《04图像传感器原理及图像显示与电视制式》由会员分享，可在线阅读，更多相关《04图像传感器原理及图像显示与电视制式（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、教学进度图像传感器的概述图像传感器的概述光电技术基础光电技术基础光源光源典型面阵典型面阵ICCD视频信号处理及视频信号处理及计算机数据采集计算机数据采集图像传感器的典型应用图像传感器的典型应用典型线阵典型线阵ICCD图像传感器基本原理及电视制式图像传感器基本原理及电视制式CCD图像传感器基本工作原理图像传感器基本工作原理第四讲第四讲 图像传感器基本原理及电视制式图像传感器基本原理及电视制式成像物镜将外界照明光照射下的（或自身发光的）景物成像成像物镜将外界照明光照射下的（或自身发光的）景物成像在物镜的像面上，形成二维空间的光强分布（光学图像）。在物镜的像面上，形成二维空间的光强分布（光学图像）。
2、图像传感器定义：图像传感器定义：能够将二维光强分布的光学图像转变成一能够将二维光强分布的光学图像转变成一维时序电信号的传感器。维时序电信号的传感器。制式：制式：图像传感器与图像显示器之间的信号传输与接收都要图像传感器与图像显示器之间的信号传输与接收都要遵守的规则。例如广播电视系统中规定的规则则称为遵守的规则。例如广播电视系统中规定的规则则称为电视制式电视制式。比如比如PAL、NTSC、SECAM制式制式视频信号：视频信号：按电视制式输出的一维时序信号。按电视制式输出的一维时序信号。 图像传感器的基本工作原理图像传感器的基本工作原理: : 光电转换光电转换+扫描输出扫描输出(点点/线线/)p图像
3、传感器基本原理图像传感器基本原理 图像传感器的基本结构图像传感器的基本结构图像传感器的基本技术参数图像传感器的基本技术参数p图像的显示与电视制式图像的显示与电视制式电视监视器的扫描电视监视器的扫描电视制式电视制式第四讲第四讲 图像传感器基本原理及电视制式图像传感器基本原理及电视制式一、图像传感器基本原理一、图像传感器基本原理 图像传感器的原理：图像传感器的原理：光电转换光电转换+扫描输出（点扫描输出（点/线线/）光电转换：光电转换：摄像面接受的光转换成电信号（光电效应）摄像面接受的光转换成电信号（光电效应）摄像管的摄像面：摄像管的摄像面：在云母或玻璃等绝缘板上涂覆光导电膜构在云母或玻璃等绝缘板
4、上涂覆光导电膜构成，根据成像的光强弱在摄影面上产生电荷；成，根据成像的光强弱在摄影面上产生电荷；CCD图像传感器：图像传感器：采用光电二极管产生电荷；采用光电二极管产生电荷；信号电荷：信号电荷：上述产生的电荷，为具有图像信息的电信号来源上述产生的电荷，为具有图像信息的电信号来源扫描输出：扫描输出：光电转换得到的信号电荷取出的方式，如逐个像素光电转换得到的信号电荷取出的方式，如逐个像素取出、按列并行输出等等。但最适当的方法为适应后续的图像取出、按列并行输出等等。但最适当的方法为适应后续的图像的显示，对于视频信号而言，扫描应配合相应的电视制式。的显示，对于视频信号而言，扫描应配合相应的电视制式。（
5、一）图像传感器的基本结构（一）图像传感器的基本结构 根据根据图像的分解方式图像的分解方式可将图像传感器分成三种类型：可将图像传感器分成三种类型：光机扫描型光电图像传感器光机扫描型光电图像传感器光电传感器光电传感器+机械扫描机械扫描单元光机扫描方式图像传感器单元光机扫描方式图像传感器多元光机扫描方式图像传感器。多元光机扫描方式图像传感器。电子束扫描图像传感器电子束扫描图像传感器固体自扫描图像传感器固体自扫描图像传感器 单元光电传感器1 1、光机扫描式图像传感器、光机扫描式图像传感器 （1）单元光机扫描方式）单元光机扫描方式 单元光电传感器单元光电传感器 + 机械扫描装置机械扫描装置 单元光电传感
