曹峰梅第6章固體成像系統(tǒng)（6.1~6.2）光電成像原理與技術(shù)固體成像系統(tǒng)的概念本章描述的所有成像系統(tǒng)，均是基于前述固體成像器件（CCD、CMOS）而構(gòu)成的電視型成像系統(tǒng)。當(dāng)前因數(shù)碼成像已經(jīng)幾乎完全替代了膠片成像，人們對(duì)照相系統(tǒng)和攝像系統(tǒng)的區(qū)分更多是從用途上看輸出圖像是靜止的還是連續(xù)的，故此，本教材將上述系統(tǒng)一并稱為成像系統(tǒng)。嚴(yán)格意義上講，固體成像器件應(yīng)包括真空器件之外的所有固體成像器件（CCD、CMOS及各種紅外、紫外成像器件），但因紅外成像器件有很多特殊性，從教學(xué)規(guī)律出發(fā)，我們將紅外成像器件獨(dú)立到第七章，基于紅外成像器件的成像系統(tǒng)放到了第八章，故本章中描述的所有固體成像系統(tǒng)僅限于可見(jiàn)光波段內(nèi)工作的成像系統(tǒng)。6.1成像系統(tǒng)的構(gòu)成與基本性能6.1.1成像系統(tǒng)的構(gòu)成與分類攝像機(jī)的組成攝像物鏡：將景物的光強(qiáng)分布成像在攝像器件上。攝像器件及其附屬電路:將成像在傳感器芯片上的光學(xué)圖像，轉(zhuǎn)換為電荷圖像。2278214870@攝像機(jī)的組成電子學(xué)電路：將傳感器芯片上的電荷圖像轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)輸出。掃描電路：包括行、場(chǎng)掃描電路（產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖及電荷積分、轉(zhuǎn)移、傳輸、過(guò)驅(qū)動(dòng)等所需的驅(qū)動(dòng)電壓）視放電路：將產(chǎn)生的微弱圖像信號(hào)進(jìn)行放大，

變換為適于傳輸?shù)男盘?hào)保護(hù)電路：控制電路和電源等輸出接口：輸出特定格式的圖像數(shù)據(jù)附屬控制及防護(hù)裝置:

光闌、聚焦、變焦控制裝置；空間狀態(tài)控制裝置（升降，俯仰）；冷卻系統(tǒng)及其防護(hù)裝置攝像機(jī)的組成彩色成像系統(tǒng)的構(gòu)成彩色面陣成像方式Bayer濾色片F(xiàn)oveon垂直濾光

3CCD

CYGM模式單片式CCD彩色攝像機(jī)框圖單片式彩色攝像機(jī)三片式彩色攝像機(jī)結(jié)構(gòu)原理框圖三片式彩色攝像機(jī)三片式彩色攝像機(jī)結(jié)構(gòu)原理框圖三片式彩色攝像機(jī)采樣頻率相同，被采樣信號(hào)帶寬不同的兩種采樣信號(hào)的頻譜分布成像器件像元尺寸確定后，其采樣頻率fs就已經(jīng)確定。為保持采樣后的信號(hào)不出現(xiàn)頻率混淆，按奈奎斯特定律：輸入光信號(hào)的上限空間頻率fm應(yīng)限制在fs/2之內(nèi)。三片式彩色攝像機(jī)空間像素錯(cuò)開(kāi)法為了減弱頻譜混淆在圖像上的干擾，在進(jìn)行圖像中心重合調(diào)整時(shí)，使產(chǎn)生G信號(hào)的CCD攝像器與R攝像器及B攝像器在水平方向上錯(cuò)開(kāi)L/2。

