光電成像器件像管攝像管

第五章光電成像器件像管和攝像管光電顯示基礎(chǔ)電荷耦合器件光電成像器件微光夜瞄鏡

微光夜視眼鏡熱像儀

早在1934年就成功地研制出光電攝像管（Iconoscope），用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。但是，它的靈敏度很低，信噪比很低，需要高于10000lx的照度才能獲得較為清晰的圖像。使它的應(yīng)用受到限制。

1947年制出的超正析像管（Imaige

Orthico），靈敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2000lx以上。光電成像器件發(fā)展歷史1954年投放市場(chǎng)的高靈敏視像管（Vidicon）基本具有了成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，使廣播電視事業(yè)和工業(yè)電視事業(yè)有了更大的發(fā)展。

1965年推出的氧化鉛視像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，發(fā)展了彩色電視攝像機(jī)，使彩色廣播電視攝像機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。誕生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色攝像機(jī)。然而，氧化鉛視像管抗強(qiáng)光的能力低，余輝效應(yīng)影響了它的采樣速率。

1976年，又相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）。不斷滿足人們對(duì)圖像傳感器日益增長(zhǎng)的需要。

1970年，美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)的電荷耦合器件（CCD）的原理使圖像傳感器的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。CCD圖像傳感器目前已經(jīng)成為圖像傳感器的主流產(chǎn)品。CCD圖像傳感器的應(yīng)用研究成為當(dāng)今高新技術(shù)的主流課題。光電成像器件是一類能夠輸出圖像信息（圖像或視頻信號(hào)）的功能器件，也稱光電圖像傳感器。PhotoelectronicImagingDevices光電成像器件攝像型：直視型：像管變像管像增強(qiáng)管電真空攝像管固體攝像器件攝像管第5章光電成像器件真空光電成像器件像管攝像管變像管像增強(qiáng)管不可見光圖象可見光圖象亮度很低的光學(xué)圖象有足夠亮度圖象顯像裝置輸出圖像光電發(fā)射式攝像管（攝像管）光電導(dǎo)式攝像管（視像管）可見光或不可見光圖像視頻信號(hào)光電靶和電子束掃描第5章光電成像器件第5章光電成像器件夜視儀輸出圖像信號(hào)：－－直視型光電成像器件輸出視頻信號(hào)：－－攝像型光電成像器件攝像頭第5章光電成像器件5.1像管（變像管和像增強(qiáng)器）5.2電真空攝像管5.3固體成像器件第5章光電成像器件5.1.1像管基本結(jié)構(gòu)原理5.1.2變像管5.1.3像增強(qiáng)器第5章光電成像器件光學(xué)圖像電子圖像三個(gè)基本部分：光電變換部分電子光學(xué)部分電光變換部分5.1.1像管基本結(jié)構(gòu)原理加速聚焦高速電子流電子圖像光學(xué)圖像光電陰極

對(duì)紅外光敏感的銀氧銫紅外光電陰極對(duì)可見光敏感的單堿和多堿光電陰極對(duì)紫外光敏感的各種紫外光電陰極負(fù)電子親和勢(shì)(NEA)光電陰極像管中常用的光電陰極是透射式，因此光電陰極應(yīng)是透明的，可選擇透明的基底材料來實(shí)現(xiàn)。電子光學(xué)系統(tǒng)靜電系統(tǒng)：靠靜電場(chǎng)的加速和聚焦來實(shí)現(xiàn)復(fù)合系統(tǒng)：靠靜電場(chǎng)的加速和磁場(chǎng)的聚焦作用來實(shí)現(xiàn)熒光屏

要求：高的轉(zhuǎn)換率，發(fā)射譜同人眼或與之耦合的下級(jí)光電陰極的光譜響應(yīng)一致。

2）靜電聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)

雙圓筒電極系統(tǒng)和雙球面電極系統(tǒng)其電場(chǎng)為軸對(duì)稱的靜電場(chǎng)，光電子在極間受到會(huì)聚和加速作用。KA(a)雙圓筒電極系統(tǒng)(a)雙球面電極系統(tǒng)KA1）非聚焦型電子光學(xué)系統(tǒng)

光電陰極與熒光屏為兩平行電極并加電壓，形成平行電場(chǎng)，對(duì)電子只有加速作用，分辨率低。光電陰極熒光屏3）復(fù)合聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)

由縱向加速電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁透鏡組成，對(duì)電子除了有加速作用，還有聚焦成像作用。12線圈

復(fù)合聚焦系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：

a)聚焦作用強(qiáng)，易于調(diào)節(jié)聚焦能力；

b)軸上點(diǎn)和軸外點(diǎn)有相同的成像質(zhì)量，邊緣像質(zhì)好；

c)象差小，鑒別率較高。缺點(diǎn)：設(shè)備尺寸、重量增大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)笨重，目前多用靜電系統(tǒng)5.1.2變像管變像管－－不可見光圖像

