3-6-1图像传感器

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扫描型图像传感器输出的视频信号可经A/D转换为数字信号 扫描型图像传感器输出的视频信号可经A/D转换为数字信号 A/D （或称其为数字图像信号），存入计算机系统，并在软件的支 或称其为数字图像信号），存入计算机系统， ），存入计算机系统 持下完成图像处理、存储、传输、显示及分析等功能。因此， 持下完成图像处理、存储、传输、显示及分析等功能。因此， 扫描型图像传感器的应用范围远远超过直视型图像传感器的应 用范围。 用范围。 直视型图像传感器用于图像的转换和增强。 直视型图像传感器用于图像的转换和增强。它的工作方式 图像传感器用于图像的转换和增强 是将入射辐射图像通过外光电转化为电子图像，再由电场或电 是将入射辐射图像通过外光电转化为电子图像， 磁场的加速与聚焦进行能量的增强， 磁场的加速与聚焦进行能量的增强，并利用二次电子的发射作 用进行电子倍增， 用进行电子倍增，最后将增强的电子图像激发荧光屏产生可见 光图像。 光图像。 本节主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理， 本节主要讨论从光学图像到视频信号的转换原理，即图像 传感器的基本工作原理和典型应用问题 。
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3.6.3
光电成像原理与电视制式
1.光电成像原理 1.光电成像原理
如图所示为光电成像系统的基本原理方框图。 如图所示为光电成像系统的基本原理方框图。可以看出光 电成像系统常被分成摄像系统(摄像机) 图像显示系统两部分。 电成像系统常被分成摄像系统(摄像机)与图像显示系统两部分。 摄像系统 两部分 摄像系统由光学成像系统（成像物镜） 光电变换系统、 摄像系统由光学成像系统（成像物镜）、光电变换系统、同步 光学成像系统 扫描和图像编码等部分构成，输出全电视视频信号。 扫描和图像编码等部分构成，输出全电视视频信号。 等部分构成
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3.6.2 图像传感器的分类
图像传感器按其工作方式可分为扫描型和直视（凝视） 图像传感器按其工作方式可分为扫描型和直视（凝视）型 扫描型 两类。 两类。扫描型图像传感器件通过电子束扫描或数字电路的自扫 描方式将二维光学图像转换成一维时序信号输出出来。 描方式将二维光学图像转换成一维时序信号输出出来。这种代 表图像信息的一维信号称为视频信号。 表图像信息的一维信号称为视频信号。视频信号可通过信号放 大和同步控制等处理后，通过相应的显示设备（如监视器） 大和同步控制等处理后，通过相应的显示设备（如监视器）还 原成二维光学图像信号。 原成二维光学图像信号。 视频信号的产生、 视频信号的产生、传输与还原过程中都要遵守一定的规 则才能保证图像信息不产生失真，这种规则称为制式。 则才能保证图像信息不产生失真，这种规则称为制式。 制式 电视制式。 例如广播电视系统中遵循的规则被称为电视制式 例如广播电视系统中遵循的规则被称为电视制式。数字图 像传输与处理过程中根据计算机接口方式的不同也规定了许多 种类的制式。 种类的制式。
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扫描方式
（1）逐行扫描 ） 显像管的电子枪装有水平与垂直两个方向的偏转线圈， 显像管的电子枪装有水平与垂直两个方向的偏转线圈，线圈中分别 流过如图所示的锯齿波电流， 流过如图所示的锯齿波电流，电子束在偏转线圈形成的磁场作用下 同时进行水平方向和垂直方向的偏转，完成对显像管荧光屏的扫描。 显像管荧光屏的扫描 同时进行水平方向和垂直方向的偏转，完成对显像管荧光屏的扫描。
第三章光电探测器
3.1 光电探测器的物理基础 3.2 光电子发射探测器 3.3 光电导探测器 3.4 光伏探测器 3.5 热电探测器 3.6 光电成像器件 3.7 各类光电探测器的性能及 应用比较
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3.6光电成像器件 3.6光电成像器件
3.6.1图像传感器发展历史 1.发展历史 完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。 完成图像信息光电变换的功能器件称为光电图像传感器。 光电图像传感器 光电图像传感器的发展历史悠久，种类很多。 光电图像传感器的发展历史悠久，种类很多。 早在1934 年就成功地研制出光电摄像管 Iconoscope） 1934年就成功地研制出 光电摄像管（ 早在 1934 年就成功地研制出 光电摄像管 （ Iconoscope ） ， 用于室内外的广播电视摄像。但是，它的灵敏度很低， 用于室内外的广播电视摄像。但是，它的灵敏度很低，信噪比 很低，需要高于10000lx的照度 才能获得较为清晰的图像。 10000lx 的照度才能获得较为清晰的图像 很低 ， 需要高于 10000lx 的照度 才能获得较为清晰的图像 。 使 它的应用受到限制。 它的应用受到限制。 1947年制出的超正析像管（ Orthico） 1947年制出的超正析像管（Imaige Orthico）的灵敏度有 年制出的超正析像管 所提高，但是最低照度仍要求在2000lx以上。 所提高，但是最低照度仍要求在2000lx以上。 2000lx以上