這樣，采樣后R、B信號(hào)與G信號(hào)調(diào)制在基波fe上的邊帶信號(hào)中的各相對(duì)應(yīng)的頻率分量都是相互反相的。若采用的亮度方程為對(duì)于R=G=B的黑白景物，存在成像系統(tǒng)的種類攝像系統(tǒng)的分類按工作模式分：攝像機(jī)，相機(jī)。按成像器件分:面陣系統(tǒng)、線陣系統(tǒng)。按信號(hào)輸出格式分:模擬攝像機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。按光學(xué)參數(shù)分:定焦系統(tǒng)、變焦系統(tǒng)。按用途分：便攜系統(tǒng)、演播室攝像機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)相機(jī)。。。。。。2278214870@6.1.2成像系統(tǒng)的性能參數(shù)靈敏度：輸出信號(hào)電流與輸入光通量（或照度）的比值。指保證圖像質(zhì)量所需的景物最低照度。主要限制為攝像器件的性能，有時(shí)用能分辨圖像的極限靈敏度指標(biāo)表示，如6dB，分辨力為100TVL時(shí)的照度。單位:lx，數(shù)值越小，需要的光線越少，越靈敏。攝像機(jī)的基本性能N為傳感器的像元總數(shù)，Φ為每個(gè)像素在掃描時(shí)間內(nèi)該像元所接收的光通量，Is為信號(hào)電流，R為響應(yīng)度；積分時(shí)間內(nèi)單位面積的像元上響應(yīng)的信號(hào)電荷數(shù)，也可表示為單位輻射功率所產(chǎn)生的光電流的多少動(dòng)態(tài)范圍：保證圖像質(zhì)量所需的景物最高照度與最低照度的范圍用線性響應(yīng)區(qū)輸出的飽和電壓與暗場(chǎng)下噪聲峰-峰值電壓之比HDR(High-DynamicRange)高動(dòng)態(tài)范圍圖像攝像機(jī)的基本性能動(dòng)態(tài)范圍越大，所能表示的層次越豐富，所包含的色彩空間也越廣。分辨力：系統(tǒng)分辨圖像細(xì)節(jié)的能力，分為垂直分辨力，水平分辨力。連續(xù)成像器件：以畫(huà)面垂直方向或水平方向尺寸內(nèi)所能分辨的黑白條紋數(shù)來(lái)衡量，簡(jiǎn)稱電視線(TVL)。攝像機(jī)的基本性能

電視線TVL也可以換算成以lp／mm表示的分辨力，即M為垂直分辨力,h、l分別為傳感器高度和對(duì)角線的長(zhǎng)度例如，某攝像管的分辨力為400TVL，靶面有效直徑為16mm，則靶面上的分辨力應(yīng)為(lp/mm)電視掃描行數(shù)的確定依據(jù)：若眼睛所能分辨的條紋數(shù)為Z：人在看電視時(shí)容易疲勞，一般取人眼的分辨角θ=1.5’，考慮到觀察距離l約為5h時(shí)可獲得最佳觀察效果，代入公式，可得人眼可分辨458TVL；我國(guó)電視制式為625行，垂直分辨系數(shù)為0.7，則垂直分辨力為:在隔行掃描不良，發(fā)生并行現(xiàn)象時(shí)，垂直分辨力還要降低；水平分辨力：指沿屏幕水平方向分辨垂直條紋的能力。實(shí)踐證明，兩方向分辨力相等時(shí)，圖像效果最佳，即，水平分辨力為：dhθl像元面陣數(shù)：因離散像元陣列的像元數(shù)往往成為攝像系統(tǒng)的分辨力的決定性因素，故常用其表征攝像系統(tǒng)的分辨能力。常見(jiàn)的表達(dá)形式：水平和垂直方向的像素?cái)?shù)表示：1920(H)

1280(V)或2K(2048)1K(1024)使用全部像元的量級(jí)表示：30萬(wàn)、100萬(wàn)、300萬(wàn)像素等。用字母縮寫表達(dá)不同等級(jí)的分辨率：VGA(VideoGraphicsArray)表示分辨率為640×480；QVGA(QuarterVGA)為標(biāo)準(zhǔn)VGA分辨率的1/4尺寸，亦即320×240；SVGA(SuperVGA)的分辨率為800×600；XGA(ExtendedGraphicsArray)分辨率為1024×768；隨著技術(shù)的發(fā)展，還有SXGA、UXGA等不同等級(jí)。攝像機(jī)的基本性能傳感器尺寸：圖像傳感器的對(duì)角線尺寸

