3.2 直視型光電成像器件——變像管和像增強(qiáng)管

把各種不可見圖像（包括紅外圖像、紫外圖像及X射線圖像）轉(zhuǎn)換成可見圖像的器件稱為變像管；把強(qiáng)度低于視覺閾值的圖像增強(qiáng)到可以觀察程度的成像器件稱為像增強(qiáng)管。可見，變像管與像增強(qiáng)管都是圖像-圖像變換器件，是一種直視型光電成像器件，統(tǒng)稱為像管。由于二者的工作原理相同，只有光陰極面的光譜響應(yīng)不同，因此一并介紹。

3.2.1 像管的結(jié)構(gòu)與工作原理

像管的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，在抽真空的玻璃外殼（現(xiàn)常用金屬外殼）內(nèi)的一個端面上涂以半透明的光電陰極，在另一端面的內(nèi)側(cè)涂以熒光粉，另外管中安置了如圖3-2所示的陽極。

目標(biāo)物所發(fā)出某波長范圍的幅射通過物鏡在半透明光電陰極上形成目標(biāo)的像，引起光電發(fā)射。陰極面上每一點(diǎn)發(fā)射的電子數(shù)密度正比于該點(diǎn)的輻射照度。這樣，光陰極將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成電子數(shù)密度圖像。加有正高壓的陽極形成很強(qiáng)的靜電場，合理地安排陽極的位置和形狀，可以使它對電子密度圖像起到電子透鏡的作用，使陰極發(fā)出的光電子聚焦成像在熒光屏上。熒光屏在一定速度的電子轟擊下發(fā)出可見的熒光，這樣，在熒光屏上便可得到目標(biāo)物的可見圖像。

涂在光陰極面上的光電發(fā)射材料決定了管子是變像管還是像增強(qiáng)管，若所涂材料對紅外或紫外光線敏感，則它就是變像管。若它只對微弱的可見光敏感（如 CSb 陰極或 BioAgCs陰極），則它就是像增強(qiáng)管。它們都是通過兩次變換得到可見圖像的，均是非掃描的光電成像器件。另外，它們都具有圖像增強(qiáng)的作用。實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)一般有兩種方法：增強(qiáng)電子圖像密度，增強(qiáng)電子的動能，或者同時采用這兩種方法。一般利用二次電子發(fā)射來增強(qiáng)電子圖像密度，利用增強(qiáng)電場或磁場的方法來增強(qiáng)電子的動能。由于圖像的變換和增強(qiáng)的方法很多，因而產(chǎn)生了各種類型的變像管和像增強(qiáng)管。

3.2.2 像增強(qiáng)管的串聯(lián)與級聯(lián)

單級像增強(qiáng)管的光放大系數(shù)和光量子增益較小，直視工作距離較短。為了提高靈敏度，增長工作距離，通?？刹捎么?lián)或級聯(lián)的方式。

1. 串聯(lián)式像增強(qiáng)管

磁聚焦三級串聯(lián)式像增強(qiáng)管結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，它是由三只單級像管首尾相接，共同封裝在一只管殼中構(gòu)成的。每只單級像管的高壓電源通過電阻分壓器加在金屬環(huán)上，使管內(nèi)產(chǎn)生均勻加速電場。管外加長螺管線圈，用以產(chǎn)生軸向均勻磁場。兩級中間連接處為夾心片結(jié)構(gòu)，中間為透明云母片。它的前面是熒光屏，后面是光電陰極，兩者的頻譜特性應(yīng)當(dāng)相互匹配。如果每級像管的增益 G=100，則三級串聯(lián)式像管的總增益可達(dá)105。實(shí)際上，由于夾心片對光的吸收以及熒光屏與光陰極的頻譜有偏差，使光量子增益略低于105。

磁聚焦像增強(qiáng)管的優(yōu)點(diǎn)是：管內(nèi)磁場均勻，特別是光陰極附近的磁場均勻，使得它的像差較?。粓D像聚焦均勻，像質(zhì)好；缺點(diǎn)是體積笨重，電源消耗功率大。只適用于地面固定的設(shè)備上。

電聚焦三級串聯(lián)像增強(qiáng)管結(jié)構(gòu)如圖3-4所示，它的加速和聚焦全由電子透鏡來實(shí)現(xiàn)，省去了長螺線管線圈，故使重量減輕；并因省去了勵磁電源，減少了功率損耗。但是，由于中間夾心片只能做成平面形狀，這對于軸對稱電子透鏡的寬電子束聚焦要產(chǎn)生像散和場曲，使圖像邊緣分辨率變差。

2. 級聯(lián)式像增強(qiáng)管

串聯(lián)式像增強(qiáng)管雖然能提高管子的靈敏度，增大直視工作距離，但它存在著像差較大，圖像邊緣分辨率差，夾心片工藝復(fù)雜，成品率低等缺點(diǎn)。而級聯(lián)式像增強(qiáng)管是提高靈敏度，提高成品率的有效方法。它是將三個單級像增強(qiáng)管通過光學(xué)纖維玻璃板相互連接起來構(gòu)成的，如圖3-5和圖3-6所示。

光纖維板是由很多極細(xì)的光學(xué)纖維玻璃絲緊密排列并聚熔而成的，它的一端切成平面，另一端切成（或研磨成）與陰極面或熒光屏面匹配的球面，然后用低熔點(diǎn)玻璃（光膠）將光纖維板與玻殼黏接起來而成。組成光纖板的每根光纖管實(shí)際上就是導(dǎo)光管，它能將從一端入射的光線，經(jīng)過多次全反射后送到另一端。由于光導(dǎo)管很細(xì)（微米量級），因此分辨率高。用它做成的光纖板就能將光學(xué)圖像高保真度地從一面?zhèn)魉偷搅硪幻?，從而形成光耦合?/p>

