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1、第第5章章 摄像管摄像管v直视式光电成像系统不足直视式光电成像系统不足:光图像直接转变为直视图像，光图像直接转变为直视图像，v具有作用距离短具有作用距离短;v放大率有限放大率有限;v对比度不能调节对比度不能调节;v不能超越障碍等缺点，为此人们研究了电视系统。不能超越障碍等缺点，为此人们研究了电视系统。v电视系统基本过程电视系统基本过程v光光-电电电电 光图像光图像v电视的优势电视的优势:传送的主要对象是活动的对象，在发送端要把光学图像传送的主要对象是活动的对象，在发送端要把光学图像信息转化为电信号，信息转化为电信号，经过加工之后，发送到接收端，在接收端进行经过加工之后，发送到接收端，在接收端进
2、行处理，再把电信号信息还原成光信号。处理，再把电信号信息还原成光信号。5.1 摄像管的工作方式摄像管的工作方式第一页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v1）图象分割）图象分割v 图像分割成图像分割成:小单元（小单元（像素）像素）;v 静止图像静止图像;v 活动图像活动图像.v2）依次传送）依次传送v光光-电电-处理处理-依次传送依次传送-(时间开关时间开关)-依次显示依次显示-电电-光光.v发送端发送端:摄像管摄像管 +信号处理信号处理+存储存储 or(and)发送发送;v接受端接受端:接收天线接收天线+合成处理合成处理+荧光屏荧光屏.1.电视制式电视制式第二页，编辑于星期六：十六点 二十七分
3、。v3）电子扫描）电子扫描v电子电子 扫描方式完成开关，依次传送的目的。扫描方式完成开关，依次传送的目的。v光光-电电 电子电子 扫描方式。扫描方式。v行扫描行扫描,列扫描列扫描 组成光栅；组成光栅；v光栅的长宽比；光栅的长宽比；v扫描行数扫描行数,列数列数;v分两场扫描：奇数场、偶数场；分两场扫描：奇数场、偶数场；v帧频、场频、行频，及周期时间帧频、场频、行频，及周期时间;v行消隐行消隐,场消隐。场消隐。v4）同步同步v行同步行同步v场同步场同步第三页，编辑于星期六：十六点 二十七分。2.摄像管要解决的问题摄像管要解决的问题v在电视的研究发展过程中，遇到的主要问题是：图在电视的研究发展过程中
4、，遇到的主要问题是：图像的传送，灵敏度的提高以及像质的改善。像的传送，灵敏度的提高以及像质的改善。v这些问题都与电视系统的核心部件这些问题都与电视系统的核心部件摄像管密切相关。摄像管密切相关。v解决灵敏度的提高问题：解决灵敏度的提高问题：v 历史上，历史上，没有信号积累，没有实用化。没有信号积累，没有实用化。v 有信号积累，实用化。有信号积累，实用化。第四页，编辑于星期六：十六点 二十七分。没有信号积累过程没有信号积累过程：v帧周期为帧周期为T，象素数，象素数N，则电，则电子束在一个象素上停留的时子束在一个象素上停留的时间为间为T/N，这相当于，这相当于0.062s，其余时间（，其余时间（N-
5、1）T/N内，内，光虽然照在光阴极上的，由光虽然照在光阴极上的，由于光电管没有接入电路而白于光电管没有接入电路而白白浪费掉了。白浪费掉了。v只有在扫描的瞬间才能从景物只有在扫描的瞬间才能从景物得到信号，没有信号积累过程，得到信号，没有信号积累过程，光能的利用率太低，所以灵敏光能的利用率太低，所以灵敏度低，因而未能实际应用。度低，因而未能实际应用。第五页，编辑于星期六：十六点 二十七分。有信号积累过程有信号积累过程：v而附加存贮器的装置：但是它而附加存贮器的装置：但是它将（将（N-1）T/N的光电信号存贮的光电信号存贮起来起来。v电子束在一个象素上停留的时电子束在一个象素上停留的时间为间为T/N
6、，这相当于，这相当于0.062s，但读出信号是（但读出信号是（N-1）T/N内的内的信号。信号。v积累时间是帧周期，积累时间是帧周期，T时间约时间约为为40ms。v当扫到接通时，贮存的电量全当扫到接通时，贮存的电量全部输送出去。部输送出去。v于是摄像管的效率就提高于是摄像管的效率就提高N倍。使摄像管实用化。倍。使摄像管实用化。第六页，编辑于星期六：十六点 二十七分。3.摄像管的任务摄像管的任务v为了完成摄像任务，摄像管必须具有写入、存贮、阅读为了完成摄像任务，摄像管必须具有写入、存贮、阅读和抹除等过程。和抹除等过程。v这主要由三部分组成：光电变换部分、电荷存贮部分和信这主要由三部分组成：光电变
