第三章光電探測器3.1光電探測器的物理基礎3.2光電子發射探測器3.3光電導探測器3.4光伏探測器3.5熱電探測器3.6光電成像器件3.7各類光電探測器的性能及應用比較13.6光電成像器件3.6光電成像器件

3.6.1圖像傳感器發展歷史1.發展歷史完成圖像信息光電變換的功能器件稱為光電圖像傳感器。光電圖像傳感器的發展歷史悠久，種類很多。早在1934年就成功地研制出光電攝像管（Iconoscope），用于室內外的廣播電視攝像。但是，它的靈敏度很低，信噪比很低，需要高于10000lx的照度才能獲得較為清晰的圖像。使它的應用受到限制。

1947年制出的超正析像管（ImaigeOrthico）的靈敏度有所提高，但是最低照度仍要求在2000lx以上。23.6光電成像器件1954年投放市場的高靈敏視像管（Vidicon）基本具有了成本低，體積小，結構簡單的特點，使廣播電視事業和工業電視事業有了更大的發展。1965年推出的氧化鉛視像管(Plumbicon)成功地取代了超正析像管，發展了彩色電視攝像機，使彩色廣播電視攝像機的發展產生一次飛躍。誕生了1英寸，1/2英寸，甚至于1/3英寸（8mm）靶面的彩色攝像機。然而，氧化鉛視像管抗強光的能力低，余輝效應影響了它的采樣速率。1976年，又相繼研制出靈敏度更高，成本更低的硒靶管（Saticon）和硅靶管（Siticon）。不斷滿足人們對圖像傳感器日益增長的需要。1970年，美國貝爾電話實驗室發現的電荷耦合器件（CCD）的原理使圖像傳感器的發展進入了一個全新的階段，使圖像傳感器從真空電子束掃描方式發展成為固體自掃描輸出方式。33.6光電成像器件2.CCD圖像傳感器CCD圖像傳感器具有固體器件的所有優點。它的自掃描輸出方式消除了電子束掃描造成的圖像光電轉換的非線性失真。即CCD圖像傳感器的輸出信號能夠不失真地將光學圖像轉換成視頻電視圖像。它的體積、重量、功耗和制造成本是電子束攝像管根本無法達到的。CCD圖像傳感器的誕生和發展使人們進入了更為廣泛應用圖像傳感器的新時代。利用CCD圖像傳感器人們可以近距離的實地觀測星球表面的圖像，可以觀察腸、胃耳、鼻、喉等器官內部的病變圖像信息，可以觀察人們不能直接觀測的圖像（如放射環境的圖像，敵方陣地圖像等）。43.6光電成像器件CCD圖像傳感器目前已經成為圖像傳感器的主流產品。CCD圖像傳感器的應用研究成為當今高新技術的主流課題。主要應用：廣播電視、工業電視、醫用電視、軍用電視、微光與紅外電視技術機器視覺，公安刑偵、交通指揮、安全保衛。53.6光電成像器件3.6.2圖像傳感器的分類

圖像傳感器按其工作方式可分為掃描型和直視（凝視）型兩類。掃描型圖像傳感器件通過電子束掃描或數字電路的自掃描方式將二維光學圖像轉換成一維時序信號輸出出來。這種代表圖像信息的一維信號稱為視頻信號。視頻信號可通過信號放大和同步控制等處理后，通過相應的顯示設備（如監視器）還原成二維光學圖像信號。

視頻信號的產生、傳輸與還原過程中都要遵守一定的規則才能保證圖像信息不產生失真，這種規則稱為制式。

例如廣播電視系統中遵循的規則被稱為電視制式。數字圖像傳輸與處理過程中根據計算機接口方式的不同也規定了許多種類的制式。63.6光電成像器件

掃描型圖像傳感器輸出的視頻信號可經A/D轉換為數字信號（或稱其為數字圖像信號），存入計算機系統，并在軟件的支持下完成圖像處理、存儲、傳輸、顯示及分析等功能。因此，掃描型圖像傳感器的應用范圍遠遠超過直視型圖像傳感器的應用范圍。

直視型圖像傳感器用于圖像的轉換和增強。它的工作方式是將入射輻射圖像通過外光電轉化為電子圖像，再由電場或電磁場的加速與聚焦進行能量的增強，并利用二次電子的發射作用進行電子倍增，最后將增強的電子圖像激發熒光屏產生可見光圖像。本節主要討論從光學圖像到視頻信號的轉換原理，即圖像傳感器的基本工作原理和典型應用問題。73.6光電成像器件3.6.3光電成像原理與電視制式

1.光電成像原理

如圖所示為光電成像系統的基本原理方框圖?？梢钥闯龉怆姵上裣到y常被分成攝像系統(攝像機)與圖像顯示系統兩部分。攝像系統由光學成像系統（成像物鏡）、光電變換系統、同步掃描和圖像編碼等部分構成，輸出全電視視頻信號。83.6光電成像器件2.攝像機的基本原理

