知识普及：摄象器件（图）

§4.3 摄象器件

摄象器件主要分为摄象管和固体摄象器两类。它们都是利用某种光电效应，使输入的光转换成电荷，构成相应的象素，并在其微小的电容中暂时存贮和用扫描方式读取存贮在象素中的电荷而形成电视图象信号。但不同的是摄象管采用电子扫描方式，固体摄象器件采用固体扫描方式。

在物质中，使外照光产生电效应的现象称为光电效应。它又分为外光电效应和内光电效应两种。外光电效应是指当光入射到光电面上，则在真空中发射出光电子的现象，超正析象管中就是利用此效应。内光电效应是指经光照射后在固体内部产生电的现象，在光电导型摄象管中就是利用由于光的作用而使用固体（靶面）电导率变化的所谓光电导现象

摄象器件品种繁多，但可进行如下分类：

摄象管

固体摄象器件

限于篇幅，本书主要介绍有关彩色摄象机所使用的光电导型摄象管和固体摄象器件。

光电导型摄象管也有好多种，按靶面光电导材料的不同常用的光电导管有硫化锑光导管（Sb₂S₃作靶面，称为Vidicon，即视象管），氧化铅光导管（PbO作靶面，称Plubicon或Leddicon）、硅靶光导管（Si二极管阵列作靶面，称Sidicon）硒化镉光导管（CdSe作靶面，称Chalnicon）等。但就工作原理而言，它们都是利用光电导现象工作的。下面以视象管和氧化铅管为例说明光电导摄象管的工作原事理。

4.3.1视象管

一、结构

视象管是空器件，它主要包括光电靶和电子枪两大部分。管外套有偏转、聚焦和校正线圈，利用它们产生的磁场来实现管中电子束的偏转、聚焦和方向校正。其剖面原理图如图

电子枪包括灯丝、阴极、控制栅极、加速极（第一阳极）和聚焦极。阴极被灯丝加热，发射出电子束。由阴极，控制栅极、加速极和聚焦极组成电子透镜，能起辅助聚焦作用，使电子束会聚成细束。聚焦线圈能起主聚焦作用，使电子束按螺旋形轨迹前进，从而使电子束聚焦于靶上的一小点。聚焦线圈具有足够的长度。以便保证聚焦磁力线和靶面垂直，有利于电子束垂直上靶。

在靶前有一个抑制栅网（一般与聚焦极相连），由于靶电子低于栅网电压，在靶前形成一个均匀的减速电场，有利于电子束垂直上靶，提高摄象管的清晰度；但靶面边缘部部清晰度仍较低，信号电流也较弱，影响图象的均匀性。把抑制栅网与聚焦极会开，并使其电压比聚焦极电压提高60％，这样不仅克服了上述两个缺点，而且分离网结构的摄象管总的清晰度比不分离的还有所提高，故目前普遍采用。电子束上靶后在靶面进行光电转换，形成图象信号。

偏转线圈使管内形成一个偏转磁场，在该偏转磁场的作用下，电子束进行周期性的行、场扫描运动，顺序取出靶上各点（象素）的信号。

由于制造和安装的误差，使电子束与管轴可能不完全平行，这会影响电子束的聚焦和垂直上靶。为此在视象管外靠加速极附近，装有两对相互垂直的校正线圈。通过调节线圈中电流，使它们产生的合成磁场方向在360°范围内变化，因而，可使电子束运动方向校正到与管轴平行。

光电靶面结构如图4.3（b）所示。在前面板玻璃内侧涂以薄薄的透明电极（SnO₂）,又称奈塞膜，由互电极引出图象信号。在此信号电极面板上再蒸涂上1～2um厚的Sb₂S₂光电导层。由硫化锑光敏半导体材料制成的靶虽然是一个整体，但是由于电子束的扫描，客观就把靶面分成数十万个象素（对我国的625行制式，靶面可分解为48×10⁴个象素）。由于光电导层的面电阻率很高（10¹¹～10^12W .cm），可以认为每是独立的（见图表4.3-3)；每个象素都可以看成一个光敏电阻与一个小电容（1.3×10^－2PF）的并联。这个小电容C称为存贮电容，其值不随光照变化，但光敏电阻R则随光照度变化而改变其电阻数值。

二、光电导原理

一个光子的能量W＝h.f，式中h为普朗克常数，其数量随光波频率f升高而增大。当光照到光敏半导体上时，处于满带中的电子吸收光量子，增大能量就能跃迁出禁带到达导带成为自由电子（一部分被禁带中的陷阱所俘获），而在满带中留下空穴，即产生了载流子，如图（4.3-2）所示。光照越强，产生载流子也越多。在宏观上表现为半导体的电导率增大，载流子的产生和复合是不断进行的。当光照一定时，产生和复合最后达到平衡。光照越强，载流子浓度越高，电导率越大；反之，光照越小，电导率越低。在无光照射时，由于热敏励也有少量电子跃迁禁带，而形成电导，这称为暗电导。[Page]

