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1、1 1 1 3.5 3.5 光电成像器件光电成像器件光电成像器件光电成像器件 （光电图像传感器光电图像传感器） 2 2 3.5.1 3.5.1 光电图像传感器概述光电图像传感器概述 3.5.2 3.5.2 摄像原理与电视制式摄像原理与电视制式 3.5.3 3.5.3 变像管和像增强器（像管）变像管和像增强器（像管）变像管和像增强器（像管）变像管和像增强器（像管） 3.5.4 3.5.4 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD） 3.5.5 CMOS3.5.5 CMOS图像传感器图像传感器图像传感器图像传感器 3 3 3.5.1 光电图像传感器概述光电图像传感器概述 4 4 光电图像传感器：光电图像
2、传感器：完成图像信息光电变换的功能器件完成图像信息光电变换的功能器件。 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。 ?1934年：研制出年：研制出光电摄像管（光电摄像管（Iconoscope） 。 一、光电图像传感器发展历史一、光电图像传感器发展历史一、光电图像传感器发展历史一、光电图像传感器发展历史 用于室内外的广播电 视摄像。灵敏度很低，信 噪比很低，需要高于 用于室内外的广播电 视摄像。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，应用受 到限制。 的照度才能获得 较为清晰的图像，应用受 到限制。 Vladi
3、mir Vladimir KosmaKosma ZworykinZworykin 18891889- -19821982 Philo Taylor Farnsworth 1906-1971 2 5 5 The complete experimental camera for 180 TV lines displayed in the Philips laboratory http:/members.chello.nl/h.dijkstra19/page4.html The first Philips Iconoscope tube early 1930s. 6 6 1947年：年：超正析像管（
4、超正析像管（Imaige Orthicon） 灵敏度有所提高， 但是最低照度仍要求在灵敏度有所提高， 但是最低照度仍要求在2000lx以上。以上。 1954年：年：高灵敏视像管（高灵敏视像管（Vidicon） 基本具有了成本低，体积小，结构简单的特点， 使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展。 基本具有了成本低，体积小，结构简单的特点， 使广播电视事业和工业电视事业有了更大的发展。 1965年：年：氧化铅视像管氧化铅视像管( (PlumbiconPlumbicon) ) 取代超正析像管，发展了彩色电视摄像机。 诞生 取代超正析像管，发展了彩色电视摄像机。 诞生1英寸，英寸，1/2英寸，英寸
5、，1/3英寸（英寸（8mm）靶面的彩色摄像机。 抗强光的能力低，余辉效应影响了采样速率。 ）靶面的彩色摄像机。 抗强光的能力低，余辉效应影响了采样速率。 1976年：年：硒靶管硒靶管（SaticonSaticon）和硅靶管）和硅靶管（SiticonSiticon） 灵敏度更高，成本更低。灵敏度更高，成本更低。 7 7 The huge 4,5“ EEV 9224 Image Orthicon 2/3“ Vidicon tube. 4 1/2“ B&W Image Orth 3“ B&W Image Orth 1“ Color Plumbicon 3/4“ Color Plumbicon www
6、.pharis- http:/members.chello.nl/h.dijkstra 19/page4.html 8 8 3 9 9 1970年：美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件（CCD）的原理使图像 传感器的发展进入了一个全新的阶段，使图像传感器从 1970年：美国贝尔电话实验室发现的电荷耦合器件（CCD）的原理使图像 传感器的发展进入了一个全新的阶段，使图像传感器从真空电子束扫描真空电子束扫描 方式方式发展成为发展成为固体自扫描输出固体自扫描输出方式。方式。 ?具有固体器件的所有优点，体积、重 量、功耗和制造成本是电子束摄像管无法 达到的； 具有固体器件的所有优点，体积、重 量、功耗
7、和制造成本是电子束摄像管无法 达到的； ?自扫描输出方式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 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地将光 学图像转换成视频电视图像； 图像传感器的输出信号能够不失真地将光 学图像转换成视频电视图像； ?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像传感器的新时代。 图像传感器的诞生和发展使人们进 入了更为广泛应用图像传感器的新时代。 1010 高锟高锟光纤之父光纤之父博伊尔博伊尔&史密斯史密斯发明发明CCD图像传感器图像传感器 2009年诺贝尔奖物理学奖得主年诺贝尔奖
8、物理学奖得主 Fig.1贝尔实验室贝尔实验室George Smith和和 Willard Boyle将可视电话和半导体 存储技术结合发明了 将可视电话和半导体 存储技术结合发明了CCD原型原型 Fig.2 现代现代CCD芯片外观芯片外观 1111 二、光电成像器件的类型二、光电成像器件的类型 光电成像器件（成像原理）光电成像器件（成像原理） 扫描型非扫描型扫描型非扫描型 真空电子束扫描 固体自扫描： 真空电子束扫描 固体自扫描：CCD，CMOS，CID 光电型 热电型：热释电摄像管 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 光电发射式摄像管 光电导式摄像管 变像管（完 成
