第四章 图像的成像、显示和记录第四章 图像的成像、显示和记录摄像器件分类：摄像器件分类：

内光电导效应型内光电导效应型

外光电效应型外光电效应型光电像管 光电像管 IconoscopeIconoscope超光电像管 超光电像管 super Iconoscopsuper Iconoscopee正析像管正析像管 OrthiconOrthicon超正析像管 超正析像管 supersuper OrthiconOrthicon视像管 视像管 VidconVidcon氧化铅管 氧化铅管 PlumbiconPlumbicon硒砷锑管硒砷锑管 SaticonSaticon硅靶管 硅靶管

电子管电子管

固体摄像器件固体摄像器件 MOSMOS 摄像器件摄像器件CCDCCD 摄像器件摄像器件

(( 吸收光发出 吸收光发出 自由电子自由电子 ))

入射光入射光

光电面光电面

二次电子二次电子倍增器倍增器 信号出

信号出

析像管原理析像管原理

光电子光电子

(( 电阻率随光电阻率随光 量变化量变化 ))

RRLL

+E+E

像素等效电路像素等效电路

CC信号出信号出

电子枪电子枪入射光入射光

光导管原理光导管原理

信号出信号出光导靶光导靶

电子束电子束

直径直径 ( ( 英寸英寸 )) ：： 3,1.5,1,2/3,1/3,1.5,1,2/3,1/22 。。超正析像管：超正析像管：惰性小噪声大。惰性小噪声大。视像管：视像管：电场和长磁场聚焦；电场和长磁场聚焦；

网电极保证电子束垂直上靶。网电极保证电子束垂直上靶。固体摄像器件：固体摄像器件：无须扫描和无须扫描和

聚焦聚焦 (( 按像素移位按像素移位 )) ，光谱响应，光谱响应宽，功耗低，可集成处理电路。宽，功耗低，可集成处理电路。有电荷耦合 有电荷耦合 (CCD)(CCD) 和和 CMOSCMOS摄像器件，它是发展方向。摄像器件，它是发展方向。

信号出信号出

视像管构造图视像管构造图

超正析像管超正析像管

CCDCCD 摄像器件摄像器件光谱特性光谱特性

SiOSiO22

N-SiN-Si

--VV11

00VV

Al Al 电极电极耗尽层耗尽层

(a)(a) 势阱的形成势阱的形成-V-V11** -V-V22

(c)(c) 少数载流子的转少数载流子的转移移-V-V11 00VV

(b)(b) 少数载流子的捕获少数载流子的捕获

光照光照

0V0V -V-V22(d)(d) 转移完成转移完成

CCD CCD 摄像器件的工作原理：摄像器件的工作原理：

平面扫描平面扫描C C D C C D 成像单元成像单元

C C D C C D 移位寄存器移位寄存器输出信号输出信号

行间转移方式

行间转移方式

帧转移方式

帧转移方式

MOS MOS 摄像器件的工作原理：摄像器件的工作原理：

ΦY1 ΦY2

信号输出

Y移位寄存器

X 移 位 寄 存 器 ΦX1φX2

RL

EMOS开关

光电二极管

A/D

数字信号输出

彩色摄像机的分光：彩色摄像机的分光：棱镜和滤色片分光棱镜和滤色片分光R CCD

G CCD

B CCD

红外滤光红外滤光

片片变焦镜头变焦镜头

R/ B CCD

G CCD

红外滤光红外滤光

片片变焦镜头变焦镜头

青色滤光片青色滤光片

红、蓝滤光红、蓝滤光片片R/G/B CCD

红、绿、蓝红、绿、蓝方格图案滤方格图案滤光片光片

红外滤光红外滤光

片片变焦镜头变焦镜头

分色棱镜分色棱镜二向分色棱镜二向分色棱镜(a) 三板式的棱镜分光 (b) 二板式的二向色棱镜分光 (c) 单板式的方格图案滤色片分光

色再现性好的滤色色再现性好的滤色片是把绿色配置成片是把绿色配置成方格，而在其间配方格，而在其间配置红、蓝滤色片。置红、蓝滤色片。绿色多可尽量加宽绿色多可尽量加宽亮度信号的带宽。亮度信号的带宽。采用包含绿色成份采用包含绿色成份的补色滤色片的补色滤色片 (( 白、白、青、黄青、黄 )) 可以提高光可以提高光的利用率。的利用率。