可見光圖像紅外夜視儀

變像管

紅外變像管：波長(zhǎng)小1.15μm的紅外光，光電陰極多為S-1

型Ag-O-Cs陰極波長(zhǎng)大于1.15μm的紅外光，采用負(fù)電子親和勢(shì)陰極紫外變象管：窗口材料像增強(qiáng)器－－亮度低圖像

亮度高圖像微光夜瞄鏡5.1.3像增強(qiáng)器

5.1.3像增強(qiáng)器1、級(jí)聯(lián)式圖像增強(qiáng)器

2、微通道板式圖象增強(qiáng)器像增強(qiáng)管：將微弱輻射圖象轉(zhuǎn)換成可見光圖象的器件。陰極材料：由入射光波長(zhǎng)范圍決定，通常采用單堿多堿光電陰極。主要考慮：大的增益系數(shù)，獲得高亮度增益的方式有

級(jí)聯(lián)和使用電子倍增器兩種。1、級(jí)聯(lián)式圖像增強(qiáng)器三級(jí)級(jí)聯(lián)像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)示意圖亮度增益可達(dá)105體積大、重量重、防強(qiáng)光能力差。（第一代象增強(qiáng)器）級(jí)間耦合：光纖面板需考慮：前級(jí)熒光屏與后級(jí)光電陰極的匹配、最后一級(jí)熒光屏與人眼視見函數(shù)的匹配2、微通道板式圖象增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)原理：MicroChannelPlate，簡(jiǎn)稱MCP（第二代象增強(qiáng)器）2、微通道板式圖象增強(qiáng)器

優(yōu)點(diǎn)：沒有電子光學(xué)系統(tǒng)，整管可以做得很短（第二代象增強(qiáng)器）3、負(fù)電子親和勢(shì)（NEA）－－第三代像增強(qiáng)器微通道板＋負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極－－第四代像增強(qiáng)器

在第三代像增強(qiáng)器的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步改進(jìn)微通道板的性能，或者利用門控電源技術(shù)，提高像增強(qiáng)器的分辨率、信噪比等性能參數(shù)。它們分別屬于超三代和第四代像增強(qiáng)器。軍事：武器瞄準(zhǔn)、飛行員夜視鏡；民用：公安部門緝私、緝毒、警偵、追捕；邊境邊防安全監(jiān)控；金融、商貿(mào)、文物、機(jī)要、槍支彈藥庫、危險(xiǎn)物品庫等重要場(chǎng)所安全監(jiān)控；5.1.4像管的應(yīng)用

1.主動(dòng)紅外夜視儀5.1.4像管的應(yīng)用

2.微光夜視儀（10－5lx）5.1.4像管的應(yīng)用

美軍微光夜視器材微光夜瞄鏡

手持式觀察鏡微光夜視眼鏡

我軍微光夜視器材裝有微光瞄準(zhǔn)鏡的新5.8毫米班用機(jī)槍微光夜視儀的觀察效果可見的目標(biāo)圖像不易見的目標(biāo)圖像右上小圖為自然光下觀察到的情況，大圖為熱成像觀察到的圖象，從中可以看到掩蔽在樹叢中的人員。熱成像儀使依靠自然偽裝的保護(hù)完全失效）第5章光電成像器件輸出圖像信號(hào)：－－直視型光電成像器件變像管像增強(qiáng)管輸出視頻信號(hào)：－－攝像型光電成像器件攝像頭第5章光電成像器件攝像頭5.2電真空攝像管二維光學(xué)圖像一維時(shí)序電信號(hào)還原二維光學(xué)圖像例：電視監(jiān)控系統(tǒng)傳輸和接收規(guī)則－－電視制式按照電視制式輸出的一維時(shí)序電信號(hào)稱為視頻信號(hào)攝像是將空間分布的光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為一維時(shí)間變化的視頻信號(hào)的過程，完成這一過程的功能器件稱為攝像器件。5.2電真空攝像管5.2.1電視制式5.2.2電真空攝像管的結(jié)構(gòu)原理5.2.1電視制式1.掃描3.我國電視標(biāo)準(zhǔn)2.視頻信號(hào)光電成像原理景物→光學(xué)成像→光電變換→圖像分割→同步掃描→視頻信號(hào)│攝像部分│

傳送→同步掃描→視頻調(diào)輝→圖像再現(xiàn)│顯像部分│

⑴光學(xué)成像：光學(xué)物鏡將景物所反射出來的光成像到光電成像器件的像敏面上形成二維光學(xué)圖像。

⑵光電變換：光學(xué)成像器件將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成二維“電氣”圖像的工作。

景物→光學(xué)成像→光電變換→圖像分割→同步掃描→視頻信號(hào)

攝像部分

光電成像原理

⑶圖像分割：“電氣”圖像的電氣量在二維空間的分布與光學(xué)圖像的光強(qiáng)分布保持著線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。組成一幅圖像的最小單元稱作像素，像素單元的大小或一幅圖像所含像素?cái)?shù)決定了圖像的清晰度。像素?cái)?shù)愈多，或像素幾何尺寸愈小，反映圖像的細(xì)節(jié)愈強(qiáng)，圖像愈清晰，圖像質(zhì)量愈高。這就是圖像分割。景物→光學(xué)成像→光電變換→圖像分割→同步掃描→視頻信號(hào)│攝像部分│光電成像原理景物→光學(xué)成像→光電變換→圖像分割→同步掃描→視頻信號(hào)│攝像部分│

