曹峰梅第2章直視型光電成像器件（2.5~2.7）光電成像原理與技術(shù)2.5電子圖像的發(fā)光顯示2.5.1熒光屏的結(jié)構(gòu)與發(fā)光理論基礎(chǔ)熒光屏的基本結(jié)構(gòu)與發(fā)光基本原理熒光屏上的發(fā)光物質(zhì)晶態(tài)磷光體：某些硫化物、氧化物或硅酸鹽等粉末狀晶體在適當(dāng)摻雜后具有受激發(fā)光的特性，這些材料稱為晶態(tài)磷光體。熒光：晶態(tài)磷光體在受電子激發(fā)時(shí)，產(chǎn)生的光發(fā)射為熒光；磷光：當(dāng)電子激發(fā)停止后，所持續(xù)產(chǎn)生的光發(fā)射稱為磷光。熒光屏的底層是由晶態(tài)磷光體微細(xì)顆粒沉積而成的薄層，厚度(5~8μm)略大于顆粒直徑(1~5μm)。熒光屏的表層蒸鍍了一層厚度約0.1μm鋁膜。蒸鍍鋁膜的作用：引走積累的負(fù)電荷防止光反饋到光陰極使熒光屏形成等電位將光反饋到輸出方向熒光屏的構(gòu)成鍍鋁熒光屏的剖面圖1－鋁膜；2－熒光粉層；3－玻璃或光纖面板激活劑雜質(zhì)所構(gòu)成的局部能態(tài)稱為發(fā)光中心?；|(zhì)中的原子在高能電子轟擊下產(chǎn)生電離，會(huì)使電離出的電子躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶留下空穴①，雜質(zhì)能級(jí)的電子受激也會(huì)躍遷；⑩熒光層的發(fā)光機(jī)理-復(fù)合發(fā)光的固體能帶模型

