光电成像器件
像管和摄像管
SEC管的主要特性：
(1)灵敏度 SEC管整管的灵敏度与光电阴极的灵敏度、 加速电压和靶有关，一般可达20000μA／lm。 (2)分辨率 (3)惰性 (4)存储性能 25mm管中心分辨率约为600TvL／H 三场后残余信号小于5％
SEC靶的电阻率大于1010Ωcm-1，漏电极小，暗电流小
于0.1μA，因此信息电荷可在靶上长时间存储而不泄漏。
光电导式摄象管
电子枪
光电发射式摄象管
移像区 电子枪
靶 R
电子束
靶
光 电 阴 极
电子束
R
光电摄像器件的工作过程：
1、光电转换：光学图像投射到器件光敏面上， 以象素为单元分别进行光电转换，形成电量的 潜像。 2、扫描：扫描线按一定轨迹逐点采集转换后的 电量，形成一维输出信号。
3、光电信号的存储：每个象素在整个扫描周期 内对转换的电量进行积分存储。
畸变
距离光电轴中心不同位置处各点放大率不同的表
征。以该点处的放大率与中心放大率的差除以中心放大
率表示
Mr Mc Dr Mc
分辨力
像管分辨相邻两个物点或像点的能力。
WJII型头盔式微光夜视仪
四 扫描型摄像管
能够输出视频信号的一类真空光电管称为摄象管。
将二维空间分布的光学图像转化为一维时序电信号
表示。 • 非扫描型光电成像器件：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。记为：lp· mm-1 • 扫描型光电成像器件：取扫描线方向，图像范围内所
能分辨的等宽黑白条纹数表示分辨力。简称为电视线。
（水平分辨力为466线，垂直分辨力为400线. ）
5
图像信号的概念。
两个相邻的像元，具有不同的辐射亮度。令两个像元
光电成像器件
牛顿光学系统：
卡塞格伦系统：
格利高利系统：
（3）折反射组合式光学系统
施密特系统：
马克苏托夫系统：
2.扫描系统
平行光束扫描
会聚光束扫描
作业：P204: 5.4
（1）光学系统应对所工作的波段有良好的透过性能。
（2）光学系统在尺寸、像质和加工工艺许可的范围内，应具有尽可能大的相对孔径，以保证系统有高的灵敏度。
（3）光学系统应对背景噪声有较强的抑制能力，提高输入信噪比。
（4）光学系统的形式和组成应有利于充分发挥探测器的效能，如合理利用光敏元面积，保证高的光斑均匀性等。
串联扫描并联扫描串并联混合扫描
2.电子束扫描方式
3.固体自扫描方式
上述的分类方法不是绝对的，有的光电成像系统是不同扫描方式的结合。
从目前情况看，光机扫描及固体自扫描方式的光电成像系统占主导地位。
二、光电成像系统的基本技术参数
1.光学系统的通光口径D和焦距f/
2.瞬时视场角α、β
3.观察视场角WH、WV
4.帧时Tf和帧速
5.扫描效率η
6.滞留时间
对光机扫描系统而言，物空间一点扫过单元探测器所经历的时间称为滞留时间 ，探测器在观察视场中对应的分辨单元数为：
由 的定义，有:
光电成像系统的综合性能参数是在以上各基本技术参数的基础上作进一步的综合分析得出的。
§3红外成像光学系统
红外成像光学系统应满足以下几方面的基本要求：物像共轭位置、成像放大率、一定的成像范围，以及在像平面上有一定的光能量和反映物体细节的能力（即分辨率）。
光电成像
1.直视型光电成像器件与电视型光电型成像器件区别：直视型光电成像器件：1）用于直接观察的仪器中，器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分。
2）工作方式是：通过外光电效应将入射的辐射图像转换为电子图像，而后由电场或电磁场的聚焦加速作用进行能量增强以及通过二次发射作用进行电子倍增，经过增强的电子图像轰击荧光屏，激发荧光屏产生可见光图像。
基本结构包括有：3）基本结构包括有：光电发射体、电子光学系统、微通道板（电子倍增器件）、荧光屏以及保持高真空工作环境的管壳等。
电视型光电成像器件：1）用于电视摄像和热成像系统中。
器件本身的功能是完成将二维空间的可见光图像或辐射图像转换成一维时间的视频电信号。
2) 工作方式：接受二维光学图像或热图像，利用光敏面的光电效应或热电效应将其转换为二维电荷图像并进行适当的时间存储，然后通过电子束扫描或电荷耦合转移等方式，输出一维时间的视频信号。
3）按工作方式可分为：电真空摄像器件；固体摄像器件；4）按工作原理可分为：光电摄像器件；光电导摄像器件；光电增强型摄像器件；热释电摄像器件；固体摄像器件；2.光电成像器件的特性：3.光电成像器件的噪声种类：散粒噪声；产生-复合噪声；温度噪声；热噪声低频噪声、介质损耗噪声等。
第五章1.像管成像的物理过程：1.）将接收的微弱的可见光图像或不可见的辐射图像转换成电子图像；2.）使电子图像聚焦成像并获得能量增强或数量倍增；3.）将获得增强后的电子图像转换成可见的光学图像。
2.外光电效应的特点（两个定律）：1）斯托列托夫定律：当入射光的频率或频谱成分不变时，光电发射体单位时间内发射出的光电子数或饱和光电流IG与入射光的强度成正比；该定律表明：入射光越强，其产生的光电发射越大。
