光電成像器件像管攝像管第1頁/共64頁光電成像器件微光夜瞄鏡

微光夜視眼鏡熱像儀第2頁/共64頁

早在1934年就成功地研制出光電攝像管（Iconoscope），用于室內(nèi)外的廣播電視攝像。但是，它的靈敏度很低，信噪比很低，需要高于10000lx的照度才能獲得較為清晰的圖像。使它的應(yīng)用受到限制。

1947年制出的超正析像管（ImaigeOrthico），靈敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2000lx以上。光電成像器件發(fā)展歷史1954年投放市場的高靈敏視像管（Vidicon）基本具有了成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡單的特點，使廣播電視事業(yè)和工業(yè)電視事業(yè)有了更大的發(fā)展。第3頁/共64頁

1965年推出的氧化鉛視像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，發(fā)展了彩色電視攝像機，使彩色廣播電視攝像機的發(fā)展產(chǎn)生一次飛躍。誕生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色攝像機。然而，氧化鉛視像管抗強光的能力低，余輝效應(yīng)影響了它的采樣速率。

1976年，又相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）。不斷滿足人們對圖像傳感器日益增長的需要。

1970年，美國貝爾電話實驗室發(fā)現(xiàn)的電荷耦合器件（CCD）的原理使圖像傳感器的發(fā)展進入了一個全新的階段。CCD圖像傳感器目前已經(jīng)成為圖像傳感器的主流產(chǎn)品。CCD圖像傳感器的應(yīng)用研究成為當(dāng)今高新技術(shù)的主流課題。第4頁/共64頁光電成像器件是一類能夠輸出圖像信息（圖像或視頻信號）的功能器件，也稱光電圖像傳感器。PhotoelectronicImagingDevices光電成像器件攝像型：直視型：像管變像管像增強管電真空攝像管固體攝像器件攝像管第7章光電成像器件第5頁/共64頁真空光電成像器件像管攝像管變像管像增強管不可見光圖象可見光圖象亮度很低的光學(xué)圖象有足夠亮度圖象顯像裝置輸出圖像光電發(fā)射式攝像管（攝像管）光電導(dǎo)式攝像管（視像管）可見光或不可見光圖像視頻信號光電靶和電子束掃描第7章光電成像器件第6頁/共64頁第7章光電成像器件夜視儀輸出圖像信號：－－直視型光電成像器件第7頁/共64頁輸出視頻信號：－－攝像型光電成像器件攝像頭第7章光電成像器件第8頁/共64頁7.1像管（變像管和像增強器）7.2電真空攝像管7.3固體成像器件第7章光電成像器件第9頁/共64頁7.1.1像管基本結(jié)構(gòu)原理7.1.2變像管7.1.3像增強器第7章光電成像器件第10頁/共64頁光學(xué)圖像電子圖像三個基本部分：

光電變換部分電子光學(xué)部分

電光變換部分7.1.1像管基本結(jié)構(gòu)原理

加速聚焦高速電子流

電子圖像光學(xué)圖像第11頁/共64頁光電陰極

對紅外光敏感的銀氧銫紅外光電陰極對可見光敏感的單堿和多堿光電陰極對紫外光敏感的各種紫外光電陰極負電子親和勢(NEA)光電陰極像管中常用的光電陰極是透射式，因此光電陰極應(yīng)是透明的，可選擇透明的基底材料來實現(xiàn)。電子光學(xué)系統(tǒng)靜電系統(tǒng)：靠靜電場的加速和聚焦來實現(xiàn)復(fù)合系統(tǒng)：靠靜電場的加速和磁場的聚焦作用來實現(xiàn)熒光屏

要求：高的轉(zhuǎn)換率，發(fā)射譜同人眼或與之耦合的下級光電陰極的光譜響應(yīng)一致。

第12頁/共64頁

2）靜電聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)

雙圓筒電極系統(tǒng)和雙球面電極系統(tǒng)其電場為軸對稱的靜電場，光電子在極間受到會聚和加速作用。KA(a)雙圓筒電極系統(tǒng)(a)雙球面電極系統(tǒng)KA1）非聚焦型電子光學(xué)系統(tǒng)