熒光層的發(fā)光機(jī)理-復(fù)合發(fā)光的固體能帶模型產(chǎn)生出的空穴和電子分別在價(jià)帶和導(dǎo)帶內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)散②④；熒光層的發(fā)光機(jī)理-復(fù)合發(fā)光的固體能帶模型當(dāng)價(jià)帶中的空穴擴(kuò)散到雜質(zhì)原子附近，就會(huì)與局部雜質(zhì)能級(jí)上的電子相復(fù)合，形成了受激電離的發(fā)光中心③；熒光層的發(fā)光機(jī)理-復(fù)合發(fā)光的固體能帶模型靠近發(fā)光中心產(chǎn)生的受激電子，很容易和近距離的發(fā)光中心復(fù)合，而發(fā)出短瞬的光，是發(fā)光的主體⑨；熒光層的發(fā)光機(jī)理-復(fù)合發(fā)光的固體能帶模型在導(dǎo)帶中遷移的受激電子，可能被某些淺的局部能級(jí)俘獲，后借助晶格振動(dòng)，再次躍遷到導(dǎo)帶，再經(jīng)發(fā)光中心復(fù)合，輻射光子。這一過(guò)程，因受激電子被短暫俘獲而延遲，從而構(gòu)成熒光屏的余暉；⑤⑥熒光層的發(fā)光機(jī)理-復(fù)合發(fā)光的固體能帶模型在導(dǎo)帶中遷移的受激電子，可能被某些深的局部能級(jí)俘獲，在外界作用下(加熱或輻射照射)，才能使電子獲釋，再與電離的發(fā)光中心相互復(fù)合，輻射出可見(jiàn)光光子⑦⑧；該現(xiàn)象稱為熱釋光或光釋光過(guò)程。2.5電子圖像的發(fā)光顯示2.5.2典型熒光屏發(fā)光特性典型熒光屏發(fā)光特性右圖為藍(lán)熒光屏(ZnS:Ag)這類熒光屏發(fā)光光譜與照相底片的感光光譜分布相匹配，具有短余暉(下降到10%時(shí)約為0.05ms)，發(fā)光效率(約3cd/W)適宜做攝影的像管熒光屏。左圖為黃綠熒光屏(ZnS.CdS:Ag)這類熒光屏發(fā)光光譜與視覺(jué)光譜響應(yīng)匹配，具有中短余暉(下降到10%時(shí)約為0.2ms)和較高的發(fā)光效率(>15cd/W)。熒光屏的發(fā)光特性熒光屏的轉(zhuǎn)換效率不僅與晶態(tài)磷光體的材料有關(guān)，還和粉層厚度，粒度，入射電子的能量，以及鋁膜的影響等因素相關(guān)；像管熒光屏的轉(zhuǎn)換效率還應(yīng)考慮光譜分布和光譜匹配問(wèn)題。熒光屏的發(fā)光特性熒光屏的分辨力與厚度成反比，但過(guò)薄的厚度勢(shì)必影響發(fā)光效率，需要選擇適中的顆粒度和厚度，已達(dá)到亮度與分辨力的平衡。熒光屏的發(fā)光特性熒光屏的其它特性2.6光學(xué)圖像的傳輸與電子圖像的增強(qiáng)2.6.1光學(xué)纖維面板光纖面板的結(jié)構(gòu)與傳光原理光學(xué)纖維面板光纖面板對(duì)像管的貢獻(xiàn)傳像原理錐形光學(xué)面板和扭像器光纖面板的制作工藝光學(xué)纖維面板光纖面板為像增強(qiáng)器帶來(lái)了如下優(yōu)點(diǎn):增加了傳遞圖像的傳光效率提供了可采用準(zhǔn)同心球?qū)ΨQ電子光學(xué)系統(tǒng)的可能性，從而改善了像質(zhì)可制成錐形光學(xué)纖維面板或光學(xué)纖維扭像器，從而實(shí)現(xiàn)改變放大率或倒像的傳像作用光纖面板對(duì)像管的貢獻(xiàn)光學(xué)纖維面板傳像原理:全反射原理n1n2αiα1α2α3以一根光線的入射過(guò)程做分析：設(shè)光纖外的空氣折射率為n0，芯料折射率為n1，皮料折射率為n2。空氣端面入射角為αi，芯料端面內(nèi)的折射角為α1，從芯料向皮料側(cè)壁入射角為α2，皮料由此產(chǎn)生的折射角為α3。根據(jù)全反射條件，臨界入射角的表達(dá)式：光學(xué)纖維面板傳像原理:全反射原理n1n2αiα1α2α3根據(jù)全反射條件，臨界入射角的表達(dá)式：光學(xué)纖維面板傳像原理:全反射原理n1n2αiα1α2α3

根據(jù)幾何關(guān)系和折射定律，可以得到由三種折射率限定的入射角的正弦值范圍根據(jù)全反射條件，臨界入射角的表達(dá)式：光學(xué)纖維面板傳像原理:全反射原理n1n2αiα1α2α3

只要選擇光導(dǎo)纖維的芯料和皮料的折射率滿足如上不等式，即可具有理想傳像功能。根據(jù)全反射條件，臨界入射角的表達(dá)式：

數(shù)值孔徑與三環(huán)效應(yīng):光學(xué)纖維的數(shù)值孔徑A的定義表達(dá)式：式中α為孔徑角，光學(xué)纖維只傳遞入射角小于α的光線。光纖面板有效傳光效率總是小于1，當(dāng)入射光為朗伯光源時(shí)，其效率為50%~60%。降低有效傳光效率的因素有：入射到光導(dǎo)纖維外皮的光全是無(wú)效的，通常，光學(xué)纖維面板的外皮截面面積占總截面積的30%；光線在光纖面板端面上，及界面處的反射損失；光線在光導(dǎo)纖維之間的串光損失。

數(shù)值孔徑與三環(huán)效應(yīng):光導(dǎo)纖維間串光的起因可以用三環(huán)效應(yīng)來(lái)說(shuō)明：當(dāng)一束準(zhǔn)直光照射光學(xué)纖維面板時(shí)，其輸出呈現(xiàn)出三個(gè)環(huán)帶：入射角最小的第一環(huán)帶光，表示由內(nèi)芯向外皮串光產(chǎn)生的光環(huán)；出射角相等的第二環(huán)帶，這是內(nèi)芯全反射產(chǎn)生的光環(huán)，也有入射到外皮由外皮出射的光。－有效傳遞圖像的光；出射角最大的第三個(gè)環(huán)帶，其出射角與入射角表達(dá)式為公式c，這是由外皮向內(nèi)芯串光得到的光環(huán)。

