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1、光电测试技术,第四章 光电测试器件-4,光电成像器件,光电成像器件：能够输出图像信息的一类光电器件工作方式：直视型 非直视型,用于直接观察，具有图像转换、增强以及显示的部分,1、入射辐射图像通过外光电效应转化为电子图像2、由电场或磁场聚焦加速进行能量增强3、由电场的二次发射作用进行倍增4、激发荧光屏产生可见光图像,用于电视摄像和热成像系统,1、接受光学图像和热图像2、利用光敏面光电效应或热导效应转变为电荷图像3、通过电子束扫描或耦合等方式产生视频信号,一 像管成像的物理过程,1 像管实现图像的电磁波谱转换和亮度增强是通过三个环节来完成的:首先是将接受的微弱的或不可见的输入辐射图像转换成电子图像
2、；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荧光屏完成。这三部分共同封在一个高真空的管壳内。,光电阴极：实现光电转换，使不可见光或亮度很低的图像，转换成光电子发射图像,电子光学部分：透镜，使光电子图像，获得能量和数量上的增强,荧光屏：使发射到它上面的图像变成可见的光学图像。,像管的输入端面是采用光电发射材料制成的光敏面。该光敏面接收辐射量子产生电子发射。所发射的电子流密度分布正比于人射的辐射通量分布。由此完成辐射图像转换为电子图像的过程。,由于电子发射需要在发射表面有法向电场，所以光敏面应接以负电位。这一光
3、敏面通常称为光阴极。像管中常用的光阴极有：对红外光敏感的银氧铯红外光阴极；对可见光敏感的单碱和多碱光阴极；对紫外光敏感的紫外光阴极。,光阴极有透射型和反射型两种。像管中常用的光阴极是透射型的半透明。必须在高真空中。光阴极进行图像转换的简要物理过程是：当具有能量为 hv的辐射量子入射到半透明的光电发射体内，与体内电子产生非弹性碰撞而交换能量。,根据光电发射的斯托列托夫定律可知，饱和光电发射的电子流密度与入射辐射通量密度成正比。因此由入射辐射分布所构成的图像可以通过光阴极变换成由电子流分布所构成的图像。这一图像称为电子图像。,2 电子图像的能量增强,像管中的电子图像通过特定的静电场或电磁复合场获得
4、能量增强。由光阴极的光电发射产生的电子图像，在刚离开光阴极面时是低速运动的电子流，其初速由爱因斯坦定律所决定。这一低能量的电子图像在静电场或电磁复合场的洛伦茨力作用下得到加速并聚焦到荧光屏上。在到达像面时是高速运动的电子流，能量很大。由此完成了电子图像的能量增强。,像管中特定设置的静电场或电磁复合场称之为电子光学系统。由于它具有聚焦电子图像的作用，故又被称之为电子透镜。,3 电子图像的发光显示,像管输出的是可见光学图像。为把电子图像转换成可见的光学图像，通常采用荧光屏。能将电子动能转换成光能的荧光屏是由发光材料的微晶颗粒沉积而成的薄层。由于荧光屏的电阻率通常在10E+1010E+14cm，介于
5、绝缘体和半导体之间，因此当它受到高速电子轰击时，会积累负电荷，使加在荧光屏上的电压难以提高，为此应在荧光屏上蒸镀一层铝膜，引走积累的负电荷，而且可防止光反馈到光阴极。,像管中常用的荧光屏材料有多种。基本材料是金属的硫化物、氧化物或硅酸盐等晶体。上述材料经掺杂后具有受激发光特性，统称之为晶态磷光体。荧光屏是利用掺杂的晶态磷光体受激发光的物理过程，将电子图像转换为可见的光学图像。,二 像管的类型与结构,用于直视成像系统的像管，具有多种类型。根据像管的工作波段可分为：工作于非可见辐射(近红外、紫外、X射线、射线)的像管，称之为变像管；工作于微弱可见光的像管，称之为像增强器。,根据像管的工作方式可分为
