1、第四章第四章 微光像增强器微光像增强器1学习交流PPT微光像增强器应用举例微光像增强器应用举例2学习交流PPT3学习交流PPT4学习交流PPT1 1 微光夜视技术和像增强器的发展微光夜视技术和像增强器的发展2 2 多碱阴极和多碱阴极和GaAsGaAs光电阴极的制备光电阴极的制备3 3 微通道板与离子阻挡膜微通道板与离子阻挡膜4 4 荧光屏荧光屏5 5 像增强器的性能参数及测试原理像增强器的性能参数及测试原理6 6 目前研究的内容目前研究的内容5学习交流PPT 1 1 微光夜视技术和像增强器的发展微光夜视技术和像增强器的发展 夜视技术是研究在夜间低照度条件下，用开拓观察者视力的方法以实现夜间隐蔽
2、观察的一种技术。它采用光电子成像的方法来缓和或克服人眼在低照度下以及有限光谱响应下的限制，以开拓人眼的视觉。夜视技术始于二十世纪三十年代。1934年第一个红外变像管在德国问世，开创了夜视技术的新纪元。微光像增强器是一种光电器件，是微光夜视技术的核心器件，它是微光夜视器材的性能和价格的决定性因素。6学习交流PPT微弱的光学图像自然景物微弱的电子图像增强的电子图像增强的光学图像物镜光阴极微通道板荧光屏目镜像增强器 像增强器和夜视系统的结构和工作原理7学习交流PPT 2 2 微光夜视技术和像增强器的发展微光夜视技术和像增强器的发展 微光夜视的发展始于1936年，它是研究微弱图像信号的增强、转换、传输
3、、存储、处理的一项专门技术。它分为直视系统和间视系统两种，直视系统称为微光夜视仪，它是利用目标反射的星光、月光和大气辉光通过像增强器增强达到人眼能进行观察的一种夜视仪器。a 第一代微光夜视 1962年美国制成第一代微光夜视仪，以纤维光学面板作为输入、输出窗三级级联耦合的像增强器为核心器件。8学习交流PPTl一代像增强器 结构示意图9学习交流PPTb.第二代微光夜视 1970年研制成第二代微光夜视仪，以利用微通道板的像增强器为核心器件10学习交流PPTl二代、超二代和三代像增强器 结构示意图11学习交流PPT光阴极光阴极 光电转换光电转换微道板微道板 电子倍增电子倍增荧光屏荧光屏 电光转换电光转
4、换微光夜视技术特点和作用微光夜视技术特点和作用 -微光核心器件工作原理微光核心器件工作原理12学习交流PPT（m)n 倍增次数倍增次数二次电子二次电子倍增系数倍增系数微光夜视技术特点和作用微光夜视技术特点和作用 微光核心器件工作原理微光核心器件工作原理13学习交流PPTl工作时加三个电压，光电阴极通道板输入端l通道板两端，通道板输出端荧光屏14学习交流PPTc.第三代微光夜视 1979年美国ITT公司研制出第三代微光夜视仪，是在二代薄片管的基础上，将多碱光电阴极置换为GaAs负电子亲和势光电阴极。15学习交流PPT16学习交流PPT 微光像增强器系列微光像增强器系列17学习交流PPTd.超二代
5、微光夜视 1989年，Jacques Dupuy等人研制成了超二代像增强器。超二代管是在二代管的基础上，通过提高光阴极的灵敏度（灵敏度由300-400A/lm提高到600A/lm以上），减小微通道板噪声因数，提高输出信噪比（改进微通道板的性能）和改善整管的MTF，使鉴别率和输出信噪比提高到接近三代管的水平。18学习交流PPT 微光像增强器系列微光像增强器系列19学习交流PPTE 第四代微光夜视 1998年美国Litton公司和ITT公司研制出无离子阻挡膜或薄离子阻挡膜微通道板，具有自动门控电源的新一代像增强器，以它为核心部件的夜间观瞄器材称为第四代微光夜视仪。20学习交流PPT微光夜视技术特点
6、及作用微光夜视技术特点及作用 微光夜视技术核心器件微光夜视技术核心器件21学习交流PPT1 Thin ion-barrier film/高性能，薄的离子阻挡膜2 Low noise figure MCP/低噪声因子微通道板3 Gated power supply/门控电源22学习交流PPT典型应用系统结构23学习交流PPT世界各国的发展概况需求牵引，微光夜视发展规划、计划需求牵引，微光夜视发展规划、计划（例例Omnibus三代微光计划）三代微光计划）美国国防部美国国防部美陆军实验室美陆军实验室斯坦福、亚里桑拉、佛吉尼亚等大学斯坦福、亚里桑拉、佛吉尼亚等大学ITT公司公司/EOIntervac