錐形光學(xué)面板和扭像器:錐形光導(dǎo)纖維:其主要區(qū)別于普通光纖面板的就是放大率不等于1。光學(xué)纖維扭像器：其輸入像與輸出像正好成倒像關(guān)系。皮料玻璃一次化料→二次化料→機(jī)械拉管→退火→刻槽→清洗芯料玻璃熔煉→制棒→退火→研磨、拋光→刻槽→清洗實(shí)體邊玻璃熔煉→制棒→退火→研磨、拋光→刻槽→清洗拉單絲→排復(fù)絲棒→拉復(fù)絲→選復(fù)絲→排板(排屏)→壓板→切片→滾圓→倒邊磨、拋→清洗→檢驗(yàn)光纖面板制作工藝2.6光學(xué)圖像的傳輸與電子圖像的增強(qiáng)2.6.2微通道板微通道板的結(jié)構(gòu)與增益原理看一個(gè)視頻微通道板的構(gòu)成及制備過(guò)程通道內(nèi)的二次電子發(fā)射輸出電流密度的飽和效應(yīng)離子反饋VsVm1Vm2VcVa微通道板的結(jié)構(gòu)和增益原理微通道板(MCP)的構(gòu)成微通道板是一塊通道內(nèi)壁具有良好二次電子發(fā)射性能的微細(xì)空心通道玻璃纖維板?；緮?shù)據(jù)：通道孔徑約5~45μm；端面開(kāi)口比約55%~80%；通道長(zhǎng)度與孔徑比的典型值為40。微通道板兩端鍍有鎳層，形成輸入輸出電極；微通道通常不垂直于斷面，具有7~15度傾角；通道內(nèi)的表層具有半導(dǎo)電和較高的二次電子發(fā)射特性；有時(shí)在微通道板輸入端鍍上約厚1~3nm的三氧化二鋁膜，用于防通道內(nèi)的離子反饋，保護(hù)像管的光陰極，避免其受離子沖擊。皮料玻璃一次化料→二次化料→機(jī)械拉管→退火→刻槽→清洗芯料玻璃熔煉→制棒→退火→研磨、拋光→刻槽→清洗實(shí)體邊玻璃熔煉→制棒→退火→研磨、拋光→刻槽→清洗拉單絲→排復(fù)絲棒→拉復(fù)絲→選復(fù)絲→排板(排屏)→壓板→切片→滾圓→倒邊磨、拋→清洗→檢驗(yàn)→清洗→腐蝕→清洗→烘干→氫還原→鍍電極→檢驗(yàn)→測(cè)試→包裝→與制管工藝兼容性試驗(yàn)微通道板的制備過(guò)程微通道板的制備過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)MCP(左)和擴(kuò)口的高性能MCP(右)的SEM圖微通道板的構(gòu)成及制備過(guò)程通道內(nèi)的二次電子發(fā)射輸出電流密度的飽和效應(yīng)離子反饋VsVm1Vm2VcVa微通道板的結(jié)構(gòu)和增益原理二次電子發(fā)射：當(dāng)高速電子入射到固體表層，連續(xù)與體內(nèi)電子碰撞使電子受激而逸出表面的過(guò)程稱為二次電子發(fā)射。其出射的電子數(shù)與入射電子數(shù)之比定義為二次電子發(fā)射系數(shù)δ(或二次電子倍增系數(shù))二次電子發(fā)射系數(shù)是入射電子加速電位和入射角的函數(shù)通道內(nèi)的二次電子發(fā)射微通道板入射端對(duì)著光電陰極，位于電子光學(xué)系統(tǒng)像面上，出口端對(duì)著熒光屏；入射電子在通道內(nèi)連續(xù)倍增，直至從通道出口端出射為止；通道板的各通道彼此隔離，因此它可以將二維分布的電子流對(duì)應(yīng)地增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)電子圖像增強(qiáng)。通道內(nèi)的二次電子發(fā)射微通道板的電流增益G用輸出輸入電流之比來(lái)表示。在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，可用出射與入射電子數(shù)之比表示。簡(jiǎn)化的電流增益表達(dá)式(a)的推導(dǎo)是建立在如下近似處理的基礎(chǔ)上的：通道內(nèi)二次電子逸出表面的角分布符合余弦分布，因此歸化為最可幾出射角出射角，即垂直于表面出射；通道內(nèi)二次電子的初能量分布呈現(xiàn)麥克斯韋分布，也歸為最可幾值，用V0表示其初電位的最可幾值；由于通道內(nèi)電子的出射角及初電位都?xì)w化為確定值，故通道內(nèi)電場(chǎng)作用下電子運(yùn)動(dòng)軌跡都一致，可以取統(tǒng)一的二次電子倍增系數(shù)，令平均倍增系數(shù)為δ，并取其等于KVc(Vc為入射電子的加速電位，K為比例系數(shù))。

