光電技術(shù)第8章1課件

第8章圖像信息的光電變換圖像傳感器真空成像圖像傳感器固體成像圖像傳感器CCD圖像傳感器CMOS圖像傳感器直視型掃描型一、真空成像器件這類器件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，如，夜視技術(shù)、電視技術(shù)、工件的圖象測量、精密零件的微小尺寸測量、產(chǎn)品外觀檢測、應(yīng)力應(yīng)變場分析、機(jī)器人視覺、交通管理與指揮、定位、跟蹤等。象管和攝像管真空成像器件如:使不可見光圖象變?yōu)榭梢姽鈭D象的器件;使光學(xué)圖象變?yōu)殡娨曅盘柕钠骷取?象管orthicon

象管變象管

圖象增強(qiáng)管

是指能夠把不可見光圖象變?yōu)榭梢姽鈭D象的真空光電管。

是指能夠把亮度很低的光學(xué)圖象變?yōu)橛凶銐蛄炼葓D象的真空光電管。

象管和攝象管的主要區(qū)別是，象管內(nèi)部沒有掃描機(jī)構(gòu)，不能輸出電視信號，對它的使用就跟使用望遠(yuǎn)鏡去觀察遠(yuǎn)處景物一樣，觀察者必須通過它來直接面對著景物。

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1.1象管的結(jié)構(gòu)和工作原理

象管的結(jié)構(gòu)原理示意圖

象管有三個基本部分：

二是電子光學(xué)部分，即電子透鏡，有電聚焦和磁聚焦兩種形式，它可以使光電陰極發(fā)射出來的光電子圖象，在保持相對分布不變的情況下進(jìn)行加速。三是電光變換部分，即熒光屏，它可以使打到它上面的電子圖象變成可見光一是光電變換部分，即光電陰極，它可以使不可見光圖象或亮度很低的光學(xué)圖象，變成光電子發(fā)射圖象。缺點：電聚焦的球面象差較大，畫面的中心部分和邊緣部分放大率不等，圖象有失真。因此，圖中的光電陰極多作成曲面狀，以補償電聚焦引起的象差。但曲率大時，焦距又要變小，使邊緣部分的分辨率降低。因此，近年來多采用光纖面板，使其外側(cè)為平面，內(nèi)側(cè)為球面，以解決光學(xué)透鏡和電透鏡的象差問題。電磁聚焦型象管結(jié)構(gòu)示意圖

圓筒形電極用來形成電透鏡和加速，管外的線圈用來使管內(nèi)產(chǎn)生平行于管軸的磁場，以形成磁透鏡。如果光電子有偏離于管軸的速度分量，磁場會使它呈螺旋狀前進(jìn)。電子每旋一圈所需的時間與初速度無關(guān)，所以光電面上任一點發(fā)射出來的電子，不管起初是沿什么方向發(fā)射，最終都可以被會聚于一點。以被加速和聚焦了的電子去轟擊熒光面時，熒光面可產(chǎn)生明亮的光學(xué)圖象，一般1個入射的光電子，可使熒光屏產(chǎn)生多個光子。例如，用1個10keV的電子去轟擊P-20熒光體時，可產(chǎn)生300個光子；1個20keV的電子，可產(chǎn)生1千多個光子。光電面的響應(yīng)時間極短，可忽略不計，而熒光面的響應(yīng)時間約為數(shù)毫秒至數(shù)秒，所以整管的響應(yīng)時間主要決定于熒光面。另外，為了避免光反饋，增加熒光面的光輸出，常在熒光面上對著光敏面一邊涂有鋁膜。S()為光電陰極的相對光譜靈敏度曲線；Sm為峰值靈敏度；為光源的相對光譜分布曲線；m為光源光譜輻射能量的最大值。積分靈敏度為光譜匹配因數(shù)對象管的亮度增益，可作如下的估計：對于S-20的光電陰極，量子效率約為10%，入射于熒光面的電子能量，由于技術(shù)原因最大只能加大到20keV，平均l個高能電子可產(chǎn)生500～1000個光子，因此整管的亮度增益為50～100。2.2.2.增益特性亮度增益是熒光屏的光出射度和入射至光電陰極上的照度之比。2.2.3.等效背景照度指當(dāng)象管受微弱光照時，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2.2.4.分辨率當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)測試板通過象管后，在熒光屏的每毫米長度上用目測法能分辨得開的黑白相間等寬距條文的對數(shù)。紅外變象管多應(yīng)用于軍事、公安等方面，供夜間偵察用。在民用方面，可用于暗室管理、物理實驗、激光器校淮和夜間觀察生物活動等。另外，溫度高于400℃的物體都會發(fā)出大量的紅外線，可通過紅外變象管觀察到它的象。如果與標(biāo)準(zhǔn)光源的亮度比較，即可求出它的強(qiáng)度。這就是夜視溫度計的原理。

