第4章--微光像增强器

第4章微光像增强器光电成像器件分类按器件结构分为:像管、真空摄像管、固体成像器件等；按灵敏范围可分为：可见光、红外、紫外、X射线成像器件。像管包括变像管和像增强器。变像管是把非可见光，如红外、紫外、X射线等图像转化成可见光图像，如红外变像管、紫外变像管。像增强器，主要是指把微弱的可见光图像增强亮度，变成人眼可以观察到的图像，也称为微光管。由于红外变像管和像增强器能用于夜视条件下的光电成像，属于夜视器件。近的物体，在可见光区，有足够照度的物体我们的眼睛可以看见，但限于人眼的特性，遥远的物体或很小的物体或光线很弱很暗的环境，我们的眼睛就不能观察，于是出现了各种成像器件。如:光学望远镜，主要用于放大视角，用于小物体或直视遥远的物体进行放大，提高对物体的分辨力，但这些也只有在光线足够强时才能应用，而且其光线不能被阻挡，它们不能观察遥远的被阻挡着的物体，在很暗的环境中不能观察和成像。如:像管能在暗环境中，把人眼不能观察到的物体转换成可见光图像，如:摄像管能把各种图像信号转化成电信号，记录、贮存传输给很远的距离观察，能随时供人们观赏。光电成像器件极大地扩大了人的视野，扩展了人眼的视力范围，丰富了人们的生活。光电成像器件在光电技术中占有非常重要的地位。光电探测器和光电成像器件的比较光电探测器和光电成像器件都是基于光电转换原理，二者均是把光信号转化成电信号.但前者一般用于点探测或多点探测，而后者能够提供空间上的二维图像，不仅要求有高的灵敏度、低噪声，而且要有高的空间信息分辨率，其结构复杂，涉及许多电子扫描、成像、聚焦和荧光屏发光等新的问题。4.1像管的基本原理和结构像管结构示意图1—物镜；2—光电阴极；3—电子透镜；4—荧光屏；5—目镜结构有三部分组成：光电阴极、电子光学系统、荧光屏像管本身应能起到光谱变换、增强亮度和成像作用。1.光谱变换之一:光电阴极完成光------电子图象;2.电子成像:电子光学系统类似于光学透镜，能使电子成像，将光电阴极发出的电子图像呈现在荧光屏上;3.增强亮度:由于电子光学系统上加有高电压，能使电子加速，电子能获得能量，以高速轰击荧光屏，使之发射出比入射光强得多的光能量。光谱变换之二:荧光屏完成电子----光.这样像管就完成了光谱变换、成像和增强亮度的功能。1—物镜；2—光电阴极；3—电子透镜；4—荧光屏；5—目镜4.1.1光电阴极光电阴极光谱响应曲线4.1.2电子光学系统像管中电子光学系统的任务有两个：加速光电子；使光电子成像在像面上。它具有与光学透镜相似的性质，能运用几何光学中类似的方法进行物象处理。因此把能使电子流聚焦成像的电子光学系统称为电子透镜。电子透镜分为静电透镜和磁透镜两类。静电透镜按是否聚焦可分为:聚焦型和非聚焦型。静电电子光学系统，靠静电场来使光电子加速，聚焦成像。磁透镜即电磁复合系统，靠静电场的加速和磁场来完成聚焦成像。1．非聚焦型电子光学系统即近贴型C—阴极,A—阳极；ElCA0zα电子落点高度的计算设从物点O发出的任意电子，其初发射角为，分别表示电子初能及其在r和z方面上的能量的分量(eV)。则该电子的轨迹就是抛物线：在该电子到达阳极时，其落点的径向高度为：在近贴聚焦像管中一般U,则得因为zzrzVulzr)(2)(zzruulr2urlr220sinrsin20ulrz所以zr,,0ElCA0zα全色电子束的最大弥散圆半径的计算考虑到电子的初角度分布，可得单能电子束的最大弥散圆斑的半径因为光电子不仅有角度分布，还有初能量分布，若最大初电能为,则得全色电子束的最大弥散圆半径为从此式可以看出，阴极与阳极之间的电位差U越大，弥散圆斑越小，最大初电位及极间距离l越小，弥散圆斑也越小。