【正文】 光電成象器件是指能夠輸出圖像信息的一類器件。 它包括真空成象器件和固體成象器件兩大類。 真空成象器件又包括：變象管、象增強器、攝象管。 變象管是使不可見光圖像變?yōu)榭梢姽鈭D像的器件 ， 象增強器是使微弱光圖像變?yōu)榭梢姽鈭D像的器件 ， 攝象管是使光學(xué)圖像變?yōu)殡娨曅盘柕钠骷?。 第五章 光電成象器件 固體成象器件是通過特殊的結(jié)構(gòu)與電路以自掃描的方式讀出電信號再通過顯示器件成象的器件 。 光電成象器件在國防、工業(yè)、新聞、醫(yī)學(xué)、天文學(xué)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，具有很強的生命力。 變象管 是把不可見光圖像變?yōu)榭梢姽鈭D像的真空光電管， 象增強器 是把亮度很低的光學(xué)圖像增強到足夠亮度圖像的真空光電管。 統(tǒng)稱 它們?yōu)?象管 。 167。 變象管和象增強器 象管通常有三個基本部分，即光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、熒光屏。如圖所示。 光電陰極使亮度很低的光學(xué)圖像或不可見光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成光電子圖像， 在超高真空管內(nèi)，這些光電子從外部高壓電源獲取能量， 并 受電子光學(xué)透鏡聚焦，高速轟擊熒光屏，從而產(chǎn)生人眼可見的相應(yīng)光學(xué)圖像。 一、象管基本結(jié)構(gòu) 光電陰極是涂覆于光窗內(nèi)壁的光電發(fā)射材料薄膜。常用的光電陰極有：銻銫光電陰極，多堿光電陰極等。 電子光學(xué)系統(tǒng)有電聚焦和磁聚焦兩種形式。 靜電聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖： 幾個圓筒形的電極可形成對光電子聚焦和加速的電場。但電聚焦的球面像差較大，畫面的中心部分和邊緣部分放大率不等，圖像有失真，光電陰極作 成曲面狀能補償像差。但曲率大時，焦距又要變小，使邊緣部分的分辨率降低。因此，像增強管多采用光纖面板，使其外側(cè)為平面，內(nèi)側(cè)為球面，以解決像差問題。 磁聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖： 管外的線圈用來使管內(nèi)產(chǎn)生平行于管軸的磁場，以形成磁透鏡。磁聚焦的優(yōu)點是聚焦作用強，容易調(diào)節(jié)，也容易保證邊緣像差。 缺點是管子外有長螺旋線圈和直流激磁等，使整個設(shè)備的尺寸、重量增加，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 3. 熒光屏 熒光屏的作用是將電子動能轉(zhuǎn)換成光能。對熒光屏的要求是不僅應(yīng)具有高的轉(zhuǎn)換效率，而且屏的發(fā)射光譜要同人眼或與之耦合的下級光電陰極的響應(yīng)一致。 常用熒光屏發(fā)光材料的光譜發(fā)射 : 二、圖象增強技術(shù) 為了增強圖像的亮度，經(jīng)歷了三代象增強器。 1. 第一代像增強器 將幾個分立的單級圖像增強管組合起來，構(gòu)成級聯(lián)式圖像增強管。如圖： 每個單級管的輸入窗和輸出窗都是由光纖面板制成 ，它的亮度增益可達 105。 2. 第二代像增強器 第二代像增強器是用 微通道板 （ Microchannel plates， MCP） 實現(xiàn)單級高增益圖像增強 。 MCP是一種大面積微通道電子倍增器 ， 它由二次電子發(fā)射系數(shù)較高的含鉛玻璃制成 。 微通道板的結(jié)構(gòu)如圖： 微通道板是一塊被加工成薄片 （ 毫米 ） 的空芯玻璃纖維二維陣列 。 每個空芯管內(nèi)徑 6~50μm， 長徑比約為 40/1~80/1， 薄片端面法線相對于微通道軸心線的偏置角為 5186。~ 10186。通道內(nèi)壁覆蓋一層高阻二次電子發(fā)射膜 。 在微通道板的兩端加上高的直流電壓 （ 約 kV） 后 ， 在每個微管道內(nèi)即形成極強的電場 。 當(dāng)光敏面發(fā)射的電子進入微管道后 ， 在強電場作用下與管壁多次碰撞 ， 由于高的二次電子發(fā)射 （ 二次發(fā)射系數(shù) δ ﹥ 1） ， 使得 n次轟擊內(nèi)壁后在輸出端會得到 δn個電子 ， 從而實現(xiàn)了電子倍增作用 。 一般 10kV的 MCP可得到 105~106的電子增益 。 微通道板像增強器的優(yōu)點是體積小 ， 重量輕 ， 而且由于微通道板的增益與所加偏壓有關(guān) ， 因此可以通過調(diào)整工作偏壓來調(diào)整增益 。 