4/4光電成像器件目錄

光電成像器件的原理及組成(1)

像管(1)

攝像管(2)

固體成像器件(3)

光電成像器件的應(yīng)用(4)

光電成像器件的最新發(fā)展方向(4)

光電成像器件的原理及組成

光電成像器件從成像原理上，可分為掃描型與非掃描性兩類；從人的觀察應(yīng)用上，又可分為直視型和非直視型兩類；按工作原理分，又可分為像管，攝像管和固體成像器件。

像管各種類型的變像管、像增強(qiáng)器的電子照相管的總稱。它將可見或非可見的輻射圖像轉(zhuǎn)換或增強(qiáng)為可直接觀察或記錄的圖像。其工作原理是將投射在光電陰極上的輻射圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像，電子光學(xué)系統(tǒng)將此圖像盡可能真實(shí)地轉(zhuǎn)移到熒光屏上產(chǎn)生一個增強(qiáng)的光學(xué)圖像（如變像管和像增強(qiáng)器）或記錄在對高速電子敏感的膠片上（如電子照相管）。

變像管一種把非可見（紅外或紫外）輻射圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像的器件。圖1a[變像管]

變像管，它通常用于主動紅外夜視中。圖1b[變像管]為一種用于高速攝影的變像管。

像增強(qiáng)器一種將微弱的光學(xué)圖像增強(qiáng)為高亮度的可見光圖像的器件。它廣泛用于微光夜視中。其光敏面通常采用鈉鉀銫銻多堿光電陰極。獲得高亮度增益的方式有級聯(lián)和使用電子倍增器兩種。

實(shí)現(xiàn)級聯(lián)的方式也有兩種：一種是在同一管殼內(nèi)用薄的云母片作為支撐體，其兩側(cè)分別制作光電陰極和熒光屏,形成夾心倍增屏結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)各級像管之間的耦合。磁聚焦像增強(qiáng)器大都采用這種方式。另一種是采用纖維光學(xué)面板將單個靜電聚焦型像增強(qiáng)管耦合在一起，如纖維光學(xué)耦合三級級聯(lián)像增強(qiáng)器，它通常稱為第一代像增強(qiáng)器，如圖2[纖維光學(xué)耦合三級級聯(lián)像增強(qiáng)器]

所示。25/25毫米第一代像增強(qiáng)器的典型性能是：放大率=0.85，分辨率28

線對/毫米，亮度增益5×10，等效背景照度2×10勒克斯。

在管內(nèi)獲得電子倍增的一條途徑是在單級像增強(qiáng)管中插入電子倍增器，曾用過氯化鉀薄膜，目前均使用微通道板電子倍增器,微通道板(MCP)是由數(shù)以百萬計的微型通道電子倍增器的通道緊密排列而成的二維陣列器件。光電子進(jìn)入通道后，由于多次倍增過程，使電子急劇增多,在輸出端可獲得10～10的電子增益。目前，微通道板的典型性能是：通道直徑10～12微米,通道中心距15微米，長徑

比50,厚0.6毫米，加1000伏電壓，電子增益為10。

帶有微通道板的像增強(qiáng)器通常稱為第二代像增強(qiáng)器。其突出優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、增益可調(diào)、本身具有防強(qiáng)光作用,但噪聲較大。它有二種形式：一是薄

片管,它把微通道板平行安置在靠得很近的光電陰極與熒光屏之間，從而形成雙

近貼像增強(qiáng)器；另一是倒像管，它類似通常單級像增強(qiáng)管，但在熒光屏前置一微通道板。第二代倒像管的性能與第一代相接近。

如果在第二代薄片管中，光電陰極采用負(fù)電子親和勢發(fā)射材料，便構(gòu)成所謂第三代像增強(qiáng)器。這種光電陰極通常是III,V族化合物P型半導(dǎo)體單晶，由液相外延或汽相外延生成，然后在超高真空中清潔表面并用銫氧進(jìn)行處理，使其真空能級位于半導(dǎo)體導(dǎo)帶底之下，從而形成負(fù)電子親和勢。它的突出優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、光譜響應(yīng)向長波閾延伸、光電子的能量分布集中和暗發(fā)射小。目前第三代像增強(qiáng)器的典型水平為：靈敏度（透射式GaAs光電陰極）950微安／流明，分辨率30線對／毫米。