6、器的面积与被单元光电传感器的面积与被扫描图像的面积相比很小，可以扫描图像的面积相比很小，可以看作一个点。看作一个点。行扫描行扫描：扫描机构带动单元光电传感器在图像的像面沿水平：扫描机构带动单元光电传感器在图像的像面沿水平 （x方向）做高速往返运动。方向）做高速往返运动。行正程：行正程：沿沿x正方向的运动；反之为正方向的运动；反之为行逆程。行逆程。场扫描场扫描：在垂直（在垂直（y )方向做低速往返运动；方向做低速往返运动；场正程场正程：场扫描中沿：场扫描中沿y方向的扫描运动；反之为方向的扫描运动；反之为场逆程场逆程。行、场扫描应满足下面两个条件行、场扫描应满足下面两个条件: . 行正程时间行正程
7、时间Txz大于行逆程时间大于行逆程时间Txr；即；即Txz Txr； 场正程时间场正程时间Tyz大于场逆程时间大于场逆程时间Tyr；即；即TyzTyr。 . 行周期与场周期满足行周期与场周期满足Ty为光敏单元扫描整幅图像的场周期。为光敏单元扫描整幅图像的场周期。 场周期场周期Ty = 场正程时间场正程时间Tyz + 场逆程时间场逆程时间TyrTx为光敏单元扫描一行图像的周期；为光敏单元扫描一行图像的周期； 行周期行周期Tx = 行正程时间行正程时间Txz + 行正程时间行正程时间TxrN为正整数。为正整数。 光电传感器光敏面的减小产生的后果：扫描点数的提高，使光电传感器光敏面的减小产生的后果：
8、扫描点数的提高，使行正程的时间增长，或必须提高行扫描速度（当要求行正程时行正程的时间增长，或必须提高行扫描速度（当要求行正程时间不变的情况下），这对光机扫描方式常常是很困难的。间不变的情况下），这对光机扫描方式常常是很困难的。光机扫描方式的水平分辨率光机扫描方式的水平分辨率光学图像水平方向的尺寸光学图像水平方向的尺寸光电传感器水平方向尺寸光电传感器水平方向尺寸提高光机扫描方式分辨率提高光机扫描方式分辨率的有效方法：的有效方法：减小光电传感器的面积减小光电传感器的面积光机扫描方式的垂直分辨率光机扫描方式的垂直分辨率光学图像垂直方向的尺寸光学图像垂直方向的尺寸光电传感器垂直方向尺寸光电传感器垂直方
9、向尺寸 因因此此，单单元元光光电电传传感感器器的的光光机机扫扫描描方方式式的的水水平平分分辨辨率率受受到到扫扫描描速速度度的的限限制制。为为了了提提高高光光机机扫扫描描方方式式的的分分辨辨率率与与扫扫描描速速度度，应应采用多元光电传感器构成多元光机扫描方式采用多元光电传感器构成多元光机扫描方式。 （2）多元光机扫描方式）多元光机扫描方式 多元光机扫描方式中，多元光机扫描方式中，行扫描由光电传感器的顺序输出完成行扫描由光电传感器的顺序输出完成。在。在行正程期间，按排列顺序将光电传感器的输出信号取出形成行视行正程期间，按排列顺序将光电传感器的输出信号取出形成行视频信号。在这种情况下，频信号。在这种
10、情况下，机械扫描只需要进行机械扫描只需要进行y 方向的一维扫描方向的一维扫描便可以将整幅图像转换成视频信号输出，弥补了机械扫描速度慢便可以将整幅图像转换成视频信号输出，弥补了机械扫描速度慢的缺点，同时减少了双向扫描带来的繁杂的机械扫描机构。的缺点，同时减少了双向扫描带来的繁杂的机械扫描机构。 由线阵由线阵CCD光电传感器构成的图像扫光电传感器构成的图像扫描仪描仪是一个典型的多元光机扫描系统。是一个典型的多元光机扫描系统。该系统中线阵该系统中线阵CCD完成水平方向的自完成水平方向的自扫描，而扫描，而y方向由步进电机带动线阵方向由步进电机带动线阵CCD进行慢速的扫描运动，完成对整进行慢速的扫描运动
11、，完成对整幅图像的转换，形成视频信号输出。幅图像的转换，形成视频信号输出。2. 电子束扫描图像传感器电子束扫描图像传感器 电子束扫描方式的图像传感器是最早应用于图像传感器的，电子束扫描方式的图像传感器是最早应用于图像传感器的，如早期的各种电真空摄像管，真空视像管，以及红外成像系统如早期的各种电真空摄像管，真空视像管，以及红外成像系统中的热释电摄像管等。中的热释电摄像管等。 电子束扫描成像方式工作原理：电子束扫描成像方式工作原理：被摄景物图像通过成像物镜被摄景物图像通过成像物镜成像在摄像管的靶面上，成像在摄像管的靶面上，以靶面以靶面电位分布电位分布或以靶面或以靶面电阻分布电阻分布的的形式将光强分
