第八讲 光电耦合器件和
成像器件( 1)
光电耦合器件
成像器件概述
光电成像原理与电视制式
真空摄像管
?光电耦合器件
光隔离器、光耦合器
封装( LED+光敏器件)
电-光-电器件
耦合有线性变化关系+电隔离性能
? 特点
电隔离
信号单向传输
抗干扰和噪声
响应速度快
使用方便
发展很快
? 特性参数
输入特性- LED的特性
输出特性-光敏器件
传输特性
抗干扰特性
? 传输特性:电流传输比
定义:器件集电极电流与 LED注入电流之比
交流电流传输比:以微小变量定义的传输比
光激发效率
电流传输比随发光电流的变化:有一最大值
电流传输比随温度的变化:有一最大值
? 输出-输入间绝缘耐压
与 LED和光敏三极管距离有关
? 输出-输入间绝缘电阻
值大
? 输出-输入间的寄生电容
不大,为几个皮发
? 最高工作频率
最高(截止)频率
? 脉冲上升时间和下降时间
脉冲前沿的 0-0.9之间的时间间隔称为上升
时间;脉冲下降沿中介入 1-0.1的时间间隔为
脉冲下降时间。
? 抗干扰性
原因:输入电阻很低,干扰源的电阻大
形成微弱的电流
不会受外界光的干扰
寄生电容小,绝缘电阻大。
? 应用特点
耦合频率范围广,失真小
克服泄放干扰和触点抖动
完成匹配
提高信噪比
提高可靠性
作为开关器件
使保护电路简单可靠
光电成像器件概述
? 1934 光电像管
? 1947 超正析像管
? 1954 视像管
? 1965 氧化铅管
? 1976 硒靶管和硅靶管
? 1970 CCD
? 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;
? 1947年,超正析像管( Image Orthicon),照度降
低到 2000lx;
? 1954年,视像管,灵敏度&分辨率高,成本低,
体积小,,惯性大,不适用于高速运动图像测量,
不能取代超正析像管用于彩色广播电视摄像机;
? 1965年,氧化铅管( Plumbicon),成功取代超正
析像管,惯性小,广泛应用于彩色电视摄像机,
结构简单,体积小,灵敏度&分辨率都很高。
? 1976年,硒靶管&硅靶管,灵敏度进一步提高且
成本更低;
? 1970年后,CCD的出现使光电成像器件进入新的
阶段。体积更小,灵敏度更高,应用更灵活、更
方便。
光电成像器件的类型



















真空电子束
扫描
固体自扫描,CCD
光电型
热电型:热释电摄像管
光电发射式摄像管
光电导式摄像管
变像管(完成
图像光谱变换)
红外变像管
紫外变像管
X射线变像管
像增强管(图像
强度的变换)
串联式
级联式
微通道板式
负电子亲和势阴极
















? 成像原理:扫描和非扫描
? 电视技术
? 扫描分真空电子束扫描和固体自扫描
分为光电型和热电型,CCD
? 非扫描分为变像管和像增强管
? 光谱特性
光电转换材料决定
窗口材料限制短波
考虑器件的光谱响应与被测景物辐射光谱
匹配





波长
12
3
1-多碱氧化物光阴极像管,
属于外光电效应摄像管,
光谱响应由光阴极材料决
定;
2-氧化铅摄像管,属于内
光电效应的摄像管,光谱
响应由靶材料决定;
3- CCD摄像器件,光谱
响应由硅材料决定;
另热释电摄像管基于材料
的热释电效应,光谱响应
特性近似直线。
? 转换特性
灵敏度
转换系数
亮度增益
转换特性(光电成像器件的输出量与对应的输入量的比值关系)
?变像管:转换系数 C表示
e
vC
?
??
光通量
辐通量
?像增强管:亮度转换增益 GL来表示
v
v
L E
MG ?
vv LM ??
v
v
L E
LG ??
(lm/W)
光出射

光照度
无量纲
亮度
( cd/lm)
?摄像器件:灵敏度 S表示
eE
IS ?
e
IS
?
?
vE
IS ?
v
IS
?
?
?电视系统:光电导材料的 γ值来表示
vEAI lnlnln ???
视像管的信
号电流 常数
视像管靶面
照度
γ<1,强光信号被压缩
γ= 1,光信号无变化
γ>1,弱光信号被提高灰度系数
分辨率(表示能够分辩图像中明暗细节的能力)
?极限分辨率(主观):人眼观察分辩专门测试卡成像在靶
面上且在荧光屏上显示出的最细线条数。
?调制传递函数(客观):简称 MTF,输出调制度与输入调
制度之比。
iM
MfT 0)( ?
MTF随频率增加而衰减,一般将 MTF值为 10%所对
应的线数定为摄像管的极限分辨率。
? 光电成像原理
像素
分割
扫描,行扫描和场扫描
? 电视制式
电视图像的宽高比
帧频
场频
扫描行数
扫描行频
光电成像原理
同步扫描 视频信号景物 光学成像 光电变换 图像分割
传送 同步扫描 视频解调 图像再现
摄像部分
显像部分
光电成像系统原理方框图
光电成像原理:
光学物镜 将景物所反射出来的光成像到光电成像器件的像敏面
上形成二维光学图像,经光电成像器件将二维光学图像转变成
二维电气图像 (超正析像管为电子图像,视像管委电阻图像或
电势图像,面阵 CCD为电荷图像),然后进行图像分割,并按
照一定的规则将所分割的电气图像转变成一维时序信号 (视频
信号),将视频信号送入监视器,控制显像管电子枪的强度,
显像管电子枪与摄像管的电子枪作同步扫描,可将摄像管摄取
得图像显示出来。 (如将视频信号经调制放大成高频-射频信
号发送出去,再用天线系统将射频信号接收到,经过解调获取
视频信号,控制电视显像管电子枪的扫描可以获得摄像管摄取
得景物图像 )
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( PAL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。
? 真空摄像管
两类,外光电效应和内光电效应
外光电效应,析像管 /超正析像管 /分流管 /二
次电子导电摄像管
内光电效应,硫化锑视像管 /氧化铅视像管
? 氧化铅视像管的结构
图 5-5结构图 =光电导靶 +扫描电子枪 +管体
扫描
图像变换
记录
阅读
硅靶的结构
氧化铅视像管的结构
视频信号

