第6章真空成像器件.

第6章真空成像器件1.像管2.常见像管3.摄像管4.光导靶和存储靶5.摄像管的特性参数6.摄像管的发展方向光电成像器件是能输出图像信息的一类器件，它包括真空成像器件和固体成像器件两大类。如图6−l所示。真空成像器件都具有一个真空管，都将光电成像单元放置于真空管中，所以也可称为真空光电成像器件。真空成像器件根据管内有无扫描机构又分为像管和摄像管。像管的主要功能是把不可见辐射(红外或紫外)图像或微弱光图像通过光电阴极和电子光学系统转换成可见光图像，它又分成变像管(不可见辐射图像转换成可见光图像)和像增强器(微弱光图像增强)两大类。摄像管是把可见光或不可见辐射(红外、紫外或x射线等)的二维图像通过光电靶和电子束扫描后转换成相应的一维视频信号，通过显示器件再成像的光电成像器件。摄像管根据光电靶转换的方式又分为摄像管和视像管两类。像管和摄像管的主要区别是，像管内部没有扫描机构，不能输出电视信号，对它的使用就和使用望远镜去观察远处景物一样，观察者必须通过它来直接面对着景物。固体成像器件不像真空成像器件那样需用电子束在高真空度的管内进行扫描，只要通过某些特殊结构或电路(即自扫描形式)读出电信号，然后通过显示器件再成像。真空成像器件被广泛地应用在医学及工业上的图像测量、零件微小尺寸及质量的检验、光学干涉图像判读等，它也可以作为机器视觉一自动瞄准、定位、跟踪、识别和控制等，同时又是运动图像获得和图像测量中的关键部件，是现代光电测量技术的重要器件之一。6．1像管像管包括变像管和像增强器。变像管是一种能把各种不可见辐射(红外，紫外和x射线)图像转换成可见光图像的真空光电成像器件。像增强器是能把微弱的辐射图像增强到人眼可直接观察的真空光电成像器件，因此也称为微光管。变像管和像增强器统称为像管，都具有光谱变换、图像增强和成像的功能。6．1．1像管结构和工作原理像管由3个基本部分组成，如图6−2所示。一是光电变换部分，即光电阴极，它可以使不可见光图像或亮度很低的光学图像，变成光电子发射图像；二是电子光学部分，即电子透镜，有电聚焦和磁聚焦两种形式，它可以使光电阴极发射出来的光电子图像，在保持相对分布不变的情况下进行加速；三是电光变换部分，即荧光屏，它可以使打到它上面的电子图像变成可见光图像。1．光电阴极光电阴极使不可见的亮度很低的辐射图像转换成电子图像。像管中常用的光电阴极有4种：银氧铯光电阴极、单碱和多碱光电阴极、各种紫外光电阴极，以及灵敏度高、响应波长范围宽的负电子亲合势(NEA)光电阴极。2．电子光学系统电子光学系统对电子施加很强的电场，使电子获得能量，因而能将光电阴极发出的电子束加速并聚焦成像在荧光屏上，从而实现图像亮度的增强，使荧光屏发射出强得多的光能。电子光学系统有两种形式，即静电系统和电磁复合系统。前者靠静电场的加速和聚焦作用来完成，后者靠静电场的加速和磁场的聚焦作用来共同完成。静电系统又可分为非聚焦型和聚焦型两种：非聚焦型电子光学系统结构的像管，一般由光电阴极和阳极(与荧光屏在一起)构成。两者平行且距离很近，所以这种像管又称近贴式像管。工作时两极之间加上高压，形成纵向均匀电场，只能对光电子起到加速作用，不能聚焦成像，所以从光电阴极上同一点发出的不同初速的光电子，不能在荧光屏上会聚成一个像点，而是一个弥散圆斑。因此，近贴式像管的分辨率较低。静电聚焦型电子光学系统有双圆筒电极系统和双球面电极系统两种形式，如图6−3所示。从图中可知，从光电阴极发出的电子只能从阳极中间的小孔通过；由等位线可以看出：电子从阴极到阳极运动过程中会受到聚焦和加速，然后射向荧光屏，并在荧光屏上成一倒像，如图6−4所示。复合聚焦电子光学系统(即电磁聚焦系统)中既有磁场也有电场。如图6−5所示，该系统的磁场是由像管外面的长螺线管通过恒定电流产生的，电场是由光电阴极和阳极间所加直流高压产生的。因此，从光电阴极面上发出的电子在纵向电场和磁场的复合作用下，都能以不同螺旋线向阳极前进；由阴极面上同一点发出的电子，只要在轴向有相同的初速度，如图6−6所示就能保证在一个周期之后相聚于一点，起到聚焦作用。