7、公司公司Litton 公司公司EO国家级实验室：微光新原理、新技术前瞻性、基础性和演示验证国家级实验室：微光新原理、新技术前瞻性、基础性和演示验证微光器件和整机承包商，通过投标竞标承揽合同，提供装备微光器件和整机承包商，通过投标竞标承揽合同，提供装备24学习交流PPT俄罗斯25学习交流PPT欧洲 法国：PHOTONICS(超二代）荷兰：DELFT 以色列26学习交流PPT中国27学习交流PPT 如如:像管能在像管能在暗环境暗环境中，把人眼不能中，把人眼不能观察观察到的物体到的物体转换成可见光图像，转换成可见光图像，如如:摄像管能把各种图像信号转化成电信号，记录、摄像管能把各种图像信号转化成电信
8、号，记录、贮存传输给贮存传输给很远的距离观察，能随时供人们观赏。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。光电技术中占有非常重要的地位。28学习交流PPT4.1 4.1 像管的基本原理和结构像管的基本原理和结构像管结构示意图像管结构示意图 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 29学习交流PPT 像管本身应能起到像管本身应能起到光谱变换、
9、增强亮度和成像作用。光谱变换、增强亮度和成像作用。1.1.光谱变换之一光谱变换之一:光电阴极完成光电阴极完成 光光-电子图象电子图象;2.2.电子成像电子成像:电子光学系统类似于光学透镜，能使电子成像，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将光电阴极发出的电子图像呈现在荧光屏上;3.3.增强亮度增强亮度:由于电子光学系统上加有高电压，能使电子加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。射光强得多的光能量。光谱变换之二光谱变换之二:荧
10、光屏荧光屏 完成完成 电子电子-光光.这样像管就完成了光谱变换、成像和增强亮度的功能。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 30学习交流PPT4.1.1 光电阴极光电阴极光谱响应曲线 31学习交流PPT4.1.2 4.1.2 电子光学系统电子光学系统 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。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似的方法进行物象处
11、理。因此把能使电子流聚焦成像的电子光学系统称为的电子光学系统称为电子透镜电子透镜。电子透镜电子透镜分为分为静电透镜静电透镜和和磁透镜磁透镜两类。两类。静电透镜静电透镜按是否聚焦可分为按是否聚焦可分为:聚焦型和非聚焦型聚焦型和非聚焦型。静电。静电电子光学系统，靠静电场来使光电子加速，聚焦成像。电子光学系统，靠静电场来使光电子加速，聚焦成像。磁透镜磁透镜即电磁复合系统，靠静电场的加速和磁场来完即电磁复合系统，靠静电场的加速和磁场来完成聚焦成像。成聚焦成像。32学习交流PPT1非聚焦型电子光学系统 即近贴型 C阴极,A阳极；33学习交流PPT电子落点高度的计算电子落点高度的计算 设从物点设从物点O
12、O发出的任意电子，其初发射角发出的任意电子，其初发射角为为 ，分别表示电分别表示电子初能及其在子初能及其在r r和和z z方面上的能量的分量方面上的能量的分量(eV)(eV)。则该电子的轨迹就是抛物线：则该电子的轨迹就是抛物线：在该电子到达阳极时，其落点的径向高在该电子到达阳极时，其落点的径向高度为：度为：在近贴聚焦像管中一般在近贴聚焦像管中一般U U ,则得则得 因为因为zzrzVulzr)(2)(zzruulr2urlr220sinrsin20ulr z所以zr,034学习交流PPT全色电子束的最大弥散圆半全色电子束的最大弥散圆半径的计算径的计算 考虑到电子的初角度分布，可考虑到电子的初角