2）爱因斯坦定律：光电发射出来的光电子的最大初动能与入射光的频率成正比，与入射光的强度无关。
该定律表明：当入射频率低于ν0时，不论光强如何都不会产生光电发射。
3.像管的类型:1）工作波段可分为：工作于微弱可见光的像增强器；工作于非可见辐射（近红外、紫外、X射线、γ射线）的变像管。
3.5(zm2011) 光电成像器件
目前世界上只有60英寸以上的显示屏才能够显示出1920×1080
的信号。目前市场上出现的所谓1080p高清数字电视并不能真正给 消费者带来1920×1080的图像，这些彩电只是能够接收和处理
1920×1080格式的信号而已，由于目前电视信号根本无法达到如此
高的标准，1080p对于普通用户基本没有什么实际价值，只是厂家 的一种市场宣传噱头。
SECAM制式（Sé quential CouleuràMé moire）－行轮换调频制 SECAM是法文的缩写，意为顺序传送彩色信号与存储恢复彩 色信号制，是由法国在1956年提出，1966年制定的一种新的彩色 电视制式。它也克服了NTSC制式相位失真的缺点，但采用时间 分隔法来传送两个色差信号。使用SECAM制的国家主要集中在 法国、东欧和中东一带。
7
8
1970年：美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件（CCD）的原理使图像
传感器的发展进入了一个全新的阶段，使图像传感器从真空电子束扫描 方式发展成为固体自扫描输出方式。 具有固体器件的所有优点；
自扫描输出方式消除了电子束扫描造成
的图像光电转换的非线性失真，即CCD 图像传感器的输出信号能够不失真地将光
4
The first Philips Iconoscope tube early 1930's. The complete experimental camera for 180 TV lines displayed in the Philips laboratory
http://members.chello.nl/~h.dijkstra19/page4.html
扫描
－－图像的分割与象素
光电图像
电信号
按一定规律依次将图像中的每一像素的电（电荷） 信号读出的过程，称为扫描。
第四章光电成像器件
电视的图像发送与接收系统中，图像的采 集（摄像机）与图像显示器必需遵守同样 的分割规则才能获得理想的图像传输。这 个规则被称为电视制式。
在我国电视制式(PAL制式)中，一幅图像分 成625行，每秒传送25幅图像，即帧频为 25Hz，一帧分成两场，采用隔行扫描的方 式，第一场传送奇数行，第二场传送偶数 行，场频50Hz。
真空成像器件
4.1.1 变像管
1、红外变像管
红外辐射图像被光学物镜成像后位于光电阴极的前方，该 辐射图像相当于对光电阴极有一辐射通量，光电阴极将其 变成与其亮度成正比的电子图像，经静电聚焦后轰击荧光 屏，在转成光学图像。
光电阴 极
聚焦
阳
极
极
荧光 屏
2、光纤面板变像管
成像器件讲究像质。
聚焦极
光纤面板
光电阴极 阳极 荧光屏
光纤面板
真空成像器件
4.1.2 图像增强器
图像增强器利用了像管功能中增强亮度、光学成像 两个功能。
图像增强器与变像管的异同点
一、第一代微光像增强器结构示意如下图：
光纤 面板
聚焦 极
光电 阳 荧光 阴极 极 屏
光纤 面板
三级级联式
注意：级间耦合和光谱匹配
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。
二、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）——微光摄像 包括 二次电子摄像管 硅靶摄像管 特点：图像质量高，增益和灵敏度高
2.内光电变换型（光电导型）——视像管 按光电导靶结构分为 光电导（注入）型：硫化锑管 PN结（阻挡）型：氧化铅管、硅靶管、 异质结管 特点：结构简单、体积小、使用方便
光电成像器件
扫描精度即是指扫描仪的光学分辨率，主要是由镜头的质量和CCD的数量决定。由于受制造工艺的限制，目前普通扫描头的最高分辨率为20000像素
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扫描仪对图像画面进行扫描时，线性CCD将扫描图像分割成线状，每条线的宽度大约为10 μm。光源将光线照射到待扫描的图像原稿上，产生反射光(反射稿所产生的)或透射光(透射稿所产生的)，然后经反光镜组反射到线性CCD中。CCD图像传感器根据反射光线强弱的不同转换成不同大小的电荷或电流，经A／D转换处理，将电信号转换成数字信号，即产生一行图像数据。同时，机械传动机构在控制电路的控制下，步进电机旋转带动驱动皮带，从而驱动光学系统和CCD扫描装置在传动导轨上与待扫原稿做相对平行移动，将待扫图像原稿一条线一条线的扫入，最终完成全部原稿图像的扫描。如下图所示。
多数平板式扫描仪使用光电耦合器(CCD)为光电转换元件，它在图像扫描设备中最具代表性。
