红外成像阵列与系统(9).ppt

第七章热释电摄像管Ø 7.1 历史回顾Ø 7.2 摄像管的构成Ø 7.3 摄像的工作方式Ø 7.4 靶的单畴化Ø 7.5 基底电荷的产生方法Ø 7.6 性能分析7.1 历史回顾铁电体摄像管的历史开始于1963年，是由法国南希大学的Hadni提出的他在一个工作在介电模式介电模式的摄像 管里使用了硫酸三甘肽（TGS） 为了得到好的灵敏度，晶体必须 保持在49.2ºC的居里温度附近在居里温度（Curie-Weiss）下介电常数可以从16200变化到15001 极化强度和介电常数与温度的 关系电极化强度介电常数电压变量 可以表 示为7.1偏置电压Le Carvennee在研究把TGS靶用于电子束扫描的热成像摄像管时应用了这 个原理（1969）他利用一边是金属电极，另一边是 电子束在TGS靶上建立了一个电压工作在介电模式下存在的问 题•要制造出具有相同的居里温度和极化曲线 的的大晶体切片，以及在靶面区域上保持 一定的提升温度都是很难实现的•太接近居里温度工作会使电畴产生随机改 变 1972年Charles和Le Carvennee在一个密封管里得到了5ºC的温度分辨率Pel’ta 等人于1968年研制出另外一个建立在介电模式上的晶体管。

1963年Astheimer申请了热释电摄像管的第一个专利它是建立在运用返回电子束正析模式的复杂机理上的，但没有得到实现1968年Tompsett提出了一个简单的工作在真正的真正的热释电模式下的热成像摄像管7.2 摄像管的构成热释电摄像管主要包括两个部分 ：Ø由换能元件组成的光学成像面，称为靶面Ø电信号扫描读出机构，称为电子枪锗窗靶罩场网扫描电子束玻璃真空管入射辐射铟封和 靶连接 视频输出热释电 靶面聚焦和偏转 线圈电子枪阴极热释电摄像管结构图Ø热释电靶的厚度约为30µm，它的电极化轴垂直于表面表面经抛光后蒸镀透红外辐射的金属薄膜面对电子束扫描的靶面镀有保护层，其作用是防止靶受到离子的侵蚀作用，以改善输出信号的均匀性和延长靶的寿命扫描电子枪的组 成§细电子束发射源§电子束聚焦系统§电子束偏转系统•准直系统电子束聚焦系统(电磁聚焦系 统）•场网使靶面附近形成均匀电场 ，使电子垂直于靶，减少 电子着靶时能量的差异•聚焦及校正线圈为了减少输入窗表面的反射损失， 在外表面镀有红外增透膜根据菲涅尔 （Fresenl）公式所导出的增透膜折射率 关系式 ：(7 - 2)式中no是外界折射率；ns是介质折射 率；n是增透膜的折射率 已知锗的折射率为4，所以选用硫化锌（折射率为2.16）或三硫化二砷（折射率为2.38）作为外增透膜，膜厚取为透射波长的四分之一。

7.3 摄像的工作方式• 热释电摄像管的摄像过程 1)热图像的写入2)视频信号的读出像元信号输出等效电路电子枪等 效电阻泄漏电阻和 电介质损耗像元等效电容负载 电阻负载电阻 等效电容2.摄像工作方式的特点 ：1) 输入辐射必须是变化量2) 靶面必须有正的基底电荷•热释电靶面上的电荷是静电电荷如果靶温不变，靶面电荷被扫描电子束着靶中和后，就不能再产生新的电荷密度热释电摄像管采用的工作方 式：•摄全景式摄像时将摄像机相对被摄景物作 平移运动或原地转动 •调制式在摄像管前方安置机械调制器， 该调制器周期地截止输入辐射 两种方式的对比：Ø摄全景式使用方便，所 成热像没有斑纹 ，但会产生热像 的位移，要在电 路中进行补偿Ø调制式热像和视场是稳 定的，但每帧的 电极性会发生交 替变化，需增加 倒像处理电路2)热释电摄像管中，通常将提 供给靶面的正电荷称为基底电 荷基底电荷的作用：Ø消除扫描电子束着靶的负电荷Ø使输出信号是正极性的因为基底电荷也将产生输出信号，所以基底电荷在靶面上的分布应当是均匀的这样由基底电荷所产生的输出信号是直流量，就可以用隔直电路予以去除 7.4 靶的单畴化通常在制靶时和靶产生退极化时，都需要对靶进行电极化处理，使之形成自发的电极化强度。

