第五章 光电成像检测器件.ppt

1、第五章 光电成像检测器件,光电探测器,光电成像器件,微光夜瞄镜,微光夜视眼镜,热像仪,第五章 光电成像检测器件,5.1 光电成像检测器件的类型与成像原理,5.2 真空摄像管,5.3 电荷耦合器件CCD,5.4 CMOS图像传感器,5.5 变象管和像增强器,5.1 光电成像检测器件的类型与成像原理,一、光电成像检测器件的类型,1、扫描型光电成像器件,又称摄像器件,这种器件通过电子束扫描或固体自扫描等方式，将被摄景物经光学系统成像在器件的光敏面（靶面）上的二维图像转变为一维时序信号输出处理,这种运载图像信息的一维时序信号称为视频信号,1、扫描型光电成像器件,2、非扫描型光电成像器件,由像敏面（光电

2、阴极），电子透镜和显像面（荧光屏）等三部分组成,二、电视扫描技术,1、视频信号,电子束扫描时，由视频信号控制电子束荧光屏的强度，荧光屏的发光强度是电子束强度的函数,电子束,显像管的电磁偏转线圈产生的洛伦磁力,产生水平和垂直的偏转（行、场两个方向扫描荧光屏,2. 扫 描,光电图像,将光电图像分割为很多细小的单元，称为像素,图像的分割与像素,2. 扫 描,电信号,光电图像,按一定规律依次将图像中的每一像素的电（电荷）信号读出的过程，称为扫描,图像的分割与象素,一帧,一行,扫描点从起始点出发再次回到该点，输出的全部图像信息称为一帧,2. 扫 描,行、帧,隔行扫描方式,逐行扫描方式,2. 扫 描,两种

3、扫描方式,逐行扫描方式,根据视人眼觉时间特性，无闪烁显示活动图象要高于48次/秒刷新速率,帧频：50Hz,行数：625,行频,降低行频,隔行扫描方式,2. 扫 描,两种扫描方式,隔行扫描方式,一帧分为两场,奇数场,偶数场,1,3,5,2,4,6,场频： 50Hz,帧频：25Hz,无闪烁,降低行频,隔行扫描方式,逐行扫描方式,高清晰成像测量系统,工业民用电视系统,2. 扫 描,两种扫描方式,正程和逆程,2. 扫 描,3. 我国电视标准,我国电视标准采用PAL制： 场频fv=50Hz，帧频fZ=25Hz； 隔行扫描，每帧625行； 场周期TV=20ms； 行周期TH=64s； 视频信号带宽BW=6

4、MHz,PAL德国,NTSC美国,5.2真空摄像管,一、视像管的结构和各部分作用 视像管是利用内光电效应原理将光学图像转变为电信号的这一类摄像管的统称,氧化铅靶由三层不同的材料组成-PIN型层结构,光电转换,信号存储,扫描输出,1.三个基本功能,光像,电子枪,利用电子枪发射出来的电子束依次扫描靶面各像素，将靶面的电荷（或电势）图像有序地转变成视频信号输出，这就完成了扫描输出的功能,加速电极 聚焦电极 聚焦线圈,偏转线圈,灯丝 热阴极 控制栅极,扫描输出,2.电子束扫描输出,2.电子束扫描输出,灯丝 热阴极 控制栅极 加速电极 聚焦电极 聚焦线圈 偏转线圈,电真空摄像管由于其重量和体积的限制，其

5、研究与发展已经告一段落，它正逐步被固体摄像器件所代替,2.硅靶结构和工作原理,二、摄像管的性能参数,1、摄像管的光电转换特性,2、光谱响应特性,5.3 电荷耦合器件CCD,固体成像器件本身能完成光学图像转换、信息存贮和按顺序输出视频信号的全过程。 固体成像器件与真空成像器件相比，有以下显著优点： 全固体化，体积小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲压性能好，可靠性高，寿命长； 基本上不保留残像（真空摄像管有1520%的残像），无象元烧伤，扭曲，不受电磁干扰； 对红外敏感，在军事上可用于红外夜视系统； 象元尺寸的几何位置精度高（优于1um），因而可用于不接触精密尺寸测量系统； 视频信号与微机接口

6、容易,高锟光纤之父,博伊尔&史密斯发明CCD图像传感器,2009年诺贝尔奖物理学奖得主,Fig.1贝尔实验室George Smith和Willard Boyle将可视电话和半导体存储技术结合发明了CCD原型,Fig.2 现代CCD芯片外观,几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括仙童半导体（Fairchild Semiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。其中仙童半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100 x100像素的平面装置,1973年，仙童公司的产品， 第一块商用CCD,一. CCD的结构与工作原理