⑷同步掃描：按著一定的規(guī)律將所分割的電氣圖像轉(zhuǎn)變成一維時(shí)序信號(hào)，即將電氣圖像從左向右，又從上向下的規(guī)律輸出即為掃描。⑸視頻信號(hào)：由于監(jiān)視器的顯象管幾乎都是利用電子束掃描熒光屏，便可在顯象管上獲得可供觀察的圖像。1.掃描光電圖像將光電圖像分割為很多細(xì)小的單元，稱為像素－－圖像的分割與象素1.掃描電信號(hào)光電圖像按一定規(guī)律依次將圖像中的每一像素的電（電荷）信號(hào)讀出的過程，稱為掃描。－－圖像的分割與象素一幀：一行：從左向右的掃描稱為行掃描掃描點(diǎn)從起始點(diǎn)出發(fā)再次回到該點(diǎn)，輸出的全部圖像信息稱為一幀。1.掃描－－行、幀一場(chǎng)：從上向下的掃描稱為場(chǎng)掃描隔行掃描方式逐行掃描方式1.掃描－－兩種掃描方式逐行掃描方式根據(jù)人眼視覺時(shí)間特性，無閃爍顯示活動(dòng)圖象要高于48次/秒刷新速率幀頻：50Hz行數(shù)：625行頻：降低行頻閃爍感隔行掃描方式1.掃描－－兩種掃描方式隔行掃描方式一幀分為兩場(chǎng)－－奇數(shù)場(chǎng)－－偶數(shù)場(chǎng)135246隔行掃描方式根據(jù)視覺時(shí)間特性，無閃爍地顯示活動(dòng)圖象要高于48次/秒的刷新速率場(chǎng)頻：50Hz幀頻：25Hz－－無閃爍－降低行頻隔行掃描方式逐行掃描方式－高清晰成像測(cè)量系統(tǒng)－工業(yè)民用電視系統(tǒng)1.掃描－－兩種掃描方式－－正程和逆程行正程場(chǎng)正程顯示信息行逆程場(chǎng)逆程消隱2.視頻信號(hào)3.我國電視標(biāo)準(zhǔn)

我國電視標(biāo)準(zhǔn)采用PAL制：場(chǎng)頻fv=50Hz，幀頻fZ=25Hz；隔行掃描，每幀625行；場(chǎng)周期TV=20ms；行周期TH=64s；視頻信號(hào)帶寬BW=6MHzPAL－－德國NTSC－－美國一、電視制式小結(jié)1.掃描3.我國電視標(biāo)準(zhǔn)

隔行掃描場(chǎng)頻50Hz逐行掃描

隔行掃描行幀場(chǎng)

625行/幀正程

逆程－PAL制2.視頻信號(hào)

信息信號(hào)同步脈沖消隱脈沖5.2.2電真空攝像管結(jié)構(gòu)原理光電轉(zhuǎn)換信號(hào)存儲(chǔ)掃描輸出－－光電導(dǎo)式/熱釋電攝像管1.三個(gè)基本功能光像電子槍利用電子槍發(fā)射出來的電子束依次掃描靶面各像素，將靶面的電荷（或電勢(shì)）圖像有序地轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)輸出，這就完成了掃描輸出的功能。

a)光電發(fā)射式攝象管

b)光電導(dǎo)式攝象管

2分類：1）光電發(fā)射體：光電陰極光照下光電陰極產(chǎn)生與光通量成正比的光電子流，既可利用光電子流進(jìn)行放大處理作為信號(hào)輸出；也可以利用以光電子發(fā)射而提高的光電陰極電位作輸出。入射光光電子發(fā)射光電陰極光電變換示意圖（1）、光電變換部分2）光電導(dǎo)體光照時(shí)靶的電導(dǎo)率升高，正電荷順電場(chǎng)方向移動(dòng)而積累，電位升高，升高量與光照相對(duì)應(yīng)。E光電導(dǎo)體光電變換示意圖3工作原理：外光電效應(yīng)光電子發(fā)射光電發(fā)射體內(nèi)光電效應(yīng)導(dǎo)體內(nèi)有電流光電導(dǎo)體移走的電子數(shù)或留下的正電荷數(shù)發(fā)射的電子數(shù)或留下的正電荷數(shù)信號(hào)光電轉(zhuǎn)換介質(zhì)變換方式（1）、光電變換部分1）電子發(fā)射積累型靶面形成與入射光圖像對(duì)應(yīng)的正電位分布（2）、電荷存儲(chǔ)（或電荷積累）光電陰極發(fā)射光電子，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下打到SEC靶上，產(chǎn)生二次電子靶掃描面即形成與之對(duì)應(yīng)的電勢(shì)起伏，使光電陰極上的光學(xué)圖象轉(zhuǎn)移到SEC靶，變?yōu)榘袙呙杳嫔想妱?shì)分布圖象。靶的二次電子發(fā)射系數(shù)越大，移象后靶上的電勢(shì)起伏也就越大。二次電子導(dǎo)電型（SEC）硅增強(qiáng)靶（SIT）

