光电检测技术.pptx

光电成像器件是能输出图像信息的一类器件.第6章真空成像器件光电成像器件固体成像器件真空成像器件像管摄像管变像管像增强管摄像管视像管 真空成像器件都具有一个真空管，都将光电成像单元放置于真空管中，所以也可称为真空光电成像器件为什么呀?管内有无扫描机构摄像管根据光电靶转换的方式又分为摄像管和视像管两类象管和摄象管的主要区别:象管内部没有扫描机构，不能输出电视信号，对它的使用就跟使用望远镜去观察远处景物一样，观察者必须通过它来直接面对着景物。固体成像器件，只要通过某些特殊结构或电路（即自扫描形式）读出电信号，然后通过显示器件再成像。区别 像管包括变像管和像增强器,都具有光谱变换、图像增强和成像的功能。变像管是一种能把各种不可见辐射图像转换成可见光图像的真空光电成像器件。像增强器是能把微弱的辐射图像增强到人眼可直接观察的真空光电成像器件，因此也称为微光管。6.1 像管6.1.1.6.1.1.像管结构和工作原理像管结构和工作原理 一是光电变换部分，即光电阴极，它可以使不可见光图象或亮度很低的光学图象，变成光电子发射图象；二是电子光学部分，即电子透镜，有电聚焦和磁聚焦两种形式，它可以使光电阴极发射出来的光电子图象，在保持相对分布不变的情况下进行加速；三是电光变换部分，即荧光屏,它可以使打到它上面的电子图象变成可见光图像。像管由三个基本部分组成1.光电阴极 光电阴极使不可见的亮度很低的辐射图像转换成电子图像。银氧铯光电阴极；单碱和多碱光电阴极；各种紫外光电阴极；负电子亲和势（NEA）光电阴极像管中常用的光电阴极有四种 电子光学系统对电子施加很强电场，使电子获得能量，因而能将光电阴极发出的电子束加速并聚焦成像在荧光屏上；从而实现图像亮度的增强，使荧光屏发射出强得多的光能。电子光学系统有两种形式，即静电系统和电磁复合系统。前者靠静电场的加速和聚焦作用来完成，后者靠静电场的加速和磁场的聚焦作用来共同完成。静电系统非聚焦型聚焦型2.电子光学系统 静电聚焦型电子光学系统有双圆筒电极系统和双球面电极系统两种形式如左下图所示。从图可知，从光电阴极发出的电子只能从阳极中间的小孔通过；由等位线可以看出：电子从阴极到阳极运动过程中会受到聚焦和加速，然后射向荧光屏，并在荧光屏上成一倒像，如右下图所示。电磁聚焦系统中既有磁场也有电场。如下图所示，该系统的磁场是由像管外面的长螺线管通过恒定电流产生的，电场是由光电阴极和阳极间所加直流高压产生的。因此，从光电阴极面上发出的电子，在纵向电场和磁场的复合作用下，都能以不同螺旋线向阳极前进；由阴极面上同一点发出的电子，只要在轴向有相同的初速度，如右下图所示就能保证在一个周期之后相聚于一点，起到聚焦作用。3.荧光屏 荧光屏的作用是在高速电子的轰击下将电子图像转换成可见光图像。一般要求荧光屏不仅应具有高的转换效率，而且屏的发射光谱要同人眼或与之耦合的下级光电阴极的吸收光谱一致。常见荧光屏发光材料的光谱发射特性如下图所示。通常在电子入射的一边镀上铝层。这样可以引走荧光屏上积累的负电荷，同时避免光反馈，增加发射光的输出。P-1 ZnS:AgP-2(Zn:Cd)S:AgP-3 ZnS:Cu6.1.2.6.1.2.像管的特性参数像管的特性参数1.光谱响应特性和光谱匹配 光谱响应特性由光电阴极的响应特性决定，因此描述像管光谱响应性的参量与第5章光电阴极的一致。光谱匹配是指像管的光源与光电阴极、光电阴极与荧光屏、荧光屏与人眼视觉函数或摄像机之间的光谱分布匹配，匹配良好，像管将获得较高的灵敏度。2.