第八章 成像器件和调制器件
?变像管
?像增强管
?光调制器件
变像管＆像增强管
一、典型结构与工作原理
物镜 目镜
阴极 阳极
荧光屏
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。阴极面每
一点发射的电子束密
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。通过阳
极的电子透镜作用，
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，最终，在荧
光屏上便可得到目标
物的可见图像。
涂在光阴极面上的材料若
对红外或紫外光线敏感，
则为变像管，若只对微弱
的可见光敏感，则为像增
强管。
二、性能参数
1、光电阴极灵敏度
光阴极的 量子效率 决定了管子的 灵敏度, 量子效率 对波长
的依赖性决定了管子的 光谱响应,光阴极的 暗电流＆量子
效率 决定了 像的对比度＆最大信噪比, 对比度＆信噪比 又
决定了照度最低情况下的 分辨率 。
2、放大率＆畸变
荧光屏上像点到光轴的距离与阴极面上对应点到光轴距离
之比称为变像管点所在环带的放大率 β。
畸变,D=β/β0-1
若 D>0,则为枕形畸变,D<0，则为桶形畸变。
3、亮度转换增益
V
K
AI
e
v
L A
A
US
E
M
G ?610 ???
光出射度 额定阳极
电压
光阴极的
有效接收
面积
4、鉴别率
一般指在照度足够的情况下（以 100勒克斯为宜），通过
变像管或像增强管所刚刚分辩处的黑白条纹数目。
5、暗背景亮度
在无光照下，光阴极产生的暗电流在阳极电场的作用下
轰击荧光屏使之发光，这时荧光屏的亮度称之为暗背景
亮度。
6、观察灵敏阈
在极限观察下，光电阴极的极限照度称为观察灵敏阈。
三、像增强管的级联
（一）串联式像增强管
1、磁聚焦三级串联式像增强管
光
电
阴
极
分压电阻 二次电子倍
增膜
荧光屏电极环磁聚焦线圈
它由三只单级像管首尾相接，
每只单级像管的高压电源通
过电阻分压器加在电极环上，
使管内产生均匀电场。管外
加长螺管线圈，用以产生轴
向均匀磁场。两级中间连接
处违夹心片结构，中间为透
明云母片，它的前面为荧光
屏，后面为光电阴极，两者
的频谱特性正好品配。
特点：像差小，像质好，但
消耗功率大，体积笨重。
2、电聚焦三级串联像增强管
光
阴
极
面
荧
光
屏
A层 A层 A层
A1 A2 A3
靶 靶
加速＆聚焦全由电子透镜来实现。
重量轻，功耗低，但像差大，产生像散＆场曲，像质差。
（二）级联式像增强管
光电
阴极
光
学
纤
维
面
板
阳极 荧光屏
光
学
纤
维
面
板
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。其传光效
率高，且端面可加
工为各种所需要的
形状。提高了管子
的灵敏度。缺点是
边缘增益大。常用
于夜视、微光电视
领域。
级联式像增强管单管结构图
（三）微通道式像增强管
微通导管
管壳
光电阴极在入射光线的照
射下发出光电子，它们分
别沿着各个小的微通导管
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。
它分为两类：近聚焦微通
道像增强管＆静电聚焦微
通道像增强管。
优点：体积小，重量轻，
可通过调整偏压来调整增
益，且具有自动放强光的
能力。
缺点：噪声大。外形结构
光调制器件
? 利用各种物理效应能够对光的振幅、频率、
相位、偏振状态和传播方向等参量进行调制
的器件。
? 要求：性能稳定、调制度高、损耗小、相位
均匀、有一定的带宽。
? 工作基础：物质对外来作用产生各种物理效
应，如电光效应、声光效应、磁光效应。
? 光调制就是将一个携带信息的信号叠加到
载波光波上,完成这一过程的器件称为调制
器 。
? 调制器能使载波光波的参数随外加信号变
化而变化, 这些参数包括光波的振幅, 位
相, 频率, 偏振, 波长等 。 比如,承载信息
的调制光波在光纤中传输, 再由光探测器
系统解调, 然后检测出所需要的信息 。
? 电光器件
介质受到外电场作用，折射率随外加电场变化，介
电系数和折射率都与方向有关，用张量描述，光学
性质为各向异性；不受外电场作用时，介电系数和
折射率都是标量，与方向无关，在光学性质上是各
向同性。
电光效应两种：折射率的变化量与外电场强度的一
次方成比例,POCKELS，光学介质为具有电光效应
的液体有机化合物；成平方关系为 KERR效应，光学
介质为非中心对称的压电晶体。
? 性能参数
半波电压
透过率
调制带宽
消光比
声光器件
原理
磁光器件
原理
? 法拉弟发现,
许多物质在磁
场的作用下可
使穿过它的平
面偏振光的偏
振 方 向 旋 转
（ 在光的传播
方向上加上强
磁场时 ）
法拉弟效应（磁致旋光效应）
Ｈ
d
?
