像增强器

     　　微光探测器的一种,又名像管,由安装在高真空管壳内的光电阴极、电子透镜（有静电聚焦和磁聚焦两种）和荧光屏三部分组成。它的工作原理是将投射在光阴极上的光学图像转变成电子像，电子透镜将电子像聚焦并加速投射到荧光屏上产生增强的像，然后用照相方法记录下来。单级像增强器亮度增益为 50～100倍。几个单级管串接成的多级像增强器，亮度增益可达几千倍至几十万倍。用五级像增强器拍摄昴星团的照片表明，曝光时间为普通照相法的千分之一。单级像管图像分辨率，一般为每毫米80～100线对,多级像管则为每毫米20～50线对。由于普通照相底片在红外光谱区灵敏度极低，采用具有对红外光敏感的光电阴极的像管，可获得巨大增益。

像增强管与变像管

     　　像增强管是将微弱的可见光图像增强，使之成为明亮的可见图像的真空电子器件。变像管是将不可见光的图像变成可见图像的真空电子器件。在像增强管和变像管中，当外来辐射图像成像于光电阴极时，光电阴极发射电子，电子经加速或经电子透镜聚焦并加速后，轰击荧光屏使之产生较亮的可见图像。
　　1934年，G.霍尔斯特等人制出第一只红外变像管。工作时，在平面阴极与平面荧光屏之间加高电压，阴极与荧光屏距离很近。这是一种近贴聚焦系统。此后又出现静电聚焦和电磁聚焦的成像系统。
　　单级像增强管的亮度增益通常在 50到100倍之间。采用纤维光学面板作为输入和输出窗口，可以把像增强管级联起来。三级级联的像增强管可获得10⁴到10⁵倍的亮度增益。级联像增强管配上物镜、目镜和电源后即成为夜间观察仪器，可用于军事、天文、医学、特殊照相、动物夜间习性观察、夜间监视等。这种可级联的像增强管称为第一代微光管,体积较大,且防强光能力差。在静电聚焦或近贴聚焦系统中加入一块微通道板，使单管达到10⁴倍的亮度增益,就成为第二代像增强管(图1, 图2)。微通道板实际上是一个次级发射电流放大器。它是由几十万至几百万根空心玻璃丝组成的阵列，每根空心玻璃丝都具有一定的电导率和大于 1的次级发射系数。微通道板两端面涂有电极,可加600～1000伏的电压。光电子进入微通道板后,通过倍增作用,使电流放大1000～3000倍。其输出电子经加速后轰击荧光屏，显示出可见光图像。

像增强管与变像管

像增强管与变像管

　　在平面阴极和平面荧光屏之间加微通道板的双近贴式微光管没有倒像作用。通常采用 180°扭转的纤维光学面板，把由物镜形成的倒立像再颠倒过来，从而得到正立的图像。这类微光管一般采用厚多碱光电阴极，以提高红光和近红外区域的灵敏度。采用灵敏度更高的Ⅲ-Ⅴ族负电子亲和势光电阴极，即为第三代像增强管。
　　红外变像管通常采用对红外敏感的半透明银氧铯光电阴极。用红外变像管可以制成红外望远镜。
　　人眼只能感受范围很窄的电磁辐射（即可见光）。一些物质可将紫外线、X射线、γ射线等转换成可见光，可称为转换物质。应用变像管原理，在阴极基底上制作转换物质层和光电阴极，就能制成对某种射线敏感的变像管。例如转换材料是X射线荧光屏或CsI(Na)层，可制成X射线增强管。如果转换材料是闪烁晶体,可制成γ射线变像管。这种方法还可以推广应用于 α射线、β射线和中子辐射。例如利用中子源和中子变像管可以检查大型金属铸件中的缺陷。

7.1像管

7.1.1 像管的结构和工作原理

   1.像管的结构

基本结构：由光电阴极、电子光学系统（也称为“电子透镜”）、荧光屏等组成。

在实际应用中，像管的前、后部分别装配有光学成像物镜和观察目镜，构成微光夜视仪或医疗诊断仪等成像系统。

图7-1  像管的结构及应用实物图

光电阴极——涂覆于光窗内壁的光电发射材料薄膜，是像管的光-电转换部分。

电子光学系统——将电子图像成像在荧光屏上。

电子光学系统的分类：

Ÿ        静电系统——靠静电场的加速和聚焦作用完成电子图像的成像功能。在静电型电子光学系统中，电源的两极分别与光电阴极和荧光屏连接。工作时，阴极接零电位、阳极加直流高压，在两极之间形成轴对称的静电场。

Ÿ        电磁复合系统——由静电场的加速和磁场的聚焦作用共同完成电子图像的成像功能。电磁复合系统的磁场由像管外围的长螺旋线圈通以恒定电流来产生，加速电场则由光电阴极与阳极之间所加直流高压产生。

