第36讲 电子成像技术

第22卷　第1期2002年2月北京理工大学学报Jour nal o f Beijing I nstitute of T echno lo gy V ol.22　N o.1F eb.2002 文章编号:1001-0645(2002)01-0001-12光电子成像:走向新的世纪周立伟(北京理工大学光电工程系,北京　100081)摘　要:半个世纪以来,光电子成像(主要包括微光成像和热成像)技术取得了惊人的发展,显示出极为辉煌的前景.在微光成像技术方面,发展了一代、二代和三代直视像增强技术,真空和固体微光摄像技术及光子计数成像技术;在热成像技术方面,发展了致冷型一代、二代和三代热成像技术和非致冷型列阵热成像技术.回顾光电子成像技术自1930年以来的进展,展望新世纪中微光四代像增强技术、新型微光摄像技术和先进的焦平面(F PA )和非致冷型热成像技术的发展.关键词:光电子成像;微光成像;热成像;像增强器;光子计数成像中图分类号:T N 223;T N 215 文献标识码:APhotoelectronic Imaging :Towards the New CenturyZHOU Li-w ei(Dept .o f Optical Engineer ing ,Beijing Institute o f T echno log y ,Beijing 100081,China )Abstract :Over half a century ,photoelectronic imag ing w hich consists m ainly o f lo w -lig ht-level imaging and therm al imag ing ,has made marked prog ress ,and demo nstr ated brilliant prospects .In the area o f low -light-lev el imaging,image intensification technique of the fir st,second and third g eneratio n,v acuum and solid state imag ing pickup,as w ell as photon co unting im aging sy s-tems have successiv ely m ade their appearance .In the area of thermal imaging ,cooled m atr ix therm al imaging techniques o f the first ,seco nd ,and third g eneratio n ,and therm al imag ing w ith uncooled m atrices hav e made their advances.T he pr esent paper r eview s the photoelectr onic imag-ing technique since the 1930's and gives its pro spects concerning developm ents in the new century on low -light -level image intensification o f the fo urth generation ,on new low -lig ht -level imagingpickup techniques as w ell as o n advanced focal plane array (FPA)and uncooled thermal im ag ing.Key words :photoelectronic imaging;lo w -lig ht-level imaging;ther mal im aging ;image intensifi-er;photo n counting imaging收稿日期:20011227作者简介:周立伟(1932-),男,教授,博士生导师,中国工程院院士. “光电子成像”(photoelectronic imag ing )是将入射电磁辐射进行转换和增强以取得可供观察、记录、传输、存储等技术和器件的泛称.光电子成像是以光子、光电子作为信息载体,研究图像转换、增强、接收、传输、处理、显示及存储等物理过程的一门综合性学科.