7、换部分、电荷存贮部分和信号阅读部分号阅读部分 第七页，编辑于星期六：十六点 二十七分。1）光电变换部分）光电变换部分把光学图像变成电子图像，由光敏元件组成。常用的材料有：把光学图像变成电子图像，由光敏元件组成。常用的材料有：光电阴极和光电导体。光电阴极和光电导体。2）电荷存贮部分）电荷存贮部分把光电流以电荷的形式存贮起来，而转化成与像素光强相对应把光电流以电荷的形式存贮起来，而转化成与像素光强相对应的存贮面上的电位。在只有光电阴极或光电导体的摄像管中，的存贮面上的电位。在只有光电阴极或光电导体的摄像管中，光电变换部分和存贮部分是合为一体的。光电变换部分和存贮部分是合为一体的。3）信号阅读部分）
8、信号阅读部分 从靶面取出信号，包括电子枪与偏转系统。从靶面取出信号，包括电子枪与偏转系统。第八页，编辑于星期六：十六点 二十七分。1面板；面板；2信号板；信号板；3光电导；光电导；4网；网；5金属金属环；环；6聚焦线圈；聚焦线圈；7偏转线圈；偏转线圈；8热电极；热电极；9前置放大器。前置放大器。摄像管的组成：光摄像管的组成：光电变换部分；电变换部分；电荷存贮部分；电荷存贮部分；信号阅读部分。信号阅读部分。第九页，编辑于星期六：十六点 二十七分。5.2 摄像管的性能指标与评定摄像管的性能指标与评定v通过电视系统来传送各种图像，目的是得到准确无通过电视系统来传送各种图像，目的是得到准确无误的图像，
9、而是否能准确传送图象，和摄像器件、误的图像，而是否能准确传送图象，和摄像器件、电视通道、显示器件有关，但起主要作用的是摄像电视通道、显示器件有关，但起主要作用的是摄像器件。器件。v人们希望摄像管能清晰地、无失真地、人们希望摄像管能清晰地、无失真地、“干净干净”地摄取图地摄取图像。一般地，摄像器件获得图像质量要比人们现场观察的像。一般地，摄像器件获得图像质量要比人们现场观察的景物差，也就是说，摄像器件送来的图像不够清晰，有失景物差，也就是说，摄像器件送来的图像不够清晰，有失真。真。v描述摄像器件性能用：灵敏度、光电转换特性、分辨描述摄像器件性能用：灵敏度、光电转换特性、分辨率、信噪比、惰性、光谱
10、响应特性等来表示。率、信噪比、惰性、光谱响应特性等来表示。第十页，编辑于星期六：十六点 二十七分。5.2.1 摄像管的灵敏度摄像管的灵敏度定义：摄像管输出的信号电定义：摄像管输出的信号电流与入射在光敏面上的光流与入射在光敏面上的光通量（或通量（或 照度）之比。照度）之比。测量方法有两种：测量方法有两种：(1)用已知照度的用已知照度的10lx标准标准光源照射在摄像管光敏面光源照射在摄像管光敏面上，同时在信号输出端上，同时在信号输出端（即前置放大器输入端）（即前置放大器输入端）测量信号电流的大小，如：测量信号电流的大小，如：灵敏度灵敏度 R=信号电流信号电流/光通量光通量 第十一页，编辑于星期六：
11、十六点 二十七分。图图5-3 摄像管灵敏度的测量摄像管灵敏度的测量 1信号板；信号板；2靶；靶；3信号板；信号板；4靶。靶。(A/lm)(2)向摄像管的光敏面投射已知照度的黑白条纹图案，向摄像管的光敏面投射已知照度的黑白条纹图案，同时用示波器测量黑白电平信号的峰同时用示波器测量黑白电平信号的峰-峰振幅，而后将峰振幅，而后将其换成摄像管输出端的信号电流。其换成摄像管输出端的信号电流。第十二页，编辑于星期六：十六点 二十七分。5.2.2 摄像管的光电转换摄像管的光电转换输出信号与产生该信号的光敏面上的辐射照度的函数输出信号与产生该信号的光敏面上的辐射照度的函数关系。关系。整个电视系统实质上是光能经
12、过转换放大，经过处整个电视系统实质上是光能经过转换放大，经过处理后再变成光能的过程。理后再变成光能的过程。它包括两种转换过程：光它包括两种转换过程：光-电转换和电电转换和电-光转换。光转换。为了在显示屏上得到一个与景物的亮度分布相一致的为了在显示屏上得到一个与景物的亮度分布相一致的图像，电视系统应该保证输出光和输入光之间的线性。图像，电视系统应该保证输出光和输入光之间的线性。第十三页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v 摄像管的光电转换特性摄像管的光电转换特性 第十四页，编辑于星期六：十六点 二十七分。第十五页，编辑于星期六：十六点 二十七分。第十六页，编辑于星期六：十六点 二十七分。要保证总