网电极
聚焦线圈 偏转线圈
校正线圈
聚焦极 2
聚焦极 1
阴极
控制栅极
加速极
RL
VT ( 1)管子结构
当摄像管有光学图像输入时,则入射光子打
到靶上。由于本征层占有靶厚的绝大部分,
入射光子大部分被本征层吸收,产生光生载
流子。且在强电场的作用下,光生载流子一
旦产生,便被内电场拉开,电子拉向 N区,
空穴被拉向 P区。这样,若假定把曝光前本征
层两端加有强电场看作是电容充电,则此刻
由于光生载流子的漂移运动的结果相当于电
容的放电。其结果,在一帧的时间内,在靶
面上便获得了与输入图像光照分布相对应的
电位分布,完成了图像的变换&记录过程。
靶结构
玻璃
P
I
N
SnO2
(透明导电膜)
RL
VT( 40~ 60V)
在入射窗的内表面首先蒸上
一层极薄的 SnO2透明导电
膜,再蒸涂氧化铅本征层,
然后,氧化处理形成 P型层。
由于氧化铅与二氧化锡两者
的接触而在交界面处形成 N
形薄层,这样就构成了 NIP
型异质结靶。又称信号板。
其反偏电压主要施加在本征
层。
硅靶结构




电阻海
P型岛
SiO2
P
P
P
n
R2
N+
左边是光的入射面,右边是电子束扫
描面,靶的基体实 N型单晶硅薄片。
其上有大量微小的 P型岛 。由 P型小
岛与 N型基底之间构成密集的光敏二
极管阵列。并在 P型岛之间的 N型硅
表面覆盖高绝缘的二氧化硅薄膜,另
外在 N型基底的外表面上形成一层极
薄的 N+层,在 P型岛地外表面上形成
一层半导体层称为 电阻海 。总厚度约
为 20微米。工作时,在 N+层加 5~
15伏电压,使 硅光电二极管 处于反
向偏置工作状态。无光照时,反压将
一直保持。当有光学图像输入时,N
型硅将吸收光子产生电子空穴对,它
们在电场的作用下作漂移运动,空穴
通过 PN结移到 P型岛,此动作在一帧
的周期内连续进行,从而提高了 P型
岛的电位。其电位的升高的数值正比
于该点的曝光量。因此,靶面的 P型
岛上形成了积累得 电荷图像 。这时通
过电子束的扫描,即可得到视频信号。
? 摄像管的性能参数
光电转换特性
光谱特性
时间响应特性
输出信噪比
动态范围
图像传递特性
光电转换特性
输入面照度(勒克斯)








硅电子
倍增靶
视像管二次电子
导电管





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。
光谱响应



波长
a
b c
d
e
g
f
a—— Sb2S3光导摄像管
b—— PbO光导摄像管
(标准型)
c—— PbO光导摄像管
(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)
d—— CdSe光导摄像管
e—— 硅靶摄像管(光谱响
应范围最宽,适用于近红
外摄像)
f—— SeAsTe光导摄像管
g—— ZnCdTe光导摄像管
时间响应特性(滞后特性)


输入面照度
硅电子
倍增管
分流

二次电
子导电

超正析
像管



在摄像管输入光照
度突然截止后,取
其第三场或第十二
场衰减的输出信号
电流占未截止光照
时的输出信号电流
的百分比值为表示
摄像管滞后特性的
指标。
输出信噪比
输入面照度



硅电子
倍增靶
分光管
二次电子导电管
超正析
像管
视像管
输出信噪比取决
于光阴极的量子
噪声,靶噪声,
扫描电子束噪声,
二次电子倍增器
以及前置放大器
的噪声等。
动态范围
其取决于摄像管的暗电流&饱和电流。暗电流所引起的噪声决
定了摄像管的最低输入照度,饱和电流决定了摄像管的最高入
射照度。而最高入射照度与最低输入照度的比值为改摄像管的
动态范围。
图像传递特性
它用输出信号电流的调制度来表示。其取决于:移像区的电
子光学系统的像差;靶的电荷图像像差以及扫描电子束的弥
散&滞后等因素。
各种视像管主要性能比较
靶类型 硫化锑 氧化铅 硅靶 硒化镉 硒砷碲 碲化锌镉
特征 低价格 低惰性,低暗电流 高灵敏度 高灵敏度,低暗电流 低惰性,低暗电流 高灵敏度
灵敏度 低 中 高 高 中 高
分辨率 高 高 一般 高 高 高
光动态 好 一般 一般 一般 好 一般
光电转换
特性 0.6~0.7 1 1 1 1 1
惰性 大 小 中 中 小 中
暗电流 大 小 中 小 小 小
晕光 小 小 小 小 小 小
用途 一般 广播电视 工业电视 工业电视 广播电视 工业电视
作业
? 1.什么是光电耦合器件的电流传输比?它抗
干扰强的原因是什么?
? 2,光电成像器件的类型,并说明它的光谱响
应。
预 习
? 了解真空摄像管
? 掌握 CCD的工作原理、特性参数
? 掌握 ICCD的特性参数