人眼和硅半导体人眼和硅半导体相对不同波长光相对不同波长光的敏感曲线的敏感曲线

CCDCCD 彩色摄像机彩色摄像机 3CCD3CCD ：：用前一像素替用前一像素替换有缺陷的缺陷补偿电路；换有缺陷的缺陷补偿电路；以以 GG 为准的白平衡，故色为准的白平衡，故色差中差中 GG 替替 YY ；； YY 控制光圈；控制光圈；轮廓补偿提高清晰度；处轮廓补偿提高清晰度；处理电路有彩色校正、理电路有彩色校正、 γγ 校校正、黑斑补偿等。正、黑斑补偿等。2CCD2CCD ：： R,BR,B 共用共用 CCDCCD后青色滤光片衰减红以保后青色滤光片衰减红以保持增益一致；条形滤色片持增益一致；条形滤色片和识别电路分离红和蓝色；和识别电路分离红和蓝色；

GG 独占独占 CCDCCD 保证清晰度。保证清晰度。技术指标低于技术指标低于 3CCD3CCD ，适用，适用于专业级摄像应用。于专业级摄像应用。

三板式三板式 CCDCCD 摄像机摄像机

二板式二板式 CCDCCD 摄像机摄像机

USB USB 数字摄像机组成原理：数字摄像机组成原理：

UARUARTT

8/108/10bitsbits

摄像接口摄像接口

256K×16（ EDO/SDRAM）

DRAMDRAM 接口接口Addr. R/WAddr. R/WDatDat

aa 压缩引擎 压缩引擎 CECECompressionCompressionEngineEngine

先进先出缓存先进先出缓存（（ FIFOFIFO））

8/10

88

USB USB 接口接口 88

系统 系统

控制器控制器

CMOSCMOS 数字数字摄像器件摄像器件（（ HDCSHDCS ））

48MH48MHZZ晶振晶振

USB USB 控制器控制器USBUSB总线总线 USBUSB

驱动器驱动器 数字相机芯片数字相机芯片

CMOSCMOS 摄像器件的结构：摄像器件的结构：APS(Active Pixel StructureAPS(Active Pixel Structure )) ：：

由由 1990s1990s 中期中期 NASANASA引入引入 CMOSCMOS 图像传感器，解决了噪声问题。图像传感器，解决了噪声问题。

像素尺寸减小后低光照下灵敏像素尺寸减小后低光照下灵敏度迅速降低，采用微透镜和滤色度迅速降低，采用微透镜和滤色片组合以及片组合以及 CMOSCMOS 工艺的优势，工艺的优势，前景好于前景好于 CCDCCD 。。

APS APS 在显微镜下的结构在显微镜下的结构

APS APS 原理框图原理框图

Photodiode Photodiode Active-Pixel Active-Pixel ArchitectureArchitecture

微透镜改善低光特性微透镜改善低光特性

Bayer Bayer 滤色片结构：滤色片结构：图像传感器结构是每行同时输图像传感器结构是每行同时输出出22列上的像素：一行按列上的像素：一行按 G,R;---G,RG,R;---G,R 。下一行按。下一行按 B,G;---B,G;---B,GB,G 。因此，图像尺寸基本以。因此，图像尺寸基本以 2×22×2 的倍数扩大或缩小。的倍数扩大或缩小。

有有 BB ，缺，缺 GG 和和 RR ： ： G=G= 周围周围 44个个 GG 的平均；的平均； R=R=周围周围 44 个个 RR的平均。的平均。有有 GG ，缺，缺 BB 和和 RR ： ： B=B=周围周围 22个个 BB 的平均；的平均； R=R=周围周围 22 个个 RR的平均。的平均。有有 R R ，缺，缺 GG 和和 B B ： ： G=G= 周围周围44 个个 GG 的平均；的平均； B=B=周围周围 44 个个 BB的平均。的平均。

Bayer Bayer 滤色片颜色内插算法滤色片颜色内插算法

BayerBayer滤色图案滤色图案G R G RB G B GG R G RB G B G

G R G RB G B GG R G RB G B G

G R G RB G B GG R G RB G B G

G R G RB G B GG R G RB G B G

0 1 2 3 ... 636 637 638 6390

1

2

3

:

476

477

478

479

....