7、,1、CCD单元结构,由多个像素组成线阵,金属栅极是分立的，氧化物与半导体是连续的,P,MOS结构 单元像素,基本名词,势 阱,势 阱,施加正电压,空穴耗尽区,电子的“陷阱,一个势阱所吸收的若干个光生电荷称为一个电荷包,基本名词,势 阱电子的势能图像类似一个波的形状，当电子处于波谷，就好像处在一口井里，比较稳定，很难跑出来，所以称为势阱,栅极正向电压增加时，势阱变深,改变UG，调节势阱深度,2、电荷的注入 （光注入、电注入,光注入,电子 信号电荷（包,产生电子空穴对,空穴 栅极电压排斥,3、电荷存储,3、电荷存储,存储电荷,P,单元最大存储信息电荷量,4、电荷耦合原理,基本思想： 调节势阱深度

8、 利用势阱耦合,势阱耦合,5、CCD电极结构形式 三相驱动形式的CCD,三相时钟脉冲电压按组（相）加到CCD各电极上,采用三相多晶硅交叠栅结构,6、电荷的输出,将CCD传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出。 电荷输出结构有多种形式，如电流输出、浮置扩散放大器输出、浮栅放大器输出结构等。 浮置扩散放大器属于电压输出方式，目前采用较多,6、电荷的输出,电流输出方式,衬底P和N+区构成输出二极管（反偏压,反偏二极管,6、电荷的输出,电流输出方式,衬底P和N+区构成输出二极管（反偏压,复位脉冲RS,102V,5V,浮置扩散放大器输出又称电压输出,T1管在复位脉冲R的作用下导通，将浮置区剩余电荷包抽

9、走。当复位脉冲R结束，T1管关闭后， A点具有一定的浮置电位。当电荷到来时， 由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管T2的栅极电压，在输出极得到放大的电压信号,二. CCD的主要特性参数,1. 转移效率，损耗率,7. 暗电流,3. 光电转换效率,4. 光谱响应特性,5. CCD噪声,6. 分辨率,2. 工作频率,8. 动态范围,1、转移效率，损耗率,总=n 例：=0.999，二相1024器件，总13,预先输入一定的背景电荷，零信号也有一定电荷“胖零”技术,2、 驱动频率,下限热生载流子影响,少数载流子平均寿命,上限电荷来不及转移,电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间,3、光电转换特性(,1

10、决定光电转换部件的特性，光电导摄像管的1值小于1。Sb2S3管的1值为0.60.7，PbO管的1值为0.95，而硅靶管的1值接近于1,分辨率表示能够分辨图像中明暗细节的能率，分辨率通常用两种方式表达，即极限分辨率和调制深度。 极限分辨率是以在等于光栅（图像）高度的范围内所能分辨的等宽度黑白线条纹数来表示。分为水平分辨率和垂直分辨率,4、分辨率,客观表示摄像管的分辨率，用调制深度来表示。 在摄像管的光敏面上投射40条和400条两组黑白条纹。 沿箭头方向扫描，在示波器上就得到如图b所示的电信号,CCD,电荷存储,电荷转移,电荷注入,电荷输出,CCD的结构与工作原理,小 结,5.4MOS图像传感器S

11、SPA,一、SSPA的结构与工作原理,1、SSPA的结构,2.电荷存贮工作方式,光电二极管电荷存贮工作方式的原理如图所示,1.连续工作方式 电荷存贮的连续工作方式,当一束光照到光电二极管的光敏面上时，假设光电二极管的量子效率为 ，那么光电流为,在自扫描光电二极管阵列中，由于象元数比较多，光电二极管的面积很小，在一般的入射光照下，它的光电流是很微弱的。要读取信号，要求光电流放大器的放大倍数非常高,光电二极管光电信号的取出是藉由下面几步实现的： (1)准备 首先闭合开关，如图a,此时结电容Cd上的电荷,2)曝光过程 打开开关，如图b,那么在曝光过程上所释放的电荷是,如果在曝光过程中，辐射照度和光电