增益特性 增益是荧光屏的亮度Ba和入射至光电阴极面上的照度Ek之比，以GB表示：4.分辨率 分辨率是指用标准测试板通过像管成像后，在荧光屏的每毫米长度上 用目测法能分辨得开的黑白相间等宽距条纹的对数，单位lp/mm。3.等效背景照度 等效背景照度是指在荧光屏上产生同暗背景相等的亮度时，光电阴极面上所需的输入照度值，以 Bb为暗背景亮度1.红外变像管6.2.6.2.常见像管常见像管红外变像管结构如下图所示。该管由光电阴极、阳极和荧光屏三部分组成光电阴极和荧光屏都是平面，使边缘像质变差光电阴极和荧光屏制成平凹形，经过光学纤维面板的导光大大提高了像质 紫外变象管的窗口材料为石英玻璃，紫外变象管与光学显微镜结合起来，可用于医学和生物学等方面的研究。2紫外变象管 下图所示的变像管的光电阴极和阳极间增加一对带孔阑的金属电极控制栅极，就成为选通式变像管。只要改变栅极的电压就可控制变像管的导通。因此只要使选通式变像管的工作周期与光源的调制周期一样，同步工作，于是可以提高图像的对比度和图像质量。3.选通式变像管6.2.2.6.2.2.常见像增强器常见像增强器1.级联式像增强器 上图为三级级联式像增强器的结构示意图。为了保证连接后的成像效果，应注意：1.图中每个单级变像管的输入和输出都用光纤面板制成，便于级与级之间的耦合。2.必须注意荧光屏和后级光电阴极的光谱匹配。三级级联像增强器，若单级的分辨率大于50lp/mm，三级可达:3038lp/mm，亮度增益可达105。三级级联式像增强器属第一代像增强器。级联式像增强器是由几个分立的单级变像管组合而成2.微通道板像增强器微通道板像增强器有两种结构形式：双近贴式和倒像式 双近贴式像增强器，如下图所示，用微通道板代替电子光学系统，实现电子图像增强。属于第二代像增强器。光电阴极、微通道板、荧光屏三者相互靠得很近，故称双近贴倒像式像增强器，它与单级像管结构十分相似，只是在电子光学系统与荧光屏之间插入微通道板，像增强器的输入、输出端均采用光纤面板。3.第三代像增强器 第二代像增强器的微通道板结构配以负电子亲和势光电阴极，就构成第三代像增强器。这种像增强器能同时起到光谱变换和微光增强的作用，因此可做到一机二用。X射线像增强器实质是一种变像管，它的作用是将不可见的X射线图像转换成可见光图像，并使图像亮度增强。如下图所示，一般的X射线像增强器是由输入转换屏、光电阴极、电子光学系统和输出荧光屏几部分组成的。4.X射线像增强器X射线像增强器常用在医疗诊断和工业探伤等方面图图像像放放大大像像管管是由光电阴极、磁性线圈（放大、聚焦、偏转）、微通道板及荧光屏组成的磁聚焦型像管，如左下图所示。6.2.3.6.2.3.特殊变像管特殊变像管1.1.图像放大像管图像放大像管 多功能像增强器由光电阴极、电子光学系统、栅极偏转板、旋转线圈、微通道板和荧光屏组成，如右上图所示。2.多功能像增强器 多功能像增强器采用磁场使图像旋转和平移，有利于完成识别图像所需要的大部份预处理工作。它应用于光学字符阅读器、光学数据处理和遥感图像识别系统等方面。这种管子的极限分辨率可从放大率为1的40线对/毫米提高到放大率为21.6时的400线对/毫米。下图是位置敏感传感器像管的结构示意图。它用位置敏感传感器（PSD）代替了一般像管的荧光屏，并多加了几个MCP板。3.3.位置敏感传感器像管4装有光电导靶的反射式变象管装有光电导靶的反射式变象管 有的变象管也采用光电导技术，使红外光成象到光电导靶面上，在靶的另一边形成电势分布图象，用磁场使由电子枪射出的电子流受到调制，利用返回的电子流轰击荧光面而发出荧光。