第四章光电成像器件课件.ppt

1、v光电成像器件是指能够光电成像器件是指能够输出图象信息输出图象信息的一类的一类器件，其功能大致可归为以下两类：器件，其功能大致可归为以下两类：v1、使、使不可见不可见光图象（红外、紫外）变为光图象（红外、紫外）变为可见可见光图象光图象v2、使、使光学图象光学图象变为变为电视信号电视信号v光学图像的实质光学图像的实质:一特定光强度的空间分布。一特定光强度的空间分布。第四章第四章 光电成像器件光电成像器件 变像管变像管 像管像管 (把不可见光图像变成可把不可见光图像变成可 (无扫描无扫描)见光图像的真空光电管见光图像的真空光电管)图像增强器图像增强器 真空真空 (把极低亮度光学图像变为把极低亮度光

2、学图像变为 光电器件光电器件 足够亮度图像的真空光电管足够亮度图像的真空光电管)光电成光电成 光电导式摄像管光电导式摄像管(视像管视像管,无移区无移区)像器件像器件 摄像管摄像管 二次电子导电二次电子导电 (电子束电子束 光电发射式光电发射式 摄像管摄像管(SEC)扫描扫描)摄像管摄像管 (有移像区有移像区)硅增强靶摄像管硅增强靶摄像管 (SIT)固体成像器件固体成像器件(CCD、CMOS)4.1 像管的工作原理与结构像管的工作原理与结构一、像管的种类一、像管的种类 变像管变像管 (把不可见光（红外、紫外、把不可见光（红外、紫外、X射射 像管像管 线）图像变成可见光图像的真线）图像变成可见光图

3、像的真 (无扫描无扫描)空光电管空光电管)图像增强器（微光管）图像增强器（微光管）(把极微弱的光学图像变为人眼把极微弱的光学图像变为人眼 可直接观察图像的真空光电管可直接观察图像的真空光电管)直接显示型直接显示型图像的显示图像的显示与前几章的光电器件的与前几章的光电器件的区别区别在于对光强的探测是在于对光强的探测是二维的。二维的。真空成像器件真空成像器件二、像管结构和工作原理：二、像管结构和工作原理：v光电变换部分光电变换部分v电子光学部分电子光学部分v电光变换部分电光变换部分v光电变换部分光电变换部分，即光电阴极，利用外光电，即光电阴极，利用外光电效应。光敏面采用光电发射型材料。发射效应。光

4、敏面采用光电发射型材料。发射的电子流分布正比于入射的辐射通量分布，的电子流分布正比于入射的辐射通量分布，使不可见的或亮度很低的辐射图像，转换使不可见的或亮度很低的辐射图像，转换成光电子发射图像。常用光电阴极有：成光电子发射图像。常用光电阴极有：1.银氧铯光电阴极银氧铯光电阴极2.单碱和多碱光电阴极单碱和多碱光电阴极3.紫外光电阴极紫外光电阴极4.负电子亲和势光电阴极：灵敏度高、响应波长负电子亲和势光电阴极：灵敏度高、响应波长范围宽范围宽v电子光学部分电子光学部分，即电子透镜，它可以使光电，即电子透镜，它可以使光电阴极发射出来的光电子图象在保持相对分布阴极发射出来的光电子图象在保持相对分布不变的

5、情况下，进行加速并聚焦成像在荧光不变的情况下，进行加速并聚焦成像在荧光屏上。屏上。v困难：困难：使各物点所发射的电子完全落在对应使各物点所发射的电子完全落在对应的各像点上。的各像点上。非聚焦型（近贴式像管）非聚焦型（近贴式像管）v静电系统静电系统 静电聚焦型静电聚焦型 聚焦型聚焦型 电磁聚焦型聚焦型v1、非聚焦型像管（近贴型）、非聚焦型像管（近贴型）v由光电阴极和荧光屏构成，两者平行且距离很近由光电阴极和荧光屏构成，两者平行且距离很近v光电子在电场的作用下以光电子在电场的作用下以抛物线抛物线轨迹向荧光屏投轨迹向荧光屏投射。由于均匀电场只有加速投射作用，没有聚焦射。由于均匀电场只有加速投射作用，

6、没有聚焦成像作用，所以从光电阴极一点发出的不同初速成像作用，所以从光电阴极一点发出的不同初速的电子，不能在荧光屏上形成点像，而是一个弥的电子，不能在荧光屏上形成点像，而是一个弥散圆斑，分辨率较低。散圆斑，分辨率较低。v2、静电聚焦型像管、静电聚焦型像管v几个圆筒形的电极可形成对光电子聚焦和加速的电场，使电几个圆筒形的电极可形成对光电子聚焦和加速的电场，使电子在荧光屏上呈倒立的象。当各电极电压之比保持不变时，子在荧光屏上呈倒立的象。当各电极电压之比保持不变时，电子轨迹也基本不变，因此，各电极电压多用电阻链分压的电子轨迹也基本不变，因此，各电极电压多用电阻链分压的办法供给。但是其球面像差较大，得到

