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第五章光电成像器件本章内容•光电成像器件的类型•光电成像原理与电视制式•真空摄像管•电荷耦合器件（CCD）•特种成像器件及系统重点内容•电荷耦合器件（CCD）难点内容•光电成像原理•电荷耦合器件（CCD）近年来，利用光电成像器件构成图像传感器进行光学图像处理与图像测量已成为现代光学仪器，现代测控技术的重要发展方向。它广泛地应用于遥感、遥测技术，图形、图像测量技术和监控工程等。成为现代科学技术的重要组成部分。一、发展1、1934年成功地研制出光电像管，应用于室内外的广播电视摄像。它的灵敏度相当低，要达到现在图像信噪比的要求，需要不低于10000lx的照度。这就使它的应用范围受到很大的限制。2、1947年超正析像管面世，使最低照度降至2000lx3、1954年灵敏度较高的视像管投入市场。成本低，体积小，结构简单，灵敏度和分辨率都很高，但是在低照度情况严它具有相当大的惯性，使其不能适用于高速运动图像测量，不能取代超正析像管用于彩色广播电视摄像机，而主要用于电视电影；工业电视等。光电成像器件4、1965年氧化铅管成功地替代了超正析像管，广泛地应用于彩色电视摄像机。使彩色电视广播摄像机的发展产生了一个飞跃，5、1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管和硅靶管。6、1970年，美国贝尔电话实验室发表了电荷藕合器件原理，从此光电成像器件的发展进入了一个新的阶段-CCD固体摄像器件的发展阶段。光电成像器件二、类型1、扫描型（又称摄像器件）通过电子束扫描或自扫描方式将被摄景物通过光学系统成像在器件光敏面上的二维图像转变为一维时序电信号输出出来。这种运载图像信息的一维时序信号成为视频信号。真空电子束扫描型光电型：光电导式和光电发射式热电型：热释电摄像管固体自扫描型：电荷耦合摄像器件光电成像器件2、非扫描型（又称像管）变像管：完成光学图像光谱变换红外变像管紫外变像管X射线变像管像增强管：图像强度的变换串联式像增强管级联式像增强管微通道板式像增强管负电子亲和势阴极摄像管光电成像器件光电成像器件的类型光电成像器件（成像原理）扫描型非扫描型真空电子束扫描固体自扫描：CCD光电型热电型：热释电摄像管光电发射式摄像管光电导式摄像管变像管（完成图像光谱变换）红外变像管紫外变像管X射线变像管像增强管（图像强度的变换）串联式级联式微通道板式负电子亲和势阴极常由像敏面，电子透镜＆显像面构成第二节：光电成像原理与电视摄像制式一、成像原理光电成像系统由光学像系统、光电变换系统、图像分割、同步扫描和控制系统、视频信号处理系统、荧光屏显示系统等构成。光电成像器件在外界照明光照射下或自身发光的景物经成像物镜成像到光电成像器件的像敏面上形成二维光学图像。光电成像器件完成将二维光学图像转变成二维“电气”图像的工作。这里的二维电气图像由所用的光电成像器件决定，超正析像管为电子图像，视像管为电阻图像或电势图像，面阵CCD为电荷图像等。电气图像的电气量在二维空间的分布与光学图像的光强分布保持着线性对应关系。组成一幅图像的最小单元称作像素，像素单元的大小或一幅图像所含像素数决定了图像的清晰度。像素数愈多，或像素几何尺寸愈小，反映图像的细节愈强，图份愈清晰，图像质量愈高。这就是图像的分割。光电成像器件1、图像的分割与扫描图像分割的目的是分割后的电气图像经过扫描才能输出一维时序信号。分割的方法：超正析像管利用扫描光电阴极分割像素、摄像管由电阻海颗粒分割、面阵CCD和CMOS图像传感器用光敏单元分割。扫描的方式：与图像传感器的性质有关。真空摄像管采用电子束扫描方式输出一维时序信号。具有自扫描功能的：面阵CCD采用转移脉冲方式将电荷包顺序转移出器件。光电成像器件传统的扫描方式是基于电子束摄像管的电子束按从左到右、从上到下的扫描方式为场扫描。2、电视图像的扫描方式(略）逐行扫描、隔行扫描，通过两种扫描方式将景物分解成一维视频信号，图像显示器将一维视频信号合成为电视图像，摄像机与图像显示器必须采用同一种扫描方式。光电成像器件二、电视制式1、电视图像的宽高比：4：3。2、桢频与场频：电影画面重复频率不得低于每秒48次。电影采用每秒投影24幅画面，两副之间用遮光阀档一次。电视场采用隔行扫描，奇数场/偶数场，两场合为一桢。