(a)式中η為通道板輸入斷面的探測(cè)效率，通常等于輸入端面通道開(kāi)口面積與總面積之比(占空比)；L為通道長(zhǎng)度，s為通道內(nèi)每個(gè)電子在軸向行程中的平均距離。設(shè)通道板兩端所加工作電壓為U，通道板的長(zhǎng)度L與其直徑d的比值為α，則有：微通道板的電流增益與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系微通道板的電流增益G用輸出輸入電流之比來(lái)表示。在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，可用出射與入射電子數(shù)之比表示。簡(jiǎn)化的電流增益表達(dá)式(a)的推導(dǎo)是建立在如下近似處理的基礎(chǔ)上的：通道內(nèi)二次電子逸出表面的角分布符合余弦分布，因此歸化為最可幾出射角出射角，即垂直于表面出射；通道內(nèi)二次電子的初能量分布呈現(xiàn)麥克斯韋分布，也歸為最可幾值，用V0表示其初電位的最可幾值；由于通道內(nèi)電子的出射角及初電位都?xì)w化為確定值，故通道內(nèi)電場(chǎng)作用下電子運(yùn)動(dòng)軌跡都一致，可以取統(tǒng)一的二次電子倍增系數(shù)，令平均倍增系數(shù)為δ，并取其等于KVc(Vc為入射電子的加速電位，K為比例系數(shù))。

(a)式中η為通道板輸入斷面的探測(cè)效率，通常等于輸入端面通道開(kāi)口面積與總面積之比(占空比)；L為通道長(zhǎng)度，s為通道內(nèi)每個(gè)電子在軸向行程中的平均距離。設(shè)通道板兩端所加工作電壓為U，通道板的長(zhǎng)度L與其直徑d的比值為α，則有：微通道板的電流增益與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系微通道板的電流增益G用輸出輸入電流之比來(lái)表示。在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，可用出射與入射電子數(shù)之比表示。簡(jiǎn)化的電流增益表達(dá)式(a)的推導(dǎo)是建立在如下近似處理的基礎(chǔ)上的：通道內(nèi)二次電子逸出表面的角分布符合余弦分布，因此歸化為最可幾出射角出射角，即垂直于表面出射；通道內(nèi)二次電子的初能量分布呈現(xiàn)麥克斯韋分布，也歸為最可幾值，用V0表示其初電位的最可幾值；由于通道內(nèi)電子的出射角及初電位都?xì)w化為確定值，故通道內(nèi)電場(chǎng)作用下電子運(yùn)動(dòng)軌跡都一致，可以取統(tǒng)一的二次電子倍增系數(shù)，令平均倍增系數(shù)為δ，并取其等于KVc(Vc為入射電子的加速電位，K為比例系數(shù))。