光電陰極發(fā)射出來的電子，在高電壓作用下去轟擊硅靶，使靶內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)它們被結(jié)內(nèi)電場(chǎng)分離以后，光生的電子通過信號(hào)板等外電路入地，光生的空穴則被積累于P型島上。如果光照是均勻的，靶掃描面電位只是均勻地升高。如果光照不均勻，一幅光學(xué)圖象，掃描面上各P型島電勢(shì)分布，正比于入射光學(xué)圖象亮度分布，亮度高點(diǎn)對(duì)應(yīng)P型島電勢(shì)也高。

2）光電導(dǎo)靶（視象管）光進(jìn)入每個(gè)PN結(jié)區(qū)將產(chǎn)生電子－空穴對(duì)它們被結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)分離以后，光生的電子通過信號(hào)板等外電路入地，光生的空穴則被積累于P型島上。如果光照是均勻的，靶掃描面電位只是均勻地升高。如果光照不均勻，是一幅光學(xué)圖象，則掃描面上各P型島電勢(shì)分布正比于入射光學(xué)圖象的亮度分布，亮度高的點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的P型島的電勢(shì)也高。

硅靶氧化鉛靶

靶成象面一邊為N-PbO，掃描面一邊為P-PbO，兩者之間夾著一層(相對(duì))很厚的本征氧化鉛I-PbO，具有PIN結(jié)構(gòu)。工作過程都與硅靶管類似不同的是，靶是由PbO材料制成的。氧化鉛視像管靶結(jié)構(gòu)和原理靶結(jié)構(gòu)1—光；2—面板；3—透明信號(hào)板SnO2；4—N型層；5—本征層；6—P型層；7—電子束。信號(hào)板加+40V偏壓，電子束掃描面（P層）電位為0--NIP反偏狀態(tài)光照前本征層加電場(chǎng)看作電容充電光照后載流子的漂移看作電容放電掃描電子束掃描某個(gè)像元時(shí)，電子束中和像遠(yuǎn)的空穴形成電流—視頻信號(hào)輸出

燈絲、熱陰極、控制柵極、各加速電極和聚焦電極、靶網(wǎng)電極和管外的聚焦線圈、偏轉(zhuǎn)線圈、校正線圈等，它的作用是產(chǎn)生電子，并使它聚焦成很細(xì)的電子射線，按著一定的軌跡掃描靶面。電子槍（3）、掃描輸出信號(hào)－－加速電極－－聚焦電極－－聚焦線圈－－偏轉(zhuǎn)線圈－－燈絲－－熱陰極－－控制柵極掃描輸出2.電子束掃描輸出2.電子束掃描輸出－－燈絲－－熱陰極－－控制柵極－－加速電極－－聚焦電極－－聚焦線圈－－偏轉(zhuǎn)線圈電真空攝像管由于其重量和體積的限制，其研究與發(fā)展已經(jīng)告一段落，它正逐步被固體攝像器件所代替。

沒有信號(hào)積累過程

幀周期為T，象素?cái)?shù)N，則電子束在一個(gè)象素上停留的時(shí)間為T/N，這相當(dāng)于0.062μs，其余時(shí)間（N-1）T/N內(nèi)，光雖然照在光陰極上的，由于光電管沒有接入電路而白白浪費(fèi)掉了。只有在掃描的瞬間才能從景物得到信號(hào)，沒有信號(hào)積累過程，光能的利用率太低，所以靈敏度低，因而未能實(shí)際應(yīng)用。有信號(hào)積累過程附加存貯器裝置：存貯（N-1）T/N光電信號(hào)電子束在一個(gè)象素上停留的時(shí)間為T/N，這相當(dāng)于0.062μs，讀出信號(hào)是（N-1）T/N內(nèi)信號(hào)。積累時(shí)間是幀周期，T時(shí)間約為40ms。當(dāng)掃到接通時(shí)，貯存的電量全部輸送出去。于是攝像管的效率就提高N倍。使攝像管實(shí)用化。3.攝像管的任務(wù)為了完成攝像任務(wù)，攝像管必須具有寫入、存貯、閱讀和抹除等過程。這主要由三部分組成：光電變換部分、電荷存貯部分和信號(hào)閱讀部分1）光電變換部分把光學(xué)圖像變成電子圖像，由光敏元件組成。常用的材料有：光電陰極和光電導(dǎo)體。

