光图像信息探测器件的类型与电视制式

       前面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。本章介绍的光图像信息探测器件，即光电成像器件'（也称摄像器件或图像传感器），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。

光电成像器件从成像原理上，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4-1所示。

图   4-1       光电成像器件的类型

       直视型（即非扫描型）光电成像器件可直接显示输出供人观察的图像，因而也称为像管。它基于光电发射效应，由光电阴极（像敏面）、电子透镜和荧光屏（显像面）等三部分构成。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）。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。

       非直视型（即扫描型）光电成像器件又称为摄像器件。这种器件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。这种运载图像信息的一维时序信号就称为视频信号，如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作同步扫描，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。

       作为摄像机的成像器件是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，以无可比拟的优点淘汰了真空管摄像器件，因而本书不再介绍。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（ChargeCoupledDevice,CCD）、电荷注入器件CID、电荷引动器件CPD及自扫描光电二极管阵列SSPA。另有一类主要是大有发展前途的CMOS摄像器件，以前单独介绍的新型的LBCAST图像传感器也应归纳其中，还有接触式CIS线列。

       为使大家容易理解，这里仍以大家所熟悉的CRT扫描方式为例来说明。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釆用同一种扫描方式。

       显像管的电子枪装有水平和垂直两个方向的偏转线圈，线圈中分别流过如图4-2所示的锯齿波电流，电子束在偏转线圈形成的磁场作用下同时进行水平方向和垂直方向的偏转，完成对显像管荧光屏的扫描。 

图4-2        逐行扫描电流波形

       在行、场扫描电流的同时作用下，电子束受水平*'偏转力和垂直偏转力的合力作用进行扫描。由于电子束在水平方向的运动速度远大于垂直方向的运动速度，因而在屏幕上电子束的运动轨迹（一条条的光栅）为如图4-3所示的稍微倾斜的水平直线。图4-3即逐行扫描，图中一场只有7行水平光栅，因此光栅的水平度很差。当一场中很多行时（如几百行），行扫描的水平度将很高，即一场图像由很多扫描光栅构成。无论是行扫描的扫描逆程，还是场扫描逆程都不希望电子束使荧光屏发光，即在回扫时不让荧光屏发光，这就需要加入行消隐与场消隐脉冲，使电子束在行逆程与场逆程期间截止。实际上，行消隐脉冲的宽度稍大于行逆程时间，场消隐脉冲的宽度也大于场逆程时间，以确保图像质量。

图4-3   逐行扫描f方式                             图4-4   隔行扫描方式

       逐行扫描方式中的每一场都包含着行扫描的整数倍，这样重复的图像才能被稳定地显示。显然，逐行扫描的帧频与场频相等。对于人眼来说，高于48Hz变化的图像的闪动是不能分辨的，因此，要获得稳定的图像，要求场频与帧频都必须高于48Hz。

       根据人眼对图像的分辨能力所确定的扫描的水平行数至少应大于600行，因此，对于逐行扫描方式，行扫描频率必须大于29kHz才能保证人眼视觉对图像的最低要求。这样高的扫描频率，无论对摄像系统还是对显示系统都提出了更高的要求。为了降低扫描频率，又能保证人眼视觉对图像分辨率及闪耀感的要求，人们提出了隔行扫描和显示图像的方法。

       隔行扫描采用如图4-4所示的扫描方式，由奇、偶两场构成一帧。奇数场由1、3、5…等奇数行组成,偶数场由2、4、6…等偶数行组成，奇、偶两场合成一帧图像。人眼看到的变化频率为场频，人眼分辨的图像是一帧，一帧图像由奇、偶两场扫描形成，帧行数为场行数的2倍。这样，既提高了图像分辨率又降低了行扫描频率，是一种很有实用价值的扫描方式。因此，这种扫描方式一直为电视系统和视频监控系统所釆用。

       两场光栅均匀交错叠加，是对隔行扫描方式的基本要求，否则图像的质量将大为降低。因此，要求隔行扫描必须满足：

     （1）要求下一帧图像的扫描起始点应与上一帧起始点相同，以确保各帧扫描光栅重叠。

     （2）要求相邻两场光栅必须均匀地镶嵌，以确保获得最高清晰度。

       从第一条要求考虑，每帧扫描的行数应为整数；若在各场扫描电流都一样的情况下，要满足第二条要求，每帧均应为奇数。因此，每场的扫描行数就要出现半行的情况。目前，我国现行的隔行扫描电视制式，就是采用每帧扫描行数为625行，每场扫描行数为312.5行。 

       广播电视系统中釆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，这些是影响电视系统性能的重要参数。

       世界各国釆取的彩色电视制式主要有NTSC制（美国制）、PAL制（西德制）和SECAM制（法国制）三类。NTSC制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,隔行扫描每帧扫描行数为525行，伴音、图像的载频带宽为4.5MHz。PAL制在1962年由德国研制成功，由于它是NTSC制基础上改进而形成的，所以较NTSC制优越，因此我国也釆用这一制式。

我国现行电视制式（黑白CCIR,彩色PAL制）的主要参数为：

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