光电成像器件 第二章 摄像管

光电成像器件 光电成像器件是指能够输出图像信息的一类器件。 光电成像器件 如： 使不可见光图像变为可见光图像的器件； 使光学图像变为电视信号的器件。

光电成像器件分类 (CMOS)

一、简介： 摄像管是把按空间光强分布的光学图像记录并转换成视频的成像装置。即能够进行摄制图像、存贮和处理，光学图像转变成适于处理和传递的时间序列的一维电信号。。 是电视摄像机中将光的图像转换成电视信号的专用电子束管，能够输出视频信号。 是电视系统中实现光电转换的关键部件，它性能的好坏很大程度上决定着摄像机的质量和寿命。 1、组成： 摄像管主要由光电转换（光电变换与存储部分）和电子束扫描系统（阅读部分）组成。 2、原理： 光电转换系统利用光电发射作用或光电导作用，将摄像机镜头所摄景物的光影像在靶上转换为相应的电位分布图。扫描系统使电子束在靶上扫描，将此电位分布图逐行逐点地转换为电信号。

3、摄像管的结构图 扫描区 移像区 光电子 光电阴极 储存耙 光像 视频信号 C R U 电子束 L T 7

4、工作过程 具体分为以下三个过程： （1）光电转化：光敏元件接收输入图像的辐照进行光电转换，并将二维光强转变为电量，即光学图像转变成电荷（电位）图像； （2）电荷积累与存储：摄像管的电荷存储元件在一帧的周期内连续积累光敏元件产生的电量，并保持电荷量在空间的分布，同时对对电信号进行放大和增强，即对电荷图像进行存贮和积累。 存储电荷的元件称之为靶； （3）信号阅读：摄像管的电子枪产生空间二维扫描的电子束，在一帧的周期内完成全靶面的扫描，即对存贮电荷图像的各个像素进行有序扫描，输出与输入信息成比例的二维电信号。

5、摄像管的种类 超正析管 二次电子导电摄像管 硅靶电子倍增管 分流管 硫化锑管 氧化铅 硅靶 管 异质结靶 光电发射型(外光电) 内光电效应转换 光电变换形式 类型

摄像管的分类（按光电变换的形式）： （1）外光电变换型（光电发射型a）摄像管 （2）内光电变换型（光电导型b）视像管 目前应用较广的摄像管是光电导摄像管，它是用光电导材料作靶面，利用光电导效应（内光电效应）实现光电转换功能。与早期的具有外光电效应的摄像管相比，它结构简单、性能较好，所以在CCD固体摄像器件崛起之前，它被广泛应用于电视摄像机，其中应用最广的光电导摄像管有氧化铅摄像管（pbo.plumbicon）和硒砷摄像管（Se、As、Te,Sdticon）等。 10

摄像管 视像管 不同点： 光电发射型（摄像管）：有移像区 光电变换型（视像管）：无移像区 共同点： 扫描区（电子枪）：灯丝、热阴极、控制栅极、各加速电极、聚焦电极、靶网、管外的聚焦线圈、偏转线圈、校正线圈 移像区 电子枪 电子束 耙 光电阴极 视像管 C 视频信号 R L U r 景象 透镜 电子束 信号板 光导靶 11

6、摄像管的优缺点 摄像管：属于微光摄像、其增益和灵敏度很高，但结构复杂、体积大、调整麻烦，通常在特殊场合使用。 视像管：采用光电导材料、结构简单、体积小、使用方便，在工业电视中被广泛应用。 12

二、 光电导摄像管（视像管）的结构和工作原理 1.光电导摄像管的结构 典型的摄像管结构如图，它主要由：光电靶和电子枪等部分组成，另外在管外还装有聚焦线圈、偏转线圈和校正线圈。

（1）光电靶 光电靶的最外层是玻璃面板，其内侧涂上薄薄的二氧化锡（SnO2）透明导电层作为摄像管的透明导电极。透明导电层与一圈金属环（即靶环）相通，摄像管的信号就是从靶环上输出的，如图示。然后在通明导电层上再蒸镀上一层氧化铅（Pbo）或硒砷碲（Se、As、Te）等光导膜。

电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、加速极、聚焦极和网电极等组成。 （2）电子枪 电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、加速极、聚焦极和网电极等组成。 当阴极被灯丝加热到2000K时，便发射大量电子，在阴极周围形成电子云。控制栅极是套在阴极外面的金属圆筒，圆筒顶部中心处开有一个小孔，阴极发出的电子只能从这小孔内射出，在控制栅极上加有负电压（约50V），电压的大小决定了栅极小孔中发射出来的电子的多少。加速极上有较高的正电压（约300V），使从栅极小孔中飞出的电子得到加速，加速极顶部有一个限制小孔，它使从孔中飞出的电子束很细。

