曹峰梅第2章直視型光電成像器件（2.1~2.2）光電成像原理與技術像管——直視型成像系統(tǒng)的核心元件可分為像增強器和變像管。前者，將微弱光圖像，轉(zhuǎn)換成清晰、明亮的圖像；后者，將非可見光的輻射圖像轉(zhuǎn)換清晰、明亮的圖像。第2章光電成像器件2.1像管成像的物理過程像管成像的物理過程像管實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換與圖像增強的思路問題：弱（非）光圖像

明亮可見光圖像，直接轉(zhuǎn)換難度大。弱電信號

強電信號，技術成熟度高。像管實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換與圖像增強的思路解決思路：迂回——借助光電變換，電電增強，電光轉(zhuǎn)換來解決。像管成像的物理過程像管成像的步驟：將接受的微弱或不可見的輸入輻射圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像使電子圖像獲得能量或數(shù)量增強，并聚焦成像將增強的電子圖像轉(zhuǎn)換為可見的光學圖像像管成像的物理過程實現(xiàn)的技術手段：光陰極電子光學系統(tǒng)，MCP熒光屏像管成像的步驟：將接受的微弱或不可見的輸入輻射圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像使電子圖像獲得能量或數(shù)量增強，并聚焦成像將增強的電子圖像轉(zhuǎn)換為可見的光學圖像1.光電陰極——光學圖像轉(zhuǎn)化為電子圖像像管利用外光電效應，將輸入的輻射圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像：1.光電陰極——光學圖像轉(zhuǎn)化為電子圖像像管利用外光電效應，將輸入的輻射圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像：光敏面接收輻射量子產(chǎn)生電子發(fā)射?！獝垡蛩固苟桑汗怆姲l(fā)射出來的光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比，與入射光的強度無關。1.光電陰極——光學圖像轉(zhuǎn)化為電子圖像像管利用外光電效應，將輸入的輻射圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像：光敏面接收輻射量子產(chǎn)生電子發(fā)射?！獝垡蛩固苟桑汗怆姲l(fā)射出來的光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比，與入射光的強度無關。所發(fā)射的電子流密度正比于輻射通量分布?！雇辛型蟹蚨桑猴柡凸怆姲l(fā)射的電子流密度與入射輻射通量密度成正比。光電陰極——光學圖像轉(zhuǎn)化為電子圖像像管利用外光電效應，將輸入的輻射圖像轉(zhuǎn)換成電子圖像：光敏面接收輻射量子產(chǎn)生電子發(fā)射。——愛因斯坦定律：光電發(fā)射出來的光電子的最大初動能與入射光的頻率成正比，與入射光的強度無關。所發(fā)射的電子流密度正比于輻射通量分布?！雇辛型蟹蚨桑猴柡凸怆姲l(fā)射的電子流密度與入射輻射通量密度成正比。由入射輻射分布所構成的圖像可以通過光陰極變換成電子流分布構成的電子圖像。電子光學系統(tǒng)（或+MCP）——電子圖像的能量增強像管中的電子圖像通過特定的靜電場或電磁復合場獲得能量增強。電子光學系統(tǒng)（或+MCP）——電子圖像的能量增強像管中的電子圖像通過特定的靜電場或電磁復合場獲得能量增強。低能量的電子圖像在靜電場或電磁復合聚焦場的庫侖力、洛倫茲力作用下得到加速并聚焦到熒光屏上。電子光學系統(tǒng)（或+MCP）——電子圖像的能量增強像管中的電子圖像通過特定的靜電場或電磁復合場獲得能量增強。低能量的電子圖像在靜電場或電磁復合聚焦場的庫侖力、洛倫茲力作用下得到加速并聚焦到熒光屏上。像管中特定設置的靜電場或電磁復合場稱之為電子光學系統(tǒng)，具有聚焦電子圖像的作用。也稱電子透鏡。電子光學系統(tǒng)（或+MCP）——電子圖像的能量增強像管中的電子圖像通過特定的靜電場或電磁復合場獲得能量增強。低能量的電子圖像在靜電場或電磁復合聚焦場的庫侖力、洛倫茲力作用下得到加速并聚焦到熒光屏上。像管中特定設置的靜電場或電磁復合場稱之為電子光學系統(tǒng)，具有聚焦電子圖像的作用。也稱電子透鏡。有些像管中還有MCP（微通道板），通過電子圖像的電子流密度倍增來進行圖像增強。熒光屏——電子圖像的發(fā)光顯示熒光屏的基本材料使晶態(tài)磷光體，在受到高速電子轟擊時，會產(chǎn)生受激發(fā)光的現(xiàn)象。熒光屏——電子圖像的發(fā)光顯示熒光屏的基本材料使晶態(tài)磷光體，在受到高速電子轟擊時，會產(chǎn)生受激發(fā)光的現(xiàn)象。熒光屏不僅要具有高的轉(zhuǎn)換效率，而且發(fā)射的光譜要和眼睛或與之耦合的光陰極光譜響應一致。熒光屏——電子圖像的發(fā)光顯示熒光屏的基本材料使晶態(tài)磷光體，在受到高速電子轟擊時，會產(chǎn)生受激發(fā)光的現(xiàn)象。熒光屏不僅要具有高的轉(zhuǎn)換效率，而且發(fā)射的光譜要和眼睛或與之耦合的光陰極光譜響應一致。當像管中電子圖像的加速電壓一定時，熒光屏的發(fā)光亮度就正比于入射電子流的密度，由此，熒光屏就可以將電子圖像轉(zhuǎn)換成可見光的圖像。第2章光電成像器件2.2像管的結構類型與性能參數(shù)像管的結構類型與發(fā)展進程像管結構類型像管的分類方法按照工作波段分類變像管（紅外，紫外，x射線管等）像增強器按工作方式分類連續(xù)工作像管選通工作像管按結構分類近貼式像管倒像式像管靜電聚焦式像管電磁復合聚焦式像管按像管發(fā)展階段分類零代微光像增強器技術一代級聯(lián)式像增強器技術采用微通道板(MCP)的二代像增強器采用負電子親和勢光陰極的三代像增強器技術超二代像增強器技術超三代像增強器技術第四代像增強器技術

