第五章 摄像管

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、 响应范围宽、 量子效率高、 量子效率高、 抗烧伤能力强 等优点。 等优点。
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 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 把按空间光强分布的光学图像记录并转换成视频 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 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。。 处理和传递的时间序列的一维电信号。 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， 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。 够输出视频信号。 是电视系统中实现光电转换的关键部件， 光电转换的关键部件 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。 上决定着摄像机的质量和寿命。
1、组成： 1、组成：
摄像管主要由光电转换（光电变换与存储部分） 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 光电转换 阅读部分）组成。 统（阅读部分）组成。
2、原理： 、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 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 光电发射作用或光电导作用 镜头 景物的光影像在靶上转换为相应的电位分布图 光影像在靶上转换为相应的电位分布图。 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 扫描，将此电位分布图逐行逐点地转换为电信号 电位分布图逐行逐点地转换为电信号。 束在靶上扫描，将此电位分布图逐行逐点地转换为电信号。
三、光电发射型摄像管（摄像管） 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： 将输入的光学图像转换成电荷图像，然后通过电荷的 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 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 像读出，
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
2.光电导摄像管的工作原理 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， 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， 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， 材料的光电导作用，引起靶面各点像素的电阻率发生变 从而在扫描面上，产生相应的起伏电位， 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。 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 电子束依次沿着靶面扫描， 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） 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（ 需周期的极小部分（0.062us)，为了提高检测灵敏度， ，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 这时靶又起到了积累存储光电信息的功能； 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， 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。 地转变成视频信号输出，就完成了扫描输出的功能。
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。
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光电导摄像管（视像管） 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。
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。
光导靶和存储靶： 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 光电导体 靶)的光电变换原理
摄像管
移像 区 电子枪
不同点： 不同点：
光电发射型（ 光电发射型（摄像 ）：有 管）：有移像区 光电变换型（ 光电变换型（视像 ）：无 管）：无移像区 共同点： 共同点： 扫描区（电子枪）： 扫描区（电子枪）： 灯丝、热阴极、 灯丝、热阴极、 控制栅极、 控制栅极、各加 速电极、 速电极、聚焦电 靶网、 极、靶网、管外 的聚焦线圈、偏 的聚焦线圈、 转线圈、 转线圈、校正线 圈
其中磁聚焦、 其中磁聚焦、磁偏转的方式容易做到磁场均 偏转线性好，聚焦程度一致， 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 方式。 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， 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； 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， 同时，由于偏转和聚焦电流较大，也增加了 摄像机的功耗。 摄像机的功耗。 静电聚焦和静电偏转的方式则由于没有线 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。 圈而有利于小型化。
光电成像器件
第二章 摄像管
光电成像器件
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。 息的一类器件。
如： 使不可见光图像变为可见光图像的器件； 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。 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：
电子束 耙 光电阴 极
视像管
景 象 透镜 信号板 光导靶 电子束
视频信 C 号
RL Ur
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， 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。 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、 视像管：采用光电导材料、结构简单、体积小、使用方 在工业电视中被广泛应用。 便，在工业电视中被广泛应用。
（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。
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。
5、摄像管的种类
光电变换形式
光电发射型(外光电)
内光电效应转换
类 型
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
摄像管的分类（按光电变换的形式）： 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 ）摄像管 ）外光电变换型（光电发射型a） （2）内光电变换型（光电导型 ）视像管 ）内光电变换型（光电导型b）
3、摄像管的结构图 、
光电阴极 储存耙 光像 光电子 电子束 移像区 扫描区
视频信号 C RL
UT
4、工作过程 、
具体分为以下三个过程： 具体分为以下三个过程： 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 ）光电转化： 转换，并将二维光强转变为电量， 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； （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 ）电荷积累与存储： 周期内连续积累光敏元件产生的电量， 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 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。 像进行存贮和积累。 存储电荷的元件称之为靶 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 ）信号阅读： 子束，在一帧的周期内完成全靶面的扫描， 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， 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。 二维电信号。
图1-4
当电子束扫描每个P型岛时， 结反向偏置 结反向偏置， 当电子束扫描每个 型岛时，PN结反向偏置，结电容被 型岛时 充电到靶电源电压。有光照时光生电子通过信号板入地， 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， 型岛。 光生空穴积累到 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， 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 型岛的电势分布， 图象，则扫描面上各 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 光学图象的亮度分布，亮度高的点，所对应的 型岛的 电势也高。当电子束再次扫描各个二极管时， 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， 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。 光学图象对应的视频信号。
（２）氧化铅靶
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 结构。工作时， 具有 结构 电子枪的热阴极接地，当扫描电子束扫描靶面时， 接，电子枪的热阴极接地，当扫描电子束扫描靶面时，相当 反偏置。 左右。 对PIN反偏置。靶电源电压 反偏置 靶电源电压45V左右。PbO靶也有光信息的存 左右 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， 储功能，它的轴向电阻较小，横向电阻很大，防止各像素之 PbO靶的光电转换效率较高 靶的光电转换效率较高， 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， 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。 摄像器件。