第六章 光电成像器件.ppt

第六章第六章 光电成像器件光电成像器件v光电成象器件是指能够输出图象信息的一类光电成象器件是指能够输出图象信息的一类器件，其功能大致可归为以下两类：器件，其功能大致可归为以下两类：v1、使不可见光图象（红外、紫外）变为可见、使不可见光图象（红外、紫外）变为可见光图象光图象v2、使光学图象变为电视信号、使光学图象变为电视信号真空成像器件真空成像器件固体成像器件固体成像器件光电成像器件光电成像器件v像管和摄像管的区别：像管和摄像管的区别：第一节第一节 像管的工作原理与结构像管的工作原理与结构v一、工作原理（三大功能）：一、工作原理（三大功能）：v变换光谱：将红外、紫外的辐射图像变成可见图像变换光谱：将红外、紫外的辐射图像变成可见图像v增强亮度：使图像亮度接近人眼的视觉响应峰值增强亮度：使图像亮度接近人眼的视觉响应峰值v光学成像：将电子图像在荧光屏上变成光学图像光学成像：将电子图像在荧光屏上变成光学图像v二、结构：二、结构：v光电变换部分，即光电阴极，光电子发射图象光电变换部分，即光电阴极，光电子发射图象v电子光学部分，即电子透镜，它可以使光电阴极发射出来电子光学部分，即电子透镜，它可以使光电阴极发射出来的光电子图象进行加速的光电子图象进行加速v三是电光变换部分，即荧光屏，它可以使电子图象变成可三是电光变换部分，即荧光屏，它可以使电子图象变成可见光图像见光图像v三、几种像管结构：三、几种像管结构：v1、非聚焦型像管（近贴型）、非聚焦型像管（近贴型）v光电子在电场的作用下以抛物线轨迹向荧光屏投光电子在电场的作用下以抛物线轨迹向荧光屏投射。由于均匀电场只有加速投射作用，没有聚焦射。由于均匀电场只有加速投射作用，没有聚焦成像作用，所以从光电阴极一点发出的不同初速成像作用，所以从光电阴极一点发出的不同初速的电子，不能在荧光屏上形成点像，而是一个弥的电子，不能在荧光屏上形成点像，而是一个弥散圆斑。散圆斑。v2、静电聚焦型像管、静电聚焦型像管v几个圆筒形的电极可形成对光电子聚焦和加速的电场，使电几个圆筒形的电极可形成对光电子聚焦和加速的电场，使电子滤在荧光屏上呈倒立的象。当各电极电压之比保持不变时，子滤在荧光屏上呈倒立的象。当各电极电压之比保持不变时，电子轨迹也基本不变，因此，各电极电压多用电阻链分压的电子轨迹也基本不变，因此，各电极电压多用电阻链分压的办法供给。办法供给。静电聚焦型象管结构示意图静电聚焦型象管结构示意图v3、电磁聚焦型像管、电磁聚焦型像管v特点：若光电子有偏离于管轴的速度分量，磁场会使它呈特点：若光电子有偏离于管轴的速度分量，磁场会使它呈螺旋状前进。电子每旋一圈所需的时间与初速度无关，不螺旋状前进。电子每旋一圈所需的时间与初速度无关，不管起初是沿什么方向发射，最终都可以被会聚于一点。管起初是沿什么方向发射，最终都可以被会聚于一点。电磁聚焦型象管结构示意图电磁聚焦型象管结构示意图第二节第二节 变像管变像管v1、红外变像管、红外变像管v红外辐射图像被光学物镜成像后位于光电阴极的前方，该红外辐射图像被光学物镜成像后位于光电阴极的前方，该辐射图像相当于对光电阴极有一辐射通量，光电阴极将其辐射图像相当于对光电阴极有一辐射通量，光电阴极将其变成与其亮度成正比的电子图像，经静电聚焦后轰击荧光变成与其亮度成正比的电子图像，经静电聚焦后轰击荧光屏，在转成光学图像。屏，在转成光学图像。