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1、光电检测技术光电检测技术光电工程学院光电工程学院 长春理工大学长春理工大学第六章：光电成像器件光电成像器件包括非扫描成像器件与扫描成像器 件。 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。光电成像器件一、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
2、照度降至2000lx 3、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
3、。光电成像器件CCD体积更小，灵敏度更高，应用更灵活、更方 便，它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。CCDD摄像器件的横截面积 可达到几平方毫米数量级，可将这样的摄像头送入入 的胃、肠等器官内摄取图像信息，送入更小的管道、 孔径中去检查故障。隐蔽起来对某一现场进行监视、 监控。CCD摄像器件的响应速度更高，驱动方式更灵 活，可用CCD摄像器件获取更快变化的图像。这在高 速图像处理领域是非常重要的。CCD摄像器件只需要 很低电压很小的功耗，这为便携式摄录像机的发展提 供了条件。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
4、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、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二、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
5、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 构成三、光电成像器件的基本特征 1、光谱响应光电成像器件的光谱响应取决于光电转换材料的 光谱响应，其短波限有时受窗口材料吸收特性影响。外光电效应摄像管由光阴极材料决定；内光电效应的视像管由靶材料决定，CCD摄像器件 由硅材料决定；热释电摄像管基于材料的热释电效应，它的光谱 响应特性近似直线。光电成像器件相对灵敏度波长1231多碱氧化物光阴极像管 ，属于外光电效应摄像管 ，光谱响应由光阴极材料 决定；2氧化铅摄像管，属于内 光电效应的摄像管，光谱 响应由靶材料决定；3CCD
6、摄像器件，光谱 响应由硅材料决定；另热释电摄像管基于材料 的热释电效应，光谱响应 特性近似直线。2、转换特性（输出物理量/输入物理量） 输入量：辐射量单位、光度量单位 输出量：光度量单位 参量：灵敏度(或响应度)、转换系数、亮度增益等。 变像管：转换系数 像增强管：亮度增益 摄像器件：灵敏度输出量是电压或电流输入量是辐射量和光度量光电成像器件变像管：转换系数C表示光通量辐通量像增强管：亮度转换增益GL来表示(lm/W)光出射 度光照度无量纲亮度（cd/lm）摄像器件：灵敏度S表示电视系统：光电导材料的值来表示视像管的信 号电流常数视像管靶面 照度1，弱光信号被提高灰度系 数3、分辨率 能够分辨
7、图像中明暗细节的能力 两种方式来描述：极限分辨率：像管：每毫米线对数摄像管：水平分辨率垂直分辨率调制传递函数：输出调制度/输入调制度光电成像器件3、分辨率（表示能够分辩图像中明暗细节的能力）极限分辨率（主观）：人眼观察分辩专门测试卡成像在靶 面上且在荧光屏上显示出的最细线条数。调制传递函数（客观）：简称MTF，输出调制度与输入调 制度之比。MTF随频率增加而衰减，一般将MTF值为10所对 应的线数定为摄像管的极限分辨率。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。光电成像器件同
8、步扫描视频信号景物光学成像光电变换图像分割传送同步扫描视频解调图像再现摄像部分显像部分光电成像系统原理方框图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
9、，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；CMOS图像传感器采用顺序开同行 、列开关的方式完成信号输出。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
10、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或16：9 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。光电成像器件我国现行电视制式（PAL制式）
11、，每桢画面625 行，行频为15625行，行频为15625Hz。行正程 52us，行逆程12us。此外还有NTSC制式和SECAM 制式。光电成像器件第三节：真空摄像管 按光敏面光电材料的光电效应分外光电效应：析像管、超正析像管、分流管、二 次电子导电摄像管内光电效应：硫化锑视像管、氧化铅视像管光电成像器件一、氧化铅视像管结构光电导靶扫描电子枪管体 1、原理当摄像管有光学图 像输入时，则入射光子光电成像器件打到靶上。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，便被内电场拉开光电成像器件电子拉向N区，空穴被拉向P区。这样，
12、若假定把曝光 前本征型层两端加有强电场看作是电容的充电，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，完成了图像变 换和纪录的过程。2、靶结构靶是视像管的光电转 换元件。它安置在入射窗 的内表面上，光学图像直 接投射在靶面上。光电成像器件氧化铅光导靶是半导体异质结构靶。在入射窗的内表面 首先蒸上一层极薄的SnO2透明导电膜，再蒸涂氧化铅本 征型层，然后，氧化处理形成P型层。由于氧化铅与二 氧化锡两者的接触面在交界面处形成n型薄层。这样就 构成了NIP型异质结靶。其反偏电压主要加在本征层。 二、其他视像管的
13、靶结构简介图5-7为硅靶的结构示意图。 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(PN结)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型岛的外表面上形成 一层半导体(如硫化镉)层称为电 阻海。靶的总厚度约为20um。 光电成像器件硅靶的N+层为输出信号电极。工作时，其上加5 15v靶压。这样，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 将在电场的作用
14、作漂移运动。空穴通过PN结移到P岛 。空穴的漂移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型岛上形成了积累的电荷图像。 这时通过电子束扫描，即可得到视频信号。光电成像器件三、摄像管的性能参数 1、光电转换特性光电成像器件曲线的斜率为管子 的灰度系数。超正 析像管在高光照时 输出信号电流饱和 ，曲线弯曲。2、光谱响应光电成像器件3、时间响应特性光电成像器件在摄像管输 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、输出信噪比光电成像器件输出信
15、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、动态范围光电成像器件其取决于摄像管 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 照度的比值为改摄像 管的动态范围。6、图像传递特性光电成像器件它用输出 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
16、 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0.60.711111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四节：电荷耦合器件（CCD）用电荷量来表示不同状态的动态移位寄存器，由 时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化。实现 电荷存储和传递电荷信息的固体电子器件。电荷耦合器件由美国贝尔实验室的W.S博伊尔和 G.E史密斯于1969年发明。它由一组规则排列的金 属-氧化物-半导体电容器阵列和输入、输出电路构成 。传统的固体电子器件，信息的存在和表达方式，通 常是电压或电流，而在CCD中，则是用电荷。因此 CCD对信息的表达灵敏度较高。光电成像器件用途：固体成像、信息处理、大容量存储 如：遥感、传真、摄像等 CCD的基本功能：电荷的存储和电荷的转移 本节要点：电荷怎样产生的？如何存储？如何转移（体内传输）？如何体外传输（检测）？ CCD是一种电荷耦合器件(Charge Coupled Device) CCD的突出特点
