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1、,发展,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。,1947年制成超正析像管，使最低照度的要求降低到2000lx。,1954年灵敏度较高的视像管投入市场。视像管成本低，体积小，结构简单，灵敏度和分辨率都很高，但是在低照度情况下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；工业电视等方面。,晴天室外照度,阴天室外照度,发展,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。氧化铅管结
2、构简单，体积小，灵敏度很高分辨高，惯性小，它使彩色电视广播摄像机的发展产生了一个飞跃。,1976年前后，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管和硅靶管。,1970年美国贝尔电话实验室发表了电荷耦合器件(CCD)原理以来，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。CCD摄像器件的体积更小，灵敏度更高，应用更灵活、更方便，CCD摄像器件采用自扫描输出方式，排除了电子枪扫描带来的光电转换的非线性失真。,光电成像器件的应用领域很广，如，电视技术、夜视技术、工件的图象测量、精密零件的微小尺寸测量、产品外观检测、应力应变场分析、机器人视觉（自动扫描、定位、跟踪、识别和控制）、交通
3、管理与指挥等。,、,光电成像器件分类,光电成象器件,扫描型,非扫描型,热释电型,P143,P200,（一）分类,能够输出视频信号的一类真空光电管称为摄象管。按结构分，常把有移象区的摄象管称为光电发射式摄象管，它的光电变换部分和光信息存储部分是由两部分来完成的，彼此分离，总称为移象区。,一、摄像管,1.外光电变换型（光电发射型）,1.外光电变换型,超正析管、分流管、二次电子导电摄象管和硅靶电子倍增管等。超正析管的灵敏度高，惰性极小，图象质量较好，由于结构复杂，体积大，笨重，成品率低，现已被氧化铅摄象管所代替。分流管、二次电子导电摄象管以及硅靶电子倍增管同属微光摄象管，其增益和灵敏度很高，可工作在
4、较低亮度的场合。,2. 内光电变换型（光电导型）,把没有移象区的摄象管称为光电导式摄象管或视象管，它的两部分功能全由一个靶来完成。,电子枪部分二者基本相同。这两类管子比较，光电发射式摄象管历史最早，信号质量也最高，但体积大，结构复杂，调整麻烦，所以目前除特殊场合（微光摄象领域）外一般用得较少。光电导式摄象管比前者体积小，结构简单，信号质量有的也接近于前者，所以电视领域中用得较为普遍。,2. 内光电变换型（视像管）,利用内光电效应进行光电转换的摄象管，统称为视象管，属于这类的摄象管，按光导靶的结构又可分为光电导(注入)型、pn结(阻挡)型两种，光电导型采用光电导材料，如硫化锑(sb2S3)管，p
5、n结型管有氧化铅(PbO)管、硅靶管和异质结靶管等等，视象管的特点是：结构简单、体积小、使用方便，在工业电视中被广泛应用。,（二）基本原理,摄象管的工作原理是：先将输入的光学图象转换成电荷图象，然后通过电荷的 积累和储存构成电位图象，最后通过电子束扫描把电位图象读出，形成视频信号输出。,摄象管具有三个基本功能：光电变换、光电信息的积累、储存及扫描输出。当被摄景物的光学图象通过物镜投射到摄象管上时，由于摄象管受照面的材料具有光导或光电发射作用，在摄象管的靶面上(或光电阴极面上)就建立起与入射照度分布相对应的电位起伏，这就完成了光电变换的功能，从电子枪发射出来的电子束依次沿着靶面扫描，扫描线经过某
