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
光
电
成
像
器
件
(
成
像
原
理
)
扫
描
型
非
扫
描
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
常
由
像
敏
面
,
电
子
透
镜
&
显
像
面
构
成
? 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
相
对
灵
敏
度
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
度
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
靶
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
视
频
信
号
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)
输
出
视
频
信
号
电
流
硅电子
倍增靶
视像管二次电子
导电管
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。
光谱响应
灵
敏
度
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)
滞
后
输入面照度
硅电子
倍增管
分流
管
二次电
子导电
管
超正析
像管
硅
靶
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
信
噪
比
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
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
光
电
成
像
器
件
(
成
像
原
理
)
扫
描
型
非
扫
描
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
常
由
像
敏
面
,
电
子
透
镜
&
显
像
面
构
成
? 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
相
对
灵
敏
度
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
度
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
靶
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
视
频
信
号
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)
输
出
视
频
信
号
电
流
硅电子
倍增靶
视像管二次电子
导电管
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。
光谱响应
灵
敏
度
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)
滞
后
输入面照度
硅电子
倍增管
分流
管
二次电
子导电
管
超正析
像管
硅
靶
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
信
噪
比
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