ElCA0zαulRm2msin20ulrulRm2ElCA0zα通常，极间距离l总是很小，如小于1mm，而U却很大，如3-7KV，极间距离越小，电位差越高，图像越清晰，近贴型在像管中仍得到广泛应用。2．静电聚焦电子光学系统(1)等径双圆筒结构等径双圆筒透镜成像原理:静电聚焦电子光学系统，即静电透镜，通常由轴对称静电场所形成，在几个具有轴对称几何形状的金属导体电极上加以不同的电位，就可以形成轴对称电场。会聚大于发散:形成凸透镜由于会聚部分处在轴向速度相对较慢的低电位空间，电子受到径向电场会聚作用时间较长，因而会聚作用较强。而在发散空间的电子轴向速度较大，发散作用弱，故总的透镜作用仍然是会聚的。经过透镜区，到达等位区，以直线运动打在荧光屏上，由于电子透镜成像作用，使阴极面上的物在屏上成一倒像。在电位变化空间，透镜相当于一个凸透镜。（2）不等径的双圆筒AC0位由于有孔兰，可有效地控制系统的发散作用，阻止电子射到屏上，也可以减小荧光屏发光对阴极的光反馈，从而降低背景干扰和噪声。在平面阴极象管中，几何象差比较严重，边缘象质较差。（3）双球面系统特点：电场分布，尤其是阴极附近电场的分布，球面性很好，因此，每一条主轨迹都是轴对称，其邻近轨迹是旋转对称的，因而像散较小。所谓像散，指电子透镜随射线方向不同而产生的像差。采用曲面荧光屏后，场曲的影响大为减小，因而像质在整个像面上比较均匀。所谓场曲：由于轴外场折射率与近轴场折射率不同而引起的像差。采用曲面屏，也使畸变大大下降，但有可能出现桶形畸变，但是考虑到图像亮度的均匀性，宁肯采用较大的屏面曲率半径，保留较小的枕形畸变。阴极面上的电场强度，从轴上到轴外基本上保持不变，且略有提高，这样使得色差的影响在像面上比较均匀。RcRa3．复合聚焦电子光学系统利用静电场和静磁场形成的复合磁场使电子聚焦电子在复合场中的运动EB12z线圈αOO’电磁复合电子光学系统原理电子在与磁场相垂直的平面上作园周运动，旋转周期为T=2πm/Be，而与径向速度无关。电子将在管轴方向作加速运动。在与磁力线垂直的平面上，电子仍做周期旋转运动，所以综合运动，电子在空间的运动轨迹为一变节距螺旋线。EB12z线圈αOO’象点与物点间的距离计算设电子离开物平面的轴向初速度为v0z，在场的加速下，经过n个周期，电子会聚于点，经过几个螺距后，象点与物点间的距离为a=eE/m为轴向加速度，E——所加的均匀电场强度,周期为T=2πm/Be这样，只要由阴极面上发出的电子轴向速度相等，就能保证在每一周期之后相交于一点，因而可以形成点像。对长磁透镜，像高和物高平直而相等。当然轴向初速不相同的电子会产生像差。20)(2)(nTanTvLzn222022nEeBmnBemvLznEB12z线圈αOO’磁聚焦的优缺点：磁聚焦的优点：聚焦作用强，并且容易调节聚焦能力，只需调节线圈电流即可；轴上点和轴外点有相同的成像质量，因而容易保证边缘像质；像差较小，鉴别率较高。磁聚焦的缺点:由于产生磁场的需要，要附设直流激磁和螺旋管等，使得设备尺寸、重量增大、结构复杂。常用在真空摄像管以及电子显微镜等设备上。4.1.3荧光屏荧光屏将电子动能转换成光能。高能量电子打在荧光屏上，荧光屏发光。像管对荧光屏的主要要求是：荧光屏应该具有高的转换效率；能产生足够的光亮度；发射光谱要同眼睛，或与之相耦合的下一级光电阴极的光谱响应相一致；合适的余辉时间；当然还必须具有良好的机械强度、化学稳定性和热稳定性等基本要求。荧光屏发光材料主要特性有：光谱特性、发光效率。发光效率的定义所谓发光效率，指轰击荧光屏的电子流能量引起的荧光屏的发光强度，单位为lm/W。这个数值是表征荧光粉发光的强度的一个重要参量，它与光谱特性对多级像管亮度增益作用很大。