北航光电成像原理第四章.pdf

光电成像原理 1 第四章第四章 直视型光电成像器件直视型光电成像器件 及成像系统及成像系统 像管类型结构与性能参数像管类型结构与性能参数 像管成像物理过程像管成像物理过程 直视型光电成像原理与成像系统直视型光电成像原理与成像系统 光电成像原理 2 第一节第一节 像管类型结构与性能参数像管类型结构与性能参数 直视型光电成像器件，用于直接观察的光电成像系统中，实现辐射图像转换为电子图像，电子图像转换为可见光图像的成像器件，也称之为像管 适用于人眼直接观察的光电成像系统，以扩展人眼的视见光谱范围和提高人眼的视见灵敏度 视见光谱范围：实现图像的电磁波谱转换——变像管 视见灵敏度：实现图像的亮度增强——像增强器 变像管变像管 像增强器像增强器 像管像管 红外变像管 紫外变像管 X射线变像管 γ射线变像管 电子能量增强 电子数量倍增 光电成像原理 3 光电成像原理 4 光电成像原理 5 像管类型结构像管类型结构 根据作用目的分为：像增强器、变像管 根据工作方式分为：连续工作像管、选通工作像管、变倍工作像管 根据结构形式分为：近贴式像管、倒像式像管、静电聚焦式像管、电磁复合聚焦式像管 根据技术发展水平分为：一代像管、二代像管、三代像管 像管的分类像管的分类 光电成像原理 6 光敏元件—光阴极 光学辐射图像转换为光电子束分布 电子光学系统 光电子运动及电子束汇聚 图像显示—荧光屏 电子束分布转换为可见光辐射图像 像管基本结构组成及其功能像管基本结构组成及其功能 光电成像原理 7  像增强器像增强器 (1) 近贴式像增强器近贴式像增强器  结构简单；正像；无畸变  图像分辨率低，亮度增益低 (2) 静电聚焦倒像式像增强器静电聚焦倒像式像增强器  静电透镜聚焦成像  倒像  多级耦合得到更高亮度增益 －－完成微弱可见光图像的亮度增强。

光电成像原理 8 (3) 电磁复合聚焦式像增强器电磁复合聚焦式像增强器 通过控制电压和磁场，可以获得高分辨率的图像 结构复杂、使用不便 (4) 选通式像增强器选通式像增强器  一种静电聚焦式像增强器  在结构上增加控制栅极，实现选通  具有可控的间断工作能力：单脉冲和连续脉冲触发式 光电成像原理 9 (5) 变倍式像增强器变倍式像增强器 (6) 带有带有MCP的像增强器的像增强器(二代像增强器二代像增强器)  在普通像增强器中增加变倍电极和聚焦电极  具有可变放大率的电子光学系统  变倍的同时进行调焦，保证成像质量  MCP实现电子数量的连续倍增  高增益、增益可控  体积小、重量轻、亮度可调 光电成像原理 10 (7) 负电子亲和势光阴极像增强器负电子亲和势光阴极像增强器 (三代像增强器三代像增强器)  采用负电子亲和势光阴极  光电灵敏度高，可达3000µA/lm  高增益、低噪声  图像分辨率高  变像管变像管 包括红外变像管、紫外变像管、X 射线变像管和γ射线变像管 红外和紫外变像管结构与像增强器基本相同，光阴极的材料和光谱响应有所不同 X射线和γ射线变像管多了一个射线转换荧光屏。

