光电成像技术Chapter7-电视型电真空成像器件成像物理

1、*光电成像原理光电成像原理1第七章第七章 电视型电真空成像器件成像物理电视型电真空成像器件成像物理*光电成像原理光电成像原理2电视型电真空成像器件成像物理电视型电真空成像器件成像物理 电视型光电成像器件电视型光电成像器件突破了图像显示在时突破了图像显示在时间上的限制间上的限制，其成像方式不同于直视型光电成，其成像方式不同于直视型光电成像器件，主要特征是完成图像的像器件，主要特征是完成图像的实时远距离传实时远距离传输输；电视技术中的摄像管；电视技术中的摄像管不直接产生输出图像不直接产生输出图像，而是把输入图像转换为便于而是把输入图像转换为便于传输和记录的视频传输和记录的视频信号信号，然后将输出的

2、视频信号转换为光学图像，然后将输出的视频信号转换为光学图像（显像管）。（显像管）。工作方式：工作方式：接收二维的光学图像或热图像接收二维的光学图像或热图像,利用利用光敏面的光电效应或热电效应将其转换为二维电荷光敏面的光电效应或热电效应将其转换为二维电荷图像并进行适当时间的存储图像并进行适当时间的存储,然后通过电子束扫描然后通过电子束扫描或电荷耦合转移等方式或电荷耦合转移等方式, 输出一维时间的视频信号。输出一维时间的视频信号。*光电成像原理光电成像原理3电视型电真空成像器件成像物理电视型电真空成像器件成像物理*光电成像原理光电成像原理4 根据电视型光电成像器件的工作方式可知，电视根据电视型光电

3、成像器件的工作方式可知，电视摄像的最终目的是将二维空间分布的光学图像转换为摄像的最终目的是将二维空间分布的光学图像转换为一维时间变化的视频信号，然后将视频信号再转换为一维时间变化的视频信号，然后将视频信号再转换为光学图像，不同类型摄像管的光学图像，不同类型摄像管的基本原理基本原理按照其物理过按照其物理过程分为以下三步程分为以下三步(与工作方式一一对应与工作方式一一对应)：7.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 摄像管光敏元件接收二维空间分布的图像信号并进摄像管光敏元件接收二维空间分布的图像信号并进行光电转换成二维空间分布的电荷量；行光电转换成二维空间分布的电荷量；(光阴极光阴极/光敏面光

4、敏面)摄像管电荷存储元件（摄像管电荷存储元件（靶靶）在一帧周期内连续积累）在一帧周期内连续积累光敏元件的电荷量并光敏元件的电荷量并保持其空间分布保持其空间分布；摄像管电子枪产生空间二维扫描的电子束，在一帧摄像管电子枪产生空间二维扫描的电子束，在一帧周期内完成全靶面的扫描，在输出电路上产生与被周期内完成全靶面的扫描，在输出电路上产生与被扫描点辐射强度成比例的视频信号。扫描点辐射强度成比例的视频信号。*光电成像原理光电成像原理57.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 摄像管结构：摄像管结构：光电转换：光电转换：*光电成像原理光电成像原理6 电视技术的发展都是围绕着电视技术的发展都是围绕着摄像

5、管摄像管(电视系统核电视系统核心部件心部件)的图像传输、灵敏度的提高、像质改善等问的图像传输、灵敏度的提高、像质改善等问题进行研究。题进行研究。7.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 一、摄像管的结构与工作原理一、摄像管的结构与工作原理摄像管的必备功能：摄像管的必备功能： 图像的写入、存储过程，即图像的写入、存储过程，即输入的光学图像照射在靶面上产生输入图像强度分输入的光学图像照射在靶面上产生输入图像强度分布一样的电荷图像并积累一段时间；布一样的电荷图像并积累一段时间；图像的阅读、图像的阅读、擦除过程，即电子枪的扫描电子束从靶面上取出视擦除过程，即电子枪的扫描电子束从靶面上取出视频信号。

6、频信号。摄像管的结构：摄像管的结构： 摄像管的必备功能决定了其结构由摄像管的必备功能决定了其结构由光电转换光电转换与与存储存储和和信号阅读信号阅读两大部分组成。两大部分组成。*光电成像原理光电成像原理77.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 1. 光电转换与存储部分光电转换与存储部分(1) 光电转换部分光电转换部分 光电转换部分的功能：光电转换部分的功能：将光学图像转换为电荷将光学图像转换为电荷或电位图像，由或电位图像，由光敏元件光敏元件完成，常用的材料由光电完成，常用的材料由光电发射体和光电导体。发射体和光电导体。a. 光电发射体光电发射体 用于像管的光阴极都可以作为不同类型摄像管用于

7、像管的光阴极都可以作为不同类型摄像管的光电发射体，光阴极在辐射作用下产生与辐射通的光电发射体，光阴极在辐射作用下产生与辐射通量成正比的光电子流，并且强度分布一致。对光电量成正比的光电子流，并且强度分布一致。对光电子流进行放大处理并输出所需信号或者利用光电子子流进行放大处理并输出所需信号或者利用光电子发射而提高的光阴极面电位分布作为信号输出。发射而提高的光阴极面电位分布作为信号输出。*光电成像原理光电成像原理87.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 b. 光电导体光电导体应用最广泛的摄像管光电转换材料应用最广泛的摄像管光电转换材料 光电转换基于内光电效光电转换基于内光电效应。通常具有光电转

8、换和电应。通常具有光电转换和电荷存储与积累作用荷存储与积累作用靶（靶（即即光敏面和靶合二为一光敏面和靶合二为一）。 靶受光照时，其电导率升高，使正电荷从电位靶受光照时，其电导率升高，使正电荷从电位较高的光照一边流向非光照的一边，因此非光照这较高的光照一边流向非光照的一边，因此非光照这边的电位上升，且电位升高量与光照强度的空间分边的电位上升，且电位升高量与光照强度的空间分布相对应，从而具有与光学图像光强分布布相对应，从而具有与光学图像光强分布对应的电对应的电位位/电荷图像电荷图像。*光电成像原理光电成像原理97.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 (2) 电荷存储与积累部分电荷存储与积累部

