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1、光电成像器件是指能够输出图象信息的一类器件，其功能大致可归为以下两类： 1、使不可见光图象（红外、紫外）变为可见光图象 2、使光学图象变为电视信号 光学图像的实质:一特定光强度的空间分布。,第四章 光电成像器件,变像管 像管 (把不可见光图像变成可 (无扫描) 见光图像的真空光电管) 图像增强器 真空 (把极低亮度光学图像变为 光电器件 足够亮度图像的真空光电管) 光电成 光电导式摄像管(视像管,无移区) 像器件 摄像管 二次电子导电 (电子束 光电发射式 摄像管(SEC) 扫描) 摄像管 (有移像区) 硅增强靶摄像管 (SIT) 固体成像器件(CCD、CMOS),4.1 像管的工作原理与结构
2、,一、像管的种类,变像管 (把不可见光（红外、紫外、X射 像管 线）图像变成可见光图像的真 (无扫描) 空光电管) 图像增强器（微光管） (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) 直接显示型图像的显示 与前几章的光电器件的区别在于对光强的探测是二维的。,真空成像器件,二、像管结构和工作原理： 光电变换部分 电子光学部分 电光变换部分,光电变换部分，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，转换成光电子发射图像。常用光电阴极有： 银氧铯光电阴极 单碱和多碱光电阴极 紫外光电阴极 负电子亲和势光
3、电阴极：灵敏度高、响应波长范围宽,电子光学部分，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不变的情况下，进行加速并聚焦成像在荧光屏上。 困难：使各物点所发射的电子完全落在对应的各像点上。 非聚焦型（近贴式像管） 静电系统 静电聚焦型 聚焦型 电磁聚焦型,1、非聚焦型像管（近贴型） 由光电阴极和荧光屏构成，两者平行且距离很近 光电子在电场的作用下以抛物线轨迹向荧光屏投射。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，而是一个弥散圆斑，分辨率较低。,2、静电聚焦型像管 几个圆筒形的电极可形成对光电子聚焦和加速的电
4、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，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。,静电聚焦型象管结构示意图,3、电磁聚焦型像管 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。电子每旋一圈所需的时间与初速度无关，不管起初是沿什么方向发射，最终都可以被会聚于一点。,电磁聚焦型象管结构示意图,分辨率高，但体积和重量大，使用不方便。,电光变换部分，即荧光屏，它可以使电子图象变成可见光图像 高能电子轰击荧光屏，发出可见光。 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，
5、蒸镀铝膜。,4.1.1 变像管,1、红外变像管 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。,真空成像器件,红外变像管的应用,2、光纤面板变像管 成像器件讲究像质。 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，所以象散和场曲比较严重，特别在光阴极是平面的情况，通常要求光电阴极是球面。 光阴极是球面，而一般输入的光学图像是平面。,利用光学纤维面板可以使像散和场曲减到最小。,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，一端磨成平面，另
6、一端磨成曲面。 图像入射到光纤面板平面端,由于光纤能将一端输入的光基本无损失地传到另一端,所以每根光纤传输图像的一个像元到光阴极曲面的相应点,激发出光电子束,经聚焦和加速后,轰击曲面荧光屏,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，光纤面板的图像分辨率越高。,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。,3、紫外变像管 紫外变像管的窗口材料为石英玻璃，光电发射材料为Sb-Cs阴极。它可以使波长大于200nm的紫外光变成光电子。紫外变象管与光学显微镜结合起来，可用于医学和生物学等方面的研
7、究。,4.1.2 像增强器,像增强器利用了像管功能中增强亮度、光学成像两个功能。 像增强器与变像管的异同点 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,真空成像器件,二、第二代微光像增强器 微通道板像增强器 1、 微通道板的原理和特性： 通道电子倍增器：微通道板MCP (Micro Channel Plate)是利用电子在通道内的二次倍增来实现增强亮度的。,2、微通道板像增强器 （1）近贴式MCP像增强器 近贴式MCP像增强器又称为平面型或薄片型像增强器。它是把MCP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。 这种结构的优缺点是：体积小，重量轻；但分
8、辨率和像质差。,(2)倒像式MCP像增强器（静电聚焦式MCP像增器） 结构： 在单级第一代像增强器中，加上一块微通道板MCP，MCP与光电阴极之间是静电透镜，与荧光屏之间是近贴均匀场。 这种结构的优缺点是：分辨率高，像质好；但噪声较大。 静电聚焦式MCP像增器,三、第三代像增强器 负电子亲和势像增强器 第二代像增强器+负电子亲和势光电阴极= 第三代像增强器 同时起到光谱变换和微光增强的作用 优点：在可见光和近红外区都有较高的灵敏度和量子效率,四、X射线像增强器 实质是一种变像管，将不可见的X射线图像转换成可见光图像，并使图像亮度增强。 结构：输入转换屏、光电阴极、电子光学系统和输出荧光屏。 常
