光电成像器件的类型及特点

光电成像器件

利用光电效应将可见或非可见的辐射图像转换或增强为可观察、记录、传输、存储以及可进行处理的图像的器件系列的总称。其目的在于弥补人眼在灵敏度、响应波段、细节的视见能力以及空间和时间上的局限等方面的不足。最早的一种光电成像器件──光电析像管出现于1931年。目前，各种类型的光电成像器件已广泛应用于天文学、空间科学、X 射线放射学、夜间观察、高速摄影以及科学实验中。

按工作原理，光电成像器件可分为像管、摄像管和固体成像器件。

1、像管 各种类型的变像管、像增强器的电子照相管的总称。它将可见或非可见的辐射图像转换或增强为可直接观察或记录的图像。其工作原理是将投射在光电阴极上的辐射图像转换为电子图像，电子光学系统将此图像尽可能真实地转移到荧光屏上产生一个增强的光学图像（如变像管和像增强器）或记录在对高速电子敏感的胶片上（如电子照相管）。

a、变像管 一种把非可见（红外或紫外）辐射图像转换成可见光图像的器件。图1a[变像管]示出了利用银氧铯光电阴极的红外变像管，它通常用于主动红外夜视中。图1b[变像管]为一种用于高速摄影的变像管。

图1 变像管

b、像增强器 一种将微弱的光学图像增强为高亮度的可见光图像的器件。它广泛用于微光夜视中。其光敏面通常采用钠钾铯锑多碱光电阴极。获得高亮度增益的方式有级联和使用电子倍增器两种。 实现级联的方式也有两种：一种是在同一管壳内用薄的云母片作为支撑体，其两侧分别制作光电阴极和荧光屏,形成夹心倍增屏结构,以实现各级像管之间的耦合。磁聚焦像增强器大都采用这种方式。另一种是采用纤维光学面板将单个静电聚焦型像增强管耦合在一起，如纤维光学耦合三级级联像增强器，它通常称为第一代像增强器，如图2[ 纤维光

学耦合三级级联像增强器]所示。25/25毫米第一代像增强器的典型性能是：放大率 =0.85，分辨率 28线对/毫米，亮度增益5×10，等效背景照度2×10勒克斯。

图2 纤维光学耦合三级级联像增强器

在管内获得电子倍增的一条途径是在单级像增强管中插入电子倍增器，曾用过氯化钾薄膜，目前均使用微通道板电子倍增器,微通道板(MCP)是由数以百万计的微型通道电子倍增器的通道紧密排列而成的二维阵列器件。光电子进入通道后，由于多次倍增过程，使电子急剧增多,在输出端可获得10～10的电子增益,如图3a[微通道板电子倍增器]所示。图3b[微通道板电子倍增器]是微通道板二维阵列示意图。目前，微通道板的典型性能是：通道直径10～12微米,通道中心

距15微米，长径比50,厚0.6毫米，加1 000伏电压，电子增益为10。

带有微通道板的像增强器通常称为第二代像增强器。其突出优点是体积小、重量轻、增益可调、本身具有防强光作用,但噪声较大。它有二种形式：一是薄片管,它把微通道板平行安置在靠得很近的光电阴极与荧光屏之间，从而形成双近贴像增强器；另一是倒像管，它类似通常单级像增强管，但在荧光屏前置一微通道板。第二代倒像管的性能与第一代相接近。

如果在第二代薄片管中，光电阴极采用负电子亲和势发射材料，便构成所谓

第三代像增强器。这种光电阴极通常是-族化合物P型半导体单晶，由液相外延或汽相外延生成，然后在超高真空中清洁表面并用铯氧进行处理，使其真空能级位于半导体导带底之下，从而形成负电子亲和势。它的突出优点是灵敏度高、光谱响应向长波阈延伸、光电子的能量分布集中和暗发射小。目前第三代像增强器的典型水平为：灵敏度（透射式GaAs光电阴极）950微安／流明，分辨率30线对／毫米。

c、电子照相管 一种用胶片直接记录电子图像的器件。它一般采用匀强磁场聚焦，电子束加速电压为15～40千伏，用对高速电子敏感的底片记录。其突出优点是图像无畸变、分辨率高（可达 200线对／毫米）、动态范围

大、灰雾和暗背景小，很适合于观测记录微弱天体，目前已在许多天文台中使用。

2、摄像管 利用电子束对靶面扫描，把其上与光学图像相应的电荷潜像转换成一定形式的视频信号的器件的总称。它通常在两种场合下工作:照度在200勒克斯以上（如广播与工业电视）和照度在 10勒克斯以下（如微光电视）。