6、一点(称为象素)的时间只占扫描整个光敏面所需周期的极小部分(0.062s)，为了提高检测灵敏度，每个象素在扫描周期内应不间断地对转换后的电量进行积累，这时靶又起到了积累存储光电信息的功能，当电子束依次沿着靶面扫描，将靶面的电位起伏顺序地转变成视频信号输出，就完成了扫描输出的功能。,(三)、主要参数,1光电特性,摄象管输出的光电流与入射的光照度之间的函数关系常表示为,由图可见，在光电转换特性中最重要的参量是。1表示Ip与E成正比例关系，这时，电视信号的灰度等级均匀。1，电视信号有均匀的灰度畸变，但此时在低照度下的灵敏度有相对的增加，高照度下的光电特性呈一定的饱和状态。1有利于提高暗场时的信噪比，
7、l有利于扩展动态范围，1是不适用的。,Ip=kE,Ip：光电流 E：照度 ：光照指数 k：比例系数,分辨率,摄象管的分辨率是指摄象管对于光学图象细节的鉴别能力。一般有两种表示法：,在最佳照度下，使高对比度的黑白相间条形图案投射到摄象管的光敏面上，然后在监视器上去观察可分辨的最高空间频率数。在电视中，通常是指在光栅高度范围内可分辨的最多电视行数（TVL/H）。有时也采用“线对/mm”的单位，它等于可分辨的电视行数一半除以靶的有效高度（mm）。例如25mm的视象管，靶面的有效高度约为10mm，若可分辨的最多电现行数为400时，相当于20线对/mm。按这种方法表示的分辨率称为极限分辨率。,电视分辨率
8、图,1）极限分辨率,2）调制传递函数（MTF）,调制传递函数（MTF）的定义是，输出调制度Mo与输入调制度Mi之比的百分数,MTF=Mo/Mi100%=(A-B)/(A+B)100%,调制度是无线电学中的概念，引用到光学中来可以说它是对比度。M的定义是，光信息的最大值A与光信息最小值B之差，对A、B和的百分比。 图象在传送过程中，调制度M是随空间频率的增大而减小的。如果把调制度的损失程度以百分数表示（以零频时的调制度为100%），则调制度与空间频率的关系曲线，就是调制传递函数。MTF能够用仪器测量，因此它能客观地反映摄象管的分辨力。,视象管的结构：,（四）、光电导摄象管（视象管）,视象管的基本
9、结构包括两大部分：光电靶和电子枪。光电靶由光窗、信号极和靶组成，靶面的光敏层可进行光电转换，它的轴向电阻小，横向电阻大，有利于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、靶网电极和管外的聚焦线圈、偏转线圈、校正线圈等，它的作用是产生电子，并使它聚焦成很细的电子射线，按着一定的轨迹扫描靶面。,各部分的作用：,（1）光学物镜：把景物所反射的光成像到靶面上,（2）光电阴极：光电转换,（3）电子枪：产生热电子，并使它聚焦成很细的电子射线，按着一定的轨迹扫描靶面。,几种常见的视象管： （）硅靶摄象管,硅靶摄象管窗口玻璃内表面涂有一层
10、很薄的既可透光也可导电的金属膜，在它上面接有引线可同负载相连，称为信号板。挨着信号板的是一块N型硅片（硅靶）。硅片朝着电子枪一边的表面，先生成一层氧化层（SiO2），接着利用光刻技术在SiO2上光刻成几十万个小孔，再通过掺杂使每个小孔都变成P-Si。这样，许多个小的P-Si被SiO2隔离，故称为P型岛。每个P型岛与N型衬底之间即形成一个PN结（光电二极管）。最后再在SiO2和P型岛表面上蒸涂上一层电阻率适当的材料，即成为硅靶。,硅靶的光电变换,硅靶的光电变换过程是，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电位。当电子束扫描到每个P型岛时，P型岛的PN
11、结即被反偏置，结电容被充电到靶电源电压。无光照时，由于PN结有反向漏电流（暗电流），在负载电阻上要产生少量的电压降，靶的两边成象面（信号板一边的靶面）和扫描面（朝着电子枪一边的靶面）之间的电压，略低于靶电源电压。有光照时，光进入到每个PN结区将产生电子空穴对，它们被结的内电场分离以后，光生的电子通过信号板等外电路入地，光生的空穴则被积累于P型岛上。如果光照是均匀的，靶的扫描面电位只是均匀地升高。如果光照不均匀，是一幅光学图象，则扫描面上各P型岛的电势分布，将正比于入射光学图象的亮度分布，亮度高的点，所对应的P型岛的电势也高。,硅靶摄象管产生视频信号的过程：,扫描电子束按一定的制式去扫描靶面。例