13、度分布，可得单能电子束的最大得单能电子束的最大弥散圆斑弥散圆斑的半径的半径 因为光电子不仅有角度分布，因为光电子不仅有角度分布，还有初能量分布，若最大初电还有初能量分布，若最大初电能为能为 ,则得全色电子束的则得全色电子束的最大弥散圆半径为最大弥散圆半径为 从此式可以看出，阴极与阳极从此式可以看出，阴极与阳极之间的电位差之间的电位差U U越大，弥散圆斑越大，弥散圆斑越小，最大初电位及极间距离越小，最大初电位及极间距离l l越小，弥散圆斑也越小。越小，弥散圆斑也越小。ulRm2msin20ulr 35学习交流PPTulRm2 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
14、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。36学习交流PPT2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。37学习交流PPT 会聚大于发散会聚大于发散:形成凸透镜形成凸透镜 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会聚作用较强。而在发散空间的电子轴
15、向速度较大，发散作用弱，故总的透镜作用仍然是会聚的。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，透镜相当于在屏上成一倒像。在电位变化空间，透镜相当于一个凸透镜。一个凸透镜。38学习交流PPT（2）不等径的双圆筒由于有孔兰，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。39学习交流PPT（3
16、）双球面系统 特点：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，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。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。射率不同而引起的
17、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，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。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。有提高，这样使得色差的影响在像面上比较均匀。40学习交流PPT3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 41学习交流PPT电磁复合电子光学系统
18、原理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，旋转电子在与磁场相垂直的平面上作园周运动，旋转周期为周期为T T=2=2m/Bem/Be，而与径向速度无关。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。动，电子在空间的运动轨迹为一变节距螺旋线。42学习交流PPT磁聚焦的优缺点：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
19、电流即可；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。边缘像质；像差较小，鉴别率较高。磁聚焦的缺点磁聚焦的缺点:由于产生磁场的需要，要附设直流激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。杂。常用在真空摄像管以及电子显微镜等设备上。43学习交流PPT4.1.3 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。v像管对荧光屏的主要要求是：v荧光屏应该具有高
20、的转换效率；v能产生足够的光亮度；v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；v合适的余辉时间；v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。44学习交流PPT 发光效率发光效率的定义的定义 所谓所谓发光效率发光效率，指轰击荧光屏的电子流能量引起的，指轰击荧光屏的电子流能量引起的荧光屏的发光强度，单位为荧光屏的发光强度，单位为lm/Wlm/W。这个数值是表征。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。对多级像管亮度增益作用