光電陰極與熒光屏為兩平行電極并加電壓，形成平行電場，對電子只有加速作用，分辨率低。光電陰極熒光屏第13頁/共64頁3）復(fù)合聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)

由縱向加速電場和靜磁場產(chǎn)生的磁透鏡組成，對電子除了有加速作用，還有聚焦成像作用。12線圈

復(fù)合聚焦系統(tǒng)優(yōu)點：

a)聚焦作用強，易于調(diào)節(jié)聚焦能力；

b)軸上點和軸外點有相同的成像質(zhì)量，邊緣像質(zhì)好；

c)象差小，鑒別率較高。缺點：設(shè)備尺寸、重量增大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)笨重，目前多用靜電系統(tǒng)第14頁/共64頁7.1.2變像管變像管－－不可見光圖像可見光圖像紅外夜視儀第15頁/共64頁

變像管

紅外變像管：波長小1.15μm的紅外光，光電陰極多為S-1

型Ag-O-Cs陰極波長大于1.15μm的紅外光，采用負電子親和勢陰極紫外變象管：窗口材料第16頁/共64頁像增強器－－亮度低圖像亮度高圖像微光夜瞄鏡7.1.3像增強器

第17頁/共64頁7.1.3像增強器1、級聯(lián)式圖像增強器2、微通道板式圖象增強器像增強管：將微弱輻射圖象轉(zhuǎn)換成可見光圖象的器件。陰極材料：由入射光波長范圍決定，通常采用單堿多堿光電陰極。主要考慮：大的增益系數(shù)，獲得高亮度增益的方式有級聯(lián)和使用電子倍增器兩種。第18頁/共64頁1、級聯(lián)式圖像增強器三級級聯(lián)像增強器結(jié)構(gòu)示意圖亮度增益可達105體積大、重量重、防強光能力差。（第一代象增強器）級間耦合：光纖面板需考慮：前級熒光屏與后級光電陰極的匹配、最后一級熒光屏與人眼視見函數(shù)的匹配第19頁/共64頁2、微通道板式圖象增強器結(jié)構(gòu)原理：MicroChannelPlate，簡稱MCP（第二代象增強器）第20頁/共64頁2、微通道板式圖象增強器

優(yōu)點：沒有電子光學(xué)系統(tǒng)，整管可以做得很短（第二代象增強器）第21頁/共64頁3、負電子親和勢（NEA）－－第三代像增強器微通道板＋負電子親和勢光電陰極－－第四代像增強器

在第三代像增強器的基礎(chǔ)上，通過進一步改進微通道板的性能，或者利用門控電源技術(shù)，提高像增強器的分辨率、信噪比等性能參數(shù)。它們分別屬于超三代和第四代像增強器。第22頁/共64頁軍事：武器瞄準、飛行員夜視鏡；民用：公安部門緝私、緝毒、警偵、追捕；邊境邊防安全監(jiān)控；金融、商貿(mào)、文物、機要、槍支彈藥庫、危險物品庫等重要場所安全監(jiān)控；7.1.4像管的應(yīng)用

第23頁/共64頁1.主動紅外夜視儀7.1.4像管的應(yīng)用

第24頁/共64頁2.微光夜視儀（10－5lx）7.1.4像管的應(yīng)用

第25頁/共64頁美軍微光夜視器材微光夜瞄鏡

手持式觀察鏡微光夜視眼鏡第26頁/共64頁

我軍微光夜視器材裝有微光瞄準鏡的新5.8毫米班用機槍第27頁/共64頁微光夜視儀的觀察效果可見的目標圖像不易見的目標圖像第28頁/共64頁右上小圖為自然光下觀察到的情況，大圖為熱成像觀察到的圖象，從中可以看到掩蔽在樹叢中的人員。熱成像儀使依靠自然偽裝的保護完全失效）第29頁/共64頁第7章光電成像器件輸出圖像信號：－－直視型光電成像器件變像管像增強管第30頁/共64頁輸出視頻信號：－－攝像型光電成像器件攝像頭第7章光電成像器件第31頁/共64頁攝像頭7.2電真空攝像管二維光學(xué)圖像一維時序電信號還原二維光學(xué)圖像例：電視監(jiān)控系統(tǒng)傳輸和接收規(guī)則－－電視制式按照電視制式輸出的一維時序電信號稱為視頻信號攝像是將空間分布的光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)換為一維時間變化的視頻信號的過程，完成這一過程的功能器件稱為攝像器件。第32頁/共64頁7.2電真空攝像管7.2.1電視制式7.2.2電真空攝像管的結(jié)構(gòu)原理第33頁/共64頁7.2.1電視制式1.掃描2.視頻信號3.我國電視標準第34頁/共64頁光電成像原理景物→光學(xué)成像→光電變換→圖像分割→同步掃描→視頻信號│攝像部分│

