讲义6.3-4 摄像管

具体的摄像过程可以分为如下三个步骤:
1.摄像过程的三步骤:
1) 由光学图像产生电子图像
光电转换：摄像管的光敏元件接收输
入光学图像的照度转变为电子图像 光敏元件：将三维空间分布的光强转
变为三维空间分布的电量的元件
2)电荷图像的积累
存储元件：能够存储光敏元件产生的电 荷，并保持电荷空间分布状态的元件。 存储元件的功能：
第三节 摄像管的主要特性参数
1. 光电特性
摄像管的光电特性是指摄像管输 出的视频信号电流Ip与光敏面上入射的 光照度E之间的函数关系。常表示为 Ip = kEγ k为比例系数;γ为光照指数, 它与光敏
面材料有关。
摄像管典型的光电转换特性曲线
当 γ =1 表示 Ip与 E 成正比例关系。
I P kE
碲化锌镉ZnxCd1-xTe.
窗口玻璃内壁涂有一层 SnO2薄膜
为信号电极板, 接着就是靶。
靶有三层结构， 一层与二层之间形成异质结。 二层与三层之间不形成结。
碲化锌镉靶摄像管三层结构的作用
第一层 ZnSe 无光电效应, 能增强对短波光的吸 收, 提高检测灵敏度, 具有减小暗电流的作用。 第二层： 发生光电效应。 第三层：可减小暗电流和惰性
是有移像区的摄像管
光电导式摄像管：
是没有移像区的摄像管，或称视像管
摄像管示意图
两类管子相互比较
光电发射式摄像管的历史最早, 信号
质量最高, 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。
(二)光电导摄像管(视像管)
光电导摄像管是目前整个摄像管领域
中应用最广的一种。 结构简单：
其国际上的著名品牌是Plumbicon.
5 氧化铅靶的惰性表示
电视摄像管的惰性常用三场后的残余信号 的百分比来表示，一般不大于4%； 按我国的电视制式, 场周期为20ms
第三场后残余信号的百分比 即光信息变化
60ms 后输出的电信号相对于60ms 前原输出电信
号的百分比。
电视摄像管惰性的分类： 有光电惰性和放电惰性两种； 光电惰性极小, 主要是放电惰性。 为什么氧化铅靶的惰性较小呢？
主要由光电转换部分与电荷存储部分
和信号读取部分组成。
(1) 光电变换与电荷积累部分
常用的光电转换元件有光电发射体和光
电导体。
a. 光电发射体
用于像管中的光电阴极都可用作摄像
管中的光电发射体。光电阴极在光照下产
生与光通量成正比的光电子流。
b. 光电导体
光电导体是目前摄像管中应用最为
广泛的光电变换材料。
常把有移像区的摄像管称为光电发射式摄像管,
把没有移像区的摄像管称为光电导式摄像管或视像管,
3.光电导摄像管依据不同的靶面材料常分为哪几 种类型？ 可分为：硅靶；氧化铅；碲化锌镉靶三种。
4. 硅靶摄像管有何特点？ (1)由分立的P-N结硅光敏二极管阵列组成。 (2)具有寿命长、光谱响应宽的特点 (3) 分辨力和暗电流特性较差 5 氧化铅靶摄像管的特点： 灵敏度较高； 暗电流低； 惰性小；光电转换特性好

当 γ<1, 电视信号有均匀的
畸变, 在低照度下的灵敏
度有相对的增加, 高照度
下的光电特性呈一定的饱
和状态。
2. 分辨力
电视摄像管在摄像时对图像细节的 分辨能力是评价摄像管性能高低的技术 指标。 一般有极限分辨力和调制传递函数
两种表示方法。
A 极限分辨力 由于电视系统采用扫描方式, 分辨力在垂直和 水平方向是不同的, 因而又分为垂直分辨力和水平分 辨力. 通常以垂直方向或水平方向尺寸内所能分辨的 黑白条纹数来表示。这一极限分辨力的线条数简称
3. 惰性
摄像管的光电流输出滞后于光信息输入的现象称
为摄像管的惰性。
电视摄像管的惰性常用输入照度截止后第三场残
余信号的百分数来表示。

按我国的电视制式, 场周期为20ms
问题：
设电视摄像管输入照度截止60秒后， 输出残余信号仍为正常值的4%，问摄
像管的惰性为多少？
4%
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;
摄像管——电视系统的核心部件
在半个多世纪的电视技术发展工程
中，遇到的主要问题是图像的拍摄、图像
的传送、灵敏度的提高以及像质的改善等，
都与摄像管密切相关。
不同类型的摄像管虽然工作方式不同
,但摄像的基本原理是一致的。