9、分帧周期内对像元积累电荷帧周期内对像元积累电荷常用的存储方式有：常用的存储方式有：a. 二次电子发射积累二次电子发射积累 二次电子发射积累二次电子发射积累依赖于光阴极摄像管的二次依赖于光阴极摄像管的二次电子发射靶。电子发射靶。 光阴极发射出与光通量成光阴极发射出与光通量成正比的光电子，并加速轰击二正比的光电子，并加速轰击二次电子发射靶。绝缘靶产生二次电子发射靶。绝缘靶产生二次电子发射的部分将维持正电次电子发射的部分将维持正电位并随着光照的继续不断积累，位并随着光照的继续不断积累，直至阅读取出信号为止。直至阅读取出信号为止。*光电成像原理光电成像原理107.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原

10、理 b. 二次电子导电积累二次电子导电积累-积累效率很高积累效率很高 光电子在加速电场的作用光电子在加速电场的作用下穿过透明的支撑膜和导电膜，下穿过透明的支撑膜和导电膜，轰击二次电子导电层产生二次轰击二次电子导电层产生二次电子。所产生的二次电子在纤电子。所产生的二次电子在纤维状结构的疏松维状结构的疏松二次电子导电二次电子导电层内运动层内运动。并且不断流入信号。并且不断流入信号板（板（施加固定的正电压），施加固定的正电压），使使靶的非光照面带上正电荷，且靶的非光照面带上正电荷，且电位不断升高积累，形成与辐电位不断升高积累，形成与辐射信号图像强度分布相对应的射信号图像强度分布相对应的电荷图像，直至

11、阅读取出信号电荷图像，直至阅读取出信号为止为止。*光电成像原理光电成像原理117.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 c. 电子轰击感应电导积累电子轰击感应电导积累 光阴极产生的光电子高速轰击靶面，电子光阴极产生的光电子高速轰击靶面，电子被激被激发到导带发到导带，使电导率增加，信号板上的正电荷向靶，使电导率增加，信号板上的正电荷向靶的自由面运动，形成电荷图像。的自由面运动，形成电荷图像。*光电成像原理光电成像原理127.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 d. 光电导积累光电导积累 与光阴极光电发射体不一样，光电导层既是光与光阴极光电发射体不一样，光电导层既是光电转换元件，又是电荷

12、积累元件。电转换元件，又是电荷积累元件。 光电导靶是半导体，光电导靶是半导体，无无光照时光照时具有较高的电阻率，具有较高的电阻率，通常是通常是1012cm左右。靶左右。靶的受光表面接有几十伏的工的受光表面接有几十伏的工作电压，但由于其电阻率高作电压，但由于其电阻率高使得靶的另外一面与工作电使得靶的另外一面与工作电压绝缘，因此靶的两个表面压绝缘，因此靶的两个表面间产生几十伏的电压差。间产生几十伏的电压差。*光电成像原理光电成像原理137.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 有光照时，有光照时，如果入射的光子能量大于光电导靶如果入射的光子能量大于光电导靶的禁带宽度，则价带中的电子跃迁到导带而

13、产生的禁带宽度，则价带中的电子跃迁到导带而产生光光生载流子生载流子(其其密度分布与输入图像的照度分布一致密度分布与输入图像的照度分布一致) 。光生载流子的产生改变了光电导靶的电导率，电导光生载流子的产生改变了光电导靶的电导率，电导率的增加导致靶的两表面间产生相应的放电电流，率的增加导致靶的两表面间产生相应的放电电流，从而靶的绝缘面电位随着上升从而靶的绝缘面电位随着上升(上升的数值对应于该上升的数值对应于该点输入照度值点输入照度值) ，并且电子束扫描一帧图像的时间内，并且电子束扫描一帧图像的时间内靶的两表面间的放电电荷被连续积累（靶的两表面间的放电电荷被连续积累（积累时间为积累时间为1/25 s

14、）。）。 光电导靶在摄像管电子枪扫描读取一帧图像的光电导靶在摄像管电子枪扫描读取一帧图像的过程中，靶面通过光电导效应连续放电并积累形成过程中，靶面通过光电导效应连续放电并积累形成和输入光强一一对应的电荷图像。和输入光强一一对应的电荷图像。*光电成像原理光电成像原理147.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 2. 信号阅读部分信号阅读部分 光电导靶面上产生并积累的电荷图像信号的取光电导靶面上产生并积累的电荷图像信号的取出由阅读部分完成。出由阅读部分完成。 阅读部分阅读部分通常是扫描电子枪系统，由通常是扫描电子枪系统，由细电子束细电子束的发射源、电子束聚焦系统的发射源、电子束聚焦系统和和电子

15、束偏转系统电子束偏转系统三部三部分组成。分组成。 细电子束的发射细电子束的发射由氧化物阴极完成（外加负偏由氧化物阴极完成（外加负偏压的控制栅极、加速电极和电子束限制膜孔）；压的控制栅极、加速电极和电子束限制膜孔）；电电子束的聚焦系统子束的聚焦系统包括静电聚焦和电磁复合聚焦两种，包括静电聚焦和电磁复合聚焦两种，并且电磁复合聚焦系统的像差小而被广泛采用；并且电磁复合聚焦系统的像差小而被广泛采用；电电子束的偏转系统子束的偏转系统由两对磁偏转线圈构成。由两对磁偏转线圈构成。*光电成像原理光电成像原理157.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 3. 视频信号的形成视频信号的形成 按照我国的按照我国