荧光屏——将电子动能转换成光能，是像管的电-光转换部分。

对荧光屏的要求：具有高的转换效率；发射光谱与人眼或与之耦合的下一级光电阴极的光谱响应特性相匹配。

常用荧光屏发光材料是掺杂的晶态磷光体，发射的大部分是绿光，符合人眼视觉的光谱响应特性，便于观察。

2.像管的工作原理 

Ÿ      亮度很低的可见光图像或者人眼不可见的光学图像经光电阴极转换成电子图像；

Ÿ      电子光学系统将电子图像聚焦成像在荧光屏上，并使光电子获得能量增强；

Ÿ      荧光屏再将入射到其上的电子图像转换为可见光图像。

7.1.2 像管的主要特性参数

图7-6  光源与光电阴极之间的光谱匹配

1.光谱响应特性和光谱匹配因数

光谱响应特性 就是光电阴极的光谱响应特性，决定像管适用的光谱范围。

光谱匹配 在像管的光谱响应范围内，光源与光电阴极、光电阴极与荧光屏以及荧光屏与人眼视觉函数之间的光谱分布匹配。

积分灵敏度S 单位辐射通量（全波段）所产生的光电流，也称为光电灵敏度。

（7-1）

光谱匹配因数a光源确定时，若Φ(λ)和S(λ)两条曲线重合得愈好，面积A1就愈大，光谱匹配愈好；反之，若两条曲线重合得不好，光谱匹配不好。

2.增益特性

亮度增益荧光屏的光出射度Ma与入射到光电阴极面上的照度Ek之比。

（7-2）

3.等效背景照度

等效背景照度 在荧光屏上产生与暗背景相等的亮度时，光电阴极面上所需要的输入照度值。

，

（7-3）

4.像管的成像特性

像管的线放大率β 荧光屏上输出图像的线尺寸l'与光电阴极上输入图像的线尺寸l的比值。它表征了像管对图像几何尺寸的放大或缩小的能力。

图像的畸变物高的不同导致放大率不同，图像的形状发生畸形变化。图像的畸变程度用光电阴极轴外不同位置处的放大率相对于中心放大率的偏差来表征。

（7-4）

分辨率能够分辨图像中明暗细节的能力。分辨率是评价光电成像器件的一个重要指标。

极限分辨率刚刚能够分辨清楚两个相隔很近的像点的能力。

调制传递函数 输出图像的调制度Mo与输入图像的调制度Mi之比。

（7-6）

7.1.3 变像管

图7-10 光电导式红外变像管原理示意图

1.红外变像管

红外变像管的基本结构：红外变像管的基本结构如图7-10所示。

Ÿ      对于波长小于1.15μm的近红外辐射，变像管利用银-氧-铯光电阴极，直接进行变像。

Ÿ      对于波长大于1.15μm的红外辐射，因没有合适的光电阴极，利用光电导技术进行间接变像。

光电导技术的变像原理：入射的红外辐射图像经红外物镜成像在光电导靶上，在靶面上形成相应的电势分布图像；当电子枪发射的电子束在偏转磁场的作用下，入射到靶面上时，就会受到电势图像的调制；原入射的电子束中有一部分电子再经偏转磁场和电场的作用而返回到荧光屏上，使之发出荧光。

红外变像管的应用：军事、公安等方面的红外夜视仪器；暗室管理、物理实验、激光器校准和夜间生物活动的观察。

2.紫外变像管

紫外变像管的基本结构：与图7-10相似，只是光电阴极的材料和光谱响应有所不同。

紫外敏感（日盲型）的光电阴极材料及其响应波段分别为：

Ÿ     Sb-Cs光电阴极（石英玻璃窗口），λ>200nm；

Ÿ     Cs-I光电阴极（MgF2或LiF窗口），105nm或115~195nm；

Ÿ     Rb-Te光电阴极（蓝宝石窗口），145~320nm。

紫外变像管的应用：和光学显微镜结合起来，用于医学和生物学等方面的研究。

3.选通式变像管

图7-11 选通式变像管示意图

选通式变像管的结构：如图7-11所示，选通式变像管的关键是在电子光学系统的阴极与阳极之间增加一对带孔栏的金属电极（称为控制栅）。

选通式变像管的工作原理：改变控制栅的电压，从而控制变像管的导通和光电子的发射。

Ÿ     变像管导通——控制栅的电压UG比光电阴极电压高175V。

Ÿ     变像管截止——控制栅的电压UG比光电阴极电压低90V。

选通式变像管选通的工作方式：

Ÿ     单脉冲触发式——主要用于高速摄影中的电子快门。

Ÿ     连续脉冲触发式——主要用于主动红外选通成像与测距。

7.1.4 像增强器

1.像增强器的结构及原理

像增强器的基本结构：由光电阴极、电子光学系统、电子倍增器以及荧光屏等功能部件组成。

像增强器的工作原理：电子光学系统和电子倍增器将光电阴极所发射的光电子图像传递到荧光屏，在传递过程中使电子流的能量增强（有时还使电子的数目倍增），并完成电子图像几何尺寸的缩小/放大；荧光屏输出可见光图像，且图像的亮度被增强到足以引起人眼视觉的程度，从而可以在夜间或低照度下直接进行观察。