当光照停止后，载流子复合尚要继续一段时间，才能达到新的平衡，即电导率的恢复有一段带后时间，这称为光电导惰性。由于光电导惰性，将会产生余象，这是光电导管的主要缺点。

三、电视图象信号的产生

现代的电视摄象管产生图象信号都是基于电荷储能原理（Charge Storage Priciple）

图4.3－3视象管的等效电路图，信号产生过程大致分为两步：

1.电光象到电荷象－电荷的储能过程

被摄景物通过光学镜头成象于电导靶的外侧，由于光电导原理，靶上各点电导随光照强度变化，光照越强的象素点，其等效光敏电阻越小。

假设在靶面上取三点（暗、灰、亮）象素，暗点电阻R＞10^12W ，亮点的R＜10^10W ，灰点的R适中值。开关S等效为电子束扫描，电子束扫到该点（单元靶）时，即S台上；离开时，S断开。在电子束扫过某一点的瞬间，RC等效电路与靶电源电压＋E和阴极接成路，电容被充电，RC等效电路左端电位上升到＋E，右端为阴极电位（一般为0电位）。当电子束离开后，电容通过电阻放电，放电速度由电阻R大小决定，在两次扫描的时间间隔（1/25称）内，由于放电，使右端上升一个D E，其大小与R有关。如图4.3－3所示的亮点处，由于电阻小，放电快，则在两次扫描间隔内，D E的上升量大；而暗点处，由于电阻大，则D E小。于是，在一帧的扫描时间内，靶面的右侧就形成了一幅与光象的亮暗分布相对应的“电位象”，如图4.3－4（a）所示，这就时电荷的储能过程。

2.信号的拾取过程

当电子束再扫描靶面右端各象素时，由于右端各点的电位和阴极K的电位不相等，所以电子束要给象素的等效电容C再次充电，使靶面右端各点的电位与阴极K的电位抹平。该充电电流经负载R_L形成图象信号，其值为

式中，R_b为电子束的等效电阻，约为10MW ＞R_L。由此可见，电子束扫描亮点象素时，I较大；扫描暗象素点时，I较小。实验表明：输出信号电流I近似地正比于该象素点的亮度B，上述信号拾取过程如图4.3－4（b）所示。在图4.3－3中，输出的图象电压信号为负极性图象信号。

综观上述图象信号产生的过程，由于S断开时间是一帧时间，因此可以认为，在这一帧时间内，电容C把靶单元产生的电量以电荷移动的形式存贮起来。到临将扫描前，存贮的电荷量到达D EC；等到扫描时，把积累起来的电荷量集中利用，这就是电荷储能原理。现代摄象管就是利用这一原理来增强给出图象信号，从而提高摄象管的灵敏度。

在无光照时，也存在暗电导，因此无光照象素点也会产生暗电流。由于材较的不均匀，各点的暗电流大小不一而形成黑斑现象（Shading），因此需设置黑斑校正电路，加以补偿和校正。

四、视象管性能

视象管具有较高灵敏度和分解力，能满足对电视摄象管的基本要求。它体积小，结构简单，使用方便。其主要缺点是惰性大和暗电流大。

视象管中存在两惰性：一是光电导层体的惰性，即当光照消失或减弱后，载流子的复合需要一定时间，才能达到新的平衡，表现为信号电流的变化滞后于靶面光照度的变化，称为记录惰性。另一种惰性是电子扫描象素时，给象素电容的充电时间常数τ充＝（R_L＋R_b）.Clu 较大，使电子束在一次拾取期间还来不及完全抹平靶面内侧（即靶面右端）的电位起伏，亦即抹平正电荷图象，从而使后继拾取图象的电信号中包含先前的信号分量，这称为电容性惰性或拾取惰性。这两路惰性在电视图象上均表现为残留以前几帽图象的余象。对于图象中的快速运动的物体，余象更加明显，从而使图象的清晰度和对比度下降。分析表明，后者比前者者的影响更为严重。

暗电流造成的黑斑影响较大，需要在图象中加入与黑斑波形成相反的信号去抵消它的影响。

正由于视象管存在上述缺点，对于要求较高的广播电视摄象系统不能采用它。它通常用在要求不高的应用电视系统。

4.3.2 氧化铅管

由于视象管的惰性大的暗电流高而不稳定，限制了它在彩色电视中的应用。为了克服上述缺点并进一步提高灵敏度，1963年研制成功了氧化铅管，并在彩色电视中的得到了最广泛的应用。目前广播电视用的彩色摄象机几乎毫无例外地采用氧化铅管。[Page]