2400500600700P-20P-31P-114683001×10-51×10-41×10-34×10-3波长(nm)光谱效率(W/nm-W)荧光屏光谱发射特性荧光粉材料有：ZnS:Ag（P11）,ZnS:Cu(P31),(Zn,Cd)S:Ag(P20)等等，几种典型的荧光屏光谱效率如图.像管中常用的荧光粉P20，发光颜色为黄绿光，峰值波长0.56μm，余辉时间0.05-2ms，粉的粒度控制在3.5μm，以保证屏的分辨率。荧光粉材料的电阻率很高，通常在1010~1014Ωcm，介于绝缘体和半导体之间.当它受到光电子轰击时，会积累负电荷，电压下降，影响阳极及屏的电位。为此，在屏上蒸铝，能引走积累的负电荷；同时铝还有反射光作用，使光出射强度增加。不过蒸铝后，电子通过铝膜后能量有损失。铝膜越厚，电子能量损失越大；电子能量越小，损失能量越大。因此，在满足引走电荷作用下，尽量减少膜厚度，4.1.4光学纤维面板简称为光纤板，它是由许多单根纤维组合而成的，其传光原理是利用材料界面的全反射。cossin1210nn临界入射角00n1'22n1n2211sinsinnn222121100cos1sinsinnnnnn又因为入射光端面处满足折射定律222121100cos1sinsinnnnnn满足上式条件的入射光，刚好在玻璃丝中芯料皮料界面发生全反射。如0，则1,更能发生全反射，对于入射角小于0的光都能发生全反射，即能够在玻璃芯料中传播。仿照光学透镜，称n0sin0为数值孔径，记为N·A，它表示纤维丝收集各个方向光的能力。00n1'22n1n2．光学纤维面板及性能对于像管中用的光纤板主要有以下性能要求:1)数值孔径要大如芯料n1=1.76，皮料n2=1.50，则N.A=0.8476，从空气中或真空入射，全反射临界角是57.9º，而实测为53º左右。2)光透过率要高;3)分辨率要高;4)气密性、化学稳定性、机械加工性能以及热稳定性要好。22210sinnnAN数值孔径像管不仅是辐射探测器件，而且还是成像器件。作为辐射探测器件，它必须具有高的量子效率和信息放大能力，以便给出足够的亮度，其特性通常采用光电阴极灵敏度和整管亮度增益来描述；作为成像器件，它必须具有小的图像几何失真，合适的几何放大率，尽可能小的亮度扩散能力，以提供足够的视角和对比，对这些特性通常用畸变、放大率、调制传递函数、分辨率、对比损失来描述。作为两者综合性能则用观察灵敏阈以及信噪比等参量来描述。4.2像管主要特性分析4.2.1像管的光谱响应特性像管的光谱响应特性实际上就是第一光电阴极的光谱响应特性，研究像管的光谱响应特性有两大作用：决定光电阴极光电流:光电流影响着灵敏度，提高光电流有利于减小背景噪声，提高像管的亮度，提高探测率，提高像管可探测的最小辐射能力。提供目标与背景之间的光电子图像的对比:初始对比决定了输出信噪比，是影响像管极限鉴别能力的关键。1．光电阴极积分灵敏度光电流eemRRI光谱匹配系数00)()()(ddR0)()(dRRImm根据响应率或灵敏度定义——单位辐射所产生的光电流:mmmmmRddRRddRRR0000)()()()()()(入射辐射通量em0)(光电流单位R(安/瓦，A/W)2．积分灵敏度的换算(1)以光辐射量表示的积分灵敏度R因为辐射通量与光通量有KveK——光视效能，单位lm/wKRKIIRveevR(安/瓦，A/W)，(安/流明，A/lm)R(2)光电阴极对光源1的积分灵敏度可以换算成对光源2的积分灵敏度因为mRR111122RR分别为光阴极与光源1和2的光谱匹配系数.12111RKR将222RKR代入,得12112'2RKKRK1，K2分别为光源1和2的光视效能;R’1，R’2分别为光阴极对光源1和2的积分灵敏度(A/lm)22mRR(3)用积分灵敏度换算等效光通量/22/11RR1/2/1