网电极是离靶面很近的细金属丝网，电子束通过它到达靶上。 由于靶面导电极上加的电压比网电极上加的电压低得多，在靶与网之间形成一个很强的均匀减速电场，使电子束经过网电极后作减速运动，最后以接近于零的速度垂直上靶，这种情况称为慢电子束扫描，对靶面的轰击作用小，不会发生二次电子发射，对管子寿命有延长作用。

2.光电导摄像管的工作原理 光电导摄像管其光电转换和光电信息的积累和储存功能都是由光电导靶来完成， 当被摄景物经过变焦镜头成像在靶面上，由于光电导靶材料的光电导作用，引起靶面各点像素的电阻率发生变化，从而在扫描面上，产生相应的起伏电位，形成电荷图像。这就完成了光电转换的功能。 然后从电子枪发射出来的电子束依次沿着靶面扫描，扫描线经过某一点（像素）的时间只占扫描整个光敏面所需周期的极小部分（0.062us)，为了提高检测灵敏度，每个像素在扫描周期内应不断地对转换后的电量进行积累，这时靶又起到了积累存储光电信息的功能； 当电子束依次沿着靶面扫描，将靶面上的电位起伏顺序地转变成视频信号输出，就完成了扫描输出的功能。

三、光电发射型摄像管（摄像管） 1、结构： 光电发射型摄像管包括： 光电阴极、 移像区、 存储靶、 电子束扫描区4部分. 2．光电发射型摄像管的工作原理： 先将输入的光学图像转换成电荷图像，然后通过电荷的积累和储存构成电位图像，最后通过电子束扫描把电位图像读出，形成视频信号输出

3、光电发射型摄像管具有几个共同特征： ①采用光电阴极把光学图象转换成为电子图像； ②存在移像区，把光电转换和信号存储两个部分分开； ③具有电子图象倍增机制，响应率较高，适宜做微光摄像。 4、 移像区的作用是使光电阴极产生的光电子在运动过程中获得能量而加速，以便在靶上产生更多的电荷，提高摄像管的响应率。 在靶面电位图像建立后有 电子枪用细电子束进行扫描而 获得视频信号。 在常见的摄像管中几乎全 部采用慢电子束扫描。

四、电子束的聚焦与偏转 要得到高清晰度的视频信号，就必须要求： （1）摄像管的电子束上靶时合聚成极细的点。 （2）电子束还要按一定的规律偏转以实现行、场扫描，从而将靶面上的电荷图像变成一帧的图像信号。 因此，每只摄像管都有一个聚焦与偏转系统。从原理上讲，电子束的聚焦与偏转既可以在磁场中进行，也可以在电场中进行，因而就有如下几种不同的方式： （1）磁聚焦、磁偏转方式（M—M）； （2）静电聚焦、磁偏转方式（E—M）； （3）磁聚焦、静电偏转方式（M—E）； （4）静电聚焦、静电偏转方式（E—E）等

其中磁聚焦、磁偏转的方式容易做到磁场均匀，偏转线性好，聚焦程度一致，因此早期的摄像管大多采用M—M方式。 但这种方式因为有偏转线圈和聚焦线圈，体积较大，对摄像机的小型化不利； 同时，由于偏转和聚焦电流较大，也增加了摄像机的功耗。 而静电聚焦和静电偏转的方式则由于没有线圈而有利于小型化。

摄像管的关键器件是靶，视像管和光电发射型摄像管的靶的作用不同，结构也不同。 五、 光导靶和存储靶： 摄像管的关键器件是靶，视像管和光电发射型摄像管的靶的作用不同，结构也不同。 1、视像管靶 视像管的靶是光电导靶，靶的厚度约几微米到20微米。视像管靶的主要作用是完成图像的光电转换和信号电荷的积累和存储。

光电导体(靶)的光电变换原理 在光电导层上接有数十伏的直流电压，形成跨层电场。当受光照时，靶的电导率升高，由此使正电荷从电位较高的一边流向较低的一边(如图从左到右)。使靶右边的正电荷增加，即电位上升。电位升高量与光照相对应。这样就把人射在光电导左边的光学图像，转换成了右面的电位图像(电荷图像)。

（１）硅靶 硅靶具有光谱 响应范围宽、 量子效率高、 抗烧伤能力强 等优点。 当电子束扫描每个P型岛时，PN结反向偏置，结电容被充电到靶电源电压。有光照时光生电子通过信号板入地，光生空穴积累到P型岛。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，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。当电子束再次扫描各个二极管时，其电位被拉平到阴极电位，产生的光电流流过负载电阻就形成与光学图象对应的视频信号。 图1-4