12、布的图像信号存于靶面形式将光强分布的图像信号存于靶面，并通过电子束将其检取，并通过电子束将其检取出来，形成视频信号。出来，形成视频信号。 电子束在摄像管偏转线圈的作用下，进行行扫描与场扫描，电子束在摄像管偏转线圈的作用下，进行行扫描与场扫描，完成对整个图像的扫描（或分解）。完成对整个图像的扫描（或分解）。 电子束摄像管的行扫描与场扫描一般要遵守电视制式。电子束摄像管的行扫描与场扫描一般要遵守电视制式。3.固体自扫描图像传感器固体自扫描图像传感器 20世纪世纪70年代发展起来的图像传感器件，如面阵年代发展起来的图像传感器件，如面阵CCD器件，器件，CMOS图像传感器件等。这类器件图像传感器件等。
13、这类器件本身具有自扫描功能本身具有自扫描功能。例例如如面面阵阵CCD固固体体摄摄像像器器件件的的光光敏敏面面能能够够将将成成像像于于其其上上的的光光学学图图像像转转换换成成电电荷荷密密度度分分布布的的电电荷荷图图像像，电电荷荷图图像像可可以以在在驱驱动动脉脉冲冲的的作作用用下下按按照照一一定定的的规规则则（如如电电视视制制式式）一一行行行行地地输输出出，形形成成图图像像信信号（或视频信号）。号（或视频信号）。 上述三种扫描方式中，电子束扫描方式由于电子束摄像管逐上述三种扫描方式中，电子束扫描方式由于电子束摄像管逐渐被固体图像传感器所取代，也逐渐退出舞台。渐被固体图像传感器所取代，也逐渐退出舞台
14、。 目前目前光机扫描方式光机扫描方式与与固体自扫描方式固体自扫描方式在光电图像传感器中占在光电图像传感器中占据主导地位。据主导地位。 在有些应用中在有些应用中将一些扫描方式合成起来能够获得更为优越的将一些扫描方式合成起来能够获得更为优越的图像传感器。图像传感器。例如，将几个线阵例如，将几个线阵CCD图像传感器或几个面阵图图像传感器或几个面阵图像传感器拼接起来，再利用机械扫描机构，形成一个视场更大像传感器拼接起来，再利用机械扫描机构，形成一个视场更大分辨率更高的图像传感器以满足人们探索宇宙奥秘的需要。分辨率更高的图像传感器以满足人们探索宇宙奥秘的需要。（二）图像传感器基本技术参数（二）图像传感器
15、基本技术参数 基本技术参数包含：光学成像物镜和光电成像器件的参数。基本技术参数包含：光学成像物镜和光电成像器件的参数。1、光学成像物镜的主要参数为：、光学成像物镜的主要参数为：（1）成像物镜的焦距成像物镜的焦距决定成像的大小；物距相同时，焦距越长，像越大决定成像的大小；物距相同时，焦距越长，像越大（2）相对孔径相对孔径决定了物镜的分辨率、像面照度和成像物镜成像质量。决定了物镜的分辨率、像面照度和成像物镜成像质量。（3）视场角视场角决定了能在光电图像传感器上成良好像的空间范围。要求决定了能在光电图像传感器上成良好像的空间范围。要求成像物镜所成的景物图像要大于图像传感器的有效面积。成像物镜所成的景
16、物图像要大于图像传感器的有效面积。三个参数相互制约，应用中要根据情况适当选择三个参数相互制约，应用中要根据情况适当选择（1）扫描速率）扫描速率单位时间扫过的尺寸或像元数单位时间扫过的尺寸或像元数 2、与光电成像器件有关的参数、与光电成像器件有关的参数不同的扫描方式有不同扫描速率要求。不同的扫描方式有不同扫描速率要求。 单元光机扫描方式单元光机扫描方式：由扫描机构在水平方向和垂直两个方：由扫描机构在水平方向和垂直两个方向的运动速度决定。向的运动速度决定。 行扫描速率行扫描速率（行正程）取决于光学图像在水平方向的尺寸（行正程）取决于光学图像在水平方向的尺寸A和行正程时间；和行正程时间； 垂直方向的
17、垂直方向的场扫描速率场扫描速率（场正程）取决于光学图像在垂直（场正程）取决于光学图像在垂直方向的尺寸方向的尺寸B和场正程时间；和场正程时间； 多元光机扫描方式：多元光机扫描方式： 图像传感器的图像传感器的行扫描速率行扫描速率 取决于读取一行光敏单元所需的取决于读取一行光敏单元所需的时间时间TH与一行内光敏单元数与一行内光敏单元数N； 垂直方向的垂直方向的场扫描速率场扫描速率 取决于光学图像在垂直方向的尺寸取决于光学图像在垂直方向的尺寸B和场正程时间；和场正程时间； 固体自扫描方式固体自扫描方式： 水平扫描速度取决于传感器水平行的像敏单元数与行扫描时水平扫描速度取决于传感器水平行的像敏单元数与行