这种像管称为反射式变像管，其结构和外形如右图所示。6.3 6.3 摄像管摄像管6.3.1.6.3.1.摄像管的作用及分类摄像管的作用及分类 摄像管是把按空间光强分布的光学图像记录并转换成视频信号的成像装置。按光电变换形式摄像管基本上分为两类：一类是利用外光电效应进行光电转换的摄像管，称光电发射型摄像管，也简称摄像管，如下图所示。这一类摄像管有：二次电子导电摄像管和硅靶摄像管等。光电发射型摄像管属于微光摄像，其增益和灵敏度很高，可工作在亮度较低的场合。另一类是利用内光电效应进行光电转换的摄像管，统称为光电导型摄像管，也称为视像管，如下图所示。视像管按光导靶的结构又可分为 光电导（注入）型和PN结（阻挡）型两种。光电导型采用光电导材料，如硫化锑（Sb2S3）管；PN结型管采用结型材料，有氧化铅（PbO）管、硅靶管和异质结靶管等等。光电发射型摄像管和光电导型摄像管的区别是：前者有移像区，后者没有。移像区包括光电阴极和电子光学系统，相同是二者都有扫描区，也称电子枪，电子枪部分包括灯丝、热阴极、控制栅极、各加速电极和聚焦电极、靶网电极和管外的聚焦线圈、偏转线圈和校正线圈。它们的作用是产生热电子，并使它聚焦成很细的电子射线，按着一定轨迹扫描靶面。视像管的特点是：结构简单、体积小、使用方便，在工业电视中被广泛应用。摄像管具有三个基本功能：光电变换、光电信息的积累、储存及扫描输出。视像管由光导靶和电子束扫描区构成，如下图所示。其光电变换和光电信息的积累和储存功能都由光电导靶来完成，当被摄景物的光学图像通过物镜成像到摄像管上时，由于光电导靶材料的光电导作用，在靶面上就建立起与入射光照度分布相对应的电位图像，这就完成了光电变换的功能 从电子枪发射出来的电子束依次沿着靶面扫描，扫描线经过某一点的时间只占扫描整个光敏面所需周期的极小部分（0.062 ）。为了提高检测灵敏度，每个像素在扫描周期内应不间断地对转换后的电量进行积累，这时靶又起到了积累存储光电信息的功能；当电子束依次沿着靶面扫描，将靶面的电位起伏顺序地转变成视频信号输出，就完成了扫描输出的功能。6.3.2.6.3.2.摄像管的结构和工作原理摄像管的结构和工作原理 如下图所示，光电发射型摄像管包括光电阴极、移像区、存储靶和电子束扫描区四部分。其光电变换和光电信息的积累和储存功能分别由光电阴极和存储靶完成，它们之间隔一个移像区。移像区的作用是使光电阴极产生的光电子在运动过程中获得能量而加速，以便在靶上产生更多的电荷，提高摄像管的响应率。在靶面电位图像建立后由电子枪用细电子束进行扫描而获取视频信号。在常见的摄像管中几乎全部采用慢电子束扫描。所谓慢电子束扫描是：当电子束扫描各像素时，由于电子上靶的中和作用，使靶面电位与电子枪阴极电位平衡；由于靶面各像素积累电荷不同，需要中和的电子数也不相同，这个电子数就反映了积累信号的大小。摄像管的工作原理是：先将输入的光学图像转换成电荷图像，然后通过电荷的积累和储存构成电位图像，最后通过电子束扫描把电位图像读出，形成视频信号输出。摄像管的关键器件是靶，视像管和光电发射型摄像管的靶的作用不同，结构也不同。6.4 光导靶和存储靶 视像管的靶是光电导靶，靶的厚度约几微米到20微米。视像管靶的主要作用是完成光学图像的光电转换和信号电荷的积累和存储，适合视像管靶的材料必须具有电荷的存储功能，要求靶上每个像素的驰豫时间远大于储存时间。6.4.1.6.4.1.视像管靶视像管靶 目前生产的视像管大都采用阻挡型靶，由于PN结的存在，降低了暗电流，使靶的性能有所改进而获得广泛应用。