2）電荷存貯部分把光電流以電荷的形式存貯起來，轉(zhuǎn)化成與像素光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的存貯面上的電位。只有光電陰極或光電導(dǎo)體的攝像管中，光電變換部分和存貯部分是合為一體的。3）信號(hào)閱讀部分從靶面取出信號(hào)，包括電子槍與偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。1－面板；2—信號(hào)板；3—光電導(dǎo)；4—網(wǎng)；5—金屬環(huán)；6—聚焦線圈；7—偏轉(zhuǎn)線圈；8—熱電極；9—前置放大器。攝像管的組成：光電變換部分；電荷存貯部分；信號(hào)閱讀部分。攝像管的性能指標(biāo)與評(píng)定通過電視系統(tǒng)來傳送各種圖像，目的是得到準(zhǔn)確無誤的圖像，是否能準(zhǔn)確傳送圖象和攝像器件、電視通道、顯示器件有關(guān)，起主要作用的是攝像器件。人們希望攝像管能清晰地、無失真地、“干凈”地?cái)z取圖像。攝像器件獲得圖像質(zhì)量要比人們現(xiàn)場(chǎng)觀察的景物差，攝像器件送來的圖像不夠清晰，有失真描述攝像器件性能用：靈敏度、光電轉(zhuǎn)換特性、分辨率、信噪比、惰性、光譜響應(yīng)特性等來表示。5.2.1攝像管的靈敏度定義：攝像管輸出的信號(hào)電流與入射在光敏面上的光通量（或照度）之比。測(cè)量方法有兩種：(1)用已知照度的10lx標(biāo)準(zhǔn)光源照射在攝像管光敏面上，同時(shí)在信號(hào)輸出端（即前置放大器輸入端）測(cè)量信號(hào)電流的大小，如：靈敏度R=信號(hào)電流/光通量圖5-3攝像管靈敏度的測(cè)量

1—信號(hào)板；2—靶；3—信號(hào)板；4—靶。(μA/lm)(2)向攝像管的光敏面投射已知照度的黑白條紋圖案，同時(shí)用示波器測(cè)量黑白電平信號(hào)的峰-峰振幅，而后將其換成攝像管輸出端的信號(hào)電流。5.2.2攝像管的光電轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)與產(chǎn)生該信號(hào)的光敏面上的輻射照度的函數(shù)關(guān)系。整個(gè)電視系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是光能經(jīng)過轉(zhuǎn)換放大，經(jīng)過處理后再變成光能的過程。它包括兩種轉(zhuǎn)換過程：光-電轉(zhuǎn)換和電-光轉(zhuǎn)換。為了在顯示屏上得到一個(gè)與景物的亮度分布相一致的圖像，電視系統(tǒng)應(yīng)該保證輸出光和輸入光之間的線性。5.2.3攝像管的分辨率

分辨率表征了攝像管的分辨本領(lǐng)，是描述一切成像器件空間特性的重要指標(biāo)。

1.垂直分辨率在整個(gè)畫面上，沿垂直方向所能分辨的像素?cái)?shù)或黑白相間的水平等寬矩形條紋數(shù)比如說，系統(tǒng)能夠清晰地分辨600條黑白相間的水平等寬條紋，則說它的垂直分解率為600行/幀高。

1)掃描行數(shù)的影響掃描行數(shù)是垂直分辨率的上限，如水平掃描行數(shù)為625行的電視系統(tǒng)，其垂直分辨力絕對(duì)不會(huì)超過625行/幀高。在實(shí)際中，由于被消隱的掃描行不傳遞圖像，而只有有效行數(shù)才能分解圖像，所以嚴(yán)格來說，有效掃描行數(shù)是垂直分辨率的上限。在我國的電視標(biāo)準(zhǔn)中，標(biāo)準(zhǔn)掃描行數(shù)N0為625行/幀，有效掃描行數(shù)Ne，Ne=(1-β)N0β——消隱系數(shù)，一般有β=0.074~0.08，當(dāng)β=0.08時(shí)，Ne=575行/幀高就是說，一般消隱行數(shù)為50行/幀高。2)掃描位置的影響如果掃描中心線的位置不當(dāng)，會(huì)使應(yīng)有的分辨率下降，工作時(shí),氧化鉛合成靶的SnO2層上信號(hào)板上加固定正電壓,U=30~40V。沒有光照時(shí)，PIN電容兩邊電壓差為靶電壓。當(dāng)光線透過面板極SnO2層入射在PbO本征層上時(shí)，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，它們?cè)诜聪螂妶?chǎng)下被分離，分別到達(dá)靶的兩邊，靶面P層積累正電荷，靶面P層面電位升高Δu，形成了與光照強(qiáng)度成比例的電位分布。當(dāng)電子束掃描時(shí)，P層面被電子束掃描時(shí)達(dá)到電子槍陰極電位，通過回路取出信號(hào)。流過回路的電流