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扫描仪的简单工作过程就是利用光电元件将检测到的光信号转换成电信号，再将电信号通过模拟／数字转换器转化为数字信号传输到计算机中。无论何种类型的扫描仪，它们的工作过程都是将光信号转变为电信号。所以，光电转换是它们的核心工作原理 。
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CCD器件为什么必须在动态下工作？其驱动脉冲频率的上下限受哪些条件限制。二相驱动CCD，像元数N＝1024，若要求最后位仍有50％的电荷输出，求电荷转移损失率。有5mm工件，要求用线阵CCD测量，分辨率优于5u，信号处理可对CCD单元进行4细分，推出用投影法测量时对CCD的参数要求。若CCD单元间隔为15u，用什么方法可进行测量，对系统参数有什么要求？
光电成像器件及应用
光电成像器件及应用光电成像器件是一种将光信号转换为电信号的器件，常见的光电成像器件有光电二极管（Photodiode）、光电倍增管（Photomultiplier），以及最常见的光敏传感器（CMOS和CCD）。
这些器件通过将光信号转换为电信号，实现了对光信号的检测和分析，广泛应用于图像传感、光谱测量和通信等领域。
光电二极管是一种能够将光信号转换为电流的器件。
通过在PN结附近引入一个P型或N型半导体区域，形成一个二极管，使其在光照条件下产生电流。
光电二极管具有响应快、线性范围广、噪声低等优点，因此被广泛应用于光电检测和传感领域。
光电二极管在光通信、光电子测量、遥感等方面发挥着重要作用。
光电倍增管是一种能够将光信号放大到可观测范围的器件。
它由一个光阴极、若干个倍增极和一个吸收极组成。
光阴极吸收光信号产生电子，经过加速电场进入倍增极，倍增极通过二次电子发射产生更多的电子，最后被吸收极收集。
光电倍增管具有高增益、高灵敏度、宽波长范围等优点，常用于低强度光信号的检测和放大，比如粒子物理实验、荧光光谱等领域。
光敏传感器是一种通过将光信号转换为电信号，并将其存储或处理，实现图像捕捉和分析的器件。
光敏传感器分为CCD（Charge Coupled Device）和CMOS （Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）两种类型。
CCD传感器通过将光信号转化为电荷信号，然后通过移位寄存器将电荷信号逐行转移到AD转换器进行数字化处理。
CMOS传感器则将光信号直接转化为电信号，并通过像素阵列逐一读出，实现图像的数字化。
光敏传感器具有分辨率高、动态范围广、响应速度快等优点，被广泛应用于数码相机、摄像机、智能手机等图像采集设备。
光电成像器件在很多领域都有广泛的应用。
在图像传感领域，光电成像器件能够将光信号转化为电信号，并通过传感器的像素阵列将其逐一读出，实现图像的捕捉和存储。
在医学影像方面，光电成像器件能够通过对不同波长的光信号的接收和分析，实现对生物组织的成像和诊断。
光电成像器件的类型及特点
光电成像器件利用光电效应将可见或非可见的辐射图像转换或增强为可观察、记录、传输、存储以及可进行处理的图像的器件系列的总称。
其目的在于弥补人眼在灵敏度、响应波段、细节的视见能力以及空间和时间上的局限等方面的不足。
最早的一种光电成像器件──光电析像管出现于1931年。
目前，各种类型的光电成像器件已广泛应用于天文学、空间科学、X 射线放射学、夜间观察、高速摄影以及科学实验中。
按工作原理，光电成像器件可分为像管、摄像管和固体成像器件。
1、像管 各种类型的变像管、像增强器的电子照相管的总称。
它将可见或非可见的辐射图像转换或增强为可直接观察或记录的图像。
其工作原理是将投射在光电阴极上的辐射图像转换为电子图像，电子光学系统将此图像尽可能真实地转移到荧光屏上产生一个增强的光学图像（如变像管和像增强器）或记录在对高速电子敏感的胶片上（如电子照相管）。
a、变像管 一种把非可见（红外或紫外）辐射图像转换成可见光图像的器件。
图1a[变像管]示出了利用银氧铯光电阴极的红外变像管，它通常用于主动红外夜视中。
图1b[变像管]为一种用于高速摄影的变像管。
图1 变像管b、像增强器 一种将微弱的光学图像增强为高亮度的可见光图像的器件。
它广泛用于微光夜视中。
其光敏面通常采用钠钾铯锑多碱光电阴极。
获得高亮度增益的方式有级联和使用电子倍增器两种。
实现级联的方式也有两种：一种是在同一管壳内用薄的云母片作为支撑体，其两侧分别制作光电阴极和荧光屏,形成夹心倍增屏结构,以实现各级像管之间的耦合。
磁聚焦像增强器大都采用这种方式。
另一种是采用纤维光学面板将单个静电聚焦型像增强管耦合在一起，如纤维光学耦合三级级联像增强器，它通常称为第一代像增强器，如图2[ 纤维光学耦合三级级联像增强器]所示。
25/25毫米第一代像增强器的典型性能是：放大率 =0.85，分辨率 28线对/毫米，亮度增益5×10，等效背景照度2×10勒克斯。
图2 纤维光学耦合三级级联像增强器在管内获得电子倍增的一条途径是在单级像增强管中插入电子倍增器，曾用过氯化钾薄膜，目前均使用微通道板电子倍增器,微通道板(MCP)是由数以百万计的微型通道电子倍增器的通道紧密排列而成的二维阵列器件。