9、用于医疗诊断和工业探伤等。,4.2 摄像管,一、摄像管 摄制图像、存贮和处理，即将按空间光强分布的光学图像转变成适于处理和传递的时间序列的一维电信号(视频信号)。 像管和摄像管的区别： 二、摄像管的分类（按光电变换的形式）：,真空成像器件,1.外光电变换型（光电发射型）微光摄像 包括 二次电子摄像管 硅靶摄像管 特点：增益和灵敏度高 2.内光电变换型（光电导型）视像管 按光电导靶结构分为 光电导（注入）型：硫化锑管 PN结（阻挡）型：氧化铅管、硅靶管、 异质结管 特点：结构简单、体积小、使用方便,光电发射型 光电导型,三、摄像管的结构和工作原理 从原理角度对摄像管的一般要求: 图像传送方式 任
10、何一幅图像可以分割成许多小像点(像素或像元)。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，再经过传送出来。,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。这样就可以把图像随空间、时间的变化转换成电信号随时间的变化。 在电视中利用电子束扫描过程，将图像亮度的空间分布转换为按时间顺序传送的电信号。行扫描水平扫描，场扫描垂直扫描。,在我国电视制式中，一幅图像分成625行，每秒传送25幅图像，即帧频为25Hz，一帧分成两场，采用隔行扫描的方
11、式，第一场传送奇数行，第二场传送偶数行，场频50Hz。 帧频与场频：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，两幅之间用遮光伐挡一次。电视场采用隔行扫描，奇数场/偶数场，两场合为一帧。即场频50Hz，帧频25Hz。PAL制式，每帧画面625行，行正程52us，行逆程12us。NTSC制式60Hz.,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，并作光电转换； 像素元素要多，尺寸要小（ m）； 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； 可靠、方便。,摄像管的基本功能： 光电变换 光电信息存储(以电荷的形式存储而呈现电位差） 信号阅读部分
12、扫描输出 技术难点： 像元探测器的制作（数量多、尺寸小） 连线 扫描（快速顺序接通）,具体分为以下四个过程： 光学图像转变成电荷（电位）图像； 对电荷图像进行存贮和积累； 对电信号进行放大和增强； 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。,4.2.1 光电导型摄像管（视象管） 视象管的结构：光电导靶和电子束扫描 区构成,真空成像器件,各部分的作用： （） 光电导靶： 利用光电导效应将光学图像转化成电位图像; 完成光电变换和光电信息的积累和储存;,原理： 当光学图像投射到光电导靶上时,因各像素照度不同,则导致电导率的差异,从而在靶上产生电势的起伏(电位图像)。随着
13、光的连续入射，靶上的电势也随之积累，然后通过电子扫描（相当于开关换接作用），产生视频信号输出。,（）信号阅读部分： 从靶面取出信号的任务是由阅读部分来完成的。阅读部分包括电子束发射系统（电子枪）和电子束聚焦扫描系统。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。 电子束的产生：热阴极发射出来的电子在阳极膜孔处会聚并通过阳极膜孔后再发散开来。 电子束的聚焦：阳极膜孔发散出来的电子束在靶面上会聚成一点，有电聚焦和磁聚焦两种方式。,电子束的偏转：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。 电子束垂直上靶：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信号
14、输出， 那么电子束能否上靶，不仅与电子的速度大小有关，而且与其速度的方向有关。由靶网和调制电极附近的校正线圈来完成。 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1525 m。,几点说明： 电荷存储：把一帧时间间隔内的光信息变为电荷信息存储起来。是摄像器件成为实用器件的重要理论依据，提高了灵敏度。若用电子束直接扫描光电阴极，灵敏度低，因为光电阴极无光积分能力。 慢电子扫描：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。因为当上靶的速度很大时，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，落在相邻的像素上，使电势起伏降低，输
15、出信号减弱，显示有阴影。,.几种常见的视象管： 硅靶管 当电子束扫描时PN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P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。,扫描电子束具有地的电位,是大量微小光电二极管的列阵。用极薄的N型硅片的一面经抛光、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，通过窗孔将硼扩散入硅基片，于是就形成一个个P型岛。每一个P型岛与N型基片构成一个PN结光电二极管，而每个光电二极管被SiO2膜隔开，形成一个单独的像素。这样N型硅片的一
16、面为N+层，而另一面则为P型岛阵列，构成硅靶。 优点：不易损坏、寿命长、灵敏度高，对近红外 敏感、惰性小。 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。,氧化铅靶摄象管 结构和工作过程与硅靶类似。,具有PIN光电二极管结构。工作时N层与靶压正极相连，光电二极管处于反向偏置，靶压几乎全加在耗尽层（I）上，在耗尽层内形成很强的电场。当耗尽层内出现光生载流子时，在强电场作用下它们几乎全部参与导电，所以提高了光电转换效率。另一方面，由于处于反偏，使其暗电流明显下降。 优点：灵敏度高，暗电流小，光电特性近似线 性，惰性小。 缺点：材料和工艺异常复杂。,异质结靶摄像管,分辨率高，暗电流小，量子效率高,光谱响应宽，动态范围大，信号电流大，暗电流 小，分辨率高，惰 性