阳极阳极光电阴极光电阴极聚焦极聚焦极荧光屏荧光屏红外变像管的应用红外变像管的应用v2、紫外变像管、紫外变像管v紫外变像管的窗口材料为石英玻璃，光电发紫外变像管的窗口材料为石英玻璃，光电发射材料为射材料为Sb-Cs阴极。它可以使波长大于阴极。它可以使波长大于200nm的紫外光变成光电子。紫外变象管与的紫外光变成光电子。紫外变象管与光学显微镜结合起来，可用于医学和生物学光学显微镜结合起来，可用于医学和生物学等方面的研究。等方面的研究。v3、光纤面板变像管、光纤面板变像管v将将光光电电阴阴极极及及荧荧光光屏屏连连同同光光纤纤面面板板一一起起制制成成球球面面型型，使使聚聚焦焦面面与与荧荧光光屏屏重重合合，从从而而改改善善了了像像质质。荧荧光光屏屏上上的的像像借借助助于于平平凹凹形形的的光光纤纤平平板板展展开开成成平平面像。面像。光电阴光电阴极极聚焦极聚焦极阳极阳极荧光屏荧光屏光纤面光纤面板板光纤面光纤面板板第三节第三节 像增强器像增强器v像增强器利用了像管功能中增强亮度、光学成像两像增强器利用了像管功能中增强亮度、光学成像两个功能。个功能。v像增强器与变像管的像增强器与变像管的异同点异同点：v一、第一代微光像增强器结构示意如下图一、第一代微光像增强器结构示意如下图：光电光电阴极阴极聚焦聚焦极极阳阳极极荧光荧光屏屏光纤光纤面板面板光纤光纤面板面板v二、二、第二代微光像增强器第二代微光像增强器v 微通道板像增强器微通道板像增强器v1、微通道板的原理和特性：微通道板的原理和特性：v通道电子倍增器：微通道板通道电子倍增器：微通道板MCP(Micro Channel Plate)是利用电子在通道内的二次倍增是利用电子在通道内的二次倍增来实现增强亮度的。来实现增强亮度的。v2、微通道板像增强器微通道板像增强器v（1 1）近贴式）近贴式MCPMCP像增强器像增强器v 近近贴贴式式MCPMCP像像增增强强器器又又称称为为平平面面型型或或薄薄片片型型像像增增强强器器。它它是是把把MCPMCP平平行行放放置置在在光光电电阴阴极极和和荧荧光光屏屏之间，三者相互靠得很近，故称双近贴式。之间，三者相互靠得很近，故称双近贴式。光电阴极光电阴极荧光屏荧光屏v(2)(2)倒像式倒像式MCPMCP像增强器（静电聚焦式像增强器（静电聚焦式MCPMCP像增器像增器）v 结构：结构：在单级第一代像增强器中，加上一块微通道板在单级第一代像增强器中，加上一块微通道板MCP，MCP与光电阴极之间是静电透镜，与光电阴极之间是静电透镜，与荧光屏之间是与荧光屏之间是近贴均匀场。近贴均匀场。v这种结构的优缺点是：分辨率高，像质好；但噪声较大。这种结构的优缺点是：分辨率高，像质好；但噪声较大。静电聚焦式静电聚焦式MCPMCP像增器像增器v3、微通道板像增强器的优缺点、微通道板像增强器的优缺点：体积小，重量轻，整管长度和重量约为一体积小，重量轻，整管长度和重量约为一代级联管的二分之一；代级联管的二分之一；(2)亮度便于调节；亮度便于调节；(3)减少了荧光屏的光反馈；减少了荧光屏的光反馈；(4)整管电压较低整管电压较低其突出的缺点是：其突出的缺点是：噪声大，主要是的附加噪声；噪声大，主要是的附加噪声；图像不够均匀；图像不够均匀；工艺难度大，主要是的制作以及后续工艺难度大，主要是的制作以及后续工序对工序对MCP有影响。有影响。