辐射图像的光谱变换必须通过由光学图像转换为电子图像的过程才能实现，获得增强的可见光学图像也必须首先完成光学图像向电子图像的转换过程。辐射图像的光电转换是像管工作的基础。在像管中实现辐射图像光电转换环节的是光阴极。

【实验目的】

(1)了解辐射图像光谱变换的工作原理及相关特性;

(2)掌握光电阴极相关性能参数的测量方法;

(3)了解电真空成像器件的工作原理;

(4)掌握微光像增强器性能参数的测量方法。

【实验原理】

光电发射现象是赫兹于1887年在做电磁振荡的研究中首先发现的，由此开拓了外光电转换技术。目前公认的理论模型是三步过程模型，即把光电发射的物理过程分为三步:

①光电发射体内的电子被入射光子激发到高能态;

②受激电子向表面运动，在运动的过程中因碰撞而损失部分能量;

③到达表面的受激电子克服表面电子亲和势而逸出。

光谱响应特性是指响应能力随入射波长的发生变化的关系。光阴极的光谱响应特性决定了像管应用的光谱范围。像管的光谱响应特性通常用光谱响应率、量子效率、光谱特性曲线和积分响应率(简称响应率)来描述。

光谱响应率是像管对单色入射辐射的响应能力，积分响应率是像管对全色入射辐射的响应能力，它们分别以Rλ和R表示。在实际应用中，像管接收的往往不是单色辐射，而是某一光源的全色辐射，所以积分响应率更具有实际意义。

用锑与一种以上碱金属结合可获得比单碱锑铯光阴极更高的量子效率，其中有双碱的(如Sb-K-Cs、Sb-Rb-Cs)，三碱的(如Sb-K-Na-Cs)和四碱的(如Sb-K-Na-Rb-Cs)等，统称为多碱光阴极。这类光阴极在可见光波段有很高的量子效率，其峰值量子效率接近30%。

Sb-K-Na-Cs多碱光阴极其组成可用(Cs)NaKSb表示，系一晶粒尺寸平均为10～17.5nm的多晶薄膜。如制成透射式光电阴极时，其厚度约为100nm。表面吸附有单原子铯层。它有和锑铯光阴极相接近的电子亲和势，却有比锑铯光阴极远小的禁带宽度，因而Sb-K-Na-Cs光阴极不仅量子效率高，而且有宽得多的光谱响应范围，其长波阈已扩展至近红外区域。

利用光增强技术的直视微光夜视系统大大改善了人眼在微光下的视觉性能，它能在极低照度(10-4Lx)下完全“被动”工作，克服了主动红外夜视系统自身容易暴露的弱点，在军事上得到重点发展和广泛应用。这种夜视系统的核心部分就是微光像增强器，其作用是将微弱的光学图像亮度增强到可供人眼进行观察的程度。

微光像增强器是高真空直接成像器件，一般由带光电阴极层(光敏面)的输入窗、带荧光粉层(发光面)的输出窗、电子光学成像系统和高真空管壳组成，图17.1为其结构示意图。

图17.1 微光像增强器结构示意图

光电阴极将光学图像转换为电子图像，电子光学成像系统(电极系统)将电子图像传递到荧光屏，在传递过程中增强电子能量并完成电子图像几何尺寸的缩放，荧光屏完成电光转换，即将电子图像转换为可见光图像，图像的亮度已被增强到足以引起人眼视觉的程度，在夜间或低照度下可以直接进行观察。微光像增强器的输入、输出窗一般由光学玻璃或光纤面板制成。

旋转对称电磁场具有聚焦成像性能，像管光阴极发出的电子图像是通过电子光学系统的作用聚焦成像到输出像面上并完成电子图像的能量增强。这种能形成旋转对称电场、磁场或复合电磁场的电子光学系统中的电极系统和(或)磁场系统称为电子透镜。电子透镜按场的情况分为静电透镜、磁透镜和复合透镜。

最常见的静电透镜按轴上电位分布形状不同可以分为膜孔透镜、单透镜、浸没透镜和阴极透镜四大类。

膜孔透镜两旁的电位不是常数，而随z变化。这种透镜的结构简单，它是一块薄的膜片，上面开一个很小的圆孔。膜片隔开两个不同的但恒定的电场，即在膜片的两侧分别具有线性上升或下降的电位区域，如图17.2所示。在特殊情况下，膜片的一侧具有恒定电位，即电场强度为零。单独一个圆孔光阑并不能组成一个透镜，在它的两侧必须有其他(或辅助)电极存在，才能保证两侧形成一定的电场，产生透镜作用。

图17.2 膜孔透镜结构示意图

单透镜两旁的电位为常数，且数值相等，这种透镜近似于两侧与空气相邻的单个光学会聚透镜。单透镜一般由三个同轴的圆筒形电极(或膜片)组合而成，其电场分布如图17.3所示。通常，三个电极的组合形状是对称的。在这种透镜的两侧具有相同而恒定的电位。由于外侧电极的电位相同(V1=V3)而中央电极的电位V2为零，因此只需一个电位就能工作，这种透镜又称为单电位透镜。不论两侧电位是大于还是小于中央电位，单透镜都是会聚的。

浸没透镜的两侧有恒定的电位，但数值不同，即电子光学折射率不同。这种透镜类似于光学中为提高透镜分辨力而将光学透镜一侧浸没于油中的情况。大多数浸没透镜由两个圆筒形电极组成，也可以用两个膜片或一个圆筒与一个膜片组合而成。所有的浸没透镜，不论V1＜V2或V1＞V2，都是会聚的。如图17.3所示