7、的图像有失真。光电办法供给。但是其球面像差较大，得到的图像有失真。光电阴极多做成曲面形状，用以补偿失真。阴极多做成曲面形状，用以补偿失真。静电聚焦型象管结构示意图静电聚焦型象管结构示意图v3、电磁聚焦型像管、电磁聚焦型像管v圆筒形电极用来形成电子透镜和加速电场，管外的线圈用圆筒形电极用来形成电子透镜和加速电场，管外的线圈用来使管内产生平行于管轴的磁场，以形成磁透镜。光电阴来使管内产生平行于管轴的磁场，以形成磁透镜。光电阴极上发出的电子不管起初沿什么方向发射，最终都可以被极上发出的电子不管起初沿什么方向发射，最终都可以被会聚于一点。会聚于一点。电磁聚焦型象管结构示意图电磁聚焦型象管结构示意图v特

8、点：若光电子有偏离于管轴的速度分量，特点：若光电子有偏离于管轴的速度分量，磁场会使它呈螺旋状前进。电子每旋一圈所磁场会使它呈螺旋状前进。电子每旋一圈所需的时间与初速度无关。需的时间与初速度无关。v优点：聚焦作用强、容易调节，容易保证边优点：聚焦作用强、容易调节，容易保证边缘像差，分辨率高。缘像差，分辨率高。v缺点：管外有长螺旋线圈和直流激磁等，使缺点：管外有长螺旋线圈和直流激磁等，使整个设备尺寸、重量增加，结构复杂，因此整个设备尺寸、重量增加，结构复杂，因此一般很少应用。一般很少应用。v电光变换部分电光变换部分，即荧光屏，它可以使电子，即荧光屏，它可以使电子图象变成可见光图像图象变成可见光图像

9、v高能电子轰击荧光屏，发出可见光。高能电子轰击荧光屏，发出可见光。v荧光屏是利用掺杂的晶态磷光体受激荧光屏是利用掺杂的晶态磷光体受激 发光。不同用途的像管，荧光体的种发光。不同用途的像管，荧光体的种类不同，荧光颜色也不同，为避免光类不同，荧光颜色也不同，为避免光反馈和增加荧光面的光输出，蒸镀铝反馈和增加荧光面的光输出，蒸镀铝膜。膜。4.1.1 变像管变像管v1、红外变像管、红外变像管v红外辐射图像被光学物镜成像后位于光电阴极的前方，该红外辐射图像被光学物镜成像后位于光电阴极的前方，该辐射图像相当于对光电阴极有一辐射通量，光电阴极将其辐射图像相当于对光电阴极有一辐射通量，光电阴极将其变成与其亮度

10、成正比的电子图像，经静电聚焦后轰击荧光变成与其亮度成正比的电子图像，经静电聚焦后轰击荧光屏，在转成光学图像。屏，在转成光学图像。阳阳极极光电阴光电阴极极聚焦聚焦极极荧光荧光屏屏真空成像器件真空成像器件v2、光纤面板变像管、光纤面板变像管v成像器件讲究像质。成像器件讲究像质。v光阴极面积一般较大，是一种宽电子束聚焦的电光阴极面积一般较大，是一种宽电子束聚焦的电子光学系统，所以子光学系统，所以像散像散和和场曲场曲比较严重，特别在比较严重，特别在光阴极是平面的情况，通常要求光电阴极是球面。光阴极是平面的情况，通常要求光电阴极是球面。v光阴极是球面，而一般输入的光学图像是平面。光阴极是球面，而一般输入

11、的光学图像是平面。v利用光学纤维面板可以使像散和场曲减到最小。利用光学纤维面板可以使像散和场曲减到最小。APDFQCEB象散象散象散象散清晰清晰场曲场曲荧光屏荧光屏光电阴极光电阴极v光纤面板由直径为几微米的细玻璃丝紧密排光纤面板由直径为几微米的细玻璃丝紧密排列后熔压成块，然后切割、磨制、抛光，一列后熔压成块，然后切割、磨制、抛光，一端磨成平面，另一端磨成曲面。端磨成平面，另一端磨成曲面。v图像入射到光纤面板平面端图像入射到光纤面板平面端,由于光纤能将一由于光纤能将一端输入的光基本无损失地传到另一端端输入的光基本无损失地传到另一端,所以每所以每根光纤传输图像的一个像元到光阴极曲面的根光纤传输图像

12、的一个像元到光阴极曲面的相应点相应点,激发出光电子束激发出光电子束,经聚焦和加速后经聚焦和加速后,轰轰击曲面荧光屏击曲面荧光屏,发出的可见光图像再经每一根发出的可见光图像再经每一根光纤传输到光纤面板的平面端。光纤越细，光纤传输到光纤面板的平面端。光纤越细，光纤面板的图像分辨率越高。光纤面板的图像分辨率越高。v将光电阴极及荧光屏连同光纤面板一起制成将光电阴极及荧光屏连同光纤面板一起制成球面型，使聚焦面与荧光屏重合，从而改善球面型，使聚焦面与荧光屏重合，从而改善了像质。荧光屏上的像借助于平凹形的光纤了像质。荧光屏上的像借助于平凹形的光纤平板展开成平面像。平板展开成平面像。光电阴极光电阴极聚焦极聚焦