16、的PAL电视制式，靶面（一帧图像）被电视制式，靶面（一帧图像）被分解为分解为50万个像元，每个像元用一个万个像元，每个像元用一个电阻电阻R和和电容电容C进行等效。进行等效。 电容电容C的作用是存储信息；电阻的作用是存储信息；电阻R将随着光照度将随着光照度的增加而变化，是的增加而变化，是与照度与照度E有关的变量有关的变量，无光照时无光照时R为暗电阻为暗电阻Rd，有光照时有光照时R变为变为RC(E)。*光电成像原理光电成像原理167.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 当电子束扫描时，从阴极发射出的电子束，通过当电子束扫描时，从阴极发射出的电子束，通过场网后进入强烈的减速场，以慢速落到靶的右

17、侧上。场网后进入强烈的减速场，以慢速落到靶的右侧上。由于靶压很低，二次电子发射系数小于由于靶压很低，二次电子发射系数小于 l，因此进入，因此进入靶的电子比出来的电子多，到一定程度就完全阻止电靶的电子比出来的电子多，到一定程度就完全阻止电子继续上靶。这时，靶右侧扫描面的电压将等于阴极子继续上靶。这时，靶右侧扫描面的电压将等于阴极电位。也就是使像元电容器电位。也就是使像元电容器 C两端的电位差达到靶压，两端的电位差达到靶压，因此是因此是充电过程充电过程。电子束在每个像元上停留的时间即。电子束在每个像元上停留的时间即充电时间约充电时间约0.1us（0.08us）。*光电成像原理光电成像原理177.1

18、 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 像元从无光照到强光照射时的信号输出过程：像元从无光照到强光照射时的信号输出过程： 无光照时无光照时，被电子束扫描后，电容器开始沿着，被电子束扫描后，电容器开始沿着RdC回路回路放电，扫描侧放电，扫描侧A的电位的电位VAd随电容器随电容器C的放电从零开始上升，的放电从零开始上升，其值其值VAd =VT1-exp(-1/RdC)，所以在帧周期，所以在帧周期Tf(40ms)内，内，A点点电位的最大值电位的最大值VAdm=VT1-exp(-Tf/RdC)，如果暗电阻很大，则，如果暗电阻很大，则VAdm=0；当扫描再次来临时，与靶电源等一起构成的回路中；当扫描再次

19、来临时，与靶电源等一起构成的回路中C充电，充电，A点电位下降，束电阻点电位下降，束电阻Rb远大于负载电阻远大于负载电阻RL，其值，其值VAd = VAdm exp- 1/(Rb+RL)C VAdm exp-1/RbC靶外侧靶外侧B电位电位固定为靶压固定为靶压VT*光电成像原理光电成像原理187.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 有强光照射时有强光照射时，被电子束扫描后，电容器开始沿着，被电子束扫描后，电容器开始沿着RC回回路放电，扫描侧路放电，扫描侧A的电位的电位VAd随电容器随电容器C的放电开始上升，其的放电开始上升，其值值VAe =VT1-exp(-1/ReC)，Re是强光照射时的

20、光电导电阻，是强光照射时的光电导电阻，所以在帧周期所以在帧周期Tf内，内，A点电位的最大值点电位的最大值VAem=VT1-exp(-Tf/ReC) ；当扫描再次来临时，束电阻等与靶电源一起构成；当扫描再次来临时，束电阻等与靶电源一起构成回路向回路向C充电，充电，A点电位下降，其值点电位下降，其值VAe = VAem exp-1/(Rb+RL)C VAem exp-1/RbC 因此，由于强光因此，由于强光照射产生的照射产生的有效信号有效信号为为V= VAem VAdm。*光电成像原理光电成像原理197.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 黑电平：黑电平：无光照时无光照时负载电阻负载电阻RL

21、上产生的压上产生的压降降Vd，通过电容器，通过电容器CL输出的该电位变化。输出的该电位变化。 白电平：白电平：强光照射强光照射时负载电阻时负载电阻RL上产生的上产生的压降压降VLe，通过电容器，通过电容器CL输出的该电位变化。输出的该电位变化。 因此，通过电子束的扫描在负载电阻上产生电因此，通过电子束的扫描在负载电阻上产生电压降，由电容器压降，由电容器CL输出该电压变化的输出该电压变化的时间序列脉冲时间序列脉冲视频信息视频信息，并且该电压变化反映了空间照度的分布。，并且该电压变化反映了空间照度的分布。*光电成像原理光电成像原理207.1 电视摄像的基本原理电视摄像的基本原理 *光电成像原理光电

22、成像原理217.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 衡量摄像管的总标准是：衡量摄像管的总标准是：在测试台的监视器上在测试台的监视器上能否分辨一定的标准测试图案。该图案的清晰程度能否分辨一定的标准测试图案。该图案的清晰程度由许多因素决定，由许多因素决定，必须规定出具体的特性参数必须规定出具体的特性参数对摄对摄像管的像质进行分析和研究。像管的像质进行分析和研究。 特性参数主要有：特性参数主要有：灵敏度、惰性、分辨力和光灵敏度、惰性、分辨力和光电转换特性等。电转换特性等。 灵敏度灵敏度和和惰性惰性主要决定于靶面，主要决定于靶面，分辨力分辨力主要决主要决定于扫描电子枪，定于扫描电子枪，光电转

23、换特性光电转换特性取决于光敏面材料。取决于光敏面材料。*光电成像原理光电成像原理227.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 一、灵敏度一、灵敏度S摄像管非常重要的特性参数摄像管非常重要的特性参数灵敏度灵敏度S的定义：的定义： S是输出信号电流与输入光通量是输出信号电流与输入光通量/照度的比值，单照度的比值，单位是位是uA/lm或或uA/lx。定义表达式为。定义表达式为式中，式中，N是靶面的像元总数。由等效电路求解定义表是靶面的像元总数。由等效电路求解定义表达式的微分方程可得达式的微分方程可得*光电成像原理光电成像原理237.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 电子束扫描每个