它的发展历史,如果自1931年制作出红外光阴极和1934年G .Holst 红外变像管算起,已经有70年了.70年来,光电子成像技术取得了惊人的发展,显示出辉煌的前景.光电子成像扩展了人眼的视觉,它一方面借助于图像的转换和增强以更有效地利用可见光或不可见的电磁辐射,克服眼睛作为辐射探测器的局限;另一方面借助于电视摄像,并通过传输、存储以及图像处理等手段克服眼睛在时间、空间以及特征辩识上的局限.光电子成像器件均含有一个转换或增强入射辐射的光电发射体(或探测器),其工作波段自X 射线、紫外、可见光直至红外,并可设计在不同条件下工作:如强光或极低微光、瞬时超高速摄影或长时间积累等.这样,人眼所见到的图像包含了肉眼所不能察觉或难以察觉的图像信息.由此可见,光电子成像技术克服了人眼在极低照度及有限光谱响应下的限制.光电子成像始于20世纪30年代,1926年电子透镜与1931年红外光阴极的发明揭开了光电子成像的序幕.1934年在德国,第一只主动红外变像管问世.它利用光子-电子转换原理,使银氧铯光阴极接受红外辐射,由光子转变为电子,再通过荧光屏使电子转换为光子,得到人眼能察觉的图像.它在第二次世界大战和朝鲜战争的夜战中得到了应用.但是,主动红外夜视有暴露自身目标的缺点.人们想到从二个方向发展:一是利用夜天自然微光,即研究被动微光夜视技术(像增强技术、微光摄像技术和光子计数技术)使微弱照度下的目标成为可见;另一是利用红外波段3～5 m 和8～14 m 两个大气窗口,利用物体本身的热辐射,研究被动红外热成像技术使热目标可见.但在20世纪四、五十年代,具体的技术途径是不清楚的.近70年来,光电子成像技术取得了惊人的发展,显示出极为辉煌的前景.其原因大概可归纳为3点:对黑暗的征服,透过烟雾、水汽,可在极微弱光线下不借助照明观察景物,或利用景物本身的热辐射获得图像信息.这两者构成了夜视领域中极为重要的微光图像增强技术与红外热成像技术.由于军事上的需要,使得作为光电子成像技术的重要组成部分——夜视技术得到迅猛发展.对娱乐完美的向往,广播电视与未来家庭影院的发展有赖于高清晰度、高信噪比的电视摄像管的发展,而“图像信息”的获取与处理是现代文明社会发展的标志之一.对视觉的开拓,如记录超快速现象(ns ,ps ,fs),捕捉和增强 射线、X 射线、紫外、红外、亚毫米等非可见辐射图像,对它们进行探测、识别与处理.因此,光电子成像器件在国防、工业、医学、核物理学与天文学上获得广泛的应用,具有很强的生命力.作者在本文中将对20世纪发展起来的光电子成像技术——微光成像技术、成像光子计数技术和红外热成像技术作一简单的回顾,并对新世纪光电子成像的发展作一展望.1　直视微光成像技术[1]微光成像利用夜间自然弱光或低照度下的反射辐射,通过光电、电光转换及增强措施,使景物转换为可见光图像.人在白天自然光下有相当强的视觉探测能力,能分辨约0.15mrad 的高对比度目标.但在光照度低于10-1lx 的微光条件下,人眼视觉细胞的灵敏度、分辨力、响应速度均下降,只能够分辨15m rad 以上的目标.通常,微光成像技术在输入端采用具有比人眼视觉高得多的量子效率、宽得多的光谱响应和快得多的响应速度的光敏面,并进行光电、电光转换与增强,从而可提供足够的图像亮度,供人眼观察或其它记录装置处理.作为微光成像技术的一个重要部分,直视微光像增强技术的发展经历了三代的历程.所谓“直视微光像增强技术”,是指景物的极微弱的辐射投射到成像器件的光敏面上,产生光电子或光生载流子,经过电子光学系统聚焦到荧光屏上,显示出被增强的、人眼直接可视的图像,如像增强器等,主要用在夜视上.20世纪50年代中期,对可见光敏感的高灵敏度三碱光阴极以及传输图像的纤维光学面板的出现,加上同心球电子光学系统,使60年代初诞生了以纤维光学面板作为输入、输出窗的三级级联耦合的像增强器,称为第一代微光像增强器(或称一代管).第一代微光像增强器于60年代在微光观察镜、瞄准镜以及远距离夜间观察装置上应用,70年代初已完成标准化工作.一代管的性能典型值为:光阴极灵敏度为250 A /lm ;850nm 处的辐射灵敏度为20mA /W ;亮度增益为2×104～3×104cd ・m -2・lx -1;分辨力为25～32lp/m m;畸变为17%.三级级联耦合的像增强器如图1所示.图1　第一代三级纤维光学耦合级联微光像增强器Fig.1　Firs t gener ation low -light-level im age in tensifierw ith three cascade fiber-optics cou pling三级级联的一代管在低照度下应用具有增益2北京理工大学学报第22卷　高、成像清晰、不用照明源等优点;但太重太笨、防强光能力差.