光电转换原理

光电转换原理

光与电的相互转换是电视图像摄取和重现的基础。电视系统中，光电转换过程是由发送端的摄像机中的摄象器件来完成，电光转换是由接收端的电视机中的显象器件来完成。摄像器件是将光学图像变换成电信号的器件，常见的摄像器件有CCD摄像器件和摄像管摄像器件。显像器件是将电信号还原成光学图像的器件。常见的显像器件有液晶显示器件和显像管。

摄像管

摄像管是电视系统中实现光电转换的关键部件，它的性能好坏及使用是否正确，决定着摄像机的质量和工作寿命。

摄像管大致分为两大类：

外光电效应摄像管：其靶面受光照射时，所激发的光电子逸出靶面，从而使靶面产生与光强成正比的电位起伏；内光电效应摄像管：被光激发的光电子并不逸出靶面，而留在靶面内部参与导电，使靶面材料的电导率发生变化，这类材料称为光电导材料。根据靶面光电导材料不同，可分为硫化锑摄像管，氧化铅摄像管，硒砷碲摄像管，硒化镉摄像管和硅靶摄像管。

光电导摄像管主要由产生细电子束的电子枪和光电导材料构成的靶面组成，在管外装有聚焦、偏转和校正系统。

电子枪

电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、加速极、聚焦极和网电极组成。顶部涂有氧化物的阴极加热至2000K时，便发射大量电子，在阴极附近形成电子云；在控制栅极上加上相对阴极为负的电位，在加速极上加正电位，则在三个电极间形成特殊电位分布。阴极发射的电子在这样的电场中受到向轴线会聚的力，并在加速极与控制栅之间形成一个会聚点。

为了使电子束能在靶面再次聚成一点，须对电子束进行二次聚焦。聚焦方式有：静电场聚焦方式，即在加速极后再加两个聚焦电极，在上面分别加适当的正电压，使其产生聚焦电位分布，使发散的电子束第二次聚焦在靶面上。这种聚焦方式体积小、重量轻和省电的优点。磁聚焦方式，只需一个聚焦电极，以改变电子在聚焦极空腔中运动的速度，起辅助聚焦的作用。磁聚焦的摄像管聚焦质量较好。

网电极是离靶很近的细金属网，电子穿过网到达靶面。靶压比网电极电压低，在靶与网之间有均匀减速电场，使电子束以接近零速度垂直上靶，这种情况称为慢电子扫描。由于速度接近零的电子束对靶面的轰击作用很小，只有中和由光电效应产生的正电位的作用。

靶面

玻璃面板内侧蒸镀一层导电的透明金属层，它称为信号板，信号板右侧蒸镀一层光电导材料，组成光电靶面。靶面的作用，是将被传送的光图像变成相应的电荷图形。景物通过镜头聚焦成像在光电导层上，光电导层上每一点的纵向电阻随着光像的亮度变化，亮度高处电阻小，亮度低处电阻大。

硫化锑靶面；氧化铅靶面；硒砷碲靶面；硒化镉靶面；硅靶面。

光电导摄像管工作原理

由Sb2S3光电导层形成的靶面，在极细电子束的扫描下把靶面分成数十万个像素，每一个像素都可以由一个光敏电阻和一个电容等效。靶面上的直流电压是通过负载电阻RL加到靶环上。从电子枪发射出的电子束，在管外偏转线圈作用

下，在光电导层右侧表面从左到右、从上到下地一行行进行扫描。电子束扫描等效为开关S，对靶上一点，电子束扫到该点(单元像素)时，即S合上；离开时，S断开。

在电子束扫过某一点瞬间，电容被充电。当电子束离开后，电容通过电阻放电，放电速度由电阻的大小决定。在两次扫描间隔内，由于电容C放电，使电容右端积累了正电荷，使电位上升。