輸入窗(玻璃或FOB)

光電陰極薄膜熒光粉輸出窗(玻璃或FOB)

陶瓷絕緣體金屬可閥

MCP投射成像從典型結構示意圖認識像管VcVsUVhυ

hυVcVsVm1Vm2UVhυhυ

輸入窗(玻璃或FOB)

光電陰極薄膜熒光粉輸出窗(玻璃或FOB)

陶瓷絕緣體金屬可閥

MCP投射成像從典型結構示意圖認識像管VcVsUVhυ

hυVcVsVm1Vm2UVhυhυVcVsVaVsVm1Vm2VcVa聚焦成像從典型結構示意圖認識像管從典型結構示意圖認識像管從典型結構示意圖認識像管電磁復合聚焦式像管示意圖1-15kV；2-絕緣環(huán)；3-磁體；4-磁極片；5-輸入窗；6-光陰極；7-加速環(huán)；8-熒光屏；9-輸出窗；l0-絕緣材料電磁復合聚焦式像管示意圖1-15kV；2-絕緣環(huán)；3-磁體；4-磁極片；5-輸入窗；6-光陰極；7-加速環(huán)；8-熒光屏；9-輸出窗；l0-絕緣材料從典型結構示意圖認識像管選通式像增強器結構示意圖從典型結構示意圖認識像管選通式像增強器結構示意圖從典型結構示意圖認識像管從典型結構示意圖認識像管選通式像增強器結構示意圖

