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第七章：光电成像技术

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光电成像

光电成像
分辨力 点扩散函数与光学传递函数
光电成像器件的特性
光电转换特性 转换系数（增益）G：评价直视型光电成像器件的输入量与
输出量的依存关系的重要参数－－光电成像器件在法线 方向输出的亮度L与输入的辐照度E的比值。
G＝
L E
，Gl
L El
，G＝
L E
G
表示L 单色光的增益 E
光电成像器件的特性
光电转换特性 光电灵敏度（响应率）：评价电视型光电成像器件的输入量
光电成像技术的应用
红外热成像：光线是大家熟悉的。光线是什么？光线就是可见 光，是人眼能够感受的电磁波。可见光的波长为：0.38—0.78 微米。比0.38微米短的电磁波和比0.78微米长的电磁波，人眼 都无法感受。比0.38微米短的电磁波位于可见光光谱紫色以外， 称为紫外线，比0.78微米长的电磁波位于可见光光谱红色以外， 称为红外线。红外线，又称红外辐射，是指波长为0.78~1000 微米的电磁波。其中波长为0.78~2.0微米的部分称为近红外， 波长为2.0~1000微米的部分称为热红外线。
光电成像技术的应用
目标的热图像和目标的可见光图像不同，它不是人眼所能看到 的目标可见光图像，而是目标表面温度分布图像，换一句话说， 红外热成像使人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人 眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。
我们周围的物体只有当它们的温度高达1000℃以上时，才能 够发出可见光。相比之下，我们周围所有温度在绝对零度（273℃）以上的物体，都会不停地发出热红外线。例如，我们可 以计算出，一个正常的人所发出的热红外线能量，大约为100瓦。 所以，热红外线（或称热辐射）是自然界中存在最为广泛的辐 射。热辐射除存在的普遍性之外，还有另外两个重要的特性。

光电成像原理

光电成像原理
大气是辐射传输媒介，大气传输特性影响光电成 像系统探测效果，辐射校正方法
光电成像原理
7
第五章 直视型真空成像器件物理及其成像系统
像管成像物理过程、器件性能参数，微光夜视光电 成像系统构成及特性分析
第六章 固体成像器件物理及其成像系统
CCD器件的物理基础与工作原理、结构特性与性 能参数，电视型光电成像系统特性分析
第七章 红外成像器件物理及其成像系统
红外探测器工作原理、工作条件与性能参数，典 型红外探测器，红外热成像系统构成与特性分析
光电成像原理
8
三、学习要求
参考书
① 白廷柱、金伟其，光电成像原理与技术 光电成像原理与技术， 光电成像原理与技术 北京理工大学出版社 ② 向世明、倪国强，光电子成像器件原理 光电子成像器件原理， 光电子成像器件原理 国防工业出版社 ③ 安毓英、曾小东，光电探测原理 光电探测原理， 光电探测原理 西安电子科技大学出版社 ④ 王庆有，光电技术 光电技术，电子工业出版社 光电技术 ⑤ 常本康、蔡毅，红外成像阵列与系统 红外成像阵列与系统， 红外成像阵列与系统 科学出版社
——对于变像管，输入物理量为红外、紫外、X射 对于变像管，输入物理量为红外、紫外、 射 对于变像管 线等非可见光辐射， 线等非可见光辐射，输出物理量为可见光辐射 数学表达式
荧光屏出射亮度
L G= E
光敏面入射照度
∞ ∂ L= Km M m ∫ K ( λ ) M ( λ ) d λ ∂ω 0 θ = 0
Ri = di dP
分类
或
Ru = du dP
根据输出信号形式：电压灵敏度、 根据输出信号形式：电压灵敏度、电流灵敏度 根据输入辐射：光谱灵敏度、 根据输入辐射：光谱灵敏度、积分灵敏度