....

: :

HDCS (HDCS (AgilentAgilent公司公司 )) 的结构：的结构：成像阵列成像阵列

VGA:640×480VGA:640×480CIF:352 ×288CIF:352 ×288

模拟行缓冲模拟行缓冲列译码列译码

可编增益放大器可编增益放大器PGA0PGA0 PGA1PGA1 模数转换器模数转换器ADC 0ADC 0 ADC 1ADC 1

缓冲缓冲输出输出

行译码行译码

行控制行控制

列控制列控制

PGAPGA 控制控制

ADCADC 控制控制

1010 位并行数据输出位并行数据输出

主控制主控制状态机状态机

Reg 0Reg 0

Reg 1Reg 1

......

Reg nReg n

寄存器堆寄存器堆

串联接口控制串联接口控制 串 并转换串 并转换 并行接口控制并行接口控制

数据输出控制信号数据输出控制信号

寄存器总线寄存器总线

列地址列地址行地址行地址

控制总控制总

线线

Reg DataReg DataCtrlCtrl

DIDI DODO OEOE

RxDRxD TxDTxD TCLKTCLK

2×22×2 的块给出一个彩色像素所需要的三基的块给出一个彩色像素所需要的三基色值，由于不同色滤光片的透光率和光电二极管的色值，由于不同色滤光片的透光率和光电二极管的光谱响应差异造成三基色增益的不同，这将影响图光谱响应差异造成三基色增益的不同，这将影响图像的白平衡。像的白平衡。 HDCS HDCS 利用二个增益可编程的放大器利用二个增益可编程的放大器 (PGA) (PGA) 对三个基色分别设置不同放大倍数来解决，对三个基色分别设置不同放大倍数来解决，四组增益寄存器分偶行偶列和奇行奇列四组增益寄存器分偶行偶列和奇行奇列 ((影响影响 G)G) ，偶，偶行奇列 行奇列 ((影响影响 R)R) ，奇行偶列 ，奇行偶列 ((影响影响 B)B) 。成像阵列中。成像阵列中偶偶行是绿行是绿 -- 红行，奇行是蓝红行，奇行是蓝 -- 绿行。绿行。通过串行接口可对通过串行接口可对 2525个内部寄存器编程，设置器个内部寄存器编程，设置器件的工作和接口方式。编程参数：图像窗口大小、件的工作和接口方式。编程参数：图像窗口大小、光电积累时间、像素增益、数据格式和码率、接口光电积累时间、像素增益、数据格式和码率、接口定时、中断控制、行和场以及快门同步、器件工作定时、中断控制、行和场以及快门同步、器件工作模式、输出引脚的驱动电平等。模式、输出引脚的驱动电平等。

G RB G

医学成像系统：医学成像系统：影像诊断的方法：影像诊断的方法： XX 光放射光放射学、计算机轴向层析学、计算机轴向层析 (CAT(CAT ：：透射式透射式 CTCT 和发射式和发射式 ECT)ECT) 、红、红外、射频和超声外、射频和超声 (A(A 、、 BB 、、 MM 型型 ))技术、技术、 γγ 照相和核磁共振成像照相和核磁共振成像 (MRI)(MRI) 等。一般说采用等。一般说采用 XX光、红外、射频和超声等为媒体的影像诊断是形态显光、红外、射频和超声等为媒体的影像诊断是形态显像像 ((反映组织的密度分布反映组织的密度分布 )) 。而属于核医学范畴的。而属于核医学范畴的 γγ 照照相和核磁共振成像既是形态显像，又是功能显像。相和核磁共振成像既是形态显像，又是功能显像。

