真空摄像管和固体成像器件在影像设备中的应用和维护

　光电成像器件利用光电效应，弥补了人眼在灵敏度、响应波段、细节的视见能力以及空间和时间上的局限等方面的不足。特别是在医疗影像诊断领域，高质量的光电成像器件甚至决定了整个影像系统的水平。光电成像器件大体可分为真空摄像管和以CCD为代表的固体成像器件，这两类器件自1931年以来真空摄像管问世，发展至今以氧化铝和硒砷碲视为代表的技术已经发展成熟，在医疗领域得到广泛的应用。而到1970年CCD固体摄像器件异军突起，以其高可靠性和寿命长的特点在医疗领域占据了优势地位。随着科学技术的进步，这类器件的新产品层出不穷，因此，对于从事影像系统研究维护的人来说，了解其原理和性能特点，是工作中的当务之急。本文在阐述了光电成像器件的工作原理的基础上，探讨了如何对其作好相关的维护工作。

　　光电成像器件具有3种基本功能：光电变换、光电信号存储和扫描输出。光学图像投射到器件光敏面后，被称为象素的独立光敏单元分别完成光电转换，形成了电量的潜象。扫描装置形成的扫描线按一定的轨迹串行、逐点地采集这些转换后的电量，形成输出信号。为了提高检测灵敏度，每个象素在扫描周期内不间断地对转换后的电量进行积累，这种功能称为光电信号的积分积累。

一、真空摄像器件
1．真空摄像管工作原理
　　以光电导式摄像管（视象管）为例。其基本结构包括两大部分：光电靶和电子枪。如图1。光电靶由光窗、信号极和靶组成，其作用是保持光电转换形成的电量潜象，并在扫描周期内实现积分存储。电子枪部分包括灯丝、热阴极、控制栅极、各加速电极和聚焦电极、靶网电极和聚焦、偏转、校正线圈等。它的作用是产生热电子，并使之聚焦成很细地电子射线，按着一定的轨迹扫描靶面。整个光电转换过程为：信号板通过引线、负载电阻与靶电源的正极相连。电子枪的热阴极接地，扫描电子束即具有地的地位。如图2。C为光电靶（光敏层电容），r为光电靶的纵向电阻，Rh是信号板的负荷电阻，Um是靶电位，Ucm是信号板电位，Co是输出信号耦合电容，靶面上的单个象素可以由一个c、r并联的组合来代替。C值是固定的，r值是随着靶面该点的照度而变化。当靶面受到光照时，各点纵向电阻r的阻值大小随照度成反比，所以各点放电的时间常数不同。由于光电靶电容C后都充电到Ucm，而C是通过纵向电阻r放电，因为r的不同导致各点放电时间不同，在靶面上就形成了各点对应于光像的电位影像。当电子束扫描靶面时，通过Rh对靶面各象素电容C充电的电流不同，Rh上得到的信号电压也不同，这样就得到各点的视频信号，通过Co输出给下级电路。

2．举例分析说明
　　在了解真空摄像管的工作原理和基本结构以后，结合故障实例，可以使我们作出快速、准确的判断和行之有效的维护。

　　故障现象1：西门子polmy－50 800maX光机，透视图像模糊，图像发灰、并有大块的雾状亮斑。
　　分析与检修：检查该机控制系统，KV、MA手动控制正常，故障应在影像获取系统中。于是拆掉摄像机，在透视状态下观察影像增强器的输出屏，发现所得图像完好。故怀疑为摄像机故障。将该摄像机对准普通景物，监视器所得图像仍然有雾状亮斑，这就证明了故障就在摄像机上。该摄像机采用的是真空摄像管，已经使用了10年，初步判断该管属正常老化。之所以图像发灰、有大块亮斑是因为靶面各象素点r值虽然随光照度正常变化，但是电子枪产生的电子束给该点扫描时，充电电流低于正常值，电容C充电不完全，因而导致监视器所得图像失真。因该型号摄像管目前已难以买到，我们在分析其结构后对其采取了应急维修。经查图纸发现该摄像管的控制栅极电压可调（电位器VR3），并且有关于该摄像管输出信号幅值的参数。于是将西门子polmy－50 800maX光机的摄像管拆下，镜头对准窗外，固定不动。同时用示波器测试其视频输出点BAS，所得信号值将近2000mvpp。调节电位器VR3以改变栅极电压，同时观察示波器，所得到视频信号的大输出为3600mvpp。而图纸上标注为4000mvpp，证明摄像管确实有老化现象。应急维修措施是先将该摄像管还原，逐步调整栅极电位器，同时观察测试卡透视图像，直到亮斑消除，图像改善明显。调整完毕后，经放射医师认定，该机图像符合影像诊断要求。