第07章 光电成像器件02

第07章 光电成像器件02

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2.典型双沟道线阵CCD器件
光敏单元的尺寸为14µm长、14µm高，中心距亦为 14µm，光敏元阵列总长为30.24mm。
(1)TCD1206SUP的基本结构
TCD1206SUP的驱动时序图
(2)TCDl206SUP的驱动电路
13
(3)TCDl206SUP的特点 2)温度特性
1)光谱响应
3)积分时间与暗电压 的变化关系
（2）TCD1209D的驱动脉冲波形图
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驱动脉冲的时序关系要求
(3)TCD1209D的特性参数 1)光谱响应特性
2)灵敏度
线阵CCD的灵敏度参数定义为单位曝光量的作用下 器件的输出信号电压，即
R UO HV
U SAT U DAk
(4)TCD1209D的驱动电路
3)动态范围
DR
降低暗信号电压是提高动态范围的最好方法。
3) 面阵CCD摄像器件
3) 面阵CCD摄像器件
7.3.1 电荷耦合器件
7.3.1 电荷耦合器件
电荷耦合器件只能感受到光线的强弱，并不能感 受到颜色的变化，若实现色彩的采集和成像，必 须在感光元件的前面加上分色滤色片。
9
7.3.1 电荷耦合器件
7.3.1 电荷耦合器件
彩色CCD的分色原理
彩色 CCD 的结构分为三层： 微透镜阵列 彩色滤光片阵列 光电二极管阵列。
暂存区
行正程期间
水平读出 寄存器
行正程期间
水平读出寄存器输 出一行视频信号
水平读出 寄存器
3) 面阵CCD摄像器件
3) 面阵CCD摄像器件
场正程期间：
行逆程期间
暂存区的信号电荷 产生一行平移
暂存区
场正程期间：

光电成像系统复习

光电成像系统复习

光电成像系统基础理论第一章：1. 人眼视觉性能的局限性；(1) 灵敏度的限制：光线很差时人的视觉能力很差；(2) 分辨力的限制：没有足够的视角和对比度就难以辨识；(3) 时间上的限制：变化过去的影像无法存留在视觉上；(4) 空间上的限制：离开的空间人眼将无法观察；(5) 光谱上的限制：人眼局限于电磁波的可见光区；因此，眼睛的直观视觉只能有条件地提供图像信息，为了突破人眼的限制催生了光电成像技术这门学科。

扩展视见光谱范围、视见灵敏度和时空限制。

2. 光电成像系统的分类以及各自的工作方式；(1)直视型光电成像系统工作方式：①通过外光电效应将入射的辐射图像转换为电子图像；②由电场或电磁场的聚焦加速作用进行能量增强以及通过二次发射作用进行电子倍增；③经过增强的电子图像轰击荧光屏，激发荧光屏产生可见光图像。

(2)电视型光电成像系统工作方式：①接收二维的光学图像或热图像，②利用光敏面的光电效应或热电效应将其转换为二维电荷图像并进行适当时间的存储，③然后通过电子束扫描或电荷耦合转移等方式,输出一维时间的视频信号。

3. 变像管与像增强器的异同。

变像管：接受非可见辐射图像的直视型光电成像器件：红外变像管、紫外变像管和X射线变像管等。

共同特点：入射图像的光谱和出射图像的光谱完全不同，输出图像的光谱是可见光。

像增强器：接受微弱可见光图像的直视型光电成像器件：级联式像增强器、带微通道板的像增强器、负电子亲和势光阴极的像增强器等。

共同特点：输入的光学图像极其微弱，经器件内电子图像的能量增强和数量倍增后通过荧光屏输出可见光学图像。

第二章：1. 绝对视觉阈、阈值对比度、光谱灵敏度；人眼的绝对视觉阈所谓人眼的绝对视觉阈，是在充分暗适应的状态下，全黑视场中，人眼感觉到的最小光刺激值(用照度表示，单位lx)，在10-9数量级。