摄像管通常由移像段（或不用移像段）、靶与扫描段所组成。其工作原理可归纳如下。①图像的记录，移像段（其原理与像管相同）将光电阴极上的光电子图像转移到靶上（不用移像段时，直接将光学图像）变换成靶面上积累的电荷潜像。②图像的读取，扫描段通过电子枪与偏转系统实现细电子束对靶面的扫描，将靶面上电荷潜像变换为视频信号输出。由于摄像管中采用了电荷积累效应，故工作时，靶面某一像素上，电荷潜像的记录是在摄像的全过程中连续积累进行的，而图像的读取是在电子束扫描到这一像素的一瞬间完成的。

近代摄像管种类繁多，有五种基本类型（图3[几种典型的摄像管工作示意图]）。

图3 几种典型的摄像管工作示意图

a、光导摄像管 它使用具有光电导效应的靶。工作时，扫描束在靶的背面形成一个负电位。当光束被聚焦到光电导靶上时，靶的电导增加，便有附加的正电荷转移到靶背面，电子束扫描使它重新充电到负电位。此充电电流即为信号电流，可以通过负载电阻及耦合电容转换为视频信号。光导摄像管较为突出的例子是硫化锑光导摄像管、氧化铅光导摄像管和硒砷碲光导摄像管。

b、超正析像管 移像段使光电子聚焦到高阻玻璃或氧化镁薄膜的靶表面。靶发射的次级电子被位于靶前的网电极所收集，使靶形成正电荷区。扫描电子束与靶复合后，剩余电子向着电子枪方向返回，信号由电子倍增器阳极输出，其幅值大小与光强成反比。

c、分流摄像管 又称分流正析像管，它是超正析像管的改进。扫描电子束与靶面作用后产生两条性质不同的返回电子束：反射回程束与散射回程束，后者的电流大小与像素电位成正比，故在管内加入转向电极与分离电极，仅使散射回程束进入电子倍增器，输出信号幅值与光强成正比，信噪比较超正析像管高。

d、次级电子传导(SEC) 摄像管 光电子通过移像段聚焦在很薄的低密度氯化钾靶上,大量次级电子被激发,并移向信号电极，使氯化钾中形成正电荷。扫描电子束对此正电荷中和而形成信号电流，由信号电极输出。

e、硅电子倍增摄像管 工作原理与次级电子传导摄像管相同，但靶是极薄

的硅二极管阵列。在高速光电子作用下，在N型区产生大量电子-空穴对,空穴向

结区P型岛扩散，从而形成电位起伏的图像。此外，尚有利用热（释）电效应的摄像管（见热探测器）。

3、固体成像器件 各种自扫描像敏器件和电荷耦合摄像器件的总称。其特点是无需扫描电子束而自行产生视频信号。

a、自扫描像敏器件 有线阵和面阵之分。寻址（面阵列）像敏器件利用接到每个像素上垂直线和水平线寻址光敏二极管(或光电导)阵列的某一光敏像素阵列，各像素相继产生随时间而变化的视频输出信号。这在原理上虽然是行得通的，但在均匀性和信噪比上却遇到了很大的困难。

b、电荷耦合摄像器件用于摄像的电荷耦合器件(CCD)。在P型或N型硅单晶衬底上生长一层厚度约为1 200埃的二氧化硅层，在此层上按一定次序淀积金属电极，形成金属-氧化物-半导体(MOS)结构,再加上输入端与输出端，便构成CCD器件，如图4 [电荷耦合器件]所示。它与摄像管主要区别在于它把光电转换、信号贮存及读取三个部分集中在一个支承件上。

图4 电荷耦合器件

电荷耦合摄像器件有线阵与面阵二种，二者都是用光学系统把景物聚焦在器件表面。由于光激发，在半导体内部产生电子-空穴对,其中少数载流子贮存在势阱中。因为每一单元电极下所贮存的少数载流子的数目与光强成正比，从而把光学图像转化为电极下的电荷图像。通过时钟脉冲电压有规律的变化，使注入的少数载流子作定向传输，最后在输出端输出，从而使图像转变为视频信号。

电荷耦合摄像器件具有一般电真空成像器件无可比拟的优点：如自扫描、大动态范围、高灵敏度、低噪声、对红外灵敏、无畸变、无滞后等;此外,封装密度高（超小型）、速度快、功率低、成本低、简单可靠。故它是70年代以来受到普遍重视的一种新颖成像器件。