为了克服这一缺点,人们经过多年探索,于20世纪70年代初研制成功了能实现电子倍增的二维元件——微通道板(M CP).它由上百万个紧密排列的空芯通道管组成,通道芯径间距约12 m ,长径比为40～60.通道板的两个端面镀镍,构成输入和输出电极.通道的内壁具有较高的二次发射系数,入射到通道的初始电子在电场作用下使激发出来的二次电子依次倍增,从而在输出端获得很高的增益.单片M CP 能将电子倍增到103倍以上.由于MCP 具有高电流饱和特性,故能抑制强光目标干扰.利用微通道板的像管称为第二代像增强器(二代管).它有二种聚焦形式:一是锐聚焦,它类似通常的纤维光学输入、输出窗的单级一代管——静电聚焦像管,但在像管的荧光屏前安置一微通道板,称为二代倒像管;二是近贴聚焦,微通道板被贴近放置在光阴极与荧光屏之间,荧光屏通常制在纤维光学面板或光纤扭像器上,称为二代薄片管.从性能上比较,二代倒像管的像质要更好一些,但二代薄片管更短、更小.二代管的商用水平典型值为光阴极灵敏度250～300 A/lm ,850nm 处的辐射灵敏度20m A/W,亮度增益为5000( 18/ 18)～17000( 25/ 25)cd ・m -2・lx -1,分辨力为30～32lp /m m .与三级级联一代管相比,二代管的优点是体积小、长度仅是级联一代管的1/5～1/3,质量轻,畸变小,能防强光和自动亮度控制.因此,自问世以来发展很快,部分已取代三级级联一代管.图2示出了二代薄片管结构示意图.图2　二代薄片管Fig.2　Second generation low -light-level w afer tub e上述一代管和二代管所用的Na 2KSb(Cs)光阴极是常规的光阴极.对于这样的光阴极,电子从价带逸出到真空形成光电发射所需的最小能量为电子亲和势与禁带宽度之和,被称为正电子亲和势(PEA )光阴极.1965年,Scheer 和Van Laar 发现,对简并掺杂型GaAs 表面进行处理,使真空能级位于体中导带底之下,电子亲和势为零或负值,便得到负电子亲和势(NEA )光阴极.这种NEA 光阴极的灵敏度很高,大部分光谱区都比S-1,S-20光阴极要高许多倍;在近红外波段有很高的响应,量子效率比S-1光阴极高几十倍,暗电流仅是S -1光阴极的1‰.第三代像增强器(三代管)是在二代薄片管的基础上,将Na 2KSb (Cs)多碱光阴极置换为负电子亲和势GaAs 光阴极.三代管性能的典型值为:GaA s 光阴极灵敏度为800～1300 A /lm ,800nm 处的辐射灵敏度为100mA /W,亮度增益为1×104cd ・m -2・lx -1,分辨力为28～36lp/m m.第三代像增强器具有高灵敏度、高分辨力、宽光谱响应、高传递特性和长寿命等优点,故自20世纪80年代初不少技术发达国家竞相研制.到80年代中期,美国装备了三代管的航空驾驶员夜视成像系统(ANVIS )和AN /PVS 7夜视眼镜.将A NVIS (三代管)和AN/PVS-5夜视眼镜(二代管)比较,在10-3lx 夜间照度下,视距约提高50%[2,3].应该指出,制作三代管需要超高真空技术、表面物理技术、大面积高质量的单晶和复杂的外延生长技术,难度是相当大的,因而像管的价格也相当昂贵.有没有可能在二代管的各部件如光阴极、微通道板、荧光屏以及结构上挖掘潜力,改进性能,从而大幅度提高二代管水平,增大观察视距呢?答案是肯定的.经过不断地努力,人们在二代光阴极(S-20,S -20VR ,S -20ER ,S -25)的基础上,通过阴极薄膜生长光电流监控技术和测反射比法相结合制作光阴极,使二代管光阴极的灵敏度有大幅度提高.二代半(2+)像管的光阴极的灵敏度可达到450 A/lm,超二代管光阴极的灵敏度可达600～800 A /lm [4,5].这样的光阴极被称为Super S-25,图3示出了S-25,超S-25和GaAs 光阴极的光谱响应曲线.图4示出了超二代管和三代管的光谱信噪比.减小噪声的途径,可以通过增大M CP 的开口面积比,提高电子首次撞击的二次发射系数以及撞击它的倍增过程的统计特性,开口面积比可以增大到80%以上.此外,在通道输入端涂上高二次发射系数的材料(M gO ,CaI,KBr 等),也可以降低噪声因数.超二代管的上3　第1期周立伟:光电子成像:走向新的世纪述改进大大地改善了像管输出信噪比.用超二代管的系统当时视距仅比用标准三代管的少10%～20%,而费(用)效(率)比也比标准的三代管好.