(a)式中η為通道板輸入斷面的探測(cè)效率，通常等于輸入端面通道開(kāi)口面積與總面積之比(占空比)；L為通道長(zhǎng)度，s為通道內(nèi)每個(gè)電子在軸向行程中的平均距離。設(shè)通道板兩端所加工作電壓為U，通道板的長(zhǎng)度L與其直徑d的比值為α，則有：微通道板的電流增益與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系微通道板的電流增益G用輸出輸如電流之比來(lái)表示。在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，可用出射與入射電子數(shù)之比表示。簡(jiǎn)化的電流增益表達(dá)式(a)的推導(dǎo)是建立在如下近似處理的基礎(chǔ)上的：通道內(nèi)二次電子逸出表面的角分布符合余弦分布，因此歸化為最可幾出射角出射角，即垂直于表面出射；通道內(nèi)二次電子的初能量分布呈現(xiàn)麥克斯韋分布，也歸為最可幾值，用V0表示其初電位的最可幾值；由于通道內(nèi)電子的出射角及初電位都?xì)w化為確定值，故通道內(nèi)電場(chǎng)作用下電子運(yùn)動(dòng)軌跡都一致，可以取統(tǒng)一的二次電子倍增系數(shù)，令平均倍增系數(shù)為δ，并取其等于KVc(Vc為入射電子的加速電位，K為比例系數(shù))。

(a)式中η為通道板輸入斷面的探測(cè)效率，通常等于輸入端面通道開(kāi)口面積與總面積之比(占空比)；L為通道長(zhǎng)度，s為通道內(nèi)每個(gè)電子在軸向行程中的平均距離。設(shè)通道板兩端所加工作電壓為U，通道板的長(zhǎng)度L與其直徑d的比值為α，則有：微通道板的電流增益與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系微通道板的電流增益與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系長(zhǎng)徑比α:對(duì)電流增益表達(dá)式針對(duì)長(zhǎng)徑比求一階偏導(dǎo)，使之為零，即可知可帶來(lái)最大電流增益的長(zhǎng)徑比。右式中e為自然對(duì)數(shù)的底?？梢?jiàn)，長(zhǎng)徑比的最佳值與工作電壓成正比，因此有長(zhǎng)徑比與電流增益的關(guān)系曲線。微通道板工作電壓U：與分析長(zhǎng)徑比對(duì)電流增益表達(dá)式的關(guān)系相同。結(jié)論：微通道板的最佳工作電壓與最佳長(zhǎng)徑比之間具有確定的關(guān)系，通常取U=22α

