22038光电传感器应用技术王庆有第7章

1、第7章图像扫描与图像传感器图像扫描是产生图像视觉的关键技术，也是学习和掌握图像传感器以及利用图像传感器完成机器视觉检测与识别的关键。本 章主要介绍图像传感器的基本原理，包括其基本结构、技术参数； 并介绍图像的显示与电视制式，以及多种扫描成像技术。通过本章的学习不但要掌握图像传感器与图像显示器之间的关系，还要掌握光电传感器件的扫描成像技术。7.1 图像传感器基本原理成像物镜将景物成像在物镜的像面上，形成二维空间的光强分布图像。能够将其转变成一维时序电信号的传感器称为图像传感器，它输出的一维时序信号经过放大和同步控制处理后，可送给图像显示器再还原出景物图像。基本概念图像传感器与图像显示器之间的信号

2、传输与接收都要遵守一定的规则，这个规则被称为制式或电视制式。按电视制式输出的一维时序信号又被称为视频信号。7.1.1 图像传感器的基本结构图像传感器的种类很多，根据图像的分解方式可将图像传感器分成三种类型，即光机扫描型光电图像传感器、电子束扫描图像传感器和固体自扫描图像传感器。1. 光机扫描式图像传感器光机扫描式图像传感器又常分为单元光机扫描方式与多元光机扫描方式的图像传感器。（1）单元光电传感器的扫描方式如图7-1所示为采用单元光电传感器（包括热电传感器）与机械扫描装置相配合可以构成单元光电传感器的图像扫描方式。当机械扫描机构带动单元光电传感器的光敏面在光学图像的像面沿水平方向（x方向）做高

3、速往返运动，称为行扫描。行扫描中沿x方向的扫描运动称为行正程，返回方向为行逆程。与此同时，在垂直方向（y方向）做较低速度的往返运动，称为场扫描。场扫描中沿y方向的扫描运动称为场正程，返回方向为场逆程。行、场扫描之间应满足下面两个条件：行周期与场周期Ty= NTx行正程时间Txz大于行逆程时间Txr 场正程时间Tyz大于场逆程时间Tyr（7-1）这种情况下，光敏单元的轨迹布满整个像面，其输出信号与光学图像位置对应的光照强度信息。被称为光敏单元对光学图像的解析。输出信号是时间的一元函数（时序信号），因此该光机扫描机构将光学图像解析成为一维的视频信号输出。光机扫描方式的水平分辨率正比于光学图像水平方

4、向的尺寸与光电传感器光敏面在水平方向的尺寸之比。同样，垂直分辨率也正比于光学图像垂直方向的尺寸与光电传感器光敏面在垂直方向的尺寸之比。（2）多元光机扫描方式采用多个光电传感器，并将其排列成一行，构成如图7-2所示的线阵列光电传感器扫描图像的光机扫描方式。这种情况下，机械扫描只需要进行y 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的缺点，同时减少了双向扫描带来的复杂扫描机构。2. 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，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。3. 固体自扫描图像传感器固体自扫描图像传感

5、器是20世纪70年代发展起来的新型图像传感器件，如面阵CCD器件，CMOS图像传感器件等。这类器件本身具有自扫描功能，例如面阵CCD固体摄像器件的光敏面能够将成像于其上的光学图像转换成电荷密度分布的电荷图像，电荷图像可以在驱动脉冲的作用下按照一定的规则（如电视制式）一行行地输出，形成图像信号（或视频信号）。7.1.2 单元光电器件扫描成像实例以热释电器件构成的热像仪为例讨论单元光电器件扫描成像的具体问题。1. 单元扫描式热释电热像仪2. 热释电摄像管的基本结构热释电摄像管的基本结构如图7-3所示。它由透红外热辐射的锗成像物镜、斩光器、热像管和扫描偏转系统等构成。目前，红外热像管的分辨率可以达到