γγ 照相机照相机 (H.Anger)(H.Anger) 和和 ECTECT ：：利用同位素标记的药利用同位素标记的药物参与人体的生理和生化过程，浓度分布得到结构形物参与人体的生理和生化过程，浓度分布得到结构形态态 ((空间分辨空间分辨 ))及变化得到功能及变化得到功能 (( 功能分辨和时间分辨功能分辨和时间分辨 )) 。。

数字医学影像数字医学影像诊断系统诊断系统

工作原理：工作原理： 9999TcTc 、、 131131II 和和 125125II 是富是富中子的中子的 ββ-- 衰变衰变 ( n→p+ β( n→p+ β- - )) ，返，返回基态时产生单个单方向的回基态时产生单个单方向的 γγ 光光子。通过铅合金准直器进入子。通过铅合金准直器进入 NaINaI晶体发光，由光电倍增管阵列晶体发光，由光电倍增管阵列接受位置和能量信息。能量接受位置和能量信息。能量 EE进进窗口电路鉴别窗口电路鉴别 (( 不同核素能量峰不同核素能量峰不同不同 )) ，位置作为帧存的地址。，位置作为帧存的地址。因出现因出现 γγ 光子是符合泊松分布随机事件，要用计数式光子是符合泊松分布随机事件，要用计数式采集，存储器字长决定最大计数值，一般采集，存储器字长决定最大计数值，一般 >10bit>10bit 。在。在γγ 相机基础上发展的相机基础上发展的 ECTECT 有单光子有单光子 (SPECT)(SPECT) 和正电和正电子子 (PET)(PET)两类。 目前两类。 目前 PETPET最有前途，它使用核素最有前途，它使用核素 1111CC 、、

预放器阵列预放器阵列位置变换电路位置变换电路

X+X+ X-X- Y+Y+ Y-Y-

A/DA/D A/DA/D行地址行地址 列地址列地址

计数式计数式图像帧存图像帧存

能量窗口能量窗口

EE

读写控制读写控制处理和显示处理和显示γγ 照相机照相机

1515OO 、 、 1313NN 、 、 1818FF都是人体组成的元素。它们是缺中子都是人体组成的元素。它们是缺中子的的 ββ++ 衰变衰变 ( n→p+ β+( n→p+ β+ )) ，正电子，正电子 β+β+很快与组织周围很快与组织周围负电子结合形成两个成对的方向相反的负电子结合形成两个成对的方向相反的 γγ 光子光子 ((湮没湮没辐射辐射 )) 。现在认为大部分与生命有关的代谢过程与短。现在认为大部分与生命有关的代谢过程与短半衰期的核素衰变在时向上一致。半衰期的核素衰变在时向上一致。核磁共振成像核磁共振成像 MRI:MRI:使用质子或中子为奇数使用质子或中子为奇数(( 不配对的核有内磁矩和不配对的核有内磁矩和自旋角动量自旋角动量 )) 的同位素的同位素((11HH 、 、 22HH 、、 1313CC 、 、 1414NN 、、 1919FF 、、 2323NaNa 、、 3131PP 、、 127127I)I) ，，也是人体组成的元素。也是人体组成的元素。

核磁共振成像（核磁共振成像（ MRIMRI））

无外静磁场时脏器的合成磁场为零，加外磁场核的磁无外静磁场时脏器的合成磁场为零，加外磁场核的磁矩沿磁场方向排列矩沿磁场方向排列 ((顺磁场者多于逆磁场顺磁场者多于逆磁场 ))总体呈净磁总体呈净磁场。核磁矩绕静磁场轴线转动的进动频率称场。核磁矩绕静磁场轴线转动的进动频率称 LarmorLarmor频率。当加入频率。当加入 LarmorLarmor频率的射频电磁场，射频场传频率的射频电磁场，射频场传播方向垂直于静磁场，核磁矩发生共振偏离，射频场播方向垂直于静磁场，核磁矩发生共振偏离，射频场能量以光子传给核磁矩使它跃迁高能态能量以光子传给核磁矩使它跃迁高能态 (( 共振交换共振交换 )) 。。去掉射频场后，核回到低能态发出光子。该交换过程去掉射频场后，核回到低能态发出光子。该交换过程净磁场的变化在接收线圈产生共振频率的感应电压，净磁场的变化在接收线圈产生共振频率的感应电压，幅度与原子密度有关。幅度与原子密度有关。 MRIMRI 磁体类型：超导磁体类型：超导 (1.5×10(1.5×1044