13、系统值要保证总系统值r等于等于1v要保证总系统值要保证总系统值r等于等于1v常用的显像管荧光屏常用的显像管荧光屏r值平均值约为值平均值约为2.5;v大多数摄像管的大多数摄像管的r值都不满足值都不满足0.4的要求，例如，光电导摄像的要求，例如，光电导摄像管的管的r值小于值小于1，有的，有的r接近于接近于1，如，如Sb2S3管管 r值为值为0.60.7，PbO管管1为为0.95，而硅靶管，而硅靶管1接近于接近于1。v为了克服系统值过大的缺点，往往在放大讯道中采用专门的为了克服系统值过大的缺点，往往在放大讯道中采用专门的校正器，使放大讯道校正器，使放大讯道r1，以保证全系统，以保证全系统r=1。v使
14、用校正器的缺点：因为校正器的使用校正器的缺点：因为校正器的r=0.5或更小，电平越低，相或更小，电平越低，相对放大的越多，因为噪声信号低电平，小信号，所以把噪声放对放大的越多，因为噪声信号低电平，小信号，所以把噪声放大得更大，这就使得噪声与信号一起被放大。大得更大，这就使得噪声与信号一起被放大。v在电视系统中，一般在发射系统中进行修正，使在电视系统中，一般在发射系统中进行修正，使r=0.4，而在电视，而在电视中不校正。中不校正。第十七页，编辑于星期六：十六点 二十七分。5.2.3 摄像管的分辨率摄像管的分辨率 分辨率表征了摄像管的分辨本领，是描述一切成像器件分辨率表征了摄像管的分辨本领，是描述
15、一切成像器件空间特性的重要指标。空间特性的重要指标。1.垂直分辨率垂直分辨率 在整个画面上，沿垂直方向所能分辨的像素数或黑白在整个画面上，沿垂直方向所能分辨的像素数或黑白相间的水平等宽矩形条纹数相间的水平等宽矩形条纹数 比如说，系统能够清晰地分辨比如说，系统能够清晰地分辨600条黑白相间的水平条黑白相间的水平等宽条纹，则说它的垂直分解率为等宽条纹，则说它的垂直分解率为600行行/帧高。帧高。第十八页，编辑于星期六：十六点 二十七分。1)扫描行数的影响扫描行数的影响v扫描行数是垂直分辨率的上限，如水平扫描行数为扫描行数是垂直分辨率的上限，如水平扫描行数为625行的行的电视系统，其垂直分辨力绝对不
16、会超过电视系统，其垂直分辨力绝对不会超过625行行/帧高。在实际帧高。在实际中，由于被消隐的扫描行不传递图像，而只有有效行数才能中，由于被消隐的扫描行不传递图像，而只有有效行数才能分解图像，所以严格来说，有效扫描行数是垂直分辨率的上分解图像，所以严格来说，有效扫描行数是垂直分辨率的上限。限。v在我国的电视标准中，标准扫描行数在我国的电视标准中，标准扫描行数N0为为625行行/帧，有效扫描帧，有效扫描行数行数Ne，Ne=(1-)N0v消隐系数，一般有消隐系数，一般有=0.0740.08，当，当=0.08时，时，Ne=575行行/帧高帧高v就是说，一般消隐行数为就是说，一般消隐行数为50行行/帧高
17、。帧高。第十九页，编辑于星期六：十六点 二十七分。2)扫描位置的影响扫描位置的影响如果扫描中心线的位置不当，会使应有的分辨率下降，如果扫描中心线的位置不当，会使应有的分辨率下降，第二十页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v即扫描线处于最佳位置和最差位置，在一般情况下，扫即扫描线处于最佳位置和最差位置，在一般情况下，扫描线的中心线位置介于线条中心线与边界线之间，垂直描线的中心线位置介于线条中心线与边界线之间，垂直分辨率将在分辨率将在Ne/2到到Ne之间。如一般取之间。如一般取625行的行的0.7，即，即垂直分辨率为垂直分辨率为6250.7=437行行/帧高。帧高。v考虑扫描行数和扫描线的位置影响
18、后，系统的垂直分辨率考虑扫描行数和扫描线的位置影响后，系统的垂直分辨率降为降为437行行/帧高。帧高。第二十一页，编辑于星期六：十六点 二十七分。2.水平分辨率水平分辨率整个画面上，沿水平方向所能分辨的像素数整个画面上，沿水平方向所能分辨的像素数 扫描束点尺寸对水平分辨率的影响扫描束点尺寸对水平分辨率的影响 第二十二页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v可见要提高分辨率，则要求扫描点足够小。但如果太小可见要提高分辨率，则要求扫描点足够小。但如果太小了，在规定的扫描行数下又不足以覆盖画面，使行间有了，在规定的扫描行数下又不足以覆盖画面，使行间有明显空隙，因而扫描点大小要恰当。明显空隙，因而扫描点