21、很大。45学习交流PPT荧光屏光谱发射特性 v荧光粉材料有：vZnS: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.v像管中常用的荧光粉P20，发光颜色为黄绿光，峰值波长0.56m，余辉时间0.05-2ms，粉的粒度控制在3.5m，以保证屏的分辨率。46学习交流PPT 荧光粉材料的电阻率很高，通常在荧光粉材料的电阻率很高，通常在1010101010101414cmcm，介于绝缘体和半导体之间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，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。影响阳极
22、及屏的电位。为此，在屏上蒸铝，能引走积累的负电荷；同时铝为此，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。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，尽量减少膜越大。因此，在满足引走电荷作用下，尽量减少膜厚度，厚度，47学习交流PPT4.1.4 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
23、2211sinsinnn222121100cos1sinsinnnnnn48学习交流PPT2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57.9，而实测为53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49学习交流PPT 像管不仅是辐射探测器件，而且还是成像器件。像管不仅是辐射探测器件，而且还是成像器件。作为作为辐射探测器件辐射探测器件，它必须具有高的量子效率和信，它必须具有高的量子
24、效率和信息放大能力，以便给出足够的亮度，其特性通常采息放大能力，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；用光电阴极灵敏度和整管亮度增益来描述；作为作为成像器件成像器件，它必须具有小的图像几何失真，合，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。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作为两者综合性能则用观察灵敏阈以
25、及信噪比等参量来描述。量来描述。4.2 4.2 像管主要特性分析像管主要特性分析50学习交流PPT4.2.1 4.2.1 像管的光谱响应特性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：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决定光电阴极光电流:光电流影响着灵敏度，提高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。高探测率，提高像管可探测的最小辐射能力。提供目
26、标与背景之间的光电子图像的对比提供目标与背景之间的光电子图像的对比:初始对初始对比决定了输出信噪比，是影响像管极限鉴别能力的比决定了输出信噪比，是影响像管极限鉴别能力的关键。关键。51学习交流PPT4.2.2 4.2.2 像管的像管的增益特性增益特性 足够的亮度是观察图像的必要条件，要有足够的亮足够的亮度是观察图像的必要条件，要有足够的亮度，使输出的亮度足够亮，眼睛不会因亮度而影响度，使输出的亮度足够亮，眼睛不会因亮度而影响探测能力。而输出亮度的大小，在入射照度一定时，探测能力。而输出亮度的大小，在入射照度一定时，由亮度增益所决定。由亮度增益所决定。52学习交流PPT1增益的定义 1)亮度增益
