3.2 直视型光电成像器件——变像管和像增强管

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，因此一并介绍。

3.2.1 像管的结构与工作原理

像管的结构如图3-2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，另外管中安置了如图3-2所示的阳极。

目标物所发出某波长范围的幅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射照度。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，可以使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，均是非扫描的光电成像器件。另外，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，增强电子的动能，或者同时采用这两种方法。一般利用二次电子发射来增强电子图像密度，利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。

3.2.2 像增强管的串联与级联

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。

1. 串联式像增强管

磁聚焦三级串联式像增强管结构如图3-3所示，它是由三只单级像管首尾相接，共同封装在一只管壳中构成的。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相互匹配。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105。

磁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；缺点是体积笨重，电源消耗功率大。只适用于地面固定的设备上。

电聚焦三级串联像增强管结构如图3-4所示，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，故使重量减轻；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。

2. 级联式像增强管

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3-5和图3-6所示。

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的，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）将光纤维板与玻壳黏接起来而成。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，经过多次全反射后送到另一端。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，从而形成光耦合。

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，而且在使用时，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以获得更高的增益。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，同时级间耦合也比较方便。另外，电子光学系统现在多采用同心球形静电聚焦系统，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，从而形成一定的角度，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3万倍的增益，分辨率超过30对线/mm的像增强管。

3.2.3 微通道式像增强管

微通道式像增强管的外形呈扁圆形，如图3-7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道管，亦称为电子倍增纤维管。它是一根细玻璃管，其内壁涂有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109～1011 Ω。在微通道管两端加电压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。当光电阻极发射出来的光电子进入微通道管后，打到微通道管内壁，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，最后射出微通道管并打到荧光屏上，如图3-8所示。对于微弱辐射引起的光电阴极发射电流（10-9～10-11A）来说，一般微通道管可获得108的增益。

目前，已有两种类型的微通道式像增强管：近聚焦微通道式像增强管和静电聚焦微通道式像增强管。近聚焦微通道式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道管，而微通道管输出的电子亦能直接打到荧光屏上。通常，光阴极与微通道板的距离不大于0.1mm，其极间电压不能加得太大，一般为300～400V。微通道板与荧光屏之间的电压为4～5kV，这样可以保证电子从微通道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式像增强管的结构，如图3-9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的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一般加速电压为5kV，微通道板的工作电压为1.4kV左右，微通道板输出面与荧光屏之间的电压为3～4kV。这种类型的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，微通道式像增强管的优点是，体积小、重量轻，且可通过调整偏压来调整增益。此外，它还具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，可以保证荧光屏在强光下不致于被“灼伤”。但这种管子的噪声较大。一般情况下，静电聚焦型的微通道式像增强管要比级联像增强管的调制函数好，而近聚焦型微通道式像增强管的调制函数又较级联像增强管的差。