19、大小要恰当。v一般等于帧面高度除以有效行数一般等于帧面高度除以有效行数v这样当扫描行数选定后，扫描点的大小，水平方向的分这样当扫描行数选定后，扫描点的大小，水平方向的分辨力就大致决定了。辨力就大致决定了。v水平分辨力等于竖直分辨率时，图像质量最好。水平分辨力等于竖直分辨率时，图像质量最好。第二十三页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v3讯道频带宽度对分辨率的影响讯道频带宽度对分辨率的影响v1）视频信号的频带宽度）视频信号的频带宽度v图像信号的频率决定于图像的内容，细节越细，信号的图像信号的频率决定于图像的内容，细节越细，信号的频率就越高。图像越细，频率增加，假定图像是正方形频率就越高。图像越细
20、，频率增加，假定图像是正方形的黑白相间的方格，方格的宽度等于一根扫描线的宽度，的黑白相间的方格，方格的宽度等于一根扫描线的宽度，这是能够划分的最细程度。这是能够划分的最细程度。v一幅画面最多能划分：一幅画面最多能划分：ZZ，（，（Z沿竖直方向可以划沿竖直方向可以划分的有效的扫描行数，分的有效的扫描行数，Z=575）。）。v那么一秒钟电子束内扫过的黑白格数为那么一秒钟电子束内扫过的黑白格数为第二十四页，编辑于星期六：十六点 二十七分。vf帧频，即每秒中传送的画数帧频，即每秒中传送的画数 f=25Hzv因为每扫过一对黑白小格时形成一个方波，最高频因为每扫过一对黑白小格时形成一个方波，最高频率率fm
21、axvfmax=575225=5.5MHzv根据我国电视标准，扫描上限频率为根据我国电视标准，扫描上限频率为5.5MHz，由于电，由于电视系统需要传送近于零频的下界频率，视系统需要传送近于零频的下界频率，v所以上限频率就是频带宽度，为可靠起见，我国电视标准所以上限频率就是频带宽度，为可靠起见，我国电视标准规定视频信号带宽为规定视频信号带宽为6MHz。第二十五页，编辑于星期六：十六点 二十七分。第二十六页，编辑于星期六：十六点 二十七分。第二十七页，编辑于星期六：十六点 二十七分。4.调制传递函数调制传递函数 Cs(f),Cs(f)分别为正弦输出信号的对比度和分别为正弦输出信号的对比度和正弦输入
22、信号的对比度正弦输入信号的对比度 对比传递函数对比传递函数 R(f)=CR(f)、CR(f)分别为方波输出函数和方波输入信号的对比分别为方波输出函数和方波输入信号的对比度度 如用方波测量，就要利用公式，根据方波对比传递函数的再如用方波测量，就要利用公式，根据方波对比传递函数的再求出求出MTF。第二十八页，编辑于星期六：十六点 二十七分。第二十九页，编辑于星期六：十六点 二十七分。调制深度：调制深度：实际输出辐值与理想（实际输出辐值与理想（MTF=1）时的幅值比）时的幅值比）v如图如图5-8所示，在摄像管的光敏面投射所示，在摄像管的光敏面投射40线和线和400线两组线两组黑白条纹。在示波器上得到
23、频率低（黑白条纹。在示波器上得到频率低（40线），调制深度线），调制深度为为1（100%），即），即40线时，线时，MTF为为1，即认为没有对比，即认为没有对比损失，损失，400线图案高度变为线图案高度变为b值，值，b/a作为作为400线时调制线时调制深度，方波调制深度。深度，方波调制深度。v在广播电视中，要求摄像管在在广播电视中，要求摄像管在400线时的调制深度线时的调制深度4535%，并规定调制深度为，并规定调制深度为10%的线数称为摄像的线数称为摄像管的极限分辨率。管的极限分辨率。第三十页，编辑于星期六：十六点 二十七分。5.2.4 摄像管的惰性摄像管的惰性衰减惰性衰减惰性 D1=ISo
24、稳态输出信号电流稳态输出信号电流 Is去掉光照后，第三场的输出电流。去掉光照后，第三场的输出电流。上升惰性上升惰性 D2=ISo稳态输出信号电流稳态输出信号电流 IS指脉冲光信号到来后第三场的输出信号电流指脉冲光信号到来后第三场的输出信号电流如果考虑暗电流如果考虑暗电流Id100%100%第三十一页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v一般下降惰性大于上升惰性，且后者对视觉影响不明一般下降惰性大于上升惰性，且后者对视觉影响不明显，所以一般以第三场的下降惰性来表征摄像管的惰显，所以一般以第三场的下降惰性来表征摄像管的惰性。性。v对摄像器件惰性的要求视应用场合不同而相差很大，对摄像器件惰性的要求视应