24、像元的时间电子束扫描每个像元的时间t0=Tf/N=0.1us，所以由，所以由微分方程的解以及定义式可得定量描述相关参数对微分方程的解以及定义式可得定量描述相关参数对S影响的光电灵敏度公式影响的光电灵敏度公式令令 ，其中，其中G是比例常数，是比例常数，Va是光电导靶光照面的电位，是光电导靶光照面的电位，Vb是光电导靶电子束是光电导靶电子束扫描面的电位，扫描面的电位，m是理论值为是理论值为1而实际取值在而实际取值在12之之间的系数，所以可得到间的系数，所以可得到定量描述定量描述相关参数决定的相关参数决定的S公公式为式为式中，式中，VT是靶的工作电压，是靶的工作电压，是光电转换特性参数，是光电转换特

25、性参数，是时间常数，是时间常数，Tf是帧周期。是帧周期。*光电成像原理光电成像原理247.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 由定量表达式可得出由定量表达式可得出相关参数对相关参数对S的具体影响：的具体影响：当时间常数当时间常数增大到增大到Tf时，时，S趋近于最大值趋近于最大值G是表征半导体光电导特性的参数，可通过选取适是表征半导体光电导特性的参数，可通过选取适当的材料以及改善制造工艺提高其灵敏度；当的材料以及改善制造工艺提高其灵敏度；靶的靶的S与工作电压与工作电压VT成正比；成正比；提高靶的工作电压提高靶的工作电压对提高对提高S是有利的，但是过高的工是有利的，但是过高的工作电压将增

26、大暗电导，严重降低摄像管的灵敏阈。作电压将增大暗电导，严重降低摄像管的灵敏阈。值不等于值不等于1时，光照度将影响时，光照度将影响S，产生非线性特性，产生非线性特性;*光电成像原理光电成像原理257.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 当当m值不等于值不等于1时，扫描靶面的电位时，扫描靶面的电位Vb上升将降低上升将降低灵敏度。灵敏度。Vb的数值取决于多项参数，且的数值取决于多项参数，且Vb与摄像的与摄像的动态范围有关，动态范围有关，不宜减小其数值不宜减小其数值。提高提高S的通常做法：的通常做法：采用信号倍增和放大措施，主要方法有采用信号倍增和放大措施，主要方法有:放大入射放大入射光信号

27、；光信号；改变光入射为光电子入射；改变光入射为光电子入射；利用阅读利用阅读电子束进行倍增。电子束进行倍增。*光电成像原理光电成像原理267.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 二、惰性二、惰性惰性的定义：惰性的定义： 所所谓惰性是指，谓惰性是指，摄取动态图像时，摄像管的输摄取动态图像时，摄像管的输出信号滞后于输入照度的变化。有出信号滞后于输入照度的变化。有上升惰性上升惰性和和衰减衰减惰性惰性之分。之分。上升惰性：上升惰性：当输入照度增加时，输出信号的之后称当输入照度增加时，输出信号的之后称为上升惰性；为上升惰性；衰减惰性：衰减惰性：当输入照度减小时，输出当输入照度减小时，输出信号的之

28、后称为衰减惰性。信号的之后称为衰减惰性。 对于摄像管的惰性指标，对于摄像管的惰性指标，通常采用通常采用输入照度截输入照度截止后第三场和第十二场（止后第三场和第十二场（一帧周期一帧周期0.04s，则为，则为60ms和和240ms）剩余信号所占的百分数表示。）剩余信号所占的百分数表示。*光电成像原理光电成像原理277.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 产生惰性的原因：产生惰性的原因： 图像写入时的光电导惰性；图像写入时的光电导惰性；图像读出时扫描图像读出时扫描电子束的等效电阻与靶的等效电容所构成的充放电惰电子束的等效电阻与靶的等效电容所构成的充放电惰性。性。1. 光电导惰性光电导惰性

29、当输入信号的照度发生变化时，光电导中的光生当输入信号的照度发生变化时，光电导中的光生载流子密度的变化有一个滞后，因此摄像管靶面产生载流子密度的变化有一个滞后，因此摄像管靶面产生的电荷图像将滞后于入射的光学图像信号。用的电荷图像将滞后于入射的光学图像信号。用简化的简化的光电导模型光电导模型对惰性进行定量分析。对惰性进行定量分析。(1) 靶面的光电导的上升惰性靶面的光电导的上升惰性*光电成像原理光电成像原理287.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 a. 输入较低照度时的光电导惰性输入较低照度时的光电导惰性(单分子复合模型单分子复合模型) 当靶面受到突变光信号照射时，光电导上升规当靶面受

30、到突变光信号照射时，光电导上升规律由微分方程确定律由微分方程确定式中，式中，n是光生载流子数，是光生载流子数，a是载流子平均寿命，是载流子平均寿命，L是光生载流子的激发率。是光生载流子的激发率。由初始条件由初始条件t=0时时n =0解得解得 -指数函数型的滞后特性指数函数型的滞后特性 *光电成像原理光电成像原理297.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 b.输入较高照度时的光电导惰性输入较高照度时的光电导惰性(双分子复合模型双分子复合模型) 当靶面受到突变光信号照射时，光电导上升规当靶面受到突变光信号照射时，光电导上升规律由微分方程确定律由微分方程确定式中，式中，n是光生载流子数，是

