光电传感器应用技术 教学课件 作者 王庆有 第7章.ppt

第7章 图像扫描与图像传感器 7.1 图像传感器基本原理 基本概念 2. 电子束扫描图像传感器 1. 光学成像物镜的主要参数 （2）分辨率 7.2 图像的显示与电视制式 2. 隔行扫描 7.2.2 电视制式 1. NTSC彩色电视制式 2. 热电偶的基本特性参数 （2）响应时间 6.2.3 热电堆探测器 （3）最小可探测功率 * 图像扫描是产生图像视觉的关键技术，也是学习和掌握图像传感器以及利用图像传感器完成机器视觉检测与识别的关键。本章主要介绍图像传感器的基本原理，包括其基本结构、技术参数；并介绍图像的显示与电视制式，以及多种扫描成像技术。 通过本章的学习不但要掌握图像传感器与图像显示器之间的关系，还要掌握光电传感器件的扫描成像技术。 成像物镜将景物成像在物镜的像面上，形成二维空间的光强分布图像。能够将其转变成一维时序电信号的传感器称为图像传感器，它输出的一维时序信号经过放大和同步控制处理后，可送给图像显示器再还原出景物图像。 图像传感器与图像显示器之间的信号传输与接收都要遵守一定的规则，这个规则被称为制式或电视制式。 按电视制式输出的一维时序信号又被称为视频信号。 图像传感器的种类很多，根据图像的分解方式可将图像传感器分成三种类型，即光机扫描型光电图像传感器、电子束扫描图像传感器和固体自扫描图像传感器。 7.1.1 图像传感器的基本结构 1. 光机扫描式图像传感器 光机扫描式图像传感器又常分为单元光机扫描方式与多元光机扫描方式的图像传感器。 （1）单元光电传感器的扫描方式 如图7-1所示为采用单元光电传感器（包括热电传感器）与机械扫描装置相配合可以构成单元光电传感器的图像扫描方式。 当机械扫描机构带动单元光电传感器的光敏面在光学图像的像面沿水平方向（x方向）做高速往返运动，称为行扫描。 行扫描中沿x方向的扫描运动称为行正程，返回方向为行逆程。与此同时，在垂直方向（y方向）做较低速度的往返运动，称为场扫描。 场扫描中沿y方向的扫描运动称为场正程，返回方向为场逆程。 行、场扫描之间应满足下面两个条件： （7-1） 这种情况下，光敏单元的轨迹布满整个像面，其输出信号与光学图像位置对应的光照强度信息。被称为光敏单元对光学图像的解析。输出信号是时间的一元函数（时序信号），因此该光机扫描机构将光学图像解析成为一维的视频信号输出。 光机扫描方式的水平分辨率正比于光学图像水平方向的尺寸与光电传感器光敏面在水平方向的尺寸之比。 ① 行周期与场周期 ② 行正程时间Txz大于行逆程时间Txr 场正程时间Tyz大于场逆程时间Tyr 同样，垂直分辨率也正比于光学图像垂直方向的尺寸与光电传感器光敏面在垂直方向的尺寸之比。 （2）多元光机扫描方式 采用多个光电传感器，并将其排列成一行，构成如图7-2所示的线阵列光电传感器扫描图像的光机扫描方式。 这种情况下，机械扫描只需要进行y 方向的一维扫描便可以将整幅图像转换成视频信号输出，弥补了机械扫描速度慢的缺点，同时减少了双向扫描带来的复杂扫描机构。 电子束扫描方式的图像传感器是最早应用于图像传感器的，如早期的各种电真空摄像管，真空视像管，以及红外成像系统中的热释电摄像管等。 固体自扫描图像传感器是20世纪70年代发展起来的新型图像传感器件，如面阵CCD器件，CMOS图像传感器件等。这类器件本身具有自扫描功能，例如面阵CCD固体摄像器件的光敏面能够将成像于其上的光学图像转换成电荷密度分布的电荷图像，电荷图像可以在驱动脉冲的作用下按照一定的规则（如电视制式）一行行地输出，形成图像信号（或视频信号）。 3. 固体自扫描图像传感器 7.1.2 单元光电器件扫描成像实例 1. 单元扫描式热释电热像仪 以热释电器件构成的热像仪为例讨论单元光电器件扫描成像的具体问题。 2. 热释电摄像管的基本结构 热释电摄像管的基本结构如图7-3所示。它由透红外热辐射的锗成像物镜、斩光器、热像管和扫描偏转系统等构成。 目前，红外热像管的分辨率可以达到300TVL（电视线），虽然不能与可见光图像传感器相比，但对于红外探测已经足够。它的温度分辨率达到0.06℃可用于医疗诊断、森林火灾探测、警戒监视、工业热像探测与空间技术领域。 7.1.3 图像传感器基本技术参数 （1）成像物镜的焦距 图像传感器的基本技术参数应该包含光学成像物镜与光电成像器件的参数。