光电成像原理 03
Review§1.4光电成像器件的类型按工作方式来分，光电成像器件可分为两大类：1.直视型光电成像器件:可用于直接观察。
器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分。
2.非直视型光电成像器件:可见光或辐射图像→视频电信号。
只完成摄像功能，不直接输出图像。
《光电成像原理》赵新彦南京邮电1一、直视型光电成像器件工作原理：入射辐射图像光电效应电子图像电场、电磁场二次发射作用增强的电子图像激发荧光屏可见光图像根据工作的辐射波段区分为两种：（1）变像管：入射图像的光谱与输出图像的光谱完全不同。
完成图像的电磁波谱转换，使不可见辐射图像通过像管变成可见图像。
（2）像增强器：接受微弱可见光图像。
输入的光学图像及其微弱，经过器件内电子图像的能量和数量的增加使输出图像增强。
Review《光电成像原理》赵新彦南京邮电2《光电成像原理》赵新彦南京邮电3二、非直视型光电成像器件工作原理：基本结构：电真空式：光敏靶、电子枪、扫描系统，真空管固体式：光敏面阵、电荷耦合转移读出电路电子束扫描入射辐射图像光电效应电荷图像电荷耦合转移视频信号处理、传输显像装置输出图像（）ReviewReview辐射度学与光度学基础知识辐射度学与光度学：研究光的度量的学科。
辐射度量：物理的计量方式，适用于整个电磁辐射谱区。
光度量：从生理角度，以人眼所见的光辐射对大脑的刺激程度来进行计量。
适用于可见光谱区。
《光电成像原理》赵新彦南京邮电5直视型光电成像器件变像管像增强器非直视型光电成像器件直视型光电成像器件：非直视型光电成像器件：光电转换上升过程的滞后<< 下降过程的滞后。
光电成像脉冲响应函数上升斜率近似为∞脉冲响应函数主要决定于光电转换的衰减特性。
噪声（广义）：干扰：噪声：噪声：直视型光电成像器件非直视型光电成像器件视频信噪比:前置放大器输出端的视频信号与噪声之比。
显示信噪比:考虑到人眼接收的效能，取人眼的时间常数作为有效积分时间的信噪比值。
光电成像器件
（4）噪声：电荷注入噪声；电荷量变化引起的噪声 （转移噪声）＆检测时产生的噪声（输出噪声）。 （5）暗电流 产生的主要原因： 耗尽的硅衬底中电子自价带至导带的本征跃迁； 少数载流子在中性体内的扩散； 来自SiO2表面（硅中缺陷＆杂质数目）引起的暗电流； Si-SiO2界面表面的晶体缺陷＆玷污等； 温度，温度越高，暗电流越大。
Qt 1 Q0
转移损失率：
1
ε(t) 影响电荷转移效率 的主要因素为界面 态对电荷的俘获。 为此，常采用“胖 零”工作模式，即 让“零信号”也有 一定的电荷。 Q(0)/C
2、工作频率f （1）下限：为避免由于热产生的少数载流子对 注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到 另一个电极所用的时间必须小于少数载流子的 平均寿命，对于三相CCD,t 为：t=T/3=1/3f,故， f>1/3ζ。 （2）上限：当工作频率升高时，若电荷本身从 一个电极转移到另一个电极所需的时间大于驱 动脉冲使其转移地时间T/3,那么信号电荷跟不 上驱动脉冲的变化，使转移效率大大降低。故 t≤T/3，即f ≤1/3t。
W C 2 Is U IN U IG U LG 2
uID 经过Tc时间注入后，其信号电荷量为：
W C 2 Qs U IN U IG U Tc LG 2
电压注入法
IG
Ф2 Ф3 Ф1 Ф2 Ф3 Ф1
ID
N+
P-Si
电荷注入量与时钟脉 冲频率无关。
CCD(Charge Coupled Devices)
CCD图像传感器主要特点：
固体化摄像器件 很高的空间分辨率 很高的光电灵敏度和大的动态范围 光敏元间距位臵精确,可获得很高的 定位和测量精度 信号与微机接口容易
光电成像器件
三、像增强管的级联
（一）串联式像增强管 1、磁聚焦三级串联式像增强管
分压电阻 二次电子倍 增膜 它由三只单级像管首尾相接， 每只单级像管的高压电源通 过电阻分压器加在电极环上， 使管内产生均匀电场。管外 加长螺管线圈，用以产生轴 向均匀磁场。两级中间连接 处违夹心片结构，中间为透 明云母片，它的前面为荧光 屏，后面为光电阴极，两者 的频谱特性正好品配。 特点：像差小，像质好，但 消耗功率大，体积笨重。
三、摄像管的性能参数
1、光电转换特性
输 出 视 频 信 号 电 流
超 正 析 像 管
分流管
曲线的斜率为管子 的灰度系数γ。超正 析像管在高光照时 输出信号电流饱和， 曲线弯曲。
视像管
硅电子 倍增靶
二次电子 导电管
输入面照度（勒克斯）
2、光谱响应
a——Sb2S3光导摄像管
灵 敏 度 f b——PbO光导摄像管 （标准型） c——PbO光导摄像管 g e d a b c 波长 （全色型，接近于人眼的 光谱响应，在彩色摄像时 可获得色调的高保真度）
第五章 光电成像器件
