光电转换原理及电光转换原理

二、
1．光电转换原理
光电转换是靠摄像管来完成的，其结构如图1-4所示：
图1-4光电导摄像管
⑴组成
①电子枪灯丝用来加热阴极
阴极发射电子
栅极控制电子流的大小
（第一阳极）加速极（A1），加有300V电压
（第二阳极）聚焦极（A2）加有0-300V的电压
网电极与A2连在一起，在靶前形成均匀减速电场，
从而使电子束在靶面能均匀垂直上靶。

②xx靶
光敏靶是由几层不同的半导体材料构成的，其厚度只有10-20µm。

朝向景物的一侧是信号板也叫信号电极，它是喷涂在玻璃上的一层透明金属导电层，在信号板的另一侧，则蒸镀了一层具有内光电效应的光敏半
导体材料。

该材料在光的照射下电导率增加（即电阻减少），被摄景物各部
分亮度不同，靶面上各部分的电导率相应变化，与较亮像素对应的靶单元电阻较小，而且各靶单元相互绝缘。

于是图像上的不同亮度就变成了靶面上各单元的不同电导率（即电阻）。

⑵工作过程
当摄像管加上正常的工作电压时，阴极便向外发射电子，并在加速极和
聚焦电场的作用下，形成很细的一束电子流射向靶面，如图1-5所示。

当电子束射向靶面某点时，便把该点对应的等效电阻R接入信号检，并
与负载电阻RL、电源E 构成一个回路。

如下图，于是回路便有电流产生，即I=E/（RL +R1））
当对应的像素发生变化时，R 便发生变化，于是I 也发生变化。

I 流过
负载RL 时，在RL 两端形成变化的电压VRL，由于这个电压反应了对应像素亮度随时间的变化，因而便为图像信号。

当在偏转磁场的作用下，电子束按照从左到右，从上到下的规律扫描靶
面上各像素点时，便把按平面分布的各个像素的亮度依次转换成按时间顺序传送的电信号，实现了图像的分解与光电转换。

图1-5光电转换原理示意图
⑶图像信号的极性
①正极性。

被摄景物上的像素越亮，对应的信号电平越高，称正极性。

②负极性。

被摄景物上的像素越亮，对应的信号电平越低，称负极性。

2．电光转换原理
电光转换是靠显像管来完成的。

其结构如下图1-6所示。

图1-6显像管结构示意图
⑴结构
①电子枪
灯丝阴极栅极加速极（第一阳极）二、四阳极（高
压xx）聚焦极（第三xx）
②玻璃外壳
A管颈（内装电子枪）
B 玻璃锥体：
将幕面玻璃与管颈连接起来，内外层均涂有石墨层，它主
要有三个作用：
第一是内壁石墨层与高压极连接，形成等电位空间，以保证电子束高速运动；
第二是外壁石墨层接地，与内壁石墨层一起形成一个500—1000PF的电容，作滤波用；
第三是内石墨层的黑色，可充分吸收管内的杂散光，提高对比度。

C 荧光屏：
是显像管的发光面，电光转换是由它来完成的。

在荧光屏内侧涂有荧光粉，当电子束轰击荧光粉时，荧光粉发光，电子束电流越强，发光越亮，从而完成电光转换。

d 铝背:
显像管虽抽了真空，但仍残留有气体离子。

另外，从阴极也会
发射一定离子，离子质量比电子大几千倍，只能在偏转磁场作用下作少量偏转，因此会固定轰击屏幕中心部分，使荧光粉老化形成暗区。

蒸镀铝背可避免这种现象。

因为离子速度慢、体积大，不能穿过铝背到达荧光屏。

⑵工作原理
显像管出现光栅或显示图像是靠在栅极与阴极间施加不同电压，以控制
阴极电流iＫ的大小而实现的。

当无图像信号输入时，栅阴极间加的是直流负电压，约负十几伏，只要
数值适当，有扫描电流作用下，射向屏幕各点的电子束处处相等（因iＫ为一直流电源），因而屏幕上显示的是亮度均匀的光栅。