(一)摄像管的基本原理和分类
摄像管的功能： 可以将三维空间分布的光学图像转换为随 时间变化的一维电信号。
在一帧的周期内连续 积累由光敏元件产生的电
量, 并保持电荷分布的空间
稳定性, 又称之为靶。
3)电子束扫描产生视频信号
摄像管的电子枪
作用：产生空间二维扫描的电子束； 一帧周期：在一帧周期内完成靶面的全扫描； 工作方式：电子束将靶面与负载回路接通； 输出方式：通过负载电阻输出视频信号。
2. 摄像管的基本组成
它的作用是产生热电子, 并使它聚焦成很细的电
子射线, 并且按照一定的轨迹扫描靶面。
2. 视像管的分类： 根据采用不同的靶面材料可分为： 硅靶
氧化铅靶
碲化锌镉靶 摄像管等。
(三)、硅靶摄像管
硅靶摄像管也叫硅二极管阵列光电导
靶
硅材料具有良好的光电导效应, 并且容 易制成P型和N型。
但电阻率低, 电荷在横向的扩散将严重
6 碲化锌镉靶摄像管三层结构各有何作用？ 第一层 ZnSe 能增强对短波光的吸收, 可提高灵敏度； 第二层 发生光电效应； 第三层 可减小暗电流和惰性
第二节 摄像管
摄像管主要内容：
(一)摄像管的基本原理和分类 (二)光电导摄像管(视像管) （三）硅靶摄像管 (四) 氧化铅靶摄像管 ( 五) 碲化锌镉靶摄像管
第二节 摄像管
作业练习题
1.摄像管的基本组成有哪几部分？
2.摄像管按结构可分为哪两类？
3.光电导摄像管依据不同的靶面材料常分为哪几种类型？ 4.硅靶摄像管有何特点？ 5. 氧化铅靶摄像管有何特点？
6. 碲化锌镉靶摄像管三层结构各有何作用？
1. 摄像管的基本组成有哪几部分？ 光电转换部分——光电转换元件（光电发射体和光电导体） 电荷存储部分——存储元件：靶 信号读取部分——摄像管的电子枪 共三部分组成。 2.摄像管按结构可分为哪两类：
MTF M o / M i 100%
调制度 M 是无线电学中的概念, 引用
到光学中可以说它是对比度。
M的定义是, 光信息的最大值 A 与光 信息最小值 B 之差, 对 A 与 B 两者之和的
百分比, 即:
( A B) M 100 % A B
MTF（调制传递函数）能够用仪器测 量, 它能客观反映摄像管的分辨力。
是理想的广播电视摄像管。
( 五) 碲化锌镉靶摄像管
碲化锌镉是一种优异的光电导材料 碲化锌镉靶摄像管的灵敏度很高, 可在星光 下获得可用的图像, 多用于微光电视。
(1) 碲化锌镉整管的结构和工作过程
与硅靶管类似, 只是靶材料不同 它在国际上的商品名称是 Newvicon.
(2) Newvicon 管结构特点
另一个是图像读出时，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。
小考试题：
(1) PbO 靶摄像管的结构特征是什么？
(2) 什么是摄像管的惰性，电视摄像管的惰性 如何表示？ (3)摄像管的基本组成有哪几部分？ (4)光电导摄像管依据不同的靶面材料常分为
哪几种类型？
(5)硅靶摄像管的结构和性能有何特点？
它的光敏面和靶面合二为一称之为 靶, 其既有光电变换的功能, 又具有存储 和积累电荷的作用。 光电导摄像管又称为视像管。
(2). 信号读取部分
扫描电子枪：摄像管的信号读取部分；
组成：
电子束发射源
电子束的聚焦系统 电子束的偏转系统三部分构成。
3.摄像管按结构分类：
光电发射式摄像管和光电导式摄像管
光电发射式摄像管：
损失分辨力。
1. 硅靶摄像管的特点
(1) 由分立的P-N结硅光敏二极管阵列组成。
(2)具有寿命长、灵敏度高、光谱响应范围宽 (3) 分辨力和暗电流特性较差
这种摄像管的国际知名品牌是 Telecom
2. 硅靶摄像管的结构与制作
(1)玻璃面板;(2)信号板
(3) N型硅
(4). SiO2
利用光刻技术在SiO2上光 刻成几十万个小孔, 通过掺杂
它的结构呈N-I-P 型半导体结构分布 窗口玻璃内壁是一层透明的 SnO2导电膜作 为靶的输出信号电极,
当用电子束扫描靶面时, 相当于对 PIN 进行 反偏置。靶电源电压约45V左右。
工作时, 信号电极板通过负载和靶电源的正极相接。
(3) PbO靶的光信息存储功能
它的轴向电阻较小, 横向电阻很大
使每个小孔都变成 P-Si,
(5). P型硅