振动面旋转的角度 由经验公式给出：
式中 为静磁通量,为光所穿越的媒质
长度,是比例因子，称费尔德常数，一种
特定媒质的费尔德常数随频率和温度而变。
?
rBd??
B d
r
实 际 例 子
对于气体,约为,固体和液体
为 的量级。
如对于 1厘米长的 样品，
高斯的磁场，,此时
振动面将转动 。
r 210?
0131.0?r
510?
OH 2 410
CT ?20?
'112 ?
显然，法拉弟效应可用来设计光调制器，欲
提高效率必须每单位长度的材料对光的吸收
要尽量小，而偏振面旋转的角度要尽量大，
为此，人们研制了许多奇特的铁磁材料，如
Ｌ eCraw 利用人工生长的钇铁石榴石
（ YIG）磁性晶体，它的费尔德数可以达到
(对 波长,温度范
围 )。
..CR
0.9 m?3.1 C?8525 ??
利用法拉第效应测磁场
实 验 装 置 图
调制电压
恒定磁场
起
偏
器
起
偏
器
线偏振光从左面进入晶体, 横向的直流磁场
使 YIG晶体在此方向上引起磁化饱和, 而总的
磁化强度矢量 （ 由恒定磁场和线圈磁场所引起 ）
可以改变方向, 它对晶体轴的倾斜角度正比于
线圈中的调制电流 。
因为法拉弟旋转依赖于磁化强度的轴向分量,
所以线圈电源控制了 角, 检偏器按照马吕定
律把这一偏振调制转换为振幅调制 。 也就是说,
要传递的信息作为调制电压加在线圈上, 则出
射的激光束以振幅变化的形式携带着信息 。
?