電子照相管一種用膠片直接記錄電子圖像的器件。它一般采用勻強(qiáng)磁場聚焦，電子束加速電壓為15～40千伏，用對高速電子敏感的底片記錄。其突出優(yōu)點(diǎn)是圖像無畸變、分辨率高（可達(dá)200線對／毫米）、動態(tài)范圍大、灰霧和暗背景小，很適合于觀測記錄微弱天體，目前已在許多天文臺中使用。

攝像管利用電子束對靶面掃描，把其上與光學(xué)圖像相應(yīng)的電荷潛像轉(zhuǎn)換成一定形式的視頻信號的器件的總稱。它通常在兩種場合下工作:照度在200勒克

斯以上（如廣播與工業(yè)電視）和照度在10勒克斯以下（如微光電視）。

攝像管通常由移像段（或不用移像段）、靶與掃描段所組成。其工作原理可歸納如下。①圖像的記錄，移像段（其原理與像管相同）將光電陰極上的光電子

圖像轉(zhuǎn)移到靶上（不用移像段時，直接將光學(xué)圖像）變換成靶面上積累的電荷潛像。②圖像的讀取，掃描段通過電子槍與偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)細(xì)電子束對靶面的掃描，將靶面上電荷潛像變換為視頻信號輸出。由于攝像管中采用了電荷積累效應(yīng)，故工作時，靶面某一像素上，電荷潛像的記錄是在攝像的全過程中連續(xù)積累進(jìn)行的，而圖像的讀取是在電子束掃描到這一像素的一瞬間完成的。

近代攝像管種類繁多，有五種基本類型：

光導(dǎo)攝像管它使用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的靶。工作時，掃描束在靶的背面形成一個負(fù)電位。當(dāng)光束被聚焦到光電導(dǎo)靶上時，靶的電導(dǎo)增加，便有附加的正電荷轉(zhuǎn)移到靶背面，電子束掃描使它重新充電到負(fù)電位。此充電電流即為信號電流，可以通過負(fù)載電阻及耦合電容轉(zhuǎn)換為視頻信號。光導(dǎo)攝像管較為突出的例子是硫化銻光導(dǎo)攝像管、氧化鉛光導(dǎo)攝像管和硒砷碲光導(dǎo)攝像管。

超正析像管移像段使光電子聚焦到高阻玻璃或氧化鎂薄膜的靶表面。靶發(fā)射的次級電子被位于靶前的網(wǎng)電極所收集，使靶形成正電荷區(qū)。掃描電子束與靶復(fù)合后，剩余電子向著電子槍方向返回，信號由電子倍增器陽極輸出，其幅值大小與光強(qiáng)成反比。

分流攝像管又稱分流正析像管。它是超正析像管的改進(jìn)。掃描電子束與靶面作用后產(chǎn)生兩條性質(zhì)不同的返回電子束：反射回程束與散射回程束，后者的電流大小與像素電位成正比，故在管內(nèi)加入轉(zhuǎn)向電極與分離電極，僅使散射回程束進(jìn)入電子倍增器，輸出信號幅值與光強(qiáng)成正比，信噪比較超正析像管高。

次級電子傳導(dǎo)(SEC)攝像管光電子通過移像段聚焦在很薄的低密度氯化鉀靶上,大量次級電子被激發(fā),并移向信號電極，使氯化鉀中形成正電荷。掃描電子束對此正電荷中和而形成信號電流，由信號電極輸出。

硅電子倍增攝像管工作原理與次級電子傳導(dǎo)攝像管相同，但靶是極薄的硅二極管陣列。在高速光電子作用下，在N型區(qū)產(chǎn)生大量電子-空穴對,空穴向結(jié)區(qū)P型島擴(kuò)散，從而形成電位起伏的圖像。

此外，尚有利用熱（釋）電效應(yīng)的攝像管（見熱探測器）。

固體成像器件各種自掃描像敏器件和電荷耦合攝像器件的總稱。其特點(diǎn)是無需掃描電子束而自行產(chǎn)生視頻信號。

自掃描像敏器件有線陣和面陣之分。尋址（面陣列）像敏器件利用接到每個像素上垂直線和水平線尋址光敏二極管(或光電導(dǎo))陣列的某一光敏像素

陣列，各像素相繼產(chǎn)生隨時間而變化的視頻輸出信號。這在原理上雖然是行得通的，但在均勻性和信噪比上卻遇到了很大的困難。

電荷耦合攝像器件用于攝像的電荷耦合器件(CCD)。在P型或N型硅單晶襯底上生長一層厚度約為1200埃的二氧化硅層，在此層上按一定次序淀積金屬電極，形成金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu),再加上輸入端與輸出端，便構(gòu)成CCD器件，如圖5[電荷耦合器件]