6、：连续工作像管；选通工作像管；变倍工作像管。根据像管的结构可分为：近贴式像管；倒像式像管；静电聚焦式像管；电磁复合聚焦式像管。,根据像管的发展阶段可分为：级联式的第一代像管；带微通道板的第二代像管；采用负电子亲和势光阴极的第三代像管。,1近贴式像管,近贴式像管的结构如图所示，光阴极在输入窗的内表面，荧光屏在输出窗的内表面，光阴极和荧光屏相互平行。在光阴极与荧光屏之间施加高压时，两电极间形成纵向均匀电场，由光阴极发射出的电子受电场的作用飞向荧光屏，由于间距很近(约 lmm)，所以称为近贴聚焦的电子光学系统。,近贴式像管是结构最简单的像管，荧光屏上成正像，且无畸变。但是由于受分辨力的限制，极间距离
7、不能太大，又因为受场致发射的限制，极间电压不能太高，因此系统的亮度增益受到限制，象质也受到影响。,2静电聚焦倒像式像管,它们都能形成轴对称的静电场。由静电场形成的电子透镜可使光阴极面上的物像发射出来的电子加速并聚焦于荧光屏上，并形成一倒像。,常用的单级静电聚焦倒像式像管的结构,在通常采用的双球面电极系统中，阳极头部曲面和光阴极球面以及荧光屏都是近似同心球面。由此构成近似的球形对称静电场，使轴外各点的电子主轨迹都是近似对称轴，从而使轴外象差如场曲、像散、畸变等都比双圆筒系统小。,三级级联像管示意图,在实际应用中，为了获得更高的亮度增益，将完全相同的单级像管，用光学纤维面板进行多级耦合。因此像管的
8、输入窗和输出窗都是由光学纤维面板制成，以便将球面像转换为平面像来完成级间耦合。由于每级像管都成倒像，所以稠合的级数多取单数，通常为三级。该像管称为第一代像增强器。,3电磁复合聚焦式像管,采用平面像场。在平面光阴极和荧光屏之间设置有环形电极，其上加有逐步升高的电压，沿管轴建立起上升的电位；同时管壳外设置有通以恒定电流的螺旋线圈而产生的均匀磁场，由此形成纵向的均匀电磁场。该电磁场使光阴极发射的电子加速并聚焦到荧光屏上成像。只要严格地控制电压和磁场，就可以得到良好的像平面，使荧光屏上获得较高的分辨力。但是由于复合聚焦系统结构复杂、笨重，给使用带来不方便。因此通常只在需要高性能的场合，如天文观察时才使
9、用这种聚焦方式。,4选通式像管,选通式像管是静电聚焦式像管。它是在普通二电极像管的结构上增加控制栅极而构成的控制栅极是由靠近光阴极的栅网和阳极孔栏组成。当栅极电位低于光阴极电位时，则形成反向电场使光电发射截止；当正电位的工作脉冲施加在栅极上时，则构成聚焦成像的电场。由此实现了选通式工作状态。,选通式像管具有可控的间断工作功能。选通的工作方式有两种：单脉冲触发式工作；连续脉冲触发式工作。前者用于高速摄影中作为电子快门，后者用于主动红外选通成像与测距。选通式像管中另有一种类型，它增加了一对偏转电极。这对偏转电极设置在阳极锥体内，其上施加线性斜坡状脉冲电压使输出图像偏转，将连续选通的几幅图像在荧光屏
10、上分开。这种像管也称为条纹管。,5变倍式像管,能够改变倍率的像管称为变倍式像管。它具有可变放大率的电子光学系统。由于变倍的同时也必然使焦距发生变化，因此在普通像管内除了加变倍电极外，同时还需要加聚焦电极来补偿像面的变动，所以变倍式像管是四电极结构。,5变倍式像管,改变像管放大率是通过改变加在像管电极上的电压比值来实现的。当阳极电位与变倍电极电位相同时，像管的放大率等于1；当阳极电位逐渐降低，而变倍电极电位保持不变时，像管的放大率随之下降；阳极电位由15kV调节到3kV时，像管的放大率由 l变为0.2。同时还需改变调焦电极的电位来获得最佳聚焦，保持变倍时的成像质量。,6带有微通道板(MCP)的像