18、扫描时间之比；垂直方向的场扫描速度取决于传感器在垂直方向的像间之比；垂直方向的场扫描速度取决于传感器在垂直方向的像敏单元行数与场扫描时间之比。敏单元行数与场扫描时间之比。 （2 2）分辨率）分辨率 单元光机扫描方式的图像传感器单元光机扫描方式的图像传感器 水水平平分分辨辨率率：正正比比于于机机械械扫扫描描长长度度A与与光光电电传传感感器器在在水水平平方方向的长度向的长度a之比，即之比，即 传感器在水平方向的相对长度越小，水平分辨率也越高。传感器在水平方向的相对长度越小，水平分辨率也越高。 注意：水平分辨率还与成像物镜的水平分辨率有关。注意：水平分辨率还与成像物镜的水平分辨率有关。 垂直分辨率垂
19、直分辨率：与光电传感器在垂直方向的长度：与光电传感器在垂直方向的长度b有关，另外与有关，另外与垂直方向的扫描行数及行间距有关。垂直方向的扫描行数及行间距有关。 固体自扫描图像传感器固体自扫描图像传感器： 水平与垂直分辨率分别与器件在两个方向上的分辨率有关。水平与垂直分辨率分别与器件在两个方向上的分辨率有关。 二、图像的显示与电视制式二、图像的显示与电视制式 将一维视频信号还原成光学图像：图像显示；将一维视频信号还原成光学图像：图像显示；1、电视监视器的扫描、电视监视器的扫描 电视图像扫描方式电视图像扫描方式分为分为逐行扫描逐行扫描与与隔行扫描隔行扫描两种方式。两种方式。摄摄像像机机通通过过这这
20、两两种种扫扫描描方方式式将将景景物物图图像像分分解解成成为为一一维维视视频频信信号号，图图像像显显示示器器将将一一维维视视频频信信号号合合成成为为电电视视图图像像。摄摄像像机机与与图图像像显显示器必须遵守同一个扫描方式。示器必须遵守同一个扫描方式。 逐行扫描逐行扫描隔行扫描隔行扫描(1) (1) 逐行扫描逐行扫描 场正程场逆程场周期场频行正程行逆程行周期行频行正程行逆程场逆程场逆程 无论是行扫描的扫描逆程，还是场扫描的扫描逆程都不希无论是行扫描的扫描逆程，还是场扫描的扫描逆程都不希望荧光屏发光，这就要加入望荧光屏发光，这就要加入行消隐与场消隐行消隐与场消隐。行消隐脉冲的宽。行消隐脉冲的宽度稍大
21、于行逆程时间，场消隐脉冲的宽度也大于场消隐时间。度稍大于行逆程时间，场消隐脉冲的宽度也大于场消隐时间。 逐行扫描方式中的每一场都包含着行扫描的整数倍。这样，逐行扫描方式中的每一场都包含着行扫描的整数倍。这样，重复的图像才能稳定地被显示。即要求重复的图像才能稳定地被显示。即要求TV =NTh ,或或fh=Nfv,其其中中N应为正整数。应为正整数。 对人眼来说，高于对人眼来说，高于48Hz48Hz变化的图像是不能分辨的（人眼对变化的图像是不能分辨的（人眼对高于高于48Hz48Hz变化的图像没有闪动的感觉），因此，变化的图像没有闪动的感觉），因此，要获得稳定的要获得稳定的图像，图像的重复频率必须高于
22、图像，图像的重复频率必须高于48Hz48Hz，即要求场频高于即要求场频高于48Hz48Hz。 （2 2）隔行扫描）隔行扫描 隔行扫描采用如图所示的扫描方隔行扫描采用如图所示的扫描方式，由奇、偶两场构成一帧。奇数式，由奇、偶两场构成一帧。奇数场由场由1、3、5 等奇数行组成，偶数等奇数行组成，偶数场由场由2、4、6 等偶数行组成。等偶数行组成。奇、偶两场合成一帧图像。奇、偶两场合成一帧图像。 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。行。对于逐行扫描方式，行扫描频率必须大于对于逐行扫描方式，行扫描频率必须大于29kHz才能保才能
23、保证视觉分辨能力的最低要求。证视觉分辨能力的最低要求。这样的行扫描频率，无论对摄像这样的行扫描频率，无论对摄像还是对显示系统的要求都太高。为了即降低行扫描频率，又能还是对显示系统的要求都太高。为了即降低行扫描频率，又能保证视觉分辨能力的要求，早在保证视觉分辨能力的要求，早在20世纪初，人们就提出了隔行世纪初，人们就提出了隔行扫描分解图像和显示图像的方法扫描分解图像和显示图像的方法隔行扫描隔行扫描。 人眼看到的变化频率为人眼看到的变化频率为场频场频，分辨的图像为，分辨的图像为一帧一帧，帧行数，帧行数为场行数的为场行数的2倍；倍； 两场光栅均匀交错叠加是对隔行扫描方式的基本要求两场光栅均匀交错叠加