一、结构

氧化铅管除光电靶与视象管不同外，其余结构和工作原理均与视象管相同。氧化铅管的光电靶如图4.3－5所示，它在透明导电膜上蒸镀了三层氧化铅薄膜。其中间一层是厚10～20um的纯净的PbO本征层，称为I层；在扫描侧是掺有杂质的N型PbO 层，称为N层。P层和N型极薄，光电转换主要在I层进行，这三层构成PIN二极管结构。

由于上述结构，氧化铅管比视象管的惰性和暗电流要小得多。其原因如下：

1.由于N层和P层电阻率很低，I层电阻率却很高。靶压通常为45伏，将全部加在I层上，因此I层内部的电场强度很高（45V/15um＝3×10⁶V/m）。I层内受光激发所产生的载流子，在强电场作用下，以极高的速度通过I层，到达靶内侧面，渡越时间越短，复合的机会就减少。因此，在I层中由光激发出来的载流子几乎全部参加导电，故光电转换效率发挥充分，其灵敏度比视象管高。载流子渡越时间短本身就意味着记录惰性小。另外由于I层较厚，使电容性惰性也小，但是靶厚却使其分辨力略低于硫化锑管。，

2.由于靶上加有＋45伏电压，对PIN二极管来说是反向偏置，光电导管的暗电流就是通过这个反偏二极管的反向电流。它的数值非常低，只有0.5～1.5nA。由于暗电流小，所以PbO管的信号杂波比（S/N）高，黑色电平匀稳定，无黑斑效应。对彩色电视图象的底色调整十分有利，很适于在彩色摄象机中。

二、低照度下的惰性与背景光的加入

尽管氧化铅管靶中I层较厚，相对于视象而言，电容惰性较小，但是由于I层的电阻率高，介电系数大，其电容惰性仍较严重。在低照度下，靶内侧面形成的电位起伏较低，几乎与摄象管极电位接近，故靶内侧电位对着靶的电子束具有一定的排斥力。加上氧化铅管也采用了慢电子束扫描，电子束到在靶面时的速度已接近零，因此多数电子不能上靶，只有少数能量较高的电子能够上靶。这样，一次扫描不能把靶面上的电位抹平，需要多次扫描才行，从而造成余象。

为了克服照度下的惰性，常用的方法是加入背景光，即向靶面投射一层均匀的光，人为的提高靶面电位，使电子束容易上靶，从而使余象得以消失。加入均匀的背景光，相当于增加了输出图象信号中的直流分量，这很容易从图象信号中去掉。

新型的氧化铅管中就带有加入背景光的装置，图4.3－6示出两种带有加入背景光装置的氧化铅管的结构。

三、高照度下的惰性与抗彗尾电子枪

对应于高亮度的物体，氧化铅管的电容性则以另外一种表现出来。在高照度下，靶面内侧出现很高的电位。由于扫描电子束不足，一次扫描不能抹平这些高电位，结果，在每次扫描后都有一部分高电位残存下来，从而造成余象。另外，在靶面内侧，这些高亮度象素点的电位很高，将吸引周围的电子，其作用相当于高电位向外扩散。所以，从静止物体的图象来看，就会出现高度面积向外扩展、渗透的所谓“开花现象”，如图4.3－7所示。若为运动物体，则在高亮度部分的后面出现一条扩展的彩色拖尾，称为彗星尾。

采用抗彗尾电子枪ACT（Anti Comet Tail）和自动电子束最佳（ABC）电路可以克服上述现象。前者是采用特殊结构的电子枪，能在扫描逆程期发射出很强的电子束，从而能把经正程扫描后在靶面上残存的电位全部抹平；后者则是利用摄象管外的电子束控制电路，根据入射光通量来控制摄象管的栅极，将电子束的电流控制在适当的数值范围内，保证一次扫描能将靶面内侧的电位全部抹平。

综上所述，氧化铅摄象管由于采用了高效率的光电材料，设计了新型的靶面结构，并且把高、低照度下的惰性减少到一个允许的程度，从而使它成为一种性能比较理想的摄象管，因此在彩色电视中获得了广泛的应用。

四、氧化铅管的主要性能

1.灵敏度

由于在PbO管的I层内部形成高达3×10⁶V/m的高电场，入射光激的载流子几乎全部参与导电，使光电转换效率得到充分发挥，光电灵敏度可达400uA/1m,。1英寸靶面的摄象管输出0.3uA信号电流时靶面照度只需4LX。