11、管(第二代像管),第二代像管与第一代像管的根本区别在于：它不是用多级级联实现光电子倍增，而是采用在单级像管中设置微通道板来实现电子图像倍增的。,微通道板是两维空间的电子倍增器。微通道板是由大量平行堆集的微细单通道电子倍增器组成的薄板。通道孔径为5一10m。通道内壁具有较高的二次电子发射系数。在微通道板的两个端面之间施加直流电压形成电场。入射到通道内的电子在电场作用下，碰撞通道内壁产生二次电子。这些二次电子在电场力加速下不断碰撞通道内壁，直至由通道的输出端射出，实现连续倍增，达到增强电子图像的作用。,近贴式 MCP像管的结构,微通道板近贴于光阴极和荧光屏之间。构成两个近贴空间。因此又称为双近贴式
12、像管。由于采用了双近贴、均匀场，所以图像无畸变，放大率为 l，不倒像。同样由于近贴，会出现光阴极、MCP、荧光屏三者之间的相互影响。,第2代静电聚焦倒像式像管的结构,微通道板与光阴极之间采用静电透镜，MCP置于电子透镜的像面位置；像管中还在阳极与MCP之间设置一个消畸变电极。由微通道板增强后的电子图像通过近贴聚焦到荧光屏上。由于在荧光屏上所成的像，相对于光阴极上的像来说是倒像，因此称为倒像管。,微通道扳的输出端，由于连续倍增其电子密度较高、速度快，易于使像管内残余气体分子电离。如果电离产生的正离子轰击光阴极将降低像管的寿命。当微通道扳输入端电位低于阳极电位时，则形成一个防止正离子反馈的位垒。这
13、个位垒一方面阻止正离子另方面又收集微通道板端面上产生的二次电子，从而消除了光晕现象。由于微通道板本身具有高增益、增益可控、电流饱和等待性，因此第二代像管，无论近贴式或倒像式与第一代像管相比，均具有体积小、重量轻、亮度可调、防强光等优点,7负电子亲和势光阴极像管(第三代像管),第三代像管是采用了负电子亲和势光阴极的像管。电子亲和势（能）晶格中原子捕获一个电子成为负离子所释放出的能量。,结构与第二代近贴式像管类似，其根本区别在于光阴极。第一代像管采用的是表面具有正电子亲和势的多晶薄膜结构的多碱光阴极其光灵敏度约为250 550uA/lm；而第三代像管采用的负电子亲和势光阴极，它的光灵敏度高达l00
14、0uA/lm 以上。因此第三代像管具有高增益、低噪声的优点。负电子亲和势是热化电子发射，光电子的初动能较低，能量又比较集中，因此第三代像管又具有较高的图像分辨力。由于这些特点使第三代像管成为目前性能最优越的直视型光电成像器件。,8 X射线变像管和 射线变像管,X射线和 射线变像管是分别将不可见的 X射线图像和 射线图像转换为可见的光学图像。此类变像管只比普通像管多了一个射线转换荧光屏(又称输入荧光屏)。,射线转换屏位于射线变像管的输入窗内，它与外壳之间设置薄铝层以挡杂光；转移屏与光阴极之间靠很薄的玻璃耦合，以减小荧光图像的扩散。这一转换屏可将入射的x射线图像或射线图像转换为荧光的弱光图像，该弱
15、光图像入射在光阴极上产生光电子图像。其后续过程与普通像管相同。,三 像管的主要特性与参数,直视式光电成像器件是为扩展人限视力范围而发展起来的，它既能探测到微弱的或人眼不可见的目标辐射信号，又能将目标满意地成像，使人眼能看到再现的目标图像。因此像管既是一个辐射探测器，放大器，又是成像器。作为辐射探测器，它应具有高的量子效率和信号放大能力，以提供足够的亮度.这一性能通常用灵敏度和亮度增益来描述.作为图像成像器，它必须具有小的图像几何失真，适当的几何放大率，尽量小的亮度(能量)扩散能力，以提供足够的视角和对比。这些性能通常用畸变、放大率、分辨力及调制传递函数来描述。,1 光谱响应特性,光谱响应特性是
16、指像管的响应能力随入射波长的变化关系。像管的光谱响应特性实际上是其光阴极的光谱响应待性。它决定了像管应用的光谱范围。像管的光谱响应特性通常用光谱响应率、量子效率、光谱特性曲线和积分响应率(简称响应率)来描述。,光谱响应率是像管对单色入射辐射的响应能力，以Rj 表示。响应率是像管对全色入射辐射的响应能力，以R表示。由于在实际应用中，像管接收的往往不是单色辐射，而是某一光源的全色辐射，所以响应率更具有实际意义。,2 增益特性,合适的亮度是观察图像的必要条件。像管输出的图像亮度既与入射图像的照度有关，又取决于像管本身对辐射能量的变换与增强的能力。“增益”就是用来描述像管这种能力的参数。,1.增益定义
