圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)第4版課件緒

論1.圖像傳感器發(fā)展史1938年英國(guó)在法國(guó)海岸線上布設(shè)能夠觀測(cè)敵方飛機(jī)的雷達(dá)鏈，成為圖像傳感器用于戰(zhàn)爭(zhēng)防御最早實(shí)例。自1887年外光電效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后，于1897年人們利用外光電效應(yīng)研制出機(jī)械掃描電視系統(tǒng)，為早期的真空電子束攝像管奠定了基礎(chǔ)。1922年美國(guó)的菲羅.法恩茲沃斯設(shè)計(jì)出第一幅電視傳真原理圖，1928年美國(guó)的茲沃爾金發(fā)明了光電顯像管，為通過電視遠(yuǎn)距離傳輸圖像打下基礎(chǔ)。1931年美國(guó)的法恩茲沃斯研制成功了第一只光電發(fā)射型攝像管—析像管。雷達(dá)采用極坐標(biāo)方式掃描出飛機(jī)飛行的方向開始用直角坐標(biāo)方式掃描出圖像1937年美國(guó)無線電公司（RCA）研制成功靈敏度更高的超光電攝像管，并開始在電視系統(tǒng)中應(yīng)用。1939年RCA公司又推出采用雙靶面（光電成像與電子束掃描靶面）的低速電子掃描攝像管—正析像管。1946年RCA公司研制出超正析像管，它在正析像管基礎(chǔ)上又增加移像、反束和增強(qiáng)等措施，使靈敏度提高1000倍，圖像質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的程度。1963年荷蘭菲利普公司推出氧化鉛靶面光電導(dǎo)型攝像管（氧化鉛視像管）。它在暗電流、惰性、靈敏度、分辨率等方面都表現(xiàn)優(yōu)秀，也使電視攝像機(jī)走向快速發(fā)展階段。1970年美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle與G.E.Smith提出了CCD概念，后來人們又研制出CMOS半導(dǎo)體集成圖像傳感器使圖像傳感器發(fā)展到今天的程度。真空攝像管發(fā)展到空前階段開始登場(chǎng)亮相半導(dǎo)體集成圖像傳感器的產(chǎn)生與發(fā)展使圖像傳感器走入了更為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。2.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)的主要內(nèi)容《圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)》的前身是《CCD應(yīng)用技術(shù)》，2003年更名為《圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)》。第4版共有10章；第1章為圖像解析與顯示；第2、3、4、5章CCD圖像傳感器的原理、特性與典型器件；第6章CMOS圖像傳感器；第7章視頻輸出信號(hào)處理與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)；第8章為光學(xué)成像系統(tǒng)；第9章為特種圖像傳感器；第10章為典型應(yīng)用。3.學(xué)習(xí)方法建議1）了解各章節(jié)內(nèi)容以及各章之間的內(nèi)在關(guān)系是學(xué)習(xí)好本課程的關(guān)鍵。重點(diǎn)在圖像解析通過典型器件易于理解注重其結(jié)構(gòu)特性對(duì)CCD圖像傳感器非常重要關(guān)鍵部分關(guān)鍵在于能夠應(yīng)用2）重視實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)開設(shè)實(shí)驗(yàn)課，實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容既要包含線陣CCD的驅(qū)動(dòng)特性、輸出特性與時(shí)間特性等內(nèi)容，還要開設(shè)一些應(yīng)用內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)。如尺寸測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量、圖像掃描與光譜探測(cè)等典型應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)。3）充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性利用大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，根據(jù)所學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)恼n題進(jìn)行設(shè)計(jì)是充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性的最好方法。4)充分利用互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)圖像傳感器技術(shù)的最新發(fā)展科技發(fā)展到今天，新技術(shù)層出不窮，書本知識(shí)是基本理論與技術(shù)，不可能有更新的前沿科技，而網(wǎng)上會(huì)有不斷更新的新技術(shù)與新思想，希望能夠充分利用它不斷更新。第1章圖像解析與顯示如何將場(chǎng)景圖像分解（變換）成一維時(shí)序信號(hào)？如何將一維時(shí)序信號(hào)還原成圖像畫面是本章要解決的問題。1.1圖像解析原理1.1.1圖像的解析方法1.光機(jī)掃描圖像解析方法（1）單元光電傳感器光機(jī)掃描方式

