光電耦合器件和

成像器件

光電耦合器件

光隔離器、光耦合器封裝（LED＋光敏器件）電－光－電器件耦合有線性變化關系＋電隔離性能

特點電隔離信號單向傳輸抗干擾和噪聲響應速度快使用方便

發展很快特性參數輸入特性－LED的特性輸出特性－光敏器件傳輸特性抗干擾特性傳輸特性：電流傳輸比定義：器件集電極電流與LED注入電流之比交流電流傳輸比：以微小變量定義的傳輸比光激發效率電流傳輸比隨發光電流的變化：有一最大值電流傳輸比隨溫度的變化：有一最大值

輸出－輸入間絕緣耐壓與LED和光敏三極管距離有關輸出－輸入間絕緣電阻值大輸出－輸入間的寄生電容不大，為幾個皮發

最高工作頻率最高（截止）頻率脈沖上升時間和下降時間脈沖前沿的0-0.9之間的時間間隔稱為上升時間；脈沖下降沿中介入1-0.1的時間間隔為脈沖下降時間。抗干擾性原因：輸入電阻很低，干擾源的電阻大形成微弱的電流不會受外界光的干擾寄生電容小，絕緣電阻大。

應用特點耦合頻率范圍廣，失真小克服泄放干擾和觸點抖動完成匹配提高信噪比提高可靠性作為開關器件使保護電路簡單可靠光電成像器件概述1934光電像管1947超正析像管1954視像管1965氧化鉛管1976硒靶管和硅靶管1970CCD1934年，光電像管（Iconoscope），應用于室內外的廣播電視攝像。靈敏度非常低，需要10000lx的照度，達到圖像信噪比的要求；1947年，超正析像管（ImageOrthicon），照度降低到2000lx；1954年，視像管，靈敏度＆分辨率高，成本低，體積小，，慣性大，不適用于高速運動圖像測量，不能取代超正析像管用于彩色廣播電視攝像機；1965年，氧化鉛管（Plumbicon），成功取代超正析像管，慣性小，廣泛應用于彩色電視攝像機，結構簡單，體積小，靈敏度＆分辨率都很高。1976年，硒靶管＆硅靶管，靈敏度進一步提高且成本更低；1970年后，CCD的出現使光電成像器件進入新的階段。體積更小，靈敏度更高，應用更靈活、更方便。光電成像器件的類型光電成像器件（成像原理）掃描型非掃描型真空電子束掃描固體自掃描：CCD光電型熱電型：熱釋電攝像管光電發射式攝像管光電導式攝像管變像管（完成圖像光譜變換）紅外變像管紫外變像管X射線變像管像增強管（圖像強度的變換）串聯式級聯式微通道板式負電子親和勢陰極常由像敏面，電子透鏡＆顯像面構成成像原理：掃描和非掃描電視技術掃描分真空電子束掃描和固體自掃描分為光電型和熱電型，CCD非掃描分為變像管和像增強管光譜特性光電轉換材料決定窗口材料限制短波考慮器件的光譜響應與被測景物輻射光譜匹配

相對靈敏度波長1231－多堿氧化物光陰極像管，屬于外光電效應攝像管，光譜響應由光陰極材料決定；2－氧化鉛攝像管，屬于內光電效應的攝像管，光譜響應由靶材料決定；3－CCD攝像器件，光譜響應由硅材料決定；另熱釋電攝像管基于材料的熱釋電效應，光譜響應特性近似直線。轉換特性靈敏度轉換系數亮度增益轉換特性（光電成像器件的輸出量與對應的輸入量的比值關系）變像管：轉換系數C表示光通量輻通量像增強管：亮度轉換增益GL來表示(lm/W)光出射度光照度無量綱亮度（cd/lm）攝像器件：靈敏度S表示電視系統：光電導材料的γ值來表示視像管的信號電流常數視像管靶面照度γ<1，強光信號被壓縮γ＝1，光信號無變化γ>1，弱光信號被提高灰度系數分辨率（表示能夠分辯圖像中明暗細節的能力）極限分辨率（主觀）：人眼觀察分辯專門測試卡成像在靶面上且在熒光屏上顯示出的最細線條數。調制傳遞函數（客觀）：簡稱MTF，輸出調制度與輸入調制度之比。 MTF隨頻率增加而衰減，一般將MTF值為10％所對應的線數定為攝像管的極限分辨率。光電成像原理像素分割掃描:行掃描和場掃描電視制式電視圖像的寬高比幀頻場頻掃描行數掃描行頻

光電成像原理同步掃描視頻信號景物光學成像光電變換圖像分割傳送同步掃描視頻解調圖像再現攝像部分顯像部分光電成像系統原理方框圖光電成像原理：光學物鏡將景物所反射出來的光成像到光電成像器件的像敏面上形成二維光學圖像，經光電成像器件將二維光學圖像轉變成二維電氣圖像（超正析像管為電子圖像，視像管委電阻圖像或電勢圖像，面陣CCD為電荷圖像），然后進行圖像分割，并按照一定的規則將所分割的電氣圖像轉變成一維時序信號（視頻信號），將視頻信號送入監視器，控制顯像管電子槍的強度，顯像管電子槍與攝像管的電子槍作同步掃描，可將攝像管攝取得圖像顯示出來。（如將視頻信號經調制放大成高頻－射頻信號發送出去，再用天線系統將射頻信號接收到，經過解調獲取視頻信號，控制電視顯像管電子槍的掃描可以獲得攝像管攝取得景物圖像）電視制式1、電視圖像的寬高比：圖像寬度＆高度之比，一般為4：3。2、幀頻與場頻：幀頻為每秒鐘電視屏幕變化的數目。一般場頻為50赫茲，幀頻為25赫茲。在電視中采用隔行掃描的方式。3、掃描行數與行頻：組成每幀圖像的行數＆行頻。我國現行電視制式（PAL制式）：寬高比為4：3，場頻為50赫茲，行頻為15625赫茲，場周期為20毫秒，其中正程掃描時間為18.4毫秒，逆程掃描時間為1.6毫秒，行周期為64微秒，其中正程掃描時間為52微秒，逆程掃描時間為12微秒。真空攝像管