许多个小的 P-Si 被SiO2隔离, 故称为P型岛。每个 P 型岛与 N 型衬底之间即形成一个 P-N结(光敏二极管), 即成为硅靶。
硅靶摄像管的制作
3. 硅靶的光电变换过程
(1) 电子束扫描形成闭合回路
信号板通过引线、负载电阻 RL 与靶电源UT的正 极相连。电子枪的阴极接地, 扫描电子束即具有地的 电位，形成闭合回路。 当电子束扫描到每个P型岛 时, P 型岛的 P-N 结即被反向 偏置, 结电容被充电到靶的电 源电压 UT。
一摄像管的基本原理和分类二光电导摄像管视像管三硅靶摄像管四氧化铅靶摄像管五碲化锌镉靶摄像管摄像管电视系统的核心部件在半个多世纪的电视技术发展工程中遇到的主要问题是在半个多世纪的电视技术发展工程中遇到的主要问题是图像的拍摄图像的传送灵敏度的提高以及像质的改善等的传送灵敏度的提高以及像质的改善等都与摄像管密切相关
(2) 无光照的情况
无光照时输出为高电位。 虽然 P-N 结有 反向漏电流(暗电流), 在负载电阻上会产生 少量的电压降，但输 出为高电位。
(3)有均匀光照时， 靶的扫描面电位只是均
匀地升高，输出信号均匀，都为低电平。
(4)如果有不均匀光照时,
是一幅光学图像, 则扫描面
上各P型岛的电势分布, 将
在视像管中, 光电导靶面既是光电变换
器, 又是电信号的存储与积累器, 以下重点 介绍视像管。
1. 视像管的组成
视像管由光电靶和电子枪两部分组成；
光电靶：
组成：由光窗、信号电极和靶组成； 特性： 靶面的光敏层可进行光电转换 它的轴向电阻很小 而横向电阻很大
有利于图像转换和实现信号的积分存储。
电子枪部分包括灯丝、热阴极、控制栅极、各 加速电极和聚焦电极、靶网、信号极和管外的聚焦线 圈、偏转线圈、校正线圈等
正比于入射光图像的亮度分
布, 亮度高的点, 所对应的
P型岛的电势也高。
5. 硅靶摄像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。如下图：
(四) 氧化铅靶摄像管
(1) PbO 靶摄像管的结构和工作过程：
与硅靶管类似。 PbO 管是目前广播电视和彩色电视
中用得较多的一种摄像管
（2） PbO 靶摄像管的结构特点
(1)电容性惰性很小:本征层较厚, 靶的等效电
容很小； (3)光生载流子被 PbO 中陷阱能级俘获的机会
(2)靶层中电场极强, 光生载流子渡越时间极短； 少, 减少了光电流对光照变化的滞后效应。
综上所述
PbO靶摄像管具有如下特点： 具有小的暗电流；
低的光电导惰性，频率特性好；
较高的灵敏度； 光电转换特性好；
扫描面上的电势起伏可保持较长时间不变。
(4) PbO 靶摄像管的性能特点：
灵敏度较高: 可达400 μA/lm.
能承受高的反向偏压:光生载流子在本征层
中复合的几率小 光生载流子几乎全部都能构成信号电流.
暗电流低:饱和暗电流低于1~2 nA. 而且
靶压增高时, 暗电流有饱和现象。
光电特性好：线性范围宽 惰性小: 如何表示呢？
例如, 某视像管在垂直方向上可分辨 400
TVL, 靶面的有效高度约为 10mm, 问靶面 上的分辨力应为多少？
N 400 fT LP / mm 20 LP / mm 2h 2 10
相当于 20Lp/mm. 按这种方法表示
的分辨力称为极限分辨力。
B 调制传递函数(MTF)
极限分辨力是依靠观察者的眼睛来分辨的, 因而带有一定的主观性, 不能反映摄像系统各部 分对分辨力的影响。因此, 多采用调制传递函数 (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
为电视线(TVL)。
例如, 若在垂直方向上能分辨 600 行, 即垂直分
辨力为600TVL，常用N表示:
N=600TVL
极限分辨力通常有三种表示形式：
(1) 可分辨电视线表示法：用能分辨开的黑白条纹总 数来表示，简称为电视线，单位(TVL), 用N表示。 (2)单位线度内可分辨电视线表示法：用单位线度内 能分辨的黑白条纹数来表示，单位(TVL/H) (3)单位线度内可分辨电视线对数表示法：用单位线 度内能分辨的黑白条纹数的对数来表示，即用单位线度 内能分辨的亮条纹数或暗条纹数来表示，单位(TVL/2H， Lp/mm)，常用f表示。