機(jī)械掃描裝置帶動(dòng)傳感器對(duì)景物圖像進(jìn)行直角坐標(biāo)掃描；帶有光學(xué)成像系統(tǒng)的單元光電傳感器可將景物中的點(diǎn)元照度轉(zhuǎn)換成電壓號(hào)U。于是，單元光電傳感器輸出的電壓將被定義為Uxy，如圖1.1所示，x,y分別為點(diǎn)元的坐標(biāo)。思考點(diǎn)：如何用單元光電傳感器完成對(duì)景物圖像掃描成像？圖1-1光機(jī)掃描方式原理圖當(dāng)單元光電傳感器以一定的速率做相對(duì)于景物圖像運(yùn)動(dòng)時(shí)，則輸出信號(hào)電壓Uxy成為景物圖像的解析信息（或信號(hào)），即信號(hào)電壓Uxy解析了光學(xué)圖像。必備條件：①單元光電傳感器的面積與被掃描圖像的面積相比必須很小，才可以將圖像分解為一個(gè)像元點(diǎn)；②單元光電傳感器必須對(duì)圖像發(fā)出各種波長(zhǎng)的光敏感；③單元光電傳感器必須相對(duì)被分解圖像做有規(guī)則的周期運(yùn)動(dòng)（掃描），且掃描速率應(yīng)該較圖像的變化速率要快；④水平往返運(yùn)動(dòng)的速率遠(yuǎn)高于垂直運(yùn)動(dòng)的速率；⑤水平運(yùn)動(dòng)為行掃描，由左向右為正程，返回定義為逆程；垂直運(yùn)動(dòng)為場(chǎng)掃描，由上而下為正程，返回為逆程。完成直角坐標(biāo)的圖像解析需要下面條件：①行周期與場(chǎng)周期滿足

T

y=nTx(1-1)②行、場(chǎng)掃描的時(shí)間分配光機(jī)掃描方式的水平分辨率正比于光學(xué)圖像水平方向的尺寸與光敏面在水平方向的尺寸之比。像元點(diǎn)數(shù)越多，水平分辨率自然也越高。垂直分辨率也正比于景物圖像與光敏面在垂直方向的尺寸之比。減小光電傳感器的面積是提高光機(jī)掃描方式分辨率的有效方法；光敏面的減小，掃描點(diǎn)數(shù)的增多，使行正程的時(shí)間增長(zhǎng)，或必須提高行掃描速度。光機(jī)掃描方式的水平分辨率受到掃描速度的限制。提高光機(jī)掃描方式分辨率與掃描速度的方法是采用多元光電自掃描傳感器（例如線陣CCD）構(gòu)成多元光機(jī)掃描方式。（2）多元光機(jī)掃描方式如圖1-2所示多元光機(jī)中只需要y

方向的一維掃描便可以將整幅圖像轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)輸出，彌補(bǔ)了機(jī)械掃描速度慢的缺點(diǎn)，同時(shí)減少了雙向行掃描的繁雜機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)。一些生產(chǎn)線上的質(zhì)量檢測(cè)也屬于多元光機(jī)掃描方式成像的案例，例如玻璃表面瑕疵的檢測(cè)，大米色選，紡織物品的質(zhì)量檢測(cè)等。圖1-2多元光機(jī)掃描方式原理圖2．電子束掃描圖像傳感器電子束掃到靶面某點(diǎn)（x,y），由于點(diǎn)（x,y）記錄了圖像光強(qiáng)分布的信息，而電子束帶負(fù)電使之在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生壓降URL經(jīng)放大器輸出成為視頻信號(hào)。將景物成像于靶面實(shí)現(xiàn)X、Y掃描3．固體自掃描圖像傳感器面陣CCD器件，CMOS等是通過電荷的轉(zhuǎn)移或陣列開關(guān)方式完成“自掃描”的圖像傳感器。上述3種方式中電子束掃描方式圖像傳感器曾經(jīng)歷了高速發(fā)展階段，但是，由于其掃描的非線性與真空封裝等系列問題限制了推廣應(yīng)用。自掃描固體圖像傳感器能夠克服電子束圖像傳感器的缺陷而獲得廣泛應(yīng)用，成為圖像傳感器的主導(dǎo)器件。1.1.2圖像傳感器基本技術(shù)參數(shù)1.與光學(xué)成像物鏡有關(guān)的參數(shù)（1）成像物鏡的焦距?（2）相對(duì)孔徑D/?（3）視場(chǎng)角2ω這三個(gè)參數(shù)是相互制約的，不可能同時(shí)提高，在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)情況適當(dāng)選擇。2、與光電成像器件有關(guān)的參數(shù)（1）掃描速率行掃描速率（行正程）νxz取決于光學(xué)圖像在水平方向的尺寸A和行正程時(shí)間Txzνxz=A/Txz