第四节第四节 像管的主要特性与参数像管的主要特性与参数v直直视视式式光光电电成成像像器器件件是是为为扩扩展展人人限限视视力力范范围围而而发发展展起起来来的的，它它既既能能探探测测到到微微弱弱的的或或人人眼眼不不可可见见的的目目标标辐辐射射信信号号，又又能能将将目目标标满满意意地地成成像像，使使人人眼眼能能看看到到再再现现的的目目标标图图像像。因因此此像像管管既既是是一一个个辐辐射射探探测测器器，放放大大器器，又是成像器。又是成像器。v作作为为辐辐射射探探测测器器，它它应应具具有有高高的的量量子子效效率率和和信信号号放放大大能能力力，以以提提供供足足够够的的亮亮度度.这这一一性性能能通通常常用用灵灵敏敏度度和和亮亮度增益来描述度增益来描述.v作作为为图图像像成成像像器器，它它必必须须具具有有小小的的图图像像几几何何失失真真，适适当当的的几几何何放放大大率率，尽尽量量小小的的亮亮度度(能能量量)扩扩散散能能力力，以以提提供供足足够够的的视视角角和和对对比比。这这些些性性能能通通常常用用畸畸变变、放放大大率、分辨力及调制传递函数来描述。率、分辨力及调制传递函数来描述。1 光谱响应特性光谱响应特性v光光谱谱响响应应特特性性是是指指像像管管的的响响应应能能力力随随入入射射波波长的变化关系。长的变化关系。v像像管管的的光光谱谱响响应应特特性性实实际际上上是是其其光光阴阴极极的的光光谱响应待性。它决定了像管应用的光谱范围。谱响应待性。它决定了像管应用的光谱范围。v像像管管的的光光谱谱响响应应特特性性通通常常用用光光谱谱响响应应率率、量量子子效效率率、光光谱谱特特性性曲曲线线和和积积分分响响应应率率(简简称称响响应率应率)来描述。来描述。v光光谱谱响响应应率率是是像像管管对对单单色色入入射射辐辐射射的的响响应应能能力，以力，以Rj 表示。表示。v响响应应率率是是像像管管对对全全色色入入射射辐辐射射的的响响应应能能力力，以以R表示。表示。v由由于于在在实实际际应应用用中中，像像管管接接收收的的往往往往不不是是单单色色辐辐射射，而而是是某某一一光光源源的的全全色色辐辐射射，所所以以响响应率更具有实际意义。应率更具有实际意义。2 增益特性增益特性v合适的亮度是观察图像的必要条件。合适的亮度是观察图像的必要条件。v像管输出的图像亮度既与入射图像的照度有像管输出的图像亮度既与入射图像的照度有关，又取决于像管本身对辐射能量的变换与关，又取决于像管本身对辐射能量的变换与增强的能力。增强的能力。v“增益增益”就是用来描述像管这种能力的参数。就是用来描述像管这种能力的参数。1.增益定义增益定义 像管的增益有：亮度增益、辐射亮度增益及光通像管的增益有：亮度增益、辐射亮度增益及光通量增益之分。其中亮度增益是最基本而通用的。量增益之分。其中亮度增益是最基本而通用的。2.亮度增益的定义亮度增益的定义 像管的亮度增益定义为：像管在标准光源照射下，像管的亮度增益定义为：像管在标准光源照射下，荧光屏上的光出射度荧光屏上的光出射度M与入射到阴极面上的照度与入射到阴极面上的照度Ev之比。即之比。即 GL=M/EV3 背景特性背景特性v合适的亮度是人眼观察图像的必要条件，但像合适的亮度是人眼观察图像的必要条件，但像管的输出亮度并不都是有用的。管的输出亮度并不都是有用的。v在输出端荧光屏的图像上，除了有用的成像在输出端荧光屏的图像上，除了有用的成像(信号信号)亮度以外，还存在一种非成像的附加亮亮度以外，还存在一种非成像的附加亮度，称之为背景度，称之为背景(或背景亮度或背景亮度)。