傳送→同步掃描→視頻調(diào)輝→圖像再現(xiàn)│顯像部分│第35頁/共64頁

⑴光學(xué)成像：光學(xué)物鏡將景物所反射出來的光成像到光電成像器件的像敏面上形成二維光學(xué)圖像。

⑵光電變換：光學(xué)成像器件將二維光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成二維“電氣”圖像的工作。

景物→光學(xué)成像→光電變換→圖像分割→同步掃描→視頻信號

攝像部分

光電成像原理第36頁/共64頁

⑶圖像分割：“電氣”圖像的電氣量在二維空間的分布與光學(xué)圖像的光強分布保持著線性對應(yīng)關(guān)系。組成一幅圖像的最小單元稱作像素，像素單元的大小或一幅圖像所含像素數(shù)決定了圖像的清晰度。像素數(shù)愈多，或像素幾何尺寸愈小，反映圖像的細節(jié)愈強，圖像愈清晰，圖像質(zhì)量愈高。這就是圖像分割。景物→光學(xué)成像→光電變換→圖像分割→同步掃描→視頻信號│攝像部分│光電成像原理第37頁/共64頁景物→光學(xué)成像→光電變換→圖像分割→同步掃描→視頻信號│攝像部分│

⑷同步掃描：按著一定的規(guī)律將所分割的電氣圖像轉(zhuǎn)變成一維時序信號，即將電氣圖像從左向右，又從上向下的規(guī)律輸出即為掃描。⑸視頻信號：由于監(jiān)視器的顯象管幾乎都是利用電子束掃描熒光屏，便可在顯象管上獲得可供觀察的圖像。第38頁/共64頁1.掃描光電圖像

將光電圖像分割為很多細小的單元，稱為像素－－圖像的分割與象素第39頁/共64頁1.掃描電信號光電圖像按一定規(guī)律依次將圖像中的每一像素的電（電荷）信號讀出的過程，稱為掃描。－－圖像的分割與象素第40頁/共64頁一幀：一行：從左向右的掃描稱為行掃描掃描點從起始點出發(fā)再次回到該點，輸出的全部圖像信息稱為一幀。1.掃描－－行、幀一場：從上向下的掃描稱為場掃描第41頁/共64頁－－正程和逆程行正程場正程顯示信息行逆程場逆程消隱1.掃描第42頁/共64頁隔行掃描方式逐行掃描方式1.掃描－－兩種掃描方式第43頁/共64頁逐行掃描方式根據(jù)人眼視覺時間特性，無閃爍顯示活動圖象要高于48次/秒刷新速率幀頻：50Hz行數(shù)：625行頻：降低行頻閃爍感隔行掃描方式1.掃描－－兩種掃描方式第44頁/共64頁隔行掃描方式一幀分為兩場－－奇數(shù)場－－偶數(shù)場135246第45頁/共64頁隔行掃描方式根據(jù)視覺時間特性，無閃爍地顯示活動圖象要高于48次/秒的刷新速率場頻：50Hz幀頻：25Hz

－－無閃爍－降低行頻第46頁/共64頁隔行掃描方式逐行掃描方式－高清晰成像測量系統(tǒng)－工業(yè)民用電視系統(tǒng)1.掃描－－兩種掃描方式第47頁/共64頁3.我國電視標準

我國電視標準采用PAL制：場頻fv=50Hz，幀頻fZ=25Hz；隔行掃描，每幀625行；場周期TV=20ms；行周期TH=64s；視頻信號帶寬BW=6MHzPAL－－德國NTSC－－美國第48頁/共64頁一、電視制式小結(jié)1.掃描3.我國電視標準