（２）氧化铅靶 具有PIN结构。工作时，信号板通过负载和靶电源的正极相 接，电子枪的热阴极接地，当扫描电子束扫描靶面时，相当 图1-5 具有PIN结构。工作时，信号板通过负载和靶电源的正极相 接，电子枪的热阴极接地，当扫描电子束扫描靶面时，相当 对PIN反偏置。靶电源电压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，防止各像素之 间表面漏电而将电位起伏拉平 。 PbO靶的光电转换效率较高， 暗电流小，惰性和烧伤小，所以它是目前使用最广泛的一种 摄像器件。

2、存储靶（光电发射型摄相管的靶）： (１)．二次电子导电摄像靶（SEC Secondary Electron Conduction） 利用二次电子传导作用进行电子增强的。　 SEC靶有3层结构： 第一层是AI2O3膜，起机械 支撑作用，厚50~70nm； 第二层是铝膜，后50nm， 起信号板作用； 第三层是疏松的KCI，其密 度只有固体KCI 的1%~2%， 厚度15~20um，它在高速光 电子作用下产生二次电子传导。 图1-6

当光阴极发出来的光电子被加速打到靶上时，靶将产生二次电子发射，这些二次电子除了极小一部分与正离子复合外，绝大部分在靶电场的作用下流向信号板，而在靶的扫描面留下一个正电势图像。 读出时，扫描电子补充靶上失去的电子，同时把被扫点电势拉回到零。这样，在输出回路既产生视频电流。 由此可见，这种靶的导电不是利用材料导带中的电子或价带中的空穴，而是依靠二次电子导电的，故称二次电子导电靶。 二次电子导电摄像管响应率高，改变光电子加速电压，可以得到80~200倍的电子增益，它的极限分辨率稍低。

(２)．增强硅靶 （SIT Silicon Intensified Target） 图1-7

增强硅靶管的靶叫增强硅靶(SIT)。 SIT靶和硅靶视像管中的靶结构基本相同，只是在电子入射侧加镀一层厚几十纳米的铝膜，以屏蔽杂散光。 从光电阴极发射出来的电子，在高压作用下轰击硅靶，激发出大量电子-空穴对。 经理论计算，每个入射的光电子能量为3.4~3.5ev时,可产生1个电子-空穴对。如果移像区的电压为10kV，则每个入射光电子可产生2800~2900个电子-空穴对，空穴在自建电场作用下进入P区，使该单元的电位提高，并在电子束扫描时输出视频信号。 增强硅靶灵敏度一般比硅靶大两个数量级。 硅靶不易烧伤，但暗电流较大，斑点不易彻底消除。

五、 摄像管的主要特性参数 衡量摄像管优劣的总标准是： 在测试台的监视器上能否分辨一定的标准测试图案。 五、 摄像管的主要特性参数 衡量摄像管优劣的总标准是： 在测试台的监视器上能否分辨一定的标准测试图案。 图案的清晰程度是由许多因素决定的。为了分析和研究各种因素对像质的影响，必须规定出具体的特性参数。 摄像管的最主要特性参数是：灵敏度、惰性、分辨力和光电转换特性等。 其中灵敏度和惰性主要决定于靶面，分辨力主要决定于扫描电子枪。

1.灵敏度：S 工程实践中： 常用能产生正常图象所需的摄像管输入面最低光照度Lmin来表征器件的灵敏度。 定义：在2856K色温标准光源单位输入光通量(lm)或单位辐射通量(W)照射下，器件所产生的输出信号电流。 工程实践中： 常用能产生正常图象所需的摄像管输入面最低光照度Lmin来表征器件的灵敏度。

2.光电转换特性: 摄像器件输出的光电流与入射的光照度之间的函数关系。通常表示为： γ = 1 图像灰度均匀 γ = 1 图像灰度均匀 γ﹤1 灰度畸变，但低照度灵敏度 增加高照度下的光电特性呈一 定的饱和状态 γ﹥1 输入图像的对比度增加 γ 又称为灰度系数 Ip E γ ﹥1 γ =1 γ ﹤1 图1-8

3.分辨率：图像中明暗细节的鉴别能力。 通常有两种表示方式: （1）极限分辨率 （2）调制传递函数(MTF) （1）分辨率(Resolution)又称分辨力、鉴别率、鉴别力、分析力、解像力和分辨本领，是指摄影镜头清晰地再现被摄景物纤微细节的能力。 显然分辨率越高的镜头，所拍摄的影像越清晰细腻。它的单位是“线对/毫米”。 它的优点是可以量化，用数据表示，使结果更直观 。 分辨力是以人眼做为接收器，所判定的极限分辨能力。通常用光电成像在一定距离内能分辨的等宽黑白条纹数来表示。 对于直视型光电成像器件，则取输入像面上每毫米所能分辨的等宽黑白条纹数表示分辨力。 极限分辨率表示法很简单，但有很大的主观性。 同时，极限分辨率也不能反映摄像系统各部分对分辨率的影响。