17、像管的增益有：亮度增益、辐射亮度增益及光通量增益之分。其中亮度增益是最基本而通用的。2.亮度增益的定义 像管的亮度增益定义为：像管在标准光源照射下，荧光屏上的光出射度M与入射到阴极面上的照度Ev之比。即 GL=M/EV,3 背景特性,合适的亮度是人眼观察图像的必要条件，但像管的输出亮度并不都是有用的。在输出端荧光屏的图像上，除了有用的成像(信号)亮度以外，还存在一种非成像的附加亮度，称之为背景(或背景亮度)。像管的背景包括无光照射情况下的暗背景和因人射信号的影响而产生的附加背景，称为信号感生背景(或光致背景).暗背景产生的主要原因是光阴极的热电子发射和管内颗粒引起的场致发射,4 成像特性,像管
18、既是一个辐射探测器，又是一个图像探测器。作为图像探测器，它应该具备好的成像特性。,像管光阴极面上接收来自物空间的图像辐射照度，并由这一辐射照度的值在阴极面上的强度分布构成输入图像通过像管这个成像器件的转换与增强在荧光屏上产生相应的亮度分布，构成输出图像。像管在完成转换与增强的过程中，由于非理想成像，所以输出图像的几何尺寸、形状及亮度分布不能准确地再现输入的幅照度分布，而使图像像质下降。这种像质下降主要表现在几何形状及亮度分布的失真。通常用放大率、畸变、分辨力和调制传递函数来描述。,1放大率 像管的放大率m，指的是像管出射端输出图像的线性尺寸 l 与其对应的入射端图像的线性尺寸 l 之比，m=l
19、/l因此，放大率是表征像管对图像几何尺寸放大或缩小能力的一个性能参数。,2.畸变 由于像管常采用静电聚焦电子光学系统，它的边缘放大率比近轴放大率大，所以在出射端图像产生枕形畸变。由于物高不同，放大率不同，导致图像形状发生畸形变化，故称为畸变，并以D表示畸变的程度。,式中，mr为距光阴极中心特定半径处的放大率,m0为中心放大率。,3分辨力 成像器件能够将两个相隔极近的目标的像，刚刚能分辨清的能力称为分辨力。由于像管中电子光学系统存在着各种象差，再加上荧光屏对入射电子、输出电子的散射和荧光粉粒度的限制，以及级间耦合元件对光的散射、串光等原因造成亮度分布失真，使输出图像的清晰度下降。为评定像管的成像
20、质量，最简单常用的方法是测定其分辩力.,摄像管,能输出视频信号的真空光电管叫做摄像管。原理：将二维空间分布的光学图像转换为随时间变化的一维电信号具体步骤：光敏元件接收输入图像的辐照度进行光电转换电荷存储元件累计点亮，保持电荷量在空间的分布 靶电子枪产生空间二维扫描电子束，逐点将电荷与负载回路接通（一维）,电视技术的出现，使人类摆脱了必须面对景物才能观察的限制，从而开拓了一条实时图像传输的技术途径。电视是利用无线电或有线电电子学的方法来传送和显示远距离景物图像的设备。它不仅能超越障碍提供远距离景物的图像，而且能够在大屏幕上显示，其亮度和对比度还可以调节。,一 电视摄像的基本原理,电视摄像过程是将
21、两维空间分布的光学图像转换为一维时间变化的视频电信号。完成这一过程的器件称为摄像管。具体的摄像过程可分为如下的三个步骤：摄像管的光敏元件接受输入图像的辐照进行光电转换，将两维空间分布的光强转变为两维空间分布的电量；,摄像管的电荷存贮元件在一帧的周期内连续积累由光敏元件产生的电量，并保持电荷量在空间的分布。这一存贮电荷的元件称之为靶；摄像管的电子枪产生空间两维扫描的电子束，在一帧的周期内完成全靶面的扫描。逐点扫描的电子束到达靶面的电荷量与靶面贮存的电荷量相关，因此扫描电子束的电流被靶面电荷量所制，从而在输出电路上即可得到视频信号。,二 摄像管的基本原理和分类,为了完成摄像任务，摄像管必须具有图像