27、定义为：像管输出亮度L与阴极入射照度Ev之比的 倍 vLELG2)辐射亮度增益 eLeELG由于Ev=EeK KGEKLGLvLevLEMG对朗伯光源增益式中M为光出射度lm/m253学习交流PPT3)光通量增益 inouG/inou,分别为输出和输入光通量。又因为 2sLvcMAGG mEAm像管几何放大率 As,Ac分别为荧光屏和阴极有效面积。所以，光通量增益为亮度增益的m2倍 54学习交流PPT 对于二级像管，第一级出射的光通量就是第二级的对于二级像管，第一级出射的光通量就是第二级的入射光通量，则第二级的输出光通量。入射光通量，则第二级的输出光通量。221222222222uRuIP22
28、212121211212212mmuuRRAEEMGsL22212112212mmAAAAAAmcscscs55学习交流PPT4.2.4 4.2.4 像管的背景特性像管的背景特性 像管的背景指它的背景亮度，即指除信号以外的附加亮度，像管的背景指它的背景亮度，即指除信号以外的附加亮度，根据背景的来源又分为暗背景亮度和信号感生背景亮度。根据背景的来源又分为暗背景亮度和信号感生背景亮度。1 1暗背景暗背景 把象管置于完全黑暗的环境中，当加上工作电压后，荧光屏把象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，这种无照射时荧光屏的发光称上仍然会发出一定亮度的光，这种无照射时荧
29、光屏的发光称为象管的暗背景。为象管的暗背景。主要来源主要来源:光电阴极的热发射电流光电阴极的热发射电流;局部场强产生的场致发射局部场强产生的场致发射;电极上的二次电子发射等等电极上的二次电子发射等等.这些电子也在电场的加速下轰击荧光屏使之发光。这些电子也在电场的加速下轰击荧光屏使之发光。暗背景影响暗背景影响:由于暗背景的存在，在荧光屏上的目标图象上都叠加了一个由于暗背景的存在，在荧光屏上的目标图象上都叠加了一个背景亮度，使图像的对比下降，甚至在微弱照明下产生的图背景亮度，使图像的对比下降，甚至在微弱照明下产生的图像有可能淹没在背景中而不能辨别。像有可能淹没在背景中而不能辨别。56学习交流PPT
30、2信号感生背景Lsb当管子受到辐照时还要引起一种与入射信号无关的附加背景亮度，主要来源有：光反馈和离子反馈。背景等效照度Eb定义为与暗背景亮度相当的阴极入射照度 LdBbeGLELdB暗背景亮度GL亮度增益。LdB一般为10-310-2(cd/m2)，通过增益可得Ebe，而通常变像管的Ebe为10-3lx数量级，而微光管Ebe为10-7lx数量级57学习交流PPT 光反馈来源光反馈来源:入射光有一部分要透过半透明阴极，这部分透过光入射光有一部分要透过半透明阴极，这部分透过光在管内电极和管壁的散射下又反馈到光电阴极上，在管内电极和管壁的散射下又反馈到光电阴极上，另外荧光屏的光也有一部分经过阳极孔
31、或管壁和电另外荧光屏的光也有一部分经过阳极孔或管壁和电极的散射反馈到光电阴极上。极的散射反馈到光电阴极上。所有这些反馈都将引起光电阴极产生不希望有的电所有这些反馈都将引起光电阴极产生不希望有的电子发射，并在荧光屏上激发一个附加的背景亮度，子发射，并在荧光屏上激发一个附加的背景亮度，这就是这就是光反馈光反馈。减少光反馈的办法：减少光反馈的办法：在像管中，黑化电极、荧光屏上蒸铝以及合理地减在像管中，黑化电极、荧光屏上蒸铝以及合理地减小阳极孔径尺寸，都是小阳极孔径尺寸，都是减少光反馈减少光反馈的措施。的措施。58学习交流PPT4.2.5 像管的传像特性 指像管传递图象时，对图像几何形状和亮度分布的影
32、响 放大率：像管出射端图象的线性尺寸l 与入射端图像相应的线性尺寸l之比 llM变像管和像增强器是一种宽束电子光学系统的电真空器件，它的边缘由于透镜对不同的离轴距离的物点单向放大率不同，而产生图象畸变.59学习交流PPT成像器件的畸变图形（a）没有畸变的原始图形(b)枕形畸变图形 (c)桶形畸变图如果离轴愈远的物点单向放大率比近轴放大率大，则产生“枕形”畸变，如果离轴愈远的物点单向放大率比近轴放大率小，则产生“桶形”畸变.60学习交流PPT4.2.6 像管的时间响应特性 像管的时间响应特性主要由荧光屏所决定，因为光电阴极的发射过程很短，约为10-12s量级;光电子在管中的渡越时间也很短，约为1