31、光生载流子数，a是载流子平均寿命，是载流子平均寿命，L是光生载流子的激发率。是光生载流子的激发率。由初始条件由初始条件t=0时时n =0解得解得 -双曲函数型的滞后特性双曲函数型的滞后特性 *光电成像原理光电成像原理307.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 (2) 靶面光电导的衰减惰性靶面光电导的衰减惰性a.输入较低照度时的光电导惰性输入较低照度时的光电导惰性(单分子复合模型单分子复合模型) 当靶面受到突变截止光信号时，光电导衰减规当靶面受到突变截止光信号时，光电导衰减规律由微分方程确定律由微分方程确定式中，式中，n是光生载流子数，是光生载流子数，a是载流子平均寿命，是载流子平均寿

32、命，L是光生载流子的激发率。是光生载流子的激发率。由初始条件由初始条件t=0时时n =La解得解得 *光电成像原理光电成像原理317.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 b.输入较高照度时的光电导惰性输入较高照度时的光电导惰性(双分子复合模型双分子复合模型) 当靶面受到突变截止光信号时，光电导衰减规当靶面受到突变截止光信号时，光电导衰减规律由微分方程确定律由微分方程确定式中，式中，n是光生载流子数，是光生载流子数，a是载流子平均寿命，是载流子平均寿命，L是光生载流子的激发率。是光生载流子的激发率。由初始条件由初始条件t=0时时n =La解得解得 1aLnL t *光电成像原理光电成像

33、原理327.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 简化模型结论的讨论：简化模型结论的讨论： 光电导的滞后（上升惰性、衰减惰性）只是一光电导的滞后（上升惰性、衰减惰性）只是一个理想化的规律，和实验结果并不完全吻合，主要个理想化的规律，和实验结果并不完全吻合，主要原因是简化模型中原因是简化模型中没有考虑陷阱作用没有考虑陷阱作用。 光电导体中载流子密度变化和光电导中的陷阱光电导体中载流子密度变化和光电导中的陷阱的密度与种类密切相关，考虑陷阱的作用后，滞后的密度与种类密切相关，考虑陷阱的作用后，滞后的的弛豫时间弛豫时间常数和简化模型中的驰豫时间常数之间常数和简化模型中的驰豫时间常数之间有一个倍

34、数关系。有一个倍数关系。 （输入照度较低的单分子复合模（输入照度较低的单分子复合模型）型） 因此，能级陷阱将严重影响光电导惰性。因此，能级陷阱将严重影响光电导惰性。*光电成像原理光电成像原理337.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 2. 电容性惰性电容性惰性 阅读信号时，电子束扫描靶面造成靶面电位随时间阅读信号时，电子束扫描靶面造成靶面电位随时间增加逐渐下降，但增加逐渐下降，但不会立即下降到零电位不会立即下降到零电位。这是由于等。这是由于等效电容的存在造成靶面在电子束扫描后仍有残余电荷，效电容的存在造成靶面在电子束扫描后仍有残余电荷，从而产生惰性。因此，阅读信号时靶面电位的下降规律

35、从而产生惰性。因此，阅读信号时靶面电位的下降规律取决于靶面的取决于靶面的等效电容等效电容和扫描电子束的等效电阻（和扫描电子束的等效电阻（束电束电阻阻）。）。 扫描电子束到达靶面将形成着靶电流，其大小与靶扫描电子束到达靶面将形成着靶电流，其大小与靶面电位有关，可由实验测得两者之间的关系曲线，图面电位有关，可由实验测得两者之间的关系曲线，图7-9。*光电成像原理光电成像原理347.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 关系曲线中的三个区域：关系曲线中的三个区域：饱和区：饱和区：当靶面电位很高时，电子束的电子全部着靶，当靶面电位很高时，电子束的电子全部着靶，因此饱和区的着靶电流接近或等于电子

36、束的电流。因此饱和区的着靶电流接近或等于电子束的电流。线性区：线性区：在靶面电位的一定范围内，关系曲线近似为某在靶面电位的一定范围内，关系曲线近似为某一斜率的直线。靶面电位与着靶电流的关系为一斜率的直线。靶面电位与着靶电流的关系为式中，式中，I0是常数，是常数，TM是电子枪热阴极的等效温度。是电子枪热阴极的等效温度。 线性区的电子束等效电阻可由上式求导得到（式线性区的电子束等效电阻可由上式求导得到（式7-36）。）。*光电成像原理光电成像原理357.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 指数区：指数区：靶面电位接近于零或者是负数，关系曲线靶面电位接近于零或者是负数，关系曲线近似为指数曲

37、线。此时靶面电位与着靶电流的关系近似为指数曲线。此时靶面电位与着靶电流的关系为为 指数区的电子束等效电阻可由上式求导得到指数区的电子束等效电阻可由上式求导得到（式（式7-38）。由该式或曲线图可知，在指数区，即使）。由该式或曲线图可知，在指数区，即使靶面电位为负值时仍有着靶电流，这是由于热电子靶面电位为负值时仍有着靶电流，这是由于热电子发射时所逸出的发射时所逸出的电子具有初速度电子具有初速度的原因。也因为热的原因。也因为热电子发射时逸出的电子具有初速度，所以电子束着电子发射时逸出的电子具有初速度，所以电子束着靶的电流要延伸到靶面的负电位区（靶的电流要延伸到靶面的负电位区（扫描靶面时的扫描靶面时

38、的惰性惰性），并且着靶的电流与靶面电位之间呈指数关），并且着靶的电流与靶面电位之间呈指数关系。系。惰性惰性主要发生在着靶电流衰减很慢的指数区。主要发生在着靶电流衰减很慢的指数区。减小惰性减小惰性电容电容0 0MeVkTII eV*光电成像原理光电成像原理367.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 减小摄像管电容性惰性的措施：减小摄像管电容性惰性的措施：减小靶的等效电容。减小靶的等效电容。选取介电常数较低的靶材料；不影响光电导效应以选取介电常数较低的靶材料；不影响光电导效应以及分辨力的情况下增加靶的厚度。及分辨力的情况下增加靶的厚度。降低电子束的等效电阻。降低电子束的等效电阻。在不影响