13、极阳极阳极荧光屏荧光屏光纤面板光纤面板光纤面板光纤面板4.1.2 图像增强器图像增强器v图像增强器利用了像管功能中增强亮度、光学成像图像增强器利用了像管功能中增强亮度、光学成像两个功能。两个功能。v图像增强器与变像管的图像增强器与变像管的异同点异同点v一、第一代微光像增强器结构示意如下图：一、第一代微光像增强器结构示意如下图：注意：级间耦合和光谱匹配注意：级间耦合和光谱匹配光电光电阴极阴极聚焦聚焦极极阳阳极极荧光荧光屏屏光纤光纤面板面板光纤光纤面板面板真空成像器件真空成像器件三级级联式三级级联式v二、二、第二代微光像增强器第二代微光像增强器 微通道板像增强器微通道板像增强器v1、微通道板的原理

14、和特性：微通道板的原理和特性：v通道电子倍增器：微通道板通道电子倍增器：微通道板MCP(Micro Channel Plate)是一种大面积微通道电子倍增器，是一种大面积微通道电子倍增器，它是利用电子在通道内的二次倍增来实现增强亮它是利用电子在通道内的二次倍增来实现增强亮度的。度的。Uv2、微通道板像增强器微通道板像增强器v（1 1）双近贴式）双近贴式MCPMCP像增强器像增强器v 近贴式近贴式MCPMCP像增强器又称为平面型或薄片型像像增强器又称为平面型或薄片型像增强器。它是把增强器。它是把MCPMCP平行放置在光电阴极和荧光屏平行放置在光电阴极和荧光屏之间，三者相互靠得很近，故称双近贴式。

15、之间，三者相互靠得很近，故称双近贴式。v 这种结构的优缺点是：这种结构的优缺点是：体积小，重量轻体积小，重量轻；但分；但分辨率和像质差。辨率和像质差。一般光电阴极和一般光电阴极和MCP的间距的间距不大于不大于0.1mm，MCP与荧光屏与荧光屏之间的距离小于之间的距离小于0.5mm。由光。由光电阴极发射的光电子在电场的电阴极发射的光电子在电场的作用下，直接打在微通道板的作用下，直接打在微通道板的输入端，经输入端，经MCP电子倍增和电子倍增和加速后，达到荧光屏上，输出加速后，达到荧光屏上，输出图像。图像。v(2)(2)倒像式倒像式MCPMCP像增强器（静电聚焦式像增强器（静电聚焦式MCPMCP像像

16、增器增器）v 结构：结构：在单级第一代像增强器中，加上一块在单级第一代像增强器中，加上一块微通道板微通道板MCP，MCP与光电阴极之间是静电透镜，与光电阴极之间是静电透镜，与荧光屏之间是近贴均匀场。与荧光屏之间是近贴均匀场。v 这种结构的优缺点是：这种结构的优缺点是：分辨率高，像质好；分辨率高，像质好；但但噪声较大。噪声较大。三、三、第三代像增强器第三代像增强器 负电子亲和势像增强器负电子亲和势像增强器v第二代像增强器第二代像增强器+负电子亲和势光电阴极负电子亲和势光电阴极=第三代像增强器第三代像增强器v同时起到光谱变换和微光增强的作用同时起到光谱变换和微光增强的作用v优点：在可见光和近红外区

17、都有较高的灵敏优点：在可见光和近红外区都有较高的灵敏度和量子效率度和量子效率4.2 摄像管摄像管一、摄像管一、摄像管摄像管是摄像管是把按空间光强分布的光学图像记录并转换把按空间光强分布的光学图像记录并转换成视频成视频的成像装置的成像装置。即能够进行摄制图像、存贮即能够进行摄制图像、存贮和处理，和处理，光学图像光学图像转变成适于处理和传递的时间转变成适于处理和传递的时间序列的一维序列的一维电信号。电信号。v是电视摄像机中将光的图像转换成电视信号是电视摄像机中将光的图像转换成电视信号的专用电子束管，的专用电子束管，能够输出视频信号。能够输出视频信号。v是电视系统中实现是电视系统中实现光电转换光电转

18、换的关键部件，它的关键部件，它性能的好坏很大程度上决定着摄像机的质量性能的好坏很大程度上决定着摄像机的质量和寿命。和寿命。真空成像器件真空成像器件v1.外光电变换型（光电发射型）外光电变换型（光电发射型）微光摄像微光摄像 包括包括 二次电子摄像管二次电子摄像管 硅靶摄像管硅靶摄像管 特点：图像质量高，增益和灵敏度高特点：图像质量高，增益和灵敏度高v2.内光电变换型（光电导型）内光电变换型（光电导型）视像管视像管 按光电导靶结构分为按光电导靶结构分为 光电导（注入）型：硫化锑管光电导（注入）型：硫化锑管 PN结（阻挡）型：氧化铅管、硅靶管、结（阻挡）型：氧化铅管、硅靶管、异质结管异质结管 特点：