本章内容 光电成像器件的发展、类型＆特性 光电成像原理与电视制式 真空摄像管 电荷耦合器件（CCD） 重点内容 电荷耦合器件（CCD） 难点内容 光电成像原理 电荷耦合器件（CCD）
第一节 概述
一、光电成像器件的发展
•1934年，光电像管（Iconoscope），应用于室 内外的广播电视摄像。灵敏度非常低，需要 10000lx的照度，达到图像信噪比的要求；
二、电视制式
1、电视图像的宽高比： 图像宽度＆高度之比，一般为4：3。 2、帧频与场频： 帧频为每秒钟电视屏幕变化的数目。一般场频为50赫兹，帧 频为25赫兹。在电视中采用隔行扫描的方式。 3、扫描行数与行频：组成每帧图像的行数＆行频。 我国现行电视制式（PLA制式）：宽高比为4：3，场频为50 赫兹，行频为15625赫兹，场周期为20毫秒，其中正程扫描 时间为18.4毫秒，逆程扫描时间为1.6毫秒，行周期为64微 秒，其中正程扫描时间为52微秒，逆程扫描时间为12微秒。
光电成像器件
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第4章光电成像器件
4.1.2 像增强器
像增强器（Low Light Level Image Intensifier），又称作微 光像管（Low Light Level Image Tube），微光夜视装备的核心 是像增强器。像增强器能将微弱光照射下的景物通过光电阴极的 光电转换、电子透镜的倍增和荧光屏电光转换，成为可见光图像。 微光像增强器主要工作在可见光和近红外波段。
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第4章光电成像器件
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第4章光电成像器件
（2）第二代像增强器结构
第二代像增强管（光 电阴极和荧光屏间加 入微通道板）
第二代像增强管的 结构图
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第4章光电成像器件
（2）第二代像增强器结构
倒像式（MCP近贴荧 光屏）
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第4章光电成像器件
（3）第三代像增强器
第三代产品于70年代初开始研究，80年代美军开始装备部队。 砷化镓负电子亲和势（NEA）光阴极的发展在微光领域引发了一场 巨大的革命。这类Ⅲ-Ⅴ族半导体光阴极的显著特点就是灵敏度高， 可通过阴极材料组分和结构设计，满足红外相应的波段。
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第4章光电成像器件
4.1.1 变像管
1.变像管的结构 其主要功能是完成图像的电磁波谱转换。变像管 实现图像的电磁波谱转换是通过三个环节来完成 的。首先是将接受的不可见输入辐射图像转换成 电子图像；其次是使电子图像获得能量或数量增 强，并聚焦成像；第三是将增强的电子图像转换 成可见的光学图像。上述三个环节分别由光阴极、 电子光学系统和荧光屏完成。这三部分共同封装 在一个高真空的管壳内。
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第4章光电成像器件
4.1 像管
光电检测-(成像器件)
空穴浓度，形成反型层。
表面势与势阱
半导体表面与衬底的电压，常称为表面势，（用VG
表示）外加电压越大，对应有越大的表面电势，能带弯 曲的越厉害，相应的能量越低，储存电子的能力越大， 通常称其为势阱。注入电子形成电荷包 VG=12伏 VG VG=12伏
0 5 10 15 伏
P-Si
P-Si
P-Si
VG 空势阱
电子 轨迹
像管的光电阴极
对光电阴极要求是：具有很高的光谱响应灵敏度，
热发射电流小，切均匀性好。
一种典型的锑钾钠铯多碱阴极，编号为s－20。 s－25 （锑钠钾铯）光电阴极的光谱响应向红外有 所延伸，用于第一代和第二代增像管。
第三代像增强器是在二代近贴管的基础上，将s－25
阴极置换为砷化镓负电子亲和势光电阴极(GaAs NEA)。 其灵敏度几乎是二代光电阴极的3—4倍。
4
图像信号的概念。
两个相邻的像元，具有不同的辐射亮度。令两个像元
的辐射量子数分别为n1和n2。两个像元的差异就代表了图 像细节的信号。图像信号为
S n1 n2
5
图像噪声。
根据统计光学理论，弱光满足泊松分布，其均方 根方差等于均值，所以有图像噪声
N n1 n2
图像信噪比
n1 n2 S N n1 n2
（3）超高灵敏度的硅增强靶管（ISIT）
用光学纤维面板将像增强器与硅增强靶管耦合在一 起．就组成了超高灵敏度的硅增强靶管，通常称为ISIT 管或IEBS管。
阳极1
阳极2
光阴极1
光阴极2 硅靶 光阴极
五、 固体成像器件（电荷耦合器件）
电荷耦合器件(简称CCD)是一种用电荷量表示信 号并用耦合方法传输信号的器件，它具有信号探测、 延时、传输和积分的多种功能。