39、电子束电流的前提下降低发射电子束的等在不影响电子束电流的前提下降低发射电子束的等效温度（效温度（层流电子枪层流电子枪），从而使束电阻减小。），从而使束电阻减小。选取选取合适的电子透镜合适的电子透镜使得电子速度的分散仍保持发射时使得电子速度的分散仍保持发射时的分布，使得电子束温度达到较低的目的（层流电的分布，使得电子束温度达到较低的目的（层流电子枪：利用长焦距电子透镜）。子枪：利用长焦距电子透镜）。*光电成像原理光电成像原理377.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 减小摄像管电容性惰性的措施：减小摄像管电容性惰性的措施：在低照度摄像时增加背景光。在低照度摄像时增加背景光。扫描电子束的

40、等效电阻下降时可提高电子束的电流扫描电子束的等效电阻下降时可提高电子束的电流值，因此加大输出信号也可减小惰性。值，因此加大输出信号也可减小惰性。为了提高电子束电流值，在摄取低照度图像时人为为了提高电子束电流值，在摄取低照度图像时人为地反馈给靶面一个均匀的底光，使输出信号电流地反馈给靶面一个均匀的底光，使输出信号电流叠叠加一个背景电流加一个背景电流，从而减小惰性。，从而减小惰性。底光产生的底光产生的背景电流是直流量背景电流是直流量，可以由隔直电容加，可以由隔直电容加以滤除。以滤除。*光电成像原理光电成像原理387.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 三、分辨力三、分辨力分辨力分辨力是电

41、视摄像管的重要性能指标，反映了对图是电视摄像管的重要性能指标，反映了对图像细节的分辨能力。像细节的分辨能力。 电视型光电成像系统从左到右、从上到下进行电视型光电成像系统从左到右、从上到下进行扫描靶面，因而有扫描靶面，因而有垂直分辨力垂直分辨力和和水平分辨力水平分辨力之分，之分，并且不相等，分别以画面垂直方向和水平方向尺寸并且不相等，分别以画面垂直方向和水平方向尺寸内所能分辨的极限黑白条纹数（内所能分辨的极限黑白条纹数（电视线电视线TVL）来表）来表示。示。1. 垂直分辨力（分解力）垂直分辨力（分解力）垂直分辨力垂直分辨力是指整个画面上，在垂直方向所能分辨是指整个画面上，在垂直方向所能分辨的像元

42、数或黑白相间的水平等宽矩形条纹数。即垂的像元数或黑白相间的水平等宽矩形条纹数。即垂直方向所能分辨的行数就是垂直分辨力的电视线数。直方向所能分辨的行数就是垂直分辨力的电视线数。*光电成像原理光电成像原理397.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 在相同的条件下，在相同的条件下，靶的质量靶的质量不同，则摄像管的不同，则摄像管的分辨力也不一样。另外，分辨力也不一样。另外，扫描行数扫描行数、扫描位置扫描位置以及以及电子束落点尺寸电子束落点尺寸决定了垂直分辨力的上限。决定了垂直分辨力的上限。扫描行数的影响。扫描行数的影响。垂直分辨力不会超过系统的水平扫描行数。如果考垂直分辨力不会超过系统的水平

43、扫描行数。如果考虑实际扫描过程中的虑实际扫描过程中的消隐行数消隐行数，最高垂直分辨力总，最高垂直分辨力总要低于扫描行数。要低于扫描行数。扫描位置的影响。扫描位置的影响。如果电子束扫描中心线的位置不当，则应有的分辨如果电子束扫描中心线的位置不当，则应有的分辨力将下降。力将下降。*光电成像原理光电成像原理407.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 设被传送的是线条数为设被传送的是线条数为N的黑白测试图案，当扫描中的黑白测试图案，当扫描中心线与条纹中心线正好重合时，分辨力最高，等于心线与条纹中心线正好重合时，分辨力最高，等于有效扫描行数有效扫描行数(不考虑其它因素不考虑其它因素)；当扫描中

44、心线与条纹边界线重合时，垂直分辨力最当扫描中心线与条纹边界线重合时，垂直分辨力最低，图案难以分辨，此时，如果图案线条加宽一倍，低，图案难以分辨，此时，如果图案线条加宽一倍，则仍可分辨，只是垂直分辨力下降一半；则仍可分辨，只是垂直分辨力下降一半；当扫描中心线介于线条的中心线和边界线之间，则当扫描中心线介于线条的中心线和边界线之间，则垂直分辨力介于上述两种情况之间。垂直分辨力介于上述两种情况之间。*光电成像原理光电成像原理417.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 *光电成像原理光电成像原理427.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 扫描电子束落点尺寸及其电流密度分布。扫描电子

45、束落点尺寸及其电流密度分布。 和和情况是假设扫描电子束落点尺寸正好等情况是假设扫描电子束落点尺寸正好等于线宽的情况。于线宽的情况。如果不等，如果不等，垂直分辨力随着束点尺垂直分辨力随着束点尺寸的变化而变化。如果束点尺寸增大，垂直分辨力寸的变化而变化。如果束点尺寸增大，垂直分辨力将会下降。这是由于在扫描时，同时取走了相邻线将会下降。这是由于在扫描时，同时取走了相邻线条的信号，使它们相互混淆所致。条的信号，使它们相互混淆所致。 此外，垂直分辨力还与束点上的电流密度分布此外，垂直分辨力还与束点上的电流密度分布有关。通常束截面上的电流密度服从高斯分布，所有关。通常束截面上的电流密度服从高斯分布，所以束