人眼的阈值对比度阈值对比度是指在一定背景下把目标鉴别出来所必须的目标在背景中的衬度(对比度C)。

C的倒数成为反衬灵敏度。

光电成像技术

光电成像技术
由于排列方式不同，面阵CCD常有帧转移 方式、隔列转移方式、线转移方式和全转移方 式
二、光电成像系统的原理
转移型面阵CCD虽然有效光面积大， 转移速度快，转移效率高等特点，但电 路比较复杂，因此它的应用范围受到限 制。
二、光电成像系统的原理
面阵CMOS成像器，它可以做成彩色也可 以做成黑白，特点是：像素尺寸小，填充因子 大，光谱响应范围宽，量子效率高等等
总结
面阵CCD：有效光敏面积大，光度灵敏度高， 转移速度快，转移效率高等特点，但电路比较复杂
CMOS：与CCD相比在光度灵敏度上较差，但 在功能、功耗、尺寸和价格等方面要优于CCD
面阵CCD、CMOS图像传感器：用光敏单元进描方式：基于电子束摄像管的电子束按从左到右、从上 到下的扫描方式进行扫描
行扫描
场 扫 描
二、光电成像系统的原理
显像部分的原理
扫描：将被分割后的电气图像转换成一维时序信号
不同的图像传感器有各自的扫描方式，例如： 真空摄像管：采用电子束扫描方式输出一维时序信号
二、光电成像系统的原理
然后光首过把电先光视成，电频像光成信系电像号统器部传分件分给为把处显两景理像个物后部部所，分分反成，，射为经光或视过电发频处成射信理像的号后部光输就分信出把和号景显收物像集图部，像分经再现
二、光电成像系统的原理
光学成像部分的原理
二、光电成像系统的原理
上面展示的图片都有一个共同点
像素阵列是整个输出放大电路的核心部分
二、光电成像系统的原理
X当、光Y信向号移到位达寄像存敏器方是阵存时储，方方阵阵中会的产每生一电个信像号敏，单这元个在电X、信Y号方经向过 上放各大自器的，地输址送值 到。调整电路
二、光电成像系统的原理

第七章光辐射的探测及成像技术

第七章光辐射的探测及成像技术

光电导效应
内光电效应—光电导效应
对于本征半导体，在无光照时，由于热激发只有少数电子从价带跃迁至导带， 此时半导体的电导率很低，称为半导体的暗电导，用 0 表示，且
0 e(ne p p )
式中，e为电子电荷，n和 e 分别是无光照时导带电子密度和迁移率；p和 是无光照时价带空穴密度和迁移率。
此时的光电流为 根据量子效率的定义 可求得
i p0
P 0 μe Lhv
ip
d

ip
Pτ下载流子在电极间的渡越时间，G 0 / d 为光电导探 式中， 测器的内部增益，表示一个光生载流子对探测器外回路电流的有效贡献，它是光电导 探测器的一个特有参数。为了提高其值，应该用平均寿命长、迁移率大的材料作探测 器，且将探测器电极做成梳状，以减小极间距离。G的大小随使用条件和器件本身的 结构不同而不同，可在103 到103 量级间很宽的范围内变化。
(1)光电效应第一定律——斯托列托夫定律：
当照射到光电阴极上的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流(即单位时间内发 射的光电子数目)与入射光强度成正比： 式中， i c 是光电流， I 是入射光强， 该定律有时表达为
ic IS
S
是该阴极对入射光线的灵敏度。
式中，P(t ) 是t时刻入射到探测器上的光功率， 是探测器的量子效率。该式常被 称作光电转换定律。
电子逸出功是描述材料表面对电子束缚强弱的物理量，在数量上等于电子逸出表面所
需的最低能量，即光电发射的能量阈值。
外光电效应——光电发射效应
金属与半导体逸出功
金属有大量的自由电子，没有禁带，费米能级以下基本上为电子所填满，而费米能级
以上基本上是空态，因而表面能受内外电场影响很小，费米能级只决定于材料，因而 其逸出功定义为T=0K时真空能级与费米能级之差，是材料的参量，可用来做为电子 发射的能量阈值。 半导体中自由电子较少，且有禁带，费米能级一般都在禁带当中，且随掺杂和内外场 变化，所以真空能级与费米能级之差不是材料参量。半导体的逸出功定义为T=0K时 真空能级与电子发射中心能级之差，而电子发射中心的能级有的是价带顶，有的是导 带底，情况复杂，而不管逸出功从何算起，其中都包含以亲和势，因而半导体中很少 用逸出功而常用亲和势来判别光电子发射的难易，许多资料中光电发射的能量阈值常 用亲和势加禁带宽度来计算。

