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1、第第8章章 图像信息的光电变换图像信息的光电变换图像传感器真空成像图像传感器固体成像图像传感器CCD图像传感器CMOS图像传感器直视型扫描型第一页，编辑于星期六：二十点 四十八分。一、真空成像器件第二页，编辑于星期六：二十点 四十八分。这类器件的应用领域很广，如，夜视技术、电视技术、工件的图象测量、精密零件的微小尺寸测量、产品外观检测、应力应变场分析、机器人视觉、交通管理与指挥、定位、跟踪等。象管和摄像管真空成像器件如:使不可见光图象不可见光图象变为可见光图象可见光图象的器件;使光学图象光学图象变为电视信号电视信号的器件等。第三页，编辑于星期六：二十点 四十八分。光学图象投射到器件光敏面后，称
2、为象素的独立的光光学图象投射到器件光敏面后，称为象素的独立的光敏单元分别完成光电转换，在光敏面上形成敏单元分别完成光电转换，在光敏面上形成电量的潜象电量的潜象。扫描装置形成的扫描线按一定的轨迹串行、逐点地采集这些转扫描装置形成的扫描线按一定的轨迹串行、逐点地采集这些转换后的电量形成输出信号。扫描线经过某一个象素的时间只占换后的电量形成输出信号。扫描线经过某一个象素的时间只占扫描整个光敏面所需周期的极小部分，为了提高检测灵敏度，扫描整个光敏面所需周期的极小部分，为了提高检测灵敏度，每个象素在扫描周期内应不间断地对转换后的电量进行积累，每个象素在扫描周期内应不间断地对转换后的电量进行积累，这种功能
3、称为光电信号的积分存储。这种功能称为光电信号的积分存储。光电摄象器件应具有三种基本功能：光电变换、光电光电变换、光电信号存储和扫描输出。信号存储和扫描输出。第四页，编辑于星期六：二十点 四十八分。1象管orthicon象管变象管图象增强管是指能够把不可见光图象变为可见光图象的真空光电管。是指能够把亮度很低的光学图象变为有足够亮度图象的真空光电管。象管和摄象管的主要区别是，象管内部没有扫描机构，不能输出电视信号，对它的使用就跟使用望远镜去观察远处景物一样，观察者必须通过它来直接面对着景物。image converter tubeimage intensifier tube第五页，编辑于星期六：二
4、十点 四十八分。1.1 1.1 象管的结构和工作原理象管的结构和工作原理象管的结构原理示意图象管的结构原理示意图第六页，编辑于星期六：二十点 四十八分。象管有三个基本部分：象管有三个基本部分：二是电子光学部分，即电子透镜，有电聚焦和磁聚焦两种形式，它可以使光电阴极发射出来的光电子图象，在保持相对分布不变的情况下进行加速。三是电光变换部分，即荧光屏，它可以使打到它上面的电子图象变成可见光一是光电变换部分，即光电阴极，它可以使不可见光图象或亮度很低的光学图象，变成光电子发射图象。第七页，编辑于星期六：二十点 四十八分。静电聚焦型象管结构示意图静电聚焦型象管结构示意图上图为静电聚焦型象管的基本结构，
5、其中几个圆筒形的电极可形成对光电子聚焦和加速的电场，使电子在荧光屏上呈倒立的象。电聚焦型象管各电极电压之比保持不变时，即使总电压稍有变化，电子轨迹也基本不变，因此，各电极电压多用电阻链分压的办法供给。静电聚焦和电磁聚焦静电聚焦和电磁聚焦第八页，编辑于星期六：二十点 四十八分。缺点：电聚焦的球面象差较大，画面的中心部分和边缘部分放大率不等，图象有失真。因此，图中的光电阴极多作成曲面状，以补偿电聚焦引起的象差。但曲率大时，焦距又要变小，使边缘部分的分辨率降低。因此，近年来多采用光纤面板，使其外侧为平面，内侧为球面，以解决光学透镜和电透镜的象差问题。第九页，编辑于星期六：二十点 四十八分。电磁聚焦型
