曹峰梅第6章固體成像系統(tǒng)（6.3~6.4）光電成像原理與技術(shù)6.3成像系統(tǒng)的典型應(yīng)用6.3.1數(shù)碼相機(jī)數(shù)碼相機(jī)的基本結(jié)構(gòu)可換鏡頭式數(shù)碼相機(jī)包括：單鏡頭反光式數(shù)碼相機(jī)（直觀，正向）、無反光鏡頭式數(shù)碼相機(jī)（顯示器顯像，小型化）單反相機(jī)的光路a）拍攝前，b)拍攝時com單反相機(jī)的工作原理自動對焦被動式對焦是單反相機(jī)、微單相機(jī)和卡片數(shù)碼相機(jī)最常用的自動對焦方式，它是通過測量透過鏡頭的光（影像）與被攝體的距離來檢測自動對焦點的。根據(jù)實現(xiàn)方式，被動式對焦還可以進(jìn)一步細(xì)分，如相位檢測反差檢測外光被動主動式對焦是將光或紅外線等照射到被攝體上，并利用三角測量原理進(jìn)行對焦，或通過讓被攝體反射超聲波，計算反射時間并利用反射時間測距的方式進(jìn)行對焦。自動對焦相位檢測AF:

通過測距操作測量被攝體與相機(jī)傳感器之間的距離，具體來說，就是使用專用的自動對焦傳感器，捕捉光通過鏡頭后形成的兩個不同成像，然后根據(jù)兩個成像之間的偏移量測距（計算出到準(zhǔn)確對焦位置的距離），并一次性驅(qū)動鏡片至準(zhǔn)確的對焦位置，迅速完成合焦。自動對焦反差檢測AF:

反差檢測AF需要測量被攝體圖像中暗部與亮部的對比度，然后找出對比度的峰值，將其判斷為對焦位置。外光被動式AF:

使用專用的自動對焦傳感器生成兩個圖像，然后利用三角測量原理使雙重影像重合，并測出對比度最大的地方，就可以計算出可以合焦的準(zhǔn)確位置。防抖防抖是數(shù)碼相機(jī)中一項十分重要的技術(shù)，可以消除因手抖動或者器材抖動產(chǎn)生的圖像模糊?，F(xiàn)在開發(fā)了光學(xué)防抖、電子防抖和機(jī)身防抖等技術(shù)。6.3.2手機(jī)攝像模組手機(jī)攝像模組手機(jī)攝像模組的一般組成對焦馬達(dá)核心部件手機(jī)攝像模組其制作工藝是：將顆粒狀的基材加熱融化后，注入到模具中；冷卻成形之后，就變成了雪花狀的鏡片基胚，如右圖，“雪花”尖端的那些透明的小顆粒，就是成型的塑料鏡片；將它們剪下，進(jìn)行裝配；之后，還會進(jìn)行鍍膜等操作，和玻璃鏡片一樣，塑料鏡片也能通過物理/化學(xué)氣相沉積等方式，鍍上抗反光、抗散射的鏡頭鍍膜。隨后，將加工好的鏡片依序裝入精通，加入隔圈、壓圈，最后點膠封裝。鏡頭：手機(jī)鏡組中的每一片，很多只有米粒大小，鏡片最重要的是輕，一般會采用對塑料或樹脂進(jìn)行注塑的方式制造。手機(jī)攝像模組一種手機(jī)攝像鏡頭1-外殼、3-紅外截止濾波片、21-第一鏡片、22-第一遮光圈、23-第二鏡片、24-第二遮光圈、25-第三鏡片、26-第三遮光圈、27-第四鏡片、28-隔圈、29-第五鏡片、5-變形的彈性體嵌合定位結(jié)構(gòu)多鏡頭組合成為趨勢，不同焦距的鏡頭：廣角、長焦、超廣角鏡頭可在不同場景下拍攝。自動對焦主要通過對比度檢測對焦、相位檢測對焦和混合對焦。為解決手抖的問題，引入和光學(xué)防抖和電子防抖技術(shù)。手機(jī)攝像模組小型圖像傳感器：手機(jī)對圖像傳感器的小型化需求性強(qiáng)，常采用背照式、堆棧結(jié)構(gòu)。手機(jī)傳感器多采用多合一（PixelBinning）技術(shù)以提高低光環(huán)境下的感光性能。PixelBinning技術(shù)將相鄰的像素（通常是2