25、用场合不同而相差很大，广播电视要求最高。广播电视要求最高。v规定三场下降惰性规定三场下降惰性5%，十场下降惰性，十场下降惰性1%。工业电视中。工业电视中三场下降惰性为三场下降惰性为2030%时，一般已可满意地使用了。时，一般已可满意地使用了。第三十二页，编辑于星期六：十六点 二十七分。5.2.5 摄像管的灰度摄像管的灰度 灰度：按照一定标准划分的亮度等级。灰度：按照一定标准划分的亮度等级。根据亮度不同、人眼特征、荧光屏亮度，按一定比值划分为亮根据亮度不同、人眼特征、荧光屏亮度，按一定比值划分为亮度等级，亮度相差越大时，包含的亮度等级越多。按对数将其度等级，亮度相差越大时，包含的亮度等级越多。按
26、对数将其分为分为10级，底色为级，底色为1级，其余按顺序排列，级数越高，亮度越级，其余按顺序排列，级数越高，亮度越低。低。人人们们之之所所以以能能够够分分出出物物体体上上的的细细节节，就就是是因因为为各各个个细细节节是是有不同的亮度或它们之间是有一定的亮度差或亮度对比。有不同的亮度或它们之间是有一定的亮度差或亮度对比。当当物物体体成成像像时时，成成像像系系统统应应能能如如实实地地传传递递物物体体的的亮亮度度等等级级，如如果果不不能能，则则说说成成像像系系统统改改变变了了物物体体的的灰灰度度，对对比比度度被被改改变变了了。如如果果灰灰度度减减小小了了，就就会会使使像像面面上上各各单单元元的的亮亮
27、度度范范围围受受到到压压缩缩，对对比比度度减小了。减小了。第三十三页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v用灰度测试卡测量，测量灰度等级要消除空间频率的调用灰度测试卡测量，测量灰度等级要消除空间频率的调制传递函数的影响，因此灰度卡做得比较宽。制传递函数的影响，因此灰度卡做得比较宽。v如果说，能分辨如果说，能分辨9个灰度等级，但并不是说，只要用个灰度等级，但并不是说，只要用9级级或或10级灰度传送信号即可，因为人眼除对灰度敏感而外，级灰度传送信号即可，因为人眼除对灰度敏感而外，还对空间频率十分敏感。如果采用这样的灰度信号传送还对空间频率十分敏感。如果采用这样的灰度信号传送图像，将会产生明显的马赛克
28、效应。图像，将会产生明显的马赛克效应。第三十四页，编辑于星期六：十六点 二十七分。5.3 氧化铅氧化铅视像管靶结构和原理靶结构1光；2面板；3透明信号板SnO2；4N型层；5本征层；6P型层；7电子束。第三十五页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v工作时工作时,氧化铅合成靶的氧化铅合成靶的SnO2层上层上v信号板上加固定正电压信号板上加固定正电压,U=3040V。v没有光照时，没有光照时，PIN电容两边电压差为靶电压。当光线透过面板极电容两边电压差为靶电压。当光线透过面板极SnO2层入射在层入射在PbO本征层上时，产生电子空穴对，它们在反向电场本征层上时，产生电子空穴对，它们在反向电场下被分离
29、，分别到达靶的两边，靶面下被分离，分别到达靶的两边，靶面P层积累正电荷，靶面层积累正电荷，靶面P层面电层面电位升高位升高u，形成了与光照强度成比例的电位分布。当电子束，形成了与光照强度成比例的电位分布。当电子束扫描时，扫描时，P层面被电子束扫描时达到电子枪阴极电位，通过层面被电子束扫描时达到电子枪阴极电位，通过回路取出信号。回路取出信号。v流过回路的电流流过回路的电流 v vCi一个像素点的电容。一个像素点的电容。vTR阅读一个像素的时间。阅读一个像素的时间。v通常视频信号是以电压的形式从负载电阻取出，而后送到前通常视频信号是以电压的形式从负载电阻取出，而后送到前置放大器放大。置放大器放大。5
30、.3.1 氧化铅靶的结构氧化铅靶的结构第三十六页，编辑于星期六：十六点 二十七分。第三十七页，编辑于星期六：十六点 二十七分。5.3.2 视像管结构视像管结构电子枪：由灯丝、阴极电子枪：由灯丝、阴极K、调制电极、调制电极G、第一阳极（做加速、第一阳极（做加速 极）极）G1，第二阳极，第二阳极G2（做减速和聚焦）组成。电子枪的作（做减速和聚焦）组成。电子枪的作用是产生和形成扫描电子束。用是产生和形成扫描电子束。1.电子枪电子枪第三十八页，编辑于星期六：十六点 二十七分。第三十九页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v2 预聚焦并加速预聚焦并加速v第一阳极第一阳极G1加有加有300V的电压，调制极和