22、的写入、存贮过程即输入的光学图像照射在靶面上产生电荷(电位)图像；图像的阅读、抹除过程即扫描电子束从靶面上取出视频信号。,一般摄像管应具有的结构它主要由两大部分组成光电变换与存贮部分信号阅读部分。,1光电变换与存贮部分(1)光电变换部分 将光学图像变成电荷图像的任务是由光电变换部分来完成的。该部分由光敏元件构成。常用的材料有光电发射体和光电导体。,光电发射体。用于像管中的各种光阴极，都可以作摄像管中的光电发射体。光阴极在光照下产生与光通量成正比的光电子流，这既可以利用光电子流进行放大处理，以作为信号输出，也可以利用因光电子发射而提高的光阴极电位作为信号输出。,光电导体。光电导体是目前摄像管中应
23、用最广泛的光电变换材料。这类摄像管的光电变换基于内光电效应的原理。它的光敏面和靶是合而为一的元件。此元件即具有光电变换功能，又具有存贮与积累电荷的作用。该元件称之为摄像管的靶。光电导摄像管简称为视像管。,光电导体的光电变换原理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)。,(2)电荷存贮与积累部分 由于光电变换所得的瞬时信号很弱，所以现在摄像管均采用积累元件。它对图像上的任一像
24、元，在整个帧周期内不断地积累电荷信号。因为要积累和存贮信号，所以在帧周期内要求信号不能漏走。因此要求存贮元件应具有足够的绝缘能力。,常用的存贮元件有：二次电子发射积累。在光阴极仅作为光电变换元件的摄像管中，为了实现信号的积累，还必须具有电荷积累和存贮元件，二次电子发射靶就是其中之一。,二次电子发射积累电荷的原理工作时，均匀的光阴极发射出与光通量成比例的光电子，它们在加速场的作用下，以高速轰击二次电子发射靶。由于靶是绝缘体，所以发射的部分将维持正电位，并随着光的继续照射而积累下去，直到阅读时才被取出。,二次电子导电积累。上述的二次电子发射积累，是指二次电子跑出靶层以外，飞向收集极。这样二次电子应
25、该具有较大的能量，或处于较强的电场下才能到达收集极。而二次电子导电型与此不同，其原理如图84所示。,光电子在加速电场的作用下穿过透明的支撑膜和导电膜，轰击二次电子导电层，产生二次电子。二次电子导电层是疏松的纤维状结构。由它所产生的二次电子并不跑出靶外，而仍在层内运动。由于信号板上总加有固定正电压，所以二次电子不断地流入信号板，从而使靶的自由面(左)带上正电荷，电位升高。电位升高量与景物入射照度相一致，在电子束扫描之前，靶电荷将一直积累下去。,电子轰击感应电导积累。利用二次电子发射积累，需要较大的一次电子能量，如果采用电子轰击感应电导积累，则一次电子的能量要节省得多。因为不需要把电子打到体外，只
26、需将其激发到导带。这种积累型式如图85所示，只需把二次电子发射靶换成该靶。,工作时，光电子以高速轰击靶面，使靶电导率增加，由于电导率增加，使得信号板上的正电荷向靶的自由面转移。从而在靶表面上建立起电位图像。阅读时，用慢电子束扫描，使靶面电位恢复到电子枪阴极电位，同时有信号输出。,光电导积累。在这种积累形成中，光电导层既是光电变换元件又是电荷积累元件。其原理如图86所示。,光电导靶是半导体，未接受光照时具有较高的电阻率，通常约为1012cm。在靶的受光表面上是导电的输出信号电极，其上接有数十伏的工作电压。但由于靶的电阻率较高，因此靶的另一表面与工作电压绝缘。当电子束扫描这一绝缘表面时，电子束的电