图5示出了超二代管与三代管的结构.从外形上很难看出它们之间的区别,但它们的光阴极是完全不同的,且三代管的微通道板入射端有一层离子壁垒.图3　S-25(二代)、超S-25(超二代)和GaAs (三代)光阴极的光谱响应Fig.3　S pectral respons e for S -25,su per S-25an dGaAs photocathodes图4　三代和超二代的光谱信噪比Fig .4　S pectr al signal to noise ratio of th e 3rdgen.and su per 2nd gen.为了进一步解决像管在极低照度下的应用问题,出现了杂交管的方案[6](见图6),它是以二代薄片管、三代管作为第1级,一代管作为第2级相耦合的组合式像管.它的优点是可以获得很高的增益,并有可能减小微通道板的增益以寻求信噪比与增益之间的最佳折衷,而分辨力比二代薄片管仅下降10%.这一方案充分运用不同像管各自的优点,使增益和信噪比充分发挥出来. 在实际应用中,常采用使像管选通的方案(见图7)[7].一个选通管是在保持正常工作的高电压的同图5　超二代与三代像增强器的比较Fig.5　A comparison betw een super 2nd gen.an d 3rdgen.image intensifier s图6　三代与一代耦合的杂交管Fig .6　A hybr id im age tube composed of a 3rd gen .tubecoupled w ith a 1s t gen.tub e图7　选通管Fig.7　Gated image tube4北京理工大学学报第22卷　时,在选通电极上加一低的电压,使光阴极电流截止而实现选通.这种像管实际上是像增强器与快速电光快门的组合,它的特点是大大扩大了器件的动态范围,并具有抗模糊和捕捉快速事件的附加优点.一个选通单级一代管可将原来的动态范围(10-3～10-1lx)提高2个数量级(10-3～10lx);而一个选通杂交管的动态范围则能提高4个数量级(由10-6～1lx到10-6～105lx).对于直视微光像增强器,一代、二代、三代以及杂交管能解决在夜间观察1km以内的目标问题,可以根据不同的需要进行选择,在尺寸、质量和局部亮度控制并不十分重要的场合,一代管通常优于二代管.由于二代管小而轻,能防强光并有自动亮度控制,通常用于夜视头盔、夜视瞄准镜中.杂交管通常优于二代倒像管和薄片管,与三级级联的一代管相当.但其质量轻、尺寸小并有局部亮度控制.三代管的性能较一代、二代有很大的提高,视距在10-4lx 下为二代管的1.5～2.0倍,但工艺复杂,价格昂贵.从近10年的进展来看,三代管的发展非常迅速,是值得注意的动向.表1给出了各代像管的性能比较;表2给出了各代成像部件的特点及其优缺点比较.关于20世纪90年代以前的像管的发展可以参阅文献[1].表1　各代微光像增强器的性能比较Tab.1　Comparison of perf ormance of variousgenerations of LLL image intensifiers 代名灵敏度/( A lm-1)分辨力/(lp mm-1)信噪比(10-4lx)寿命/h价格/＄二代240～350321420002200超二代500～70040～5521100002700高性能超二代700～80060～6422150003200三代800～10004014～21100003500高性能三代1300～240045～6421～25150005500表2　各代微光像增强器优缺点的比较Tab.2　Merits f or various generations of LLL image intensif iers像增强器成像部件性能结构优点缺点第一代微光像增强器(一代管)光阴极:多碱S-25;电子光学:锐聚焦;荧光屏:P20,P31光阴极灵敏度:250～350 A/lm;分辨力:25～30lp/m m纤维光学面板输入窗、纤维光学面板输出窗、三级级联耦合增益高、成像清晰太重太笨、防强光能力差第二代微光像增强器(二代管)光阴极:多碱S-25;电子光学: 锐聚焦, 近贴聚焦;电子倍增器:微通道板(M CP);荧光屏:P20,P31光阴极灵敏度:225～300 A/lm;分辨力:30～32lp/mm;信噪比:14.0纤维光学面板输入窗、纤维光学面板输出窗(对二代倒像管)、纤维光学扭像器输出窗(对二代薄片管)、单级像增强器体积小、长度仅是一代管的1/5～1/3,质量小,畸变小,能防强光和自动亮度控制噪声较大,灵敏度尚不够高第三代微光像增强器(标准三代管)光阴极:负电子亲和势(NEA)GaAs;电子光学:近贴聚焦;电子倍增器:高质量微通道板(M