用英寸表示，如1/2吋,1/3吋，1/4吋等面陣CCD芯片攝像機(jī)的基本性能國(guó)際單位換算1英寸=25.4mm在傳感器尺寸描述時(shí)1英寸對(duì)應(yīng)16mm芯片尺寸=單個(gè)像素尺寸像素?cái)?shù)（水平或垂直）幀頻：幀速是指攝像設(shè)備每秒能夠捕捉或顯示的圖像幀數(shù)，通常以fps（FramesPerSecond）表示。較高的幀速可以使視頻看起來(lái)更加流暢。例如，電影通常使用24fps，電視廣播常用30fps或60fps，而高速運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景（如體育賽事）可能需要更高的幀速（如120fps或240fps以及更高）以避免拖影。攝像機(jī)的基本性能光電轉(zhuǎn)換特性γ：表征輸出視頻信號(hào)電流與光敏面

上輻射照度關(guān)系的曲線。由于通常顯像管的電光轉(zhuǎn)換特性都大于1，

故攝像管的光電轉(zhuǎn)換特性通常都小于1。用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示的光電轉(zhuǎn)換特性攝像管的光電轉(zhuǎn)換特性曲線輸入量和量化像素值之間的非線性映射攝像機(jī)的基本性能信噪比：電視圖像中，除目標(biāo)景物外，有時(shí)還存在像雪花一樣的小點(diǎn)，這就是噪聲，一般用信噪比衡量噪聲大小。S/N定義為圖像信號(hào)的峰－峰值與噪聲均根值之比，用分貝表示，從視頻信號(hào)輸出測(cè)得，除探測(cè)器噪聲還有掃描讀出噪聲的影響。從經(jīng)驗(yàn)知，達(dá)到30dB，觀察效果就比較好了，如果達(dá)到40dB，噪聲可以忽略。（1dB=20lg(S/N)）攝像機(jī)的基本性能因靈敏度可以定義為：輸出視頻信號(hào)一定時(shí)，光敏面所需的最小輻射照度的倒數(shù)，故成像器件的靈敏度與信噪比密切相關(guān)?；叶鹊燃?jí)：把圖像的亮度從最亮到最暗分為多個(gè)亮度等級(jí)，該亮度等級(jí)稱為灰度。電視圖像所能重現(xiàn)的被攝景物灰度等級(jí)越高，圖像層次越豐富，一般認(rèn)為，灰度等級(jí)不應(yīng)該低于6?；叶确直媛?、色彩分辨率，1/2n位數(shù)：8位（bit）、10位、11位、12位、16位位數(shù)越多，圖像越清晰非線性失真：景物經(jīng)過(guò)電視系統(tǒng)成像后所產(chǎn)生的幾何畸變，稱為非線性失真。一般工業(yè)電視規(guī)定，非線性失真不大于5~10%。惰性：當(dāng)目標(biāo)景物與攝象機(jī)存在快速相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，顯示屏上重疊出現(xiàn)視場(chǎng)以外景物的圖像，造成圖像變模糊，這種殘留圖像的現(xiàn)象為惰性，也稱滯后。通常用第三場(chǎng)殘余信號(hào)的大小來(lái)表示，主要是由攝像器件的惰性決定。攝像機(jī)的基本性能6.2成像系統(tǒng)的主要組成部分6.2.1成像系統(tǒng)的光學(xué)成像系統(tǒng)攝像物鏡的特性參數(shù)：相對(duì)孔徑：D/f’，表示物鏡的聚光能力。F數(shù)（光圈數(shù)）：相對(duì)孔徑的倒數(shù)，通常物鏡上刻度值為：1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22，32成像尺寸與視場(chǎng)角：成像尺寸＝靶面有效尺寸x×y，2ω表征物鏡視野，分為水平視場(chǎng)角，垂直視場(chǎng)角焦距f’：長(zhǎng)焦鏡頭：f>x,y（可以看清景物細(xì)節(jié)）短焦鏡頭：f<x,y（用于環(huán)境照明差，但拍攝場(chǎng)面大的場(chǎng)合）中焦鏡頭：f與成像尺寸相當(dāng)變焦鏡頭：焦距連續(xù)可調(diào)攝像物鏡系統(tǒng)對(duì)攝像物鏡的基本要求：成像清晰；T數(shù)（透過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光通量）高；像面照度均勻；圖像畸變??