光电耦合器件和成像器件课件

光电耦合器件和

成像器件

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1970CCD1934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（ImageOrthicon），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1231－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表示光通量辐通量像增强管：亮度转换增益GL来表示(lm/W)光出射度光照度无量纲亮度（cd/lm）摄像器件：灵敏度S表示电视系统：光电导材料的γ值来表示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。 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RLVT（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PINSnO2（透明导电膜）RLVT（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SiO2PPPnR2N+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abcdegfa——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