Ci—一個(gè)像素點(diǎn)的電容。TR—閱讀一個(gè)像素的時(shí)間。通常視頻信號(hào)是以電壓的形式從負(fù)載電阻取出，而后送到前置放大器放大。5.3.1氧化鉛靶的結(jié)構(gòu)5.3.2視像管結(jié)構(gòu)電子槍：由燈絲、陰極K、調(diào)制電極G、第一陽極（做加速極）G1，第二陽極G2（做減速和聚焦）組成。電子槍的作用是產(chǎn)生和形成掃描電子束。1.電子槍象素點(diǎn)的等效電路簡(jiǎn)化的讀出電路5.3.3視像管的工作原理某一個(gè)象素在光存貯期間，靶右邊電位：

象元的充電時(shí)間近似等于幀周期Tf

=40ms（等于40ms-0.062μs），因此在電子束對(duì)它掃描之前，Ci右邊電位最大值是：

當(dāng)電子束掃描像元（接通）時(shí)，接通時(shí)間為0.0625μs，電流通過束電阻Rb，電容Ci，負(fù)載電阻RL，靶電源UT和地，構(gòu)成通路，電容器Ci放電，電容右側(cè)電位被放至Vb，接近于0。Ci電容器右邊電位變化為：Rb為束電阻，通常為10MΩ，而RL<<1MΩ，所以

電壓通過負(fù)載電阻引起電路電流變化，信號(hào)從CL耦合取出。在讀出時(shí)間內(nèi)，電荷的變化量為q,回路耦合出的電流為i：簡(jiǎn)答題：1、什么是變像管？什么是像增強(qiáng)管？2、簡(jiǎn)述PbO攝像管的工作原理3、像管和攝像管的區(qū)別？作業(yè)圖像傳感器原理介紹

（CCD和CMOS介紹）2/3/202383ImageSensor的分類ImageSensor的分類有兩種：

1.CCD圖像傳感器

2.CMOS圖像傳感器CCD圖像傳感器簡(jiǎn)介CCD（ChargeCoupledDevice，感光耦合組件簡(jiǎn)稱）

CCD通用外形為攝像系統(tǒng)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體，通常市面所見外形如下圖，通常以百萬像素〈megapixel〉為單位。CCD發(fā)展史1969年，由美國的貝爾研究室所開發(fā)出來的。同年，日本的SONY公司也開始研究CCD。1973年1月，SONY中研所發(fā)表第一個(gè)以96個(gè)圖素并以線性感知的二次元影像傳感器〝8H*8V(64圖素)FT方式三相CCD〞。1974年6月，彩色影像用的FT方式32H*64VCCD研究成功了。1976年8月，完成實(shí)驗(yàn)室第一支攝影機(jī)的開發(fā)。1980年，SONY發(fā)表全世界第一個(gè)商品化的CCD攝影機(jī)(編號(hào)XC-1)。1981年，發(fā)表了28萬個(gè)圖素的CCD(電子式穩(wěn)定攝影機(jī)MABIKA)。1983年，19萬個(gè)圖素的IT方式CCD量產(chǎn)成功。1984年，發(fā)表了低污點(diǎn)高分辨率的CCD。1987年，1/2inch25萬圖素的CCD，在市面上銷售。同年，發(fā)表2/3inch38萬圖素的CCD，且在市面上銷售。1990年7月，誕生了全世界第一臺(tái)V8。CCD的分類從信號(hào)傳輸方式上分：全幀傳輸CCD、隔行傳輸CCD兩種；從濾鏡類型來分：原色CCD和補(bǔ)色CCD；從感光單元形狀和排列方式來分：普通CCD和超級(jí)CCDCCD生產(chǎn)廠家目前有能力生產(chǎn)CCD的公司分別為：SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO和Sharp，多半是日本廠商。CMOS圖像傳感器簡(jiǎn)介ＣＭＯＳ英文全名ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體CMOS發(fā)展史1989年，CMOS圖像傳感開始研制出來。1990年，CMOS專用的DSP研發(fā)成功2002年，CMOS的C3D（CMOSColorCaptiveDevice技術(shù)應(yīng)用CCD畫素多寡與尺寸大小沒有絕對(duì)關(guān)系

CCD外形尺寸規(guī)格傳統(tǒng)4：3規(guī)格走向16：9/16：10更寬廣的界線。大多數(shù)DSC消費(fèi)型數(shù)字相機(jī)的CCD長(zhǎng)寬比，依然沿襲1950年代電視規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)剛制訂時(shí)4：3的標(biāo)準(zhǔn)（3：2主要仍為DSLR數(shù)字單眼機(jī)身所采用，另中片幅、專業(yè)數(shù)字機(jī)背享有1：1之正方形特殊規(guī)格）這方面設(shè)計(jì)變更不僅會(huì)影響成本，也牽動(dòng)后續(xù)相機(jī)與鏡頭的設(shè)計(jì)。CCD外形尺寸信息

原理篇——第五章光電成像系統(tǒng)（1）

§5.1固體攝像器件§5.1固體攝像器件固體攝像器件的功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)信息（可見光、紅外輻射等），轉(zhuǎn)換為按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)——視頻信號(hào)。其視頻信號(hào)能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。

固體攝像器件主要有三大類：電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器（即CMOS）電荷注入器件（ChargeInjenctionDevice，即CID）