12、流都是时间的变化函数，那么上所释放的电荷,式中为Ip平均光电流。同时，接面电容Cd上的电压因放电而下降到Vcd，它的值为,3)再充电过程 输出的峰值电压,则,二、SSPA线列阵 1.原理结构,它主要由以下三部分组成： (1)N位完全相同的光电二极管数组 (2)N个多路开关 (3)N位数字移位缓存器,2、SSPA矩阵 SSPA矩阵可以对某一平面（二维）上的光强分布进行光电转换,3、SSPA器件的信号读出及放大电路 1.电流放大输出,若充电电流为I0，那么通过电流放大器后的输出电压,2.电荷积分输出 电荷积分输出方式就是在输出视频在线对每一光电二极管的输出电流脉冲进行积分，然后输出一串方波的电压信

13、号,因此放大器的输出电压信号,四、SSPA的主要特性参数 1.光电特性 在电荷存贮工作方式下的SSPA组件，其光照引起的二极管输出电荷Q正比于曝光量,2.暗信号 系列线阵SSPA的暗电流温度特性,3.动态范围 SSPA器件的动态范围为输出饱和信号与暗场噪声信号之比值,其动态范围,SSPD图像传感器与上一节介绍的CCD图像传感器的性能比较,线阵CCD在扫描仪中的应用,CCD图像传感器的应用,线阵CCD在图像扫描中的应用,线阵CCD摄像机可用于彩色印刷中的套色工艺监控,风云一号卫星可以对 地球上空的云层分布 进行逐行扫描,线阵CCD用于字符识别,CCD数码照相机,数码相机简称DC，它采用CCD作为

14、光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。 数码相机从外观看，也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等，但比传统相机多了液晶显示器（LCD），内部更有本质的区别，其快门结构也大不相同,CCD用于图像记录,数码相机的外形,三基色分离原理,CCD数码照相机的结构,数码相机的结构解剖（索尼F828,CCD,CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片,CCD数码摄像机,5.5 CMOS图像传感器 （互补金属氧化物半导体Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconduc

15、tor）图像传感器出现于1969年,它是一种用传统的芯片工艺方法将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口电路等集成在一块硅片上的图像传感器件，这种器件的结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉，有着广泛的应用前景。 CMOS图像传感器虽然比CCD出现还早一年，但在相当长的时间内，由于它存在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率（有效像元与总面积之比）低（10%20%），响应速度慢等缺点，因此只能用于图像质量要求较低、尺寸较小的数码相机中，如机器人视觉应用的场合,一、概 况,目前，随着集成电路工艺水平的发展，CMOS图像传感器的各项指标也得到了很大的提高，1989年以后，

16、出现了“主动像元”（有源）结构。它不仅有光敏元件和像元寻址开关，而且还有信号放大和处理等电路，提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范围，使它的一些性能参数与CCD图像传感器相接近，而在功能、功耗、尺寸和价格等方面要优于CCD图像传感器，所以应用越来越广泛。 数码相机、摄像机、可拍照手机、可视门铃、PC机的微型摄像头、指纹鉴定等 医学诊断：药丸式摄像机（camera-in-a-pill,CMOS视频摄像头,带红外LED照明的CMOS视频摄像头,CMOS图像传感器的发展历史 1969：NASA喷气推进实验室JPL，制造成功第一片CMOS图像传感器； 1989：英国爱丁堡大学制成第一块单片CMO

17、S图像传感器； 1995：JPL制成128128 CMOS-APS（Active Pixel Sensor） ； 1997：东芝公司量产CMOS-APS，像元5.6um 5.6um；并含彩色滤色膜和微透镜阵列 2000：斯坦福大学与东芝公司CMOS-APS（像元0.35um），目前主流产品,一、CMOS图像传感器的基本结构及工作原理,1.CMOS图像传感器的工作原理框图,像敏单元（光电二极管）按X、Y方向排列成阵列，阵列中每一列像敏单元都有它在X、Y方向的地址，并分别由两个方向的地址译码器进行选择。输出信号送A/D转换器进行模数转换变成数字信号输出,2. 图像信号的输出过程,在Y方向地址译码器

18、（可以采用移位寄存器）的控制下，依次序接通每行像敏单元上的模拟开关（图中标志的Si,j），信号将通过行开关传送到列线上，再通过X方向地址译码器（可以采用移位寄存器）的控制，输送到放大器,三、CMOS图像传感器的像敏单元结构,两种类型：被动像敏单元结构和主动像敏单元结构。 1.被动式像敏单元结构 (PPSPassive Pixel Sensor) 只包含光电二极管和地址选通开关,CMOS像敏单元结构,图像信号的读出时序,被动像元结构的缺点：固定图像噪声大、图像信号的信噪比低,2.主动式像敏单元结构 (APS Active Pixel Sensor,主动式像敏单元结构的基本电路,主动式像敏单元时序

