第六章 攝像管簡

1、第五章真空光電器件復(fù)習(xí)總結(jié)第五章真空光電器件復(fù)習(xí)總結(jié) v掌握光電發(fā)射效應(yīng)掌握光電發(fā)射效應(yīng) v 了解光電陰極的主要參數(shù)和分類了解光電陰極的主要參數(shù)和分類 v掌握負(fù)電子親和勢材料的優(yōu)點掌握負(fù)電子親和勢材料的優(yōu)點 v 掌握光電管的工作原理掌握光電管的工作原理 v掌握光電倍增管的組成、工作原理、各部掌握光電倍增管的組成、工作原理、各部 分功能及使用應(yīng)注意的問題分功能及使用應(yīng)注意的問題 光電成像器件光電成像器件 攝像管攝像管 攝像管攝像管：攝制圖像、存貯和處理，即將：攝制圖像、存貯和處理，即將光學(xué)光學(xué) 圖像圖像轉(zhuǎn)變成適于處理和傳遞的時間序列的一轉(zhuǎn)變成適于處理和傳遞的時間序列的一 維維電信號電信號。 具體

2、分為以下具體分為以下四個過程四個過程： 1.光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成電荷（電位）圖像；光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成電荷（電位）圖像； v 2.對電荷圖像進(jìn)行存貯和積累；對電荷圖像進(jìn)行存貯和積累； v 3.對電信號進(jìn)行放大和增強；對電信號進(jìn)行放大和增強； v 4.對存貯電荷圖像的各個像素進(jìn)行序掃描，輸出對存貯電荷圖像的各個像素進(jìn)行序掃描，輸出 v 與輸入信息成比例的一維電信號。與輸入信息成比例的一維電信號。 v一、攝像管的分類一、攝像管的分類（按光電變換的形式）：（按光電變換的形式）： v1.外光電變換型（光電發(fā)射型）如圖外光電變換型（光電發(fā)射型）如圖(a) v2.內(nèi)光電變換型（光電導(dǎo)型）如圖內(nèi)光電變換型（光電導(dǎo)型）如

3、圖(b) v二、攝像管的組成及其作用：二、攝像管的組成及其作用： v構(gòu)成：光電變換與存儲部分、信號閱讀部分構(gòu)成：光電變換與存儲部分、信號閱讀部分 v（一）光電變換與存貯部分：（一）光電變換與存貯部分： v、光電變換部分：光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化成電位圖像、光電變換部分：光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化成電位圖像 v（）（）光電導(dǎo)體光電導(dǎo)體：利用光電導(dǎo)效應(yīng)：利用光電導(dǎo)效應(yīng) 光電光電 導(dǎo)體導(dǎo)體 信號板信號板 V10V0 v（）（）光電發(fā)射體光電發(fā)射體：利用光照下發(fā)射電子利用光照下發(fā)射電子 v移像區(qū)移像區(qū)（加速電場）：增強光電子能量，獲加速電場）：增強光電子能量，獲 得增益，提高靈敏度。得增益，提高靈敏度。 成像面成像面 掃描面掃

4、描面 掃描區(qū)掃描區(qū)移像區(qū)移像區(qū) 靶靶 v電荷存貯（積累）：電荷存貯（積累）： v為了對微弱的瞬時信號積累，采用為了對微弱的瞬時信號積累，采用積累元件積累元件 對整個幀周期產(chǎn)生的信號不斷積累。對整個幀周期產(chǎn)生的信號不斷積累。 v要求要求：幀周期內(nèi)的信號不漏走，足夠的絕緣：幀周期內(nèi)的信號不漏走，足夠的絕緣 能力和很高的電阻。能力和很高的電阻。 v（二）信號閱讀部分：（二）信號閱讀部分： v從靶面取出信號的任務(wù)是由閱讀部分來完成的。閱從靶面取出信號的任務(wù)是由閱讀部分來完成的。閱 讀部分包括讀部分包括電子束電子束發(fā)射系統(tǒng)（電子槍）和發(fā)射系統(tǒng)（電子槍）和電子束電子束聚聚 焦掃描系統(tǒng)焦掃描系統(tǒng)。 v三、主