19、结构简单、体积小、使用方便特点：结构简单、体积小、使用方便二、摄像管的分类二、摄像管的分类（按光电变换的形式）：（按光电变换的形式）：光电发射型摄像管光电发射型摄像管视像管视像管 视像管基本结构视像管基本结构：光电靶光电靶 完成光电转换完成光电转换、信号信号存储存储 电子枪电子枪 完成信号扫描输出完成信号扫描输出三、摄像管的结构和工作原理三、摄像管的结构和工作原理1.图像传送方式图像传送方式任何一幅图像可以分割成许多小任何一幅图像可以分割成许多小像点像点(像像素素或或像元像元)。像素越小，单位面积上的像。像素越小，单位面积上的像素数目越多，图像就越清晰。把像点的素数目越多，图像就越清晰。把像点

20、的平均亮度作为像素的图像信息，然后经平均亮度作为像素的图像信息，然后经过光电转换元件变为电信号，再经过传过光电转换元件变为电信号，再经过传送出来。送出来。一幅图像约分成四十多万个像素，显然不一幅图像约分成四十多万个像素，显然不可能用四十多万条信道同时传送。实际上可能用四十多万条信道同时传送。实际上是把图像上各个像素的信息按一定顺序转是把图像上各个像素的信息按一定顺序转变成电信号，并依次传送出去。这样就可变成电信号，并依次传送出去。这样就可以把图像随空间、时间的变化转换成电信以把图像随空间、时间的变化转换成电信号随时间的变化。号随时间的变化。在电视中利用在电视中利用电子束扫描过程电子束扫描过程，

21、将图像亮，将图像亮度的空间分布转换为度的空间分布转换为按时间顺序传送按时间顺序传送的电的电信号。行扫描信号。行扫描水平扫描，场扫描水平扫描，场扫描垂直扫描。垂直扫描。电视的图像发送与接收系统中，图像的采集（摄像机）与图像显示器必需遵守同样的分割规则才能获得理想的图像传输。这个规则被称为电视制式。在我国电视制式在我国电视制式(PAL制式制式)中，一幅图像分中，一幅图像分成成625行，每秒传送行，每秒传送25幅图像，即帧频为幅图像，即帧频为25Hz，一帧分成两场，采用隔行扫描的方，一帧分成两场，采用隔行扫描的方式，第一场传送奇数行，第二场传送偶数式，第一场传送奇数行，第二场传送偶数行，场频行，场频

22、50Hz。2.从原理角度对摄像管的基本要求从原理角度对摄像管的基本要求:要能将图像按空间位置顺序划分成像素，要能将图像按空间位置顺序划分成像素，并作光电转换；并作光电转换；像素元素要多，尺寸要小（像素元素要多，尺寸要小（m）；）；信息的转换和传输速度要快；信息的转换和传输速度要快；要有高灵敏度和宽的动态范围；要有高灵敏度和宽的动态范围；可靠、方便。可靠、方便。v摄像管的摄像管的基本功能：基本功能：光电变换光电变换光电信息存储光电信息存储(以电荷的形式存储而呈现电位差）以电荷的形式存储而呈现电位差）信号阅读部分信号阅读部分扫描输出扫描输出v技术难点：技术难点：像元探测器的制作（数量多、尺寸小）像

23、元探测器的制作（数量多、尺寸小）连线连线扫描（快速顺序接通）扫描（快速顺序接通）v具体分为以下具体分为以下四个过程：四个过程：1.光学图像转变成电荷（电位）图像；光学图像转变成电荷（电位）图像；2.对电荷图像进行存贮和积累；对电荷图像进行存贮和积累；3.对电信号进行放大和增强；对电信号进行放大和增强；4.对存贮电荷图像的各个像素进行顺序扫描，对存贮电荷图像的各个像素进行顺序扫描，输出与输入信息成比例的一维电信号。输出与输入信息成比例的一维电信号。v4.2.1 光电导型摄像管光电导型摄像管（视象管）视象管）v视象管的结构：视象管的结构：光电导靶光电导靶和和电子束扫描电子束扫描 区区构成构成真空成

24、像器件真空成像器件各部分的作用：各部分的作用：（）（）光电导靶：光电导靶：v利用光电导效应将光学图像转化成电位图像利用光电导效应将光学图像转化成电位图像;v完成完成光电变换光电变换和光电信息的和光电信息的积累和储存积累和储存;光电光电导体导体信号板信号板V10V0物镜物镜电位图像电位图像厚度厚度20 m（）（）信号阅读部分：信号阅读部分：v从靶面取出信号的任务是由阅读部分来完成从靶面取出信号的任务是由阅读部分来完成的。阅读部分包括的。阅读部分包括电子束电子束发射系统发射系统（电子枪）（电子枪）和和电子束电子束聚焦扫描系统聚焦扫描系统。v电子束的产生电子束的产生：热阴极：热阴极v电子束的聚焦电子

25、束的聚焦：电聚焦和磁聚焦：电聚焦和磁聚焦v电子束的偏转电子束的偏转：电子束能够扫描到靶上任何：电子束能够扫描到靶上任何一处，充分阅读每一个像素信息。一处，充分阅读每一个像素信息。v电子束垂直上靶电子束垂直上靶：当电子束上靶与靶面上：当电子束上靶与靶面上积累的正电荷中和后才能使其转变成视频积累的正电荷中和后才能使其转变成视频信号输出，信号输出，那么电子束能否上靶，不仅与那么电子束能否上靶，不仅与电子的速度大小有关，而且与其速度的方电子的速度大小有关，而且与其速度的方向有关。由向有关。由靶网和调制电极附近的校正线网和调制电极附近的校正线圈来完成。圈来完成。v每个像素的光电流由每个像素的光电流由P流