应当指出的是, 应将 法拉弟旋转和旋光性旋转
加以区别, 所指旋光性旋转, 是指入射线偏振
光的电场振动面在旋光材料中连接地旋转的现
象 。 这种现象的一个特点是旋转方身与传播方
向有关, 当光线正反两次通过一个旋光性物质
时, 总旋转角度为零, 而法拉弟旋转是与光传
播方向无关的, 正反两次通过法拉弟材料后,
总的旋转角度为 。?2
法拉弟旋转和旋光性旋转之区别
这样, 为了获得更大的法拉弟效应, 可以将放
在磁场中的法拉弟材料做成平行六面体, 使通
光面对光线方向稍偏离垂直位置, 并将两面镀
层反射膜, 只留入口和出口, 这样, 若光束在
其间反射 次后出射, 则有效旋光厚度为,
则偏振面的旋转角度将提高 倍 。
N
Nd
N
高反射膜
作业
? 变像管和像增强管的工作原理
? 电光、声光和磁光器件的工作原理
预习
? 恒流源型光电检测电路的静态设计
? 光伏型光电检测电路的静态设计
? 可变电阻型光电检测电路的静态设计
?变像管
?像增强管
?光调制器件
变像管＆像增强管
一、典型结构与工作原理
物镜 目镜
阴极 阳极
荧光屏
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。阴极面每
一点发射的电子束密
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。通过阳
极的电子透镜作用，
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，最终，在荧
光屏上便可得到目标
物的可见图像。
涂在光阴极面上的材料若
对红外或紫外光线敏感，
则为变像管，若只对微弱
的可见光敏感，则为像增
强管。
二、性能参数
1、光电阴极灵敏度
光阴极的 量子效率 决定了管子的 灵敏度, 量子效率 对波长
的依赖性决定了管子的 光谱响应,光阴极的 暗电流＆量子
效率 决定了 像的对比度＆最大信噪比, 对比度＆信噪比 又
决定了照度最低情况下的 分辨率 。
2、放大率＆畸变
荧光屏上像点到光轴的距离与阴极面上对应点到光轴距离
之比称为变像管点所在环带的放大率 β。
畸变,D=β/β0-1
若 D>0,则为枕形畸变,D<0，则为桶形畸变。
3、亮度转换增益
V
K
AI
e
v
L A
A
US
E
M
G ?610 ???
光出射度 额定阳极
电压
光阴极的
有效接收
面积
4、鉴别率
一般指在照度足够的情况下（以 100勒克斯为宜），通过
变像管或像增强管所刚刚分辩处的黑白条纹数目。
5、暗背景亮度
在无光照下，光阴极产生的暗电流在阳极电场的作用下
轰击荧光屏使之发光，这时荧光屏的亮度称之为暗背景
亮度。
6、观察灵敏阈
在极限观察下，光电阴极的极限照度称为观察灵敏阈。
三、像增强管的级联
（一）串联式像增强管
1、磁聚焦三级串联式像增强管
光
电
阴
极
分压电阻 二次电子倍
增膜
荧光屏电极环磁聚焦线圈
它由三只单级像管首尾相接，
每只单级像管的高压电源通
过电阻分压器加在电极环上，
使管内产生均匀电场。管外
加长螺管线圈，用以产生轴
向均匀磁场。两级中间连接
处违夹心片结构，中间为透
明云母片，它的前面为荧光
屏，后面为光电阴极，两者
的频谱特性正好品配。
特点：像差小，像质好，但
消耗功率大，体积笨重。
2、电聚焦三级串联像增强管
光
阴
极
面
荧
光
屏
A层 A层 A层
A1 A2 A3
靶 靶
加速＆聚焦全由电子透镜来实现。
重量轻，功耗低，但像差大，产生像散＆场曲，像质差。
（二）级联式像增强管
光电
阴极
光
学
纤
维
面
板
阳极 荧光屏
光
学
纤
维
面
板
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。其传光效
率高，且端面可加
工为各种所需要的
形状。提高了管子
的灵敏度。缺点是
边缘增益大。常用
于夜视、微光电视
领域。
级联式像增强管单管结构图
（三）微通道式像增强管
微通导管
管壳
光电阴极在入射光线的照
射下发出光电子，它们分
别沿着各个小的微通导管
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。
它分为两类：近聚焦微通
道像增强管＆静电聚焦微
通道像增强管。
优点：体积小，重量轻，
可通过调整偏压来调整增
益，且具有自动放强光的
能力。
缺点：噪声大。外形结构