5、要參數(shù)三、主要參數(shù)： v分辨率：圖像細(xì)節(jié)的鑒別能力分辨率：圖像細(xì)節(jié)的鑒別能力 v動態(tài)范圍：最高入射照度與最低入射照動態(tài)范圍：最高入射照度與最低入射照 度之比度之比 v四、光電導(dǎo)型攝像管四、光電導(dǎo)型攝像管（視象管）視象管） v視象管的結(jié)構(gòu)：視象管的結(jié)構(gòu)： v各部分的作用：各部分的作用： v電子槍電子槍：產(chǎn)生熱電子，并使它聚焦成很細(xì)：產(chǎn)生熱電子，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。的電子射線，按著一定的軌跡掃描靶面。 v（）（）電子束的產(chǎn)生電子束的產(chǎn)生：熱陰極發(fā)射出來的：熱陰極發(fā)射出來的 電子在陽極膜孔處會聚并通過陽電子在陽極膜孔處會聚并通過陽 極膜孔后極膜孔后 再發(fā)散開來。再發(fā)

6、散開來。 v（）（）電子束的聚焦電子束的聚焦：陽極膜孔發(fā)散出來：陽極膜孔發(fā)散出來 的電子束在靶面上會聚成一點，有電聚焦的電子束在靶面上會聚成一點，有電聚焦 和磁聚焦兩種方式。和磁聚焦兩種方式。 v（）（）電子束的偏轉(zhuǎn)電子束的偏轉(zhuǎn)：電子束能夠掃描到：電子束能夠掃描到 靶上任何一處，充分閱讀每一個像素信息。靶上任何一處，充分閱讀每一個像素信息。 v（）（）電子束垂直上靶電子束垂直上靶：當(dāng)電子束上靶與：當(dāng)電子束上靶與 靶面上積累的正電荷中和后才能使其轉(zhuǎn)變靶面上積累的正電荷中和后才能使其轉(zhuǎn)變 成視頻信號輸出，成視頻信號輸出， 那么電子束能否上靶，那么電子束能否上靶， 不僅與電子的速度大小有關(guān)，而且與其

7、速不僅與電子的速度大小有關(guān)，而且與其速 度的方向有關(guān)。由度的方向有關(guān)。由靶網(wǎng)和調(diào)制電極附近的網(wǎng)和調(diào)制電極附近的 校正線圈來完成。校正線圈來完成。 v幾種常見的視象管：幾種常見的視象管： v（）硅靶（）硅靶 當(dāng)電子束掃描時當(dāng)電子束掃描時PN結(jié)反偏置，有光照時光生電子通結(jié)反偏置，有光照時光生電子通 過信號板入地，光生空穴積累到過信號板入地，光生空穴積累到P型島。如果光照是型島。如果光照是 均勻的，靶的掃描面電位只是均勻地升高。如果光照均勻的，靶的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，則掃描面上各不均勻，是一幅光學(xué)圖象，則掃描面上各P型島的電型島的電 勢分布，將正比于入射光學(xué)圖

8、象的亮度分布。勢分布，將正比于入射光學(xué)圖象的亮度分布。 v（）氧化鉛靶（）氧化鉛靶 v五、光電發(fā)射型攝像管：五、光電發(fā)射型攝像管： v二次電子導(dǎo)電攝象管（二次電子導(dǎo)電攝象管（SEC） v SEC管是管是60年代初出現(xiàn)的一種高靈敏度攝象管，適于微年代初出現(xiàn)的一種高靈敏度攝象管，適于微 光攝象。光攝象。 v硅增強靶攝象管（硅增強靶攝象管（SIT） v夜視技術(shù)夜視技術(shù)是研究在夜間或低亮度條件下，是研究在夜間或低亮度條件下， 用于擴展觀察者視力范圍以實現(xiàn)隱蔽觀察用于擴展觀察者視力范圍以實現(xiàn)隱蔽觀察 的一種專門技術(shù)。的一種專門技術(shù)。 v按系統(tǒng)本身是否帶有紅外輻射源，可分為按系統(tǒng)本身是否帶有紅外輻射源，可