7第七章：讲义光电成像技术

像管
变相管 紫外变像管
X射线变像管
串联式像增强管
像增强管 级联式像增强管
微通道板式像增强管
▪
负电子亲和势阴极摄像管
02.01.2021
7
3、光电成像器件的基本特征
一、光谱响应 二、线性 三、空间分辨率
02.01.2021
8
4 光电成像原理
系统由光学像系统、光电变换系统、图像分割、 同步扫描和控制系统、视频信号处理系统、荧光 屏显示系统等构成。
02.01.2021
10
光电导型真空摄像管
02.01.2021
11
二、光电发射型摄像管
02.01.2021
12
电荷耦合器件
Charge-Coupled Devices 1970年由贝尔实验 室首先研制出来。
特点：体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、功 耗低、动态范围大。
主要应用领域：摄像、信号处理、存储、测量
21
02.01.2021
22
四、像管成像物理过程：（三个环 节）
微弱的光或不可见的输入辐射图像转换 成电子图像（光阴极完成）
电子图像获得能量或数量增强，并聚焦 成像（电子光学系统）
将增强的电子图像转换成可见光的图像 （荧光屏）
02.01.2021
23
1．辐射图像的光电转换：
利用外光电效应。光敏面采用光 电发射型材料。发射的电子流分布正 比于人射的辐射通量分布。由此完成 辐射图像转换为电子图像的过程。
方位测量、遥感遥测、图像制导、图像识别
传真、扫描仪、自动精密测量
高分辨率、高可靠性、高准确度。
02.01.2021
13
P沟道型CCD原理
金属-氧化物-半导体结 构（MOS)在外加电场 作用下，半导体中空穴 被推离界面，形成表面 势井；

第7章 光电成像技术 7


2020/8/1
9
$5、电视制式
1．电视图像的宽高比：观测试验得， W:H = 4:3
2．帧频与场频：电影画面重复频率不得低 于每秒48次。电影采用每秒投影24幅画面， 两幅之间用遮光伐挡一次。电视场采用隔 行扫描，奇数场/偶数场，两场合为一帧。 即场频50Hz，帧频25Hz。PAL制式，每 帧 画 面 625 行 ， 行 正 程 52us ， 行 逆 程 12us。NTSC制式60Hz.
势井中的电子在交替变 化的电位作用下耦合到 下一个势井中，顺序移 出。
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单沟道线阵CCD
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双沟到线阵CCD
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四、像管成像物理过程：（三个环 节）
微弱的光或不可见的输入辐射图像转换 成电子图像（光阴极完成）
电子图像获得能量或数量增强，并聚焦 成像（电子光学系统）
将增强的电子图像转换成可见光的图像 （荧光屏）
2020/8/1
23
1．辐射图像的光电转换：
利用外光电效应。光敏面采用光 电发射型材料。发射的电子流分布正 比于人射的辐射通量分布。由此完成 辐射图像转换为电子图像的过程。
方位测量、遥感遥测、图像制导、图像识别
传真、扫描仪、自动精密测量
高分辨率、高可靠性、高准确度。
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P沟道型CCD原理
金属-氧化物-半导体结 构（MOS)在外加电场 作用下，半导体中空穴 被推离界面，形成表面 势井；

光电成像原理与技术考试要点概要

光电成像原理与技术考试要点第一章:1. 试述光电成像技术对视见光谱域的延伸以及所受到的限制。

答 :[1]电磁波的波动方程该方程电磁波传递图像信息物空间和像空间的定量关系,通过经典电磁场理论可以处理电磁波全部的成像问题[2]收到的限制:当电磁波的波长增大时,所能获得的图像分辨力将显著降低。