光调制器件
? 利用各种物理效应能够对光的振幅、频率、
相位、偏振状态和传播方向等参量进行调制
的器件。
? 要求：性能稳定、调制度高、损耗小、相位
均匀、有一定的带宽。
? 工作基础：物质对外来作用产生各种物理效
应，如电光效应、声光效应、磁光效应。
? 光调制就是将一个携带信息的信号叠加到
载波光波上,完成这一过程的器件称为调制
器 。
? 调制器能使载波光波的参数随外加信号变
化而变化, 这些参数包括光波的振幅, 位
相, 频率, 偏振, 波长等 。 比如,承载信息
的调制光波在光纤中传输, 再由光探测器
系统解调, 然后检测出所需要的信息 。
? 电光器件
介质受到外电场作用，折射率随外加电场变化，介
电系数和折射率都与方向有关，用张量描述，光学
性质为各向异性；不受外电场作用时，介电系数和
折射率都是标量，与方向无关，在光学性质上是各
向同性。
电光效应两种：折射率的变化量与外电场强度的一
次方成比例,POCKELS，光学介质为具有电光效应
的液体有机化合物；成平方关系为 KERR效应，光学
介质为非中心对称的压电晶体。
? 性能参数
半波电压
透过率
调制带宽
消光比
声光器件
原理
磁光器件
原理
? 法拉弟发现,
许多物质在磁
场的作用下可
使穿过它的平
面偏振光的偏
振 方 向 旋 转
（ 在光的传播
方向上加上强
磁场时 ）
法拉弟效应（磁致旋光效应）
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振动面旋转的角度 由经验公式给出：
式中 为静磁通量,为光所穿越的媒质
长度,是比例因子，称费尔德常数，一种
特定媒质的费尔德常数随频率和温度而变。
?
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B d
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实 际 例 子
对于气体,约为,固体和液体
为 的量级。
如对于 1厘米长的 样品，
高斯的磁场，,此时
振动面将转动 。
r 210?
0131.0?r
510?
OH 2 410
CT ?20?
'112 ?
显然，法拉弟效应可用来设计光调制器，欲
提高效率必须每单位长度的材料对光的吸收
要尽量小，而偏振面旋转的角度要尽量大，
为此，人们研制了许多奇特的铁磁材料，如
Ｌ eCraw 利用人工生长的钇铁石榴石
（ YIG）磁性晶体，它的费尔德数可以达到
(对 波长,温度范
围 )。
..CR
0.9 m?3.1 C?8525 ??
利用法拉第效应测磁场
实 验 装 置 图
调制电压
恒定磁场
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线偏振光从左面进入晶体, 横向的直流磁场
使 YIG晶体在此方向上引起磁化饱和, 而总的
磁化强度矢量 （ 由恒定磁场和线圈磁场所引起 ）
可以改变方向, 它对晶体轴的倾斜角度正比于
线圈中的调制电流 。
因为法拉弟旋转依赖于磁化强度的轴向分量,
所以线圈电源控制了 角, 检偏器按照马吕定
律把这一偏振调制转换为振幅调制 。 也就是说,
要传递的信息作为调制电压加在线圈上, 则出
射的激光束以振幅变化的形式携带着信息 。
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应当指出的是, 应将 法拉弟旋转和旋光性旋转
加以区别, 所指旋光性旋转, 是指入射线偏振
光的电场振动面在旋光材料中连接地旋转的现
象 。 这种现象的一个特点是旋转方身与传播方
向有关, 当光线正反两次通过一个旋光性物质
时, 总旋转角度为零, 而法拉弟旋转是与光传
播方向无关的, 正反两次通过法拉弟材料后,
总的旋转角度为 。?2
法拉弟旋转和旋光性旋转之区别
这样, 为了获得更大的法拉弟效应, 可以将放
在磁场中的法拉弟材料做成平行六面体, 使通
光面对光线方向稍偏离垂直位置, 并将两面镀
层反射膜, 只留入口和出口, 这样, 若光束在
其间反射 次后出射, 则有效旋光厚度为,
则偏振面的旋转角度将提高 倍 。
N
Nd
N
高反射膜
作业
? 变像管和像增强管的工作原理
? 电光、声光和磁光器件的工作原理
预习
? 恒流源型光电检测电路的静态设计
? 光伏型光电检测电路的静态设计
? 可变电阻型光电检测电路的静态设计