27、子将到达这一表面。由于电子枪发射电子的阴极电位为零伏，所以靶的绝缘表面电位经电子束扫描后将稳定在电子枪阴极的电位上。因此靶的两个表面间产生了数十伏的电压差。,光电导摄像管工作时，靶面接受光学图像的辐照。当入射光子的能量大于光电导靶的禁带宽度时，就构成本征吸收，使价带中的电子跃迁到导带产生光生载流子。光生载流子的密度分布与输入图像的照度分布一致。因此由光生载流子所产生的电导率变化也与图像照度分布相一致。这一电导率的增加将导致靶的两表面间产生相应的放电电流，因此靶的绝缘面电位随之上升。电位上升的数值对应于该点的输入图像照度值。由于输入的光学图像是连续辐照在靶面上，所以在电子束扫描一帧图像的时间间隔
28、内靶的两个表面间的放电电荷是连续积累的，这表明光电摄像管在摄取一帧图像时，它的靶面通过光电导效应连续放电而形成了电荷图像,2信号阅读部分 从靶面上取出信号的任务是由阅读部分来完成的。阅读部分是扫描电子枪系统。它由细电子束的发射源、电子束的聚焦系统和电子束的偏转系统三部分组成。,细电子束的发射源通常采用间热式氧化物阴极，并带有负偏压的控制栅极、加速电极和电子束限制膜孔。一般间热式的氧化物阴极所发射的电流密度为0.51uA，阴极的电位定为零电位。当控制栅极的负电位增加时，阴极发射的电子束流将受到抑制。因此电子束流可以通过调节控制栅极的负电位来实现控制。加速电极接正电位，以提供电子束连续发射的加速电
29、场。,电子束限制膜孔通常设置在电子束交叉点的后方，膜孔直径为30m左右。膜孔限制了电子束直径，并保持电子束具有较小的发散角，以减小聚焦系统产生的像差。同时也拦截了径向初速较大的电子，以便形成一个扩展小、速度分散小的电子束。,电子束的聚焦系统有静电聚焦和电磁复合聚焦两种类型，后者的像差较小而被广泛采用。电磁复合聚焦系统是由准直电极、场网、长磁聚焦线圈及校正线圈所组成。场网是网状结构的电极，位于贴近靶面处，其作用是使靶面附近形成均匀电场，使电子垂直着靶，减小电子着靶时能量的差异。校正线圈是用来校正电子束的入射方向，以便电子束轨迹与聚焦线圈和偏转线圈的对称轴线一致。,电子束的偏转系统是由两对磁偏转线
30、圈构成，如果采用静电偏转系统则是两对偏转电极。摄像管的电子束偏转角不宜过大，一般要小于10。,2 视频信号的形成 视像管靶的膜层是连成一片的，然而它具有很高的电阻率(1012cm)，以致在扫描面上各点积累的电荷不至于在一帧周期(如 l25s)内泄漏。这样，就可把接收图像的靶面分割成很多像元，按我国的电视制式，一帧图像可分成四十多万个像元。每个像元可用一个电阻R和电容 C来等效。电容 C起存储信息的作用，电阻R随着光照度的增大而变小，无光照时R为暗电阻Rd，光照后及变为Rc(E)，是与照度E有关的变量。,视像管信号输出等效电路。Ri与 Ci表示第i个像元的电容和电阻，所有像元的左侧通过导电半导体
31、薄膜、铟电极、负载电阻RL与电源相连。视频信号通过 CL输出。,当电子束扫描时，从阴极发射出的电子束，通过场网后进入强烈的减速场，以慢速落到靶的右侧上。由于靶压很低，二次电子发射系数小于 l，因此进入靶的电子比出来的电子多，到一定程度就完全阻止电子继续上靶。这时，靶右侧扫描面的电压将等于阴极电位。也就是使像元电容器 C两端的电位差达到靶压，因此是充电过程。电子束在每个像元上停留的时间即充电时间约0.1us。,下面讨论像元从无光照到受强光照射输出信号的过程。设在无光照时，某一像元的暗电阻为Rd,在被电子束扫瞄以后，电容器开始沿RdC回路放电，但不输出信号电流。靶的外侧B电位固定为靶压 VT;扫描
32、侧 A的电位 VAd随像元电容器 C的放电而从零上升，如图88所示的 a线段，其值为,像元的放电时间近似地等于帧周期Tf即4ms。因此，在下一次电子束对像元扫描以前，在扫描侧 A点电位的最大值,如果暗电阻Rd很大，则 Vad0。,当像元再次扫描时，电流通过束电阻Rb、电容 C、负载电阻RL、靶电源和地，构成回路而向电容器 C充电。在充电过程中，A点电位的变化如图88所示的 b线段，其值,因为Rd通常为10M，而 RLlM，所以 充电电流在 RL上产生电压降 Vd，此电位变化通过电容器 CL输出，称为黑色电平。,当用强光照射时，由于光电导增大而使电阻R变小。在放电过程中，A点的电位上升，如图 8