　　故障现象2：岛津2400 DSA透视时图像模糊，伴有大块雾状亮斑，作减影时更加明显。
　　分析与检修：该摄像管为高照度真空摄像管，使用已经达到10年。故障形成原因与1中相似，属正常老化。因为此摄像管没有控制栅极的调节电路，在应急维修的情况下，根据真空摄像管的工作原理，考虑可以通过改变灯丝电压，来达到改变电子枪发出的扫描电子束的目的，从而增强靶面上的信号电流。经仔细观察该摄像管灯丝电路，发现灯丝串有一个限流电阻R3，为30欧姆。此电阻对灯丝电流的大小有着直接影响。遂将该电阻焊下，换为一个100欧姆的滑动变阻器；同时为防止电压过高，烧毁摄像管，用一个万用表监控灯丝电压。在调节变阻器阻值的同时，观察监视器和万用表的显示，直到所得的透视图像中的白色雾状物完全消失，并且所得测试卡图像达到较清楚的程度（达到5线清晰可辨）。此时，万用表显示的电压已经达到6.6v，比调节前高出0.3v。断开摄像管电源后，测量滑动变阻器阻值为28欧姆。于是将R3换为相同功率的28欧姆的电阻。开机后，再作整机参数校正，所得透视、减影图像一切正常，达到临床诊断要求。至此，故障解决，应急维修成功。

二、固体摄像器件
1．工作原理（以CCD为例）
　　 CCD单元部分，就是一个由金属-氧化物-半导体组成的电容器，简称MOS（me[x]tal -Oxide -Semiconductor）结构。在该单元中，如果将衬底接地，突然给金属极板加一个正的电压UG（栅极电压），则金属极板和衬底之间就会产生一个电场，迫使半导体表面部分的空穴离开表面入地，从而在表面附近形成一个带负电荷的耗尽区，被称为表面势阱。其深度，近似的与极板上所加的电压成正比。这时，电子在表面处的势能为Ep＝－qUs，即半导体表面对于衬底的电势差。如果以某种方式（电注入或光注入）向势阱中注入电子，则这些电子将要聚集于表面附近，称为电荷包。因为每个CCD单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。但是，当有电荷包注入时，势阱深度将随之变浅。电荷包中电荷量的多少与光照强度成正比，所有电极下的电荷包就组成了与景物对应的电荷像。（图3）

2．CCD器件在维护工作中的应用
　　CCD发展至今，在分辨率、灵敏度、暗电流、信噪比方面都有了较大突破，医学上对图像传感器的高分辨率、超密集等特殊要求，目前早已不是问题。此外CCD不仅有传像功能，还有贮存功能。可以由此制成数字化采集系统；CCD可接收的光波段很宽，能在微光下摄影。这些为医学的图像显示带来了革命。固体摄像器件的众多优点使其在很多方面可以取代真空摄像器件。

　　以例1中摄像系统的维护为例，在了解该设备的影像输出参数的情况下，采用符合摄像要求的CCD摄像器件，以组成CCD成像系统，完全能达到取代老化的真空摄像管的目的。改造中须注意的事项有：
⑴ CCD摄像头 医学放射设备的影像增强器中，由于其原始影像呈兰绿色，所以一定要选用对兰绿色波长敏感的摄像头；另外，医学领域对影像分辨率要求比较高，普通摄像头为256x256，不能应用在该系统中，可选用512x512以上的CCD摄像头；在选用CCD的尺寸方面，常用的CCD摄像头有1/2、1/3、2/3、1/4、1/5，我们选用的是1/4尺寸的CCD摄像头。
⑵ CCD镜头 在CCD系统中，选择合适的镜头是一个非常重要的环节。因为光学镜头的质量关系到所获取图像的质量。CCD摄像头的镜头一般是螺纹口，区别于照相机的卡口镜头，可以根据实际情况作一定的改装；镜头可分为长焦、中焦、短焦、变焦，有光圈和无光圈等；在选用与摄像头相配合的镜头方面，还要注意的问题有：选择与CCD成像面大小基本相同的镜头，若相差太远，会影响镜头与CCD摄像头的配合。
⑶ CCD光圈 光圈越大，到达CCD摄像头的光通量就越大。反之，就越小。但同时也要注意景深问题。我们采用的是可变光圈，以便于在调试过程中作图像调整。
⑷ 电源 CCD摄像系统的电源在一般情况下不需要太高要求。因为CCD摄像头的功率较小，仅有几瓦。但是电源必须平稳，特别是在医用x光机上。因为电源在X光机工作瞬间可能会产生一定的波动和较大干扰噪音，对图像会产生干扰。我们采用的是12v的开关电源。

　　这样就组成了与X光机相匹配的CCD成像系统。我们将此方法应用在西门子polmy－50 800ma成像系统中，再经过反复调整X光机部分的各项参数，在监视器上就得到了与原真空摄像管正常时画质相当的清晰稳定图像。经放射科技师试用，完全达到了诊断要求。

　　光电成像器件在医学影像系统中有着广泛的应用前景。目前，无论是真空摄像器件还是固体成像器件，都有很多新的产品问世，它们有着各自的优势，二者在影像系统又展开了新的一轮竞争。而从事影像系统研究者，只有在充分了解这类器件的性能特点的基础上，用理论去指导行动，才能使我们的研究、维护工作更有成效。