A、它的定义是：输出图像频谱与输入图像频谱之比的函数。 光学传递函数又可以用来分析多环节线性串联的光电成像特性。 那么有没有对摄影镜头的光学成像质量进行全面分析评价的更科学、更精确的方法呢？答案是非常肯定的，这就是关于摄影镜头的成像质量的光学传递函数（OTF）的表示方法。 （2）光学传递函数 当光电成像过程满足线性及时间，空间不变性的成像条件时，则可以将它的输入图像分布函数及输出图像分布函数变换为频谱函数来进行分析。 A、它的定义是：输出图像频谱与输入图像频谱之比的函数。 光学传递函数又可以用来分析多环节线性串联的光电成像特性。 B、光学传递函数组成 光学传递函数由调制传递函数和位相传递函数两部分。 由于目前测试位相传递函数的仪器种类较少，测量精度也不高，且位相传递过程对影像的影响较小，所以，目前在国内外研究摄影镜头的成像质量时，都不考虑位相传递函数的影响，只研究调制传递函数。 调制传递函数的英文缩写为MTF(Modulation Transfer Function)，也叫模量传递函数。

当复合系统由n个线性成像环节串联构成 ，则线性复合成像系统的： 调制传递函数为各环节调制传递函数的乘积。 位相传递函数为各环节位相传递函数的代数和。 什么是空间频率？ 在讲清MTF曲线随空间频率的变化关系以前，我们先来弄明白什么叫“空间频率”。 空间频率(Spatial Frequency)的概念与分辨率的概念非常相似， 单位都是“线对/毫米”(lp/mm)。 空间频率 定义为周期量在单位空间上变化的周期数。

空间频率用一种叫“光栅” 的标板测试，它的线条是从黑到白逐渐过渡的，而且线条的间距和宽度也是由稀至密，从宽到窄逐渐过渡。    

“MTF测试使用的是黑白逐渐过渡的线条标板，通过镜头进行投影。被测量的结果是反差的还原情况。如果所得影像的反差和测试标板完全一样，其MTF值为100%。 这是理想中的最佳镜头，实际上是不存在的； 如果反差为一半，则MTF值为50%。 数值0值代表反差完全丧失，黑白线条被还原为单一的灰色；

MTF值与空间频率的关系曲线（调制传递函数曲线） 最典型的MTF曲线，即以空间频率做横轴的MTF曲线， 如 图： 图1-10

MTF曲线即描述了影像对比度与分辨率的关系。 在广播电视中，要求摄像管在400线时的MTF值为35%~45%。一般将MTF值为10%时对应的线数规定为摄像管的极限分辨率。 MTF曲线为客观分辨率描述法。

摄像器件的惰性是指输出信号的变化相对于光照的变化有一定的滞后。 4.惰性： 摄像器件的惰性是指输出信号的变化相对于光照的变化有一定的滞后。 当输入照度增加时，输出信号的滞后称为上升惰性。 当输入照度减小时，输出信号的滞后称为衰减惰性。 摄像管产生惰性的主要原因有两个： 一是图像写入时的光电导惰性； 二是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性。

摄像器件的视频信噪比S/N的定义为输出视频信号值与同频带下噪声电平的均方根之比。 工程上用dB数表示 S/N=20lgSm/ Id 5.视频信噪比： 信噪比是评定像管成像质量的综合指标。 摄像器件的视频信噪比S/N的定义为输出视频信号值与同频带下噪声电平的均方根之比。 工程上用dB数表示 S/N=20lgSm/ Id Sm为最大输出信号 Id为背景信号+噪声值 6.动态范围：最高入射照度与最低入射照度之比。 除以上评价摄像管性能的参数外，还有暗电流、畸变、晕光、寿命、机械强度等参数。

六、摄像管的发展方向 摄像管总的发展趋向是高灵敏度、高像质和小型化。 在拍摄低照度景物时，需要超高灵敏度的摄像管，一般采用像增强器与摄像管的连接形式。 在提高摄像管质量方面，已经研制出用非晶硅膜作成的摄像管靶，靶由透明电极a-SI:H膜、HgO三层结构组成。这种管子灵敏度高、分辨率好，在整个可见光区域都有响应，而且烧伤小。 在结构上改进，如采用特殊限束孔的二极管枪、浸渍型阴极、磁聚焦静电偏转等措施。 目前各国都在研制超小型、高性能的摄像管，以便适应小型显微镜和小型电视监视系统对摄像机的需要。

本节重点： 1、摄像管原理及其结构和分类； 2、摄像管和视像管的主要区别； 3、摄像管和视像管的工作原理； 4、摄像管和视像管的靶的作用。