磁聚焦的优点是聚焦作用强，容易调节，边缘像差小，分辨率高，缺点是体积和重量较大，结构较复杂。3．荧光屏荧光屏的作用是在高速电子的轰击下将电子图像转换成可见光图像。一般要求荧光屏不仅应具有高的转换效率，而且屏的发射光谱要同人眼或与之耦合的下级光电阴极的吸收光谱一致。常见荧光屏发光材料的光谱发射特性如图6−7所示。通常在电子入射的一边镀上铝层。这样可以引走荧光屏上积累的负电荷，同时避免光反馈，增加发射光的输出。6．1．2像管的特性参量1．光谱响应特性和光谱匹配像管的光谱响应特性由光电阴极的响应特性决定，因此描述像管光谱响应特性的参量(光谱灵敏度、量子效率、积分灵敏度和光谱特性曲线等)，与第5章中光电阴极的参量一致，这里不再重复。光谱匹配是指像管的光源与光电阴极、光电阴极与荧光屏、荧光屏与人眼视觉函数之间的光谱分布匹配，即两两光谱响应曲线的重合程度大小，如果重合得好，则匹配良好，将获得较高的整管灵敏度。2．增益特性亮度增益是荧光屏的光亮度Ba和入射至光电阴极面上的照度Ek之比，以GB表示。kaBEBG(6−1)π为常数。单级变像管的增益为akaKBAAUSG(6−2)式中：ξ为荧光屏的发光效率；Sk为光电阴极对光源的积分灵敏度；Ua为像管的阳极电压；α为光电子透过系数；Ak、Aa分别为光电阴极和荧光屏的面积。Ak、Aa的差异不能太大，所以提高GB的根本因素还是提高加速电压Ua，但不能加得太高，太高容易产生漏电、放电、场致发射等现象。3．等效背景照度把像管置于完全黑暗的环境中，当加上工作电压后，荧光屏上仍然会发出一定亮度的光，这种无光照射时荧光屏的发光称为像管的暗背景。由于暗背景的存在，使图像的对比度下降，甚至使微弱光图像淹没在背景中而不能辨别。等效背景照度是指当像管受微弱光照时，在荧光屏上产生同暗背景相等的亮度时，光电阴极面上所需的输人照度值，以EBI表示。BbGBEBI(6−3)式中，Bb为暗背景亮度。4．分辨率所谓分辨率是指当标准测试板通过像管后，在荧光屏的每毫米长度上用目测法能分辨开的黑白相间等宽距条纹的对数，单位是每毫米线对数，记为lp／mm。6．2常见像管6．2．1常见变像管1．红外变像管红外变像管结构如图6−8所示。该管由光电阴极、阳极和荧光屏三部分组成。当红外光入射至光电阴极时，发射与红外辐射图像强度分布成正比的电子流，经阳极和阴极(阳极电压一般为12~16kV)构成的电子透镜聚焦和加速，在荧光屏上形成可见光图像。红外变像管的光电阴极多为S−1、Ag−O−Cs阴极，它可以使波长小于1.15μm的红外光变成光电子。对于波长大于1.15μm的红外光，采用负电子亲合势光电阴极。图6−8(a)所示的红外变像管，由于光电阴极和荧光屏都是平面，使边缘像质变差；图6−8(b)所示的红外变像管，把光电阴极和荧光屏制成平凹形，经过光学纤维面板的导光从而大大提高了像质。银氧铯光电阴极，其热发射系数大，量子效率低。关于光学纤维面板，详见第9章相关内容。2．紫外变像管紫外变像管的窗口材料为石英玻璃，光电发射材料为S−11，Sb−Cs阴极。它可以使波长大于200nm的紫外光变成光电子。紫外变像管与光学显微镜结合起来，可用于医学和生物学等方面的研究。3．选通式变像管在图6−8所示变像管的光电阴极和阳极间增加一对带孔阑的金属电极——控制栅极，就成为选通式变像管，如图6−9所示。只要改变栅极的电压就可控制变像管的导通。因此只要使选通式变像管的工作周期与光源的调制周期一样，同步工作，便可提高图像的对比度和图像质量。6．2．2常见像增强器1．级联式像增强器级联式像增强器(见图6−10(a))是由几个分立的单级变像管组合而成，图6−10(b)为三级级联式像增强器的结构示意图。为了保证连接后的成像效果，要做到以下两个方面。第一，图中每个单级变像管的输入和输出都用光纤面板制成，便于级与级之间的耦合。