讲义6.1-2.光电成像器件.象管
1.直视型光电成像器件(像管)的工作方式? 1).是将入射辐射图像通过外光电效应转化为电子图像； 2).再由电场或电磁场的聚焦加速作用进行能量增强, 并由电场的二次 发射作用进行电子倍增； 3).经增强的电子图像激发荧光屏产生可见光图像。 2. 荧光屏的发光特性与那些因素有关？
荧光屏发光亮度与发光材料的性质有关, 与加速电压和入射电子流密 度有关。 3. 什么是象管的等效背景照度？ 暗背景亮度：没有光照时荧光屏上的亮度 ； 当存在光照射时，如果在荧光屏上产生的亮度同暗背景亮度相同，则 光电阴极上的输入光照度即是象管的等效背景照度 4. 变相管和图像增强管 5. 图像增强管的图像强度增益可以表示为哪几种形式？ 光通量增益 ； 光亮度增益 ； 光子增益 6. 106
荧光屏发光亮度与发光材料的性质有关, 与加速电压和入射电子流密 度有关。 3. 什么是象管的等效背景照度？ 暗背景亮度：没有光照时荧光屏上的亮度 ； 当存在光照射时，如果在荧光屏上产生的亮度同暗背景亮度相同，则 光电阴极上的输入光照度即是象管的等效背景照度 4. 变相管和图像增强管；光电转换、亮度增强、电光转换 5. 图像增强管的图像强度增益可以表示为哪几种形式？ 光通量增益 ； 光亮度增益 ； 光子增益 6. 106
0 基本概念
定义：光电成像器件
是指能够输出图像信息的一类光电器件,
分类： 按其工作方式可分为两类： (1) 直视型（像管） (2) 非直视型（摄像管） 直视型光电成像器件 用于直接观察, 就像人眼直接面对景物一样。这 类器件本身具有图像的转换、增强以及显示等部分，
也称为像管。
直视型光电成像器件(像管)的工作方式：
2、象管的增益特性
亮度增益定义为：荧光屏的光出射度
与光电阴极面照度之比：
光电成像器件
MCP图像增强器
MCP由大量极细的空心管道组 成，管径约十几微米。微管道 内壁为二次电子发射系数σ ＞ 1的高阻材料。厚度约数毫米， 两端加上数千伏的直流电压， 在微管道内即形成极强的电场。 当光电面发射的电子进入微管 道后，在强电场作用下经过和 管壁的多次碰撞，而得到电子 倍增。一般直流电压为10kV的 微通道板，可得到105 ～106 的 电子增益。
像管内部没有扫描机构，不能输出电视信号，对它的
使用就跟使用望远镜去观察远处景物一样，观察者必
须通过它来直接面对着景物。
像管的分类
• 按辐射的性质分
① 变像管
不可见光图像变为可见光图像
② 像增强管 低亮度光学图像变为有足够亮度图像 • 按聚焦方式分 ① 非聚焦（近贴）型 ② 静电聚焦型 ③ 磁聚焦型 • 按发展阶段分 ① 一代管 ② 二代管 MCP像增强器的应用
高ρ、高σ材料
1000～3000V
像管的主要特性参量
•光谱响应特性和光谱匹配
•增益特性 •等效背景照度
•分辨率
光谱匹配因数
• 光源 光电阴极、人眼视觉函数 荧光屏 可用光谱匹配因数定量描述。
I S
0
m ( ) S m S ( )d
0
m ( )d
Sm
图像增强管
像管的亮度增益为50～100。如果像管后面是一 个照相光学系统，并考虑到透镜对光的吸收，这样小 的亮度增益是不能使感光胶片产生清晰的图像的。因 此管内必须有使亮度进一步增益的措施。 （1）级联式图象增强管
为了增强图象的亮度，可以使几个独立的像管串联起来，使 亮度遂级增益。这种3管式的图像增强管，亮度增益可达10 5 。
光电成像器件的技术现状和发展趋势
单元的信噪比和灵敏度，在朝着提高器件开口率 和通过改变单元形状提高器件表面积利用率的方 向发展；预计未来更进一步的提升可以通过替换 光敏材料和提高器件体积使用率方向发展。 2）增强动态范围，提升光电成像器件的灵敏度 在现有的成像器件中，对光的动态范围捕捉往 往不如传统的胶片感光方式；灵敏度在低照度的情况 下也不能够满足使用需求；通过在同一器件上集成对 不同光强动态范围敏感的传感器以实现高动态范围， 但此种技术的不足之处是多种光敏范围的传感器相互 挤占彼此空间，阻碍了进一步提高器件上集成的传感 单元数量，从而限制了分辨率的提高。
光电成像器件的技术现状
光电成像器件的发展 —光电像管—超正析像管—视像管—氧化铅管— 硅靶管—CCD 在光电成像器件中，CCD这一方目前占有绝对的 优势 ，在这里主要介绍CCD。
CCD（Charge Coupled Device）即电荷耦 合器件，它是20世纪70年代初发展起来的新型半导 体光电成像器件。 美国是世界上最早开展CCD研究的国家,也是目前 投入人力、物力、财力最多的国家,在此应用研究领域 一直保持领先的地位。贝尔实验室是CCD研究的发源 地,并在CCD像感器及电荷域信号处理方面的研究保持 优势。在CCD传感器和应用电视技术方面,美国以高清 晰度、特大靶面、低照度、超高动态范围、红外波段 等的CCD摄像机占有绝对优势。这些产品不仅价格昂 贵、而且又受到国家的严格管制。