在外界照明光照射下或自身發光的景物經成像物鏡成像在物鏡的像面(光電圖像傳感器的像面)上，形成二維空間光強分布的光學圖像。光電圖像傳感器完成將光學圖像轉變成二維“電氣”圖像的工作。

組成一幅圖像的最小單元稱為像素或像元，像元的大小或一幅圖像所包含的像元數決定了圖像的分辨率，分辨率越高，圖像的細節信息越豐富，圖像越清晰，圖像質量越高。即將圖像分割得越細，圖像質量越高。

高質量的圖像來源于高質量的攝像系統，其中主要是高質量的光電圖像傳感器。93.6光電成像器件3.圖像的分割與掃描

將一幅圖像分割成若干像素的方法有很多，超正析像管利用電子束掃描光電陰極的方法分割像素；視像管由電阻海顆粒分割；面陣CCD、CMOS圖像傳感器用光敏單元分割。被分割后的電氣圖像經掃描才能輸出一維時序信號，掃描的方式也與圖像傳感器的性質有關。面陣CCD采用轉移脈沖方式將電荷包（像素信號）輸出一維時序信號；CMOS圖像傳感器采用順序開通行、列開關的方式完成像素信號的一維輸出。因此，有時也稱面陣CCD、CMOS圖像傳感器以自掃描的方式輸出一維時序電信號。103.6光電成像器件

監視器或電視接收機的顯像管幾乎都是利用電磁場使電子束偏轉而實現行與場掃描，因此，對于行、場掃描的速度、周期等參數進行嚴格的規定，以便顯像管顯示理想的圖像。113.6光電成像器件

掃描方式

（1）逐行掃描顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個方向的偏轉線圈，線圈中分別流過如圖所示的鋸齒波電流，電子束在偏轉線圈形成的磁場作用下同時進行水平方向和垂直方向的偏轉，完成對顯像管熒光屏的掃描。

123.6光電成像器件（2）隔行掃描根據人眼對圖像分辨能力確定掃描的水平行數至少應大于600行，這對于逐行掃描方式，行掃描頻率必須大于29000Hz才能保證人眼視覺對圖像的最低要求。這樣高的行掃描頻率，無論對攝像系統還是對顯示系統都提出了更高的要求。為了降低行掃描頻率，又能保證人眼視覺對圖像分辨率及閃耀感的要求，早在20世紀初，人們就提出了隔行掃描分解圖像和顯示圖像的方法。133.6光電成像器件兩場光柵均勻交錯疊加是對隔行掃描方式的基本要求，否則圖像的質量將大為降低。因此要求隔行掃描必須滿足下面兩個要求：第一，要求下一幀圖像的掃描起始點應與上一幀起始點相同，確保各幀掃描光柵重疊；第二，要求相鄰兩場光柵必須均勻地鑲嵌，確保獲得最高的清晰度。從第一條要求考慮，每幀掃描的行數應為整數，若在各場掃描電流都一樣的情況下，要滿足第二條要求，每幀均應為奇數。那末，每場的掃描行數就要出現半行的情況。目前，我國現行的隔行掃描電視制式就是每幀掃描行數為625行，每場掃描行數為312.5行。143.6光電成像器件（3）掃描行數與行頻幀頻與場頻確定后，電視掃描系統中還需要確定的參數是每場掃描的行數，或電子束掃描一行所需要的時間，又稱為行周期。行周期的倒數稱為行頻。

綜合起來，我國現行電視制式（PAL制式）的主要參數為：寬高比α=4/3；場頻fv=50Hz；行頻fl=15625Hz；場周期T=20ms，其中場正程掃描時間為18.4ms，逆程掃描時間為1.6ms。行周期為64μs，其中行正程掃描時間為52μs，逆程掃描時間為12μs。

153.6光電成像器件4.電視制式

電視的圖像發送與接收系統中，圖像的采集（攝像機）與圖像顯示器必需遵守同樣的分割規則才能獲得理想的圖像傳輸。這個規則被稱為電視制式。目前,世界上主要使用的電視廣播制式有PAL、NTSC、SECAM三種,如我國大部分地區使用PAL制式,日本、韓國等東南地區及美國等歐美國家使用NTSC制式(525行，30幀),俄羅斯則使用SECAM制式。其中，我國以及西歐各國的彩色電視制式，該電視制式確定的場頻為50Hz，隔行掃描每幀掃描行數為625行，伴音、圖像載頻帶寬為6.5MHz。也稱為PAL彩色電視制式。163.6光電成像器件PAL彩色電視制式

（1）電視圖像的寬高比若用W和H分別代表電視屏幕上顯示圖像的寬度和高度，二者之比稱為圖像的寬高比，用α表示