热释电摄像管

利用热释电材料作为靶材的摄像管

热释电摄像管是利用热释电材料作为靶材的摄像管，它是一种可以工作在红外光频谱区的热成像器件，所以是一种红外摄像管，其工作波段为8um~14um，也称为热电视像管。

热释电摄像管的发展

铁电体摄像管的历史开始于1963年，是由法国南希大学的Hadni提出的。他在一个工作在介电模式的摄像管里使用了硫酸三甘钛（TGS）。

为了得到好的灵敏度，晶体必须保持在49.2摄氏度的居里温度附近。在居里温度下介电常数可以从16200变化到15001。Le Carvennee在研究把TGS靶用于电子束扫描的热成像摄像管时应用了这个原理（1969年），他利用一边是金属电极，另一边是电子束在TGS靶上建立了一个电压。

工作在介电模式下会存在以下问题：要制造出具有相同的居里温度和极化曲线的大晶体切片，以及在靶面区域上保持一定的提升温度都是很难实现的；太接近居里温度工作会使电畴产生随机改变。

1972年Charles和Le Carvennee在一个密封管里得到了5摄氏度的温度分辨率。

Pel’ta等人于1968年研制出另外一个建立在介电模式上的晶体管。

1963年Astheimer申请了热释电摄像管的第一个专利。它是建立在运用返回电子束正析模式的复杂机理上的，但没有得到实现。

1968年Tompsett提出了一个简单的工作在真正的热释电模式下的热成像摄像管。

热释电效应的原理

热释电效应是少数介质晶体所特有的一种性质：这种晶体在没有外加电场和应力的情况下，具有自发的或永久的极化强度，而且这种极化强度随晶体温度的变化而变化，温度升高时极化强度降低，温度降低时极化强度反而升高，这种变化导致在垂直于极化强度方向（极化轴）的晶体外表面上极化电荷的变化，其结果是在晶体两端出现随温度变化的开路电压。这种现象称为热释电效应，是热电效应的一种，这种极性晶体称为热电体。

热电体产生的电压只于材料温度的变化有关，而与材料本身的温度高低无关；而热敏材料如热电偶、热敏电阻等的特性则取决于材料本身温度的高低。热电探测器主要用于红外线、软X射线和激光的测量，红外摄像管即其重要应用之一。目前最常用的适合红外摄像管的热释电材料主要有硫酸三甘钛（TGS）、钽酸锂（LT-LiTaO3）和铌酸锶钡（SBN）3种。

如果以热释电材料作靶材，摄像管的信号板和扫描靶面正好处于热电晶体极化轴的两个垂直晶上，当有强度变化的红外辐射图像入射靶面时，在靶的扫描面上就会积累电荷，产生电位起伏，而且该电位高低与入射图像的红外辐射强度的变化，即靶材的温度变化成正比，在电子束扫描靶面时，把靶电位降到阴极电位，同时从信号板产生热图像的视频信号输出。

热释电摄像管的结构

热释电摄像管与光电导视像管在结构上类似，只是以热释电靶代替了光电导靶（图1-1所示），所以它也可以称做热释电视像管。热释电摄像管主要包括两个部分：由换能元件组成的光学成像面，称为靶面；电信号扫描读出机构，称为电子枪。

热释电摄像管的靶一般厚30um~50um，它的极化轴垂直于表面，表面经抛光后蒸镀金属（镍、铬或金）透明导电层作为信号板，信号板面对一般由锗制成的红外光输入窗，靶的另一面作为扫描面，并镀有保护层，其作用是防止靶收到离子的侵蚀作用，以改善输出信号的均匀性和延长靶的寿命。

热释电摄像管的工作方式

1、摄全景式

摄像时将摄像机相对被摄景物作平移运动或原地转动。

2、调制式

在摄像管前方安置机械调制器，该调制器周期地截止输入辐射

两种方式的对比为：摄全景式，使用方便，所成像没有斑纹，但会产生热像的位移，要在电路中进行补偿；调制式，热像和视场是稳定的，但每帧的电极性会发生交替变化，需要增加倒像处理电路。

热释电摄像管的工作特点

热释电摄像管的工作过程则与光电导视像管有根本区别，主要表现在以下两个方面。

1、靶面电荷图像的阅读。由于热释电效应产生的电荷是可正可负的，这取决于靶面温度是升高还是降低，而扫描电子束中的电子只带有负电荷。这样，如果靶面上积累的是负电荷，再加上电子束扫描时上靶的电子，就有可能使靶面电位下降到低于阴极电位，电子就不能再继续上靶，也就无法产生信号输出。因此，必须要有一个正的偏压作为基底，使得靶面温度不论是上升还是下降，靶面电位不论如何变动，始终是正电位。

2、入射热图像的调制。前已指出，热释电靶的电荷极积累是靠靶的温度变化产生的，如果温度不变，则电子扫描过后原来积累的电荷图像被擦除后，就不能再产生新的图像了，这是热释电摄像管的另一特殊问题。为了能获得连续的图像输出，必须对热释电摄像管的入射图像进行调制，使其红外辐射不断发生变化，从而靶温也不断变化，使图像得以不断再生。

热释电摄像管的应用

在实际应用中，往往会要求观测景物的热图像，比如集成电路和电缆接头的局部过热，机械转动装置、粮食仓库等的发热情况等；在军事上，敌人的飞机、军舰和任何机动装置的发动机都是热源，由此可以观察敌情；在医学上，利用热图像可以观测人体表面温度的微小差异，进行癌变诊断；在科学研究上进行激光、微波模式测量等。推广来说，在自然界中，常温状态下景物都会产生红外辐射，因此利用红外摄像管（热释电摄像管）拍摄图像时不论白天黑夜都可以不需要任何照明，是一种全被动式的摄像方式，具有全天候工作特点。

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