图17.3 单透镜电位分布及电子轨迹

阴极透镜的一边有一垂直于对称轴的、通常电位为零的阴极。除阴极外，它还有两个膜孔电极: 一个是较阴极电位为负的调制极，一个是较阴极电位高很多的加速极。这种透镜也是会聚的。任何窄束电子束管的电子枪中，必有一个阴极透镜。

微光像增强器的性能参数包括光电参数(如光电阴极灵敏度、增益)、图像传递性能参数(如放大率、分辨力、传函)和噪声参数等。带电源的像管组件还有自动光亮度控制特性和最大输出光亮度性能。

1. 光通量增益Gφ

用色温为2856K±50K的钨丝白炽灯照射像管的光电阴极，荧光屏输出的光通量φo与输入到光电阴极的光通量φi之比即为光通量增益，即:。

2. 光亮度增益GL

用色温为2856K±50K的钨丝白炽灯照射像管的光电阴极，荧光屏的法向输出光亮度Lo与光电阴极输入光照度Ei之比即为光亮度增益，即:(cd·m-2·Lx-1)。

3. 暗背景光亮度和等效背景光照度

光电阴极无光照时，处于工作状态的像管荧光屏上的输出光亮度称为暗背景光亮度。

像管的暗背景用等效背景光照度Ee表示。Ee是产生和暗背景相等的输出光亮度在光电阴极上所需的输入光照度。

4. 放大率和畸变

像管的放大率是荧光屏上输出像的几何大小与光电阴极上输入像的几何大小之比。像管的畸变是距离光电轴中心不同位置处各点放大率不同的表征。

5. 分辨力和调制传递函数

分辨力是指像管分辨相邻两个物点或像点的能力。如果把矩形波空间频率图样投射到光电阴极上，分辨力即可用在荧光屏上能分辨的最高空间频率表示。(www.daowen.com)

调制传递函数MTF是荧光屏上输出的正弦波图样的调制度Mo(V)与光电阴极上输入的正弦波图样的调制度Mi(V)之比。V为正弦波图样的空间频率(lp/mm)。

6. 光生背景

在有光输入时，处于工作状态的像管荧光屏上存在的随入射光强弱而变化的那部分附加光亮度，称为光生背景。将光电阴极的中心用一个不透明的圆片遮掩，并均匀照明光电阴极，荧光屏中心会出现一个暗斑，暗斑处的输出光亮度与取掉不透明圆片、用同一光源均匀照明光电阴极时荧光屏中心处的输出光亮度之比，即表示光生背景的大小。

7. 信噪比

信噪比是评定像管成像质量的综合指标。像管在规定的工作条件下输出的信号与噪声之比即为信噪比。像管的噪声源主要是: 由暗背景、光生背景引起的固定背景噪声;由光子、光电子的量子特性引起的涨落量子噪声; 由微通道板等增益机构引起的增益噪声; 由荧光屏颗粒结构引起的颗粒噪声。

8. 自动光亮度控制(ABC)特性和最大输出光亮度(MOB)

像管的自动光亮度控制是带电源的像管组件的特性。当输入光照度大于某一规定值时，输出光亮度与输入光照度之间呈非线性关系，输出光亮度曲线的最大值称为最大输出光亮度。

【实验仪器】

实验装置如图17.4所示: 850nm LED发光二极管、475nm LED发光二极管、CA9005信息光电子综合实验系统、Si-PD

图17.4 微光像增强器增益测量实验装置

【实验内容及步骤】

(1)S-25光阴极极限电流密度测量。

①将475nm LED和增像管固定在实验平台上，并调节支架高度至各光学器件等高同轴。

②将475nm LED驱动端连接至LD1，置恒流工作模式ACC，输出电流置1mA。

③将增像管高压控制端口(S)连接至函数信号源输出(SⅠG)，输出波形置方波(SQU)，输出频率置14k Hz，输出电压调至3V。

④将增像管阴极电流输出端口(Ⅰ)连接至PD，选择合适量程。

⑤从0mA开始设置LED工作电流ILED，记录PD读数IK。

⑥0mA至30mA每隔1mA测一个点，记录相应的LED工作电流ILED和阴极电流IK。

⑦作IK-ILED曲线，求该波长下极限电流。

(2)将850nm LED放入光路，重复以上过程，分析S-25光阴极光谱响应特性。

(3)微光像增强器电子透镜调节。

①将增像管固定在实验平台上。

②将增像管高压控制端口(S)连接至函数信号源输出(SⅠG)，输出波形置方波(SQU)，输出频率置14k Hz，输出电压调至0V。

③交替调节镜头焦距和SⅠG电压，使增像管输出图像最清晰。

(4)微光像增强器增益测量。

①移去镜头，观察增像管输入窗口位置，暂时移去增像管，将Si-PD置于增像管输入窗口位置。

②将475nm LED驱动端连接至LD1，置恒流工作模式ACC，输出电流置1mA，记录PD读数Ii。

③将增像管放回原处，Si-PD置于增像管输出窗后。

④从0V开始设置SⅠG输出电压，记录PD读数I0。

⑤0V至10V每隔0.2V测一个点，记录相应的SⅠG输出电压和PD读数I0。

⑥增像管内部高压电路的输出为控制信号的4000倍，计算增像管光通量增益Gφ，作Gφ-Vi曲线。

【思考题】

(1)光电发射的物理过程分为哪几步?

(2)微光像增强器的性能参数包括哪些参数?

【注意事项】

(1)增像管的镜头不能用手触摸，只能用镜头纸清洁。

(2)做微光像增强实验时，有时LED在仪器显示驱动电流为0mA时也能发光，此时就不选用1mA的驱动电流，防止LED发光太强被增像管屏蔽，反而无法进行测量。