第五章光電成像器件

第五章光電成像器件5.1像管定義分類及功能5.2像管的工作原理與結(jié)構(gòu)5.3像管的主要特性分析5.4變像管5.5像增強器5.6攝像管5.1像管的定義分類及功能不可見光圖像微弱光圖像可見光圖像1、概念光電子成像器件光電成像器件真空成像器件固體成像器件像管攝像管變像管像增強器（微光管）光電發(fā)射型攝像管光電導(dǎo)型攝像管（攝像管）（視像管）2.分類：①變換光譜②增強亮度③光學(xué)成像3.功能：5.2像管的結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)：光電陰極（光電變換部分）常用的有4種：

Ag-O-Cs光電陰極、單堿和多堿光電陰極、各種紫外光電陰極、NEA光電陰極不可見光圖像微弱光圖像電子圖像電子圖像的能量電子光學(xué)系統(tǒng)（電子透鏡）增強聚焦成像非聚焦型聚焦型復(fù)合型高轉(zhuǎn)換效率發(fā)射光譜同眼睛或與之耦合的下級光電陰極響應(yīng)相一致熒光屏（電光變換部分）能量增強的電子圖像可見光學(xué)圖像1、光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)：1.1光譜響應(yīng)特性1.2增益2、光學(xué)特性參數(shù)：2.1分辨率2.2放大率2.3畸變2.4調(diào)制傳遞函數(shù)2.5背景特性5.3像管主要特性分析1、光電轉(zhuǎn)換特性及參數(shù)1.1光譜響應(yīng)特性像管的光譜匹配：光電陰極、光電陰極與熒光屏、熒光屏與人眼視見函數(shù)像管的光源定義為：光電陰極的光譜響應(yīng)率函數(shù)；熒光屏的發(fā)光光譜分布。α總是小于1，α越大，說明匹配的越合理光譜匹配系數(shù)，用表示。常用光電陰極和光源的α值0.4610.07100.2010.7070.6260.2270.01790.9530.7820.8680.1120.8770.5830.7220.060.9140.4270.6980.5160.2730.2170.3950.276標(biāo)準(zhǔn)光源標(biāo)準(zhǔn)紅外光源熒光屏熒光屏熒光屏00.01770.27標(biāo)準(zhǔn)紅外光源0.270.540.37滿月光0.240.0450.1340.0647晴朗星光暗綠色漆反射的輻射00.05390.269標(biāo)準(zhǔn)紅外光源0.0880.270.13滿月光0.1590.0080.06310.0148晴朗星光綠色草木反射的輻射光適應(yīng)眼光陰極光源1.2像管的增益特性

像管輸出亮度的大小,在入射照度一定時,由亮度增益所決定。①亮度增益定義：像管輸出亮度L與光電陰極面入射照度E之比的倍，用GL表示②輻射亮度增益

輻射亮度增益用表示，其定義為

③亮度增益與輻射亮度增益K：光源光視效能421.347614059.25.4519.913047.8K(lm/W)熒光屏熒光屏熒光屏滿月光下的綠色草木晴星下的綠色草木標(biāo)準(zhǔn)紅外光源下的綠色草木標(biāo)準(zhǔn)紅外光源2856K標(biāo)準(zhǔn)光源光源光視效能2、光學(xué)特性定量描述圖像失真程度的性能指標(biāo)。反映像管成像質(zhì)量的一個重要參數(shù)。定義：用熒光屏上每毫米所能分開的黑白線對數(shù)的多少。單位為lp／mm。2.1分辨率測試方法：標(biāo)準(zhǔn)測試圖案聚焦在光電陰極表面，用目視方法觀察熒光屏上的圖像，然后確定該系統(tǒng)的分辨率大小。定義：當(dāng)有一圓形輻射圖案投射在光電陰極表面上時，在熒光屏上顯示的圖像直徑與輸入圖案直徑之比。用m表示。習(xí)慣上常用光電陰極及熒光屏的有效面積來表示。2.2線放大率如果圖案剛好充滿光電陰極有效面積，輸出圖象也剛好充滿熒光屏有效面積，則畸變的定義為:mc：中心放大率，me：邊緣放大率。通常取光電陰極有效直徑的70%～80%處的畸變值表示器件的特性。2.3畸變2.4光傳遞特性輸出亮度隨入射照度的變化關(guān)系。當(dāng)入射照度過高時，輸出和輸入不再保持線性關(guān)系。輸出趨于飽和，原因：1.光電發(fā)射能力有限；2.光電子空間電荷效應(yīng)；3.熒光屏發(fā)光能力有限。