33、0-10s量级;荧光屏的惰性时间由荧光粉的类型和激发电子流密度所决定，通常为ms级。对于特殊需要的像管，应选择短余辉的粉型。61学习交流PPT4.2.7 空间分辨特性 定义:周期量在单位空间（单位长度、面积、体积）上变化的周期数 bf21(1)单位长度上的周期数，记为f，lp线对，每一线对包含一条亮线和一条暗线，单位为每毫米线对 lp/mm。(2)以整个目标上的周期数表示，记为ft，这样ft=f h=h目标总宽度2hb1.空间频率62学习交流PPT2.空间分辨率 定义为：成像系统能够将两个相隔极近的目标的像刚好能分辨清的能力，它反映了系统的成像和传像能力，单位是“线对/毫米”，例如说某像管的分
34、辨率是30lp/mm，就是指空间频率数小于或等于30lp/mm，对比度为100%的测试图案经过像管后能看清，而大于30lp/mm的测试图案则模糊不清，就是再放大几倍也分辨不出条纹。63学习交流PPT 测试分辨率比较测试分辨率比较常用图案是栅格常用图案是栅格状的标准测试板。状的标准测试板。共有五块？，共有五块？，每一块由每一块由2525个单个单元组成，元组成，每一单元又由互每一单元又由互成成4545的四个方向的四个方向的条纹组成，的条纹组成，各单元的条纹宽各单元的条纹宽度按一定的排列度按一定的排列依次减小，依次减小，空间频率逐渐增空间频率逐渐增大。大。所谓分辨出的线对数是指四个方向的条纹能同时分
35、辨出，如果不能同时看清，则认为该单元是不可分辨的。64学习交流PPT限制人眼分辨能力的因素有三个：限制人眼分辨能力的因素有三个：物体的物体的亮度亮度;视角视角;亮度对比度亮度对比度 测试条件：测试条件：为便于各器件间进行比较，测试图案的亮度对比为便于各器件间进行比较，测试图案的亮度对比取规定值，如，取规定值，如，测试板的照度足够强，至少大于测试板的照度足够强，至少大于1010-3-3cd/cmcd/cm2 2，像，像管荧光屏的像应调到适合于人眼的亮度；管荧光屏的像应调到适合于人眼的亮度；取最大亮度对比取最大亮度对比C C=1=1；测试分辨率时，测试者用测试分辨率时，测试者用520520倍的放大
36、镜观察屏倍的放大镜观察屏上的图象。上的图象。65学习交流PPT 分辨率的局限分辨率的局限用分辨率评定器件的传像特性，其优点是方便、简单、用分辨率评定器件的传像特性，其优点是方便、简单、直观，直观，但是也有但是也有缺点缺点，主要是：，主要是：（1 1）受主观因素影响；）受主观因素影响；（2 2）只给出极限结果，对其它频率的情况一概不知；）只给出极限结果，对其它频率的情况一概不知；（3 3）受人眼视场的限制，与实际情况不尽相同，尤）受人眼视场的限制，与实际情况不尽相同，尤其是对串联系统中中间环节的评价更不合适。其是对串联系统中中间环节的评价更不合适。（4 4）极限分辨率模糊不清，难以确认；）极限分
37、辨率模糊不清，难以确认；（5 5）不能排除伪分辨现象。）不能排除伪分辨现象。66学习交流PPT 使用分辨率来表征像管的成像质量时往往出现：两使用分辨率来表征像管的成像质量时往往出现：两个像管所测的极限分辨率一样，而其成像质量却有个像管所测的极限分辨率一样，而其成像质量却有很大差异。很大差异。分辨率这一参数并不能全面反映出影响成像质量的分辨率这一参数并不能全面反映出影响成像质量的各种因素，这是由于以目测为手段和人眼的差异所各种因素，这是由于以目测为手段和人眼的差异所致。虽然这种方法简便，但并不是评定像管的理想致。虽然这种方法简便，但并不是评定像管的理想方法。方法。鉴于用分辨率评价器件成像质量的种
38、种缺点，需要鉴于用分辨率评价器件成像质量的种种缺点，需要寻求更客观的科学评价方法，传递函数就是其中一寻求更客观的科学评价方法，传递函数就是其中一种。种。67学习交流PPT3 3光学传递函数的定义与表达式光学传递函数的定义与表达式 点扩散函数和线扩散函数：点光源物面上坐标为（点扩散函数和线扩散函数：点光源物面上坐标为（x x,y y），），象面上光能分布函数象面上光能分布函数h h(x x,y y)，由于系统的影响，像为扩，由于系统的影响，像为扩散弥散斑，即称为散弥散斑，即称为点扩展函数点扩展函数；物面上一条线光源为物面上一条线光源为函数，在像面上的光能分布函数，在像面上的光能分布h(h(y y