兩類:外光電效應和內光電效應外光電效應:析像管/超正析像管/分流管/二次電子導電攝像管內光電效應:硫化銻視像管/氧化鉛視像管氧化鉛視像管的結構圖5-5結構圖=光電導靶+掃描電子槍+管體掃描圖像變換記錄閱讀硅靶的結構氧化鉛視像管的結構視頻信號靶網電極聚焦線圈偏轉線圈校正線圈聚焦極2聚焦極1陰極控制柵極加速極RLVT（1）管子結構當攝像管有光學圖像輸入時，則入射光子打到靶上。由于本征層占有靶厚的絕大部分，入射光子大部分被本征層吸收，產生光生載流子。且在強電場的作用下，光生載流子一旦產生，便被內電場拉開，電子拉向N區，空穴被拉向P區。這樣，若假定把曝光前本征層兩端加有強電場看作是電容充電，則此刻由于光生載流子的漂移運動的結果相當于電容的放電。其結果，在一幀的時間內，在靶面上便獲得了與輸入圖像光照分布相對應的電位分布，完成了圖像的變換＆記錄過程。靶結構玻璃PINSnO2（透明導電膜）RLVT（40～60V）在入射窗的內表面首先蒸上一層極薄的SnO2透明導電膜，再蒸涂氧化鉛本征層，然后，氧化處理形成P型層。由于氧化鉛與二氧化錫兩者的接觸而在交界面處形成N形薄層，這樣就構成了NIP型異質結靶。又稱信號板。其反偏電壓主要施加在本征層。硅靶結構視頻信號電阻海P型島SiO2PPPnR2N+左邊是光的入射面，右邊是電子束掃描面，靶的基體實N型單晶硅薄片。其上有大量微小的P型島。由P型小島與N型基底之間構成密集的光敏二極管陣列。并在P型島之間的N型硅表面覆蓋高絕緣的二氧化硅薄膜，另外在N型基底的外表面上形成一層極薄的N+層，在P型島地外表面上形成一層半導體層稱為電阻海。總厚度約為20微米。工作時，在N+層加5～15伏電壓，使硅光電二極管處于反向偏置工作狀態。無光照時，反壓將一直保持。當有光學圖像輸入時，N型硅將吸收光子產生電子空穴對，它們在電場的作用下作漂移運動，空穴通過PN結移到P型島，此動作在一幀的周期內連續進行，從而提高了P型島的電位。其電位的升高的數值正比于該點的曝光量。因此，靶面的P型島上形成了積累得電荷圖像。這時通過電子束的掃描，即可得到視頻信號。攝像管的性能參數光電轉換特性光譜特性時間響應特性輸出信噪比動態范圍圖像傳遞特性光電轉換特性輸入面照度（勒克斯）輸出視頻信號電流硅電子倍增靶視像管二次電子導電管超正析像管分流管曲線的斜率為管子的灰度系數γ。超正析像管在高光照時輸出信號電流飽和，曲線彎曲。光譜響應靈敏度波長abcdegfa——Sb2S3光導攝像管b——PbO光導攝像管（標準型）c——PbO光導攝像管（全色型，接近于人眼的光譜響應，在彩色攝像時可獲得色調的高保真度）d——CdSe光導攝像管e——硅靶攝像管（光譜響應范圍最寬，適用于近紅外攝像）f——SeAsTe光導攝像管g——ZnCdTe光導攝像管時間響應特性（滯后特性）滯后輸入面照度硅電子倍增管分流管二次電子導電管超正析像管硅靶管在攝像管輸入光照度突然截止后，取其第三場或第十二場衰減的輸出信號電流占未截止光照時的輸出信號電流的百分比值為表示攝像管滯后特性的指標。輸出信噪比輸入面照度信噪比硅電子倍增靶分光管二次電子導電管超正析像管視像管輸出信噪比取決于光陰極的量子噪聲，靶噪聲，掃描電子束噪聲，二次電子倍增器以及前置放大器的噪聲等。動態范圍其取決于攝像管的暗電流＆飽和電流。暗電流所引起的噪聲決定了攝像管的最低輸入照度，飽和電流決定了攝像管的最高入射照度。而最高入射照度與最低輸入照度的比值為改攝像管的動態范圍。圖像傳遞特性它用輸出信號電流的調制度來表示。其取決于：移像區的電子光學系統的像差；靶的電荷圖像像差以及掃描電子束的彌散＆滯后等因素。各種視像管主要性能比較靶類型硫化銻氧化鉛硅靶硒化鎘硒砷碲碲化鋅鎘特征低價格低惰性，低暗電流高靈敏度高靈敏度，低暗電流低惰性，低暗電流高靈敏度靈敏度低中高高中高