9、分為 主動式和被動式夜視儀。主動式和被動式夜視儀。 v被動式夜視儀：微光夜視儀、微光電視和被動式夜視儀：微光夜視儀、微光電視和 熱成像夜視儀。熱成像夜視儀。 v1.微光夜視儀微光夜視儀：它是利用月光、星光等夜天光，：它是利用月光、星光等夜天光， 通過像增強器的光增強作用，幫助人眼實現(xiàn)夜間觀通過像增強器的光增強作用，幫助人眼實現(xiàn)夜間觀 察的一種夜視器材。主要由望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)、像增強察的一種夜視器材。主要由望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)、像增強 器器(也稱微光管也稱微光管)和高壓供電裝置組成。和高壓供電裝置組成。 v第一代第一代微光夜視儀是指上世紀(jì)微光夜視儀是指上世紀(jì)60年代研制的采用三年代研制的采用三 級級聯(lián)式微光

10、管組成的微光夜視儀。級級聯(lián)式微光管組成的微光夜視儀。 v 第二代第二代微光夜視儀是指采用微通道板像增強器的微微光夜視儀是指采用微通道板像增強器的微 光夜視儀光夜視儀 。 v第三代第三代微光夜視儀是指微光夜視儀是指80年代研制的采用裝有高靈年代研制的采用裝有高靈 敏度的砷化鎵光電陰極的簿片管制成的微光夜視儀。敏度的砷化鎵光電陰極的簿片管制成的微光夜視儀。 v2.微光電視微光電視：像增強技術(shù)和電視攝像技術(shù)相結(jié)合像增強技術(shù)和電視攝像技術(shù)相結(jié)合 的產(chǎn)物，它也是利用月光、星光和大氣輝光進(jìn)行觀的產(chǎn)物，它也是利用月光、星光和大氣輝光進(jìn)行觀 察的一種夜視器材，其結(jié)構(gòu)主要由微光攝像管、控察的一種夜視器材，其結(jié)構(gòu)

11、主要由微光攝像管、控 制器和監(jiān)視器三大部分組成制器和監(jiān)視器三大部分組成 。 v可用于地面觀察，定向定點觀察，還可裝在大型艦可用于地面觀察，定向定點觀察，還可裝在大型艦 艇及飛機上監(jiān)視敵艦、敵機的活動，并可用于反坦艇及飛機上監(jiān)視敵艦、敵機的活動，并可用于反坦 克導(dǎo)彈的瞄準(zhǔn)射擊。另外，微光電視還可用來傳遞、克導(dǎo)彈的瞄準(zhǔn)射擊。另外，微光電視還可用來傳遞、 存儲雷達(dá)數(shù)據(jù)或作為計算機的輸入、輸出設(shè)備。存儲雷達(dá)數(shù)據(jù)或作為計算機的輸入、輸出設(shè)備。 v缺點：作用距離和觀察效果受天候影響較大。缺點：作用距離和觀察效果受天候影響較大。 v3.熱成像夜視儀熱成像夜視儀：靠接收目標(biāo)自身的紅外輻射來靠接收目標(biāo)自身的紅外

12、輻射來 工作，所顯示的圖像反映了目標(biāo)與周圍環(huán)境之間熱工作，所顯示的圖像反映了目標(biāo)與周圍環(huán)境之間熱 輻射輻射(溫度溫度)的差異，亦即利用熱對比度成像，因而的差異，亦即利用熱對比度成像，因而 是熱圖像。是熱圖像。 v具有軍事意義的目標(biāo)具有軍事意義的目標(biāo)(如飛機、坦克等如飛機、坦克等)一般都比周一般都比周 圍環(huán)境溫度高，因此也就成了熱像儀最好的觀察對圍環(huán)境溫度高，因此也就成了熱像儀最好的觀察對 象。熱像儀是目前最先進(jìn)的夜視器材。象。熱像儀是目前最先進(jìn)的夜視器材。 v熱像儀的優(yōu)越性能：能實現(xiàn)熱像儀的優(yōu)越性能：能實現(xiàn)“全被動全被動”、“全天候全天候” 觀察，能揭露偽裝，尤其能發(fā)現(xiàn)隱蔽在樹林和草叢觀察，能

