第五章光电成像器件

第五章光电成像器件5.1像管定义分类及功能5.2像管的工作原理与结构5.3像管的主要特性分析5.4变像管5.5像增强器5.6摄像管5.1像管的定义分类及功能不可见光图像微弱光图像可见光图像1、概念光电子成像器件光电成像器件真空成像器件固体成像器件像管摄像管变像管像增强器（微光管）光电发射型摄像管光电导型摄像管（摄像管）（视像管）2.分类：①变换光谱②增强亮度③光学成像3.功能：5.2像管的结构与工作原理结构：光电阴极（光电变换部分）常用的有4种：

Ag-O-Cs光电阴极、单碱和多碱光电阴极、各种紫外光电阴极、NEA光电阴极不可见光图像微弱光图像电子图像电子图像的能量电子光学系统（电子透镜）增强聚焦成像非聚焦型聚焦型复合型高转换效率发射光谱同眼睛或与之耦合的下级光电阴极响应相一致荧光屏（电光变换部分）能量增强的电子图像可见光学图像1、光电转换特性参数：1.1光谱响应特性1.2增益2、光学特性参数：2.1分辨率2.2放大率2.3畸变2.4调制传递函数2.5背景特性5.3像管主要特性分析1、光电转换特性及参数1.1光谱响应特性像管的光谱匹配：光电阴极、光电阴极与荧光屏、荧光屏与人眼视见函数像管的光源定义为：光电阴极的光谱响应率函数；荧光屏的发光光谱分布。α总是小于1，α越大，说明匹配的越合理光谱匹配系数，用表示。常用光电阴极和光源的α值0.4610.07100.2010.7070.6260.2270.01790.9530.7820.8680.1120.8770.5830.7220.060.9140.4270.6980.5160.2730.2170.3950.276标准光源标准红外光源荧光屏荧光屏荧光屏00.01770.27标准红外光源0.270.540.37满月光0.240.0450.1340.0647晴朗星光暗绿色漆反射的辐射00.05390.269标准红外光源0.0880.270.13满月光0.1590.0080.06310.0148晴朗星光绿色草木反射的辐射光适应眼光阴极光源1.2像管的增益特性

像管输出亮度的大小,在入射照度一定时,由亮度增益所决定。①亮度增益定义：像管输出亮度L与光电阴极面入射照度E之比的倍，用GL表示②辐射亮度增益

辐射亮度增益用表示，其定义为

③亮度增益与辐射亮度增益K：光源光视效能421.347614059.25.4519.913047.8K(lm/W)荧光屏荧光屏荧光屏满月光下的绿色草木晴星下的绿色草木标准红外光源下的绿色草木标准红外光源2856K标准光源光源光视效能2、光学特性定量描述图像失真程度的性能指标。反映像管成像质量的一个重要参数。定义：用荧光屏上每毫米所能分开的黑白线对数的多少。单位为lp／mm。2.1分辨率测试方法：标准测试图案聚焦在光电阴极表面，用目视方法观察荧光屏上的图像，然后确定该系统的分辨率大小。定义：当有一圆形辐射图案投射在光电阴极表面上时，在荧光屏上显示的图像直径与输入图案直径之比。用m表示。习惯上常用光电阴极及荧光屏的有效面积来表示。2.2线放大率如果图案刚好充满光电阴极有效面积，输出图象也刚好充满荧光屏有效面积，则畸变的定义为:mc：中心放大率，me：边缘放大率。通常取光电阴极有效直径的70%～80%处的畸变值表示器件的特性。2.3畸变2.4光传递特性输出亮度随入射照度的变化关系。当入射照度过高时，输出和输入不再保持线性关系。输出趋于饱和，原因：1.光电发射能力有限；2.光电子空间电荷效应；3.荧光屏发光能力有限。