12、如先从左上角开始，从左向右扫，然后再一行挨着一行地从上向下扫，当扫到最右下角时，再返回到左上角，接着扫下一帧。这相当于用一条软导线，按着一定的次序去接通每个P型岛。当电子束与每个P型岛接触时，上靶电子数的多少，正比于各P型岛电势的高低。因此，在输出回路（靶-负载电阻-电源-热阴极-靶）中即产生与之对应的电子流，在负载电阻上即得到与之对应的视频电压信号。与此同时，被扫到的P型岛，即被拉回到地的电位，为下一帧光积分作准备。当下一帧再扫到它时，它就可以把一个帧周期时间内积累起的信息电荷，瞬时地放出来，就这样反复下去，即可得到与光学图象亮度分布相对应的时序视频信号。,硅靶的特点,1）抗烧伤性 耐强光、
13、耐高温是硅靶的突出特点，曾作过这样的实验，用f:1.5镜头使硅靶直接承受正午的阳光直射而未见损坏；硅靶还能够经得起400高温的烘烤。硅靶管的寿命主要决定于电子枪，一般都可以工作1500小时以上。,2）光谱特性及灵敏度 光谱特性主要决定于材料，硅靶的光谱响应范围为0.41.1m，峰值波长在0.650.85m。对于色温2856K的标准光源，积分灵敏度为4350A/lm，若滤去红外光，则为1100A/lm。,（）氧化铅靶摄象管,PbO靶摄象管的结构和工作过程都与硅靶管类似，所不同的是，它的靶是由PbO材料制成的。,窗口玻璃内壁是一层金属膜作为信号板，接着就是PbO靶，靶的成象面一边为N-PbO，扫描
14、面一边为P-PbO，两者之间夹着一层（相对）很厚的本征氧化铅I-PbO，因而具有PIN结构。工作时，信号板通过负载和靶电源的正极相接，电子枪的阴极接地，当扫描电子束扫描靶面时，相当于对PIN进行反偏置。靶电源电压约45V左右。PbO靶也有光信息的存储功能，它的轴向电阻较小，横向电阻很大，扫描面上的电势起伏可保持较长时间不变。,PbO管的特点：,PbO管是目前广播电视和彩色电视中用得较多的一种摄象管。 1）灵敏度 灵敏度较高，可达400A/lm。因本征层电阻率高，能承受强电场，所加的反向电压几乎全降落在本征层上。光生载流子在强电场中漂移速度很大，渡越时间极短，因此复合率小，故光生载流子几乎全都能
15、构成信号电流。,2）暗电流 暗电流小，低于1nA。PI结与IN结的势垒在反偏压下阻挡了多数载流子的注入，暗电流仅限于I层的热生载流子，并且I层的电阻又很大，故暗电流极小，而且靶压增高时，暗电流有饱和现象。,（3）碲化锌镉ZnCdTe靶摄象管,碲化锌镉靶摄象管（又称Newvicon管）的灵敏度很高，可在星光下获得可用的图象，多用于微光电视。整管的结构和工作过程也与硅靶管类似，只是靶材料不同。 Newvicon管采用-族化合物半导体异质结蒸发靶。化学成分为碲化锌镉ZnxCd1-xTe。,窗口玻璃内壁涂有一层SnO2薄膜为信号板，接着就是靶。,靶有三层结构，第一层为ZnSe，属于N型半导体，厚501
16、00nm。,第二层为碲化锌和碲化镉的溶体（ZnxCd1-xTe），属于P型半导体，厚35m,第三层是无定形三硫化二锑Sb2O3，厚100nm。,第一层与第二层之间形成异质结。第二层与第三层之间不形成结。,第一层ZnSe无光电效应，它的作用是增强对短波光的吸收，提高整个可见光区的灵敏度，另外它还可以阻止光生空穴向成象面一边扩散，有提高灵敏度，减小暗电流的作用。,光电效应主要发生在第二层，x值的大小对灵敏度、暗电流和光谱特性都有较大的影响，x值小，灵敏度高，体内暗电流增大，光谱特性的峰值波长向长波方面移动。第三层的作用是减小扫描电子束的电子注入效应（图象上的浮雕现象），减小暗电流和惰 性。,特点,Newvicon管的特点是，在可见光范围内灵敏度比硅靶管高，约为硅靶管的1.52倍，晕光现象比硅靶管少，工艺简单，成本低，但在红外灵敏度，抗烧伤性和惰性等方面都不如硅靶管好。靶电压为1025V。Newvicon管适于在低照度下监视，X射线电视摄象及显微电视摄象等方面应用。,（4）各种视象管的特性比较 为比较常用的几种视象管的特性，摘录了下列的数