用光纖板作級間耦合有很多優(yōu)點(diǎn)：①各級可以做成獨(dú)立單管，因此工藝較簡單，使成品率大大提高，而且在使用時，若某一級管子損壞了可以更換。②由于光纖板傳光效率高達(dá)80%以上，因此用三級聯(lián)像增強(qiáng)可以獲得更高的增益。③由于光纖板的端面可以加工成各種所需要的形狀。例如，外表面是平面而內(nèi)表面是球面，可以使像增強(qiáng)管的前表面是平面，以滿足物鏡系統(tǒng)成像面的要求，同時級間耦合也比較方便。另外，電子光學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)在多采用同心球形靜電聚焦系統(tǒng)，物和像都是球面，而面板的內(nèi)表面加工成球面，剛好滿足電子光學(xué)系統(tǒng)的要求。這種管子的缺點(diǎn)是中心區(qū)比邊緣光增益大，這是因?yàn)榍娴拿姘迤溥吘壒鈱W(xué)纖維的端面法線與管軸不再平行，從而形成一定的角度，接收的光通量較中心少的緣故。

目前纖維光學(xué)耦合的級聯(lián)增強(qiáng)管已廣泛應(yīng)用于夜視、微光電視等領(lǐng)域?，F(xiàn)在可以獲得超過3萬倍的增益，分辨率超過30對線/mm的像增強(qiáng)管。

3.2.3 微通道式像增強(qiáng)管

微通道式像增強(qiáng)管的外形呈扁圓形，如圖3-7所示。它的一個端面為光電陰極，另一端面為熒光屏，中間是由很多具有二次電子倍增發(fā)射性能的微通道管集束而成的微通道導(dǎo)板。光電陰極在入射光線照射下發(fā)出光電子，它們分別沿著各個小的微通道管不斷地二次電子倍增，倍增后的電子射到熒光屏上，便顯示出明亮的光學(xué)圖像。

微通道式像增強(qiáng)管的關(guān)鍵元件是微通道管，亦稱為電子倍增纖維管。它是一根細(xì)玻璃管，其內(nèi)壁涂有具有較大二次發(fā)射系數(shù)和較大電阻率的半導(dǎo)體層，總電阻為109～1011 Ω。在微通道管兩端加電壓1～3kV，則在通道內(nèi)壁有電流通過，使內(nèi)壁電位由低到高均勻遞增，在管內(nèi)沿軸方向建立起均勻加速電場。當(dāng)光電阻極發(fā)射出來的光電子進(jìn)入微通道管后，打到微通道管內(nèi)壁，并且每經(jīng)100～200V電壓加速后二次電子倍增一次，倍增后的電子再加速打到對面內(nèi)壁，又產(chǎn)生二次倍增，如此不斷倍增，使電子流急劇增加，最后射出微通道管并打到熒光屏上，如圖3-8所示。對于微弱輻射引起的光電陰極發(fā)射電流（10-9～10-11A）來說，一般微通道管可獲得108的增益。

目前，已有兩種類型的微通道式像增強(qiáng)管：近聚焦微通道式像增強(qiáng)管和靜電聚焦微通道式像增強(qiáng)管。近聚焦微通道式像增強(qiáng)管的光電陰極、微通道導(dǎo)板與熒光屏三者盡可能地靠近，以使由光電陰極發(fā)射出的光電子能直接進(jìn)入微通道管，而微通道管輸出的電子亦能直接打到熒光屏上。通常，光陰極與微通道板的距離不大于0.1mm，其極間電壓不能加得太大，一般為300～400V。微通道板與熒光屏之間的電壓為4～5kV，這樣可以保證電子從微通道板出來直接射到屏上，從而保證了像質(zhì)。靜電聚焦型的微通道式像增強(qiáng)管的結(jié)構(gòu)，如圖3-9所示。它與球?qū)ΨQ型的像增強(qiáng)管很相似，光電陰極所成的光電子像，經(jīng)過靜電電子透鏡聚焦在微通道板上，微通道板將電子像倍增后在均勻電場的作用下打到熒光屏上，便可呈現(xiàn)出明亮的圖像。這種結(jié)構(gòu)的光電陰極與微通道板之間一般加速電壓為5kV，微通道板的工作電壓為1.4kV左右，微通道板輸出面與熒光屏之間的電壓為3～4kV。這種類型的管子的分辨率主要取決于單位面積的微通道板的通道數(shù)目，以及微通道板與熒光屏的近聚焦。

總之，微通道式像增強(qiáng)管的優(yōu)點(diǎn)是，體積小、重量輕，且可通過調(diào)整偏壓來調(diào)整增益。此外，它還具有自動防強(qiáng)光的優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)楫?dāng)微通道板工作在飽和狀態(tài)時，輸入電流的增加不會再改變輸出電流。因此，可以保證熒光屏在強(qiáng)光下不致于被“灼傷”。但這種管子的噪聲較大。一般情況下，靜電聚焦型的微通道式像增強(qiáng)管要比級聯(lián)像增強(qiáng)管的調(diào)制函數(shù)好，而近聚焦型微通道式像增強(qiáng)管的調(diào)制函數(shù)又較級聯(lián)像增強(qiáng)管的差。