高斯高斯 )) 、电阻和永磁型、电阻和永磁型 (0.3~0.5×10(0.3~0.5×1044 高斯高斯 ) ) 。其他结构。其他结构有梯度线圈、发射和接收线圈以及计算机图像处理系有梯度线圈、发射和接收线圈以及计算机图像处理系统。成像清晰、对比度高，兼有结构和功能。在动态统。成像清晰、对比度高，兼有结构和功能。在动态和代谢方面不如和代谢方面不如 PETPET ，不适合骨与空气部位成像。，不适合骨与空气部位成像。

遥感使用的传感器遥感使用的传感器

被动式被动式

主动式主动式激光光谱仪激光光谱仪激光测距仪激光测距仪雷达雷达侧视雷达侧视雷达

扫描式扫描式

非扫描非扫描图像图像

非图像非图像 地磁测量地磁测量重力测量重力测量其他其他单照相机单照相机多光谱相机多光谱相机 单镜头单镜头 多胶片多胶片单胶片单胶片

多镜头多镜头 多胶片多胶片单胶片单胶片电视摄像机电视摄像机固体扫描仪固体扫描仪影像面扫描影像面扫描

模拟式模拟式数字式数字式多光谱扫描仪多光谱扫描仪

微波辐射计微波辐射计目标物面扫描目标物面扫描

扫描式扫描式非扫描非扫描

传感器传感器

光学机械扫描仪：扫描镜以 45°切线向旋转连续收集地面反射光谱 (通常为0.38 ~14μm ) 。经光栅分光成多个波段接收并记录在高密度数字磁带上。热红外扫描仪：旋转镜对 8~14μm热辐射扫描探测。收集的信号可以用显像管对与速高比 (V/H) 作等比例运动的胶片上曝光记录。一般常温物体 (300K)的最大辐射在 10μm 。

热红外扫描仪结构热红外扫描仪结构

多光谱扫描仪多光谱扫描仪 MSSMSS

的结构的结构 (Bendix(Bendix 公司公司 ))

HDDTHDDT

无线电波谱的遥感无线电波谱的遥感无线电波遥感的优点：无线电波遥感的优点：可见光和红外遥感在地面云雾可见光和红外遥感在地面云雾覆盖时失去作用，覆盖时失去作用，无线电波可以穿云无线电波可以穿云破雾，受大气影响破雾，受大气影响仅限于毫米波存在仅限于毫米波存在OO2 2 和和 HH22OO 的吸收带、的吸收带、厘米波在厘米波在 1.35cm1.35cm 有有HH22OO弱吸收。传感弱吸收。传感器主要是雷达和微器主要是雷达和微波辐射计。波辐射计。

波段波段 频率频率 波长波长VHFVHF 30~300MHz30~300MHz 1~10m1~10m

UHFUHF 300~3000MHz300~3000MHz 10~100cm10~100cm

LL 带带 1000~2000MHz1000~2000MHz 15~30cm15~30cm

SS 带带 2000~4000MHz2000~4000MHz 7.5~15cm7.5~15cm

CC 带带 4000~8000MHz4000~8000MHz 3.75~7.5cm3.75~7.5cm

XX 带带 8000~12500MHz8000~12500MHz 2.4~3.75cm2.4~3.75cm

KKuu 带带 12.5~18GHz12.5~18GHz 1.66~2.4cm1.66~2.4cm

KK 带带 18~26.5GHz18~26.5GHz 1.13~1.66cm1.13~1.66cm

KKaa 带带 26.5~40GHz26.5~40GHz 0.75~1.13cm0.75~1.13cm

EHFEHF >30GHz>30GHz <10mm<10mm

地面分辨率地面分辨率rraa 与天线孔与天线孔径径 DD 以及离以及离地高度地高度 HH 的的关系：关系： (( 工工作波长作波长 λλ））a

Hr

D