24、是对隔行扫描方式的基本要求，否，否则图像的质量将大为降低。则图像的质量将大为降低。隔行扫描必须满足下面两个要求：隔行扫描必须满足下面两个要求： 第一，要求下一帧图像的扫描起始点应与上一帧起始点相第一，要求下一帧图像的扫描起始点应与上一帧起始点相同，确保各帧扫描光栅重叠；同，确保各帧扫描光栅重叠； 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。的清晰度。 从第一条要求考虑，每帧扫描的行数应为整数，若在各场扫从第一条要求考虑，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。描电流都一样的情况下
25、，要满足第二条要求，每帧均应为奇数。那么，每场的扫描行数就要出现半行的情况。那么，每场的扫描行数就要出现半行的情况。我国现行的隔行扫描电视制式就是每帧扫描行数为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，每场扫描行数为每场扫描行数为312.5行。行。 隔行扫描隔行扫描(上图上图)假如每帧偶数行假如每帧偶数行(下图下图)每场较隔行方式少半行信息每场较隔行方式少半行信息2 . 电视制式电视制式 图像传感器与显示器都遵守同样的扫描规则，保证所显示图像传感器与显示器都遵守同样的扫描规则，保证所显示的图像与所分解的图像保持一致。这种规则广泛地应用于广的图像与所分解的图像保持一致。这种规则广
26、泛地应用于广播电视系统，并被称作为电视制式。播电视系统，并被称作为电视制式。 1. NTSC彩色电视制式彩色电视制式(National Television Systems Committee) 20世世纪纪50年年代代由由美美国国研研制制成成功功,主主要要用用于于北北美美、日日本本以以及及东东南南亚亚各各国国的的彩彩色色电电视视制制式式。该该电电视视制制式式确确定定的的场场频频为为60 Hz，隔隔行行扫扫描描每帧扫描行数为每帧扫描行数为525行，伴音、图像载频带宽为行，伴音、图像载频带宽为4.5 MHz。 2. PAL彩色电视制式彩色电视制式(Phase-Alternative Line)正
27、交平衡调幅逐行倒相制 20世世纪纪60年年代代由由德德国国研研制制成成功功，主主要要用用于于我我国国以以及及西西欧欧各各国国的的彩彩色色电电视视制制式式。该该电电视视制制式式确确定定的的场场频频为为50 Hz，隔隔行行扫扫描描每每帧帧扫扫描描行数为行数为625行行，伴音、图像载频带宽为，伴音、图像载频带宽为6.5 MHz。 PAL电电视视制制式式中中规规定定：场场周周期期为为20ms,其其中中场场正正程程时时间间为为18.4ms, 场场逆逆程程时时间间为为1.6ms；行行频频为为15625 Hz，行行周周期期为为64s,行行正正程程时时间间为为52s,行逆程时间为行逆程时间为12s。 3. S
28、ECAM彩色电视制式彩色电视制式(Sequential Coleur Avec Memoire) SECAM彩色电视制式是彩色电视制式是20世纪世纪60年代由法国研制成功，主要年代由法国研制成功，主要用于法国和东欧各国。用于法国和东欧各国。SECAM制式也为场频为制式也为场频为50 Hz，隔行扫描每隔行扫描每帧扫描行数为帧扫描行数为625行。行。 全球电视制式分区图全球电视制式分区图本讲小结本讲小结图像传感器的原理：图像传感器的原理：光电转换光电转换+扫描输出扫描输出图像传感器的基本结构图像传感器的基本结构光机扫描式图像传感器光机扫描式图像传感器 几个重要概念要掌握几个重要概念要掌握电子束扫描式图像传感器电子束扫描式图像传感器固体自扫描式图像传感器固体自扫描式图像传感器图像传感器基本技术参数图像传感器基本技术参数 成像镜头参数成像镜头参数+成像器件参数成像器件参数扫描方式扫描方式：逐行扫描逐行扫描 、隔行扫描、隔行扫描电视制式：电视制式：NTSC、PAL（各个参数规定）（各个参数规定）