2.光电转换特性[Page]

当靶压为定值时，输出电流与靶面照度的关系曲线称为摄象管的光电转换特性。通常用

表示。PbO管的γ值为0.85～0.95，近似为1。所以其光电转换特性为一条45°的直线，如图4.3－8所示。由于这一特性，因而使得在彩色摄象机易于满足不同电平的彩色平衡。

3.光谱特性

摄象管的光谱特性表示输出信号电流与入射光波长之间的函数关系，而光谱特性决于靶材料和结构。不同波长光的光电转换特性是不一样的，光电转换失去效应的波长λ称为截止波长，而

λ＝hC/E_g

上式中，h为普朗克常数，C为光速，E_g为光电材料的禁带宽度。因PbO的E_g＝2.0电子伏特，故λ＝620nm。显然，对红色管来说是不够的（应为700nm）。为此在I层内掺入禁带宽度仅为0.4电子伏特的PbS使红管的截止波长λ得以扩展，这种摄象称红色增强管，如摄象管XQ1025R。

波长较短的蓝光，因受靶中N层的吸收，进入I层时已较弱。为了不致过多的影响灵敏度，蓝管的N层应做得较薄。

彩色摄色机对红（R）、绿（G）、蓝（B）三种管子的光谱特性有不同的要求，所以PbO管的R、G（L）、B管是专用的，在管脚都有注明，使用时应予注意。图4.3－9中示出红、绿、蓝三种PbO管的光谱特性。

4.分解力

摄象管对景物细节的光电转换能力称为管子的分解力。它不仅与光电靶的材料、结构有关，而且与扫描电子束的聚焦有关。通常用调整特性来表示电视摄象管的分解力。如果被摄图象为黑白线条，且每对线条的亮度变化幅度都一样，则管子输出信号幅度变化的相对值（或称调制深度）与线条对数（也就是黑条与白条数，或称线数）的关系曲线即为调制特性。调制特性也可以表示为调制深度与频率的关系曲线（625行扫描标准中，5MHz对应为400线）。图4.3－10为一组1英寸氧化铅管的调制特性曲线。图中曲线表明，随着频率或线数的增加，调制深度将降低。还可以看出，蓝管的调制大于绿管，红管为最低。因为，光电层对短波长的光吸收得快，这样波长最长的红光因吸收得最差，便扩散得厉害，散射造成了分解力的降低。

4.3.3 固定摄象器件

摄象器件应同时具有光电转换和扫描两种功能，能将空间光学信息变换成电信号。利用某种光电效应使之产生与光输入相对应的电荷，这些电荷暂时贮存在构成象素的微小电容内，然后进行扫描读出。在真空摄象器件中，在象素电容中贮存的信号电荷用固体扫描方式读出。固体扫描有三种方式，它们的代表性器件如表4－1所示。

下面对XY寻址方式和信号转移方式的固体摄象器件分别加以介绍。电荷耦合器件（Chrage Coupled Device）简称CCD，它是采用信号转移方式，本节以CCD器件作为重点加以介绍。

表4－1 几种不同扫描方式及典型器件

扫 描 方 式	典 型 器 件
XY 寻 址 方 式 用移位寄存器顺次开关	MOS型 金属氧化物半导体	CID型 电荷注入器件
信号转移方式 （具有自扫描功能）	FT－CCD型 帧转移电荷耦合	IF－CCD型 BBD型 行间转移电荷耦合叠成器件
诱发转移方式	CPD型 电荷诱发器件

一、采用XY寻址方式的MOS型固体摄象器件

图4.3－11是采用了XY寻址方式的MOS型固体摄象器的原理图。其光电转换利用PN结光电效应。当光入射某个象素所对应的光敏二极管（例如D₂₂）上，就在与其并联的微小电容（C₂₂）上存贮电荷而形成信号电压。它的信号读取是采用XY寻址方式的。

图4.3－11所示器件具有3（V）×4（H）＝12个象素，各MOS晶体管Q_h1～Q_h4、Q₁₁～Q₃₄在水平和垂直扫描电路的脉冲驱动下起着开关作用。假设Q_h2和Q₂₂导通，由于光射敏二极管D₂₂而在电容C₂₂上形成的信号电压，就与外电路负载R_L和电源E接通，从而在负载R_L上形成信号电流，即得到视频图象信号的输出。

