第3章 光圖像信息探測器件及使用

第2章介紹的光輻射信息探測器件是一類單元器件，主要用于對“點源”的探測。本章所介紹的光圖像信息探測器件是一類能輸出圖像信息的陣列器件，主要用于對“面源”的探測，這種器件也稱為光電成像器件或光電圖像傳感器。

3.1 光圖像信息探測器件的類型與電視制式

3.1.1 光圖像信息探測器件的類型

目前，各種功能的光電成像器件已經構成系列，從成像原理上可分為掃描型與非掃描型兩類；從人的觀察應用上又可分為直視型與非直視型兩類，如圖3-1所示。

1. 直視型光電成像器件

直視型（非掃描型）光電成像器件可直接顯示供人觀察的圖像，因而也稱為像管。它是基于光電發射效應，由光電陰極（像敏面）、電子透鏡和熒光屏（顯像面）三部分構成的。這種器件完成光學圖像的光譜變換（即將不可見圖像變為可見圖像的變像管）或使圖像亮度增強的變換（即像增強管）。這種直視型光電成像器件的分類如圖3-1上部分所示。

直視型光電成像器件可拓展人的視覺光譜范圍和視覺靈敏度。但是，它只是實時實地的圖像觀察模式，而無法對圖像進行存儲和傳輸，因而不能實現遠程觀察。

2. 非直視型光電成像器件

非直視型（掃描型）光電成像器件又稱為攝像器件，它通過電子束掃描或固體自掃描等方式，將被攝景物經光學系統成像在器件的光敏面（或靶面）上的二維圖像轉變為一維時序信號輸出出來。這種輸出不能直接觀察到圖像，因而是一種非直視型光電成像器件。我們將這種運載圖像信息的一維時序信號稱為視頻信號。將這種視頻信號送入監視器，控制顯像管的電子槍的強度，顯像管的電子槍與攝像器件做同步掃描，也可將攝像器件所攝取的圖像顯示出來。顯然，這種非直視型光電成像器件能對圖像進行存儲和傳輸，并能實現遠程觀察，其分類如圖3-1下部分所示。

由上可以看出，作為攝像機的成像器件來說，實質上是兩大類：即真空攝像管和固體攝像器件。真空攝像管過去使用最多的是氧化鉛（Pbo）靶光導攝像管和硅靶光導攝像管。由于固體攝像器件的出現，已基本被淘汰，因而本書不作介紹。目前，主要應用的是固體攝像器件。

大多數固體攝像器件均屬于電荷傳送器件（CTD），如電荷耦合器件（CCD）、電荷注入器件（CID）、電荷引動器件（CPD），以及自掃描光電二極管陣列（SSPA）。另外一類主要是有很大發展前途的CMOS攝像器件，還有接觸式CIS線列以及新型的LBCAST圖像傳感器。本章除介紹直視型光電成像器件外，重點介紹應用最廣泛的電荷耦合器件CCD，以及極具潛質的CMOS攝像器件，SSPA、CIS、LBCAST與特種成像器件，也將作簡要介紹。

3.1.2 電視制式

電視圖像的監視器與電視接收機的顯示部分的原理是相同的，它們都是應用熒光物質的電光轉換特性來顯示圖像的。電視圖像掃描分為逐行掃描與隔行掃描兩種方式，通過這兩種掃描方式，攝像機將景物圖像分解成為一維視頻信號，圖像顯示器將一維視頻信號合成電視圖像。而且，攝像機與圖像顯示器必須采用同一種掃描方式。

廣播電視系統中采用的信號傳輸和接收規則稱為電視制式，按電視制式輸出的一維時序電信號就是視頻信號。根據科技發展水平、電網制式、人眼視覺特性及對電視系統的需求等，可確定電視畫面的寬高比、幀頻、場頻、行頻等，這些都是影響電視系統性能的重要參數。

目前世界各國采取的彩色電視制式主要有NTSC制（美國制）、PAL制（原西德制）和SECAM制（法國制）三類。NTSC制于1953年由美國研制成功，主要用于北美、日本和東南亞各國。該電視制式的場頻為60Hz，隔行掃描的每幀掃描行數為525行，伴音、圖像的載頻帶寬為4.5MHz。PAL制于1962年由德國研制成功，由于它是在NTSC制基礎上改進而形成的，所以比NTSC制優越，我國采用這一制式。我國現行電視制式（黑白CCIR、彩色PAL制）的主要參數為：電視圖像的寬高比為4：3或16：9；場頻為50Hz，幀頻為25Hz；隔行掃描每幀畫面的掃描行數為625行，行頻為15625Hz，每幀畫面的水平分辨率為466線，垂直分辨率為400線；場周期為20ms，其中正程掃描時間為18.4ms，逆程掃描時間為1.6ms；行周期為64 μs，其中行正程掃描時間為52 μs，行逆程掃描時間為12 μs；伴音、圖像的載頻帶寬為6.5MHz。