光電成像器件像管攝像管課件

1、光電成像器件像管攝像管光電成像器件：陣列器件 “面源”探測(cè)，目標(biāo)識(shí)別等成像制導(dǎo)攻擊目標(biāo)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10 000lx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2 000lx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)

2、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(guó)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

3、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 。Photoelectronic Imaging Devices 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7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7章 光電成像器件第7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

4、件攝像頭第7章 光電成像器件7.1 像管（變像管和像增強(qiáng)器）7.2 電真空攝像管7.3 固體成像器件第7章 光電成像器件7.1.1像管基本結(jié)構(gòu)原理7.1.2變 像 管7.1.3像 增 強(qiáng) 器第7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7.1.1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(lái)實(shí)現(xiàn)。電子光學(xué)系統(tǒng)靜電系統(tǒng)：靠靜

5、電場(chǎng)的加速和聚焦來(lái)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(lái)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

6、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)7.1.2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1.15m的紅外光，光電陰極多為S-1 型Ag-O-Cs陰極 波長(zhǎng)大于1.15m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 7.1.3像增強(qiáng)器7.1.3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

7、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：Micro Channel Plate，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，

8、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(kù)、危險(xiǎn)物品庫(kù)等重要場(chǎng)所安全監(jiān)控；7.1.4像管的應(yīng)用 1. 主動(dòng)紅外夜視儀7.1.4像管的應(yīng)用 2. 微光夜視儀（105lx）7.1.4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

9、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7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7章 光電成像器件攝像頭7.2 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。7.2 電真空攝像管7.2.1電視制式7.2.2電真空攝像管的結(jié)構(gòu)原理7.2.1電視制式1. 掃 描2. 視頻信號(hào)3. 我國(guó)電視標(biāo)準(zhǔn)光電成

10、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 光學(xué)成像：光學(xué)物鏡將景物所反射出來(lái)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。 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 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

11、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 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。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

12、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1. 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(wú)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(wú)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(wú)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

13、視系統(tǒng)1. 掃 描 兩種掃描方式3. 我國(guó)電視標(biāo)準(zhǔn) 我國(guó)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(guó)NTSC美國(guó)一、電視制式小結(jié)1. 掃 描3. 我國(guó)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7.2.2 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(lái)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)

14、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

15、）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)射的光電子，在加速電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下，打到SEC靶上，產(chǎn)生二次電子發(fā)射。于是在靶的掃描面即形成與之對(duì)應(yīng)的電勢(shì)起伏，從而使光電陰極上的光學(xué)圖象轉(zhuǎn)移到SEC靶，變?yōu)榘袙呙杳嫔系碾妱?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） 從光電陰極發(fā)射出來(lái)的電子，在高的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)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，靶的掃描面電位只是均勻地升高。如果

16、光照不均勻，是一幅光學(xué)圖象，則掃描面上各P型島的電勢(shì)分布，將正比于入射光學(xué)圖象的亮度分布，亮度高的點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)的P型島的電勢(shì)也高。 2）光電導(dǎo)靶（視象管） 光進(jìn)入到每個(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P型島的電勢(shì)分布，將正比于入射光學(xué)圖象的亮度分布，亮度高的點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)的P型島的電勢(shì)也高。 硅靶氧化鉛靶 靶的成象面一邊為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，因而具有PIN結(jié)構(gòu)。工作過程都與硅靶管類似，所不同的是，它的靶是由PbO材料制成的。 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)（3）、掃描輸出信號(hào)硅靶攝象管產(chǎn)生視頻信號(hào)的過程： 掃描電子束按一定的制式去掃描靶面。例如先從左上角開始，從左向右掃，然后再一行挨著一行地從上向下掃，當(dāng)掃到最右下角時(shí)，再返回到左上角，接著掃下一幀。這相當(dāng)于用一條軟導(dǎo)線，按著一定的次序去接通每個(gè)P型島。當(dāng)電子束與每個(gè)P型島接觸時(shí)，上靶電子數(shù)的多少，正比于各P型島電勢(shì)的高低