46、点中心和边缘部分的阅读能力不同。以束点中心和边缘部分的阅读能力不同。如果设计如果设计均匀密度分布的束点，均匀密度分布的束点，阅读效果及分辨力会大大改阅读效果及分辨力会大大改善。善。*光电成像原理光电成像原理437.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 2. 水平分辨力水平分辨力 整个画面上，沿水平方向所能整个画面上，沿水平方向所能分辨的像元数，称为分辨的像元数，称为水平分辨力水平分辨力，习惯上也用电视线习惯上也用电视线(TVL) 表示，常表示，常用电视分辨力测试卡。用电视分辨力测试卡。 同垂直方向同垂直方向上情况不同的是在水平方向上，扫上情况不同的是在水平方向上，扫描电子束是连续移动的

47、，因此二者描电子束是连续移动的，因此二者的分辨力也不相等。的分辨力也不相等。 除了除了靶和屏靶和屏以外，影响水平分以外，影响水平分辨力的因素主要有以下几种：辨力的因素主要有以下几种：扫描电子束落点尺寸的影响。扫描电子束落点尺寸的影响。由由于以直径为于以直径为d的束点进行扫描，所以的束点进行扫描，所以使黑白边界变得模糊。模糊的范围使黑白边界变得模糊。模糊的范围与与d相等。相等。*光电成像原理光电成像原理447.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 束点尺寸对水平分辨力的影响称为束点尺寸对水平分辨力的影响称为孔阑效应孔阑效应。为了减。为了减小孔阑效应，应缩小束点的水平尺寸。小孔阑效应，应缩

48、小束点的水平尺寸。孔阑效应示意图：孔阑效应示意图： (a) 摄取图像的取样，摄取图像的取样，(b) 它转换它转换成的图像信号电压波形，成的图像信号电压波形， (c)重现的图重现的图像。在白条和黑条交界处有灰色过渡像。在白条和黑条交界处有灰色过渡区区, 它的宽度为它的宽度为d, 这使图像模糊从而降这使图像模糊从而降低水平分解力。低水平分解力。 (d)、 (e)给出了当摄取图像细节给出了当摄取图像细节宽度改变时其对应的信号波形。宽度改变时其对应的信号波形。 当细当细节宽度越来越窄直至等于电子束直径节宽度越来越窄直至等于电子束直径d时时, 由于由于不变不变, 图像信号图像信号u将由梯形波将由梯形波趋

49、于正弦波趋于正弦波, 这时对比度保持不变这时对比度保持不变, 转转换成的图像仍为黑和白换成的图像仍为黑和白, 但黑白边缘呈但黑白边缘呈现模糊的灰色现模糊的灰色, 图像的清晰度下降。图像的清晰度下降。 *光电成像原理光电成像原理457.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 讯道频带宽度的影响。讯道频带宽度的影响。 当电子束扫描靶面时，像元上的信号接连不断地当电子束扫描靶面时，像元上的信号接连不断地输送出去。像元数越多，输出脉冲频率越高，必须要输送出去。像元数越多，输出脉冲频率越高，必须要求信道有足够的带宽。如果带宽不够，就会限制水平求信道有足够的带宽。如果带宽不够，就会限制水平分辨力。根

50、据我国电视标准，可以算出信道带宽为分辨力。根据我国电视标准，可以算出信道带宽为f =0.0128M (MHz) 其中其中 M为垂直分辨力。为垂直分辨力。摄像管分辨力其他表示：摄像管分辨力其他表示： 把电视线或电视的行把电视线或电视的行/帧高换算成以线对帧高换算成以线对/毫米表示毫米表示,即（即（h-光栅高度，光栅高度，l-对角线长度、靶面直径）：对角线长度、靶面直径）：（lp/mm）*光电成像原理光电成像原理467.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 四、摄像管的其他特性参数四、摄像管的其他特性参数 1摄像管的信噪比摄像管的信噪比 摄像管的信噪比定义为摄像管的信噪比定义为输出视频信号

51、电流峰输出视频信号电流峰-峰峰值与输出电流中所含噪声均方根值的比值。值与输出电流中所含噪声均方根值的比值。噪声来源很多，主要有：噪声来源很多，主要有：光子、光电子、载流子、二次发射电子、扫描电光子、光电子、载流子、二次发射电子、扫描电子的散粒噪声；子的散粒噪声；载流子的产生载流子的产生-复合噪声；复合噪声；热噪声；热噪声；1 / f 噪声；噪声；前置放大器噪声（要求前置放大器噪声（要求SNR不低于不低于4540dB）。）。*光电成像原理光电成像原理477.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 摄像管灵敏度：摄像管灵敏度： 当输出视频信号一定时当输出视频信号一定时(刚好满足刚好满足信噪比

52、信噪比要求要求)，光敏面上所需的最小辐射照度的倒数。所以摄像管的光敏面上所需的最小辐射照度的倒数。所以摄像管的灵敏度与信噪比密切相关灵敏度与信噪比密切相关。 噪声大时在图像上反映为大量随机移动的黑点和噪声大时在图像上反映为大量随机移动的黑点和亮点。亮点。不同的探测目的，要求摄像管信噪比是不一样不同的探测目的，要求摄像管信噪比是不一样的的。为使观察者感觉不到噪声，光电导视像管的信噪。为使观察者感觉不到噪声，光电导视像管的信噪比应大于比应大于25。 光电导视像管中，放大器噪声是主要的；在高增光电导视像管中，放大器噪声是主要的；在高增益的电子轰击感应电导型及带移像部分的摄像管中，益的电子轰击感应电导

53、型及带移像部分的摄像管中，光子、光电子及预放器噪声共同起作用。光子、光电子及预放器噪声共同起作用。*光电成像原理光电成像原理487.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 2. 光电转换特性光电转换特性(特性特性) 光电转换特性表征光电转换特性表征输出输出视频信号电流视频信号电流 I与光敏面上与光敏面上的辐照度的辐照度E的关系曲线，如的关系曲线，如图所示。图所示。 图中关系曲线为图中关系曲线为IS=kE，其中其中k是常数，是常数，是灰度系数，是灰度系数，随光敏面的材料而异。随光敏面的材料而异。*光电成像原理光电成像原理497.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 = 1时，灰度等

