什麼是光電成像器件

利用光電效應將可見或非可見的輻射圖像轉換或增強為可觀察、記錄、傳輸、存儲以及可進行處理的圖像的器件系列的總稱。其目的在於彌補人眼在靈敏度、響應波段、細節的視見能力以及空間和時間上的侷限等方面的不足。最早的一種光電成像器件──光電析像管出現於1931年。目前，各種類型的光電成像器件已廣泛應用於天文學、空間科學、X 射線放射學、夜間觀察、高速攝影以及科學實驗中。

按工作原理，光電成像器件可分為像管、攝像管和固體成像器件。

像管

各種類型的變像管、像增強器的電子照相管的總稱。它將可見或非可見的輻射圖像轉換或增強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換為電子圖像，電子光學系統將此圖像儘可能真實地轉移到熒光屏上產生一個增強的光學圖像（如變像管和像增強器）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）輻射圖像轉換成可見光圖像的器件。圖1a示出了利用銀氧銫光電陰極的紅外變像管，它通常用於主動紅外夜視中。圖1b為一種用於高速攝影的變像管。

像增強器

一種將微弱的光學圖像增強為高亮度的可見光圖像的器件。它廣泛用於微光夜視中。其光敏面通常採用鈉鉀銫銻多鹼光電陰極。獲得高亮度增益的方式有級聯和使用電子倍增器兩種。

實現級聯的方式也有兩種：一種是在同一管殼內用薄的雲母片作為支撐體，其兩側分別製作光電陰極和熒光屏，形成夾心倍增屏結構，以實現各級像管之間的耦合。磁聚焦像增強器大都採用這種方式。另一種是採用纖維光學面板將單個靜電聚焦型像增強管耦合在一起，如纖維光學耦合三級級聯像增強器，它通常稱為第一代像增強器，如圖2所示。φ25/φ25毫米第一代像增強器的典型性能是：放大率M =0.85，分辨率28線對/毫米，亮度增益5×104，等效背景照度2×10-7勒克斯。

在管內獲得電子倍增的一條途徑是在單級像增強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。光電子進入通道後，由於多次倍增過程，使電子急劇增多，在輸出端可獲得10-3～10-6的電子增益，如圖3a所示。圖3b是微通道板二維陣列示意圖。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104。

帶有微通道板的像增強器通常稱為第二代像增強器。其突出優點是體積小、重量輕、增益可調、本身具有防強光作用，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器；另一是倒像管，它類似通常單級像增強管，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，光電陰極採用負電子親和勢發射材料，便構成所謂第三代像增強器。這種光電陰極通常是Ⅲ-Ⅴ族化合物P型半導體單晶，由液相外延或汽相外延生成，然後在超高真空中清潔表面並用銫氧進行處理，使其真空能級位於半導體導帶底之下，從而形成負電子親和勢。它的突出優點是靈敏度高、光譜響應向長波閾延伸、光電子的能量分佈集中和暗發射小。目前第三代像增強器的典型水平為：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。它一般採用勻強磁場聚焦，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。其突出優點是圖像無畸變、分辨率高（可達 200線對／毫米）、動態範圍大、灰霧和暗背景小，很適合於觀測記錄微弱天體，目前已在許多天文台中使用。

攝像管

利用電子束對靶面掃描，把其上與光學圖像相應的電荷潛像轉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（如廣播與工業電視）和照度在 10-1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移到靶上（不用移像段時，直接將光學圖像）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系統實現細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。由於攝像管中採用了電荷積累效應，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積累進行的，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（圖4）。

光導攝像管

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

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。靶發射的次級電子被位於靶前的網電極所收集，使靶形成正電荷區。掃描電子束與靶複合後，剩餘電子向着電子槍方向返回，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。掃描電子束與靶面作用後產生兩條性質不同的返回電子束：反射回程束與散射回程束，後者的電流大小與像素電位成正比，故在管內加入轉向電極與分離電極，僅使散射回程束進入電子倍增器，輸出信號幅值與光強成正比，信噪比較超正析像管高。

次級電子傳導(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，並移向信號電極，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型區產生大量電子-空穴對，空穴向結區P型島擴散，從而形成電位起伏的圖像。

此外，尚有利用熱（釋）電效應的攝像管（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。其特點是無需掃描電子束而自行產生視頻信號。

自掃描像敏器件

有線陣和麪陣之分。xy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)陣列的某一光敏像素陣列，各像素相繼產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

用於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1 200埃的二氧化硅層，在此層上按一定次序澱積金屬電極，形成金屬-氧化物-半導體(MOS)結構，再加上輸入端與輸出端，便構成CCD器件，如圖5所示。它與攝像管主要區別在於它把光電轉換、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，二者都是用光學系統把景物聚焦在器件表面。由於光激發，在半導體內部產生電子-空穴對，其中少數載流子貯存在勢阱中。因為每一單元電極下所貯存的少數載流子的數目與光強成正比，從而把光學圖像轉化為電極下的電荷圖像。通過時鐘脈衝電壓有規律的變化，使注入的少數載流子作定向傳輸，最後在輸出端輸出，從而使圖像轉變為視頻信號。

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點：如自掃描、大動態範圍、高靈敏度、低噪聲、對紅外靈敏、無畸變、無滯後等;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。

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