第二，必须注意荧光屏和后级光电阴极的光谱匹配，即荧光屏发射的光谱峰值与光电阴极吸收的峰值波长相接近，而最后一级荧光屏的发射光谱特性应与人眼的明视觉光谱光视效率曲线相一致。对于三级级联像增强器，若单级的分辨率大于50lp／mm，三级可达30～38lp／mm，亮度增益可达105。2．微通道板像增强器微通道板像增强器有两种结构形式：双近贴式和倒像式。双近贴式像增强器，如图6−11所示，用微通道板代替图6−2中的电子光学系统，实现电子图像增强。而且其光电阴极、微通道板、荧光屏三者相互靠得很近，故称双近贴。光电阴极发射的光电子在电场作用下，进入微通道板输入端，经MCP电子倍增和加速后打到荧光屏上，输出光学图像。这种管子体积小、重量轻、使用方便，但像质和分辨率较差。图6−12是倒像式像增强器，它与单级像管结构十分相似，只是在电子光学系统与荧光屏之间插入微通道板，像增强器的输入端、输出端均采用光纤面板。其原理是：输入光纤面板上的光电阴极发射的电子图像，经电子光学系统聚焦、加速并经微通道板倍增后，在荧光屏上成一倒立实像，故也称为倒像管。它具有较高的像质和分辨率。改变微通道板两端电压即可改变其增益，此种管子还具有自动防强光的优点。微通道板像增强器属于第二代像增强器。3．第三代像增强器负电子亲合势光电阴极的优点已在第5章中作过详细介绍。这种光电阴极在可见光范围和近红外区都有较高的灵敏度和量子效率。第二代像增强器的微通道板结构配以负电子亲合势光电阴极，就构成第三代像增强器。这种像增强器能同时起到光谱变换和微光增强的作用，因此可做到一机二用。4．X射线像增强器X射线像增强器实质是一种变像管，它的作用是将不可见的X射线图像转换成可见光图像，并使图像亮度增强。如图6−13所示，一般的X射线像增强器是由输入转换屏、光电阴极、电子光学系统和输出荧光屏几部分组成的。工作过程如下：X射线通过被检体后，在输入转换屏前形成被检体的X射线图像，此图像轰击转换屏后转换成微弱的可见光图像；微弱的可见光图像激发相邻的光电阴极发射相应的电子图像；光电子流被电子光学系统聚焦和加速；高能电子激发输出荧光屏，将电子图像转换成尺寸缩小而亮度增强的可见光图像。把用CsI：Na材料做转换屏的增强器称为第二代X射线像增强器；把含有MCP板的X射线像增强器称为第三代，如图6−13(b)所示。第三代X射线像增强器灵敏度高，在一般室内光线下可直接观察和照明。X射线像增强器常用在医疗诊断和工业探伤等方面。6．2．3特殊变像管1．图像放大像管如图6−14所示，图像放大像管是由光电阴极、磁性线圈(放大、聚焦、偏转)、微通道板及荧光屏组成的磁聚焦型像管。通过调节聚焦线圈的电流对输出的图像进行变焦，并由偏转线圈将光电阴极面上形成的部分电子图像进行放大，然后在整个荧光屏上成像，从而实现对目标的细微局部进行图像放大和增强，方便人们观察目标的详细结构。这种管子的极限分辨率，可从放大率为1时的40lp／mm提高到放大率为21．6时的400lp／mm。2．多功能像增强器多功能像增强器由光电阴极、电子光学系统、栅极偏转板、旋转线圈、微通道板和荧光屏组成，如图6−15所示。其工作原理是把投射到光电阴极上的微弱光学图像，转换成电子图像，再由电子光学系统聚焦，经MCP增强后在荧光屏上显示出可见光图像。改变加在偏转板上的电压可使图像朝x和y两个方向移动，使图像放大；改变电极G。电压可改变光电子速度，使图像增亮；管子后部所加的平行于管轴的均匀磁场可使图像旋转，旋转的角度正比于所加的磁场强度。多功能像增强器采用磁场使图像旋转和平移，有利于完成识别图像所需要的大部分预处理工作。它应用于光学字符阅读器、光学数据处理和遥感图像识别系统等方面。3．位置敏感传感器像管图6−16是位置敏感传感器像管的结构示意图。它用位置敏感传感器(PSD)代替了一般像管的荧光屏，并多加了几个MCP板。这种像管的工作原理是：从目标来的入射光子被光电阴极转换成光电子，经电子透镜、3块MCP倍增放大(107)后，这些电子群被加速注入位