电位上升的大小与Rc有关，靶面上为亮点，电阻小，放电快，电位上升量大；反之靶面上为暗点，电阻大，电位上升量小。

在一帧的扫描间隔内，靶面的右侧就形成了一幅与光像的亮暗分布相对应的电位高低变化的电子图像，即“光像”变成“电像”。经过一帧时间，靶面该像素再次被电子束扫描，右端的电荷泄放掉。该点的“电像”就变为通过负载电阻RL上的电流，经过一帧扫描，这幅电子图像就转变成随时间变化的电视图像信号。电子束反复不断地在光电导层上扫描，摄像管的信号板上不断地流出信号电流，在外电路上形成信号电压。图像白色部分信号电平高，黑色部分信号电平低，信号电平与图像上的亮度成比例。

CCD光电转换原理

固体摄像器件

固体摄像器件是一种大规模集成电路，是把几十万个光—电转换单元以及相关的信号顺序输出电路在约10mm大小的硅片上集成而成。大致可分为CCD型摄像器件、MOS型摄像器件及由前两者复合的CPD型摄像器件。各种类型都是把入射光转换成电荷包，并分别存储在不同类型的光敏元件中。电荷是经过一段积分时间被收集的。CCD型摄像器件和MOS型摄像器件的差异在于把集中到光敏元件(称像素)的电荷包读出到摄像元件外部的结构不一样。CCD是把电荷包一个接一个地按顺序转移读出，称为电荷包转移；而MOS型摄像器件是把集中到像素的信号电荷包通过阵列开关按顺序读出。MOS开关特性不稳定，容易出现固体图像杂波。CCD摄像器件以其体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、工作电压低、无图形扭曲及烧伤、不受电磁场干扰等一系列光电导式摄像管无法比拟的特点，在电视摄像机中得到广泛的应用。

电荷耦合器件工作原理

MOS电容器的结构

在P型硅上有一层氧化硅薄膜作为绝缘层，在氧化硅上淀积一个金属电极，或一种透明导电的硅结构电极，就形成了一个MOS电容器。在电极(栅极)上加一个正电压，形成的电场排斥P型硅中的多数载流子，在电极下构成一个电荷耗尽区，在界面上得到一个可以储存少数载流子的势阱，所加的偏压越大势阱就越深。

光电转换和电荷储存

波长小于1000mμm的光通过透明电极在硅晶体内激发出电子—空穴对，在耗尽区的电场作用下，空穴流入P型衬底，电子被收集到由MOS栅极形成的势阱中，即形成电荷包。势阱中所捕获的电荷数目与该处的光照强弱成正比，光越强，相对应的势阱所捕获的电子数越多。这样，就完成了光电转换和电荷储存。

电荷的转移

CCD是由许多MOS电容器排列组成。每三个电容器为一组，每个电容器的电极分别与三个相位不同的时钟脉冲电压Vl、V2、V3相连。每经过时间T(时钟脉冲周期)电荷包完成一组的转移，随着脉冲波形不断变化，上述过程不断重复，电荷包便在一行MOS电容器中，从左向右转移。

CCD的电荷输出

由于经过势阱所能传递的电荷数量很小，在输出端取出的信号很弱，一般场效应放大器直接接到CCD的输出端，不仅可将弱信号放大，而且可提高信噪比。一般在场效应管的控制栅极与CCD输出端相连之间有一个MOS电容的金属电极，在其上加不同的控制电压，可控制电荷包在适当的时刻从V3电极下转移到MOS 场效应管的控制栅极，这个电极称输出栅。

面阵CCD摄像器件

光电转换器件，必须接收一幅完整的光像，其像点是二维阵列，即面阵。面阵CCD器件按信号电荷的传输方式可分为帧转移型(FT)摄像器件、隔列转移型(IT)摄像器件(又称行间转移)及帧—行间转移型(FIT)摄像器件，后者是前两者的改进型。

帧转移型(FT)：该器件由相同像素数量的成像部分、存储部分和读出寄存器三个基本部分组成。