6、300TVL（电视线），虽然不能与可见光图像传感器相比，但对于红外探测已经足够。它的温度分辨率达到0.06可用于医疗诊断、森林火灾探测、警戒监视、工业热像探测与空间技术领域。7.1.3 图像传感器基本技术参数图像传感器的基本技术参数应该包含光学成像物镜与光电成像器件的参数。1. 光学成像物镜的主要参数f （1）成像物镜的焦距成像物镜的焦距决定了被摄景物成在光电成像器件上像的大小，在物距相同的情况下焦距越长，所成像的尺寸越大；获得同样分辨率图像的被摄景物距光电传感器的距离随焦距的增长而增大。Df （2）相对孔径成像物镜的相对孔径为物镜入瞳的直径与其焦距之比，相对孔径的大小决定了物镜的分辨率、像面

7、照度和成像物镜成像质量。（3）视场角 2w成像物镜的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。要求成像物镜所成的景物图像要大于图像传感器的有效面积。这三个参数是成像物镜相互制约的，不可能同时提高，在实际应用中要根据情况适当选择。2. 光电成像器件有关的参数（1）扫描速率不同的扫描方式有不同扫描速率要求，例如单元光机扫描方式扫描速率参数由扫描机构在水平方向和垂直两个方向的运动速度（转动角速率）决定。行扫描速率（行正程）n h z 取决于光学图像在水平方向的尺寸A和行正程时间Tx z ；即= An hz（7-2）Txz垂直方向的场扫描速率（场正程）n yz 取决于光学图像在垂直方向的尺寸

8、B和场正程时间 Tyz ；即Bn=（7-3）yzTyzBn=yzT多元光机扫描方式图像传感器的行扫描速率nyz取决于读取一hz行光敏单元所需的时间TH与一行内光敏单元数N；即Nn=（7-4）hzTH垂直方向的场扫描速率n yz和场正程时间 Tyz ；即取决于光学图像在垂直方向的尺寸BBn=yzTyz固体自扫描图像传感器的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。（2）分辨率光机扫描方式的图像传感器在水平方向的分辨率 d（解像率）正比于机械扫描长度A与光电传感器在水平方向的长度a之比，即Ad （7-5）a

9、显然，传感器在水平方向的相对长度越小，水平分辨率也越高。当然水平分辨率还与成像物镜的水平分辨率有关。垂直分辨率也与光电传感器在垂直方向的长度b有关，另外与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的水平与垂直分辨率分别与器件本身在两个方向上的分辨率有关。7.2 图像的显示与电视制式图像的显示方法很多，采用计算机显示器可以显示各种数字图形与图像；也可以采用发光器件显示各种不同规则（制式）的数字或模拟图形与图像；本节所讨论的是电视监视器的图像显示器及其相关电视制式问题。7.2.1电视监视器的扫描荧光屏的发光强度与视频信号的函数关系Lv = L(U0 )式中U0为视频电压信号，形成电视图像

10、。（7-6）电视图像扫描方式常分为逐行扫描与隔行扫描两种方式，通过这两种扫描方式摄像机将景物图像分解成为一维视频信号， 图像显示器将一维视频信号合成为电视图像。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，线圈中分别流过如图7-4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。在行、场扫描电流的同时作用下，电子束受水平偏转力和垂直偏转力的合力作用下进行扫描。电子束在水平方向的运动速度远大于垂直方向，所以，在屏幕上电子束的运动轨迹为如图7-5所示的稍微倾斜的“水平”直线 。电子束具有一定的动能，它打在荧光屏上会发出光来，

11、电 子束的轨迹又是一条条的光栅， 逐行扫描的光栅也如图7-5所示。逐行扫描方式中的每一场都包含着行扫描的整数倍，重复的图像才能稳定地被显示。即要求TV =NTh ,或fh=Nfv,其中N应为正整数。逐行扫描的帧频与场频相等，对人眼来说，高于48Hz变化的图像才是“稳定”不“闪动”的图像，既，图像的场扫描频率必须高于48Hz。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应大于600行，行率必须大于29kHz才能保证人眼的最低要求。行率的提高，对摄像系统和对显示系统提出的要求更高，使成本提升。降低行频，又保证人眼对视觉要求的解决办法是采用隔行扫描的方式。隔行扫描采用如图7-6所示的扫描方式