（1-2）垂直方向的場(chǎng)掃描速率（場(chǎng)正程）νyz取決于光學(xué)圖像在垂直方向的尺寸B和場(chǎng)正程時(shí)間Tyzνyz=B/Tyz

（1-3）多元光機(jī)掃描方式圖像傳感器的行掃描速率νxz取決于讀取一行像元所需的時(shí)間TH與像元數(shù)N

νxz=N/TH

（1-4）垂直方向的場(chǎng)掃描速率νyz取決于光學(xué)圖像在垂直方向的尺寸B和場(chǎng)正程時(shí)間Tyzνyz=B/Tyz

（1-5）（2）分辨率光機(jī)掃描方式的圖像傳感器水平方向的分辨率（解像率）δ正比于機(jī)械掃描長(zhǎng)度A與圖像傳感器在水平方向的長(zhǎng)度a之比垂直分辨率也與光電傳感器在垂直方向的長(zhǎng)度b有關(guān)，另外與垂直方向的掃描長(zhǎng)度及掃描速率有關(guān)。顯然，垂直方向掃描速率越低獲得的垂直分辨率越高。自掃描固體圖像傳感器的水平與垂直分辨率分別與器件本身在兩個(gè)方向上的分辨率有關(guān)。（1-6）1.2圖像的顯示與電視制式圖像的顯示方法很多，采用計(jì)算機(jī)顯示器可以顯示各種數(shù)字圖形與圖像；也可以采用發(fā)光器件顯示各種不同規(guī)則（制式）的數(shù)字或模擬圖形與圖像。本節(jié)首先討論電視監(jiān)視器的圖像顯示器及其相關(guān)的電視制式。1.2.1電視監(jiān)視器的掃描CRT電視監(jiān)視器是利用電子束激發(fā)具有余輝特性的熒光物質(zhì)，使其發(fā)光來完成電光轉(zhuǎn)換并顯示光學(xué)圖像。熒光屏的發(fā)光強(qiáng)度與視頻信號(hào)具有如下的函數(shù)關(guān)系Lv=L（Uo）