9、图像光谱 变换） 变像管（完 成图像光谱 变换） 红外变像管红外变像管 紫外变像管紫外变像管 X射线变像管射线变像管 像增强管（图像 强度的变换） 像增强管（图像 强度的变换） 串联式串联式 级联式 微通道板式 负电子亲和势阴极 级联式 微通道板式 负电子亲和势阴极 主要由像敏 面、电子透 镜显像面 构成 主要由像敏 面、电子透 镜显像面 构成 选通式变像管选通式变像管 X射线增强器射线增强器 pn结型结型 内光电 外光电： 内光电 外光电： 1212 扫描型(扫描型(间接成像、摄像型间接成像、摄像型)图像传感器件工作原理：)图像传感器件工作原理： 通过通过电子束扫描电子束扫描或数字电路的或数
10、字电路的自扫描方式自扫描方式将将二维光学图像二维光学图像 转换成转换成一维时序信号（视频信号）一维时序信号（视频信号），视频信号再通过信号放大 和同步控制等处理后（或者将视频信号经 ，视频信号再通过信号放大 和同步控制等处理后（或者将视频信号经A/D转换为具有某种规 范（制式）的数字信号），通过相应的显示设备（如监视器） 转换为具有某种规 范（制式）的数字信号），通过相应的显示设备（如监视器） 还原成二维光学图像还原成二维光学图像信号。 典型器件：真空摄像管（电子束扫描）， 信号。 典型器件：真空摄像管（电子束扫描），CCD（固体自扫描） 主要应用：广播电视 （固体自扫描） 主要应用：广播电视
11、 4 1313 输出一维视频信号输出一维视频信号 摄像头摄像头 电 子 束 扫 描 固 体 自 扫 描 电 子 束 扫 描 固 体 自 扫 描 1414 非扫描型（非扫描型（非扫描型（非扫描型（直视型、直接成像、凝视直视型、直接成像、凝视直视型、直接成像、凝视直视型、直接成像、凝视）图像传感器工作原理图像传感器工作原理图像传感器工作原理图像传感器工作原理： 景物经物镜成像在光电阴极上，光电阴极将光学图像转变成电 子图像，再经电子透镜增强并聚焦在荧光屏上，引起荧光材料发 光。荧光屏上每点的亮度与光电阴极上对应点的光强度成正比，于 是在荧光屏上成了可见的景物图像。 典型器件：变像管、像增强器 主要
12、应用：夜视技术、检测测量 景物经物镜成像在光电阴极上，光电阴极将光学图像转变成电 子图像，再经电子透镜增强并聚焦在荧光屏上，引起荧光材料发 光。荧光屏上每点的亮度与光电阴极上对应点的光强度成正比，于 是在荧光屏上成了可见的景物图像。 典型器件：变像管、像增强器 主要应用：夜视技术、检测测量? ?无扫描机构 无扫描机构无扫描机构无扫描机构 ? ?不能输出视频信号序列！不能输出视频信号序列！不能输出视频信号序列！不能输出视频信号序列！ ? ?观察者必须通过它来直接面对景观察者必须通过它来直接面对景物物观察者必须通过它来直接面对景物观察者必须通过它来直接面对景物 1515 三、光电成像器件的基本特性
13、三、光电成像器件的基本特性 1、光谱响应、光谱响应 1）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； ）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，光谱 响应由基于内光电效应靶 材料决定； ）氧化铅摄像管，光谱 响应由基于内光电效应靶 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。 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。 1616 2、转换特性（光电成像器件的输出量与对应输入量的
14、比值关系）、转换特性（光电成像器件的输出量与对应输入量的比值关系） 变像管变像管：转换系数：转换系数C表示表示 e v C = 光通量光通量 辐通量辐通量 像增强管像增强管：亮度转换增益：亮度转换增益GL：荧光屏的光出射度和入射至光电 阴极面上的照度之比 ：荧光屏的光出射度和入射至光电 阴极面上的照度之比 v v L E M G = vv LM= v v L E L G= (lm/W) 荧光屏出射度荧光屏出射度 光阴极照度 无量纲 光阴极照度 无量纲 5 1717 摄像器件摄像器件：灵敏度：灵敏度S表示表示 e E I S = e I S = v E I S = v I S = 电视系统电视系
15、统：光电导材料的值来表示：光电导材料的值来表示 v EAIlnlnln+= 视像管的信 号电流 视像管的信 号电流 常数常数 视像管靶面 照度 视像管靶面 照度 1，弱光信号被提高，弱光信号被提高 灰度系数灰度系数 1818 ?极限分辨率（主观）：极限分辨率（主观）：当标准测试板通过 像管后，在荧光屏的每毫米长度上用目测法 能分辨得开的黑白相间等宽距条纹的对数 （即 当标准测试板通过 像管后，在荧光屏的每毫米长度上用目测法 能分辨得开的黑白相间等宽距条纹的对数 （即“空间频率空间频率”数），单位是每毫米线对数 （ 数），单位是每毫米线对数 （lp/mm，即，即linepairs/mm）。）。
16、3. 3. 分辨率（鉴别率）分辨率（鉴别率）分辨率（鉴别率）分辨率（鉴别率） 补充：摄影的最终产品是照片，所以，根据拍摄照片的质量来评价镜头质量是最基本 的测试镜头的方法。不过决定照片质量的客观因素很多，而一张照片的 补充：摄影的最终产品是照片，所以，根据拍摄照片的质量来评价镜头质量是最基本 的测试镜头的方法。不过决定照片质量的客观因素很多，而一张照片的“好好”与与“坏坏”又 需要人的主观判断，很难通过测量得出客观的定量结果。大量事实表明， 又 需要人的主观判断，很难通过测量得出客观的定量结果。大量事实表明，影响拍摄质影响拍摄质 量最重要的因素是镜头的分辨率和反差。量最重要的因素是镜头的分辨率和反差。反差大小可以通过仪器很容易测量，而分辨 率就不那么容易了！现在我们经常 反差大小可以通过仪器很容易测量，而分辨 率就不那么容易了！现在我们经常采用拍摄标准分辨率板的方法测量镜头的分辨率采用拍摄标准分辨率板的方法测量镜头的分辨率。 将拍摄了标准分辨率板的底片放到显微镜下
