng)硅靶（SIT）

SIT靶和靶結(jié)構(gòu)基本相同。只是在電子入射側(cè)加鍍一層厚幾百埃的鉛膜，以屏蔽雜散光。從光電陰極發(fā)射出來的電子，在高壓作用下轟擊硅靶，使靶內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對。以增強(qiáng)硅靶構(gòu)成的增強(qiáng)型硅靶管如下圖所示。增強(qiáng)硅靶靈敏度一般比硅靶大二個(gè)數(shù)量級，約為40A/lx，硅靶不易燒傷，壽命長。式中K1為常數(shù)；稱為攝像管的光電轉(zhuǎn)換特性?！?.5攝像管的特性參數(shù)6.5.1攝像管的特性參數(shù)1.靈敏度攝像管靈敏度S可用下式表示：攝像管的靈敏度表示在一定光通量照射時(shí)攝像管輸出信號電流Is的大小。

攝像管輸出視頻信號電壓u與入射光照度Eb不一定是線性關(guān)系，通常寫成2.光電轉(zhuǎn)換特性()曲線斜率值表征攝像管對圖像灰度（色調(diào)）傳遞性能，也稱特性。對攝像管來說，決定于光電轉(zhuǎn)換部件的特性。光電導(dǎo)攝像管的值小于1，Sb2S3管的值為0.6～0.7，PbO管的值為0.95，而硅靶管的接近于1。

3.分辨率分辨率表示能夠分辨圖像中明暗細(xì)節(jié)的能力，分辨率通常用兩種方式表達(dá)，即極限分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。

在最佳照度下，使高對比度的黑白相間條形圖案投射到攝象管的光敏面上，然后在監(jiān)視器上去觀察可分辨的最高空間頻率數(shù)。在電視中，通常是指在光柵高度范圍內(nèi)可分辨的最多電視行數(shù)（TVL/H），如下圖所示。有時(shí)也采用“線對/mm”的單位，它等于可分辨的電視行數(shù)一半除以靶的有效高度（mm）。例如25mm的視象管，靶面的有效高度約為10mm，若可分辨的最多電視行數(shù)為400時(shí)，相當(dāng)于20線對/mm。按這種方法表示的分辨率稱為極限分辨率。

1）極限分辨率調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）是在調(diào)制度的基礎(chǔ)上提出的。調(diào)制度M是無線電學(xué)中的概念，引用到光學(xué)中來可以說它是對比度。M的定義是，光信息的最大值A(chǔ)與光信息最小值B之差對A、B之和的百分比。MTF的定義是，輸出調(diào)制度Mo與輸入調(diào)制度Mi之比的百分?jǐn)?shù)，即MTF=(A-B)/(A+B)×100%2）調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）圖象在傳送過程中，調(diào)制度M是隨空間頻率的增大而減小的。如果把調(diào)制度的損失程度以百分?jǐn)?shù)表示（以零頻時(shí)的調(diào)制度為100%），則調(diào)制度與空間頻率的關(guān)系曲線，就是調(diào)制傳遞函數(shù)，如下圖所示。

傳遞函數(shù)MTF能用儀器測量，并規(guī)定調(diào)制深度為10%的線數(shù)稱為攝像管的極限分