像增强器的分类：级联式像增强器、带有微通道板的像增强器。

2.第一代像增强器——级联式像增强器

级联式像增强器的结构：由几个分立的单级像增强器组合而成。

图7-13 三级级联式像增强器的结构示意图

级联式像增强器的性能：光灵敏度为400~800μA/lm，光辐射灵敏度为20mA/W（波长为0.85μm）；若单级像管的分辨率大于50 lp/mm，则三级级联式像增强器的分辨率可达30~38 lp/mm、亮度增益可达105。

级联式像增强器的特点：体积大、重量重，防强光能力差（最后一级荧光屏容易被前两级增强了的电子流“灼伤”），使用时须避免强光照射。

3.第二代像增强器——微通道板像增强器

微通道板（Micro Channel Plate） 一种二维高增益电子倍增器，简称MCP

微通道板的结构：微通道板是由上百万个平行而紧密排列的微细空心含铅玻璃纤维（微通道）组成的二维阵列。通道内壁覆盖一层具有较高二次电子发射系数的薄膜，两个端面镀有镍层，分别形成输入/输出电极，极板之间施加直流高压U（可达10kV），外缘带有加固环，微通道板通常不垂直端面，而是成7~15°的斜角。

图7-14 微通道板的剖面/截面结构示意图

微通道板的电子倍增原理：如图7-15，微通道的入口端对着像管的光电阴极、并位于电子光学系统的像面上，出口端对着荧光屏，微通道的两个端面电极上施加工作电压U形成电场。高速光电子进入通道，与内壁碰撞 ，入射电子得到倍增。重复这一过程直至倍增电子从通道出口端射出为止。

图7-15 微通道内的电子倍增原理示意图

微通道板的特点：可使整幅电子图像得到增强；可得到108量级的电子增益。

微通道板的应用: 用微通道板代替一般光电倍增管中的电子倍增器，构成微通道板光电倍增管（MCP PMT），可响应和探测更窄的脉冲或更高频率的光辐射。

微通道板像增强器的结构: 将微通道板置入像管的光电阴极与荧光屏之间构成，分为双近贴式和倒像式两种。在这两种结构中，微通道板和荧光屏相距很近。

图7-16  带微通道板像增强器的两种结构形式

微通道板像增强器的工作原理: 由光电阴极发出的光电子图像，（经电子透镜的作用）入射到微通道板上，经微通道板的电子倍增和加速作用，直接投射到荧光屏上，在输出窗得到亮度增强的荧光图像。

微通道板像增强器的特点:有可调的亮度增益；体积小、重量轻，便于与其他光电器件（如光纤面板）配合使用；可自动防强光。

      3.二代以后的像增强器

Ÿ     第三代像增强器——负电子亲和势光电阴极微通道板增强器。

特点：可同时起到光谱变换和图像增强的作用。

典型性能：光度学灵敏度为3000 μA/lm、辐射度学灵敏度为100 mA/W（波长为0.85 μm处）、亮度增益为1×104cd/(m2·lx)、分辨率为36 lp/mm。

Ÿ      超三代和第四代像增强器——在第三代像增强器的基础上，通过进一步改进微通道板的性能，或者利用门控电源技术，提高像增强器的分辨率、信噪比等性能参数的像增强器。

4.像增强器的应用

Ÿ     可用来对近红外光、可见光、紫外光和X射线照射下的景物，进行探测、图像增强和成像。

Ÿ     作为微光摄像系统的前一级器件，先对入射图像进行增强，再传递给摄像器件。

Ÿ     用于微光夜视、夜盲助视、天文观测、X射线图像增强、医疗诊断和高速电子摄影快门等技术。

7.1.5 像管的典型应用

像管在医疗、军事等领域得到了广泛的应用。特别是在现代军事装备中，像管与红外光源、激光器以及光学系统等一起组成完整的光电成像系统（如微光夜视仪、微光瞄准镜、红外夜视仪等），在夜间侦察、瞄准、车辆驾驶等战场作业方面发挥了重要作用。

图7-17 一种微光夜视仪的实用效果

1.微光夜瞄镜

工作原理：远处目标在夜天光的照射下发出的微弱光学图像被物镜接收并聚焦在像增强器的光电阴极上，像增强器形成的可见光图像再经目镜放大后，可由人眼直接观察。

图7-18 实用的微光夜瞄镜及其系统结构

2.红外夜视仪

工作原理：由红外光源发出的红外光照射到目标上，经目标反射后，被红外物镜接收并聚焦在红外变像管的光电阴极上，红外变像管形成的可见光图像再经目镜放大后，可由人眼直接观察。

图7-19  红外夜视仪及其系统结构