v像管的背景包括无光照射情况下的暗背景和因像管的背景包括无光照射情况下的暗背景和因人射信号的影响而产生的附加背景，称为信号人射信号的影响而产生的附加背景，称为信号感生背景感生背景(或光致背景或光致背景).v暗背景产生的主要原因是光阴极的热电子发射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和管内颗粒引起的场致发射4 成像特性成像特性v像管既是一个辐射探测器，又是一个图像探像管既是一个辐射探测器，又是一个图像探测器。作为图像探测器，它应该具备好的成测器。作为图像探测器，它应该具备好的成像特性。像特性。v像管光阴极面上接收来自物空间的图像辐射照度，像管光阴极面上接收来自物空间的图像辐射照度，并由这一辐射照度的值在阴极面上的强度分布构成并由这一辐射照度的值在阴极面上的强度分布构成输入图像通过像管这个成像器件的转换与增强在输入图像通过像管这个成像器件的转换与增强在荧光屏上产生相应的亮度分布，构成输出图像。荧光屏上产生相应的亮度分布，构成输出图像。v像管在完成转换与增强的过程中，由于非理想成像，像管在完成转换与增强的过程中，由于非理想成像，所以输出图像的几何尺寸、形状及亮度分布不能准所以输出图像的几何尺寸、形状及亮度分布不能准确地再现输入的幅照度分布，而使图像像质下降。确地再现输入的幅照度分布，而使图像像质下降。v这种像质下降主要表现在几何形状及亮度分布的失这种像质下降主要表现在几何形状及亮度分布的失真。通常用放大率、畸变、分辨力和调制传递函数真。通常用放大率、畸变、分辨力和调制传递函数来描述来描述。1）放大率）放大率 像管的放大率像管的放大率m，指的是像管出射端输指的是像管出射端输出图像的线性尺寸出图像的线性尺寸 l 与其对应的入射端与其对应的入射端图像的线性尺寸图像的线性尺寸 l 之比，之比，m=l/l因此，因此，放大率是表征像管对图像几何尺寸放大率是表征像管对图像几何尺寸放大或缩小能力的一个性能参数。放大或缩小能力的一个性能参数。2）畸变畸变 由于像管常采用静电聚焦电子光学系统，它的边缘由于像管常采用静电聚焦电子光学系统，它的边缘放大率比近轴放大率大，所以在出射端图像产生枕放大率比近轴放大率大，所以在出射端图像产生枕形畸变。形畸变。由于物高不同，放大率不同，导致图像形状发生畸由于物高不同，放大率不同，导致图像形状发生畸形变化，故称为畸变，并以形变化，故称为畸变，并以D表示畸变的程度。表示畸变的程度。式中，式中，mr为距光阴极中心特定半径处的放大为距光阴极中心特定半径处的放大率率,m0为中心放大率。为中心放大率。3）分辨力）分辨力 成像器件能够将两个相隔极近的目标的成像器件能够将两个相隔极近的目标的像，刚刚能分辨清的能力称为分辨力像，刚刚能分辨清的能力称为分辨力。由于像管中电子光学系统存在着各种象差，由于像管中电子光学系统存在着各种象差，再加上荧光屏对入射电子、输出电子的散射再加上荧光屏对入射电子、输出电子的散射和荧光粉粒度的限制，以及级间耦合元件对和荧光粉粒度的限制，以及级间耦合元件对光的散射、串光等原因造成亮度分布失真，光的散射、串光等原因造成亮度分布失真，使输出图像的清晰度下降。为评定像管的成使输出图像的清晰度下降。为评定像管的成像质量，最简单常用的方法是测定其分辩力像质量，最简单常用的方法是测定其分辩力.