北航光电成像原理第四章

(2) 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 光电成像原理
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(3) 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
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
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
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像管中常用的光阴极
(1) 银－氧－铯 (Ag-O-Cs) 光阴极
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像管性能参数
光电转换特性
亮度增益
AC M G = = ητ UR L E AS
时间响应特性
荧光屏发光衰减延迟 负指数函数
I = I 0e
光电成像原理
− pt
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背景噪声特性
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。
(1) 等效背景照度 －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
表面态对电子逸出的影响
——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。 光电成像原理
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——P型半导体附有N型表面
Eϕ χ EC Eϕ E0 EA EFP EV EC χ EVAC EC EFN ED EA EFP EV
EVAC
P型半导体
= Ebe
(2) 对比恶化系数
π Ldb
Ldb = E GL L − Ldb
－表征背景使图像质量下降的程度
Cb −1 =(1 + rdb + rsb ) r = C0
−1
0 < r −1 < 1
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。
光电成像原理
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成像特性
体现像管输出图像与输入图像的关系
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。
(1) 等效背景照度 －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
= Ebe
(2) 对比恶化系数
π Ldb
Ldb = E GL L − Ldb
－表征背景使图像质量下降的程度
Cb −1 =(1 + rdb + rsb ) r = C0
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(4) 负电子亲和势(NEA)光阴极
1963年提出负电子亲和势理论 量子效率高，热发射电流小，电子能量分布集中，长波限能向外延伸 透射式NEA光阴极的灵敏度达到3000µA/lm，室温下1.06 µm波长处 的量子效率超过9% NEA光阴极结构
源自文库
光电成像原理
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电子光学成像
——基于电子在电磁场中的运动规律，电子光学系统实现
光电成像原理
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(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℃左右) 。 锑钾钠铯(Sb-K-Na-Cs)光阴极，峰值响应波长0.42µm，响应度 230µA/lm，长波限为0.85um。在较宽的光谱区具有较高的量子效 率。具有高稳定性、疲劳效应小特点，应用广泛。
(3) 分辨力和调制传递函数
f − fc
n
MTF ( f ) = e
光电成像原理
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第二节 像管成像物理过程
辐射图像的光电转换
——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
(1) 放大率m：输出图像与输入图像的线性尺寸之比
l′ m= l
(2) 畸变D：图像各处放大率不同，导致图像形状畸形
mr = D −1 m0
(3) 分辨力和调制传递函数
f − fc
n
MTF ( 光电成像原理 f )=e
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像管性能参数
背景噪声特性
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。
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(5) 变倍式像增强器
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
(6) 带有MCP的像增强器(二代像增强器)
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
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(7) 负电子亲和势光阴极像增强器 (三代像增强器)
光电成像原理
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光电发射基本定律
光电发射第一定律——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。
I= SK • Φ K K
光电发射第二定律 ——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。
电子从表面逸出
EVAC χ ——取决于光电发射 EC Eg 体的能带分布 EF EV Eϕ Eϕ E0 EC EVAC
金属 半导体 真空 光电成像原理
真空
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——光电逸出功 ——光电发射长波限
= E Eg + χ 0
hc λC = Eg + χ
——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。
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
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
−1
0 < r −1 < 1
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。
光电成像原理
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成像特性
体现像管输出图像与输入图像的关系
(1) 放大率m：输出图像与输入图像的线性尺寸之比
l′ m= l
(2) 畸变D：线性尺寸不同处的放大率不同，导致图像形状发 生变形
mr = D −1 m0
光电成像原理
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像管基本结构组成及其功能
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
光电成像原理
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像增强器
－－完成微弱可见光图像的亮度增强。 (1) 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
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。 光谱响应特性曲线 Ag-O-Cs 光阴极结构
缺点：量子效率较低，暗电流大
光电成像原理
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(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 光谱响应特性曲线
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 光电成像原理
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——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。
P型半导体
真空
Eϕ EA EFP EV EFN
N E VAC 型 表 面
E0
P型半导体 光电成像原理
N 型 表 面
真空
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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
光电发射体材料要求
电子光学是研究电子在电场和磁场中运动的学科，主要研究 电子束聚焦、成像和偏转的规律，其理论基础是经典力学、 电动力学和光学。 电子运动和光学联系的理论依据：电子波动性与光波相似； 电子在电磁场中运动规律与光线在变折射率介质中传播规律 相似。 介绍：电子光学中的场的表达、电子在场中的运动形式、电 子光学成像规律、典型电子光学系统。
光电成像原理
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电子光学中的场
几点假定
场分布与时间无关，只是空间函数，即静场 场在真空中 不考虑电子束本身的空间电荷(或电流)分布对场的影响 场的结构以旋转对称形式为主
X射线变像管
视见光谱范围：实现图像的电磁波谱转换 ——变像管 像管 γ射线变像管 视见灵敏度：实现图像的亮度增强——像增强器 电子能量增强 像增强器
电子数量倍增 光电成像原理
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光电成像原理
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光电成像原理
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像管类型结构
像管的分类
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
E = hν − Eϕ k
光电成像原理
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光电发射第三定律——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。
1.24 hc λc ( µ m = ) = Eϕ Eϕ ( ev )
红限波长
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。
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光电发射过程
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。
光电成像原理
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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。 —光电发射体内电子受激过程复杂多变，取决于电子初态能级。
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。
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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。
第四章 直视型光电成像器件 及成像系统
像管类型结构与性能参数 像管成像物理过程 直视型光电成像原理与成像系统
光电成像原理
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第一节 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。
红外变像管
适用于人眼直接观察的光电成像系统，以扩展人眼的视见 紫外变像管 变像管 光谱范围和提高人眼的视见灵敏度。
光电成像原理
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(4) 紫外(UV)光阴极
紫外辐射有较高的能量，探测其一般没有困难。 紫外光阴极对窗口材料有特殊要求，采用合适的窗口材料，使紫 外辐射透过并且射向光电阴极，窗口材料主要有：LiF、MgF2、 石英等。 紫外光阴极按光谱响应范围分为：400～200nm、200～104nm、 104nm以下。 碲化铯(Cs2Te)光阴极，400~200nm谱段，“日盲”紫外光阴极， 对太阳和地表辐射不敏感，窗口材料选用石英。 碱金属卤化物光阴极，200~104nm谱段，LiF或MgF2窗口，峰值 量子效率接近10％(130nm)。 光电成像原理