。微通道板輸入端開(kāi)口面積比η。通道的二次電子倍增系數(shù)δ(K)。微通道板的構(gòu)成通道內(nèi)的二次電子發(fā)射輸出電流密度的飽和效應(yīng)離子反饋VsVm1Vm2VcVa微通道板的結(jié)構(gòu)和增益原理輸入電流密度增大到一定程度后，輸出電流不再隨輸入電流增加而增加，這一最大的輸出電流密度稱為微通道板的飽和電流密度。飽和效應(yīng)可以自行恢復(fù)且只限于每個(gè)通道而不影響臨近通道。微通道板的自飽和效應(yīng)使像管具有防強(qiáng)光特性，保護(hù)熒光屏不致于灼傷損壞。輸出電流密度的飽和效應(yīng)輸入電流密度增大到一定程度后，輸出電流不再隨輸入電流增加而增加，這一最大的輸出電流密度稱為微通道板的飽和電流密度。自飽和效應(yīng)的原因－連續(xù)工作時(shí)的通道壁電阻效應(yīng)脈沖工作時(shí)的通道壁充電效應(yīng)空間電荷效應(yīng)輸出電流密度的飽和效應(yīng)微通道板的構(gòu)成通道內(nèi)的二次電子發(fā)射輸出電流密度的飽和效應(yīng)離子反饋VsVm1Vm2VcVa微通道板的結(jié)構(gòu)和增益原理像管內(nèi)殘余的氣體分子在微通道板的輸出端會(huì)受到密集的二次電子碰撞而電離，所產(chǎn)生的正電子在電場(chǎng)的作用下會(huì)轟擊像管的光陰極，從而產(chǎn)生電子發(fā)射在熒光屏形成亮斑，稱為離子斑。它一方面破壞了微通道板的線性工作特性，同時(shí)也降低了陰極的壽命，因此必須避免離子反饋。離子反饋消除或減少離子反饋的措施有如下幾種：提高像管的真空度及設(shè)置吸氣劑；采用傾斜通道或彎曲通道的微通道板，使離子不能穿出通道；在微通道板輸入端蒸鍍上一層3nm的三氧化二鋁薄膜，覆蓋住所有通道入口，該膜層可以阻止正離子穿過(guò)，而質(zhì)量小速度高的電子并不被阻擋;在像管的陽(yáng)極區(qū)設(shè)置離子收集電極。這一電極至于微通道板輸入端外緣，其電位低于輸入電極的電位，可以收集正離子。離子反饋無(wú)輸入信號(hào)時(shí)的噪聲：工作電壓使通道內(nèi)壁產(chǎn)生微弱的場(chǎng)致發(fā)射，再經(jīng)過(guò)后續(xù)的倍增而產(chǎn)生輸出電流，這一輸出稱為背景噪聲，其等效的電子輸入值較之光陰極的暗發(fā)射電流密度小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可以忽略；有輸入信號(hào)時(shí)的噪聲：即輸出信號(hào)的增益脫離了確定的增益值，其原因主要有：微通道板的輸入端面開(kāi)口面積只占總面積的一部分；入射電子的運(yùn)動(dòng)方向與通道曲線一致時(shí)，直接橫貫通道而不被倍增；通道內(nèi)二次電子倍增過(guò)程本身具有隨機(jī)性。噪聲特性2.7像管的小型直流高壓電源主要理解如下問(wèn)題：直視型成像系統(tǒng)對(duì)高壓電源的基本要求直流高壓電源的工作原理本節(jié)要解決的問(wèn)題像管的小型化直流高壓電源直視型成像系統(tǒng)對(duì)高壓電源的基本要求提供穩(wěn)定的直流高壓，使像管工作時(shí)保持合適的輸出亮度；性能穩(wěn)定，在高低溫環(huán)境下保證儀器正常工作；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)亮度控制(Auto-BrightnessControl，ABC)功能；對(duì)于選通系統(tǒng)，應(yīng)提供選通周期、脈寬以及延時(shí)可調(diào)的選通電壓；對(duì)自動(dòng)快門(mén)(Auto-Gating)，能夠根據(jù)像管電流自動(dòng)調(diào)整工作電壓的占空比；防潮、防震、體積小、重量輕、耗電省像管的小型化直流高壓電源直流高壓電源的工作原理直流低壓電源：通常為幾伏到二十幾伏，由干電池或蓄電池提供，為高壓電源提供能量。晶體管變換器：主要由晶體三極管、升壓變壓器的初級(jí)繞阻和反饋繞阻構(gòu)成，其作用是將直流低壓變?yōu)楦哳l交流低壓。直流低壓DC電源晶體管變換DC

AC電路升壓變壓器(AC

AC)倍壓整流AC

DC電路直流高壓穩(wěn)壓電路或ABC電路直流高壓電源框圖像管的小型化直流高壓電源直流高壓電源的工作原理升壓變壓器：將低壓交流電壓升為高壓交流，輸出可達(dá)數(shù)千至上萬(wàn)伏。倍壓整流電路：由高壓整流二極管(或高壓硅堆)、高壓電容和高壓變壓器次級(jí)繞阻構(gòu)成,把變壓器次級(jí)繞阻上的交流高壓整流并倍壓到所需直流高壓。穩(wěn)壓電路：保證晶體管變換電路有穩(wěn)定的輸入電壓，以使電源的高壓輸出穩(wěn)定。直流低壓DC電源晶體管變換DC

AC電路升壓變壓器(AC

AC)倍壓整流AC

DC電路直流高壓穩(wěn)壓電路或ABC電路直流高壓電源框圖像管的小型化直流高壓電源倍壓整流電路：把變壓器次級(jí)繞阻上的交流高壓整流并倍壓到所需直流高壓。變壓器T的次級(jí)繞組輸出峰值電壓為V2的交流，則正半周