当有图像信号输入时，栅阴极间在原电流负压的基础上叠加了图像信
号，如图1-7所示。

为一行电视信号。

t1-t2是消隐信号，电平很高，它
将使iＫ=0，在屏幕上无回扫亮线；t2-t7为行扫描正程时间，出现图像信号，其中t2-t
3、t4-t
5、t6-t7的图像信号电平较低，即|-Ugk|值很小，i
Ｋ很大，这期间屏幕上出现白色。

t4-t
5、t6-t7图像信号电平较高，|-Ugk|
极大，iＫ小，这期间屏幕上出现黑灰色，于是屏幕上出现了三白两灰的图像。

图1-7显像管显像原理图
3．光电与电光转换过程中的非线性
⑴电视系统对光电、电光转换及传输信道的要求
设发端原景物的亮度为B0，经光电转换、传输信道，再经电光转换后，
重现的亮度为B0，要保证不失真的重现图像必须使Bd与B0成性线关系，即Bd=KB0（K 为常数）
（1-5）
这就要求从摄像（取）到重现的整个电视系统必须是线性的。

①电视系统存在的非线性
A．摄像管的非线性失真
设摄像管的输出电压为E0，则
E0=K 1 1
0 r B（1-6）
式中K 1为常数
1为摄像管的非线性失真系数，一般情况1≤1，目前可
达到1≈1
B．传输信道的非线性失真
设传输信道的输入为E0，输出（即显像管阴极）为Ed，则
Ed=K 2 2
0 r E（1-7）
式中K 2为常数
2为传输系统的非线性失真系数，通过调整电路，可使
2 =1
C．显像管的非线性失真
加到显像管阴极电压为Ed，经电光转换后重现的亮度为Bd，则
Bd= 3 K 3 r
d E （1-8）
式中3 K为常数
3为显像管的非线性失真系数，该值一般为3 =2-3间
于是，整个系统的亮度传输特征为：
Bd= 3 K 3 r
d E
= 3 K（K 2 2
0 r E）3
= 3 K [K 2（K 1 1
0 r B）2 ] 3
= 3 K．K 2 3．K 1 3 2．B0 3 2 1
=K B
0（1-9）
式中K= 3 K ．K 2 3．K 1 3 2 (为常数)= 1．2．3 (为整个系统非线性失真)
由上式可见:
重现图像的亮度与原景物的亮度是非线性关系，这种非线
性关系称为特性。

主要是由显像管的电光转换造成。

②非线性失真对图像的影响
假设传送的是一幅亮度均匀由黑变白的竖条，其一行的亮度波形是一阶
梯波，如图1-8所示。

A．当=1时，
不失真，如图（a）
B．当>1
产生失真，如图（b），即亮区的对比度加大，亮度层次受到扩张，暗区
的对比度减小，亮度层次受到压缩。

C．当<1
也产生失真，如图（b），只是产生了相反压缩与扩张。

当上述失真达到一定程度后，重现图像就明显失去了原景物的丰富层
次。

③消除的方法（校正）
因为电视接收机为广大用户所有，为使接收设备简化，这种失真的校
正是在电视台的图像信号产生部分进行的。

其校正的方法是在摄像端的视频通道中设置一级非线性放大器，调正该
放大器的非线性，使整个传输信道的非线性失真系数为：
2 =1/（1 .
3 ）（因1和3是由摄像管和显像管决定的，无法改变所以只能改变2）
于是= 1．2．3
= 1 . 3 。

1/（1．3）
=1
即Ed=K E0 =KB0该式说明重现亮度与原景物的亮度成线性关系。

∵1≈
1、彩管3 =2.8
∴2 =1/（1 . 3 ）
黑白管3 =2.3
∴2
图1-8特性对亮度的影响图。