54、级均匀；时，灰度等级均匀；1 时，有均匀的灰时，有均匀的灰度畸变。提高了弱照度时的灵敏度度畸变。提高了弱照度时的灵敏度(利于提高暗场时利于提高暗场时的信噪比的信噪比)，而使强照度时的光电特性呈一定的饱和，而使强照度时的光电特性呈一定的饱和状态状态(利于扩展动态范围利于扩展动态范围)。1是不适用的。是不适用的。 对于整个电视型光电成像系统，灰度特性对于整个电视型光电成像系统，灰度特性既包既包含摄像管的光电转换特性，又包含信道和显像管含摄像管的光电转换特性，又包含信道和显像管(显显像管也存在孔阑效应像管也存在孔阑效应)的电光转换特性，而显像管的的电光转换特性，而显像管的电光转换特性电光转换特性值总

55、大于值总大于1，为了保证整个系统的总，为了保证整个系统的总灰度特性灰度特性为为1，通常使用，通常使用1的摄像管。的摄像管。*光电成像原理光电成像原理507.2 摄像管的主要性能参数摄像管的主要性能参数 3. 动态响应范围动态响应范围 摄像管所能允许的光照强度变化的范围称为摄像管所能允许的光照强度变化的范围称为动动态响应范围态响应范围。其。其下限决定于下限决定于低照度下的信噪比，而低照度下的信噪比，而上限决定于上限决定于靶面贮存电荷的能力。通常靶的电位起靶面贮存电荷的能力。通常靶的电位起伏伏最高限为几伏最高限为几伏，否则会影响电子束的聚焦与边缘，否则会影响电子束的聚焦与边缘电子束的着靶。电子束的

56、着靶。 除以上评价摄像管性能的主要参数外，还有暗除以上评价摄像管性能的主要参数外，还有暗电流、畸变、晕光、寿命、机械强度等参数。电流、畸变、晕光、寿命、机械强度等参数。*光电成像原理光电成像原理517.3 摄像管的分类摄像管的分类 技术飞速发展的今天，电真空摄像管的发展已经技术飞速发展的今天，电真空摄像管的发展已经告一段落，有关电真空摄像管的研究已经不多见。但告一段落，有关电真空摄像管的研究已经不多见。但是它们在电视技术发展史上的贡献不可磨灭，其技术是它们在电视技术发展史上的贡献不可磨灭，其技术和结构分类对今后的其他研究工作仍有重要的借鉴意和结构分类对今后的其他研究工作仍有重要的借鉴意义。义。

57、 由于对摄像管的各种不同用途的需要，其种类极由于对摄像管的各种不同用途的需要，其种类极为繁多，它的分类方法也很多。为繁多，它的分类方法也很多。*光电成像原理光电成像原理527.3 摄像管的分类摄像管的分类 一、摄像管通常按如下方法分类一、摄像管通常按如下方法分类1. 按电荷积累方式分类按电荷积累方式分类二次电子发射积累型，如超正析摄像管；二次电子发射积累型，如超正析摄像管；二次电子导电积累型，如二次电子导电积累型，如 二次电子摄像管二次电子摄像管(SEC)摄像管；摄像管；光电导积累型，如各种视像管；光电导积累型，如各种视像管；电子轰击感应电导积累型；如电子轰击硅靶摄像电子轰击感应电导积累型；如

58、电子轰击硅靶摄像管。管。*光电成像原理光电成像原理537.3 摄像管的分类摄像管的分类 2. 按光电变换形式分类按光电变换形式分类外光电变换型：利用外光电效应变换的光电发射外光电变换型：利用外光电效应变换的光电发射型摄像管，即带光阴极的摄像管。型摄像管，即带光阴极的摄像管。内光电变换型：利用内光电效应变换的视像管。内光电变换型：利用内光电效应变换的视像管。3. 按视频信号读出方式分类按视频信号读出方式分类信号板输出型：利用上靶的电子取出信号，由于信号板输出型：利用上靶的电子取出信号，由于信号板和靶是固定在一起的，故又称为靶输出型。信号板和靶是固定在一起的，故又称为靶输出型。双面靶输出型：利用从

59、靶面反射电子取出信号，双面靶输出型：利用从靶面反射电子取出信号，故又称为返束输出型。故又称为返束输出型。二、各种摄像管介绍二、各种摄像管介绍（略（略P267-281）*光电成像原理光电成像原理547.4 热释电摄像管热释电摄像管 热释电摄像管的靶面由热释电材料构成，是一热释电摄像管的靶面由热释电材料构成，是一种热成像器件，工作于种热成像器件，工作于814um波段。波段。 热释电摄像管依靠探测自然景物产生的红外辐热释电摄像管依靠探测自然景物产生的红外辐射来获得图像，不需要任何附加照明，是一种全被射来获得图像，不需要任何附加照明，是一种全被动式的摄像方式，具有全天候工作的特点。动式的摄像方式，具有

60、全天候工作的特点。 热释电摄像器件的应用：热释电摄像器件的应用： 电力工业上的故障探测、医疗诊断上的癌变检电力工业上的故障探测、医疗诊断上的癌变检查、激光模式的测量、消防、夜视等。查、激光模式的测量、消防、夜视等。*光电成像原理光电成像原理557.4 热释电摄像管热释电摄像管 一、热释电效应和热释电摄像管一、热释电效应和热释电摄像管1. 热释电效应热释电效应 所谓热释电效应，所谓热释电效应，是晶体在没有外加电场和应是晶体在没有外加电场和应力的情况下，它具有自发的或永久的极化强度，且力的情况下，它具有自发的或永久的极化强度，且这种电极化强度随晶体本身温度的变化而变化。热这种电极化强度随晶体本身温