33、8所示的C线段，最高的电位 VAem 等于：而在电子束再一次扫描充电时，电位下降，如d线段所示，其变化为,这样，由于光照产生的有效信号 由此信号电压引起的充电电流在RL上产生电压降 VL，VL被称为白电平。此电位变化将作为由光照产生的信号电压通过 CL输出，即视频信息的白电平。然而，由于电子束对靶的扫描面不断地从左到右，从上到下扫描，因此实际输出的是相对于空间照度分布的、时间序列脉冲的视频信号。,3 摄像管的分类 发展到目前，由于对摄像管的各种不同用途的需要，其种类极为繁多，它的分类方法也很多。通常可按下述方法分类：,1)按电荷积累方式分类 二次电子发射积累型，如超正析摄像管；二次电子导电积累
34、型，如 SEC摄像管；光电导积累型，如各种视像管；电子轰击感应电导积累型；如电子轰击硅靶摄像管。,2)按光电变换形式分类 外光电变换型，它是利用外光电效应变换的光电发射型摄像管，即带光阴极的摄像管。内光电变换型，它是利用内光电效应变换的视像管。,3)按视频信号读出方式分类 信号板输出型，利用上靶的电子取出信号，由于信号板和靶是固定在一起的，故又称为靶输出型。双面靶输出型，利用从靶面反射电子取出信号，故又称为返束输出型。,三 摄像管的主要特性参数,衡量摄像管优劣的总标准是：在测试台的监视器上能否分辨一定的标准测试图案。图案的清晰程度是由许多因素决定的。为了分析和研究各种因素对像质的影响，必须规定
35、出具体的特性参数。摄像管的最主要特性参数是：灵敏度、惰性、分辨力和光电转换特性等。其中灵敏度和惰性主要决定于靶面，分辨力主要决定于扫描电子枪。,1)摄像管的灵敏度灵敏度S是摄像管的一个极其重要的特性参数。它定义为输出信号电流与输入光通量(或照度)的比值。其单位为 Alm或 A1x。,光电导摄像管的灵敏度公式为,式中的 N是靶面的像元总数。由于靶面每个像元接受光照的时间是电子束扫描时间的 N倍，所以每个像元在帧周期 Tf内输入的光通量为。N，对应的输出信号电流为 Is，,2)摄像管的惰性在摄取动态图像时，摄像管的输出信号滞后于输入照度的变化，这一现象称为惰性。当输入照度增加时，输出信号的滞后称为
36、上升惰性。当输入照度减小时，输出信号的滞后称为衰减惰性。,对于电视摄像管的惰性指标，通常采用输入照度截止后第三场和第十二场(以帧周期0.04s计为60ms和240ms)剩余信号所占的百分数来表示。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；二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。,3)摄像管的分辨力 电视摄像管在摄像时对图像细节的分辨能力是一项重要的性能指标。由于电视系统采用扫描方式，故分辨力在垂直和水平方向上是不同的。因而分成垂直分辨力和水平分辨力即以画面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。这一极限分辨的线条数简称为电视线(TVL)
37、。对摄像管亦应如此。,1垂直分辨力(或称分解力)在整个画面上，沿垂直方向所能分辨的像元数或黑白相间的水平等宽矩形条纹数，称为垂直分辨力。比如，若能够分辨600行，即垂直分辨力为600TVL。靶面像元的大小是由电子束落点尺寸，扫描行数和扫描位置所决定的。它们决定了垂直分辨力的上限，当这些因素确定之后，靶本身的质量就决定着分辨力的大小。,扫描行数的影响。水平扫描行数为600行的电视系统，其垂直分辨力绝对不会超过600TVL。考虑实际扫描过程中的消隐行数，最高垂直分辨力总要低于扫描行数。,扫描位置的影响。如果扫描中心线的位置不当，会使应有的分辨力下降。设被传送的是黑白测试图案，线条数为 N，当扫描中