目前，前兩種用得較多，這里只分析CCD一、電荷耦合攝像器件

電荷耦合器件（CCD）特點(diǎn)——以電荷作為信號(hào)。

CCD的基本功能——電荷存儲(chǔ)和電荷轉(zhuǎn)移。

CCD工作過程——信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)的過程。

（0）CCD的基本結(jié)構(gòu)包括：轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸入結(jié)構(gòu)、信號(hào)輸出結(jié)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)結(jié)構(gòu)。構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容。1、電荷耦合器件的基本原理

一系列彼此接近MOS電容用同一半導(dǎo)體襯底制成，襯底可以是P型或N型材料，上面生長(zhǎng)均勻、連續(xù)氧化層，氧化層表面排列互相絕緣且距離極小金屬化電極（柵極）。（1）、電荷存儲(chǔ)以襯底為P型硅構(gòu)成的MOS電容為為例。當(dāng)在金屬電極加上一個(gè)正階梯電壓，Si-SiO2界面電勢(shì)發(fā)生變化，附近P型硅中多數(shù)載流子-空穴被排斥，形成耗盡層。如果柵極電壓超過MOS晶體管的開啟電壓，則在Si-SiO2界面處形成深度盡狀態(tài)，電子勢(shì)能較低-形成了一個(gè)勢(shì)阱。如有信號(hào)電子，將聚集在表面，實(shí)現(xiàn)電荷存儲(chǔ)，耗盡層變薄。勢(shì)阱深淺決定存儲(chǔ)電荷能力的大小。（2）、電荷轉(zhuǎn)移CCD的轉(zhuǎn)移電極相數(shù)有二相、三相、四相等。對(duì)于單層金屬化電極結(jié)構(gòu)，為了保證電荷的定向轉(zhuǎn)移，至少需要三相。以三相表面溝道CCD為例。表面溝道器件，即SCCD（SurfaceChannelCCD）——轉(zhuǎn)移溝道在界面的CCD器件。

表面溝道器件的特點(diǎn)：

工藝簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)范圍大，但信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移受表面態(tài)影響，轉(zhuǎn)移速度和轉(zhuǎn)移效率底，工作頻率一般在10MHz以下。體內(nèi)溝道（或埋溝道CCD）：

BCCD（BulkorBuriedChannelCCD）——用離子注入方法改變轉(zhuǎn)移溝道的結(jié)構(gòu)，從而使勢(shì)能極小值脫離界面而進(jìn)入襯底內(nèi)部，形成體內(nèi)的轉(zhuǎn)移溝道，避免了表面態(tài)的影響，使得該種器件的轉(zhuǎn)移效率高達(dá)99.999％以上工作頻率高達(dá)100MHz，且能做成大規(guī)模器件。

（3）、電荷檢測(cè)（輸出）

CCD輸出結(jié)構(gòu)是將CCD傳輸和處理的信號(hào)電荷變換為電流或電壓輸出。

電荷輸出結(jié)構(gòu)有多種形式，如電流輸出結(jié)構(gòu)、浮置擴(kuò)散輸出結(jié)構(gòu)、浮置柵輸出結(jié)構(gòu)等。浮置柵輸出結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣。

OG：輸出柵，F(xiàn)D：浮置擴(kuò)散區(qū)，R:復(fù)位柵，RD:復(fù)位漏,T:輸出場(chǎng)效應(yīng)管。浮置柵是指在P型硅襯底表面用V族雜質(zhì)擴(kuò)散形成小塊的n+區(qū)域，當(dāng)擴(kuò)散區(qū)不被偏置，其處于浮置狀態(tài)。2、電荷耦合攝像器件的工作原理

CCD的電荷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移的概念+半導(dǎo)體的光電性質(zhì)——CCD攝像器件按結(jié)構(gòu)可分為線陣CCD和面陣CCD

按光譜可分為可見光CCD、紅外CCD、X光CCD和紫外CCD

可見光CCD又可分為黑白CCD、彩色CCD和微光CCD（1）線陣CCD

線陣CCD可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)。下圖(a)為單溝道，(b)為雙溝道。CCD攝相器件原理1.光透過下面透明電極或電極間隙入微到基底上，產(chǎn)生光生電荷存儲(chǔ)在P-N結(jié)或酆電極下的勢(shì)阱2.轉(zhuǎn)移電壓高電平，光生電荷包被轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)的CCD移位寄存器；轉(zhuǎn)移電壓低電平，進(jìn)行光積累3.在光積累的時(shí)間內(nèi)，CCD移位寄存器在三相交疊的脈沖電壓作用下，一位位地移出器件，經(jīng)輸出放大器形成時(shí)序信號(hào)（視頻信號(hào)）二、電荷耦合攝像器件的特性參數(shù)黑白CCD的組成結(jié)構(gòu)圖彩色CCD的組成結(jié)構(gòu)分圖CCD的三層結(jié)構(gòu)：上：增光鏡片、中：色塊網(wǎng)格下：感應(yīng)線路由微型鏡頭、馬賽克分色網(wǎng)格，及墊于最底層的電子線路矩陣所組成彩色CCD運(yùn)行圖彩色CCD的原色原理目前CCD有兩種分色方式：一是RGB原色分色法，另一個(gè)則是CMYG補(bǔ)色分色法，這兩種方法各有利弊，過去原色和補(bǔ)色CCD的產(chǎn)量比例約在2：1左右，2003年后由于影像處理引擎的技術(shù)和效率進(jìn)步，目前超過80％都是原色CCD的天下。