26、向流向N,流过负载流过负载RL,产生负极性图像电压信号输出（产生负极性图像电压信号输出（视频信视频信号号），同时扫描电子束使），同时扫描电子束使P层扫描面的电位层扫描面的电位降至阴极电位。降至阴极电位。v原理：原理：当光学图像投射到光电导靶上时当光学图像投射到光电导靶上时,因各像因各像素照度不同素照度不同,则导致电导率的差异则导致电导率的差异,从而在靶从而在靶上产生电势的起伏上产生电势的起伏(电位图像电位图像)。随着光的连。随着光的连续入射，靶上的电势也随之积累，然后通过续入射，靶上的电势也随之积累，然后通过电子枪产生热电子，并使它聚焦成很细的电电子枪产生热电子，并使它聚焦成很细的电子射线，按

27、着一定的轨迹扫描靶面（相当于子射线，按着一定的轨迹扫描靶面（相当于开关换接作用），产生视频信号输出。开关换接作用），产生视频信号输出。v 利用扫描电子束，解决了多像元的连线和顺序接利用扫描电子束，解决了多像元的连线和顺序接 通问题。扫描电子束的焦斑即是像元的大小通问题。扫描电子束的焦斑即是像元的大小1525 m。v几点说明：几点说明：1.电荷存储：电荷存储：把一帧时间间隔内的光信息变为电把一帧时间间隔内的光信息变为电荷信息存储起来。荷信息存储起来。是摄像器件成为实用器件的是摄像器件成为实用器件的重要理论依据，提高了灵敏度。重要理论依据，提高了灵敏度。若用电子束直若用电子束直接扫描光电阴极，灵敏

28、度低，因为光电阴极无接扫描光电阴极，灵敏度低，因为光电阴极无光积分能力。光积分能力。2.慢电子扫描：慢电子扫描：指扫描电子束中的电子上靶时速指扫描电子束中的电子上靶时速度很慢，而不是指扫描速度很慢。度很慢，而不是指扫描速度很慢。因为当上靶因为当上靶的速度很大时，会使扫描面产生二次电子发射，的速度很大时，会使扫描面产生二次电子发射，会造成扫描面带正电，致使二次电子返回靶面，会造成扫描面带正电，致使二次电子返回靶面，落在相邻的像素上，使电势起伏降低，输出信落在相邻的像素上，使电势起伏降低，输出信号减弱，显示有阴影。号减弱，显示有阴影。v氧化铅靶摄象管氧化铅靶摄象管.几种常见的视象管：几种常见的视象

29、管：v具有具有PIN光电二极管结构。光电二极管结构。工作时工作时N层与靶压正极相层与靶压正极相连，光电二极管处于反连，光电二极管处于反向偏置，靶压几乎全加向偏置，靶压几乎全加在耗尽层（在耗尽层（I）上，在耗）上，在耗尽层内形成很强的电场。尽层内形成很强的电场。当耗尽层内出现光生载当耗尽层内出现光生载流子时，在强电场作用流子时，在强电场作用下它们几乎全部参与导下它们几乎全部参与导电，所以提高了光电转电，所以提高了光电转换效率。另一方面，由换效率。另一方面，由于处于反偏，使其暗电于处于反偏，使其暗电流明显下降。流明显下降。v优点：灵敏度高，暗电流小，光优点：灵敏度高，暗电流小，光电特性近似线性，惰

30、性小。电特性近似线性，惰性小。v缺点：材料和工艺异常复杂。缺点：材料和工艺异常复杂。v硅靶管硅靶管v当电子束扫描时当电子束扫描时PN结反偏置，有光照时光生电子通结反偏置，有光照时光生电子通过信号板入地，光生空穴积累到过信号板入地，光生空穴积累到P型岛。如果光照是型岛。如果光照是均匀的，靶的扫描面电位只是均匀地升高。如果光均匀的，靶的扫描面电位只是均匀地升高。如果光照不均匀，是一幅光学图象，则扫描面上各照不均匀，是一幅光学图象，则扫描面上各P型岛的型岛的电势分布，将正比于入射光学图象的亮度分布。电势分布，将正比于入射光学图象的亮度分布。扫描电子束具扫描电子束具有低的电位有低的电位v是大量微小光电

31、二极管的阵列。用极薄的是大量微小光电二极管的阵列。用极薄的N型硅片型硅片的一面经抛光、氧化而形成一层绝缘良好的的一面经抛光、氧化而形成一层绝缘良好的SiO2膜，用光刻技术在膜上刻出一个个圆孔，通过窗膜，用光刻技术在膜上刻出一个个圆孔，通过窗孔将硼扩散入硅基片，于是就形成一个个孔将硼扩散入硅基片，于是就形成一个个P型岛。型岛。每一个每一个P型岛与型岛与N型基片构成一个型基片构成一个PN结光电二极管，结光电二极管，而每个光电二极管被而每个光电二极管被SiO2膜隔开，形成一个单独膜隔开，形成一个单独的像素。这样的像素。这样N型硅片的一面为型硅片的一面为N+层，而另一面层，而另一面则为则为P型岛阵列，