光电成像原理 11 光电转换特性光电转换特性 C L SAMGUREAητ==亮度增益亮度增益 像管性能参数像管性能参数 时间响应特性时间响应特性 荧光屏发光衰减延迟荧光屏发光衰减延迟 0ptII e−=负指数函数负指数函数 光电成像原理 12 背景噪声特性背景噪声特性 (1) 等效背景照度等效背景照度 暗背景：无光照情况下，光阴极的热电子发射和场致发射造成 光致背景：入射信号产生的杂散光、光反馈、离子反馈等造成 dbdb be LdbLLEEGLLπ==−(2) 对比恶化系数对比恶化系数 ()1101b dbsbCrrrC−−==++101r−<<当信号很小时，主要是暗背景起作用；当信号很大时，主要是光致背景起作用当信号很小时，主要是暗背景起作用；当信号很大时，主要是光致背景起作用 －使荧光屏亮度等于暗背景亮度时的光阴极面上的入射照度值 －表征背景使图像质量下降的程度 光电成像原理 13 成像特性成像特性 (1) 放大率放大率m：输出图像与输入图像的线性尺寸之比：输出图像与输入图像的线性尺寸之比 lml′=(2) 畸变畸变D：图像各处放大率不同，导致图像形状畸形：图像各处放大率不同，导致图像形状畸形 01rmDm=−(3) 分辨力和调制传递函数分辨力和调制传递函数 ( )ncf fMTFfe− =体现像管输出图像与输入图像的关系体现像管输出图像与输入图像的关系 光电成像原理 1 背景噪声特性背景噪声特性 (1) 等效背景照度等效背景照度 暗背景噪声：无光照情况下，光阴极的热电子发射和场致发射造成。

光致背景噪声：入射信号产生的杂散光、光反馈、离子反馈等造成 dbdb be LdbLLEEGLLπ==−(2) 对比恶化系数对比恶化系数 ()1101b dbsbCrrrC−−==++101r−<<当信号很小时，主要是暗背景起作用；当信号很大时，主要是光致背景起作用当信号很小时，主要是暗背景起作用；当信号很大时，主要是光致背景起作用 －使荧光屏亮度等于暗背景亮度时的光阴极面上的入射照度值 －表征背景使图像质量下降的程度 像管性能参数像管性能参数 光电成像原理 2 成像特性成像特性 (1) 放大率放大率m：输出图像与输入图像的线性尺寸之比：输出图像与输入图像的线性尺寸之比 lml′=(2) 畸变畸变D：线性尺寸不同处的放大率不同，导致图像形状发：线性尺寸不同处的放大率不同，导致图像形状发 生变形生变形 01rmDm=−(3) 分辨力和调制传递函数分辨力和调制传递函数 ( )ncf fMTFfe− =体现像管输出图像与输入图像的关系体现像管输出图像与输入图像的关系 光电成像原理 3 辐射图像的光电转换辐射图像的光电转换 第二节第二节 像管成像物理过程像管成像物理过程 ——实现光电转换的技术环节是光阴极，基于光电发射效应实现光电转换的技术环节是光阴极，基于光电发射效应 物体受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应或称光电发射效应。

发射出来的电子称为光电子 可以发射光电子的物体称为光电发射体 光电子形成的电流称为光电流 光电成像原理 4 kEhEϕν=−光电发射第二定律光电发射第二定律 ——爱因斯坦定律爱因斯坦定律 光电发射体发射的光电子的最大动能随入射光辐射频率的增加而线性增加，与入射光辐射的强度无关 光电发射基本定律光电发射基本定律 KKKIS=•Φ光电发射第一定律光电发射第一定律————斯托列托夫定律斯托列托夫定律 当入射光辐射的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流 与被阴极所吸收的光通量成正比 光电成像原理 5 光电发射第三定律光电发射第三定律————阈值波长阈值波长 在入射光辐射频率范围内，存在光电发射的阈值波长，该阈值取决于光电发射体的光电逸出功在阈值波长处，光电子逸出的初速度为零 ()()1.24chcmEEevϕϕλµ==红限波长 光电发射的瞬时性光电发射的瞬时性 实验证明，光电发射的延迟时间不超过 3 × 10-13 s 的数量级，实际上可以认为光电发射是无惯性的，这就决定了外光电效应器件具有很高的频响 光电成像原理 6 ① 光电发射体内的电子被入射光子激发到高能态。