对波长超过毫米量级的电磁波而言,用有限孔径和焦距的成像系统所获得的图像分辨力将会很低。

因此实际上己排除了波长较长的电磁波的成像作用。

目前光电成像对光谱长波阔的延伸仅扩展到亚毫米波成像。

除了衍射造成分辨力下降限制了将长波电磁波用于成像外, 用于成像的电磁波也存在一个短波限。

通常把这个短波限确定在 X 射线 (Roentgen 射线与 y 射线 (Gamma 射线波段。

这是因为波长更短的辐射具有极强的穿透能力,所以,宇宙射线难以在普通条件下聚焦成像。

2. 光电成像技术在哪些领域得到广泛的应用?光电成像技术突破了人眼的哪些限制?答:[1]应用:(1人眼的视觉特性 (2各种辐射源及目标、背景特性 (3大气光学特性对辐射传输的影响 (4成像光学系统 (5光辐射探测器及致冷器 (6信号的电子学处理 (7图像的显示[2]突破了人眼的限制 :(1可以拓展人眼对不可见辐射的接受能力 (2可以拓展人眼对微弱光图像的探测能力 (3可以捕捉人眼无法分辨的细节 (4可以将超快速现象存储下来3. 光电成像器件可分为哪两大类?各有什么特点?答:[1]直视型:用于直接观察的仪器中,器件本身具有图像的转换、增强及显示等部分,可直接显示输出图像,通常使用光电发射效应,也成像管 .[2]电视型:于电视摄像和热成像系统中。

器件本身的功能是完成将二维空间的可见光图像或辐射图像转换成一维时间的视频电信号使用光电发射效应或光电导效应,不直接显示图像 .4. 什么是变像管?什么是像增强器?试比较二者的异同。

答:[1]变像管:接收非可见辐射图像,如红外变像管等,特点是入射图像和出射图像的光谱不同。

第7章 光电成像技术 7-PPT课件


2019/3/11
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4 光电成像原理

系统由光学像系统、光电变换系统、图像分割、 同步扫描和控制系统、视频信号处理系统、荧光 屏显示系统等构成。
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9
$5、电视制式


1．电视图像的宽高比：观测试验得， W:H = 4:3 2．帧频与场频：电影画面重复频率不得低 于每秒48次。电影采用每秒投影24幅画面， 两幅之间用遮光伐挡一次。电视场采用隔 行扫描，奇数场/偶数场，两场合为一帧。 即场频 50Hz ，帧频 25Hz 。 PAL 制式，每 帧 画 面 625 行 ， 行 正 程 52us ， 行 逆 程 12us。NTSC制式60Hz.
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23


1．辐射图像的光电转换： 利用外光电效应。光敏面采用光 电发射型材料。发射的电子流分布正 比于人射的辐射通量分布。由此完成 辐射图像转换为电子图像的过程。 2．电子图像增强： 电场加速 或微通道板中二次电子 发射。
2019/3/11
24

3电子图像的发光显示

高能电子轰击荧光屏，发出可见光。 荧光屏是利用掺杂的晶态磷光体受激发 光。
2019/3/11
25
五、像管的主要结构类型

近贴式 静电聚焦倒像式 （单级，多级） 电磁复合聚焦 带微通道板的像管（第二代，2，3之上） 负电子亲和势像管（第三代） X射线变像管和r射线变像管
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光电导型真空摄像管
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11
二、光电发射型摄像管
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电荷耦合器件