2、3

3或4

4等）的信號合并成一個“超級像素”。這樣可以增加每個“超級像素”的信號強(qiáng)度，從而提高圖像的信噪比。在低光照條件下，PixelBinning技術(shù)可以顯著提高攝像頭的感光度，使拍攝的圖像更明亮、更清晰。由于輸出的數(shù)據(jù)量減少，相機(jī)可以以更高的幀率捕獲圖像。手機(jī)攝像模組小型圖像傳感器：手機(jī)對圖像傳感器的小型化需求性強(qiáng)，常采用背照式、堆棧結(jié)構(gòu)。手機(jī)傳感器多采用多合一（PixelBinning）技術(shù)以提高低光環(huán)境下的感光性能。PixelBinning技術(shù)將相鄰的像素（通常是2

2、3

3或4

4等）的信號合并成一個“超級像素”。這樣可以增加每個“超級像素”的信號強(qiáng)度，從而提高圖像的信噪比。在低光照條件下，PixelBinning技術(shù)可以顯著提高攝像頭的感光度，使拍攝的圖像更明亮、更清晰。由于輸出的數(shù)據(jù)量減少，相機(jī)可以以更高的幀率捕獲圖像。信號處理與輸出：手機(jī)攝像頭模組的信號通過圖像信號處理器（ISP）對數(shù)字信號進(jìn)行處理，包括自動白平衡、色彩矩陣、鏡頭陰影校正、伽馬校正、銳化、自動曝光控制和降噪等。處理后的數(shù)據(jù)可以輸出為YUV或RGB格式。另外，處理器或驅(qū)動芯片的功能還包括對攝像頭機(jī)械調(diào)整的精確控制，實現(xiàn)對焦和防抖。手機(jī)攝像頭模組的信號輸出接口為MIPICSI，線纜連接方式有FTC（FlatTapeCable，扁平帶狀電纜）、BTB（BoardToBoard，板對板連接器）和SOCKET（插座連接器）三種。每種方式都有其優(yōu)缺點，選擇合適的輸出方式可以提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率。手機(jī)攝像模組6.3.3立體成像系統(tǒng)立體成像系統(tǒng)立體成像系統(tǒng)在自動駕駛、機(jī)器人導(dǎo)航、3D重建等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。CCD/CMOS圖像傳感器在立體攝像系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，比如利用雙目立體視覺、單目結(jié)構(gòu)光、飛行時間法（TOF）實現(xiàn)立體成像或者三維測距。三維測距的三種方法示意圖立體成像系統(tǒng)飛行時間法（TOF）相機(jī)：

脈沖/調(diào)制光源發(fā)射的輻射，通過光學(xué)擴(kuò)散片擴(kuò)散出去；當(dāng)光從物體上反射回來時，用透鏡收集聚焦到固態(tài)量程圖像傳感器（包含2個或者更多快門，用來在不同時間采樣反射光線，它能夠直接或間接地測量光脈沖從光源到目標(biāo)并返回傳感器所需的飛行時間）；傳感器接口模塊，為傳感器提供電源、所需的偏執(zhí)信號，控制信號。三維TOF相機(jī)的基本組成(a)脈沖/調(diào)制光源（在ToF中一般使用垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL）；(b)光學(xué)擴(kuò)散片；(c)一組透鏡；