彩色CCD的補(bǔ)色原理補(bǔ)色CCD由多了一個(gè)Y黃色濾色器，在色彩的分辨上比較仔細(xì)，但卻犧牲了部分影像分辨率，而在ISO值上，補(bǔ)色CCD可以容忍較高的感度，一般都可設(shè)定在800以上。什么是最低照度？最低照度是測(cè)量攝像機(jī)感光度的一種方法，換句話說，攝像機(jī)能在多黑的條件下看到可用的影像。但是因爲(wèi)沒有管理的國際標(biāo)準(zhǔn)，因此每個(gè)大型CCD制造商都有自己測(cè)量CCD感光度的方法。然而一個(gè)標(biāo)注為（1Lux，F(xiàn)10）的攝像機(jī)能和標(biāo)注為（0.01Lux，F(xiàn)10）的攝像機(jī)完全一樣?。?！奇怪嗎？爲(wèi)什麼呢？CCD的漏光排斥比的物理含義是什么？

由于CCD傳感器的缺陷，進(jìn)入CCD傳感器的強(qiáng)光將會(huì)穿透抵抗層產(chǎn)生過度的影像，CCD攝像機(jī)抵抗強(qiáng)光的能力稱為漏光排斥比拖光影像無拖光影像什么是插值像素？它能代表CCD實(shí)際像素嗎？

“插值”最初是電腦的術(shù)語，后來引用到數(shù)碼圖像上來。圖像放大時(shí)，像素也相應(yīng)地增加，但這些增加的像素從何而來？“插值”程序會(huì)自動(dòng)選擇信息較好的像素作為增加的像素，而并非只使用臨近的像素，所以在放大圖像時(shí)，圖像看上去會(huì)比較平滑、干凈但必須注意插值并不能增加圖像信息。例如：一張照片中，人因?yàn)榫嚯x比較遠(yuǎn)，在照片上只有一個(gè)白點(diǎn)，但當(dāng)圖像插值放大時(shí)，這個(gè)人還是白點(diǎn)，只是比以前稍微大了些。關(guān)于CCD逐行掃描與隔行掃描的區(qū)別？

隔行、逐行只是數(shù)據(jù)處理方式的不同；隔行技術(shù)源于早期電視技術(shù)，是先提取奇數(shù)行的數(shù)據(jù)形成圖像輪廓，再用偶數(shù)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充，因那時(shí)的技術(shù)限制，數(shù)據(jù)處理速度跟不上，就采取隔行方式，用于連續(xù)圖像，可以先把畫面輪廓送到觀眾面前。由于不是連續(xù)掃描，若成像過程中被攝體移動(dòng)，就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位。如果數(shù)據(jù)采集速度慢，逐行掃描的CCD拍攝動(dòng)體也會(huì)出現(xiàn)扭曲，反之，如果數(shù)據(jù)采集速度足夠快，隔行掃描也沒有什么問題盡管從技術(shù)層面來講逐行掃描CCD是好一些，但從日本的相關(guān)資料了解到，由于同樣大小CCD像素的不斷增加，CCD中傳送信號(hào)的通路無法適應(yīng)逐行掃描得到的一次性的大量的數(shù)據(jù)，會(huì)造成圖象處理速度的下降。因此在高像素的攝像機(jī)中隔行掃描的技術(shù)的應(yīng)用越來越多。至于隔行掃描會(huì)造成的錯(cuò)位問題，已經(jīng)得到了解決，解決的辦法是利用機(jī)械快門的運(yùn)動(dòng)?？紤]到其它因素對(duì)成像的影響遠(yuǎn)大于此。CCD的壞點(diǎn)和噪點(diǎn)有什么區(qū)別？成像元件（CCD或CMOS，目前一般指CCD）一般有數(shù)百萬個(gè)感光單元，如果其中某個(gè)感光單元損壞，不能成像，即成為壞點(diǎn)---DeadPixel。數(shù)碼攝影和傳統(tǒng)相機(jī)不同，傳統(tǒng)相機(jī)拍攝時(shí)很少因電子零件產(chǎn)生的雜訊干擾影響拍攝品質(zhì)。但是數(shù)碼攝影的雜訊產(chǎn)生環(huán)境就復(fù)雜多了，從操作過程中機(jī)體升溫效應(yīng)，CCD上的殘留能量以致于機(jī)身零件本身，甚至來自外界的電磁波干擾都有可能會(huì)在畫面上形成雜色的斑