光电成像器件

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1、半主动激光制导,光电探测器： 单元器件 “点源”探测，跟踪制导等,光电成像器件：阵列器件 “面源”探测，目标识别等,成像制导攻击目标,光电成像器件,微光夜瞄镜,微光夜视眼镜,热像仪,早在1934年就成功地研制出光电摄像管（Iconoscope），用于室内外的广播电视摄像。但是，它的灵敏度很低，信噪比很低，需要高于10 000lx的照度才能获得较为清晰的图像。使它的应用受到限制。 1947年制出的超正析像管（Imaige Orthico），灵敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2 000lx以上。,光电成像器件发展历史,1954年投放市场的高灵敏视像管（Vidicon）基本具有了成本低，体积小，结

2、构简单的特点，使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展。,1965年推出的氧化铅视像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，发展了彩色电视摄像机，使彩色广播电视摄像机的发展产生一次飞跃。诞生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色摄像机。然而，氧化铅视像管抗强光的能力低，余辉效应影响了它的采样速率。 1976年，又相继研制出灵敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）。不断满足人们对图像传感器日益增长的需要。 1970年，美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件（CCD）的原理使图像传感器的发展进入了一个全新的阶段。CCD图像传感器目前已经成

3、为图像传感器的主流产品。CCD图像传感器的应用研究成为当今高新技术的主流课题。,光电成像器件是一类能够输出图像信息（图像或视频信号）的功能器件，也称光电图像传感器 。,Photoelectronic Imaging Devices,光电成像器件,摄像型：,直视型：,像 管,变像管,像增强管,电真空摄像管,固体摄像器件,摄像管,第7章 光电成像器件,第7章 光电成像器件,第7章 光电成像器件,夜视仪,输出图像信号：,直视型光电成像器件,输出视频信号：,摄像型光电成像器件,摄像头,第7章 光电成像器件,7.1 像管（变像管和像增强器）,7.2 电真空摄像管,7.3 固体成像器件,第7章 光电成像器

4、件,7.1.1像管基本结构原理,7.1.2变 像 管,7.1.3像 增 强 器,第7章 光电成像器件,三个基本部分：,光电变换部分,电子光学部分,电光变换部分,7.1.1像管基本结构原理,光电阴极 对红外光敏感的银氧铯红外光电阴极 对可见光敏感的单碱和多碱光电阴极 对紫外光敏感的各种紫外光电阴极 负电子亲和势(NEA)光电阴极像管中常用的光电阴极是透射式，因此光电阴极应是透明的，可选择透明的基底材料来实现。,电子光学系统静电系统：靠静电场的加速和聚焦来实现复合系统：靠静电场的加速和磁场的聚焦作用来实现,荧光屏 要求：高的转换率，发射谱同人眼或与之耦合的下级光电阴极的光谱响应一致。,2）静电聚焦

5、电子光学系统 双圆筒电极系统和双球面电极系统 其电场为轴对称的静电场，光电子在极间受到会聚和加速作用。,1）非聚焦型电子光学系统 光电阴极与荧光屏为两平行电极并加电压，形成平行电场，对电子只有加速作用，分辨率低。,3）复合聚焦电子光学系统 由纵向加速电场和静磁场产生的磁透镜组成，对电子除了有加速作用，还有聚焦成像作用。,复合聚焦系统优点： a)聚焦作用强，易于调节聚焦能力； b)轴上点和轴外点有相同的成像质量，边缘像质好； c)象差小，鉴别率较高。 缺点：设备尺寸、重量增大，结构复杂。,由于复合系统结构笨重，目前多用静电系统,7.1.2变像管,变像管 不可见光图像 可见光图像,红外夜视仪,变像

6、管,红外变像管：波长小1.15m的红外光，光电阴极多为S-1 型Ag-O-Cs阴极 波长大于1.15m的红外光，采用负电子亲 和势阴极,紫外变象管：窗口材料,像增强器 亮度低图像 亮度高图像,微光夜瞄镜,7.1.3像增强器,7.1.3像增强器,1、级联式图像增强器,2、微通道板式图象增强器,像增强管：将微弱辐射图象转换成可见光图象的器件。阴极材料：由入射光波长范围决定，通常采用单碱多 碱光电阴极。主要考虑：大的增益系数，获得高亮度增益的方式有 级联和使用电子倍增器两种。,1、级联式图像增强器,三级级联像增强器结构示意图,亮度增益可达105体积大、重量重、防强光能力差。,（第一代象增强器）,级间

7、耦合：光纤面板需考虑：前级荧光屏与后级光电阴极的匹配、最后一级荧光屏与人眼视见函数的匹配,2、微通道板式图象增强器,结构原理：,Micro Channel Plate，简称MCP,（第二代象增强器）,2、微通道板式图象增强器,优点：没有电子光学系统，整管可以做得很短,（第二代象增强器）,3、 负电子亲和势（NEA）,第四代像增强器,在第三代像增强器的基础上，通过进一步改进微通道板的性能，或者利用门控电源技术，提高像增强器的分辨率、信噪比等性能参数。它们分别属于超三代和第四代像增强器。,军事：武器瞄准、飞行员夜视镜；民用：公安部门缉私、缉毒、警侦、追捕； 边境边防安全监控； 金融、商贸、文物、机