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25
三级串联像增强管
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磁聚焦像增强管
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有光纤板的三级像增强管
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28
微通道板结构
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4 光电成像原理
系统由光学像系统、光电变换系统、图像分割、 同步扫描和控制系统、视频信号处理系统、荧光 屏显示系统等构成。
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8
$5、电视制式
1．电视图像的宽高比：观测试验得， W:H = 4:3 2．帧频与场频：电影画面重复频率不得低 于每秒48次。电影采用每秒投影24幅画面， 两幅之间用遮光伐挡一次。电视场采用隔 行扫描，奇数场/偶数场，两场合为一帧。 即场频 50Hz ，帧频 25Hz 。 PAL 制式，每 帧 画 面 625 行 ， 行 正 程 52us ， 行 逆 程 12us。NTSC制式60Hz.
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二、非扫描型：直视型电真空像管 红外变像管 变相管 紫外变像管 X射线变像管 串联式像增强管 像增强管 级联式像增强管 微通道板式像增强管
负电子亲和势阴极摄像管
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3、光电成像器件的基本特征
一、光谱响应 二、线性 三、空间分辨率
1 光电成像器件的发展
近年来，利用光电成像器件构成图像传感器 进行光学图像处理与图像测量已成为现代光 学仪器、现代测控技术的重要发展方向。它 广泛应用于遥感、遥测技术、图形图像测量 技术和监控工程等，成为现代科学技术的重 要组成部分。
2018/11/6
1
1934年研制出光电像管，应用于时内外的 广播电视摄像。它的灵敏度相当低，要达 到现在图像信噪比的要求，需要不低于 10000 lx的照度，这是它的应用范围受到 很大限制。 1947年超正析摄像管面世，使最低照度降 至2000 lx。 1954年灵敏度较高的视像管投入市场。其 成本低，体积小，灵敏度和分辨率都较高， 但不是适用于高速场合和彩色应用。
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3电子图像的发光显示
高能电子轰击荧光屏，发出可见光。 荧光屏是利用掺杂的晶态磷光体受激发 光。
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24
五、像管的主要结构类型
近贴式 静电聚焦倒像式 （单级，多级） 电磁复合聚焦 带微通道板的像管（第二代，2，3之上） 负电子亲和势像管（第三代） X射线变像管和r射线变像管
2018/11/6Leabharlann 12P沟道型CCD原理
金属-氧化物-半导体结 构（MOS)在外加电场 作用下，半导体中空穴 被推离界面，形成表面 势井； 光照产生的电子填充势 井，使势井变浅。势井 变化率与光生载流子成 正比。 势井中的电子在交替变 化的电位作用下耦合到 下一个势井中，顺序移 出。
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2 光电成像器件的类型
一、 扫描型 真空电子束扫描型 光电型：光电导式和光电发射式 热电型：热释电摄像管 固体自扫描型：电荷耦合摄像器件
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4
扫描型光电成像器件又称为摄像器件。这 种器件通过电子束扫描或自扫描方式将被 设景物将光学系统成像在器件光敏面上的 二维图像转变为一维时序电信号输出出来。 这种运载图像信息的一维时序信号称为视 频信号。
四、像管成像物理过程：（三个环 节）
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22
1．辐射图像的光电转换： 利用外光电效应。光敏面采用光 电发射型材料。发射的电子流分布正 比于人射的辐射通量分布。由此完成 辐射图像转换为电子图像的过程。 2．电子图像增强： 电场加速 或微通道板中二次电子 发射。
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光电导型真空摄像管
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10
二、光电发射型摄像管
2018/11/6
11
电荷耦合器件
Charge-Coupled Devices 1970年由贝尔实验 室首先研制出来。 特点：体积小、重量轻、灵敏度高、寿命长、功 耗低、动态范围大。 主要应用领域：摄像、信号处理、存储、测量 方位测量、遥感遥测、图像制导、图像识别 传真、扫描仪、自动精密测量 高分辨率、高可靠性、高准确度。
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1965年，氧化铅管成功代替正析摄像管， 广泛应用于彩色电视摄像机。它使彩色电 视广播摄像机的发展产生了一个飞跃。 1976年前后，又相继出现灵敏度更高，成 本更低的硒像管和硅靶管。 1970年，美国贝尔实验室发表电荷耦合器 件（ CCD ）原理，从此光电成像器件的发 展进入了一个新的阶段 ——CCD 固体摄像 器件的发展阶段。
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单沟道线阵CCD
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双沟到线阵CCD
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微弱的光或不可见的输入辐射图像转换 成电子图像（光阴极完成） 电子图像获得能量或数量增强，并聚焦 成像（电子光学系统） 将增强的电子图像转换成可见光的图像 （荧光屏）