CP);荧光屏:P20,P31光阴极灵敏度:800～1300 A/lm;分辨力:30～36lp/mm;信噪比:14.5蓝宝石输入窗、纤维光学扭像器输出窗(三代薄片管)、单级像增强器,与二代薄片管可兼容高灵敏度、高分辨力、宽光谱响应,高传递特性和长寿命,大小、长度同二代管,质量小,畸变小,能防强光和自动亮度控制制作需要超高真空技术、表面物理技术、大面积高质量的单晶和复杂的外延生长技术,难度大,价格昂贵超二代微光像增强器(超二代管)光阴极:多碱S-25;电子光学:近贴聚焦;电子倍增器:改进的微通道板(M CP);荧光屏:P20,P31光阴极灵敏度:450～600 A/lm(对Ⅱ+代),600～800 A/lm(对超二代);分辨力:36lp/mm;信噪比:16.0同二代薄片管同二代薄片管,但光阴极灵敏度和分辨力都有提高,噪声减小,输出信噪比高,费(用)效(率)比较标准三代管要好一些.制作光阴极利用薄膜生长光电流监控技术和测反射比法相结合,工艺复杂.5　第1期周立伟:光电子成像:走向新的世纪2　微光摄像技术[8]作为间接观察的微光摄像技术,由于军事、天文学与航空航天科学的需要,近30年来得到了极大的发展.微光摄像通常采用视频信号输出,因而可以实现远距离多点同时观察,观察者不必进入危险的侦察区;通过电路的信息处理,可以增强图像对比度;通过改变扫描速度,根据不同观察条件的要求变更积累时间,可获得最适宜的视觉增益.这一系列优点使它形成一个新的技术领域,获得了广泛应用.微光摄像器件有二种:真空摄像器件和固体摄像器件.真空摄像器件如硅增强靶管(SIT)和分流直像管(Isocon),在SIT上耦合一像增强管,成为ISIT,它可在极低光度下工作,分辨力达700TVL;若在Isocon上耦合一像增强管,则可应用于10-5～10-6lx极低照度的场合,分辩力达1000T VL.近20年来,真空摄像器件受到了固体摄像器件的巨大挑战,以致它几乎被挤出了微光摄像领域.固体摄像器件通常指电荷耦合器件(CCD).但一般的CCD摄像系统,只能在1lx以上的景物照度下才能工作.解决微光摄像的方案之一是将像增强管耦合到CCD上即像增强CCD(ICCD).耦合的方式通常有纤维光锥耦合或将图像缩小再与纤维光学面板耦合两种,使图像尺寸与CCD幅面相适应.图8中的ICCD是纤维光锥耦合的像增强CCD.表3给出了不同的二代管与CCD耦合形成的ICCD的性能.图8　像增强CCDFig.8　Image tube coupled w ith CCD(ICCD)一般像增强CCD可用于景物照度低于10-4lx 的场合.若再在像管内加选通,景物照度的动态范围可达10-5～103lx.利用CCD进行微光摄像的另一个方案是将CCD作为电子图像探测器直接置于像管内取代荧光屏,构成电子轰击CCD(EBCCD)摄像管[9].它是以电子直接轰击CCD,CCD提供视频信号.通常采用背面轰击CCD灵敏面的途径,以避免在集成的M OS电路的绝缘层中的能量损失与充电效应.背面轰击的CCD要进行减薄,以便获得高分辨力、高探测效率和高稳定性.EBCCD可在景物照度10-4～10-5lx下工作,分辨力为500TV L.EBC-CD的优点是高增益、低噪声、高分辨力,可以在很暗的状态下工作,甚至可以记录单个光子.缺点是工艺复杂,要将CCD封装在管内后制作光阴极,装架困难,且要求封装在管子中的CCD与光阴极制造工艺相兼容,排气温度不能太高,从而限制了光阴极的灵敏度.在微光摄像领域,真空摄像器件如SIT和Isoco n与固体摄像器件如ICCD之争十分激烈.就成像CCD而言,还有像增强CCD(ICCD)、背照明CCD(BCCD)和电子轰击CCD(EBCCD)之争.尽管从目前看,微光真空摄像器件处于较困难的境地,但一旦新的靶面出现,将会有新的突破,胜负尚未可预期.但无论如何,器件的固体化或真空与固体结合是大势所趋.表3　与不同的二代管耦合的像增强CCD的性能Tab.3　Perf ormance of IC CDs coupled with diff erent2nd gen.image intensif iers与CC D耦合的管型光学直径/mm增益/(cd m-2 lx-1)分辨力 /TVL 一代18～4030～300450～800二代12～40100～10000400～500S HD-3T M12～253000～10000500～600XD-4TM12～187000～15000500～900杂交管 18～25100000～300000400～500 取决于CC D的类型; 杂交管包含1个一代管,其上耦合1个二代管,或SDH-3T M高性能超二代管,或XD-4T M高性能超二代管3　光子成像计数探测技术[10]一个光子成像计数探测系统必须具有3个重要特征: 探测单个光子或带电粒子的能力; 空间分辨能力; 实时成像与随之的图像分析的能力.