2.5背景特性（1）暗背景概念：無光照時,像管的輸出亮度。產(chǎn)生原因：光電陰極熱電子發(fā)射局部場強產(chǎn)生的電子發(fā)射正電極上的二次電子發(fā)射措施：降低陰極溫度減少電極污染暗背景度量：可以用等效背景照度來度量。當(dāng)像管受微弱光照時，在熒光屏上產(chǎn)生同暗背景相等的亮度時，光電陰極面上所需的輸入照度值。暗背景亮度值（2）信號感生背景概念：因入射信號的影響而產(chǎn)生的背景。產(chǎn)生原因：信號增強時，陰極透射光、管內(nèi)散射光、光反饋、電子反饋等的增強。別處亮度某處亮度的變化5.4變像管紅外輻射圖像紫外輻射圖像可見光圖像光譜變換光學(xué)成像主要功能工作原理紅外輻射圖像被光學(xué)物鏡成像后位于光電陰極的前方，該輻射圖像相當(dāng)于對光電陰極有一輻射通量，光電陰極將其變成與其亮度成正比的電子圖像，經(jīng)靜電聚焦后轟擊熒光屏，形成可見光圖像。紅外變像管特點光電陰極多為Ag-O-Cs陰極；它可以使波長小于1.15μm的紅外光變成光電子。對于波長大于1.15μm的紅外光，采用負(fù)電子親和勢陰極。將光電陰極及熒光屏連同光纖面板一起制成球面型，使聚焦面與熒光屏重合，從而改善了像質(zhì)。熒光屏上的像借助于平凹形的光纖平板展開成平面像。光纖面板變像管5.5像增強器功能：增強微弱光圖像的亮度，使其便于觀察。但該微弱光圖像仍屬于可見光范圍，只是發(fā)光強度較弱。增強亮度光學(xué)成像主要功能第一代微光像增強器為了增強圖像的亮度，將完全相同的多個單級像增強器耦合起來，使亮度逐級增益。3級串聯(lián)的圖像增強管，亮度增益可達(dá)105。需要注意光譜匹配問題。微通道板----MCP(MicroChannelPlate)是利用電子在通道內(nèi)的二次倍增來實現(xiàn)增強亮度的,具有傳輸、增強電子圖像功能的電子倍增器。第二代微光像增強器——微通道板像增強器特性當(dāng)光電面發(fā)射的電子進(jìn)入MCP后，MCP兩端加上高的直流電壓（約數(shù)千伏）后，在每個微管道內(nèi)即形成極強的電場。在強電場作用下經(jīng)過和管壁的多次碰撞，而得到電子倍增。一般直流電壓為10kV的微通道板，可得到105～106的電子增益。工作原理⑴體積小，重量輕，整管長度和重量約為一代級聯(lián)管的二分之一；(2)亮度便于調(diào)節(jié)；(3)減少了熒光屏的光反饋；(4)整管電壓較低微通道板像增強器的優(yōu)缺點其突出的是：⑴噪聲大，主要是的附加噪聲；⑵圖像不夠均勻；⑶工藝難度大，主要是的制作以及后續(xù)工序?qū)CP有影響。缺點第三代像增強器第二代象增強器的微通道板結(jié)構(gòu)配以負(fù)電子親和勢光電陰極，構(gòu)成第三代像增強器。第三代像管具有高增益、低噪聲、較高的圖像分辨力的優(yōu)點，成為目前性能最優(yōu)越的直視型光電成像器件。WGS15-1型手持微光夜視儀WGS15-1型手持微光夜視儀

主要特點：該夜視儀是以微光像增強器為核心攜帶方便的一代手持微光夜視儀，該夜視儀配有IR助視燈，視場大、體積小、重量輕、使用方便。

用途：用于夜間和低照度下進(jìn)行觀察。在公安偵破、邊防守衛(wèi)、海關(guān)及科學(xué)研究等方面均可廣泛運用。

主要性能：

物鏡孔徑：48毫米放大倍率：1.8倍

物方視場：17°調(diào)焦范圍：5米～無窮遠(yuǎn)

