光电检测 第七章 真空成像器件PPT

真空成像器件应用范围第七章真空成像器件•——图像测量•——零件微小尺寸及质量的检验•——光学干涉图像判读•——机器视觉：自动瞄准•定位•跟踪•识别•控制本章内容第七章真空成像器件7.1像管7.1像管7.2常见像管7.3摄像管7.4光导靶和存储靶7.5摄像管的特性参数7.6摄像管的发展方向像管第七章真空成像器件•真空成像器件中没有扫描机构的称为像管。•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。•把不可见辐射图像转换成可见光图像的象管称为变象管。•使微弱光图像增强的象管称为像增强器。返回摄像管第七章真空成像器件•真空成像器件中有扫描机构的称为摄像管。•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。返回像管第七章真空成像器件•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。•变像管和像增强器都具有光谱变换、图像增强和成像的功能。7.1像管第七章真空成像器件•第三是将增强的电子图像转换成可见的光学图像。7.1像管像管实现图像的电磁波谱转换和亮度增强是通过三个环节来完成的:•其次是使电子图像获得能量或数量增强，并聚焦成像；•首先是将接受的微弱的或不可见的输入辐射图像转换成电子图像；7.1节内容第七章真空成像器件7.1像管7.1.1像管结构和工作原理返回7.1.2像管的特性参量像管结构和工作原理第七章真空成像器件•像管由3个基本部分组成,如图所示。•一、光电变换部分,即光电阴极;（实现光电转换）•二、电子光学系统,即电子透镜；(实现电子加速)•三、电光变换部分，即荧光屏；（实现图像显示）7.1像管返回光电阴极第七章真空成像器件•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；•——负电子亲合势(NEA)光电阴极。7.1像管返回电子光学系统第七章真空成像器件•电子光学系统对电子施加很强的电场和磁场,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：•——静电系统:靠静电场的加速和聚焦作用来完成;•——电磁复合系统:靠静电场的加速和磁场的聚焦作用来共同完成。7.1像管返回静电系统第七章真空成像器件•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。7.1像管第七章真空成像器件•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;7.1像管第七章真空成像器件•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,如图所示。7.1像管返回第七章真空成像器件•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。如图所示。7.1像管第七章真空成像器件•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,如图所示就能保证在一个周期之后相聚于一点。•电磁聚焦的优点：聚焦作用强,容易调节,边缘像差小,分辨率高;缺点：体积和重量较大,结构较复杂。7.1像管返回荧光屏第七章真空成像器件7.1像管•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所示。返回像管的特性参量第七章真空成像器件7.1像管1.光谱响应特性和光谱匹配返回2.增益特性3.等效背景照度4.分辨率第七章真空成像器件7.1像管•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有光谱响应特性和光谱匹配——光谱灵敏度——量子效率——光谱特性曲线——积分灵敏度第七章真空成像器件7.1像管•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。如图所示，可表示•为返回第七章真空成像器件7.1像管•确定波长在单色光照射时,阴极输出光电流与入射的单色辐射通量之比。即•其量纲为μA/W或A/W。返回光谱灵敏度)()(kIS第七章真空成像器件7.1像管•光电阴极受特定波长的光照射时,该阴极所发射的光电子数Ne(λ)与入射的光子数Np(λ)之比值,称为量子效率,用符号Q(λ)表示。•光电阴极的量子效率决定像管的灵敏度。返回量子效率)()()(peNNQ第七章真空成像器件7.1像管•在一定的白光(色温2856K的钨丝灯)照射下，光电阴极光电流与入射的白光光通量之比，称为积分灵敏度。即返回积分灵敏度780380ekedIS,,第七章真空成像器件7.1像管•光电阴极的光谱灵敏度或量子效率与入射光波长的关系曲线,称为光谱响应曲线。返回光谱特性曲线增益特性第七章真空成像器件•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。7.1像管kaBEBGπ为常数。单级变像管的增益为akakBAAUSG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。