13、揭露偽裝，尤其能發(fā)現(xiàn)隱蔽在樹林和草叢 中的人員和車輛。此外，它還能獲得目標(biāo)的狀態(tài)信中的人員和車輛。此外，它還能獲得目標(biāo)的狀態(tài)信 息，這在軍事上具有特殊重要的意義。息，這在軍事上具有特殊重要的意義。 三三 攝像管的主要特性參數(shù)攝像管的主要特性參數(shù) v衡量攝像管優(yōu)劣的總標(biāo)準(zhǔn)是：在測試臺的監(jiān)視器上衡量攝像管優(yōu)劣的總標(biāo)準(zhǔn)是：在測試臺的監(jiān)視器上 能否分辨一定的標(biāo)準(zhǔn)測試圖案。能否分辨一定的標(biāo)準(zhǔn)測試圖案。 v圖案的清晰程度是由許多因素決定的。為了分析和圖案的清晰程度是由許多因素決定的。為了分析和 研究各種因素對像質(zhì)的影響，必須規(guī)定出具體的特研究各種因素對像質(zhì)的影響，必須規(guī)定出具體的特 性參數(shù)。性參數(shù)。 v攝

14、像管的最主要特性參數(shù)是：攝像管的最主要特性參數(shù)是：靈敏度、惰性、分辨靈敏度、惰性、分辨 力和光電轉(zhuǎn)換特性等。力和光電轉(zhuǎn)換特性等。 v其中靈敏度和惰性主要決定于靶面，分辨力主要決其中靈敏度和惰性主要決定于靶面，分辨力主要決 定于掃描電子槍。定于掃描電子槍。 1) 攝像管的靈敏度攝像管的靈敏度 v靈敏度靈敏度S是攝像管的一個極其重要的特性參是攝像管的一個極其重要的特性參 數(shù)。數(shù)。 v它定義為輸出信號電流與輸入光通量它定義為輸出信號電流與輸入光通量(或照度或照度) 的比值。其單位為的比值。其單位為 Alm或或 A1x。 v光電導(dǎo)攝像管的靈敏度公式為光電導(dǎo)攝像管的靈敏度公式為 式中的式中的 N是靶面的

15、像元總數(shù)。由于靶面每是靶面的像元總數(shù)。由于靶面每 個像元接受光照的時間是電子束掃描時間個像元接受光照的時間是電子束掃描時間 的的 N倍，所以每個像元在幀周期倍，所以每個像元在幀周期 Tf內(nèi)輸入內(nèi)輸入 的光通量為的光通量為N，對應(yīng)的輸出信號電流為，對應(yīng)的輸出信號電流為 Is， 2) 攝像管的惰性攝像管的惰性 v在攝取動態(tài)圖像時，攝像管的輸出信號滯后在攝取動態(tài)圖像時，攝像管的輸出信號滯后 于輸入照度的變化，這一現(xiàn)象稱為惰性。于輸入照度的變化，這一現(xiàn)象稱為惰性。 v當(dāng)輸入照度增加時，輸出信號的滯后稱為當(dāng)輸入照度增加時，輸出信號的滯后稱為上上 升惰性升惰性。 v當(dāng)輸入照度減小時，輸出信號的滯后稱為當(dāng)輸

16、入照度減小時，輸出信號的滯后稱為衰衰 減惰性減惰性。 v對于電視攝像管的惰性指標(biāo)，通常采用對于電視攝像管的惰性指標(biāo)，通常采用 輸入照度截止后第三場和第十二場輸入照度截止后第三場和第十二場(以幀以幀 周期周期0.04s計為計為60ms和和240ms)剩余信號剩余信號 所占的百分?jǐn)?shù)來表示。所占的百分?jǐn)?shù)來表示。 v攝像管產(chǎn)生惰性的主要原因有兩個：一攝像管產(chǎn)生惰性的主要原因有兩個：一 是圖像寫入時的是圖像寫入時的光電導(dǎo)惰性光電導(dǎo)惰性；二是圖像；二是圖像 讀出時掃描電子束的等效電阻與靶的等讀出時掃描電子束的等效電阻與靶的等 效電容所構(gòu)成的效電容所構(gòu)成的充放電惰性充放電惰性。 3 ) 攝像管的分辨力攝像管