另外 ， 微通道板像增強器有自動防強光的優(yōu)點 ， 這是因為當(dāng)微通道板工作在飽和狀態(tài)時 ，輸入電流再怎么增加而輸出仍保持不變 ， 因此 ， 可以保持熒光屏在強光下不致于被 “ 灼傷 ” 。 雙近貼式光電陰極、微通道板、熒光屏相互靠得很近。一般光電陰極與微通道板的距離小于 ，微通道板與熒光屏之間的距離小于 。 微通道板像增強器主要有兩種：雙近貼式和倒像式。 雙近貼式微通道板像增強器結(jié)構(gòu)： 光電陰極發(fā)射的光電子直接打到 MCP上。這種管子體積小，重量輕，使用方便，但像質(zhì)和分辨率較差。 倒像式微通道板像增強器結(jié)構(gòu)如圖： 倍增后 ， 在均勻電場作用下直接投射到熒光屏上 。 因為在熒光屏上所成的像相對于光電陰極來說是倒像 ， 故稱為倒像管 。 這種管子具有較高的分辨率和像質(zhì) 。 第三代圖像增強器是第二代像增強器的 微通道板結(jié)構(gòu) 配以 負(fù)電子親和勢光電陰極 。 負(fù)電子親和勢光電陰極不僅在可見光范圍有較高的靈敏度 ， 而且在近紅外區(qū)也有比銀氧銫光電陰極高的量子效率 ， 因此 ， 這種圖像增強器能同時起到光譜變換和微光增強的作用 。 倒像式是在管內(nèi)熒光屏前插入微通道板 ， 微通道板的輸出端與熒光屏之間仍采用近貼式 。由光纖面板上的光電陰極發(fā)射的光電子圖像 ， 經(jīng)靜電透鏡聚焦在 MCP上 ， MCP將電子圖像 3. 第三代圖像增強器 能夠輸出視頻信號的真空光電管稱為攝像管 。 167。 攝像管 攝像管的種類很多，按光電變換形式進行分類，基本上分為兩類。 一類是 利用外光電效應(yīng)進行光電轉(zhuǎn)換的攝像管，稱光電發(fā)射型攝像管 。 屬于光電發(fā)射型攝像管這一類的有：超正析管、二次電子導(dǎo)電攝像管（ SEC）、 分流管、硅靶電子倍增管等。 另一類是 利用內(nèi)光電效應(yīng)進行光電轉(zhuǎn)換的攝像管，統(tǒng)稱為視像管 。 屬于視像管這一類的有硫化銻管 (Sb2S3)、 氧化鉛管(PbO)、 硅靶管和異質(zhì)結(jié)靶管等。 一、結(jié)構(gòu)原理 攝像管基本結(jié)構(gòu)如圖： 光電發(fā)射型攝像管圖像質(zhì)量高，惰性極小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，調(diào)整麻煩，所以目前除特殊場合外一般用得較少。視像管結(jié)構(gòu)簡單，體積小，使用方便，在電視領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。 攝像管的作用是把入射的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為視頻信號并輸出 ，它應(yīng)具有 三個基本功能 ： 光電變換、光電信號存儲和掃描輸出 。 光學(xué)圖像投射到攝像管的光敏面上，由于攝像管受照面的材料具有光電效應(yīng)，在攝像管的靶面上就建立起與入射照度分布相對應(yīng)的電位起伏，這就完成了光電變換的功能。 掃描裝置形成的掃描線按一定的軌跡串行、逐點地采集這些轉(zhuǎn)換后的電量形成輸出信號。 掃描線經(jīng)過某一點的時間只占掃描整個光敏面所需周期的極小部分，為了提高檢測靈敏度，每個光敏點在掃描周期內(nèi)應(yīng)不間斷地對轉(zhuǎn)換后的電量進行積累，這種功能就是光電信號的積分存儲。 盡管攝像管種類繁多，但其工作原理基本相同，下面以氧化鉛（ PbO） 攝像管為例予以說明。 氧化鉛攝像管結(jié)構(gòu)示意圖： 被攝物經(jīng)物鏡成像在光電靶上。光電靶既能完成光電變換又能存儲信號 ，結(jié)構(gòu) : 靶向著景物的一側(cè)為信號極 ， 它是噴涂在玻璃板上的一層透明金屬氧化物導(dǎo)電層 ， 如氧化亞錫信號板 ， 具有較高的透射率和電導(dǎo)率 。 信號極引出的電極為信號電極 ，通過負(fù)載電阻施加靶壓 。 靶的另一側(cè)為光敏層 。 光敏層由三層很薄的半導(dǎo)體材料組成 。 與透明導(dǎo)電膜相連接的是 N型氧化鉛半導(dǎo)體 ， 稱 N層；中間一層是氧化鉛本征半導(dǎo)體 ， 稱 I層；受電子束掃描的一層是氧化鉛 P型半導(dǎo)體， 稱 P層 。 可見 ， 氧化鉛靶具有 PIN光電二極管結(jié)構(gòu) 。 工作時 ， N層與靶壓正極相連 ， 光電二極管處于反向偏置 ， 靶壓幾乎全加在 I層上 。 景物成像在光電靶上 ， 在光電二極管內(nèi)產(chǎn)生光生載流子 。 在強電場作用下幾乎全部參加導(dǎo)電 ， 因而光電轉(zhuǎn)換效率高 。 且因光電二極管反向偏置 ， 暗電流很小 。 圖像使光電靶上各點照度不同 ， 在光電二極管內(nèi)產(chǎn)生不同數(shù)量的電子