6、象管结构示意图电磁聚焦型象管结构示意图圆筒形电极用来形成电透镜和加速，管外的线圈用来使管内产生平行于管轴的磁场，以形成磁透镜。如果光电子有偏离于管轴的速度分量，磁场会使它呈螺旋状前进。电子每旋一圈所需的时间与初速度无关，所以光电面上任一点发射出来的电子，不管起初是沿什么方向发射，最终都可以被会聚于一点。第十页，编辑于星期六：二十点 四十八分。以被加速和聚焦了的电子去轰击荧光面时，荧光面可产生明亮的光学图象，一般1个入射的光电子，可使荧光屏产生多个光子。例如，用1个10keV的电子去轰击P-20荧光体时，可产生300个光子；1个20keV的电子，可产生1千多个光子。光电面的响应时间极短，可忽略不
7、计，而荧光面的响应时间约为数毫秒至数秒，所以整管的响应时间主要决定于荧光面。另外，为了避免光反馈，增加荧光面的光输出，常在荧光面上对着光敏面一边涂有铝膜。第十一页，编辑于星期六：二十点 四十八分。2.2 象管的主要特性参量象管的主要特性参量2.2.1光谱响应特性和光谱匹配光谱匹配是指在象管的光谱响应范围内光源与光源阴极、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，如果匹配良好，将获得更高的整管灵敏度。光谱响应特性主要是指光电阴极的光谱响应特性，它决定了管子的光谱范围。第十二页，编辑于星期六：二十点 四十八分。S()为光电阴极的相对光谱灵敏度曲线；Sm为峰值灵敏度；为光源的相对光
8、谱分布曲线；m为光源光谱辐射能量的最大值。积分灵敏度为光谱匹配因数第十三页，编辑于星期六：二十点 四十八分。对象管的亮度增益，可作如下的估计：对于S-20的光电阴极，量子效率约为10%，入射于荧光面的电子能量，由于技术原因最大只能加大到20keV，平均l个高能电子可产生5001000个光子，因此整管的亮度增益为50100。2.2.2.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上的照度之比。第十四页，编辑于星期六：二十点 四十八分。2.2.3.等效背景照度指当象管受微弱光照时，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2.2.4.分辨率当标准测试板通过象管后，在荧光
9、屏的每毫米长度上用目测法能分辨得开的黑白相间等宽距条文的对数。第十五页，编辑于星期六：二十点 四十八分。2、变象管、变象管 红外变象管的光电阴极多为Ag-O-Cs阴极，它可以使波长小于1.15m的红外光变成光电子。对于波长大于1.15m的红外光，采用负电子亲和势阴极。有的变象管也采用光电导技术，使红外光成象到光电导靶面上，在靶的另一边形成电势分布图象，使入射的电子流受到调制，利用返回的电子流使荧光面发光。装有光电导靶的反射式变象管装有光电导靶的反射式变象管红外变象管红外变象管第十六页，编辑于星期六：二十点 四十八分。红外变象管多应用于军事、公安等方面，供夜间侦察用。在民用方面，可用于暗室管理、
10、物理实验、激光器校淮和夜间观察生物活动等。另外，温度高于400的物体都会发出大量的红外线，可通过红外变象管观察到它的象。如果与标准光源的亮度比较，即可求出它的强度。这就是夜视温度计的原理。第十七页，编辑于星期六：二十点 四十八分。第十八页，编辑于星期六：二十点 四十八分。紫外变象管的窗口材料为石英玻璃，光电发射材料为Sb-Cs阴极。它可以使波长大于200nm的紫外光变成光电子。紫外变象管与光学显微镜结合起来，可用于医学和生物学等方面的研究。紫外变象管紫外变象管第十九页，编辑于星期六：二十点 四十八分。o、i：输出、输入光通量Mo、Ei：输出面的出射度、输入面的照度Ai、Ao：输入、输出面的面积