(d)固態(tài)量程圖像傳感器；

(e)傳感器接口模塊立體成像系統(tǒng)(a)兩個脈沖之間有td時間延遲；

(b)兩個脈沖機(jī)器返回波形采樣。使用兩個延遲脈沖實現(xiàn)間接型TOF的工作原理嫦娥立體相機(jī)嫦娥一號嫦娥一號CCD立體相機(jī)

2007年10月24日18時05分04.602秒成功發(fā)射升空CCD立體相機(jī)中國首幅月圖由嫦娥一號衛(wèi)星搭載的CCD立體相機(jī)采用線陣推掃的方式獲取，軌道高度約200公里，每一軌的月面幅寬60公里，像元分辨率120m。20嫦娥立體相機(jī)“嫦娥一號”所用的CCD立體相機(jī)，在國內(nèi)外首次提出采用一個大視場光學(xué)系統(tǒng)加一片大面陣CCD芯片，用一臺相機(jī)取代三臺相機(jī)的功能，實現(xiàn)了拍攝物的三維立體成像。立體相機(jī)在工作時，只采集三行CCD的輸出，分別獲取前視、正視、后視圖像，隨后進(jìn)行處理形成立體圖像。由于立體相機(jī)固定在衛(wèi)星上不能自由轉(zhuǎn)動，所以它只是隨衛(wèi)星與月球間的相對運動，對月球表面進(jìn)行掃描成像。嫦娥立體相機(jī)下圖中，左圖為第一軌原始數(shù)據(jù)（前視、正視、后視），右上圖為三維立體模型，右下圖為彩色編碼的三維立體模型。22嫦娥立體相機(jī)全月球影像圖數(shù)據(jù)：南北緯70°以內(nèi)數(shù)據(jù)508軌,極區(qū)數(shù)據(jù)589軌數(shù)據(jù)預(yù)處理：輻射、幾何和光度校正制圖：選取正視數(shù)據(jù)，經(jīng)過拼接與鑲嵌、投影與比例尺、影像圖設(shè)計，制作得到全圖。正軸等角割35°墨卡托投影,包括70°N~70°S之間的區(qū)域,約占全月球面積的94%.月球南北極區(qū)影像圖,包括60°N~90°N,60°S~90°S區(qū)域,采用等角割70°方位投影全月球影像圖制作,分為南北緯70°以內(nèi)、南極和北極三個區(qū)域嫦娥二號24“嫦娥二號”立體相機(jī)100公里的遠(yuǎn)軌道，分辨率7米，獲取全月面立體圖像下降到距離月球15公里軌道，分辨率1.3米，實現(xiàn)對“嫦娥三號”著陸點“虹灣地區(qū)”的高精度探測和成像TDI像元參數(shù)譜段范圍分辨率的計算以波長為函數(shù)的TDICCD的CTF曲線根據(jù)成像幅寬43km，單條TDICCD像元數(shù)6144，則其地元分辨率為43km/6144像元=7m（在100km圓軌時）折算到虹灣地區(qū)15km成像高度，地元分辨率為1.05m，成像幅寬為6.45m光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑：F/9焦距視場角H為成像高度；GSD為地元分辨率（7m）；b為探測器像元尺寸（10.1