二、CCD固体摄象器件

1.CCD的基本结构与信息存贮

电荷耦合器件和半链器件（Bucket Brigade Devece简称BBD）同属于电荷传输器件（CID）

它们的工作机理相同。都是在金属－氧化物－半导体（MOS）技术上，通过存储和控制电荷运动而起作用的一种新型半导体器件，其基本结构包括半导体材料（如硅），氧化物（如SiO[Page]₂）金属电极三层，图4.3－12示出CCD一个电极的基本结构。

假定采用的衬底是P型硅，也就时说，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。当正偏压加到金属电极上时，空穴被推离半导体表面，形成多数载流子耗尽区。而在P型硅和SiO₂界面上电子浓度增加，形成电子势阱，所加正偏压越大，推离空穴的作用就更加强烈，电子势阱越深。

2.电荷转移原理

图4.3－13中加在电极A上的电压产生一个表面电位，它可以改变半导体表面的类型。当在电极B上加一更大的电压时，则在电极B的下部就产生更深的位阱。于是，少数载流子就从A流到B，从而完成了电荷的转移。

利用CCD的电荷转移原理可以做成移位寄存器。现以三相CCD器件为例，图4.3－14（a）为三相二位CCD器件简图，仍用P型Si作衬底。六个电极排成一行，并分别接到V₁、V₂、V₃三个时钟电压（如图4.3－14（b）所示）上。在t=t₁为高电位，V₂、V₃均为低电位，加有V₁电压的A和D两个电极下的势阱较深，少数载流子（电子）聚积在电极A和D下面的势阱中。在t₂～t₃期间，V₁电位下降，V₂为高电位，V₃为低电位，电子A和D的势阱变浅，电极B和E下面的势阱变深，少数载流子向势阱B和E移动。当t=t₃，V₂为高电位，V₁和V₃为低电位，电荷转移结束，A和D势阱中少数载流子全部转移到B和E势阱中。周期性重复上述过程，就可以使A、B、C、D势阱的电荷包（少数载流子）转移到最后一个势阱F中，并通过CCD的输出结构（图4.3－14（a）中末画出来），输送到外部电路。

3.光电转换原理

图4.3－14所示器件用图4.3－15的一组时钟来驱动，就可作为摄象器使用。在T_int时间范围内，V₁处于高电平，而V₂和V₃处于低电平，两个V₁电极下产生了势阱。设想有一个幅图象照在器件上，在D电极附近是强光，而在A电极附近是弱光，只要落到器件上的光子下的势阱中。因为D电极附近的入射光较强，所以D电极下的势阱的收集的电子较多。在Tscan期间，电荷包被传输到输出端，给出图4.3－15中的输出信号，其大小与入射到器件相应位置上的光强度成正比。这就完成了光电转换。

入射光的加入方式有三种：

①在每个单元的中心电极下开很小的孔，入射光直接照在硅片下部。

②硅衬底作得很薄，使光从背面入射。

③从正面入射，经过不透明电极之间的间隙进入器件，或采用多晶体透明电极，使光直接入射。

摄象器件为分线阵摄象器件（如图4.3－14所示）和面阵摄象器件，后者是由若干行线阵CCD排列在一起组成。对于面阵摄器件如何读出图象信息呢？

4.信息读出方式

面阵CCD器件常采用帧转移（FT）和行间转移（LLT）两种方式来读出图象信息，如图4.3－16所用。

图（a）帧转移方式，其详细电路结构如图4.3－17所示。这种器件由象素数量相同的受光部（摄象区）和存贮以及水平移位寄存器和输出电路组成。在某一场周期内，对应光的输入在受光部所产生的信号电荷，用附加在三相电极上的交迭脉冲在场消隐期间内一一对应地平移到存贮部。在下一场正程期间，受光部又对下一场的光照产生的电荷进行积累。存贮部结构与受光部相同，它存贮上一场的图象信号，并在行消隐期间内，在其三相电极上，加上一个周期性的三相交迭行步进脉冲，使存贮区的信号每经过一行的时间，便向水平移位寄存器平移一行。水平移位寄存器也是三相操作，在行正程期间，它的三相电极上附加水平传送交迭脉冲，使一行的图象信号通过输出电路顺次输出。

该方式的优点是整个受光部进行光电转换，故灵敏度较高，并容易防止晕斑现象（Blooming），时钟电路也简单。但是，由于受光部和存贮部面积相同，故器件表面尺寸较大。

图4.3－16（b）为行转移方式CCD，这种方式的光敏单元彼此分开，有可能取得较高的空间频率响应。各个光敏单元的信号电荷，通过转移到不照光的垂直方向的转移位寄存器中。在行消隐期间，每个垂直转移寄存器顺次向水平移位寄存器转移一个光敏单元的电信号，在行扫描正程期间，水平移位寄存器将顺序输出一行的图象信号。[Page]

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