31、第一阳极共同作的电压，调制极和第一阳极共同作用构成第一透镜，它能使从调制极小孔发射出来的电子束用构成第一透镜，它能使从调制极小孔发射出来的电子束预聚焦并加速，使电子束在加速电极的入口处会聚，形成预聚焦并加速，使电子束在加速电极的入口处会聚，形成电流密度很高的交叉点。该点作为第二透镜的物。电流密度很高的交叉点。该点作为第二透镜的物。v为了获得近轴的电子束，在加速极的出口处有为了获得近轴的电子束，在加速极的出口处有2050m的限制膜孔，穿过限制膜孔的电子束与轴的限制膜孔，穿过限制膜孔的电子束与轴的夹角约的夹角约20左右。左右。第四十页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v 3.减速并会聚减速并会聚v
32、减减速速会会聚聚G2加加有有-300V的的电电压压，通通常常所所说说的的聚聚焦焦系系统统是是指指第第二二透透镜镜即即主主聚聚焦焦系系统统。在在静静电电聚聚焦焦电电子子枪枪中中，由由第第一一阳阳极极和和第第二二阳阳极极构构成成第第二二透透镜镜，做做减减速速会会聚聚用用，第第二二透透镜镜的的物物不不是是阴阴极极的的像像，而而是是第第一一透透镜的最小交叉点或阳极小孔的像。镜的最小交叉点或阳极小孔的像。v电电子子经经第第二二透透镜镜后后，即即成成为为很很细细的的一一束束。为为了了防防止止杂杂散散电电子子入入射射在在扫扫描描面面上上，并并限限制制电电子子束束直直径径，往往往往在在阳阳极极中安有小孔光阑，
33、直径为中安有小孔光阑，直径为4050m。v因因此此可可以以减减小小电电子子径径向向分分束束和和轴轴向向电电子子速速度度散散布布以以改善聚焦质量。改善聚焦质量。v靶靶的的右右面面加加装装有有网网电电极极，一一般般与与聚聚焦焦电电极极G2相相连连，它它使使靶靶前前形形成成均均匀匀电电场场，使使电电子子束束在在整整个个靶靶面面上上垂垂直直上上靶靶，使电子接近靶时能量减小接近于使电子接近靶时能量减小接近于0。第四十一页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v4.电磁聚焦电磁聚焦v电磁聚焦的聚焦线圈的作用是使到达靶面中心的电子电磁聚焦的聚焦线圈的作用是使到达靶面中心的电子束聚成一锐点。磁聚焦的质量要比静电的
34、好，但是功束聚成一锐点。磁聚焦的质量要比静电的好，但是功耗大，比较笨重。实用中，主聚焦透镜常采用磁透镜，耗大，比较笨重。实用中，主聚焦透镜常采用磁透镜，这样的电子枪称为磁聚焦电子枪。这样的电子枪称为磁聚焦电子枪。v另一种聚焦方式：纯静电聚焦，这种结构使图象中心分另一种聚焦方式：纯静电聚焦，这种结构使图象中心分辨率下降，但由于畸变减小，使信号输出均匀度提高，辨率下降，但由于畸变减小，使信号输出均匀度提高，尤其是体积和重量明显减小，因而得到广泛应用。尤其是体积和重量明显减小，因而得到广泛应用。v无论电磁聚焦或静电聚焦电子枪，其第一透镜都是无论电磁聚焦或静电聚焦电子枪，其第一透镜都是静电透镜，而区别
35、仅在于第二透镜。静电透镜，而区别仅在于第二透镜。第四十二页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v5.偏转系统偏转系统v有静电偏转和磁偏转两种。有静电偏转和磁偏转两种。v在没有偏转系统情况下，电子枪发射系统发出的电子束经聚焦在没有偏转系统情况下，电子枪发射系统发出的电子束经聚焦系统后，将入射在靶面上的固定位置上。为了实现电子束对靶系统后，将入射在靶面上的固定位置上。为了实现电子束对靶面的扫描，必须采用电子束偏转系统，使电子束的着靶点沿靶面的扫描，必须采用电子束偏转系统，使电子束的着靶点沿靶面移动，以实现对整个靶面的扫描。面移动，以实现对整个靶面的扫描。v磁偏转结构：在慢速扫描摄像管中，磁透镜则由长
36、螺旋线圈所构磁偏转结构：在慢速扫描摄像管中，磁透镜则由长螺旋线圈所构成。成。v静电偏转结构：在现代摄像管中，所用的扫描电子束几乎都是慢电静电偏转结构：在现代摄像管中，所用的扫描电子束几乎都是慢电子束型，由热阴极发出的电子在阳极电压下首先被加速到几百伏的子束型，由热阴极发出的电子在阳极电压下首先被加速到几百伏的能量（如能量（如300eV），然后逐渐变慢，在接近靶面时，电子速度几乎），然后逐渐变慢，在接近靶面时，电子速度几乎为为0，并且要求电子垂直上靶。，并且要求电子垂直上靶。v如果电子以一个小倾斜上靶，电子横向速度不为如果电子以一个小倾斜上靶，电子横向速度不为0，这不仅使着靶斑，这不仅使着靶斑点