19、图,场效应管V1构成光电二极管的负载，它的栅极接在复位信号线上，当复位脉冲出现时，V1导通，光电二极管被瞬时复位；而当复位脉冲消失后，V1截止，光电二极管开始积分光信号。 V2为源极跟随器，它将光电二极管的高阻抗输出信号进行电流放大。V3用做选址模拟开关，当选通脉冲到来时， T3导通，使被放大的光电信号输送到列总线上,优点：主动像元的信号是先放大、再通过场效应管模拟开关传输，其固定图像噪声降低，图像信号的信噪比显著提高,复位晶体管,源极跟随器晶体管,行选择晶体管,四、CMOS图像传感器的性能参数,CMOS图像传感器的特性参数与CCD的特性参数基本趋于一致；近年来，CMOS成像器件取得重大进展，

20、已接近于CCD,1光谱性能与量子效率 CMOS成像器件的光谱性能和量子效率取决于它的像敏单元（光电二极管）。图所示为CMOS图像传感器的光谱响应特性曲线。光谱范围为3501 100nm，峰值响应波长在700nm附近，峰值波长响应度已达到0.4A/W,2填充因子 填充因子是光敏面积对全部像敏面积之比，它对器件的灵敏度、噪声、时间响应、模传递函数MTF等的影响很大。 因为CMOS图像传感器包含有驱动、放大和处理电路，它将占据一定的表面面积，因而降低了器件的填充因子。被动像元结构的器件具有的附加电路少，填充因子会大些。提高填充因子的方法有微透镜法和特殊象元结构法,3 输出特性与动态范围,CMOS器件

21、有4种输出模式：线性模式、双斜率模式、对数特性模式和校正模式。它们的动态范围相差很大，特性也有较大的区别。图示为4种输出模式的曲线,1）线性输出模式 线性输出模式的输出与光强成正比，适用于要求进行连续测量的场合。它的动态范围最小，而且在线性范围的最高端信噪比最大。在小信号时，因噪声的影响增大，信噪比很低,2）双斜率输出模式 双斜率输出模式是一种扩大动态范围的方法。它采用两种曝光时间，当信号很弱时采用长时间曝光，输出信号曲线的斜率很大；而当信号很强后，用短时间曝光，曲线斜率便会降低，从而扩大动态范围。为了改善输出的平滑性，采用多种曝光时间模式，使输出曲线是由多段直线拟合而成，会平滑得多,3）对数

22、输出模式 对数输出模式的动态范围更大，可达几个数量级，无需对相机的曝光时间进行控制，也无需对镜头的光圈进行调节。此外，在CMOS器件中，很容易设计出具有对数响应的电路。另外，因为人眼对光的响应也接近对数关系，故该模式具有良好的使用性能,4）校正模式,校正模式的输出规律如下,式中，U为信号输出电压，E是输入光强，k为常数，而为校正因子。为小于1的系数，显然，它也使输出信号的增长速度逐渐减缓,4噪声 CMOS图像传感器的噪声来源于光电二极管、放大器用的场效应管以及行、列选择等开关场效应管。这些噪声既有相似之处也有很大差别,5. 空间传递函数,利用像素尺寸b和像素间隔S等参数，很容易推导出CMOS成

23、像器件的理论空间传递函数，即,式中，f是空间频率。T（f）=0的空间频率称为奈奎斯特（Nyquis）频率fN。从上式中可求得,像素面积更大则通常意味着更好的像素质量,五、CMOS与CCD图像传感器性能比较,隔行传输式CCD（interline transfer CCD,1）首先对感光二极管曝光，产生电子,3）再逐次逐行的读出,2）然后将产生的电子转移到移位寄存器中,4）然后由电压电荷转换器将电荷转换成电压信号，再经过放大器放大，模数转换，才成为数字信息,典型的CMOS工作过程,1）曝光产生电子,2）电子转换成电压并被放大,3）电压信号被逐行的读出，并经过模数转换，成为数字信号,4）最终得到全部

24、图像信息,CCD和CMOS图像传感器比较,原理差异: CMOS的信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电荷信号，前者更为敏感，速度也更快，更为省电。 灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器,成本差异：CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS工艺，可以轻易地将周边电路(如AGC、CDS、Timing generator、或DSP等)集成到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片的成本；除此之外，由于CCD采

25、用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个象素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的成品率比CMOS传感器困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破 50%的水平，因此，CCD传感器的成本会高于CMOS传感器,分辨率差异：如上所述，CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如， 210万象素OmniVision的 OV2610 CMOS传感器，其尺寸为1/2英寸，象素尺寸为4.25m，但Sony在2002年12月推