11、nop、nip：输出、输入的光子数光通量增益K=o/i光亮度增益KL=Mo/Ei=K(Ai/Ao)光电子增益Kp=nop/nip3 3 图象增强管图象增强管第二十页，编辑于星期六：二十点 四十八分。对于S-20的光电阴极，量子效率约为10%，入射于荧光面的电子能量，由于技术原因最大只能加大到20keV，平均l个高能电子可产生5001000个光子，因此整管的亮度增益为50100。如果象管后面是一个照相光学系统，并考虑到透镜对光的吸收，这样小的亮度增益是不能使感光胶片产生清晰的图象的。因此管内必须有使亮度进一步增益的措施。第二十一页，编辑于星期六：二十点 四十八分。3.1.级联式图象增强管 为了增
12、强图象的亮度，现在采取的方法之一是，使几个独立的象管串联起来，使亮度遂级增益。这种3管式的图象增强管，亮度增益可达105。第二十二页，编辑于星期六：二十点 四十八分。3.2微通道板式图象增强管 该管的核心部分是微通道板，它是由若干个极细的空心管道组成，管径约十几微米。第二十三页，编辑于星期六：二十点 四十八分。微管道是由高阻材料制成的，微管道的内壁为二次电子发射系数1的材料。一般直流电压为10kV的微通道板，可得到105106的电子增益。这种增强管和级联式增强管比较，它在输入面和输出面之间没有电子光学系统，所以整管可作得很短，体积很小，便于与其它光电器件配用。微通道板的厚度约数毫米，在它的两端
13、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。这时，当光电面发射的电子进入微管道后，在强电场作用下经过和管壁的多次碰撞，而得到电子倍增。第二十四页，编辑于星期六：二十点 四十八分。4真空摄象管能够输出视频信号的一类真空光电管称为摄象管。有移象区，它的光电变换部分和光信息存储部分是由两部分来完成的，彼此分离，总称为移象区。把没有移象区，它的两部分功能全由一个靶来完成。光电发射式摄象管光电导式摄象管或视象管第二十五页，编辑于星期六：二十点 四十八分。电子枪部分二者基本相同。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（微光摄象领域）外
14、一般用得较少。光电导式摄象管比前者体积小，结构简单，信号质量有的也接近于前者，所以电视领域中用得较为普遍。第二十六页，编辑于星期六：二十点 四十八分。a)光电发射式摄象管b)光电导式摄象管第二十七页，编辑于星期六：二十点 四十八分。4.1 4.1 摄象管的主要参量摄象管的主要参量4.1.1光电特性 摄象管输出的光电流与入射的光照度之间的函数关系。常表示为 Ip=kEIp：光电流 E：照度 ：光照指数 k：比例系数第二十八页，编辑于星期六：二十点 四十八分。4.1.2分辨率 摄象管的分辨率是指摄象管对于光学图象细节的鉴别能力。一般有两种表示法：1）极限分辨率 在最佳照度下，使高对比度的黑白相间条
15、形图案投射到摄象管的光敏面上，然后在监视器上去观察可分辨的最高空间频率数。在电视中，通常是指在光栅高度范围内可分辨的最多电视行数（TVL/H）。有时也采用“线对/mm”的单位，它等于可分辨的电视行数一半除以靶的有效高度（mm）。例如25mm的视象管，靶面的有效高度约为10mm，若可分辨的最多电现行数为400时，相当于20线对/mm。按这种方法表示的分辨率称为极限分辨率。第二十九页，编辑于星期六：二十点 四十八分。第三十页，编辑于星期六：二十点 四十八分。2）调制传递函数（MTF）极限分辨率是依靠观察者的眼睛来分辨的，因而带有一定的主观性，同时也不能反映摄象系统各部分对分辨力的影响。因此，多采用