視度范圍：±5屈光度出瞳直徑：7毫米

分辨力：≤2.8毫弧度工作電壓：3伏直流（采用標(biāo)準(zhǔn)5號電池）

像增強器：一代像增強器（XX1490）

尺寸：192（L）×66（W）×88（H）

質(zhì)量：0.7公斤WGS40-1型雙目觀察夜視儀

主要特點：該夜視儀可手持、或配置三角架使用，選用高性能二代像增強器，體積小、重量輕、性能優(yōu)良。

適用范圍：主要適合于軍事、準(zhǔn)軍事部門遠(yuǎn)距離偵察、跟蹤、監(jiān)視，還可粗略測距。

主要性能：

放大倍率：1倍物方視場：38°

調(diào)焦范圍：250mm～無窮遠(yuǎn)分辨力：≤0.9毫弧度視度范圍：-5～+2屈光度出瞳直徑：7毫米

工作電壓：3伏直流（采用標(biāo)準(zhǔn)5號電池）

像增強器：高性能二代像增強器（1XZ18/18WHS-2）攝像管電荷耦合器件5.6攝像管攝像管是電視攝像機中將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號的一種電真空器件，是整個電視發(fā)送系統(tǒng)中的第一個部件。攝像管性能的優(yōu)劣，對整個電視系統(tǒng)的質(zhì)量關(guān)系極大。攝像管的基本任務(wù)是把輸入的光學(xué)圖像信息轉(zhuǎn)換成適合于處理和傳遞的時間序列的一維電信號。而視頻信號能再現(xiàn)入射的光圖像信號。第一節(jié)攝像管的分類和基本原理第二節(jié)攝像管的主要參數(shù)一、攝像管的分類二、攝像管的基本組成和作用三、光電導(dǎo)式攝像管（視像管）1、組成與作用2、分類四、光電發(fā)射型攝像管1、組成與作用2、二次電子導(dǎo)電攝像管（SEC）3、光電發(fā)射型攝像管的應(yīng)用3、硅靶攝像管的組成與工作原理4、光電導(dǎo)型攝像管的應(yīng)用一、攝像管的分類1、按電荷積累方式分類

①光電導(dǎo)型：內(nèi)光電變換型，沒有移像部分，視像管

②光電發(fā)射型：外光電變換型，有移像部分

③二次電子發(fā)射型④二次電子導(dǎo)電型⑤電子轟擊感應(yīng)電導(dǎo)型二、攝像管的基本組成和作用寫入、存貯：輸入的光學(xué)圖像照射在靶面上產(chǎn)生電荷(電位)圖像并存儲；閱讀、抹除：掃描電子束從靶面上取出視頻信號。

a)光電導(dǎo)式攝像管

b)光電發(fā)射式攝像管三、光電導(dǎo)式攝像管（視像管）1、組成與作用光電導(dǎo)靶和電子槍。光電導(dǎo)靶光窗信號極靶完成光電變換與信號存儲電子槍：發(fā)射系統(tǒng)和聚焦偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。具體包括燈絲、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、校正線圈等視頻信號輸出2、分類靶面結(jié)構(gòu)無結(jié)型：硫化銻管結(jié)型：氧化鉛管、硅靶管、異質(zhì)結(jié)靶管3、硅靶攝像管的組成與工作原理光窗：玻璃窗口3.1組成信號板：窗口玻璃內(nèi)表面涂有一層很薄的既可透光也可導(dǎo)電的金屬膜，在它上面接有引線。硅靶：N型硅片SiO2氧化層光刻產(chǎn)生幾十萬個小孔摻雜使每個小孔都變成P-Si。