（1-7）在行、場(chǎng)掃描鋸齒脈沖的作用下形成電視圖像。電視圖像有逐行掃描與隔行掃描兩種方式。1、逐行掃描如圖1-5所示為由8行“水平”光柵掃描而產(chǎn)生的一場(chǎng)圖像，光柵水平度顯然很低，若一場(chǎng)內(nèi)有幾百行時(shí)，水平度自然會(huì)提高。無論是行，還是場(chǎng)掃描的逆程，都不希望電子束使熒屏發(fā)光，因此在逆程期間要加入消隱脈沖，使電子束在回掃期間截止，屏不再有回掃線出現(xiàn)。逐行掃描的每一場(chǎng)都包含著行的整數(shù)倍，圖像會(huì)穩(wěn)定顯示。對(duì)人眼，圖像重復(fù)頻率高于48Hz就分辨不出變化，圖像不再閃爍。即，要求場(chǎng)頻高于48Hz。2.隔行掃描根據(jù)人眼對(duì)圖像的分辨能力，掃描行數(shù)至少應(yīng)大于600行，用逐行掃描方式，行掃描頻率必須大于29kHz才能保證人眼視覺對(duì)的最低要求。技術(shù)難度較高，因此找到了隔行掃描的方式。隔行掃描采用如圖1-6所示的掃描方式，由奇、偶兩場(chǎng)構(gòu)成一幀。奇數(shù)場(chǎng)由1，3，5，…等奇數(shù)行組成，偶數(shù)場(chǎng)由2，4，6，…等偶數(shù)行組成，奇、偶兩場(chǎng)合成一幀圖像。在同樣場(chǎng)頻要求的情況下，行掃描頻率要求降低一倍。兩場(chǎng)光柵均勻交錯(cuò)疊加是對(duì)隔行掃描的基本要求，否則圖像的質(zhì)量將大為降低。因此隔行掃描應(yīng)滿足下面兩個(gè)條件：①兩幀掃描的起始點(diǎn)重合；②相鄰兩場(chǎng)光柵必須均勻地鑲嵌，確保獲得最高的清晰度。根據(jù)條件①，每幀掃描的行數(shù)應(yīng)為整數(shù)。若在各場(chǎng)掃描電流都一樣的情況下，要滿足條件②，每幀均應(yīng)為奇數(shù)，那么每場(chǎng)的掃描行數(shù)就要出現(xiàn)半行。我國(guó)現(xiàn)行的隔行掃描電視制式是每幀掃描行數(shù)為625行，每場(chǎng)掃描行數(shù)為312.5行。1.2.2電視制式圖像傳感器與顯示器必須遵守同樣的規(guī)則，才能使掃描（分解）的圖像穩(wěn)定地顯示出來。該規(guī)則稱為電視制式。世界上有13種黑白電視制式，3大彩色電視制式，兼容后組合成30多個(gè)不同的電視制式。但是，全球應(yīng)用最多的是PAL(PhaseAlternatingLine)、NTSC(NationalTelevisionStandardsCommittee)和SECAM（SequentialColeurAvecMemoire）3種。（1）PAL制式PAL電視制式規(guī)定每幀圖像有625行，分為奇偶2場(chǎng)，場(chǎng)頻為50Hz，場(chǎng)周期為20ms，場(chǎng)周期由正程與逆程組成，場(chǎng)正程時(shí)間為18.4ms，場(chǎng)逆程時(shí)間為1.6ms；隔行掃描每場(chǎng)包含312.5行，行正程時(shí)間為52μs，行逆程時(shí)間為12μs。彩色電視系統(tǒng)中還有圖像的伴音、與色彩信息，其載頻帶寬為6.5MHz。（2）NTSC制式NTSC制式確定的場(chǎng)頻為60Hz，隔行掃描每幀掃描行數(shù)為525行，伴音、圖像載頻帶寬為4.5MHz。（3）SECAM制式SECAM制式場(chǎng)頻為50Hz，隔行掃描每幀掃描行數(shù)為625行。思考題與習(xí)題1解題思路1.1題，要從圖像信息傳輸、存儲(chǔ)和通信等方面考慮。1.2題，該題目主要是加深理解圖像解析原理，怎樣實(shí)現(xiàn)將二維圖像轉(zhuǎn)換成一維時(shí)序信號(hào)？讓圖像與傳感器做有規(guī)則的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是關(guān)鍵。1.3題，電視制式的意義在于使傳輸和存儲(chǔ)的圖像能夠不失真的再現(xiàn)；PAL電視制式場(chǎng)頻與工頻干擾電場(chǎng)同頻。1.4題，隔行掃描與逐行掃描的優(yōu)缺點(diǎn)見教材，采用隔行掃描制式是受當(dāng)時(shí)電子技術(shù)的限制?，F(xiàn)代手機(jī)與平板顯示屏早已不再采用PAL電視制式了。1.6題，必須添加必要的掃描器械與掃描控制。1.7題，需要根據(jù)電視制式的時(shí)間要求進(jìn)行計(jì)算。1.3圖像顯示器的分類圖像顯示器按顯示器工作原理分類，主要有陰極射線管顯示器（CRT）、場(chǎng)發(fā)射顯示器（FED）、真空熒光管顯示器（VFD）、液晶顯示器（LCD）、等離子體顯示器（PDP）、電致發(fā)光顯示器（ELD）、發(fā)光二極管顯示器（LED）等。1.3.1CRT1897年德國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)的布來恩發(fā)明了CRT管，一直沿用到20世紀(jì)末才被液晶等非真空顯示器取代。