紫外變象管的窗口材料為石英玻璃，光電發(fā)射材料為Sb-Cs陰極。它可以使波長大于200nm的紫外光變成光電子。紫外變象管與光學(xué)顯微鏡結(jié)合起來，可用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)等方面的研究。

紫外變象管

對于S-20的光電陰極，量子效率約為10%，入射于熒光面的電子能量，由于技術(shù)原因最大只能加大到20keV，平均l個高能電子可產(chǎn)生500～1000個光子，因此整管的亮度增益為50～100。如果象管后面是一個照相光學(xué)系統(tǒng)，并考慮到透鏡對光的吸收，這樣小的亮度增益是不能使感光膠片產(chǎn)生清晰的圖象的。因此管內(nèi)必須有使亮度進(jìn)一步增益的措施。

3.1.級聯(lián)式圖象增強(qiáng)管

為了增強(qiáng)圖象的亮度，現(xiàn)在采取的方法之一是，使幾個獨立的象管串聯(lián)起來，使亮度遂級增益。這種3管式的圖象增強(qiáng)管，亮度增益可達(dá)105。

3.2．微通道板式圖象增強(qiáng)管

該管的核心部分是微通道板，它是由若干個極細(xì)的空心管道組成，管徑約十幾微米。4真空攝象管能夠輸出視頻信號的一類真空光電管稱為攝象管。

有移象區(qū)，它的光電變換部分和光信息存儲部分是由兩部分來完成的，彼此分離，總稱為移象區(qū)。把沒有移象區(qū)，它的兩部分功能全由一個靶來完成。光電發(fā)射式攝象管光電導(dǎo)式攝象管或視象管電子槍部分二者基本相同。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（微光攝象領(lǐng)域）外一般用得較少。光電導(dǎo)式攝象管比前者體積小，結(jié)構(gòu)簡單，信號質(zhì)量有的也接近于前者，所以電視領(lǐng)域中用得較為普遍。4.1.2．分辨率

攝象管的分辨率是指攝象管對于光學(xué)圖象細(xì)節(jié)的鑒別能力。一般有兩種表示法：

1）極限分辨率

在最佳照度下，使高對比度的黑白相間條形圖案投射到攝象管的光敏面上，然后在監(jiān)視器上去觀察可分辨的最高空間頻率數(shù)。在電視中，通常是指在光柵高度范圍內(nèi)可分辨的最多電視行數(shù)（TVL/H）。有時也采用“線對/mm”的單位，它等于可分辨的電視行數(shù)一半除以靶的有效高度（mm）。例如25mm的視象管，靶面的有效高度約為10mm，若可分辨的最多電現(xiàn)行數(shù)為400時，相當(dāng)于20線對/mm。按這種方法表示的分辨率稱為極限分辨率。

2）調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）

極限分辨率是依靠觀察者的眼睛來分辨的，因而帶有一定的主觀性，同時也不能反映攝象系統(tǒng)各部分對分辨力的影響。因此，多采用調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）的概念。MTF的定義是，輸出調(diào)制度Mo與輸入調(diào)制度Mi之比的百分?jǐn)?shù)，即MTF=Mo/Mi×100%=(A-B)/(A+B)×100%

M的定義為光信息的最大值A(chǔ)與光信息最小值B之差，對A、B和的百分比。

圖象在傳送過程中，調(diào)制度M是隨空間頻率的增大而減小的。如果把調(diào)制度的損失程度以百分?jǐn)?shù)表示（以零頻時的調(diào)制度為100%），則調(diào)制度與空間頻率的關(guān)系曲線，就是調(diào)制傳遞函數(shù)。MTF能夠用儀器測量，因此它能客觀地反映攝象管的分辨力。

調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

攝象管的光電流輸出滯后于光信息輸入的一種現(xiàn)象。常用三場后殘余信號的百分比表示。這里所說的場，是指電視場，按我國的電視制式，場周期為20ms，三場后殘余信號的百分比，即光信息變化60ms后的輸出電信號，對于60ms前原輸出電信號的百分比。

4.1.3.惰性5光電導(dǎo)攝象管（視象管）

攝象管的基本結(jié)構(gòu)光電靶電子槍靶面的光敏層可進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，它的軸向電阻小，橫向電阻大，有利于保持光電轉(zhuǎn)換形成的電量潛象，并在掃描周期內(nèi)實現(xiàn)積分存儲。光電靶光窗信號極靶燈絲、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。電子槍硅靶攝象管

硅靶結(jié)構(gòu)圖與硅靶攝象管簡圖

每個P型島與N型襯底之間即形成一個PN結(jié)(光電二極管)。最后再在SiO2和P型島表面上蒸涂上一層電阻率適當(dāng)?shù)牟牧?，即成為硅靶?/p>