它在天文学、高能物理、光谱学与空间科学中获得广泛的应用.实际上,光子成像计数探测技术是天文电子照相技术和微光摄像技术的进一步发展.目前广泛应用的有3种主要的光子成像计数探测系统.前2种类似ICCD与EBCCD,这里就不细述了.第3种是直接电子读出成像M CP探测系统,它与EBCCD的差异是具有高分辨力的电子读出系6北京理工大学学报第22卷　统,是目前研究的热点.读出系统分为二大类: 模拟读出系统,即被检测的光电子决定于电荷比或电子定时技术; 分离的像素探测系统,即由M CP 输出的电荷被收集到精确的列阵或分离的电极上.在光子成像计数系统中,通常MCP 有二块堆积(Chevron 结构)、三块堆积(Z 形结构)与弯曲通道(C 板)结构,使由光阴极逸出的电子在通道内多次倍增.M CP 探测电子读出系统多种多样,典型的有位置灵敏器件(PSD)和多阳极微通道列阵(M A-MA ).位置灵敏器件(PSD)对电子所在的位置进行探测时,具有以下优点: 不需要外围扫描电路,故能实现装置的简单化; 无盲区,能进行连续检测; 不受射线形状的影响.二维PSD 的表面有4个电极,一对电极在x 方向,另一对电极在y 方向.电子入射到PSD 表面任一位置时,在x 和y 坐标就有一个一定的且是唯一的信号与其对应.PSD 输出信号的正、负和大小是此电子云斑在坐标中位置的函数.图9　一种多阳极微通道列阵(M AM A)探测器系统的工作原理Fig.9　Operational diagram of the detector s ystem fora multi-anode microchannel array(M AM A)图9示出了一种多阳极微通道列阵(MAM A)探测器系统,探测器列阵被安置于C 形微通道板输出端构成近贴聚焦,此探测器为成像多阳极微通道列阵.目前有二种阳极列阵,一种列阵像素数360×1024,像素尺寸25 m ×25 m,列阵有效面积为9.0mm ×25.6m m;另一种列阵像素数2048×2048,像素尺寸25 m ×25 m ,列阵有效面积为51.2m m ×51.2m m.由此阳极列阵探测与测量单光子事件所产生的电子云的位置,然后,阳极电极所收集的电荷被高速放大器与识别线路放大与成形.近10年来,光子成像计数探测系统的发展彻底地改变了原来天文电子像管的工作方式,使天文星空探测大大地迈进了一步.4　红外热成像技术[11,12]红外热成像技术实质上是一种波长转换技术,即把红外辐射能转换为可视图像的技术.它利用景物自身各部分辐射的差异获得图像的细节.通常采用3～5 m 和8～14 m 两个波段,这是由大气透红外性质和目标自身辐射所决定的.这种热成像技术既克服了主动红外夜视需要依靠人工热辐射,并由此产生容易自我暴露的缺点,又克服了被动微光夜视完全依赖于环境自然光和无光不能成像的缺点.红外热成像仪器和系统具有穿透烟、尘、雾、雪以及识别伪装的能力,不受战场上强光、眩光干扰而致盲,可以进行远距离、全天候观察.这些特点使它特别适合于军事应用.正因为如此,一些技术发达的国家,特别是美、英、法、俄等国竞相研究热成像技术,以巨大的物力、人力进行开发,发展十分迅速.红外热成像技术可分为致冷和非致冷两种类型.前者又有一代、二代、三代之分,后者为非致冷阵列热电探测器,被称为第四代.第一代红外热成像系统主要由红外探测器(含致冷器)、光机扫描器、信号处理电路和视频显示器组成.图10示出了最简单的第一代热成像系统的工作原理图.图10　第一代热成像系统的工作原理示意图Fig.10　S chematic d iagram show ing the w orkin g prin cipleof firs t gen.th ermal imaging sys tem红外探测器通常有铟锑(InSb )和碲镉汞(CM T )器件,目前广泛发展的是高性能多元CMT探测器,器件元数已高达60元、120元和180元.多元CM T 器件不但提高了探测度,还可以增大视场,提高分辨力和信噪比,并可在3～5 m 或8～14 m 两个大气窗口波段下工作.20世纪80年代初,一种7　第1期周立伟:光电子成像:走向新的世纪。