1.3.2LCD液晶顯示器經(jīng)過幾十年的研發(fā)過程終于成為目前的主流顯示器。它的突出特點(diǎn)是：1、低工作電壓和低功耗，能與COMS集成電路匹配；2、薄型化，通過LED背光源實(shí)現(xiàn)了全彩色與較高的對(duì)比度，成為特性優(yōu)異的彩色顯示器。1.3.3LED21世紀(jì)以來，LED在產(chǎn)品質(zhì)量和工藝等方面都取得很大的進(jìn)展，它的許多特點(diǎn)驅(qū)使人們將其應(yīng)用到圖像顯示方面，它屬于自身發(fā)光，又極易組件化的器件，能夠構(gòu)成各種特色化的顯示器，被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模圖形圖像顯示領(lǐng)域。1.4典型圖像顯示器1.4.1TFT-LCD圖象顯示器簡(jiǎn)介1、TFT-LCD的基本器件結(jié)構(gòu)如圖1-7所示為典型TFT-LCD液晶顯示器的基本結(jié)構(gòu)圖。它包括：前框、水平偏光片、彩色濾光片、液晶、TFT玻璃、垂直偏光片、驅(qū)動(dòng)IC與印刷電路板、擴(kuò)散片、膠框、背光源、背板、主控板、背光模組點(diǎn)燈器等。關(guān)鍵點(diǎn)：①兩個(gè)偏振方向相互垂直的偏振片；②背光源；③TFT玻璃板；④彩色濾光片；⑤液晶；2.TFT-LCD的工作原理冷陰極燈管發(fā)出的光，經(jīng)過擴(kuò)散板與擴(kuò)散片形成均勻的照明光，它先通過下偏光片向上發(fā)射，再通過液晶層向上傳導(dǎo)。在彩色LCD面板中，每一個(gè)像元都是由三個(gè)液晶單元格構(gòu)成的，其中每一個(gè)單元格前面都分別有紅色、綠色或藍(lán)色的濾光片。光線經(jīng)過濾光片照射到每個(gè)像元，不同色彩的液晶單元格均由TFT控制，然后根據(jù)三基色原理，合成不同的色彩。1.4.2TFT-LED圖像顯示器簡(jiǎn)介TFT-LED圖像顯示器是在TFT-LCD圖像顯示器的基礎(chǔ)上將背光板換成了LED背光板。采用LED背光板以后，驅(qū)動(dòng)電壓徹底降低，顯示屏的厚度減薄，明亮度增加，壽命增長(zhǎng)，色澤更加鮮艷。1.4.3LED圖像顯示器LED顯示屏主要有單色、雙色和三色（或稱真彩色）3種。如圖1-8所示為P5型LED顯示板實(shí)物圖。LED顯示屏由于具有工作電壓低、功耗小、亮度高、壽命長(zhǎng)、耐沖擊、性能穩(wěn)定和易于拼接組裝成各種不同形狀與尺寸的顯示器而得到廣泛的應(yīng)用，占據(jù)廣闊的市場(chǎng)。1.LED顯示板主要技術(shù)指標(biāo)①LED發(fā)光亮度：室內(nèi)顯示板單只LED發(fā)光亮度在0.5~50mcd，室外顯示板單只LED發(fā)光亮度在100~1000mcd，最高可超過10000mcd。②像元尺寸：室內(nèi)常為φ3、φ1.75（直徑3mm或1.75mm）,而室外用直徑為5mm或8mmLED；③像元間距：也有很多種，間距與型號(hào)相關(guān)，如室內(nèi)有P4、P5、P6等型號(hào)，間距分別是3.75mm、5mm和6mm；室外有P10、P12、P16、P20、P25等型號(hào)，間距分別是10mm、12mm、16mm、20mm和25mm。④像元數(shù)：不同類型，不同尺寸，像元數(shù)種類很多，要查產(chǎn)品手冊(cè)，如圖1-8所示P5LED顯示板有32×32個(gè)像元，構(gòu)成方形顯示板；⑤圖像分辨率：分辨率的考量與所顯示圖像的大小有關(guān)，還與屏幕拼接數(shù)量有關(guān)，拼接數(shù)量越大，分辨率越高。⑥顯示板灰度：灰度階數(shù)與圖像采集卡的A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率有關(guān)，16位A/D采集卡的基色灰度一般有0級(jí)至65536級(jí)。另外它還與控制系統(tǒng)的能力與驅(qū)動(dòng)芯片的承載或反應(yīng)率有關(guān)。⑦信息容量：顯示板的信息容量取決于板上像元數(shù)、灰度、色彩度、間距等參數(shù)。⑧顯示屏的平整度：平整度與制造廠的裝配工藝有關(guān)，一般要求保證平整度誤差在±1mm范圍內(nèi)；⑨色彩的還原性：色彩還原性是指顯示屏對(duì)色彩圖像的還原質(zhì)量，即顯示屏顯示的色彩要與播放源的色彩保持一致，這樣才能保證圖像的真實(shí)感。⑩瑕疵點(diǎn)比率：包括單色點(diǎn)、黑點(diǎn)和高亮點(diǎn)等影響圖像質(zhì)量。2.顯示屏的拼接技術(shù)將若干塊顯示板拼接成能夠在室內(nèi)、外顯示圖像的顯示屏所涉及的技術(shù)稱為顯示屏拼接技術(shù)。它包括：①總體設(shè)計(jì)：顯示屏拼接的首要任務(wù)是總體設(shè)計(jì)。根據(jù)屏幕的用途、安裝環(huán)境、顯示平均距離、背景光的變化情況和場(chǎng)景自然氣候條件（室內(nèi)可以不考慮此項(xiàng)）做出總體方案設(shè)計(jì)，確定顯示板的型號(hào)、數(shù)量與整體安裝方案。②根據(jù)顯示板型號(hào)與數(shù)量設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源的功率，設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)，注意散熱與允余量問題。室外應(yīng)用必須考慮極端天