隔行掃描場頻50Hz

逐行掃描

隔行掃描行幀場625行/幀正程

逆程－PAL制2.視頻信號

信息信號同步脈沖消隱脈沖第49頁/共64頁7.2.2電真空攝像管結(jié)構(gòu)原理光電轉(zhuǎn)換信號存儲掃描輸出－－光電導(dǎo)式/熱釋電攝像管1.三個基本功能光像電子槍利用電子槍發(fā)射出來的電子束依次掃描靶面各像素，將靶面的電荷（或電勢）圖像有序地轉(zhuǎn)變成視頻信號輸出，這就完成了掃描輸出的功能。

第50頁/共64頁a)光電發(fā)射式攝象管

b)光電導(dǎo)式攝象管

2分類：第51頁/共64頁1）光電發(fā)射體：光電陰極光照下光電陰極產(chǎn)生與光通量成正比的光電子流，既可利用光電子流進行放大處理作為信號輸出；也可以利用以光電子發(fā)射而提高的光電陰極電位作輸出。入射光光電子發(fā)射光電陰極光電變換示意圖（1）、光電變換部分2）光電導(dǎo)體光照時靶的電導(dǎo)率升高，正電荷順電場方向移動而積累，電位升高，升高量與光照相對應(yīng)。E光電導(dǎo)體光電變換示意圖3工作原理：第52頁/共64頁外光電效應(yīng)光電子發(fā)射光電發(fā)射體內(nèi)光電效應(yīng)導(dǎo)體內(nèi)有電流光電導(dǎo)體移走的電子數(shù)或留下的正電荷數(shù)發(fā)射的電子數(shù)或留下的正電荷數(shù)信號光電轉(zhuǎn)換介質(zhì)變換方式（1）、光電變換部分第53頁/共64頁1）電子發(fā)射積累型靶面形成與入射光圖像對應(yīng)的正電位分布（2）、電荷存儲（或電荷積累）光電陰極發(fā)射的光電子，在加速電場和磁場的作用下，打到SEC靶上，產(chǎn)生二次電子發(fā)射。于是在靶的掃描面即形成與之對應(yīng)的電勢起伏，從而使光電陰極上的光學(xué)圖象轉(zhuǎn)移到SEC靶，變?yōu)榘袙呙杳嫔系碾妱莘植紙D象。靶的二次電子發(fā)射系數(shù)越大，移象后靶上的電勢起伏也就越大。二次電子導(dǎo)電型（SEC）第54頁/共64頁硅增強靶（SIT）

從光電陰極發(fā)射出來的電子，在高的電壓作用下去轟擊硅靶，使靶內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，它們被結(jié)的內(nèi)電場分離以后，光生的電子通過信號板等外電路入地，光生的空穴則被積累于P型島上。

如果光照是均勻的，靶的掃描面電位只是均勻地升高。如果光照不均勻，是一幅光學(xué)圖象，則掃描面上各P型島的電勢分布，將正比于入射光學(xué)圖象的亮度分布，亮度高的點，所對應(yīng)的P型島的電勢也高。

第55頁/共64頁2）光電導(dǎo)靶（視象管）

光進入到每個PN結(jié)區(qū)將產(chǎn)生電子－空穴對，它們被結(jié)的內(nèi)電場分離以后，光生的電子通過信號板等外電路入地，光生的空穴則被積累于P型島上。

如果光照是均勻的，靶的掃描面電位只是均勻地升高。如果光照不均勻，是一幅光學(xué)圖象，則掃描面上各P型島的電勢分布，將正比于入射光學(xué)圖象的亮度分布，亮度高的點，所對應(yīng)的P型島的電勢也高。

硅靶第56頁/共64頁氧化鉛靶

靶的成象面一邊為N-PbO，掃描面一邊為P-PbO，兩者之間夾著一層(相對)很厚的本征氧化鉛I-PbO，因而具有PIN結(jié)構(gòu)。工作過程都與硅靶管類似，所不同的是，它的靶是由P