；光闌可以調(diào)整等。后截距S：物鏡系統(tǒng)最后一面與成像面的距離。通常情況下，因像放大率m<<1，因此像距近似等于焦距f’，故攝像管的靶面就放在物鏡的后焦面附近。按照高斯公式可知，當(dāng)物距a減小時(shí)，像距b應(yīng)該增大；若物距a太小，則成像面無(wú)法落到靶面上，因此電視攝像物鏡都規(guī)定一個(gè)最小物距－最近攝像距離。攝像物鏡鏡頭DdCCD攝像機(jī)后截距S：攝像物鏡接圈：鏡頭接口適配鏡頭與攝像機(jī)接口透射比τ：為透過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的光通量T與入射到光學(xué)系統(tǒng)的光通量Φ之比。一般定焦鏡頭為0.9，變焦為0.8。透射比是波長(zhǎng)λ的函數(shù)，透射比隨波長(zhǎng)變化的函數(shù)關(guān)系成為光譜特性。攝像物鏡分辨力及MTF：表征分辨圖像細(xì)節(jié)的能力，分辨力N通常用單位長(zhǎng)度內(nèi)看清對(duì)比度為1的黑白條紋的對(duì)數(shù)(lp/mm)表示。MTF可理解為不同空間頻率像的對(duì)比度與物對(duì)比度之比。攝像物鏡攝像物鏡電視系統(tǒng)的分辨力Nv用圖像高h(yuǎn)內(nèi)的電視線數(shù)TVL表示（電視圖像高寬比為h/b=3/4），其與攝像物鏡的分辨力N的關(guān)系為：通常以400TVL的調(diào)制傳遞函數(shù)來(lái)衡量電視系統(tǒng)分辨力的好壞，其相應(yīng)的攝像物鏡分辨力為：1英寸傳感器（對(duì)角線16mm），b=12.8mm幾何畸變：像的大小與理想像高不等，小于理想像高－桶形畸變，反之－枕形畸變，攝像物鏡總畸變應(yīng)小于5％。雜散光：透鏡間相互雜亂反射的光投射到成像面上，降低圖像對(duì)比度，應(yīng)盡量小。景深、焦深、調(diào)焦。攝像物鏡景深：不同距離上的物點(diǎn)，在成像面上形成不同大小的彌散圓斑，當(dāng)彌散圓直徑足夠小時(shí)，彌散圓仍可視為一個(gè)點(diǎn)像，其直徑的允許值取決于攝像器件的分辨力。由彌散圓直徑允許值所決定的物空間深度范圍稱為景深。焦深：當(dāng)物距固定時(shí)，在焦平面前后能得到清晰圖像的范圍稱為焦深。調(diào)焦：調(diào)節(jié)像面位置，使得不同距離景物在成像面保持清晰圖像的過(guò)程為調(diào)焦。攝像物鏡前景深：后景深：

景深：光圈越大，景深越小，光圈越小，景深越大；鏡頭焦距越長(zhǎng)，景深越?。唤咕嘣蕉?，景深越大；拍攝距離越遠(yuǎn)，景深越大；距離越近，景深越小變焦：焦距連續(xù)可變的攝像鏡頭兼容短焦距和長(zhǎng)焦距的應(yīng)用范圍，使用方便。變焦物鏡設(shè)計(jì)應(yīng)滿足下列基本要求：（1）焦距變化時(shí)，成像面位置固定不變；（2）各個(gè)焦距所對(duì)應(yīng)的像質(zhì)和照度分布應(yīng)符合要求。由組合透鏡的焦距公式可知，當(dāng)組成物鏡系統(tǒng)的透鏡間的距離d連續(xù)可變時(shí)，物鏡焦距就隨著連續(xù)變化，這就是變焦物鏡的基本原理。攝像物鏡6.2.2成像系統(tǒng)的圖像傳感器芯片攝像系統(tǒng)的攝像器件型