17、的分辨力 v 電視攝像管在攝像時對圖像細(xì)節(jié)的分辨能電視攝像管在攝像時對圖像細(xì)節(jié)的分辨能 力是一項重要的性能指標(biāo)。力是一項重要的性能指標(biāo)。 v由于電視系統(tǒng)采用掃描方式，故分辨力在垂由于電視系統(tǒng)采用掃描方式，故分辨力在垂 直和水平方向上是不同的。因而分成垂直分直和水平方向上是不同的。因而分成垂直分 辨力和水平分辨力即以畫面垂直方向或水平辨力和水平分辨力即以畫面垂直方向或水平 方向尺寸內(nèi)所能分辨的黑白條紋數(shù)來表示。方向尺寸內(nèi)所能分辨的黑白條紋數(shù)來表示。 這一極限分辨的線條數(shù)簡稱為電視線這一極限分辨的線條數(shù)簡稱為電視線(TLV)。 對攝像管亦應(yīng)如此。對攝像管亦應(yīng)如此。 攝像管的分辨力通常以電視線或電視

18、的行攝像管的分辨力通常以電視線或電視的行 幀高表示。也可以換算成以幀高表示。也可以換算成以 線對毫米表示的分辨力，即線對毫米表示的分辨力，即 式中，式中， h， l 分別為光柵高度和對角線的長分別為光柵高度和對角線的長 度。度。 例如，某攝像管分辨力為例如，某攝像管分辨力為400TVL，靶面有，靶面有 效直徑為效直徑為16mm，則靶面上的分辨力應(yīng)為，則靶面上的分辨力應(yīng)為 4） 攝像管的其它特性參數(shù)攝像管的其它特性參數(shù) 1攝像管的信噪比攝像管的信噪比 攝像管信噪比的定義為輸出視頻信號電流峰攝像管信噪比的定義為輸出視頻信號電流峰 一峰值，與輸出電流中所含噪聲均方根值的一峰值，與輸出電流中所含噪聲均

19、方根值的 比值。比值。 攝像管的噪聲來源很多，主要有：攝像管的噪聲來源很多，主要有： 光子、光電子、載流子、二次發(fā)射電子、光子、光電子、載流子、二次發(fā)射電子、 掃描電子的散粒噪聲；掃描電子的散粒噪聲； 載流子的產(chǎn)生一復(fù)合噪聲；載流子的產(chǎn)生一復(fù)合噪聲； 熱噪聲；熱噪聲； 1 / f 噪聲；噪聲； 預(yù)放器噪聲。預(yù)放器噪聲。 噪聲大時在圖像上反映為大量隨機移動的黑點噪聲大時在圖像上反映為大量隨機移動的黑點 和亮點和亮點。不同的探測目的，要求攝像管信噪。不同的探測目的，要求攝像管信噪 比是不一樣的。為使觀察者感覺不到噪聲，比是不一樣的。為使觀察者感覺不到噪聲， 光電導(dǎo)視像管的信噪比應(yīng)大于光電導(dǎo)視像管的信噪比應(yīng)大于25。 而攝像管靈敏度可定義為：當(dāng)輸出視頻信號一而攝像管靈敏度可定義為：當(dāng)輸出視頻信號一 定時定時(剛好滿足信噪比要求剛好滿足信噪比要求)，光敏面上所需，光敏面上所需 的最小輻射照度的倒數(shù)。所以的最小輻射照度的倒數(shù)。所以攝像管的靈敏攝像管的靈敏 度與信噪比密切相關(guān)度與信噪比密切相關(guān)。 v通常在光電導(dǎo)視像管中，放大器噪聲是主要通常在光電導(dǎo)視像管中，放大器噪聲是主要 的；在高增益的電子轟擊感應(yīng)電導(dǎo)型及帶移的；在高增益的電子轟