26、出的ICX452，其尺寸与 OV2610相差不多(1/1.8英寸)，但分辨率却能高达513万象素，象素尺寸也只有2.78mm的水平,噪声差异：由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质,功耗差异：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到1218V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高

27、之外(需外加 power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平,成像方面：由于自身物理特性的原因，CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。在相同像素下,CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好，但由于低廉的价格以及高度的整合性，因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用,CMOS与CCD图像传感器性能比较,性能指标,CMOS图像传感器,CCD图像传感器,暗电流（PA/M2） 电子-电压转换率 动态范围 响应均匀性 读出速度(Mpixels/s) 偏置、功耗 工艺难度 信号输出方式

28、集成度 应用范围 性价比 成像质量,10100 大 略小 较差 1000 小 小 xy寻址，可随机采样 高 低端、民用 高 一般,10 略小 大 好 70 大 大 顺序逐个像元输出 低 高端、军用、科学研究 略低 好,应用差别： CCD低噪声、高分辨率、高灵敏度等高画质性能占据图像传感器高端市场。 CMOS 高集成度、高速、小体积、低价格等特点占据低端市场大的份额,CMOS图像传感器与CCD的特性比较,最大差异： 单元结构：CMOS图像传感器带放大器。 随机访问能力：CMOS图像传感器是信号寻址读出而CCD是信号顺序读出,有人说：“用CCD会成本高些，CCD用于高端产品，CMOS用于低端产品，

29、CCD影像品质是优于CMOS的”。这样说对吗,CCD技术相对旧一些，CMOS的技术新一些。 CCD低ISO时，画质表现好于CMOS；CMOS在高ISO控噪要比CCD优秀。 CCD连拍速度差，CMOS连拍速度好。 综上所述，CCD适合传统摄影师，因为他们讲究布光构图，宁上脚架也不提iso； CMOS适合近年摄影门槛下降的大环境下，追求性能的入门用户，他们用性能弥补技术，避重就轻。 另外一种说法也说得通： CCD适合拍风景，CMOS适合拍体育； CCD适合打莲花，CMOS适合打鸟。 这也是出于它们的特性来区别的。 两种传感器，没有说绝对的谁好谁不好,5.6 变象管和像增强器,光电成象器件是指能输出

30、图像信息的一类器件,真空成像器件(根据管内有无扫描机构,固体成像器件,把不可见光(红外或紫外)图像或微弱光图像通过电子光学透镜直接转换成可见光图象,如变象管、象增强管、X射线象增强器等,象管,摄像管,把可见光或不可见光（红外、紫外或X射线等）图象通过电子束扫描后转换成相应的电信号，通过显示器件再成像的光电成象器件,只要通过某些特殊结构或电路（即自扫描形式）读出电信号，然后通过显示器件在成像,夜视仪,输出图像信号,直视型光电成像器件,光电成像器件是一类能够输出图像信息（图像或视频信号）的功能器件，也称光电图像传感器,光电成像器件,摄像型,直视型,像 管,变像管,像增强管,电真空摄像管,固体摄像器

31、件,摄像管,5.6 变像管和像增强器,变象管是一种能把各种不可见光（红外，紫外和X射线）辐射图像变换成可见光图象的真空光电成象器件。 象增强器能把微弱的辐射图像增强到可使人眼直接观察的真空光电成像器件，因此也称为微光管。 变象管和象增强器通称为象管，都具有光谱变换和图像增强的功能,三个基本部分,光电变换部分,电子光学部分,电光变换部分,一、像管结构和工作原理,为了使微弱的不可见辐射图像通过像管变成可见图像，像管本身应能起到变换光谱、增强亮度和成像的作用,变像管 不可见光图像 可见光图像,红外夜视仪,1982年4月6月，英国和阿根廷之间爆发马尔维纳斯群岛战争。4月13日半夜，英军攻击承军据守的最

32、大据点斯坦利港。3000名英军布设的雷区，突然出现在阿军防线前。英国的所有枪支、火 炮都配备了红外夜视仪，能够在黑夜中清楚地发现阿军目标。而阿军却缺少夜视仪，不能发现英军，只有被动挨打的份。在英军火力准确的打击下，阿军支持不住，英军趁机发起冲锋。到黎明时，英军已占领了阿军防线上的几个主要制高点，阿军完全处于英军的火力控制下。6月14日晚9时，14 000名阿军不得不向英军投降。英军领先红外夜视器材赢得了一场兵力悬殊的战斗,1991年海湾战争中，在风沙和硝烟弥漫的战场上，由于美军装备了先进的红外夜视器材，能够先于伊拉克军的坦克而发现对方，并开炮射击。而伊军只是从美军坦克开炮时的炮口火光上才得知大