32、构成硅靶。型岛阵列，构成硅靶。v优点：不易损坏、寿命长、灵敏度高，对近红外优点：不易损坏、寿命长、灵敏度高，对近红外 敏感、惰性小。敏感、惰性小。v缺点：靶面有斑点疵病（材料的缺陷、工艺缺点：靶面有斑点疵病（材料的缺陷、工艺 等）、分辨率不高，暗电流大。等）、分辨率不高，暗电流大。v4.2.2 光电发射型摄像管：光电发射型摄像管：v二次电子导电摄象管（二次电子导电摄象管（SEC）v SEC管是管是60年代初出现的一种高灵敏度摄象管，适于微年代初出现的一种高灵敏度摄象管，适于微光摄象。光摄象。真空成像器件真空成像器件v结构：光电阴极、移像区、存储靶、结构：光电阴极、移像区、存储靶、电子束扫描电子

33、束扫描v光电阴极：与真空光电管和光电倍增管所用光电阴极：与真空光电管和光电倍增管所用材料相同，决定了管子的光谱响应特性。材料相同，决定了管子的光谱响应特性。v移像区移像区（加速电场）加速电场）：把图像的光电转换和：把图像的光电转换和信号存储分开，目的在于增强光电子能量，信号存储分开，目的在于增强光电子能量，从而在靶上产生更多的电荷，以获得增益，从而在靶上产生更多的电荷，以获得增益，提高灵敏度。提高灵敏度。v二次电子传导靶二次电子传导靶：光照下发射电子：光照下发射电子v采用低密度的次级电子发射性能良好的材料组成。采用低密度的次级电子发射性能良好的材料组成。低密度（低密度（1-2%）纤维结构中）纤

34、维结构中98-99%的空间是真空，的空间是真空，次级电子逸出的较大。次级电子逸出的较大。疏松的疏松的KCl，低密度层，低密度层，1020 m成像面成像面扫描面扫描面扫描区扫描区移像区移像区靶靶Al2O3膜，支撑层，厚约膜，支撑层，厚约700埃埃Al膜，电信号板，膜，电信号板，200 700埃，加正电压埃，加正电压v低密层的工作原理：低密层的工作原理：低能电子束扫描低密度层，使表面为阴极电低能电子束扫描低密度层，使表面为阴极电位，这样在低密度层中建立了电场。入射的光电位，这样在低密度层中建立了电场。入射的光电子以子以6 10K的能量轰击靶面，在透过支撑层和信的能量轰击靶面，在透过支撑层和信号板时

35、将损失号板时将损失2Kev能量，其余的能量用以激发能量，其余的能量用以激发KCl中的电子。中的电子。扫描区扫描区移像区移像区靶靶信号板信号板+qpqnqrqs-+电子束电子束v设入射的光电子电荷为设入射的光电子电荷为qp，在光电子激发下，在光电子激发下释放出的自由二次电子电荷为释放出的自由二次电子电荷为qn，其中，其中qs电电荷被信号板所收集，有荷被信号板所收集，有qr电荷将在到达信号电荷将在到达信号板前与发射的二次电子所产生的正电荷中心板前与发射的二次电子所产生的正电荷中心相复合。所以到达信号板的总电荷相复合。所以到达信号板的总电荷qs=qn-qr。到达信号板的电子将引起靶的局部放电，所到达

36、信号板的电子将引起靶的局部放电，所以当移像部分把光图像成像于靶上时，在以当移像部分把光图像成像于靶上时，在KCl层的右侧留下与之对应的正电荷图像。层的右侧留下与之对应的正电荷图像。v因为因为KCl膜的电阻率很高，正离子的迁移速膜的电阻率很高，正离子的迁移速度很小，所以图像可以维持很长时间，直到度很小，所以图像可以维持很长时间，直到扫描电子束将其抹平，使之恢复阴极电位，扫描电子束将其抹平，使之恢复阴极电位，同时产生的信号电流由信号板输出，在负载同时产生的信号电流由信号板输出，在负载电阻上产生视频电压信号。电阻上产生视频电压信号。v总结：总结：二次电子在靶电场作用下流向信号板，二次电子在靶电场作用

37、下流向信号板，而在靶上留下一个正电荷图像，被扫描时经而在靶上留下一个正电荷图像，被扫描时经电子束补充恢复到阴极电位，而在外电路产电子束补充恢复到阴极电位，而在外电路产生脉冲电流，形成图像的视频信号。生脉冲电流，形成图像的视频信号。v信号读出方式：信号读出方式：直接读出方式：电子束直接上靶而取得信号。直接读出方式：电子束直接上靶而取得信号。返束读取方式：电子束接触到靶面时，对于返束读取方式：电子束接触到靶面时，对于电势高的像素，上靶的电子多，返回的电子电势高的像素，上靶的电子多，返回的电子少，这样返回的电子就荷载了图像信息。少，这样返回的电子就荷载了图像信息。散射电子束读取方式：散射电流的大小与