16、调制传递函数（MTF）的概念。MTF的定义是，输出调制度Mo与输入调制度Mi之比的百分数，即 MTF=Mo/Mi100%=(A-B)/(A+B)100%M的定义为光信息的最大值A与光信息最小值B之差，对A、B和的百分比。图象在传送过程中，调制度M是随空间频率的增大而减小的。如果把调制度的损失程度以百分数表示（以零频时的调制度为100%），则调制度与空间频率的关系曲线，就是调制传递函数。MTF能够用仪器测量，因此它能客观地反映摄象管的分辨力。第三十一页，编辑于星期六：二十点 四十八分。调制传递函数曲线调制传递函数曲线第三十二页，编辑于星期六：二十点 四十八分。摄象管的光电流输出滞后于光信息输入的
17、一种现象。常用三场后残余信号的百分比表示。这里所说的场，是指电视场，按我国的电视制式，场周期为20ms，三场后残余信号的百分比，即光信息变化60ms后的输出电信号，对于60ms前原输出电信号的百分比。4.1.3.惰性第三十三页，编辑于星期六：二十点 四十八分。5 5 光电导摄象管（视象管）光电导摄象管（视象管）第三十四页，编辑于星期六：二十点 四十八分。摄象管的基本结构光电靶电子枪 靶面的光敏层可进行光电转换，它的轴向电阻小，横向电阻大，有利于保持光电转换形成的电量潜象，并在扫描周期内实现积分存储。光电靶光电靶光窗信号极靶 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
18、、偏转线圈、校正线圈等，它的作用是产生热电子，并使它聚焦成很细的电子射线，按着一定的轨迹扫描靶面。电子枪第三十五页，编辑于星期六：二十点 四十八分。硅靶摄象管硅靶摄象管硅靶结构图与硅靶摄象管简图硅靶结构图与硅靶摄象管简图第三十六页，编辑于星期六：二十点 四十八分。每个P型岛与N型衬底之间即形成一个PN结(光电二极管)。最后再在SiO2和P型岛表面上蒸涂上一层电阻率适当的材料，即成为硅靶。信号板信号板:硅靶摄象管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，在它上面接有引线可同负载相连。N型硅片硅片朝着电子枪一边的表面，先生成一层氧化层(SiO2)，接着利用光刻技术在SiO2上光刻成几十
19、万个小孔，再通过掺杂使每个小孔都变成P-Si。许多个小的P-Si被SiO2隔离，称为P型岛硅靶硅靶第三十七页，编辑于星期六：二十点 四十八分。硅靶的光电变换硅靶的光电变换信号板引线负载电阻靶电源的正极电子枪的热阴极接地，扫描电子束具有地的电位当电子束扫描到每个P型岛时，P型岛的PN结即被反偏置反偏置，结电容被充电到靶电源电压由于PN结有反向漏电流(暗电流)，在负载电阻上要产生少量的电压降，靶的两边成象面(信号板一边的靶面)和扫描面(朝着电子枪一边的靶面)之间的电压，略低于靶电源电压。无光照第三十八页，编辑于星期六：二十点 四十八分。如果光照是均匀的，靶的扫描面电位只是均匀地升高。如果光照不均匀
20、，是一幅光学图象，则扫描面上各P型岛的电势分布，将正比于入射光学图象的亮度分布，亮度高的点，所对应的P型岛的电势也高。光进入到每个PN结区将产生电子空穴对，它们被结的内电场分离以后，光生的电子通过信号板等外电路入地，光生的空穴则被积累于P型岛上。有光照第三十九页，编辑于星期六：二十点 四十八分。硅靶摄象管产生视频信号的过程扫描电子束按一定的制式去扫描靶面。例如先从左上角开始，从左向右扫，然后再一行挨着一行地从上向下扫，当扫到最右下角时，再返回到左上角，接着扫下一帧。相当于用一条软导线，按着一定的次序去接通每个P型岛。当电子束与每个P型岛接触时，靶上电子数的多少，正比于各P型岛电势的高低。第四十