② 受激电子向表面运动，在运动过程中因碰撞损失部分能量 ③ 到达表面的受激电子克服表面电子亲和势逸出 光电发射过程光电发射过程 光电成像原理 7 电子受激跃迁电子受激跃迁 —入射光子与体内电子相互作用，是光辐射电磁场对电子状态的扰动 —光电发射体内电子受激过程复杂多变，取决于电子初态能级 电子向表面迁移电子向表面迁移 —受激电子在其寿命期间产生迁移运动，迁移过程中发生散射，损失部分能量，主要的散射形式：自由电子散射、晶格散射、激子散射等 —自由电子散射：发生于金属类光电发射体，能量转化为自由电子热运动 受激电子逸出深度小，约为几十纳米 —光电发射体内电子在光辐射激发下，受激跃迁的几率速率与入射辐射强度成正比，与基态到激发态的电子跃迁矩阵元成正比，与基态和激发态的态密度成正比 光电成像原理 8 ——晶格散射：发生于半导体类光电发射体，受激电子与晶格碰撞时，损失能量小；晶格分布决定了受激电子具有较长的自由程，电子迁移距离长，易到达材料表面，易于逸出 半导体具有较大的逸出深度 ——激子散射：发生于半导体类光电发射体，受激电子与激子碰撞，产生新的电子空穴对，所需能量大，可以避免。

电子从表面逸出 ——取决于光电发射体的能带分布 χ EVAC EF EV 半导体 真空 EC Eg E0 Eϕ Eϕ EVAC EC 金属 真空 光电成像原理 9 ——半导体表面吸附其他元素的原子或分子形成束缚能级，称之为表面态表面态影响半导体表面能级分布，改变光电逸出功 表面态对电子逸出的影响 ——光电逸出功 0gEEχ=+——光电发射长波限 C ghc Eλχ=+——当入射光辐射波长短于长波限时，光电发射体内电子接受光子能量，成为热电子，接近表面的受激电子可以直接从表面逸出，且具有较大动能；体内受激电子在向表面迁移过程中，损失能量后成为冷电子，具有导带能量，到表面时，其能量需克服表面电子亲和势才能逸出 光电成像原理 10 ——P型半导体附有N型表面 χ EVAC EFP EV P型半导体 真空 EC E0 Eϕ EA EFP EFP EV P型半导体 EC N 型 表 面 EA ED EFN EVAC Eϕ χ EVAC EFP EV P型半导体 真空 EC E0 Eϕ N 型 表 面 EA EFN 光电成像原理 11 光电阴极光电阴极 ——把光电发射体涂覆在金属或透明材料上，形成光阴极 ——光阴极分为反射式和透射式两种 ——光阴极材料：金属材料、表面吸附其他元素的金属材料、半导体材料 光吸收系数大。

光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使其逸出深度大 表面势垒低，使表面逸出几率大 光电发射体材料要求光电发射体材料要求 光电成像原理 12 金属材料与半导体材料的比较金属材料与半导体材料的比较 金属材料：可见光与红外区反射率高；电子散射以自由电子散射为主，受激电子在运动过程中受到强的电子散射，逸出深度小；逸出功大 金属材料制成的光阴极光谱响应在紫外或远紫外区，适用于紫外灵敏的光电器件 半导体材料：光吸收系数大于金属材料；电子散射以晶格散射为主，损失能量小于自由电子，逸出深度大；逸出功等于禁带宽度与电子亲和势之和，通过选择适当的表面态改变电子亲和势降低逸出功 半导体材料制成的光阴极光谱响应可以延伸至可见光、近红外波段 光电成像原理 13 (1) 银－氧－铯 (Ag-O-Cs) 光阴极 1929年发明的对近红外光敏感的光阴极 光谱响应范围：300～1200nm 短波峰值：300～400nm之间，长波峰值：800nm左右 Ag-O-Cs 光阴极结构光阴极结构 光谱响应特性曲线光谱响应特性曲线 缺点：量子效率较低，暗电流大缺点：量子效率较低，暗电流大 像管中常用的光阴极像管中常用的光阴极 光电成像原理 14 (2) 锑铯 (Sb-Cs) 光阴极 1936年研制出的光阴极。

光谱响应在可见光区和紫外区，长波阈值接近650nm 峰值光谱灵敏度处于蓝光和紫外波段 峰值量子效率接近20% 对红光、红外不灵敏 Sb-Cs 光阴极结构光阴极结构 光谱响应特性曲线光谱响应特性曲线 光电成像原理 15 (3) 多碱光阴极 锑与一种以上的碱金属结合形成的化合物可分为双碱、三碱和四碱等，统称为多碱光阴极 比单碱(Sb-Cs)光阴极的量子效率高 锑钾钠(Sb-K-Na)光阴极，响应度50～100µA/lm，在0.4µm处，量子效率为25%；耐高温(150℃。