光电转换原理

1、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

2、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

3、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

4、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;光电导摄像管工作原理硒砷碲靶面；硒化镉靶面；硅靶面。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

5、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

6、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，是把几十万个光一电转换单元以及相 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

7、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，

8、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1000mMm的光通过透明电极在硅晶体内激发出电子一空穴对，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

9、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。

10、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)及帧一行间转移型(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。摄像镜头形成的光像投射到成像部分表面上。存储部分和读出寄存器需用不 透光的材料遮盖起来。水平电极分为两组，一组控制着光电荷在成像部分中的 积累和转移；一组用来控制存储部分中的光电荷的转移。在场的扫描正程期间内，代表图像的二维信号电荷被积累在成像区；在场逆 程期间，通过加在成像区和存储区电极上的时钟脉冲使成像区的整场信号电荷快 速地转移到

11、存储区。在下一个场正程期间，成像区的像素又积累光生电荷，而存 储区所存的前一场图像信号电荷在时钟脉冲作用下，在行逆程期间，将一行光生 电荷送进读出寄存器；在行正程期间，由时钟脉冲的驱动，使一行信号电荷向输 出结构依次转移，经过输出极输出。周而复始，就构成了电视图像信号。帧转移型(FT)优点为：电极结构简单容易制作；可以将像素做得更密集，能 得到比较高的分辨力；由于成像区全部进行光电转换，因而灵敏度比较高。帧转移型(FT)缺点为：由于成像区和存储区占据同样大小的芯片面积，因而 尺寸较大；由于每个独立像素都具有双重作用，既是一个光敏元件又是一个移位 寄存器的组成单元，在短暂的转移期内(在每个场逆程

12、内)连续射入的光学图像 “污染”正被垂直转移的电荷。行间转移型(IT)：行间转移方式是在一个CCD芯片上完成感光、存储和读出 的功能。在场正程期间，感光部分被入射光照射产生光生电荷；在场逆程期间， 受转移栅控制，各列成像单元内的信号电荷，同时被快速地水平转移到各对应的 垂直移位寄存器。在下一场正程期间，感光部分再次积累光生电荷，垂直移位寄 存器中存储的电荷在每个行消隐期间各列电荷包垂直上移一行，将一行电荷送人 水平移位寄存器；而在行正程期间，将水平移位寄存器中的一行电荷读出，这样 就形成了视频信号。行间转移型(IT)优点：结构简单，不需要单独的存储芯片，整个芯片表面积 比帧转移方式要小；每个独

13、立单元中的感光部分彼此独立，有可能取得较高的空 间频率；由于电荷包的垂直转移在遮光的垂直位移寄存器中进行，使正常照度下 的垂直拖尾现象减轻。行间转移型(IT)缺点：为了避免光漏进存储条，要求屏蔽层宽度大于存储条 宽度，总的感光面积减小，故灵敏度较低；在强光照射下，仍有入射光的一部分 照射到遮光屏蔽层下面的存储条(垂直移位寄存器)，形成污染。帧一行间转移型(FIT)：这种器件是在行间转移型结构的传感器与水平移 位寄存器之间附加了场存储区。在场正程期间，所有成像区的光敏器接受入射光 形成电荷包；在场消隐期间，首先所有成像区光敏器上的电荷包，以极快的速度 一次转移到各相应的垂直寄存器中，紧接着又以极快的速度转移到下面的存储器 (场存储)。在下一场正程期间的工作情况与帧转移方式相同。在该方式中，垂直 移位寄存器向场存储区传送电子的速度要比行间转移方式快60100倍，实际上 消除了垂直拖尾；存在着尺寸较大、材料利用率低的缺点。图像的重现显像管工作原理显象时的电光转换，由显象管来完成