123456-150V+15KV變倍式像增強器結構示意圖

1、6-光纖面板；2-光陰極；3-調(diào)焦電極；4-變倍電極；5-熒光屏

從典型結構示意圖認識像管

123456-150V+15KV變倍式像增強器結構示意圖

1、6-光纖面板；2-光陰極；3-調(diào)焦電極；4-變倍電極；5-熒光屏

從典型結構示意圖認識像管縮小型X射線變像管結構示意圖

1-X射線轉(zhuǎn)換屏；2-光陰極；3-聚焦極；4-陽極；5-輸出熒光屏

近貼式X射線變像管工作原理示意圖-VMCsI陰極MCP輸出熒光屏X光-VP輸入窗像管的分類方法按像管發(fā)展階段分類零代微光像增強器技術一代級聯(lián)式像增強器技術采用微通道板(MCP)的二代像增強器采用負電子親和勢光電陰極的三代像增強器技術超二代像增強器技術（二代基礎上提升性能）超三代像增強器技術（三代基礎上改進MCP技術）第四代像增強器技術（進一步改進MCP，提升整管性能）像管的性能參數(shù)光譜響應特性光譜響應率量子效率光譜特性曲線光譜匹配系數(shù)增益特性背景特性成像特性像管的性能參數(shù)光譜響應特性（光電陰極指標）

響應率的定義：P為入射輻射功率；I為輸出信號電流強度；Pλ為單色輻射功率；Rλ為光陰極光譜響應率；P（λ）、Pm分別為單色輻射功率相對值、最大值；R（λ）、Rm分別為光陰極相對光譜響應率、最大值。光譜響應特性（光電陰極指標）

響應率的定義：P為入射輻射功率；I為輸出信號電流強度；Pλ為單色輻射功率；Rλ為光陰極光譜響應率；P（λ）、Pm分別為單色輻射功率相對值、最大值；R（λ）、Rm分別為光陰極相對光譜響應率、最大值。光譜響應特性（光電陰極指標）

響應率的定義：P為入射輻射功率；I為輸出信號電流強度；Pλ為單色輻射功率；Rλ為光陰極光譜響應率；P（λ）、Pm分別為單色輻射功率相對值、最大值；R（λ）、Rm分別為光陰極相對光譜響應率、最大值。a——光譜匹配系數(shù)。亮度增益輻射亮度增益光通量增益定義為：像管在標準光源照射下，熒光屏上的光出射度M與入射到陰極面上的照度EV之比。*K為光視效能；As為熒光屏有效面積；Ac為光陰極面有效面積；m為像管的幾何放大率。增益特性單管亮度增益的影響因素探究若以τ表示電子光學系統(tǒng)透射比，U為像管的加速電壓，則射到熒光屏上的電功率為

增益特性按照響應度的定義，有陰極輸出電流單管亮度增益的影響因素探究若以τ表示電子光學系統(tǒng)透射比，U為像管的加速電壓，則射到熒光屏上的電功率為

定義熒光屏發(fā)光效率η＝Φa/P，則熒光屏發(fā)出的光通量為增益特性按照響應度的定義，有陰極輸出電流單管亮度增益的影響因素探究若以τ表示電子光學系統(tǒng)透射比，U為像管的加速電壓，則射到熒光屏上的電功率為

定義熒光屏發(fā)光效率η＝Φa/P，則熒光屏發(fā)出的光通量為增益特性按照響應度的定義，有陰極輸出電流提高增益——必須提高η、τ

、R、U，減小m。多管級聯(lián)呢？如三級級聯(lián)式中R1為第一級光陰極對入射光的響應率，R2,R3是后級光陰極對前一級熒光屏的積分響應率增益特性提高增益——必須提高η、τ

、R、U，減小m，同樣成立。等效背景照度對比度惡化系數(shù)信噪比背景特性（噪聲特性）等效背景照度背景特性（噪聲特性）定義：在輸出熒光屏的圖像上，除了有用的成像（信號）亮度以外，還存在著一種非成像的附加亮度，稱為背景（背景亮度）。產(chǎn)生原因：暗背景Ldb：陰極熱發(fā)射，場致發(fā)射。信號感生背景Lsb