硅靶氧化铅靶异质结靶硒化镉（CdSe）靶硒砷碲（SeAsTe）靶碲化锌镉（ZnCdTe）靶阻挡型靶 如上图所示，硅靶窗口玻璃内表面涂有一层很薄的既可透光也可导电的金属膜，在它上面接有引线可同负载相连，称为信号板。挨着信号板的是一块N型硅片（硅靶）。硅片朝着电子枪一边的表面，先生成一层氧化层（SiO2），接着利用光刻技术在SiO2上光刻成几十万个小孔，再通过掺杂使每个小孔都变成P-Si。这样，许多个小的P-Si被SiO2隔离，故称为P型岛。每个P型岛与N型衬底之间即形成一个PN结（光电二极管）。最后再在SiO2和P型岛表面上蒸涂上一层电阻率适当的材料，通常称为电阻海。1.硅靶硅靶具有光谱响应范围宽，量子效率高，抗烧伤能力强等优点。PbO靶窗口玻璃内壁是一层金属膜作为信号板，接着就是PbO靶，靶的成像面一边为N-PbO，扫描面一边为P-PbO，两者之间夹着一层（相对）很厚的本征氧化铅I-PbO，因而具有PIN结构。2氧化铅靶氧化铅靶的结构和工作过程都与硅靶类似如上图所示，氧化铅靶是由PbO材料制成的。工作时，信号板通过负载和靶电源的正极相接，电子枪的热阴极接地，当扫描电子束扫描靶面时，相当于对PIN进行反偏置。靶电源电压约45V左右。PbO靶也有光信息的存储功能，它的轴向电阻较小，横向电阻很大，扫描面上的电势起伏可保持较长时间不变。下图是几种异质结靶，它们的窗口玻璃内壁涂有一层SnO2薄膜作为信号板，接着就是不同的靶3.异质结靶，硒化镉靶它是在光敏半导体CdSe上镀一层绝缘膜（As2S3），在两者交界处形成PN结。硒化镉靶暗电流小、在响应范围内量子效率较高的优点。硒砷碲靶 N型SnO2与Se+As+Te膜之间形成阻挡层，起光电转换作用，高阻的Sb2S3薄膜与Se+Te膜之间也形成阻挡层。这种结构的靶具有光谱响应范围宽、动态范围大、信号电流大、暗电流小、分辨率高、惰性小等优点。碲化锌镉靶有三层结构：第1层为ZnSe，属于N型半导体，厚50100nm。第2层为碲化锌和碲化镉的固溶体（ZnxCd1-xTe），属于P型半导体，厚35m。第3层是无定形三硫化二锑Sb2O3，厚100nm。此靶适宜于做低照度摄像管6.4.26.4.2光电发射型摄像管靶光电发射型摄像管靶-存储靶存储靶1.1.二次电子二次电子传导靶（传导靶（SECSEC）如上图所示，SEC靶有三层结构。第一层是Al2O3膜，起机械支撑作用，厚5070nm；第二层是铝膜，厚50nm，起信号板作用，通过负载电阻和靶电源的正极相接；第三层是疏松的KCl，其密度只有固体KCl的1%2%，厚1520m。SEC靶有三层结构 这种靶的导电，不是利用材料导带中的电子或价带中的空穴，而是依靠二次电子导电的，故称它为二次电子导电靶。实验证明，靶的电子增益与一次电子的加速电压有关。它是KCl在氩气中蒸发形成的纤维状薄层，在慢电子束扫描下，靶的扫描面稳定在零电位，因此靶的两面承受着一定的靶电压。当光电阴极发出来的光电子被加速后打到靶上时，靶将产生二次电子发射。2.2.增强硅靶（增强硅靶（SITSIT）SIT靶和靶结构基本相同。只是在电子入射侧加镀一层厚几百埃的铅膜，以屏蔽杂散光。从光电阴极发射出来的电子，在高压作用下轰击硅靶，使靶内产生电子空穴对。以增强硅靶构成的增强型硅靶管如下图所示。增强硅靶灵敏度一般比硅靶大二个数量级，约为40 A/lx，硅靶不易烧伤，寿命长。式中K1为常数；称为摄像管的光电转换特性。6.5.6.5.摄像管的特性参数摄像管的特性参数6.5.1.