直视型光电成像器件及其在安防中的应用

      上面已论述了CCD与CMOS两种应用广泛的非直视型光电成像器件，实际还有自扫描光电二极管阵列（Self-Scanned Photodiode Array,SSPA或SSPD）,接触式图像传感器（ContactImage Sensor,CIS）等。由于在安防中应用较少，这里就不做介绍，。下面就介绍一下直视型光电成像器件及其在安防中的应用。

       把各种不可见图像（包括红外图像、紫外图像及X射线图像）转换成可见图像的器件称为变像管；把强度低于视觉阈值的图像增强到可以观察程度的成像器件称为像增强管。可见，变  像管与像增强管都是图像-图像变换器件，是一种直视型光电成像器件，统称为像管。由于二者的工作原理相同，只有光阴极面的光谱响应不同，为此一并介绍。

      像管的结构如图4-31所示，在抽真空的玻璃外壳（现常用金属外壳）内的一个端面上涂以半透明的光电阴极，在另一端面的内侧涂以荧光粉，另外像管中安置了如图所示的阳极。

图4-31      像管的结构

      目标物所发出某波长范围的辐射通过物镜在半透明光电阴极上形成目标的像，引起光电发射。阴极面上每一点发射的电子数密度正比于该点的辐照度，这样，光阴极将光学图像转变成电子数密度图像。加有正高压的阳极形成很强的静电场，合理地安排阳极的位置和形状，让它对电子密度图像起到电子透镜的作用，使阴极发出的光电子聚焦成像在荧光屏上。荧光屏在一定速度的电子轰击下发出可见的荧光，这样，在荧光屏上便可得到目标物的可见图像。

       涂在光阴极面上的光电发射材料决定了管子是变像管还是像增强管，若所涂材料对红外或紫外光线敏感，则它就是变像管。若它只对微弱的可见光敏感（如CSb阴极或BioAgCs阴极）,则它就是像增强管。它们都是通过两次变换得到可见图像的，都是非扫描的光电成像器件。

       此外，它们都具有图像增强的作用。实现图像增强一般有两种方法：增强电子图像密度，以及增强电子的动能，或者同时采用这两种方法。增强电子图像密度，一般利用二次电子发射来实现；而用增强电场或磁场的方法来增强电子的动能。由于图像的变换和增强的方法很多，因而产生了各种类型的变像管和像增强管。

       光电阴极性能的好坏直接对管子的工作特性有很大的影响。光阴极的量子效率决定了管子的灵敏度，量子效率对波长的依赖关系决定了管子的光谱响应。光阴极暗电流和量子效率决定了像的对比度和最大信噪比，对比度和信噪比又决定了照度最低情况下的分辨率。因此在设计和选择特殊应用的变像管时，选择恰当的光阴极是获得最佳性能所不可少的。

       荧光屏上像点到光轴的距离H’与阴极面上对应点到光轴距离H之比称为变像管点所在环带的放大率β。由于存在着畸变，阴极面上各环带的放大率数值不相等，轴上（或近轴）放大率称为理想放大率屎若放大率随离轴距离H的增加而增大的畸变称为枕形畸变，相反则称为桶形畸变。设给定环带的畸变为则

D=β/β0-1            （4-29）

若D>0,则为枕形畸变；若D<0,则为桶形畸变。

设从光阴极发岀的光电子能全部到达荧光屏，光阴极面接收的辐射通量为©，辐照度为&，在额定阳极电压UA下，变像管荧光屏的光出射度A/v,则变像管的亮度转换增益为

GL=Mv/Ee                             (4-30)

设光阴极的有效接收面积为Ak,则光电阴极发射出的光电流为

Ic=SIAk*Ee                              (4-31)

       若已知其光阴极的灵敏度Si和荧光屏的发光效率〃，设屏的有效发光面积为/v,便可以计算出它的亮度转换增益。光电子在阳极电场的作用下，加速轰击荧光屏，若UA的单位为V,Ee的单位为W/m2,η取cd/W,S1的单位取为μA/W,则荧光屏发出的光出射度A/v应为

代入式(4-30)得亮度转换增益

        由式(4-33)可知，提高变像管亮度转换增益的方法是：提高光电阳极的灵敏度S；提高荧光屏的发光效率η:增大阳极电压UA;减小荧光屏与光阴极工作面积之比Av/Ak,而Av/Ak=β²为变像管的横向放大率的平方，因而还应综合考虑GL与β间的关系。