：陰極透射光、管內(nèi)散射光、離子反饋、光反饋。等效背景照度的典型值，對變像管而言為10-3lx數(shù)量級，對像增強器而言則為10-7lx數(shù)量級。對比度惡化系數(shù)背景特性（噪聲特性）像管的全部噪聲反映在輸出像點的閃爍上(可通過測量輸出像點的平均亮度與閃爍值獲得信噪比)。信噪比背景特性（噪聲特性）國際上規(guī)定的測試條件：取像點的直徑為0.2mm，輸入照度1.24×10-5lx，測試系統(tǒng)（含被測器件）的等效通頻帶寬為10Hz。如果所用的像點面積為A，輸入照度為E，通頻帶寬為Δf時，其計算信噪比的公式為：S和S0分別為有光照和無光照時的輸出信號值和背景信號值信噪比背景特性（噪聲特性）橫向放大率畸變成像特性的主要指標輸出端的圖像線性尺寸l’與輸入端圖像的線性尺寸l之比。橫向放大率畸變成像特性的主要指標mr為距光陰極中心特定半徑處的放大率；m0為中心放大率。通常取光陰極有效直徑80%處的放大率來表征畸變大小。橫向放大率畸變成像特性的主要指標mr為距光陰極中心特定半徑處的放大率；m0為中心放大率。D>0?D<0?三級級聯(lián)?D1、D2、D3是各單級像管的相對畸變。極限分辨力品質(zhì)因數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)成像特性的主要指標m——成像器件能將兩個相隔極近的目標的像，剛剛能分辨清的能力稱為分辨力。lp/mm極限分辨力一樣，成像質(zhì)量是否一致？單管分辨力高，級聯(lián)后呢？確定極限分辨力是否容易？主觀測量的麻煩極限分辨力品質(zhì)因數(shù)調(diào)制傳遞函數(shù)成像特性的主要指標美國近年來提出一種新的質(zhì)量評價指標——D=m×SNR。A檔B檔C檔D檔DEP超二代F9810BOmniIIEnhancedDEPSHD-3TMF9810COmniIIIEnhancedDEPXD-4TMF9810JOmniIIIPlusF9810POmniIVMX-10160A(Litton)(有膜)DEPXR5TMF9815RGPinnacle(ITT)MX-10160B(Litton)(無膜)極限分辨力(lp/mm)4045545164646464706457-72信噪比SNR1914.5201824192121282520.6~36GDEP(cd/m2/lx,@2

10-5lx)USA(fl/fc,@210-6fc)27,000/

(4~7)

10440,000/

(4~7)

10440,000/

(4~7)

104(4~7)

104(4~7)

10440,000/

(4~7)

104(3~8)

104EBI(

lx,

10-11lm/cm2

)0.152.50.152.50.152.52.52.5<0.152.50.5-2.5S(uA/lm,@2850/2856K550800600120070013501800180085020001500-2100RS(mA/W,@800/830nm)40NA55NA601351901908423077-200RS(mA/W,@850/880nm)30NA45NA50807230-100MTF(%)2.5lp/mm86838890929292929392927.5lp/mm62607070808080828015lp/m363850455861616167616125lp/mm201830203838383846383825lp/mm223035注：部分參數(shù)與測試條件相關，由于歐洲和美國采用不同的測試標準，因此，表中帶下橫線的數(shù)據(jù)對應美國測試標準。A檔B檔C檔D檔DEP超二代F9810BOmniIIEnhancedDEPSHD-3TMF9810COmniIIIEnhancedDEPXD-4TMF9810JOmniIIIPlusF9810POmniIVMX-10160A(Litton)(有膜)DEPXR5TMF9815RGPinnacle(ITT)MX-10160B(Litton)(無膜)極限分辨力(lp/mm)4045545164646464706457-72信噪比SNR1914.5201824192121282520.6~36GDEP(cd/m2/lx,@2