號(hào)IL-P3分辨率512/1024/2048像元尺寸14μm×14μm光敏面尺寸7.2/14.4/28.7mm最大幀速率73/37.8/19.2KHz數(shù)據(jù)率40MHz響應(yīng)率43.7V/(μJ/cm2)動(dòng)態(tài)范圍1820s：1封

裝24管腳DIP工作溫度最大60°某線列CCD芯片的性能指標(biāo)41型

號(hào)FT18FT50MFTT1010M分辨率1024×10241024×10241024×1024像元尺寸7.5μm×7.5μm5.6μm×5.6μm12μm×12μm光敏面尺寸7.7mm×7.7mm5.7mm×5.7mm12.3mm×12.3mm最大幀速率30ftp100ftp60ftp數(shù)據(jù)率40MHz2×60MHz2×40MHz響應(yīng)率450V/lux·s1700mV/lux·s2000mV/lux·s動(dòng)態(tài)范圍＞60dB，線性＞67dB，線性＞72dB，線性封

裝32管腳DIL28管腳DIL80管腳PGA工作溫度-40~60℃-40~60℃-40~60℃

某幀/場(chǎng)轉(zhuǎn)移陣列CCD芯片的性能指標(biāo)42型

號(hào)FTF2021MFTF3021MFTF3041MFTF3030M分辨率2032×20443027×20443027×40963027×3027像元尺寸12μm×12μm12μm×12μm12μm×12μm12μm×12μm光敏面尺寸24.4×24.6mm36.9×24.6mm36.9×49.2mm36.0×36.9mm最大幀速率6/11/20fps3.4/6.3fps1.5/2.6fps12fpsMAX數(shù)據(jù)率4×25MHz2×25MHz2×25MHz4×36MHz響應(yīng)率8μV/e-20μV/e-20μV/e-22μV/e-動(dòng)態(tài)范圍72dB72dB72dB＞72dB，線性封

裝84管腳PGA96管腳PGA80管腳PGA/工作溫度-40~60℃-40~60℃-40~60℃-40~60℃某全幀轉(zhuǎn)移陣列CCD芯片的性能指標(biāo)（X-Ray專用芯片）43型

號(hào)FTF4027M/IGFTF4027C/IGFTF4052M/IGFTF4052C/IGFTF7040MFTF5066M/HGFTF5066C/HGFTF6146M/HGFTF6146C/HGFTF6080CFTF9168C分辨率4008×26724008×53447168×40964992×66686096×45606000×80048956×6708像元尺寸9μm×9μm12μm×12μm7.2μm×7.2μm6.0μm×6.0μm光敏面尺寸(mm)36.1×2436.1×48.186×4935.9×4843.9×32.836.000×48.02453.736×40.248最大幀速率7.2fps3.7fps1fps2.7fps3.3fps1.6fps1.3fps數(shù)據(jù)率4×25MHz4×10MHz4×25MHz響應(yīng)率2000/1000mV/lux·s1875mV/lux·s3600/800mV/lux·s//動(dòng)態(tài)范圍＞72dB，線性＞68dB，線性＞72dB，線性72dB70dB封

裝96管腳PGA80管腳PGA104管腳PGA80管腳PGA104管腳PGA80管腳PGA工作溫度-40~60℃-20~60℃-20~60℃某大像素陣列CCD芯片的性能指標(biāo)44型

號(hào)CMV2000CMV4000分辨率2048(H)×1088(V)2048(H)×2048(V)像元尺寸5.5μm×5.5μm芯片尺寸2/3″1″最大幀速率340fps/10bit180fps/10bit70fps/12bit37fps/12bit數(shù)據(jù)率480MHz響應(yīng)率4.64V/lux·s動(dòng)態(tài)范圍60dB電

壓2.0V和3.0V功