1、光电测试技术第四章 光电测试器件-4光电成像器件n光电成像器件：能够输出图像信息的一类光电器件n工作方式：直视型 非直视型用于直接观察，具有图用于直接观察，具有图像转换、增强以及显示像转换、增强以及显示的部分的部分1、入射辐射图像通过外光电效应转化为电、入射辐射图像通过外光电效应转化为电子图像子图像2、由电场或磁场聚焦加速进行能量增强、由电场或磁场聚焦加速进行能量增强3、由电场的二次发射作用进行倍增、由电场的二次发射作用进行倍增4、 激发荧光屏激发荧光屏产生可见光图像产生可见光图像用于电视摄像和热用于电视摄像和热成像系统成像系统1、接受光学图像和热图像、接受光学图像和热图像2、利用光敏面光电效
2、应或、利用光敏面光电效应或热导效应转变为电荷图像热导效应转变为电荷图像3、通过电子束扫描或耦合、通过电子束扫描或耦合等方式等方式产生视频信号产生视频信号一一 像管成像的物理过程像管成像的物理过程 1 像管实现图像的电磁波谱转换和亮度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增强是通过三个环节来完成的: 首先是将接受的微弱的或不可见的输入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；辐射图像转换成电子图像； 其次是使电子图像获得能量或数量增强，其次是使电子图像获得能量或数量增强，并聚焦成像；并聚焦成像； 第三是将增强的电子图像转换成可见的第三是将增强的电子图像转换成可
3、见的光学图像。光学图像。上述三个环节分别由上述三个环节分别由光阴极光阴极电子光学系统电子光学系统荧光屏荧光屏完成。这三部分共同封在一个完成。这三部分共同封在一个高真空的管壳内。高真空的管壳内。光电阴极光电阴极 ：实现光电转换，使不可见光或亮度很低：实现光电转换，使不可见光或亮度很低的图像，转换成光电子发射图像的图像，转换成光电子发射图像电子光学部分电子光学部分：透镜，使光电子图像，获得能量：透镜，使光电子图像，获得能量和数量上的增强和数量上的增强荧光屏荧光屏：使发射到它上面的图像变成可见的光学图：使发射到它上面的图像变成可见的光学图像。像。l像管的输入端面是采用光电发射材像管的输入端面是采用光
4、电发射材料制成的光敏面。该光敏面接收辐射料制成的光敏面。该光敏面接收辐射量子产生电子发射。所发射的电子流量子产生电子发射。所发射的电子流密度分布正比于人射的辐射通量分布。密度分布正比于人射的辐射通量分布。由此完成辐射图像转换为电子图像的由此完成辐射图像转换为电子图像的过程。过程。 由于电子发射需要在发射表由于电子发射需要在发射表面有法向电场，所以光敏面有法向电场，所以光敏面应接以负电位。这一光面应接以负电位。这一光敏面通常称为光阴极。像敏面通常称为光阴极。像管中常用的光阴极有：管中常用的光阴极有：对红外光敏感的对红外光敏感的银氧铯红外银氧铯红外光阴极；光阴极；对可见光敏感的对可见光敏感的单碱和
5、多碱单碱和多碱光阴极；光阴极；对紫外光敏感的对紫外光敏感的紫外光阴极紫外光阴极。 光阴极有透射型和反射型两种。光阴极有透射型和反射型两种。 像管中常用的光阴极是透射型的像管中常用的光阴极是透射型的半透明。必须在高真空中。半透明。必须在高真空中。 光阴极进行图像转换的简要物理光阴极进行图像转换的简要物理过程是：过程是： 当具有能量为当具有能量为 hv的辐射量子入射到的辐射量子入射到半透明的光电发射体内，与体内电半透明的光电发射体内，与体内电子产生非弹性碰撞而交换能量。子产生非弹性碰撞而交换能量。 根据光电发射的斯托列托夫定律可根据光电发射的斯托列托夫定律可知，饱和光电发射的电子流密度与入知，饱和
6、光电发射的电子流密度与入射辐射通量密度成正比。因此由入射射辐射通量密度成正比。因此由入射辐射分布所构成的图像可以通过光阴辐射分布所构成的图像可以通过光阴极变换成由电子流分布所构成的图像。极变换成由电子流分布所构成的图像。这一图像称为电子图像。这一图像称为电子图像。 像管中常用的荧光屏材料有像管中常用的荧光屏材料有多种。基本材料是金属的硫多种。基本材料是金属的硫化物、氧化物或硅酸盐等晶化物、氧化物或硅酸盐等晶体。上述材料经掺杂后具有体。上述材料经掺杂后具有受激发光特性，统称之为晶受激发光特性，统称之为晶态磷光体。态磷光体。 荧光屏是利用掺杂的晶态磷荧光屏是利用掺杂的晶态磷光体受激发光的物理过程，
7、光体受激发光的物理过程，将电子图像转换为可见的光将电子图像转换为可见的光学图像。学图像。 。 3电磁复合聚焦式像管 采用平面像场。在平面光阴极和荧光屏之间设置有环形电极，其上加有逐步升高的电压，沿管轴建立起上升的电位；同时管壳外设置有通以恒定电流的螺旋线圈而产生的均匀磁场，由此形成纵向的均匀电磁场。该电磁场使光阴极发射的电子加速并聚焦到荧光屏上成像。只要严格地控制电压和磁场，就可以得到良好的像平面，使荧光屏上获得较高的分辨力。但是由于复合聚焦系统结构复杂、笨重，给使用带来不方便。因此通常只在需要高性能的场合，如天文观察时才使用这种聚焦方式。 n选通式像管是静电聚焦式像管。它是在普通二电极像管的
8、结构上增加控制栅极而构成的n控制栅极是由靠近光阴极的栅网和阳极孔栏组成。当栅极电位低于光阴极电位时，则形成反向电场使光电发射截止；当正电位的工作脉冲施加在栅极上时，则构成聚焦成像的电场。由此实现了选通式工作状态。 第2代静电聚焦倒像式像管的结构 n 7) 8 %10mmDr式中，式中， mr为距光阴极中心特定半径处为距光阴极中心特定半径处的放大率的放大率, m0为中心放大率。为中心放大率。 摄像管n能输出视频信号的真空光电管叫做摄像管。n原理：将二维空间分布的光学图像转换为随时间变化的一维电信号n具体步骤：光敏元件接收输入图像的辐照度进行光电转换n电荷存储元件累计点亮，保持电荷量在空间的分布
9、靶n电子枪产生空间二维扫描电子束，逐点将电荷与负载回路接通（一维）一 一般摄像管一般摄像管应具有的结应具有的结构构它主要由两它主要由两大部分组成大部分组成光电变换与光电变换与存贮部分存贮部分信号阅读部信号阅读部分。分。n 。n n n n n n n 像元的放电时间近似地等于帧周期像元的放电时间近似地等于帧周期Tf即即4ms。因此，。因此，在下一次电子束对像元扫描以前，在扫描侧在下一次电子束对像元扫描以前，在扫描侧 A点电点电位的最大值位的最大值如果暗电阻如果暗电阻Rd很大，则很大，则 Vad0。n n 三 式中的式中的 N是靶面的像元总数。由于靶面每是靶面的像元总数。由于靶面每个像元接受光照的时间是电子束扫描时间个像元接受光照的时间是电子束扫描时间的的 N倍，所以每个像元在帧周期倍，所以每个像元在帧周期 Tf内输入内输入的光通量为。的光通量为。N，对应的输出信号电流为，对应的输出信号电流为 Is， n n 。 n