信號板:硅靶攝象管窗口玻璃內(nèi)表面涂有一層很薄的既可透光也可導(dǎo)電的金屬膜，在它上面接有引線可同負(fù)載相連。N型硅片硅片朝著電子槍一邊的表面，先生成一層氧化層(SiO2)，接著利用光刻技術(shù)在SiO2上光刻成幾十萬個小孔，再通過摻雜使每個小孔都變成P-Si。許多個小的P-Si被SiO2隔離，稱為P型島硅靶硅靶的光電變換信號板引線負(fù)載電阻靶電源的正極電子槍的熱陰極接地，掃描電子束具有地的電位當(dāng)電子束掃描到每個P型島時，P型島的PN結(jié)即被反偏置，結(jié)電容被充電到靶電源電壓由于PN結(jié)有反向漏電流(暗電流)，在負(fù)載電阻上要產(chǎn)生少量的電壓降，靶的兩邊——成象面(信號板一邊的靶面)和掃描面(朝著電子槍一邊的靶面)之間的電壓，略低于靶電源電壓。無光照如果光照是均勻的，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型島的電勢分布，將正比于入射光學(xué)圖象的亮度分布，亮度高的點，所對應(yīng)的P型島的電勢也高。

光進(jìn)入到每個PN結(jié)區(qū)將產(chǎn)生電子－空穴對，它們被結(jié)的內(nèi)電場分離以后，光生的電子通過信號板等外電路入地，光生的空穴則被積累于P型島上。有光照硅靶攝象管產(chǎn)生視頻信號的過程

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，再返回到左上角，接著掃下一幀。相當(dāng)于用一條軟導(dǎo)線，按著一定的次序去接通每個P型島。當(dāng)電子束與每個P型島接觸時，靶上電子數(shù)的多少，正比于各P型島電勢的高低。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)載電阻上即得到與之對應(yīng)的視頻電壓信號。與此同時，被掃到的P型島，即被拉回到地的電位，為下一幀光積分作準(zhǔn)備。當(dāng)下一幀再掃到它時，它就可以把一個幀周期時間內(nèi)積累起的信息電荷，瞬時地放出來，就這樣反復(fù)下去，即可得到與光學(xué)圖象亮度分布相對應(yīng)的時序視頻信號。氧化鉛靶攝象管

PbO靶攝象管的結(jié)構(gòu)和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。

PbO靶結(jié)構(gòu)及能帶圖

工作時，信號板通過負(fù)載和靶電源的正極相接，電子槍的熱陰極接地，當(dāng)掃描電子束掃描靶面時，相當(dāng)于對PIN進(jìn)行反偏置。窗口玻璃內(nèi)壁是一層金屬膜作為信號板，接著就是PbO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)很厚的本征氧化鉛I-PbO，因而具有PIN結(jié)構(gòu)。靶電源電壓約45V左右。PbO靶也有光信息的存儲功能，它的軸向電阻較小，橫向電阻很大，掃描面上的電勢起伏可保持較長時間不變。碲化鋅鎘靶攝象管

由圖可見，窗口玻璃內(nèi)壁涂有一層SnO2薄膜為信號板，接著就是靶。靶有三層結(jié)構(gòu)，第一層為ZnSe，屬于N型半導(dǎo)體，厚50～100nm。第二層為碲化鋅和碲化鎘的困溶體（ZnxCd1-xTe），屬于P型半導(dǎo)體，厚3～5μm。光電效應(yīng)主要發(fā)生在第二層，x值的大小對靈敏度、暗電流和光譜特性都有較大的影響，x值小，靈敏度高，體內(nèi)暗電流增大，光譜特性的峰值波長向長波方面移動。第三層是無定形三氧化二銻Sb2O3，厚100nm。第一層與第二層之間形成異質(zhì)結(jié)。第二層與第三層之間不形成結(jié)。第一層ZnSe無光電效應(yīng)，它的作用是增強(qiáng)對短波光的吸收，提高整個可見光區(qū)的靈敏度，另外它還可以阻止光生空穴向成象面一邊擴(kuò)散，有提高靈敏度，減小暗電流的作用。第三層的作用是減小掃描電子束的電子注入效應(yīng)（圖象上的浮雕現(xiàn)象），減小暗電流和惰性。光電發(fā)射式攝象管

二次電子導(dǎo)電攝象管（SEC）

SEC管是60年代初出現(xiàn)的一種高靈敏度攝象管，適于微光攝象。SEC管的基本結(jié)構(gòu)分三部分：光電陰極，靶和電子槍。光電陰極和靶合在一起統(tǒng)稱為移象區(qū)。SEC管的工作原理是：光學(xué)圖象投射到光電陰極上，產(chǎn)生相應(yīng)的光電子發(fā)射，在加速電場和聚焦線圈所產(chǎn)生的磁場共同作用下，使它打到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應(yīng)的電勢起伏，從而使光電陰極上的光學(xué)圖象轉(zhuǎn)移到SEC靶，變?yōu)榘袙呙杳嫔系碾妱莘植紙D象。靶的二次電子發(fā)射系數(shù)越大，移象后靶上的電勢起伏也就越大。以后，視頻信號的輸出過程，就與光電導(dǎo)式攝象管完全