21、页，编辑于星期六：二十点 四十八分。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，在负载电阻上即得到与之对应的视频电压信号。与此同时，被扫到的P型岛，即被拉回到地的电位，为下一帧光积分作准备。当下一帧再扫到它时，它就可以把一个帧周期时间内积累起的信息电荷，瞬时地放出来，就这样反复下去，即可得到与光学图象亮度分布相对应的时序视频信号。第四十一页，编辑于星期六：二十点 四十八分。氧化铅靶摄象管PbO靶摄象管的结构和工作过程都与硅靶管类似，所不同的是，它的靶是由PbO材料制成的。PbO靶结构及能带图靶结构及能带图第四十二页，编辑于星期六：二十点 四十八分。工作时，信号板通过负载
22、和靶电源的正极相接，电子枪的热阴极接地，当扫描电子束扫描靶面时，相当于对PIN进行反偏置。窗口玻璃内壁是一层金属膜作为信号板，接着就是PbO靶靶的成象面一边为N-PbO，扫描面一边为P-PbO，两者之间夹着一层(相对)很厚的本征氧化铅I-PbO，因而具有PIN结构。靶电源电压约45V左右。PbO靶也有光信息的存储功能，它的轴向电阻较小，横向电阻很大，扫描面上的电势起伏可保持较长时间不变。第四十三页，编辑于星期六：二十点 四十八分。碲化锌镉靶摄象管由图可见，窗口玻璃内壁涂有一层SnO2薄膜为信号板，接着就是靶。靶有三层结构，第一层为ZnSe，属于N型半导体，厚50100nm。第二层为碲化锌和碲化
23、镉的困溶体（ZnxCd1-xTe），属于P型半导体，厚35m。第四十四页，编辑于星期六：二十点 四十八分。光电效应主要发生在第二层，x值的大小对灵敏度、暗电流和光谱特性都有较大的影响，x值小，灵敏度高，体内暗电流增大，光谱特性的峰值波长向长波方面移动。第三层是无定形三氧化二锑Sb2O3，厚100nm。第一层与第二层之间形成异质结。第二层与第三层之间不形成结。第一层ZnSe无光电效应，它的作用是增强对短波光的吸收，提高整个可见光区的灵敏度，另外它还可以阻止光生空穴向成象面一边扩散，有提高灵敏度，减小暗电流的作用。第三层的作用是减小扫描电子束的电子注入效应（图象上的浮雕现象），减小暗电流和惰性。第
24、四十五页，编辑于星期六：二十点 四十八分。光电发射式摄象管光电发射式摄象管二次电子导电摄象管（SEC）SEC管是60年代初出现的一种高灵敏度摄象管，适于微光摄象。SEC管的基本结构分三部分：光电阴极，靶和电子枪。光电阴极和靶合在一起统称为移象区。第四十六页，编辑于星期六：二十点 四十八分。SEC管的工作原理是：光学图象投射到光电阴极上，产生相应的光电子发射，在加速电场和聚焦线圈所产生的磁场共同作用下，使它打到SEC靶上，产生二次电子发射。于是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象转移到SEC靶，变为靶扫描面上的电势分布图象。靶的二次电子发射系数越大，移象后靶上的电势起
25、伏也就越大。以后，视频信号的输出过程，就与光电导式摄象管完全相同了。第四十七页，编辑于星期六：二十点 四十八分。硅增强靶摄象管（SIT）SIT管的结构和SEC管类似，只是靶不同。SIT管中的靶和硅靶摄象管中的靶基本相同。从光电阴极发射出来的电子，在高的电压作用下去轰击硅靶，使靶内产生电子空穴对。经理论计算，每个入射的光电子能量为3.43.5eV时，可产生1个电子空穴对。如果移象区的电压为10kV，则每个入射光电子可产生28002900个电子空穴对。但由于表面和体内的复合和收集率等原因，实际的电子增益约为2000倍。通过改变移象区的加速电压可改变靶的电子增益。第四十八页，编辑于星期六：二十点 四十八分。