2.5背景特性（1）暗背景概念：无光照时,像管的输出亮度。产生原因：光电阴极热电子发射局部场强产生的电子发射正电极上的二次电子发射措施：降低阴极温度减少电极污染暗背景度量：可以用等效背景照度来度量。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。暗背景亮度值（2）信号感生背景概念：因入射信号的影响而产生的背景。产生原因：信号增强时，阴极透射光、管内散射光、光反馈、电子反馈等的增强。别处亮度某处亮度的变化5.4变像管红外辐射图像紫外辐射图像可见光图像光谱变换光学成像主要功能工作原理红外辐射图像被光学物镜成像后位于光电阴极的前方，该辐射图像相当于对光电阴极有一辐射通量，光电阴极将其变成与其亮度成正比的电子图像，经静电聚焦后轰击荧光屏，形成可见光图像。红外变像管特点光电阴极多为Ag-O-Cs阴极；它可以使波长小于1.15μm的红外光变成光电子。对于波长大于1.15μm的红外光，采用负电子亲和势阴极。将光电阴极及荧光屏连同光纤面板一起制成球面型，使聚焦面与荧光屏重合，从而改善了像质。荧光屏上的像借助于平凹形的光纤平板展开成平面像。光纤面板变像管5.5像增强器功能：增强微弱光图像的亮度，使其便于观察。但该微弱光图像仍属于可见光范围，只是发光强度较弱。增强亮度光学成像主要功能第一代微光像增强器为了增强图像的亮度，将完全相同的多个单级像增强器耦合起来，使亮度逐级增益。3级串联的图像增强管，亮度增益可达105。需要注意光谱匹配问题。微通道板----MCP(MicroChannelPlate)是利用电子在通道内的二次倍增来实现增强亮度的,具有传输、增强电子图像功能的电子倍增器。第二代微光像增强器——微通道板像增强器特性当光电面发射的电子进入MCP后，MCP两端加上高的直流电压（约数千伏）后，在每个微管道内即形成极强的电场。在强电场作用下经过和管壁的多次碰撞，而得到电子倍增。一般直流电压为10kV的微通道板，可得到105～106的电子增益。工作原理⑴体积小，重量轻，整管长度和重量约为一代级联管的二分之一；(2)亮度便于调节；(3)减少了荧光屏的光反馈；(4)整管电压较低微通道板像增强器的优缺点其突出的是：⑴噪声大，主要是的附加噪声；⑵图像不够均匀；⑶工艺难度大，主要是的制作以及后续工序对MCP有影响。缺点第三代像增强器第二代象增强器的微通道板结构配以负电子亲和势光电阴极，构成第三代像增强器。第三代像管具有高增益、低噪声、较高的图像分辨力的优点，成为目前性能最优越的直视型光电成像器件。WGS15-1型手持微光夜视仪WGS15-1型手持微光夜视仪

主要特点：该夜视仪是以微光像增强器为核心携带方便的一代手持微光夜视仪，该夜视仪配有IR助视灯，视场大、体积小、重量轻、使用方便。

用途：用于夜间和低照度下进行观察。在公安侦破、边防守卫、海关及科学研究等方面均可广泛运用。

主要性能：

物镜孔径：48毫米放大倍率：1.8倍

物方视场：17°调焦范围：5米～无穷远

视度范围：±5屈光度出瞳直径：7毫米

分辨力：≤2.8毫弧度工作电压：3伏直流（采用标准5号电池）

像增强器：一代像增强器（XX1490）

尺寸：192（L）×66（W）×88（H）

质量：0.7公斤WGS40-1型双目观察夜视仪

主要特点：该夜视仪可手持、或配置三角架使用，选用高性能二代像增强器，体积小、重量轻、性能优良。

适用范围：主要适合于军事、准军事部门远距离侦察、跟踪、监视，还可粗略测距。

主要性能：

放大倍率：1倍物方视场：38°

调焦范围：250mm～无穷远分辨力：≤0.9毫弧度视度范围：-5～+2屈光度出瞳直径：7毫米

工作电压：3伏直流（采用标准5号电池）

像增强器：高性能二代像增强器（1XZ18/18WHS-2）摄像管电荷耦合器件5.6摄像管摄像管是电视摄像机中将光学图像转换为电信号的一种电真空器件，是整个电视发送系统中的第一个部件。摄像管性能的优劣，对整个电视系统的质量关系极大。摄像管的基本任务是把输入的光学图像信息转换成适合于处理和传递的时间序列的一维电信号。而视频信号能再现入射的光图像信号。第一节摄像管的分类和基本原理第二节摄像管的主要参数一、摄像管的分类二、摄像管的基本组成和作用三、光电导式摄像管（视像管）1、组成与作用2、分类四、光电发射型摄像管1、组成与作用2、二次电子导电摄像管（SEC）3、光电发射型摄像管的应用3、硅靶摄像管的组成与工作原理4、光电导型摄像管的应用一、摄像管的分类1、按电荷积累方式分类