m）。算得f′=144.3mm“嫦娥二號”立體相機(jī)根據(jù)100km成像高度及43km成像幅寬，可得到橫軌方向視場角為23.26°根據(jù)要求前視為8°，后視為–17.2°，沿軌方向最大視場角為17.2°，總視場角為2up=42°。26“嫦娥二號”立體相機(jī)96級TDICCD技術(shù)：相當(dāng)于用96條線陣CCD對月面同一可分辨條帶成像，然后圖像信號累加，以提高圖像的強(qiáng)度。速高比補償技術(shù)：滿足TDICCD器件電荷包的轉(zhuǎn)移速率要與目標(biāo)像在焦平面上的運動速度相匹配。在軌運行中使96條線陣CCD中每一條都對月表同一條帶成像，否則圖像累加后就會模糊。因為衛(wèi)星在軌實際運行時，高度與速度都在隨機(jī)變化，因此衛(wèi)星越過可分辨條帶（1米或7米）的時間是不相同的。當(dāng)衛(wèi)星飛得快時，就把相應(yīng)的曝光時間縮短一些，也就是把相機(jī)的幀頻提高一點，從而使每條CCD采樣的信號都是同一條帶。嫦娥二號高分辨率月球影像圖近月弧段上拍攝的拉普拉斯–A的立體圖像（GSD約為1.3m）極區(qū)典型環(huán)形坑（GSD約為7m）虹灣局部影像(GSD約為1.3m)嫦娥二號276.3.4視覺檢測系統(tǒng)應(yīng)用光譜測量

被測光源發(fā)出的光經(jīng)過光柵色散后在CCD像元上成像，CCD各像元位置分別對應(yīng)于光色散后的不同波長，由采樣電路對CCD輸出信號進(jìn)行逐位采樣，根據(jù)采樣的位數(shù)，可以知道信號所在的波長，而信號的幅度則是該波長的光輻射能量。只要對目標(biāo)進(jìn)行一次采樣，就可得到在一定波長范圍內(nèi)的光譜分布曲線，因而可以用于測量閃光燈等瞬態(tài)發(fā)光源的光譜。遙感攝影應(yīng)用將高密度的線陣CCD掃描系統(tǒng)安裝在飛機(jī)或遙感衛(wèi)星上，通過飛機(jī)或衛(wèi)星相對地面目標(biāo)的飛行和CCD傳感器在與飛行的垂直方向的自掃描，可以實現(xiàn)高分辨率的遙感光譜成像。由CCD攝像系統(tǒng)、記錄裝置、實時圖像處理裝置(如編碼、壓縮等)、圖像信息傳送裝置等部分組成。為了提高空間分辨率，通常采用兩片或多片CCD進(jìn)行光學(xué)或電學(xué)拼接。為提高CCD靈敏度，也可以使用面陣列CCD并采用TDI方式工作。質(zhì)量檢測當(dāng)工件(或紡織品等)表面受到光照射時，表面的不清潔處或疵點對入射光產(chǎn)生漫反射，將漫反射光投影到CCD上，然后對CCD輸出的光電信號進(jìn)行處理，可以完成表面質(zhì)量檢測。檢驗集成電路掩模缺陷硅片表面質(zhì)量布匹、紙張和藥片的表面疵點等。對可以透過光線的薄片狀的布匹、紙張等也可以采用測量透射光的做法。6.3.5醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)內(nèi)窺鏡：常用于微創(chuàng)外科手術(shù)和醫(yī)療診斷中，已成為醫(yī)療領(lǐng)域不可缺少的工具之一。光纖式內(nèi)窺鏡：它采用光導(dǎo)玻璃纖維的CCD/CMOS相機(jī)去照亮需要觀察的區(qū)域。它是一種高度集成的儀器，集成有相機(jī)、光纖、摘取組織的小鑷子、注射清洗水的管子和用于擴(kuò)大病變區(qū)的氣管等。膠囊式內(nèi)窺鏡：是一種無創(chuàng)檢查方式，無需進(jìn)行麻醉和插管，減少了患者的不適感和痛苦。膠囊內(nèi)窺鏡由一個圖像傳感器、光學(xué)成像系統(tǒng)、白色LED照明燈、射頻電路、天線、電池和其他部分組成。使用者吞下一個膠囊內(nèi)窺鏡后，它就會自動沿著消化器官移動。醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)片上熒光檢測：片上型器件可以將樣品直接放在芯片表面上并進(jìn)行測量。這種配置將使直接訪問標(biāo)本變得容易，因此可以測量熒光、電勢、pH和電化學(xué)參數(shù)之類的參數(shù)。集成功能是CMOS圖像傳感器的重要功能，這些功能不僅可以實現(xiàn)高SNR測量，還可以實現(xiàn)功能測量。熒光成像數(shù)字酶聯(lián)免疫吸附測定(ELISA)法原理片上熒光檢測6.4新體制成像技術(shù)與系統(tǒng)6.4.1復(fù)眼相機(jī)復(fù)眼相機(jī)TOMBO(ThinObservationModulebyBoundOptics)復(fù)眼系統(tǒng)的設(shè)計思路主要受到昆蟲復(fù)眼的啟發(fā)。復(fù)眼中有大量獨立的具有小視角的微小光學(xué)系統(tǒng)，每只獨立的微小眼睛(稱為小眼或單眼)所獲得的圖像在大腦內(nèi)重組整個圖像。復(fù)眼系統(tǒng)的優(yōu)點