电子成像原理
电子成像是指利用电子技术将物体的影像转化为电子信号，并通过电子设备显示出来的一种成像技术。

其原理基于光电效应和电子传输技术。

电子成像的原理主要包括以下几个步骤：
1. 光电转换：首先，光线通过透镜或其他光学元件聚焦到光电转换的夫琅禾费电子倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）或者光电二极管（Photodiode）等器件上。

光电转换器件内的光敏材料会受到光的能量激发，产生光电子。

2. 入射电子转换：光电子会经过加速电场的作用，进一步转化为入射电子。

入射电子被聚束系统聚焦成一束细且平行的电子束。

3. 电子传输：入射电子束经过一系列的聚焦透镜和磁场聚束装置，按照一定的轨道进行传输。

这些透镜和磁场聚束装置的功能是调节电子束的路径，使其能够准确扫描物体表面。

4. 信号采集与处理：在电子束扫描物体表面的过程中，入射电子会与物体表面发生相互作用，产生散射电子。

散射电子的信息被探测器接收，并转换为电信号。

5. 数字化与显示：采集到的电信号经过放大、放大、滤波等处理后，被转换为数字化的信号。

这些数字信号经过编码和压缩等处理，最终通过显示屏或其他图像显示设备展示出来。

通过以上步骤，电子成像实现了物体影像的转换、传输与显示。

电子成像技术广泛应用于电子显微镜、电子望远镜、电视摄像机、数码相机等领域。

电成像处理解释全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：电成像处理是利用计算机技术对数字信号进行处理，将图象信号转换为数字信号进行处理，并通过处理技术实现对图像的增强、修复和改变。