这一处理过程称之为单畴化 单畴化过程：• 将靶的信号电极电位VS升到120V，场网电极电位VM置为220V ，此时二次电子发射系数大于1 ，电子束扫描面电位V稳定在场网电极的电位220V• 将VS缓慢升到210V ，同时电子束继续 扫描靶面，保持靶 的扫描面电位为 220V，保持一段时 间，使热释电靶的 电极化稳定• 停止电子束扫描， 并将靶的信号电极 电位迅速降到0V， 这时靶的两个表面 间的电位差仍保持 10V，所以靶的电子 束扫描面电位变为 10V • 重新由电子束对靶 面扫描，此时二次 电子发射系数小于1 ，靶的扫描面电位 将下降到0V 7.5 基底电荷的产生方法•二次电子发射法•摄像管内充气法 二次电子发射 法Ø利用电子束的回扫过程，将电子枪的阴极电位降到－80V，调制极电位下降到－90V,使电子束以80V的加速电位散焦轰击到靶面上，使热释电靶的二次电子发射系数大于1所产生的平均基底电流由下式确定(7-3)电子束电流值二次电子发射系数行扫描周期行扫描回程时间摄像管内充 气法Ø在热释电摄像观中充入1×10-3Pa压强 的氦或氩等惰性气体当摄像管处于 工作状态时，电子束以高速通过靶网 与靶之间的空间，使该区间的气体分 子产生电离。

所产生的正离子在电场 力的作用下落在靶上，由此构成了基 底电荷其平均基底电流与惰性气体 的压强成正比二次电子发射法的优缺点:u优点u缺点• 能提供较大的基底 电流，有利于降低摄 像惰性 • 不影响摄像管的寿 命 • 不产生离子噪声• 增加了电子枪回扫的控制电路 • 不能与普通摄像系统兼容 • 基底电荷不够均匀，有时需要有阴影校正电 路摄像管内充气法的优缺点:¿ 优点• 不需要增加控制电路• 产生的基底电荷分布均匀• 能与普通摄像系统兼容¿ 缺点Ø产生的基底电流受到充气压强的限制而不 够大Ø在电子枪阴极与加速极之间产生的正离子 将轰击电子枪的阴极，降低摄像管寿命Ø靶面受正离子轰击也影响寿命Ø扫描电子束与气体分子碰撞产生散焦会降 低摄像分辨率Ø扫描电子束流受离子流的影响增加了噪声 7.6 性能分析对一个温度为 的非偏置晶体（7-4）（7-5）热释电系数电极化强度对一个厚度为 和介电常数为 的 靶（7-6）（7-7）靶的动态电容 真空电容率，等于 8.85×10-12C/V·m电压随时间的变化率（7-8）（7-9）（7-10）体积热容 热量举例说明Ø在一个f/1光学系统中10C的单位温度所发出的辐射功率的变化大约是6W/m2，在经过光学和大气聚焦以及透镜衰减后，将降到ΔW=1W/m2。

用250C的TGS参数，即p =2.8×104C/m2℃, ε=42, cp =2.55×106J/m3℃代入（7-10）式可得到 热时间常数其中：（7-11）前表面发射率后表面发射率Stefan常数Ø对一个悬挂在真空中的靶面，热量损耗主要来自时间常数 在300K下对一片厚度为20μm的单晶TGS片， ≈5sØ斩波器的遮蔽时间一般选在与电视帧周期相对应的时间16.6ms或20ms，这主要取决于应用的国家，目的在于能看清移 动图像，并与正常电视显示一致 调制模式下靶温、靶面电位、信号电流和反相信号，在零时刻随场景温度的瞬态变化靶温靶面电位信号电流交替将信号反相品质因数Ø由于靶电容是放大器电容的主要部分，由（7-10）式可得出所用材料工作在热释电模式下的品质因数（7-12）热释电摄像管的性能参数Ø分辨率Ø灵敏度Ø响应光谱Ø惰性分辨率Ø分辨率是电视图像的一个重要指标，热传热传导导就会导导致分辨率降低在斩波模式中，将热扩散的有效时间减少到了斩波时间Ø在一个热图像区域里，在斩波器频率上有温度振荡，它将随着斩波器与图像的距离的一个半宽度按￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿指数衰减，这里k是热导率， 是密度，f为斩波器频率。

Ø对一个斩波器频率为33Hz的TGS 材 料，半宽大约为33μm，对应一个1 英寸摄像管300线分辨率Holeman和Wreathall，1971）Ø通过光刻或蚀刻将靶面刻成网格状 以分离像素，分辨率可提高到400线 灵敏度ØI为信号电流，A为靶面扫描面积，E为 靶面上的照度Ø在规定的照度下，测出有光照时的电 流与无光照时的暗电流之间的差值， 即为摄像管的信号电流7-13）光谱响应Ø光谱响应是指响应率与入射光波长的关系Ø热释电摄像管的光谱响应由靶面材料（包括电极）的光谱响应和窗口材料的透射光谱特向来确定惰性Ø摄像管光敏感层上的照度突然改变时，信 号电流并不能立即跟上这个变化，而是有 一定时间的滞后，称之为惰性§ 电滞后§ 热滞后带有EEV公司制造的热释电摄像管的Argus 第四代便携式热成像摄像机。