38、像散射电子束读取方式：散射电流的大小与像素电势高低成正比。素电势高低成正比。v硅增强靶摄象管（硅增强靶摄象管（SIT）v像增强器像增强器+普通硅靶普通硅靶=增强型硅靶增强型硅靶4.2.3 摄像管的主要特性参数摄像管的主要特性参数v衡量摄像管优劣的总标准是：在测试台的监视器上能否分辨一定的标准测试图案。v图案的清晰程度是由许多因素决定的。为了分析和研究各种因素对像质的影响，必须规定出具体的特性参数。v摄像管的最主要特性参数是：灵敏度、惰性、分辨力和光电转换特性等。v其中灵敏度和惰性主要决定于靶面，分辨力主要决定于扫描电子枪。1.灵敏度灵敏度：S S 定义：在定义：在2856K色温标准光源单位输入

39、光通色温标准光源单位输入光通量量(lm)或单位辐射通量或单位辐射通量(W)照射下，器件所照射下，器件所产生的输出信号电流。产生的输出信号电流。工程实践中：工程实践中：常用能产生正常图象所需的摄像管输入面常用能产生正常图象所需的摄像管输入面最低光照度最低光照度Lmin来表征器件的灵敏度。显来表征器件的灵敏度。显然，然，Lmin越小，说明该摄像管越灵敏。越小，说明该摄像管越灵敏。)/(10/6lmAIsS)/(10min/6lmALIsS2.光电转换特性光电转换特性:摄像器件输出的光电流与入射的光照度之间的函数关摄像器件输出的光电流与入射的光照度之间的函数关系。通常表示为：系。通常表示为：=1=1

40、 图像灰度均匀图像灰度均匀1 1 灰度畸变，但低照度灵敏度灰度畸变，但低照度灵敏度 增加高照度下的光电特性呈一增加高照度下的光电特性呈一 定的饱和状态定的饱和状态1 1 输入图像的对比度增加输入图像的对比度增加 又称为灰度系数又称为灰度系数IpE0 1 =1 1ikEi 3.分辨率分辨率：图像中明暗细节的鉴别能力。：图像中明暗细节的鉴别能力。通常有两种表示方式通常有两种表示方式:（1）极限分辨率）极限分辨率（2）调制传递函数）调制传递函数(MTF)v（1 1）分辨率）分辨率(Resolution)(Resolution)又称分辨力、鉴别率、鉴别力、分析力、解像又称分辨力、鉴别率、鉴别力、分析力

41、、解像力和分辨本领，是指摄影镜头清晰地再现被摄景物纤微细节的能力。力和分辨本领，是指摄影镜头清晰地再现被摄景物纤微细节的能力。v显然分辨率越高的镜头，所拍摄的影像越清晰细腻。它的单位是显然分辨率越高的镜头，所拍摄的影像越清晰细腻。它的单位是“线对线对/毫米毫米”。v它的优点是可以量化，用数据表示，使结果更直观它的优点是可以量化，用数据表示，使结果更直观 。v分辨力是以人眼做为接收器，所判定的极限分辨能力。通常用光电成像在分辨力是以人眼做为接收器，所判定的极限分辨能力。通常用光电成像在一定距离内能分辨的等宽黑白条纹数来表示。一定距离内能分辨的等宽黑白条纹数来表示。v对于直视型光电成像器件，则取输

42、入像面上每毫米所能分辨的等宽黑白条对于直视型光电成像器件，则取输入像面上每毫米所能分辨的等宽黑白条纹数表示分辨力。纹数表示分辨力。v极限分辨率表示法很简单，但有很大的主观性。极限分辨率表示法很简单，但有很大的主观性。v同时，极限分辨率也不能反映摄像系统各部分对分辨率的影响。同时，极限分辨率也不能反映摄像系统各部分对分辨率的影响。（2）光学传递函数）光学传递函数 当光电成像过程满足线性及时间，空间不变性的成像条件时，则可以将当光电成像过程满足线性及时间，空间不变性的成像条件时，则可以将它的输入图像分布函数及输出图像分布函数变换为频谱函数来进行分析。它的输入图像分布函数及输出图像分布函数变换为频谱

43、函数来进行分析。A、它的定义是：输出图像频谱与输入图像频谱之比的函数。、它的定义是：输出图像频谱与输入图像频谱之比的函数。光学传递函数又可以用来分析光学传递函数又可以用来分析多环节线性串联多环节线性串联的光电成像特性。的光电成像特性。B、光学传递函数组成、光学传递函数组成v光学传递函数由调制传递函数和相位传递函数两部分。v由于目前测试相位传递函数的仪器种类较少，测量精度也不高，且相位传递过程对影像的影响较小，所以，目前在国内外研究摄影镜头的成像质量时，都不考虑相位传递函数的影响，只研究调制传递函数。v调制传递函数的英文缩写为MTF(Modulation Transfer Function)，也

44、叫模量传递函数。v当复合系统由当复合系统由n个线性成像环节串联构成个线性成像环节串联构成，则线性，则线性复合成像系统的：调制传递函数为各环节调制传递复合成像系统的：调制传递函数为各环节调制传递函数的函数的乘积乘积。相位传递函数为各环节位相传递函数。相位传递函数为各环节位相传递函数的的代数和代数和。v什么是空间频率？什么是空间频率？v在讲清在讲清MTF曲线随空间频率的变化关系以前，我们曲线随空间频率的变化关系以前，我们先来弄明白什么叫先来弄明白什么叫“空间频率空间频率”。空间频率空间频率(Spatial Frequency)的概念与分辨率的概念非常的概念与分辨率的概念非常相似，相似，v单位都是单