38、心线与条纹中心线正好重合时，分辨力最高，如图810(a)所示。此时垂直分辨力等于有效扫描行数(不考虑其它因素)。,当扫描中心线与条纹边界线重合时，垂直分辨力最低，图案难以分辨。如图810(b)所示。但是如果图案线条加宽一倍，仍可分辨，但垂直分辨力下降一半。如图810(c)所示。,如果扫描中心线介于线条的中心线和边界线之间，垂直分辨力将介于以上两种情况之间。,扫描电子束落点尺寸及其电流密度分布。以上是假设扫描电子束落点尺寸正好等于线宽的情况。如果不等，垂直分辨力随着束点尺寸的变化而变化。如果束点尺寸增大，垂直分辨力将会下降。这是由于在扫描时，同时取走了相邻线条的信号，使它们相互混淆所致。,此外，
39、垂直分辨力还与束点上的电流密度分布有关。通常束截面上的电流密度服从高斯分布。所以束点中心和边缘部分的阅读能力不同。如果设计均匀密度分布的束点，阅读效果及分辨力会大大改善。,2水平分辨力 整个画面上，沿水平方向所能分辨的像元数，称为水平分辨力。习惯上也用电视线(TVL)来表示。由于在水平方向上，扫描电子束是连续移动的，所以它同垂直方向上的情况不同。因此二者的分辨力也不相等。除了靶和屏以外，影响水平分辨力的因素主要有以下几种：,扫描电子束落点尺寸的影响。如图所示。由于以直径为d的束点进行扫描，所以使黑白边界变得模糊。模糊的范围与d相等。束点尺寸对水平分辨力的影响称为孔阑效应。为了减小孔阑效应，应缩
40、小束点的水平尺寸。,讯道频带宽度的影响。当电子束扫描靶面时，像元上的信号接连不断地输送出去。像元数越多，输出脉冲频率越高。这就要求讯道有足够的带宽。如果带宽不够，就会限制水平分辨力。根据我国电视标准，可以算出讯道带宽为 f 00128M(MHz)式中，M为垂直分辨力。,摄像管的分辨力通常以电视线或电视的行帧高表示。也可以换算成以 线对毫米表示的分辨力，即 式中，h，l 分别为光栅高度和对角线的长度。例如，某摄像管分辨力为400TVL，靶面有效直径为16mm，则靶面上的分辨力应为,4）摄像管的其它特性参数 1摄像管的信噪比 摄像管信噪比的定义为输出视频信号电流峰一峰值，与输出电流中所含噪声均方根
41、值的比值。,摄像管的噪声来源很多，主要有：光子、光电子、载流子、二次发射电子、扫描电子的散粒噪声；载流子的产生一复合噪声；热噪声；1/f 噪声；预放器噪声。,噪声大时在图像上反映为大量随机移动的黑点和亮点。不同的探测目的，要求摄像管信噪比是不一样的。为使观察者感觉不到噪声，光电导视像管的信噪比应大于25。而摄像管灵敏度可定义为：当输出视频信号一定时(刚好满足信噪比要求)，光敏面上所需的最小辐射照度的倒数。所以摄像管的灵敏度与信噪比密切相关。,通常在光电导视像管中，放大器噪声是主要的；在高增益的电子轰击感应电导型及带移像部分的摄像管中，光子、光电子及预放器噪声共同起作用。,2光电转换特性(特性)光电转换特性表征输出视频信号电流 I与光敏面上的辐照度E的关系曲线，如图所示。,值又称为灰度系数。l时，灰度等级均匀；1 时，有均匀的灰度畸变。但此时提高了弱照度时的灵敏度，而使强照度时的光电特性呈一定的饱和状态。前者有利于提高暗场时的信噪比，后者有利于扩展动态范围。l是不适用的。,3动态响应范围 摄像管所能允许的光照强度变化的范围称为动态响应范围。其下限决定于低照度下的信噪比，而上限决定于靶面贮存电荷的能力。通常靶的电位起伏最高限为几伏，否则会影响电子柬的聚焦与边缘电子束的着靶。,除以上评价摄像管性能的参数外，还有暗电流、畸变、晕光、寿命、机械强度等参数。,