37、增大，而且电子没有能力上靶使输出信号严重失真。对慢电子束点增大，而且电子没有能力上靶使输出信号严重失真。对慢电子束电子枪来说，电子束垂直上靶特别重要。为此设成速极，其上接地电子枪来说，电子束垂直上靶特别重要。为此设成速极，其上接地电位，作减速用，并将其做成网状，做为电子入射垂直校正措施。电位，作减速用，并将其做成网状，做为电子入射垂直校正措施。第四十三页，编辑于星期六：十六点 二十七分。象素点的等效电路象素点的等效电路 简化的读出电路简化的读出电路 5.3.3 视像管的工作原理视像管的工作原理第四十四页，编辑于星期六：十六点 二十七分。某一个象素在光存贮期间，靶右边电位：某一个象素在光存贮期间
38、，靶右边电位：象元的充电时间近似等于帧周期象元的充电时间近似等于帧周期Tf=40ms（等于（等于40ms-0.062s），因此在电子束对它），因此在电子束对它扫描之前，扫描之前，Ci右边电位最大值是：右边电位最大值是：当电子束扫描像元（接通）时，接通时间当电子束扫描像元（接通）时，接通时间为为0.0625s，电流通过束电阻，电流通过束电阻Rb，电容，电容Ci，负载电阻，负载电阻RL，靶电源，靶电源UT和地，构成通路，和地，构成通路，电容器电容器Ci放电，电容右侧电位被放至放电，电容右侧电位被放至Vb，接近于接近于0。Ci电容器右边电位变化为：电容器右边电位变化为：Rb为束电阻，通常为为束电阻，
39、通常为10M，而，而RL1M，所以，所以 第四十五页，编辑于星期六：十六点 二十七分。电压通过负载电阻引起电路电流电压通过负载电阻引起电路电流变化，信号从变化，信号从CL耦合取出。耦合取出。在读出时间内，电在读出时间内，电荷的变化量为荷的变化量为q,回路耦合回路耦合出的电流为出的电流为i：第四十六页，编辑于星期六：十六点 二十七分。纵向电阻率、横向电阻、像素点电容纵向电阻率、横向电阻、像素点电容v靶具有很高的纵向电阻率靶具有很高的纵向电阻率(10111013cm)，工作起来靶面可看，工作起来靶面可看成是由成是由n个像素组成，象素大小由扫描电子束截面决定。个像素组成，象素大小由扫描电子束截面决定
40、。v要完成光学图像的光电转换和积累存贮信息电荷的作用，要求靶要完成光学图像的光电转换和积累存贮信息电荷的作用，要求靶上每个象素的驰豫时间远大于储存时间（即帧时间）。由于像素上每个象素的驰豫时间远大于储存时间（即帧时间）。由于像素的电容的电容Ci较小，因而要求其像素的电阻较小，因而要求其像素的电阻Ri足够大，达到光电转足够大，达到光电转换和积累存贮信息电荷的能力，纵向电阻率换和积累存贮信息电荷的能力，纵向电阻率1012cm，一，一般为般为10111013cm。v同时还要求材料的横向电阻亦足够高，可以防止各个象素之间因同时还要求材料的横向电阻亦足够高，可以防止各个象素之间因表面漏电而使电位起伏拉平
41、，通常要求其方块电阻大，在表面漏电而使电位起伏拉平，通常要求其方块电阻大，在210131014/之间。之间。vCi足够小，与足够小，与Rb、RL等组成回路的放电时间足够短，以小于放电时等组成回路的放电时间足够短，以小于放电时间间(0.062s)，在这么短的时间内可以中和到，在这么短的时间内可以中和到0。v视像管存在光电转换惰性，积累存贮电荷惰性，电子束放电惰性。视像管存在光电转换惰性，积累存贮电荷惰性，电子束放电惰性。第四十七页，编辑于星期六：十六点 二十七分。5.3.4 PbO视像管特性视像管特性1暗电流小暗电流小暗电流来源于少子载流子漂移电流及暗电流来源于少子载流子漂移电流及I层中热生载流
42、子扩散电源。层中热生载流子扩散电源。由于由于PIN结加有几十伏的反偏电压使靶结加有几十伏的反偏电压使靶处于反偏状态，少子浓度低，漂移电流处于反偏状态，少子浓度低，漂移电流小。小。I层基本上电离，层基本上电离，I层电阻很大，热电层电阻很大，热电流较小，所以漏电很少。流较小，所以漏电很少。为了使暗电流充分地小，研究指出，在为了使暗电流充分地小，研究指出，在室温下，要求半导体的禁带宽度大于室温下，要求半导体的禁带宽度大于0.91eV，而，而PbO靶具有靶具有1.9eV的禁带宽的禁带宽度，因此暗电流小。如图度，因此暗电流小。如图5-10，在饱和，在饱和情况下，信号电流为暗电流的几百倍甚情况下，信号电流