目前国内正在研制和开发的CCD有:512×512 像元X射线CCD、512×512像元光纤面板耦合CCD 像敏器件、512×512像元帧转移可见光CCD、 1024×1024像元紫外CCD、1024像元X射线CCD、 微光CCD和多光谱红外CCD等。但目前国内CCD器 件的研究进展尚不够迅速,与国际先进水平相比还有一 定的差距。传统CCD由于光电二极管是矩形的,其尺 寸受到限制。制造商们尽管不断增加像素以提高图像 质量,同时缩小像素和光电二极管面积,但光吸收的低 效率已成为提高感光度、信噪比和动态范围的另一障 碍。
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目录光电成像器件的原理及组成 (1)像管 (1)摄像管 (2)固体成像器件 (3)光电成像器件的应用 (4)光电成像器件的最新发展方向 (4)光电成像器件的原理及组成光电成像器件从成像原理上，可分为扫描型与非扫描性两类；从人的观察应用上，又可分为直视型和非直视型两类；按工作原理分，又可分为像管，摄像管和固体成像器件。
像管各种类型的变像管、像增强器的电子照相管的总称。
它将可见或非可见的辐射图像转换或增强为可直接观察或记录的图像。
其工作原理是将投射在光电阴极上的辐射图像转换为电子图像，电子光学系统将此图像尽可能真实地转移到荧光屏上产生一个增强的光学图像（如变像管和像增强器）或记录在对高速电子敏感的胶片上（如电子照相管）。
变像管一种把非可见（红外或紫外）辐射图像转换成可见光图像的器件。
图1a[变像管]变像管，它通常用于主动红外夜视中。
图1b[变像管] 为一种用于高速摄影的变像管。
像增强器一种将微弱的光学图像增强为高亮度的可见光图像的器件。
它广泛用于微光夜视中。
其光敏面通常采用钠钾铯锑多碱光电阴极。
获得高亮度增益的方式有级联和使用电子倍增器两种。
实现级联的方式也有两种：一种是在同一管壳内用薄的云母片作为支撑体，其两侧分别制作光电阴极和荧光屏,形成夹心倍增屏结构,以实现各级像管之间的耦合。
磁聚焦像增强器大都采用这种方式。
另一种是采用纤维光学面板将单个静电聚焦型像增强管耦合在一起，如纤维光学耦合三级级联像增强器，它通常称为第一代像增强器，如图2[ 纤维光学耦合三级级联像增强器]所示。
25/25毫米第一代像增强器的典型性能是：放大率=0.85，分辨率28线对/毫米，亮度增益5×10，等效背景照度2×10勒克斯。
在管内获得电子倍增的一条途径是在单级像增强管中插入电子倍增器，曾用过氯化钾薄膜，目前均使用微通道板电子倍增器,微通道板(MCP)是由数以百万计的微型通道电子倍增器的通道紧密排列而成的二维阵列器件。
光电子进入通道后，由于多次倍增过程，使电子急剧增多,在输出端可获得10～10的电子增益。
目前，微通道板的典型性能是：通道直径10～12微米,通道中心距15微米，长径比50,厚0.6毫米，加1 000伏电压，电子增益为10。
带有微通道板的像增强器通常称为第二代像增强器。
其突出优点是体积小、重量轻、增益可调、本身具有防强光作用,但噪声较大。
它有二种形式：一是薄片管,它把微通道板平行安置在靠得很近的光电阴极与荧光屏之间，从而形成双近贴像增强器；另一是倒像管，它类似通常单级像增强管，但在荧光屏前置一微通道板。
第二代倒像管的性能与第一代相接近。
如果在第二代薄片管中，光电阴极采用负电子亲和势发射材料，便构成所谓第三代像增强器。
这种光电阴极通常是III,V族化合物P型半导体单晶，由液相外延或汽相外延生成，然后在超高真空中清洁表面并用铯氧进行处理，使其真空能级位于半导体导带底之下，从而形成负电子亲和势。
它的突出优点是灵敏度高、光谱响应向长波阈延伸、光电子的能量分布集中和暗发射小。
目前第三代像增强器的典型水平为：灵敏度（透射式GaAs光电阴极）950微安／流明，分辨率30线对／毫米。
电子照相管一种用胶片直接记录电子图像的器件。
它一般采用匀强磁场聚焦，电子束加速电压为15～40千伏，用对高速电子敏感的底片记录。
其突出优点是图像无畸变、分辨率高（可达200线对／毫米）、动态范围大、灰雾和暗背景小，很适合于观测记录微弱天体，目前已在许多天文台中使用。
摄像管利用电子束对靶面扫描，把其上与光学图像相应的电荷潜像转换成一定形式的视频信号的器件的总称。
它通常在两种场合下工作:照度在200勒克斯以上（如广播与工业电视）和照度在10勒克斯以下（如微光电视）。
摄像管通常由移像段（或不用移像段）、靶与扫描段所组成。
其工作原理可归纳如下。
①图像的记录，移像段（其原理与像管相同）将光电阴极上的光电子图像转移到靶上（不用移像段时，直接将光学图像）变换成靶面上积累的电荷潜像。
②图像的读取，扫描段通过电子枪与偏转系统实现细电子束对靶面的扫描，将靶面上电荷潜像变换为视频信号输出。
由于摄像管中采用了电荷积累效应，故工作时，靶面某一像素上，电荷潜像的记录是在摄像的全过程中连续积累进行的，而图像的读取是在电子束扫描到这一像素的一瞬间完成的。
近代摄像管种类繁多，有五种基本类型：光导摄像管它使用具有光电导效应的靶。
工作时，扫描束在靶的背面形成一个负电位。
当光束被聚焦到光电导靶上时，靶的电导增加，便有附加的正电荷转移到靶背面，电子束扫描使它重新充电到负电位。