返回等效背景照度第七章真空成像器件7.1像管•无光照时，荧光屏的发光称为像管的暗背景。•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入照度值,以EBI表示。BbGBEBI式中,Bb为暗背景亮度。暗背景产生的主要原因是光阴极的热电子发射和管内颗粒引起的场致发射。返回分辨率第七章真空成像器件•所谓分辨率是指在足够照度下（100lx为宜），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。•这种方法总会受到主观因素的影响。比较客观的方法是采用调制传递函数来描述。7.1像管返回常见像管第七章真空成像器件7.2常见像管7.2.1常见变像管返回7.2.2常见像增强器7.2.3特殊变像管常见变像管第七章真空成像器件•变像管是指把不可见光转换为可见光的器件。•7.2常见像管1.红外变像管返回2.紫外变像管3.选通式变像管红外变像管第七章真空成像器件•核心部分是对红外光敏感的光电阴极。当红外光照射到阴极时，产生光电发射，经过电子光学系统，实现光谱变换。红外变像管结构如图所示。7.2常见像管第七章真空成像器件•图(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(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。7.2常见像管返回紫外变像管第七章真空成像器件•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。7.2常见像管返回选通式变像管第七章真空成像器件•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,如图所示。•只要改变栅极的•电压就可控制变•像管的导通。7.2常见像管第七章真空成像器件7.2常见像管工作原理如图所示。只要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质量。返回常见像增强器第七章真空成像器件7.2常见像管•像增强器是一种能把微弱的光学图像增强、转换成适合人眼观察的光学图像的真空成像器件。1.级联式像增强器返回2.微通道板像增强器3.第三代像增强器4.X射线像增强器级联式像增强器第七章真空成像器件7.2常见像管在实际应用中，为了获得更高的亮度增益，将完全相同的单级像管，用光学纤维面板进行多级耦合。如图a所示。像管的输入窗和输出窗都是由光学纤维面板制成，以便将球面像转换为平面像来完成级间耦合。第七章真空成像器件7.2常见像管由于每级像管都成倒像，所以耦合的级数多取单数，通常为三级。该像管称为第一代像增强器。如图所示为三级级联式像增强器的结构示意图。第一代像增强器具有与增益高、成像清晰的优点，但重量大，防强光能力差。光纤面板光电阴极光纤面板荧光屏第七章真空成像器件•为了保证连接后的成像效果,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。•若单级像增强器的分辨率大于50lp/mm,三级像增强器可达30~38lp/mm,亮度增益可达105。7.2常见像管返回微通道板像增强器第七章真空成像器件•微通道板是两维空间的电子倍增器，是由大量平行堆集的微细单通道电子倍增器组成的薄板。通道孔径为5~10μm。工作原理如图所示。7.2常见像管7.2常见像管第七章真空成像器件通道内壁具有较高的二次电子发射系数。在微通道板的两个端面之间施加直流电压形成电场。入射到通道内的电子在电场作用下，碰撞通道内壁产生二次电子。这些二次电子在电场力加速下不断碰撞通道内壁，直至由通道的输出端射出，实现连续倍增，达到增强电子图像的作用。第七章真空成像器件•微通道板像增强器属于第二代像管。•第二代像管与第一代像管的根本区别在于：它不是用多级级联实现光电子倍增，而是采用在单级像管中设置微通道板来实现电子图像倍增的。可得到108量级的电子增益。•微通道板像增强器有两种结构形式:双近贴式和倒像式。•倒像式增强器性能上比双贴近式好一些，但重量较大。7.2常见像管返回第七章真空成像器件•双近贴式像增强器,如图所示。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。7.2常见像管返回第七章真空成像器件•如图所示为倒像式像增强器,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。由微通道板增强后的电子图像通过近贴聚焦到荧光屏上。由于在荧光屏•上所成的像，相对于光•阴极上的像来说是倒像•，因此称为倒像管。7.2常见像管返回第三代像增强器第七章真空成像器件•负电子亲合势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。7.2常见像管第七章真空成像器件•第一代像管采用的是表面具有正电子亲和势的多晶薄膜结构的多碱光阴极，其光灵敏度约为250~550uA/lm；而第三代像管采用的负电子亲和势光阴极，它的光灵敏度高达l000uA/lm以上。因此第三代像管具有高增益、低噪声的优点。•负电子亲和势是热化电子发射，光电子的初动能较低，能量又比较集中，因此第三代像管又具有较高的图像分辨力。由于这些特点使第三代像管成为目前性能最优越的直视型光电成像器件。7.2常见像