43、为暗电流的几百倍甚至上千倍。至上千倍。第四十八页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v2灵敏度高灵敏度高v因本征层电阻率高，能承受强电场，所以所加的反因本征层电阻率高，能承受强电场，所以所加的反向电压较高，几乎全降落在本征层上。本征层较厚，向电压较高，几乎全降落在本征层上。本征层较厚，产生的电子空穴多，光生载流子在强电场中漂移速产生的电子空穴多，光生载流子在强电场中漂移速度很大，渡越时间短，复合率小，故光生载流子几度很大，渡越时间短，复合率小，故光生载流子几乎全部都能构成信号电流，故灵敏度高。乎全部都能构成信号电流，故灵敏度高。v灵敏度灵敏度v8.2mA/W，e=510-5W，Ee=0.22W/
44、m2。v。第四十九页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v3光电特性好光电特性好v从伏安特性曲线，如图从伏安特性曲线，如图5-15可知，当靶压达到可知，当靶压达到4050V时，达到饱时，达到饱和区，表明产生的光生载流子全部都能达到两极，收集效率高，和区，表明产生的光生载流子全部都能达到两极，收集效率高，r几乎等于几乎等于1。v一般靶压工作于比饱和电压稍大处。因光生电流正比于靶一般靶压工作于比饱和电压稍大处。因光生电流正比于靶面照度，而靶面光生载流子全部能转化为信号电流，所以，面照度，而靶面光生载流子全部能转化为信号电流，所以，信号电流与光照度成正比，光电转换的值等于，信号电流与光照度成正比，光电
45、转换的值等于，r=1，这使，这使得光照与信号电流成很好的线性。得光照与信号电流成很好的线性。v在实用照度范围内，灵敏度几乎不变，光电转换特性好，在实用照度范围内，灵敏度几乎不变，光电转换特性好，这点对彩色电视特别有利，可使摄像机中的校正电路大为这点对彩色电视特别有利，可使摄像机中的校正电路大为简化，满足各通道间颜色平衡，不因各色光平差异而失调简化，满足各通道间颜色平衡，不因各色光平差异而失调第五十页，编辑于星期六：十六点 二十七分。4.惰性小惰性小Sb2O3视像管视像管50ms后，信号为原来的后，信号为原来的15%；PbO靶视像靶视像管管 50ms后，信号为原来的后，信号为原来的3%。5.分辨
46、率好分辨率好v400行的调制深度为行的调制深度为40-50%，空间分辨率达，空间分辨率达600TVL/H。第五十一页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v但但PbO靶面在空气中很不稳定，可以说是一种极为灵敏靶面在空气中很不稳定，可以说是一种极为灵敏的气敏元件，遇到空气中的的气敏元件，遇到空气中的CO2和水蒸气，会使一部和水蒸气，会使一部分分PbO转变成转变成PbCO3H2O和和Pb3(CO3)2(OH)2等碳酸化等碳酸化合物而使光电导性能变坏，因此从蒸靶开始的一切合物而使光电导性能变坏，因此从蒸靶开始的一切制管过程中，靶面都不能与空气接触制管过程中，靶面都不能与空气接触.v这就使制管工艺大为复杂
47、，成品率低，不宜于大批量生这就使制管工艺大为复杂，成品率低，不宜于大批量生产、价格昂贵。在硒砷碲管投入市场以前，产、价格昂贵。在硒砷碲管投入市场以前，PbO管几乎管几乎独占了广播电视用的摄像管位置，但目前它正逐渐被硒独占了广播电视用的摄像管位置，但目前它正逐渐被硒砷碲砷碲(SeAsTe)等异质结视像管取代。等异质结视像管取代。第五十二页，编辑于星期六：十六点 二十七分。v为了解决匀质型光电导靶存在的灵敏度和惰性、灵敏度为了解决匀质型光电导靶存在的灵敏度和惰性、灵敏度和存贮时间之间的矛盾，采用异质结靶。和存贮时间之间的矛盾，采用异质结靶。v异质结靶视像管有多种，目前用得较多的是异质结靶视像管有多种，目前用得较多的是Saticon（以（以SeAsTe异质结为靶），其次是异质结为靶），其次是Newvicon（以（以ZnCdTe异质结为靶）和异质结为靶）和Chalnicon(以以CdSe异质结为异质结为靶靶)。v为了提高摄像管探测微弱光的能力，还开发了电子轰击的为了提高摄像管探测微弱光的能力，还开发了电子轰击的硅靶摄像管。真空摄像管的种类形式较多，但是其基本原硅靶摄像管。真空摄像管的种类形式较多，但是其基本原理以理以PbO靶的基本原理为基础，有需要的读者可查看文献。靶的基本原理为基础，有需要的读者可查看文献。第五十三页，编辑于星期六：十六点 二十七分。