电成像处理技术在医学影像、遥感、安全监控、图像识别等领域具有广泛的应用。

电成像处理的基本原理是利用数字信号处理技朻把原始图象信号转换为数字形式，进而利用数字信号处理技术对图象进行处理、改进和分析。

电成像处理的的基本流程主要包括图像的采集、预处理、特征提取、分类识别和输出等环节。

在图像采集阶段，通过传感器感受到的光或其他电磁信号，转换成数字信号并存储在计算机内存中。

在预处理阶段，对采集到的图象信号进行去噪、增强、锐化等处理，以提高图象的质量和清晰度。

在特征提取阶段，通过对预处理后的图象进行边缘检测、纹理分析、特征提取等技术，以确定图象的各种特征，为后续处理提供数据基础。

在分类识别阶段，利用机器学习、模式识别等技术对图象进行分类和识别，识别出图象中的目标或特征。

将经过处理的图象信号输出，进行显示、存储、传输等后续处理。

电成像处理技术的发展，使得图象处理变得更加精确、高效和自动化。

在医学影像方面，电成像处理技术可以帮助医生准确诊断疾病，提高医疗水平。

在安全监控领域，电成像处理技术可以实现对监控视频的实时分析和识别，提高安全保障水平。

在图像识别领域，电成像处理技术可以实现对图象中目标的精确识别和分类，提高自动识别的准确性和速度。

电成像处理技术还可以通过图象融合、图象重建、图象压缩等处理方式，实现对不同类型的图象进行处理和改进。

在航空航天领域，利用电成像处理技术可以对卫星图象进行融合、重建，提高卫星图像的分辨率和准确性；在农业领域，利用电成像处理技术可以对农作物图象进行分析和处理，实现农作物的生长监测和病虫害检测。

电成像处理技术在多个领域具有重要的应用价值，通过不断的技术创新和研究，电成像处理技术将会在图象处理领域扮演更为重要的角色，为人类的生产和生活带来更多的便利和效益。

电子成像的原理
电子成像是指利用电子束或电子波在物体表面扫描并探测物体信息，再通过电子信号转换和图像重建技术，实现对物体形貌、结构和组成的可视化显示的过程。

电子成像的原理主要涉及电子发射、电子透镜系统和信号转换及图像重建三个方面。

首先，电子成像的第一步是通过电子发射器产生电子束。

电子发射器的常见类型有热阴极电子枪和场发射电子枪。

热阴极电子枪是通过加热阴极使其发射电子；场发射电子枪则是通过施加高电场，使电子从钨尖端发射出来。

这些发射的电子束会经过一系列的电子透镜系统进行聚焦和控制。

接下来，电子束进入电子透镜系统。

电子透镜系统通常由一组磁场和电场透镜组成，可以用来聚焦和调整电子束的传输特性，以避免电子束的散布和扩散。

其中，磁场透镜使用磁场对电子进行聚焦，而电场透镜则利用电场的作用来控制电子束的传输方向和散射情况。

最后，电子束和物体表面进行相互作用后，电子会被散射、反射或吸收。

这些与物体相互作用的电子将被转换为电子信号，并经过信号转换器进行转化。

转换后的信号可以通过图像重建技术，如扫描电子显微镜(SEM)中的光电倍增管或荧光屏幕等，将电子信号转换为可视化的图像。

综上所述，电子成像的原理主要包括电子发射、电子透镜系统
和信号转换及图像重建三个方面，通过这些步骤，利用电子束在物体表面的扫描和物体与电子的相互作用，最终实现对物体信息可视化的显示。