        在极限观察的情况下，光电阴极面的极限照度E称为观察灵敏阈。它通常用实验的方法来确定，即把星点像投射到变像管光电阴极面上，测量在荧光屏上刚刚能觉察出星点像情况下阴极面上星点的照度。一般，变像管在典型工作电流IO"A、工作电压为15〜20kV时，分辨率可超过50对线/mm,亮度增益为30〜90倍。

        单级像增强管的光放大系数和光量子增益较小，直视工作距离较短。为了提高灵敏度，增长工作距离，通常可采用串联或级联的方式。

       磁聚焦三级串联式像增强管结构图，如图4-32所示，它由三只单级像管首尾相接，共同封装在一只管壳中构成。每只单级像管的高压电源通过电阻分压器加在金属环上，使管内产生均匀加速电场。管外加长螺管线圈，用以产生轴向均匀磁场。两级中间连接处为夹心片结构，中间为透明云母片。它的前面是荧光屏，后面是光电阴极，两者的频谱特性应当正好匹配。如果每级像管的增益G=100,则三级串联式像管的总增益可达105。实际上，由于夹心片对光的吸收以及荧光屏与光阴极的频谱有偏差，使光量子增益略低于IO5。

       聚焦像增强管的优点是：管内磁场均匀，特别是光阴极附近的磁场均匀，使得它的像差较小；图像聚焦均匀，像质好。但其体积笨重，电源消耗功率大，只适用于地面固定设备上。

       电聚焦三级串联像增强管结构，如图4-33所示。由图可见，它的加速和聚焦全由电子透镜来实现，省去了长螺线管线圈，故使质量减轻；并因省去了励磁电源，减少了功率损耗。但是，由于中间夹心片只能做成平面形状，这对于轴对称电子透镜的宽电子束聚焦要产生像散和场曲，使图像边缘分辨率变差。

       串联式像增强管虽然能提高管子的灵敏度，增大直视工作距离，但它存在着像差较大，图像边缘分辨率差，夹心片工艺复杂成品率低等缺点。而级联式像增强管是提高灵敏度，提高成品率的有效方法，它是将三个单级像增强管通过光学纤维玻璃板相互连接起来构成的，如图4-34和图4-35所示。

图4-34级联式像增强器单管示意图              图4-35级联式像增强管

       光纤维板是由很多极细的光学纤维玻璃丝紧密排列并聚熔而成。它的一端切成平面，另一端切成(或研磨成)与阴极面或荧光屏面匹配的球面，然后用低熔点玻璃(光胶)将光纤维板与玻壳粘接起来。组成光纤板的每根光纤管实际上就是导光管，它能将从一端入射的光线，经过多次全反射送到另一端。由于光导管很细(微米量级)，因此分辨率高。用它做成的光纤板就能将光学图像高保真度地从一面传送到另一面，而形成光耦合。

用光纤板作级间耦合有很多优点。

        (1)各级可以做成独立单管。因此工艺较简单，使成品率大大提高，且在使用时，若某一级管子损坏了可以更换。

        (2)由于光纤板传光效率高达80%以上，因此用三级联像增强可获得更高的增益。

        (3)由于光纤板的端面可以加工成各种所需要的形状。例如，外表面是平面而内表面是球面，可以使像增强管的前表面是平面，以满足物镜系统成像面的要求，同时级间耦合也方便。另外，电子光学系统现在多釆用同心球型静电聚焦系统，物和像都是球面，而面板的内表面加工成球面，刚好满足电子光学系统的要求。这种管子的缺点，是中心区比边缘光增益大，这是因为曲面的面板其边缘光学纤维的端面法线与管轴不再平行，而成一定角度，因此接收的光通量较中心少的缘故。 