39、)，基本为高斯分布，即称为基本为高斯分布，即称为线扩展函数。线扩展函数。图 点扩散函数（a）和线扩散函数（b）68学习交流PPT 线性系统线性系统(1)(1)线性，即系统满足亮度叠加原理：物面上光的强线性，即系统满足亮度叠加原理：物面上光的强度为度为I I1 1(x)(x)、I I2 2(x)(x)，相应像面上光的强度为相应像面上光的强度为II1 1(x)(x)、II2 2(x),(x),简单表示为简单表示为 ：物面物面I I1 1(x)(x)像面像面II1 1(x)(x)物面物面I I2 2(x)(x)像面像面II2 2(x)(x)满足线性条件，应有：满足线性条件，应有：物面物面 I I1
40、1(x)+I(x)+I2 2(x x)像面像面 I I 1 1(x x)+)+I I 2 2(x x)反映物象间的线性，如果器件处于亮度饱和状态，则反映物象间的线性，如果器件处于亮度饱和状态，则不满足这一关系，线性条件可理解为增益不变性。不满足这一关系，线性条件可理解为增益不变性。v光学系统的物和像具备下列几个特点，则称为线性系统。69学习交流PPT（2 2）空间不变性空间不变性，即在所考虑的范围内，器件处处，即在所考虑的范围内，器件处处有相同的像扩散能力，即无论物面上哪一点，它在有相同的像扩散能力，即无论物面上哪一点，它在像面上都产生同样的弥散斑，各处有相同的统一的像面上都产生同样的弥散斑，
41、各处有相同的统一的点及线扩展函数，这就是点及线扩展函数，这就是“等晕等晕”条件。条件。（3 3）几何相似性几何相似性 这一条件指物与像之间不发生几这一条件指物与像之间不发生几何变形，为简便计，设系统的几何倍率为何变形，为简便计，设系统的几何倍率为1 1，即像的，即像的空间频率等于物的空间频率。空间频率等于物的空间频率。（4 4）亮度增益为亮度增益为1 1，如亮度增益不为，如亮度增益不为1 1，也得到同样，也得到同样的结果，但推导比较麻烦。的结果，但推导比较麻烦。70学习交流PPT线光强的物及其像的线扩散函数71学习交流PPT 2 2 多碱阴极和多碱阴极和GaAsGaAs光电阴极的制备光电阴极的
42、制备 多碱阴极的制备多碱阴极的制备 1955年，Sommer首先发表了关于多碱阴极的报道，这种阴极是由Na2KSb构成基底层，然后对它进行表面处理，在其表面覆盖铯以降低其表面势垒。多碱阴极具有很高的灵敏度，刚问世初期就达到180A/lm以上，多碱阴极的光谱响应也很宽，它的长波阈值可延伸至900nm以外，它的热发射电流却很小，约1016A/cm2，所以在微光夜视、光辐射探测、高速摄影等领域得到广泛应用，它最重要的应用是在微光夜视方面。72学习交流PPT多碱阴极光电阴极薄膜多碱阴极光电阴极薄膜采用真空蒸镀法采用真空蒸镀法Na，K，Sb，Cs碱 源真空系统、烘烤系统阴极组件73学习交流PPT 目前国
43、外超二代像增强器中的阴极灵敏度已超过800A/lm；一代、二代及超二代像增强器被广泛应用在武器瞄准镜、坦克上的微光观察仪、夜视眼镜等微光系统中。多碱光电阴极由Na2KSb构成基底层，然后对它进行表面处理，在其表面覆盖铯以降低其表面势垒，制备时通过Sb、K、Na和Cs源的蒸发在基片上形成光电发射层。74学习交流PPTGaAsGaAs光电阴极光电阴极 根据Spicer光电发射的三阶段模型，50年代末光电阴极理论已建立在半导体概念的基础之上。60年代中期，这一逐步成熟的领域又取得了突破性进展，对半导体光电发射的进一步研究导致了负电子亲和势（NEA）光电阴极的诞生。制备NEA光电阴极是用铯（Cs）、氧
44、（O）对P型-族单晶化合物进行表面激活，使表面具有负的电子亲和势。75学习交流PPTGaAs光电阴极光电阴极 1965年Scheer和VanLaar首次报道了CaAs:Cs零电子亲和势光电阴极69，其反射式积分灵敏度达550A/lm。三年后A.A.Turnbull和G.B.Evans用Cs、O交替覆盖CaAs表面获得了NEA光电阴极。此后，NEA光电阴极的理论研究及制备技术迅速发展。76学习交流PPTGaAs光电阴极光电阴极 在微光夜视领域，应用NEA光电阴极的第三代像增强器大大扩展了夜视仪器的视距，改善了观察效果，开拓了微光夜视仪在夜视眼镜、远距离侦察、夜航和卫星定位等方面的应用。现在，使用