①光电导型：内光电变换型，没有移像部分，视像管

②光电发射型：外光电变换型，有移像部分

③二次电子发射型④二次电子导电型⑤电子轰击感应电导型二、摄像管的基本组成和作用写入、存贮：输入的光学图像照射在靶面上产生电荷(电位)图像并存储；阅读、抹除：扫描电子束从靶面上取出视频信号。

a)光电导式摄像管

b)光电发射式摄像管三、光电导式摄像管（视像管）1、组成与作用光电导靶和电子枪。光电导靶光窗信号极靶完成光电变换与信号存储电子枪：发射系统和聚焦偏转系统。具体包括灯丝、热阴极、控制栅极、各加速电极和聚焦电极、靶网电极和管外的聚焦线圈、偏转线圈、校正线圈等视频信号输出2、分类靶面结构无结型：硫化锑管结型：氧化铅管、硅靶管、异质结靶管3、硅靶摄像管的组成与工作原理光窗：玻璃窗口3.1组成信号板：窗口玻璃内表面涂有一层很薄的既可透光也可导电的金属膜，在它上面接有引线。硅靶：N型硅片SiO2氧化层光刻产生几十万个小孔掺杂使每个小孔都变成P-Si。

P型岛（像素）PN结（光电二极管）电阻海3.2工作原理工作时，信号板通过引线、负载电阻与靶电源的正极相连。热阴极接地。(1)硅靶的光电变换与存储：光学图像硅靶的PN结区产生电子空穴对PN结的内电场分离电子通过信号板等外电路入地空穴积累于P型岛上，建立起电位图像并保持由于扫描面上各P型岛的电势分布，将正比于入射光学图像的亮度分布在一帧的扫描周期内。(2)视频信号输出P型岛的电位图像电子枪产生空间两维扫描的电子束按一定的制式去扫描靶面电子束接触到的P型岛，靶上电子数的多少，正比于各P型岛电势的高低。被扫到的P型岛，被拉回到地的电位在输出回路（靶-负载电阻-电源-热阴极-靶）中即产生与之对应的电子流，在负载电阻上可得到对应的时序视频电压信号。在一帧的周期内完成全靶面的扫描为下一帧光积分作准备电子束逐行扫描轨迹（3）扫描方式逐行扫描与隔行扫描（a）奇数场

（b）偶数场隔行扫描的一帧电子束轨迹隔行扫描重现图像示意图(4)总结当被摄景物（光学图像）通过摄像机光学镜头成像到光电导体靶面时，利用内光电效应,因各个像素上照度的不同，从而在靶面产生电位起伏（电位图像）。通过扫描电子束的换接作用，产生视频信号。4、光电导型摄像管的应用光电导型的优点是体积小，结构简单，调节使用方便。在工业电视中、彩色广播电视中应用广泛。四、光电发射型摄像管1、组成与作用由移像区与扫描区组成，适于微光摄像移像区光电阴极：光电变换部分靶：获得电子图像倍增及存储扫描区（电子枪）：视频信号输出光窗2、二次电子导电摄像管（SEC）SEC管的基本结构简图2.1结构2.2工作原理（1）光电变换光学图像投射到光电阴极上，产生相应的光电子发射，在电子光学系统的加速聚焦作用下，使它打到SEC靶上，产生二次电子发射。（2）电子图像存储在靶的扫描面即形成与之对应的电势起伏，从而使光电阴极上的光学图像转移到SEC靶，变为靶扫描面上的电势分布图像。靶的二次电子发射系数越大，移像后靶上的电势起伏也就越大。（3）视频信号输出视频信号的输出过程，就与光电导式摄象管完全相同了。（4）总结当光学图像投射到光电阴极时，利用外光电效应光电阴极上发射出相对应像素强弱不同的光电子流，在电场作用下，轰击靶面，产生电位起伏（电位图像）。然后，通过扫描电子束的换接作用，产生视频信号。3、光电发射型摄像管的应用光电发射式摄象管历史最早，信号质量也最高，但体积大，结构复杂，调整麻烦，所以目前除特殊场合（微光摄像领域）外一般用得较少。一、摄像管的灵敏度定义：输出信号电流与输入光通量(或照度)的比值。其单位为μA／lm或μA／1x。二、光电特性

Is灰度等级：按照一定标准划分的亮度等级。表明亮度的明暗程度。也称色阶或灰阶。三、分辨率

摄像管的分辨率是指摄象管对于光学图像细节的鉴别能力。有两种表达方式，即极限分辨率和调制传递函数。1、极限分辨率定义①用每毫米所能分辩的最多黑白条线对数表示（lp/mm)

②在接收图像的高度、宽度范围内所能分辩的等宽黑白条数表示摄像管习惯用每帧多少电视行（TVL)表示③分辨率分水平分辨率与垂直分辨率

h，l分别为光栅高度和对角线的长度。例如，某摄像管分辨力为400TVL，靶面有效直径为16m