       目前纤维光学耦合的级联增强管已广泛应用于夜视、微光电视等领域。现在可以获得超过30000倍的增益，分辨率超过30对线/mm的像增强管。

       微通道式像增强管的外形呈扁圆形，如图4-36所示，它的一个端面为光电阴极，另一端面为荧光屏，中间是由很多具有二次电子倍增发射性能的微通道管集束而成的微通道导板。光电阴极在入射光线照射下发出光电子，它们分别沿着各个小的微通道管不断地二次电子倍增，倍增后的电子射到荧光屏上，便显示出明亮的光学图像。微通道式像增强管的关键元件是微通导管，亦称电子倍增纤维管，它是一根细玻璃管，其内壁涂具有较大二次发射系数和较大电阻率的半导体层，总电阻为109~10llΩo在通道管两端加电压1〜3kV,则在通道内壁有电流通过，使内壁电位由低到高均匀递增，在管内沿轴方向建立起均匀加速电场。当光电阴极发射岀来的光电子进入微通导管后，打到通导管内壁，并且每经100〜200V电压加速后二次电子倍增一次，倍增后的电子再加速打到对面内壁，又产生二次倍增，如此不断倍增，使电子流急剧增加，最后射出微通导管打到荧光屏上，如图4-37所示。对于微弱辐射引起的光电阴极发射电流(10H〜109A)来说，一般微通导管可获得108的增益。

图4-36 微通道像增强管外形结构               图4-37 微通导管的二次电子倍增原理

       目前，已有两种类型的微通道式像增强管：近聚焦微通道像增强管和静电聚焦微通道像增强管。近聚焦微通道像增强管的光电阴极、微通道导板与荧光屏三者尽可能地靠近，以使由光电阴极发射出的光电子能直接进入微通导管，而微通导管输岀的电子亦能直接打到荧光屏上。通常，光阴极与微通板的距离不大于0.1mm,其极间电压不能加的太大，一般为300-400V«微通导板与荧光屏之间的电压为4〜5kV,这样可以保证电子从微通导板出来直接射到屏上，从而保证了像质。

       静电聚焦型的微通道像增强管的结构如图4-38所示，它与球对称型的像增强管很相似，光电阴极所成的光电子像，经过静电电子透镜聚焦在微通道板上，微通道板将电子像倍增后在均匀电场作用下打到荧光屏上，便可呈现出明亮的图像。这种结构的光电阴极与微通道板之间的加速电压一般为5kV,微通道板的工作电压为1.4kV左右，

图4-38      静电聚焦微通道像增强管

       微通道板输出面与荧光屏之间的电压为3〜4kV。这种类型管子的分辨率主要取决于单位面积的微通道板的通道数目，以及微通道板与荧光屏的近聚焦。

       总之，微通道像增强管的优点是体积小、质量轻，且可通过调整偏压来调整增益。此外，它还有自动防强光的优点，这是因为当微通道板工作在饱和状态时，输入电流的增加不会再改变输出电流，因此，可以保持荧光屏在强光下不至于被“灼伤”。但这种管子的噪声较大。一 般，静电聚焦型的微通道像增强管要比级联像增强管的调制函数好，而近聚焦型的微通道像增强管的调制函数又较级联像增强管的差。

       大家知道，夜视技术过去在军事上应用很广，目前在民用视频监控中也获得了广泛的应用。实际上，夜视技术是借助于光电成像器件实现夜间观察的一种光电技术，它包括微光夜视和红外夜视两类。

       微光夜视技术是通过带像增强管的一种夜视技术，它实际就是对夜天光照亮的微弱目标像进行增强，以供观察的光电成像技术。而微光夜视仪，是目前国外生产量和装备量最大和用途最广的夜视器材，它又可分为直接观察（如夜视观察仪、武器瞄准具、夜间驾驶仪、夜视眼镜）和间接观察（如微光电视）两种。

        红外夜视技术则分为主动红外夜视技术和被动红外夜视技术。

被动红外夜视技术是借助于目标自身发射的红外辐射来实现观察的红外技术，它根据目标与背景或目标各部分之间的温差或热辐射差来发现目标，其对应装备为热像仪，有兴趣者可参阅本人在2007年8月发表的“红外热成像技术及其在智能视频监控中的应用”一文。

        主动红外夜视技术是通过主动照射并利用目标反射红外源的红外光来实施观察的一种夜视技术，其对应装备为主动红外夜视仪，实际核心就是红外摄像机。红外摄像机是由非直视型光电成像器件为核心组成的，其输岀的也仅是视频信号。要观察夜间监视的场景图像，显然还应通过同轴电缆输入监视器显示出来。