12、，由奇、偶两 场构成一帧。奇数场由1 、3 、5 、 等奇数行组成， 偶数场由2 、4 、6、等偶数行组成，奇、偶两场合成一帧图像。人眼看到的频率为场频fv，人眼分辨的图像是一帧， 一帧图像由奇、偶两场扫描形成，帧行数为场行数的2倍。7.2.2 电视制式目前，除正在研制过程中的“高清晰度电视”制式外，现在应用中的电视制式一般有三种：1. NTSC彩色电视制式20世纪50年代由美国研制成功,主要用于、日本以及东南亚各国的彩色电视制式，该电视制式确定的场频为60 Hz，隔行扫描每帧扫描行数为525行，伴音、图像载频带宽为4.5 MHz。2. PAL彩色电视制式20世纪60年代由德国研制成功，主要用

13、于我国以及西欧各国的彩色电视制式，该电视制式确定的场频为50 Hz，隔行扫描每帧扫描行数为625行，伴音、图像载频带宽为6.5 MHz。PAL电视制式中规定场周期为20ms,其中场正程时间为18.4ms, 场逆程时间为1.6ms；行频为15625 Hz，行周期为64s,行正程时间为52s,行逆程时间为12s。3. SECAM彩色电视制式SECAM彩色电视制式是20世纪60年代由法国研制成功，主要用于法国和东欧各国。SECAM制式也为场频为50 Hz，隔行扫描每帧扫描行数为625行。思考题与习题71、设光电二极管的光敏面积为1mm1mm，若用它扫描500mm400mm的图像，问所获得的图像水平分

14、辨率最高能达到多少？2、上题中光电二极管在水平方向（沿图像500mm方向）正程运动的速度为5m/s，逆程运动的速度达50m/s，垂直方向正程运动的速度应为多少？扫描一场图像的时间需要多少？3、上述扫描出来的图像怎样显示出来？能直接用什么制式的电视监视器显示？为什么？若想看到用线阵CCD扫描出来的图像，应采用怎样的措施？4、比较逐行扫描与隔行扫描的优缺点，说明为什么20世纪的电视制式要采用隔行扫描方式的电视制式？我国的PAL电视制式是怎样规定的？5、今有一台线阵CCD图像传感器（如ILX521）为256像元， 如果配用PAL电视制式的显示器显示它所扫描出来的图像需要采用怎样的技术与之配合？6、如

15、何理解“环保的绿色电视”？100Hz场频技术是基于怎样的基础？7、图像传感器的基本技术参数有哪些？它们对成像质量分别有怎样的影响？8、图7-3所示为热释电像管的基本原理图，为什么说图中的偏转线圈应该是相互垂直的两组？它们的偏转频率相同吗？它们各自起什么作用？w = ejt若入射辐射为交流辐射信号，则产生的交流信号电压为0M12 RLa0（6-29）U=L(R + R )G1+ w 2t2iLQT式中，=2f，f为交流辐射的调制频率，T为热电偶的的时间常= CQ；其中的R ，C 、G 分别为热电偶的热阻、热容数， t= R CTQQQQQGQ和热导。热导GQ与材料的性质及周围环境有关，为使热电导

16、稳定，常将热电偶封装在真空管中，因此，通常称其为真空热电偶。2. 热电偶的基本特性参数真空热电偶的基本特性参数为灵敏度S、比探测率D*、响应时间和最小可探测功率NEP等参数。（1）灵敏度（响应率）在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度S0为M12 RLa= UL=S（6-30）0(R + R )G0iLQ在交流辐射信号的作用下，热电偶的灵敏度S为M12 RLaS = UL =（6-31）1+ w t(R + R )G22iLQT由式（5-29）和式（5-30）可见，提高热电偶的响应率最有效的办法除选用塞贝克系数较大的材料外，增加辐射的吸收率，减小内 阻Ri，减小热导GQ等措施都是有效的。对于交流响应率，降低工作频率，减小时间常数T，也会有明显的提高。但是，热电偶的响应率与时间常数是一对矛盾，应用时只能兼顾。 （2）响应时间热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右，在BeO衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得到更快的时间响应，响应时间可达到或超过10-7s。 （3）最小可探测功率热电偶的最小可探测功率NEP取决于探测器的噪声，它主要由热噪声和温度起伏噪声，电流噪声几乎被忽略。半导体热电偶的最小可探测功率NEP一般为10-11W左右。6.2.3热电堆