所示。它與攝像管主要區(qū)別在于它把光電轉(zhuǎn)換、信號貯存及讀取三個部分集中在一個支承件上。

電荷耦合攝像器件有線陣與面陣二種，二者都是用光學(xué)系統(tǒng)把景物聚焦在器件表面。由于光激發(fā)，在半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電子-空穴對,其中少數(shù)載流子貯存在勢阱中。因?yàn)槊恳粏卧姌O下所貯存的少數(shù)載流子的數(shù)目與光強(qiáng)成正比，從而把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化為電極下的電荷圖像。通過時鐘脈沖電壓有規(guī)律的變化，使注入的少數(shù)載流子作定向傳輸，最后在輸出端輸出，從而使圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號。

電荷耦合攝像器件具有一般電真空成像器件無可比擬的優(yōu)點(diǎn)：如自掃描、大動態(tài)范圍、高靈敏度、低噪聲、對紅外靈敏、無畸變、無滯后等;此外,封裝密度高（超小型）、速度快、功率低、成本低、簡單可靠。故它是70年代以來受到普遍重視的一種新穎成像器件。

光電成像器件的應(yīng)用

光電成像器件利用光電效應(yīng)，彌補(bǔ)了人眼在靈敏度、響應(yīng)波段、細(xì)節(jié)的視見能力以及空間和時間上的局限等方面的不足。特別是在醫(yī)療影像診斷領(lǐng)域，高質(zhì)量的光電成像器件甚至決定了整個影像系統(tǒng)的水平。光電成像器件自1931年，真空攝像管問世，發(fā)展至今以氧化鋁和硒砷碲視為代表的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，在醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。而到1970年CCD固體攝像器件異軍突起，以其高可靠性和壽命長的特點(diǎn)在醫(yī)療領(lǐng)域占據(jù)了優(yōu)勢地位。CCD發(fā)展至今，在分辨率、靈敏度、暗電流、信噪比方面都有了較大突破，醫(yī)學(xué)上對圖像傳感器的高分辨率、超密集等特殊要求，目前早已不是問題。此外CCD不僅有傳像功能，還有貯存功能。可以由此制成數(shù)字化采集系統(tǒng)；CCD可接收的光波段很寬，能在微光下攝影。這些為醫(yī)學(xué)的圖像顯示帶來了革命。

另外，由于光電探測器件對于很多非可見光也有探測能力，因此將探測期間與成像器件聯(lián)合使用，同樣能夠幫助我們探測到一些肉眼無法觀察的信號，這大大提高了我們探測偵查領(lǐng)域的能力。當(dāng)然光電成像技術(shù)在其他很多方面也都有應(yīng)用，它出現(xiàn)在我們生活中的幾乎所有地方，也同樣出現(xiàn)在我們普通生活無法觸及的領(lǐng)域，可以說是完全地覆蓋了我們所擁有技術(shù)的每個領(lǐng)域。

光電成像器件的最新發(fā)展方向

我們希望在未來光電成像技術(shù)能夠更好地位人類所用，能帶來更多更好的利益，因此光電技術(shù)任然在發(fā)展與進(jìn)步中。從技術(shù)層面講，在以下幾個方面我們還能找到其可提高的地方：

1）提高分辨率

技術(shù)發(fā)展要求現(xiàn)有的光電成像器件在盡量小的器件體積和面積下實(shí)現(xiàn)盡可能高的分辨率，在不考慮幾何光學(xué)成像條件和波動光學(xué)衍射極限的情況下，要求將光電成像器件的傳感單元盡量的小型化；

2）增強(qiáng)動態(tài)范圍，提升光電成像器件的靈敏度

在現(xiàn)有的成像器件中，對光的動態(tài)范圍捕捉往往不如傳統(tǒng)的膠片感光方式；靈敏度在低照度的情況下也不能