第3章 光图像信息探测器件及使用

第2章介绍的光辐射信息探测器件是一类单元器件，主要用于对“点源”的探测。本章所介绍的光图像信息探测器件是一类能输出图像信息的阵列器件，主要用于对“面源”的探测，这种器件也称为光电成像器件或光电图像传感器。

3.1 光图像信息探测器件的类型与电视制式

3.1.1 光图像信息探测器件的类型

目前，各种功能的光电成像器件已经构成系列，从成像原理上可分为扫描型与非扫描型两类；从人的观察应用上又可分为直视型与非直视型两类，如图3-1所示。

图3-1 光电成像器件的类型

1. 直视型光电成像器件

直视型（非扫描型）光电成像器件可直接显示供人观察的图像，因而也称为像管。它是基于光电发射效应，由光电阴极（像敏面）、电子透镜和荧光屏（显像面）三部分构成的。这种器件完成光学图像的光谱变换（即将不可见图像变为可见图像的变像管）或使图像亮度增强的变换（即像增强管）。这种直视型光电成像器件的分类如图3-1上部分所示。

直视型光电成像器件可拓展人的视觉光谱范围和视觉灵敏度。但是，它只是实时实地的图像观察模式，而无法对图像进行存储和传输，因而不能实现远程观察。

2. 非直视型光电成像器件

非直视型（扫描型）光电成像器件又称为摄像器件，它通过电子束扫描或固体自扫描等方式，将被摄景物经光学系统成像在器件的光敏面（或靶面）上的二维图像转变为一维时序信号输出出来。这种输出不能直接观察到图像，因而是一种非直视型光电成像器件。我们将这种运载图像信息的一维时序信号称为视频信号。将这种视频信号送入监视器，控制显像管的电子枪的强度，显像管的电子枪与摄像器件做同步扫描，也可将摄像器件所摄取的图像显示出来。显然，这种非直视型光电成像器件能对图像进行存储和传输，并能实现远程观察，其分类如图3-1下部分所示。

由上可以看出，作为摄像机的成像器件来说，实质上是两大类：即真空摄像管和固体摄像器件。真空摄像管过去使用最多的是氧化铅（Pbo）靶光导摄像管和硅靶光导摄像管。由于固体摄像器件的出现，已基本被淘汰，因而本书不作介绍。目前，主要应用的是固体摄像器件。

大多数固体摄像器件均属于电荷传送器件（CTD），如电荷耦合器件（CCD）、电荷注入器件（CID）、电荷引动器件（CPD），以及自扫描光电二极管阵列（SSPA）。另外一类主要是有很大发展前途的CMOS摄像器件，还有接触式CIS线列以及新型的LBCAST图像传感器。本章除介绍直视型光电成像器件外，重点介绍应用最广泛的电荷耦合器件CCD，以及极具潜质的CMOS摄像器件，SSPA、CIS、LBCAST与特种成像器件，也将作简要介绍。

3.1.2 电视制式

电视图像的监视器与电视接收机的显示部分的原理是相同的，它们都是应用荧光物质的电光转换特性来显示图像的。电视图像扫描分为逐行扫描与隔行扫描两种方式，通过这两种扫描方式，摄像机将景物图像分解成为一维视频信号，图像显示器将一维视频信号合成电视图像。而且，摄像机与图像显示器必须采用同一种扫描方式。

广播电视系统中采用的信号传输和接收规则称为电视制式，按电视制式输出的一维时序电信号就是视频信号。根据科技发展水平、电网制式、人眼视觉特性及对电视系统的需求等，可确定电视画面的宽高比、帧频、场频、行频等，这些都是影响电视系统性能的重要参数。

目前世界各国采取的彩色电视制式主要有NTSC制（美国制）、PAL制（原西德制）和SECAM制（法国制）三类。NTSC制于1953年由美国研制成功，主要用于北美、日本和东南亚各国。该电视制式的场频为60Hz，隔行扫描的每帧扫描行数为525行，伴音、图像的载频带宽为4.5MHz。PAL制于1962年由德国研制成功，由于它是在NTSC制基础上改进而形成的，所以比NTSC制优越，我国采用这一制式。我国现行电视制式（黑白CCIR、彩色PAL制）的主要参数为：电视图像的宽高比为4：3或16：9；场频为50Hz，帧频为25Hz；隔行扫描每帧画面的扫描行数为625行，行频为15625Hz，每帧画面的水平分辨率为466线，垂直分辨率为400线；场周期为20ms，其中正程扫描时间为18.4ms，逆程扫描时间为1.6ms；行周期为64 μs，其中行正程扫描时间为52 μs，行逆程扫描时间为12 μs；伴音、图像的载频带宽为6.5MHz。