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D图像传感器 D图像传感器 •CCD图像传感器具有固体器件的所有优点。 CCD图像传感器具有固体器件的所有优点。 CCD图像传感器具有固体器件的所有优点 •它的自扫描输出方式消除了电子束扫描造成的图像光电转 它的自扫描输出方式消除了电子束扫描造成的图像光电转 换的非线性失真。即CCD图像传感器的输出信号能够不失真 换的非线性失真。 CCD图像传感器的输出信号能够不失真 图像传感器的输出信号 地将光学图像转换成视频电视图像。 地将光学图像转换成视频电视图像。 •它的体积、重量、功耗和制造成本是电子束摄像管根本无 它的体积、重量、功耗和制造成本是电子束摄像管根本无 它的体积 法达到的。 法达到的。 •CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为广泛应用图 CCD图像传感器的诞生和发展使人们进入了更为广泛应用图 CCD 像传感器的新时代。利用CCD图像传感器人们可以近距离的 像传感器的新时代。利用CCD图像传感器人们可以近距离的 CCD 实地观测星球表面的图像，可以观察肠、胃耳、 实地观测星球表面的图像，可以观察肠、胃耳、鼻、喉等器 官内部的病变图像信息， 官内部的病变图像信息，可以观察人们不能直接观测的图像 （如放射环境的图像，敌方阵地图像等）。 如放射环境的图像，敌方阵地图像一幅图像分割成若干像素的方法有很多， 将一幅图像分割成若干像素的方法有很多，超正析像管利 用电子束扫描光电阴极的方法分割像素； 用电子束扫描光电阴极的方法分割像素；视像管由电阻海颗粒 分割；面阵CCD、CMOS图像传感器用光敏单元分割。 分割；面阵CCD、CMOS图像传感器用光敏单元分割。被分割后 CCD 图像传感器用光敏单元分割 的电气图像经扫描才能输出一维时序信号， 的电气图像经扫描才能输出一维时序信号，扫描的方式也与图 像传感器的性质有关。 像传感器的性质有关。 面阵CCD采用转移脉冲方式将电荷包（像素信号）输出一 面阵CCD采用转移脉冲方式将电荷包（像素信号） CCD采用转移脉冲方式将电荷包 维时序信号；CMOS图像传感器采用顺序开通行、 维时序信号；CMOS图像传感器采用顺序开通行、列开关的方式 图像传感器采用顺序开通行 完成像素信号的一维输出。 完成像素信号的一维输出。 因此，有时也称面阵CCD、CMOS图像传感器以自扫描的方式 因此，有时也称面阵CCD、CMOS图像传感器以自扫描的方式 CCD 图像传感器以 输出一维时序电信号。 输出一维时序电信号。
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监视器或电视接收机的显像管几乎都是利用电磁场使电子 监视器或电视接收机的显像管几乎都是利用电磁场使电子 束偏转而实现行与场扫描，因此，对于行、场扫描的速度、 束偏转而实现行与场扫描，因此，对于行、场扫描的速度、周 期等参数进行严格的规定，以便显像管显示理想的图像。 期等参数进行严格的规定，以便显像管显示理想的图像。
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两场光栅均匀交错叠加是对隔行扫 描方式的基本要求， 描方式的基本要求，否则图像的质 量将大为降低。因此要求隔行扫描 量将大为降低。因此要求隔行扫描 必须满足下面两个要求： 必须满足下面两个要求： 第一， 第一，要求下一帧图像的扫描起始 点应与上一帧起始点相同， 点应与上一帧起始点相同，确保各 帧扫描光栅重叠； 帧扫描光栅重叠； 第二，要求相邻两场光栅必须均匀地镶嵌，确保获得最高的清晰度。 第二，要求相邻两场光栅必须均匀地镶嵌，确保获得最高的清晰度。 从第一条要求考虑，每帧扫描的行数应为整数， 从第一条要求考虑，每帧扫描的行数应为整数，若在各场扫描电流 都一样的情况下，要满足第二条要求，每帧均应为奇数。那末， 都一样的情况下，要满足第二条要求，每帧均应为奇数。那末，每 场的扫描行数就要出现半行的情况。 场的扫描行数就要出现半行的情况。 目前，我国现行的隔行扫描电视制式就是每帧扫描行数为 目前，我国现行的隔行扫描电视制式就是每帧扫描行数为625行， 行 每场扫描行数为312.5行。 行 每场扫描行数为
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CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。CCD图像 CCD图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品。CCD图像 图像传感器目前已经成为图像传感器的主流产品 传感器的应用研究成为当今高新技术的主流课题。 传感器的应用研究成为当今高新技术的主流课题。 •主要应用： 主要应用： 主要应用 广播电视、工业电视、医用电视、 广播电视、工业电视、医用电视、 军用电视、 军用电视、微光与红外电视技术 机器视觉， 机器视觉， 公安刑侦、 公安刑侦、 交通指挥、 交通指挥、 安全保卫。 安全保卫。
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（2）隔行扫描 ） 根据人眼对图像分辨能力确定扫描的水平行数至少应大于 根据人眼对图像分辨能力确定扫描的水平行数至少应大于 600行，这对于逐行扫描方式，行扫描频率必须大于29000Hz 行 这对于逐行扫描方式，行扫描频率必须大于 才能保证人眼视觉对图像的最低要求。这样高的行扫描频率， 才能保证人眼视觉对图像的最低要求。这样高的行扫描频率， 无论对摄像系统还是对显示系统都提出了更高的要求。 无论对摄像系统还是对显示系统都提出了更高的要求。为了降 低行扫描频率， 低行扫描频率，又能保证人眼视觉对图像分辨率及闪耀感的要 求，早在20世纪初，人们就提出了隔行扫描分解图像和显示图 世纪初， 隔行扫描分解图像和 早在 世纪初 人们就提出了隔行扫描分解图像 像的方法。 像的方法。