8、要、枪支弹药库、危险物品库等重要场所安全监控；,7.1.4像管的应用,1. 主动红外夜视仪,7.1.4像管的应用,2. 微光夜视仪（105lx）,7.1.4像管的应用,美军微光夜视器材,微光夜瞄镜,手持式观察镜,微光夜视眼镜,我军微光夜视器材,装有微光瞄准镜的新5.8毫米班用机枪,微光夜视仪的观察效果,可见的目标图像,不易见的目标图像,右上小图为自然光下观察到的情况，大图为热成像观察到的图象，从中可以看到掩蔽在树丛中的人员。热成像仪使依靠自然伪装的保护完全失效）,第7章 光电成像器件,输出图像信号：,直视型光电成像器件,变像管,像增强管,输出视频信号：,摄像型光电成像器件,摄像头,第7章 光电

9、成像器件,摄像头,7.2 电真空摄像管,二维光学图像,一维时序电信号,还原二维光学图像,例：电视监控系统,传输和接收规则电视制式,按照电视制式输出的一维时序电信号称为视频信号,摄像是将空间分布的光学图像信号转换为一维时间变化的视频信号的过程，完成这一过程的功能器件称为摄像器件。,7.2 电真空摄像管,7.2.1电视制式,7.2.2电真空摄像管的结构原理,7.2.1电视制式,1. 扫 描,2. 视频信号,3. 我国电视标准,光电成像原理,光学成像：光学物镜将景物所反射出来的光成像到光电成像器件的像敏面上形成二维光学图像。,光电变换：光学成像器件将二维光学图像转变成二维“电气”图像的工作。,光电成

10、像原理,图像分割：“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，图像愈清晰，图像质量愈高。这就是图像分割。,景物光学成像光电变换图像分割同步扫描视频信号 摄 像 部 分 ,光电成像原理,同步扫描：按着一定的规律将所分割的电气图像转变成一维时序信号，即将电气图像从左向右，又从上向下的规律输出即为扫描。,视频信号：由于监视器的显象管几乎都是利用电子束扫描荧光屏，便可在显象管上获得可供观察的图像。,1. 扫 描,光电图像,将光电图像分

11、割为很多细小的单元，称为像素,图像的分割与象素,1. 扫 描,电信号,光电图像,按一定规律依次将图像中的每一像素的电（电荷）信号读出的过程，称为扫描。,图像的分割与象素,一帧：,一行：从左向右的扫描称为行扫描,扫描点从起始点出发再次回到该点，输出的全部图像信息称为一帧。,1. 扫 描, 行、帧,一场：从上向下的扫描称为场扫描,正程和逆程,1. 扫 描,隔行扫描方式,逐行扫描方式,1. 扫 描, 两种扫描方式,逐行扫描方式,根据人眼视觉时间特性，无闪烁显示活动图象要高于48次/秒刷新速率,帧频：50Hz,行数：625,行频：,降低行频,闪烁感,隔行扫描方式,1. 扫 描, 两种扫描方式,隔行扫描

12、方式,一帧分为两场,奇数场,偶数场,1,3,5,2,4,6,隔行扫描方式,根据视觉时间特性，无闪烁地显示活动图象要高于48次/秒的刷新速率,场频： 50Hz,帧频：25Hz,无闪烁,降低行频,隔行扫描方式,逐行扫描方式,高清晰成像测量系统,工业民用电视系统,1. 扫 描, 两种扫描方式,3. 我国电视标准,我国电视标准采用PAL制：场频fv=50Hz，帧频fZ=25Hz；隔行扫描，每帧625行；场周期TV=20ms；行周期TH=64s；视频信号带宽BW=6MHz,PAL德国,NTSC美国,一、电视制式小结,1. 扫 描,3. 我国电视标准,隔行扫描,场频50Hz,逐行扫描 隔行扫描,行 帧 场

13、,625行/帧,正程 逆程,PAL制,2. 视频信号,信息信号,同步脉冲,消隐脉冲,7.2.2 电真空摄像管结构原理,光电转换,信号存储,扫描输出,光电导式/热释电摄像管,1.三个基本功能,光像,电子枪,利用电子枪发射出来的电子束依次扫描靶面各像素，将靶面的电荷（或电势）图像有序地转变成视频信号输出，这就完成了扫描输出的功能。,a) 光电发射式摄象管 b) 光电导式摄象管,2分类：,1）光电发射体：光电阴极 光照下光电阴极产生与光通量成正比的光电子流，既可利用光电子流进行放大处理作为信号输出；也可以利用以光电子发射而提高的光电阴极电位作输出。,（1）、光电变换部分,2）光电导体 光照时靶的电导

14、率升高，正电荷顺电场方向移动而积累，电位升高，升高量与光照相对应。,3工作原理：,光电子发射,导体内有电流,移走的电子数或留下的正电荷数,发射的电子数或留下的正电荷数,信号,光电转换介质,变换方式,（1）、光电变换部分,1）电子发射积累型,（2）、电荷存储（或电荷积累）,光电阴极发射的光电子，在加速电场和磁场的作用下，打到SEC靶上，产生二次电子发射。于是在靶的扫描面即形成与之对应的电势起伏，从而使光电阴极上的光学图象转移到SEC靶，变为靶扫描面上的电势分布图象。靶的二次电子发射系数越大，移象后靶上的电势起伏也就越大。,二次电子导电型（SEC）,硅增强靶（SIT）,从光电阴极发射出来的电子，在高的电压作用下去轰击硅靶，使靶内产生电子空穴对，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。,2）光电导靶（视象管）,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。,