P型島（像素）PN結(jié)（光電二極管）電阻海3.2工作原理工作時，信號板通過引線、負(fù)載電阻與靶電源的正極相連。熱陰極接地。(1)硅靶的光電變換與存儲：光學(xué)圖像硅靶的PN結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子空穴對PN結(jié)的內(nèi)電場分離電子通過信號板等外電路入地空穴積累于P型島上，建立起電位圖像并保持由于掃描面上各P型島的電勢分布，將正比于入射光學(xué)圖像的亮度分布在一幀的掃描周期內(nèi)。(2)視頻信號輸出P型島的電位圖像電子槍產(chǎn)生空間兩維掃描的電子束按一定的制式去掃描靶面電子束接觸到的P型島，靶上電子數(shù)的多少，正比于各P型島電勢的高低。被掃到的P型島，被拉回到地的電位在輸出回路（靶-負(fù)載電阻-電源-熱陰極-靶）中即產(chǎn)生與之對應(yīng)的電子流，在負(fù)載電阻上可得到對應(yīng)的時序視頻電壓信號。在一幀的周期內(nèi)完成全靶面的掃描為下一幀光積分作準(zhǔn)備電子束逐行掃描軌跡（3）掃描方式逐行掃描與隔行掃描（a）奇數(shù)場

（b）偶數(shù)場隔行掃描的一幀電子束軌跡隔行掃描重現(xiàn)圖像示意圖(4)總結(jié)當(dāng)被攝景物（光學(xué)圖像）通過攝像機光學(xué)鏡頭成像到光電導(dǎo)體靶面時，利用內(nèi)光電效應(yīng),因各個像素上照度的不同，從而在靶面產(chǎn)生電位起伏（電位圖像）。通過掃描電子束的換接作用，產(chǎn)生視頻信號。4、光電導(dǎo)型攝像管的應(yīng)用光電導(dǎo)型的優(yōu)點是體積小，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)使用方便。在工業(yè)電視中、彩色廣播電視中應(yīng)用廣泛。四、光電發(fā)射型攝像管1、組成與作用由移像區(qū)與掃描區(qū)組成，適于微光攝像移像區(qū)光電陰極：光電變換部分靶：獲得電子圖像倍增及存儲掃描區(qū)（電子槍）：視頻信號輸出光窗2、二次電子導(dǎo)電攝像管（SEC）SEC管的基本結(jié)構(gòu)簡圖2.1結(jié)構(gòu)2.2工作原理（1）光電變換光學(xué)圖像投射到光電陰極上，產(chǎn)生相應(yīng)的光電子發(fā)射，在電子光學(xué)系統(tǒng)的加速聚焦作用下，使它打到SEC靶上，產(chǎn)生二次電子發(fā)射。（2）電子圖像存儲在靶的掃描面即形成與之對應(yīng)的電勢起伏，從而使光電陰極上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)移到SEC靶，變?yōu)榘袙呙杳嫔系碾妱莘植紙D像。靶的二次電子發(fā)射系數(shù)越大，移像后靶上的電勢起伏也就越大。（3）視頻信號輸出視頻信號的輸出過程，就與光電導(dǎo)式攝象管完全相同了。（4）總結(jié)當(dāng)光學(xué)圖像投射到光電陰極時，利用外光電效應(yīng)光電陰極上發(fā)射出相對應(yīng)像素強弱不同的光電子流，在電場作用下，轟擊靶面，產(chǎn)生電位起伏（電位圖像）。然后，通過掃描電子束的換接作用，產(chǎn)生視頻信號。3、光電發(fā)射型攝像管的應(yīng)用光電發(fā)射式攝象管歷史最早，信號質(zhì)量也最高，但體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整麻煩，所以目前除特殊場合（微光攝像領(lǐng)域）外一般用得較少。一、攝像管的靈敏度定義：輸出信號電流與輸入光通量(或照度)的比值。其單位為μA／lm或μA／1x。二、光電特性

Is灰度等級：按照一定標(biāo)準(zhǔn)劃分的亮度等級。表明亮度的明暗程度。也稱色階或灰階。三、分辨率

攝像管的分辨率是指攝象管對于光學(xué)圖像細(xì)節(jié)的鑒別能力。有兩種表達(dá)方式，即極限分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)。1、極限分辨率定義①用每毫米所能分辯的最多黑白條線對數(shù)表示（lp/mm)

②在接收圖像的高度、寬度范圍內(nèi)所能分辯的等寬黑白條數(shù)表示攝像管習(xí)慣用每幀多少電視行（TVL)表示③分辨率分水平分辨率與垂直分辨率

h，l分別為光柵高度和對角線的長度。例如，某攝像管分辨力為400TVL，靶面有效直徑為16m