此充电电流即为信号电流，可以通过负载电阻及耦合电容转换为视频信号。
光导摄像管较为突出的例子是硫化锑光导摄像管、氧化铅光导摄像管和硒砷碲光导摄像管。
超正析像管移像段使光电子聚焦到高阻玻璃或氧化镁薄膜的靶表面。
靶发射的次级电子被位于靶前的网电极所收集，使靶形成正电荷区。
扫描电子束与靶复合后，剩余电子向着电子枪方向返回，信号由电子倍增器阳极输出，其幅值大小与光强成反比。
分流摄像管又称分流正析像管。
它是超正析像管的改进。
扫描电子束与靶面作用后产生两条性质不同的返回电子束：反射回程束与散射回程束，后者的电流大小与像素电位成正比，故在管内加入转向电极与分离电极，仅使散射回程束进入电子倍增器，输出信号幅值与光强成正比，信噪比较超正析像管高。
次级电子传导(SEC) 摄像管光电子通过移像段聚焦在很薄的低密度氯化钾靶上,大量次级电子被激发,并移向信号电极，使氯化钾中形成正电荷。
扫描电子束对此正电荷中和而形成信号电流，由信号电极输出。
硅电子倍增摄像管工作原理与次级电子传导摄像管相同，但靶是极薄的硅二极管阵列。
在高速光电子作用下，在N型区产生大量电子-空穴对,空穴向结区P型岛扩散，从而形成电位起伏的图像。
此外，尚有利用热（释）电效应的摄像管（见热探测器）。
固体成像器件各种自扫描像敏器件和电荷耦合摄像器件的总称。
其特点是无需扫描电子束而自行产生视频信号。
自扫描像敏器件有线阵和面阵之分。
寻址（面阵列）像敏器件利用接到每个像素上垂直线和水平线寻址光敏二极管(或光电导)阵列的某一光敏像素阵列，各像素相继产生随时间而变化的视频输出信号。
这在原理上虽然是行得通的，但在均匀性和信噪比上却遇到了很大的困难。
电荷耦合摄像器件用于摄像的电荷耦合器件(CCD)。
在P型或N型硅单晶衬底上生长一层厚度约为1 200埃的二氧化硅层，在此层上按一定次序淀积金属电极，形成金属-氧化物-半导体(MOS)结构,再加上输入端与输出端，便构成CCD 器件，如图5[电荷耦合器件]所示。
它与摄像管主要区别在于它把光电转换、信号贮存及读取三个部分集中在一个支承件上。
电荷耦合摄像器件有线阵与面阵二种，二者都是用光学系统把景物聚焦在器件表面。
由于光激发，在半导体内部产生电子-空穴对,其中少数载流子贮存在势阱中。
因为每一单元电极下所贮存的少数载流子的数目与光强成正比，从而把光学图像转化为电极下的电荷图像。
通过时钟脉冲电压有规律的变化，使注入的少数载流子作定向传输，最后在输出端输出，从而使图像转变为视频信号。
电荷耦合摄像器件具有一般电真空成像器件无可比拟的优点：如自扫描、大动态范围、高灵敏度、低噪声、对红外灵敏、无畸变、无滞后等;此外,封装密度高（超小型）、速度快、功率低、成本低、简单可靠。
故它是70年代以来受到普遍重视的一种新颖成像器件。
光电成像器件的应用光电成像器件利用光电效应，弥补了人眼在灵敏度、响应波段、细节的视见能力以及空间和时间上的局限等方面的不足。
特别是在医疗影像诊断领域，高质量的光电成像器件甚至决定了整个影像系统的水平。
光电成像器件自1931年，真空摄像管问世，发展至今以氧化铝和硒砷碲视为代表的技术已经发展成熟，在医疗领域得到广泛的应用。
而到1970年CCD固体摄像器件异军突起，以其高可靠性和寿命长的特点在医疗领域占据了优势地位。
CCD发展至今，在分辨率、灵敏度、暗电流、信噪比方面都有了较大突破，医学上对图像传感器的高分辨率、超密集等特殊要求，目前早已不是问题。
此外CCD不仅有传像功能，还有贮存功能。
可以由此制成数字化采集系统；CCD可接收的光波段很宽，能在微光下摄影。
这些为医学的图像显示带来了革命。
另外，由于光电探测器件对于很多非可见光也有探测能力，因此将探测期间与成像器件联合使用，同样能够帮助我们探测到一些肉眼无法观察的信号，这大大提高了我们探测侦查领域的能力。
当然光电成像技术在其他很多方面也都有应用，它出现在我们生活中的几乎所有地方，也同样出现在我们普通生活无法触及的领域，可以说是完全地覆盖了我们所拥有技术的每个领域。
光电成像器件的最新发展方向我们希望在未来光电成像技术能够更好地位人类所用，能带来更多更好的利益，因此光电技术任然在发展与进步中。
从技术层面讲，在以下几个方面我们还能找到其可提高的地方：1）提高分辨率技术发展要求现有的光电成像器件在尽量小的器件体积和面积下实现尽可能高的分辨率，在不考虑几何光学成像条件和波动光学衍射极限的情况下，要求将光电成像器件的传感单元尽量的小型化；2）增强动态范围，提升光电成像器件的灵敏度在现有的成像器件中，对光的动态范围捕捉往往不如传统的胶片感光方式；灵敏度在低照度的情况下也不能够满足使用需求；3）提高对颜色的还原能力现有的CCD采用并列的RGB三色传感元件实现彩色捕捉，但是由于传统方式制造的传感器中蓝色和绿色波段的传感器捕捉能力通常较弱，而放大过程中的信号处理不能够弥补这一缺陷，因而要求传感器做出这方面的提升；总的来说，光电成像乃至光电技术目前处在一个上升期，其对人类的贡献将不止于此，随着科学和社会的进步，人们将更加依赖光电技术，在未来这门技术将成为不可取代的。