10-5lx)USA(fl/fc,@210-6fc)27,000/

(4~7)

10440,000/

(4~7)

10440,000/

(4~7)

104(4~7)

104(4~7)

10440,000/

(4~7)

104(3~8)

104EBI(

lx,

10-11lm/cm2

)0.152.50.152.50.152.52.52.5<0.152.50.5-2.5S(uA/lm,@2850/2856K550800600120070013501800180085020001500-2100RS(mA/W,@800/830nm)40NA55NA601351901908423077-200RS(mA/W,@850/880nm)30NA45NA50807230-100MTF(%)2.5lp/mm86838890929292929392927.5lp/mm62607070808080828015lp/m363850455861616167616125lp/mm201830203838383846383825lp/mm223035注：部分參數(shù)與測試條件相關，由于歐洲和美國采用不同的測試標準，因此，表中帶下橫線的數(shù)據(jù)對應美國測試標準。

品質(zhì)因數(shù)

650~760900~11001216~1536>1600A檔B檔C檔D檔DEP超二代F9810BOmniIIEnhancedDEPSHD-3TMF9810COmniIIIEnhancedDEPXD-4TMF9810JOmniIIIPlusF9810POmniIVMX-10160A(Litton)(有膜)DEPXR5TMF9815RGPinnacle(ITT)MX-10160B(Litton)(無膜)極限分辨力(lp/mm)4045545164646464706457-72信噪比SNR1914.5201824192121282520.6~36GDEP(cd/m2/lx,@2

10-5lx)USA(fl/fc,@210-6fc)27,000/

(4~7)

10440,000/

(4~7)

10440,000/

(4~7)

104(4~7)

104(4~7)

10440,000/

(4~7)

104(3~8)

104EBI(

lx,

10-11lm/cm2

)0.152.50.152.50.152.52.52.5<0.152.50.5-2.5S(uA/lm,@2850/2856K550800600120070013501800180085020001500-2100RS(mA/W,@800/830nm)40NA55NA601351901908423077-200RS(mA/W,@850/880nm)30NA45NA50807230-100MTF(%)2.5lp/mm86838890929292929392927.5lp/mm62607070808080828015lp/m363850455861616167616125lp/mm201830203838383846383825lp/mm223035注：部分參數(shù)與測試條件相關，由于歐洲和美國采用不同的測試標準，因此，表中帶下橫線的數(shù)據(jù)對應美國測試標準。

品質(zhì)因數(shù)650~760900~11001216~1536>1600D<1600可出口北約及“金色七國”(澳/日/韓/以/埃及/阿根廷/巴林)A檔B檔C檔D檔DEP超二代F9810BOmniIIEnhancedDEPSHD-3TMF9810COmniIIIEnhancedDEPXD-4TMF9810JOmniIIIPlusF9810POmniIVMX-10160A(Litton)(有膜)DEPXR5TMF9815RGPinnacle(ITT)MX-10160B(Litton)(無膜)極限分辨力(lp/mm)4045545164646464706457-72信噪比SNR1914.5201824192121282520.6~36GDEP(cd/m2/lx,@2

10-5lx)USA(fl/fc,@210-6fc)27,000/

(4~7)

10440,000/

(4~7)

10440,000/

(4~7)

104(4~7)

104(4~7)

10440,000/

(4~7)

104(3~8)

104EBI(

lx,

10-11lm/cm2

)0.152.50.152.50.152.52.52.5<0.152.50.5-2.5S(uA/lm,@2850/2856K550800600120070013501800180085020001500-2100RS(mA/W,@800/830nm)40NA55NA601351901908423077-200RS(mA/W,@850/880nm)30NA45NA50807230