摄像管的特性参数摄像管的特性参数1.1.灵敏度摄像管灵敏度S可用下式表示：摄像管的灵敏度表示在一定光通量 照射时摄像管输出信号电流Is的大小。摄像管输出视频信号电压u与入射光照度Eb不一定是线性关系，通常写成 2.光电转换特性()曲线斜率 值表征摄像管对图像灰度（色调）传递性能，也称 特性。对摄像管来说，决定于光电转换部件的特性。光电导摄像管的 值小于1，Sb2S3管的 值为0.60.7，PbO管的 值为0.95，而硅靶管的 接近于1。3.分辨率 分辨率表示能够分辨图像中明暗细节的能力，分辨率通常用两种方式表达，即极限分辨率和调制传递函数（MTF）。在最佳照度下，使高对比度的黑白相间条形图案投射到摄象管的光敏面上，然后在监视器上去观察可分辨的最高空间频率数。在电视中，通常是指在光栅高度范围内可分辨的最多电视行数（TVL/H），如下图所示。有时也采用“线对/mm”的单位，它等于可分辨的电视行数一半除以靶的有效高度（mm）。例如25mm的视象管，靶面的有效高度约为10mm，若可分辨的最多电视行数为400时，相当于20线对/mm。按这种方法表示的分辨率称为极限分辨率。1）极限分辨率 调制传递函数（MTF）是在调制度的基础上提出的。调制度M是无线电学中的概念，引用到光学中来可以说它是对比度。M的定义是，光信息的最大值A与光信息最小值B之差对A、B之和的百分比。MTF的定义是，输出调制度Mo与输入调制度Mi之比的百分数，即 MTF=(A-B)/(A+B)100%2）调制传递函数（MTF）图象在传送过程中，调制度M是随空间频率的增大而减小的。如果把调制度的损失程度以百分数表示（以零频时的调制度为100%），则调制度与空间频率的关系曲线，就是调制传递函数，如下图所示。传递函数MTF能用仪器测量，并规定调制深度为10%的线数称为摄像管的极限分辨率。摄像管的惰性是指输出信号的变化相对于照度的变化有一定的滞后。它反映了像管的瞬态响应特性。由于惰性的存在，遮光后摄像管的输出电信号是逐渐变小的，通光后电信号是逐渐增大的，所以惰性包括衰减惰性和上升惰性。4.惰性 产生惰性的原因有两种：一种是光电导惰性，表现为光电导体电导率的变化滞后于照度的变化，对光电阴极来说，此惰性可忽略不计；另一种是电容性惰性，它是由靶的充放电时间的延迟造成的。没有光照情况下摄像管输出的电流称为暗电流。对于视像管来说，暗电流的来源是靶材料的暗电导，它由靶的材料和工艺决定。5.暗电流和噪声 噪声是由输入图像的光量子噪声、光电阴极量子噪声、靶面热噪声、电子束散粒噪声、管内倍增噪声及前置放大器噪声等组成。视像管，前置放大器和负载电阻的热噪声往往成为主要噪声。光电发射型摄像管，由于信号电子经过了倍增，管内噪声也同时放大，于是前置放大器噪声就不再是主要噪声源。6.动态范围 摄像管能处理的最高照度值与最低照度值之比称为摄像管的动态范围。动态范围的下限受噪声的限制，上限则受到靶面像元存贮信息容量的限制。6.6 摄像管的发展方向摄像管的总的发展趋向是高灵敏度、高像质和小型化。目前各国都在研制超小型，高性能的摄像管，以便适应小型显微镜和小型电视监视系统对摄像机的需要。目前已生产出一种超小型1/2英寸高性能摄像管，管径只有14mm，管长为67.5mm，采用磁聚焦、静电偏转形式。优点是灵敏度高、分辨率好。在拍摄低照度景物时，需要超高灵敏度的摄像管，一般有以下几种形式的连接：（1）像增强器和增强硅靶管的级联（ISIT）(2)像增强器和二次电子传导摄像管的级联（ISEC）(3)像增强器与视像管的级联