45、NEA光电阴极的三代微光器件已经广泛用于头盔驾驶仪，车载、机载及单兵侦察的微光夜视眼镜中，它们在现代战争，特别是夜战中，发挥了重要的作用。77学习交流PPT2 GaAs光电阴极光电阴极 目前，国外生产的反射式NEA光电阴极的灵敏度已达到2400A/lm，最高可达到3200A/lm，透射式阴极的灵敏度也可以超过2000A/lm以上，应用NEA光电阴极的光电管、光电倍增管和三代像增强器等器件也已商品化。国内的三代器件正在处于实用化。78学习交流PPTGaAsGaAs光电阴极的结构GaAs单晶+铯氧激活79学习交流PPTGaAsGaAs光电阴极的制备光电阴极的制备 对NEA光电阴极要求阴极材料晶体的
46、位错密度要小，掺杂要适度，电子扩散长度要长，表面要均匀且厚度可控制。用外延法生长晶体可满足这些要求。早期生长NEA光电阴极的外延层，多采用汽相外延（VPE）和液相外延（LPE），或汽相和液相的混合外延法（hybrid），也有用分子束外延（MBE）。80学习交流PPT GaAsGaAs光电阴极的制备光电阴极的制备 当前研制和生产NEA光电阴极最成功的是用金属有机化合物汽相淀积法（MOCVD或MOVPE），因为它可以用来进行大面积、均匀、超薄、多层的半导体生长，它开辟了NEA阴极的工业化生产途径。MOCVD技术是1968年由H.M.Munasevit等人提出，MOCVD法最早用于NEA光电阴极外延
47、层的生长是在1976年，目前，MOCVD法已成为制备NEA光电阴极最常用的方法。81学习交流PPT82学习交流PPT GaAsGaAs光电阴极的制备光电阴极的制备 激活过程实际就是将NEA光电阴极表面的电子亲和势降到负电子亲和势状态的过程。通常将外延生长的单晶片进行腐蚀，露出光电发射层，经化学清洗后送进超高真空室进行激活。激活过程一般包括超高真空的获得，表面清洗与分析，最后用铯氧处理。83学习交流PPTGaAs光电阴极的制备光电阴极的制备 NEA光电阴极的激活是将原子清洁的GaAs表面与Cs、O作用形成很低的表面逸出功。非常少量的其它物质污染都会妨碍NEA的建立，因此10-8Pa以上的超高真空
48、度就成了NEA光电阴极激活的首要条件。腐蚀过的GaAs单晶片首先进行化学清洗，然后通过阴极传递装置将基片送入真空系统进行高温热清洗，热清洗的温度一般在500650，热清洗的作用是将表面的自然氧化物、残余气体、有机物及来自真空系统各构件表面的气体分子等污染去除。84学习交流PPTGaAs光电阴极的制备光电阴极的制备 晶片经热清洗后，便可进行铯氧处理。最初人们采用A.A.Turnbull和G.B.Evans在1968年提出的标准激活法，又称“yo-yo”法。D.G.Fisher与G.O.Fowler证明，在标准的加热清洁、“yo-yo”激活之后，再来一次温度较低的加热和“yo-yo”激活，可将阴极
49、的光电发射提高30左右，这种激活方法通常称为“高低温两步激活”法。85学习交流PPT光电阴极的评价光电阴极的评价积分灵敏度 积分灵敏度是指像增强器中的光电阴极在辐射源的连续辐射的作用下，单位光通量所产生的饱和光电流。单位为A/lm，流明（lm）这个单位是基于人眼视见函数的。测试积分灵敏度时，常采用国际上公认的色温为2856K的钨丝白炽灯作为标准光源。积分灵敏度是像增强器的一个非常重要的指标，它简洁、直观地反映了像增强器中光电阴极的总的光电发射能力。86学习交流PPT光电阴极的评价光电阴极的评价 在入射光的某一波长，辐射功率为1W的单色光照射下，光电阴极所产生的光电流称为光电阴极在该波长下的光电
50、灵敏度。式中I为光电流，单位为安培（A）或毫安（mA），W为入射辐射功率，单位为瓦（W），因此S（）的单位为安培/瓦（A/W）或毫安/瓦（mA/W），通常采用后者。87学习交流PPT3 微通道板与离子阻挡膜通道式连续打拿极电子倍增器的概念最早出现于1930年，到60年代，随着人们对铅玻璃烧氢工艺及二次电子发射能力的探知和掌握，以及发现连续打拿极的增益决定于通道长径比而非通道的绝对长度或直径，前苏联的科研机构、美国的Bendix实验室和英国的Mullard实验室，对微通道板的实验研究工作取得实质性的进展。88学习交流PPT真正的突破是在借助熔合纤维光学加工方法的基础上，得以实现较小通道孔径的微通