寬視場角、緊湊的體積和很短的工作距離，可實現(xiàn)超薄相機(jī)系統(tǒng)。

一只小眼只需要一個較小的視場角，每只小眼中只需要簡單的光學(xué)系統(tǒng)復(fù)眼系統(tǒng)的缺點：

分辨率較低。6.4.2偏振相機(jī)偏振相機(jī)偏振成像利用光的偏振特性，可以應(yīng)用在需要更高清晰度的目標(biāo)檢測領(lǐng)域。例如，通過偏振成像可以清晰地拍攝到玻璃上的反射圖像。另外，偏振成像還可以用于測量透明材料的二維雙折射分布，該分布顯示了材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力。在CMOS工藝流程中使用金屬線作為線柵的圖像傳感器如右圖所示。偏振相機(jī)6.4.3光場相機(jī)光場相機(jī)(1)先拍照，再對焦：傳統(tǒng)的數(shù)碼相機(jī)只捕捉一個光面對焦成像，中心清晰，焦外模糊；光場相機(jī)則是記錄下所有方向光束的數(shù)據(jù)，后期在電腦中根據(jù)需要選擇對焦點，照片的最后成像效果要在電腦上處理完成。(2)體積小，速度快：由于采用與數(shù)碼數(shù)碼不同的成像技術(shù)，光場相機(jī)沒有數(shù)碼相機(jī)上復(fù)雜的聚焦系統(tǒng)，整體體積較小，操作也比較簡單；同時由于不用選擇對焦，拍攝的速度也更快。6.4.4壓縮感知成像壓縮感知（CS）成像單像素相機(jī)使用數(shù)字微鏡設(shè)備（DigitalMicromirrorDevice,DMD）在CS測量過程中對光學(xué)信號進(jìn)行編碼采樣。其中，DMD是壓縮感知成像系統(tǒng)的重要部件。它是通過靜電驅(qū)動的微鏡像素陣列，每個微鏡只有兩種定向的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)。由于微鏡的翻轉(zhuǎn)角度不同，可以把入射光沿兩個不同的角度反射，這就實現(xiàn)了通過成千上萬個微鏡是否反射入射光而實現(xiàn)對人射光的調(diào)制。成像時，DMD需要和光電傳感器協(xié)調(diào)配合運行：首先成像場景光信號的像面圖像聚焦到DMD上，然后像面經(jīng)過DMD編碼后篩選出部分光信號集中反射至光電傳感器完成信號采集，DMD的連續(xù)翻轉(zhuǎn)編碼為每次信號測量產(chǎn)生連續(xù)不斷的模擬測量值。壓縮感知（CS）成像光電傳感器產(chǎn)生的模擬電壓值為每次壓縮感知過程所得到的測量值，yi∈R,i=1,2,3,…,M。重復(fù)這樣的DMD編碼過程M次，可以獲得M維測量向量y=[(y1,y2,...yM)]，y∈RM

，R為實數(shù)域，因此DMD的編碼狀態(tài)