33、敌在前。由此可以看出红外夜视器材在现代战争中的重要作用,基本变像方法,直接变像 （依光波长改变光电阴极材料,近红外光像 1.15m,紫外光像 0.32m,基本变像方法,红外光像 波长大于1.15m,间接变像 （利用光电导技术,2.电子光学系统 电子光学系统的任务是加速光电子并使其成像在荧光屏上 静电系统:靠静电场的加速和聚焦来实现 电磁复合系统:靠静电场的加速和磁场的聚焦作用来实现 静电系统又分为聚焦型和非聚焦型,1）非聚焦型电子光学系统 工作时极间加上高电压，形成纵向均匀电场，由于均匀电场对光电子只有加速投射作用，没有聚焦成像作用，所以从光电阴极同一点发出的不同初速的光电子，不能在荧光屏上会

34、聚成一个像点，而是一个弥散圆斑，因此，近贴式象管的分辨率较低,在静电聚焦电子光学系统中，两个电极分别与光电阴极和荧光屏连接，因电极形状不同，有双圆筒电极系统和双球面电极系统,2）静电聚焦电子光学系统,由磁场聚焦和电场加速共同完成电子透镜成像作用的。 磁聚焦的优点是聚焦作用强，并容易调节，也容易保证边缘像差，分辨率高，缺点是管子外面有长螺旋线圈和直流激磁等，使整个设备的尺寸，重量增加，结构较复杂，故目前多用静电系统,3）复合聚焦电子光学系统,3.荧光屏 荧光屏的作用是将电子动能转换成光能。对荧光屏的要求是应具有高的转换效率，屏的发射光谱要同人眼或与之耦合的下级光电阴极的响应一致,二、像管的主要特

35、性参量 1.光谱响应特性和光谱匹配 象管的光谱响应特性就是指光电阴极的光谱响应特性 光谱匹配是指在象管的光谱响应范围内光源与光电阴极、光电阴极与荧光屏以及荧光屏与人眼视觉函数之间的光谱分布匹配,根据积分灵敏度的定义单位辐射通量所产生的光电流I以S表示，则S=i/，经换算，得,a称为光谱匹配因数,光谱匹配因数是选择象管各级材料的重要依据，对于光电阴极与荧光屏、荧光屏与人眼的视觉函数的匹配也都是用它们的光谱匹配因素来表示,为图中面积A2,为图中面积A1,2.增益特性 亮度增益是荧光屏的光出射度和入射至光电阴极面上的照度之比，以GB表示,若为单级变像管，经换算后得,设M是变像管的线放大倍数，即M2=

36、Aa/Ak，Sk的单位取A/lm，a为光电子透过系数，Ak、Aa分别为光电阴极、荧光屏的面积，则亮度增益可表示为,3.等效背景照度 把象管置于完全黑暗的环境中，当加上工作电压后，荧光屏上仍然会发出一定亮度的光，这种无光照射时荧光屏的发光称为象管的暗背景。 产生的主要原因：光电阴极的热电子辐射、局部强场产生的电子辐射、正性电极上的二次电子发射等。 由于暗背景的存在，使图像的对比度下降，甚至使微弱光图像淹没在背景中而不能辨别,变象管为（1225）10-3lx，微象管为210-7lx,等效背景照度是指当像管受微弱光照时，在荧光屏上产生同暗背景相等的亮度时，光电阴极面上所需的输入照度值，以,等效背景照度的典型值,4.分辨率 所谓分辨率是指当标准测试板通过象管后，在荧光屏上的每毫米长度上用目测法来分辨得开的黑白相间等宽距条件的对数，单位是每毫米线对数（IP/mm） 用目测法测量象管分辨率，因存在主观因素、差异较大，目前用光学传递函数来评定成像器件的像质,1.红外变像管 光电阴极采用Ag-O-Cs材料的象管一般称为红外变像管，能将不可见的近红外辐射图像转变为可见光图象的光电成像器件,三、常用变像管,变像管 不可见光图像 可见光图像,红外夜视仪,导通,截止,2、选通式变像管（导通和截止可控,选通式变像管（导通和截止可控,激光脉冲辐射图像,控制栅电压