45、位都是“线对线对/毫米毫米”(lp/mm)。v空间频率空间频率 定义为周期量在单位空间上变化的周期数。定义为周期量在单位空间上变化的周期数。v空间频率用一种叫空间频率用一种叫“光栅光栅”的标板测试，它的标板测试，它的线条是从黑到白逐渐过渡的，而且线条的的线条是从黑到白逐渐过渡的，而且线条的间距和宽度也是由稀至密，从宽到窄逐渐过间距和宽度也是由稀至密，从宽到窄逐渐过渡。渡。v“MTF测试使用的是黑白逐渐过渡的线条测试使用的是黑白逐渐过渡的线条标板，通过镜头进行投影。被测量的结果标板，通过镜头进行投影。被测量的结果是反差的还原情况。如果所得影像的反差是反差的还原情况。如果所得影像的反差和测试标板完

46、全一样，其和测试标板完全一样，其MTF值为值为100%。这是理想中的最佳镜头，实际上是不存在这是理想中的最佳镜头，实际上是不存在的；的；v如果反差为一半，则如果反差为一半，则MTF值为值为50%。v数值数值0值代表反差完全丧失，黑白线条被值代表反差完全丧失，黑白线条被还原为单一的灰色；还原为单一的灰色；MTF值与空间频率的关系曲线值与空间频率的关系曲线（调制传递函数曲线）最典型的最典型的MTF曲线，即以空间频率做横轴的曲线，即以空间频率做横轴的MTF曲线，曲线，如如 图：图：vMTF曲线即描述了影像对比度与分辨率的曲线即描述了影像对比度与分辨率的关系。关系。v在广播电视中，要求摄像管在在广播电

47、视中，要求摄像管在400线时的线时的MTF值为值为35%45%。一般将。一般将MTF值为值为10%时对应的线数规定为摄像管的极限分辨率。时对应的线数规定为摄像管的极限分辨率。vMTF曲线为客观分辨率描述法。曲线为客观分辨率描述法。v4.惰性惰性：v 摄像器件的惰性是指输出信号的变化相对摄像器件的惰性是指输出信号的变化相对于光照的变化有一定的滞后。于光照的变化有一定的滞后。当输入照度增加时，输出信号的滞后称为当输入照度增加时，输出信号的滞后称为上升惰性。上升惰性。当输入照度减小时，输出信号的滞后称为当输入照度减小时，输出信号的滞后称为衰减惰性。衰减惰性。v摄像管产生惰性的主要原因有两个：摄像管产

48、生惰性的主要原因有两个：一一是图像写入时的光电导惰性；是图像写入时的光电导惰性；二二是图像读出时扫描电子束的等效电阻与靶是图像读出时扫描电子束的等效电阻与靶的等效电容所构成的充放电惰性。的等效电容所构成的充放电惰性。v5.视频信噪比视频信噪比：v信噪比是评定像管成像质量的综合指标。信噪比是评定像管成像质量的综合指标。v摄像器件的视频信噪比摄像器件的视频信噪比S/N的定义为输出视频信号的定义为输出视频信号值与同频带下噪声电平的均方根之比。值与同频带下噪声电平的均方根之比。工程上用工程上用dB数表示数表示 S/N=20lgSm/Id Sm为最大输出信号为最大输出信号 Id为背景信号为背景信号+噪声

49、值噪声值v6.动态范围动态范围：最高入射照度与最低入射照度之比。：最高入射照度与最低入射照度之比。v除以上评价摄像管性能的参数外，还有暗电流、除以上评价摄像管性能的参数外，还有暗电流、畸变、晕光、寿命、机械强度等参数。畸变、晕光、寿命、机械强度等参数。v 摄像管的发展方向摄像管的发展方向 在今后一段时间内，摄像器件主要朝在今后一段时间内，摄像器件主要朝着着高灵敏、高分辨率、低功耗、低成本和高灵敏、高分辨率、低功耗、低成本和小型化小型化方向发展。要实现上述功能，采用方向发展。要实现上述功能，采用CMOS工艺是关键。工艺是关键。v固体成像器件：固体成像器件：CCD（电荷耦合器件）、（电荷耦合器件）

50、、SSPD（自扫描光电二极管列阵）、（自扫描光电二极管列阵）、CMOS（互补性金属氧化物半导体元件（互补性金属氧化物半导体元件）vCCD有有面阵面阵和和线阵线阵之分：之分：面阵是把面阵是把CCD像素排成像素排成1个平面的器件；个平面的器件；线阵是把线阵是把CCD像素排成像素排成1直线的器件。直线的器件。4.3 固体成像器件固体成像器件4.3.1 电荷耦合器件电荷耦合器件vCharge-Coupled Devices(CCD)，是一种，是一种金属金属-氧化物氧化物-半导体结构（半导体结构（MOS结构），结构），1970年由贝尔实验室首先研制出来。年由贝尔实验室首先研制出来。v它使用一种高感光度的