即场频50Hz，桢频25Hz。3、扫描行数与行桢：组成每桢图像的行数和行频。确定扫描行数，实际就是确定电子束在水平方向上的扫描速度，因为在场频一定时，行数越多，扫描速度就越快。光电成像器件第三节真空摄像管一、氧化铅视像管的结构视频信号靶网电极聚焦线圈偏转线圈校正线圈聚焦极2聚焦极1阴极控制栅极加速极RLVT视像管结构－光电导靶、扫描电子枪、管体靶结构玻璃PINSnO2（透明导电膜）RLVT（40～60V）在入射窗的内表面首先蒸上一层极薄的SnO2透明导电膜，再蒸涂较厚的氧化铅本征层，然后，氧化处理形成P型层。由于氧化铅与二氧化锡两者的接触而在交界面处形成N形薄层，这样就构成了NIP型异质结靶。反偏电压主要施加在本征层氧化铅。当摄像管有光学图像输入时，则入射光子打到靶上。由于本征层占有靶厚的绝大部分，入射光子大部分被本征层吸收，产生光生载流子。且在强电场的作用下，光生载流子一旦产生，便被内电场拉开，电子拉向N区，空穴被拉向P区。若假定把曝光前本征层两端加有强电场看作是电容充电，则此刻由于光生载流子的漂移运动的结果相当于电容的放电。其结果，在一帧的时间内，在靶面上便获得了与输入图像光照分布相对应的电位分布，完成了图像的变换＆记录过程。视频信号靶网电极聚焦线圈偏转线圈校正线圈聚焦极2聚焦极1阴极控制栅极加速极RLVT二、硅靶结构视频信号电阻海P型岛SiO2PPPnR2N+左边是光的入射面，右边是电子束扫描面，靶的基体是N型单晶硅薄片。其上有大量微小的P型岛。由P型小岛与N型基底之间构成密集的光敏二极管阵列。并在P型岛之间的N型硅表面覆盖高绝缘的二氧化硅薄膜，另外在N型基底的外表面上形成一层极薄的N+层，在P型岛地外表面上形成一层半导体层称为电阻海。总厚度约为20微米。工作时，在N+层加5～15伏电压，使硅光电二极管处于反向偏置工作状态。无光照时，反压将一直保持。当有光学图像输入时，N型硅将吸收光子产生电子空穴对，它们在电场的作用下作漂移运动，空穴通过PN结移到P型岛，此动作在一帧的周期内连续进行，从而提高了P型岛的电位。其电位的升高的数值正比于该点的曝光量。因此，靶面的P型岛上形成了积累得电荷图像。这时通过电子束的扫描，即可得到视频信号。三、摄像管的性能参数1、光电转换特性输入面照度（勒克斯）输出视频信号电流硅电子倍增靶视像管二次电子导电管超正析像管分流管曲线的斜率为管子的灰度系数γ。超正析像管在高光照时输出信号电流饱和，曲线弯曲。2、光谱响应灵敏度波长abcdegfa——Sb2O3光导摄像管b——PbO光导摄像管（标准型）c——PbO光导摄像管（全色型，接近于人眼的光谱响应，在彩色摄像时可获得色调的高保真度）d——CdSe光导摄像管e——硅靶摄像管（光谱响应范围最宽，适用于近红外摄像）f——SeAsTe光导摄像管g——ZnCdTe光导摄像管3、时间响应特性（滞后特性）滞后输入面照度硅电子倍增管分流管二次电子导电管超正析像管硅靶管在摄像管输入光照度突然截止后，取其第三场或第十二场衰减的输出信号电流占未截止光照时的输出信号电流的百分比值为表示摄像管滞后特性的指标。4、输出信噪比输入面照度信噪比硅电子倍增靶分光管二次电子导电管超正析像管视像管输出信噪比取决于光阴极的量子噪声，靶噪声，扫描电子束噪声，二次电子倍增器以及前置放大器的噪声等。5、动态范围其取决于摄像管的暗电流＆饱和电流。暗电流所引起的噪声决定了摄像管的最低输入照度，饱和电流决定了摄像管的最高入射照度。而最高入射照度与最低输入照度的比值为摄像管的动态范围。6、图像传递特性它用输出信号电流的调制度来表示。其取决于：移像区的电子光学系统的像差；靶的电荷图像像差以及扫描电子束的弥散＆滞后等因素。四、各种视像管主要性能比较靶类型硫化锑氧化铅硅靶硒化镉硒砷碲碲化锌镉特征低价格低惰性，低暗电流高灵敏度高灵敏度，低暗电流低惰性，低暗电流高灵敏度灵敏度低中高高中高分辨率高高一般高高高光动态好一般一般一般好一般光电转换特性0.6~0.711111惰性大小中中小中暗电流大小中小小小晕光小小小小小小用途一般广播电视工业电视工业电视广播电视工业电视第九节变像管＆像增强管一、典型结构与工作原理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。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。