第四章图像的成像、显示和记录

光电像管 Iconoscope 超光电像管 super Iconoscope 外光电效应型正析像管Orthicon 超正析像管 superOrthicon 电子管像素等效电路视像管 Vidcon 内光电导效应型氧化铅管 Plumbicon (电阻率随光量变化) 硒砷锑管Saticon 硅靶管信号出 C MOS摄像器件固体摄像器件 RL CCD摄像器件光导管原理析像管原理二次电子倍增器 +E 入射光入射光电子束信号出电子枪光电子光导靶光电面信号出第四章图像的成像、显示和记录 • 摄像器件分类： (吸收光发出自由电子)

信号出 视像管构造图光谱特性超正析像管 CCD摄像器件 • 直径( 英寸)：3,1.5,1,2/3,1/2。 • 超正析像管：惰性小噪声大。 • 视像管：电场和长磁场聚焦；网电极保证电子束垂直上靶。 • 固体摄像器件：无须扫描和聚焦(按像素移位)，光谱响应宽，功耗低，可集成处理电路。有电荷耦合 (CCD)和CMOS 摄像器件，它是发展方向。

(b)少数载流子的捕获 (c)少数载流子的转移 (a)势阱的形成 -V1 0V -V1 0V -V1* -V2 Al 电极 SiO2 耗尽层 N-Si (d)转移完成光照平面扫描 -V2 0V C C D 移位寄存器输出信号帧转移方式行间转移方式 C C D 成像单元 CCD 摄像器件的工作原理：

ΦX1 φX2 X 移位寄存器信号输出 RL Y 移位寄存器 MOS开关 E A/D 数字信号输出光电二极管 ΦY1 ΦY2 MOS 摄像器件的工作原理：

红外滤光片 红外滤光片变焦镜头红外滤光片变焦镜头变焦镜头红、绿、蓝方格图案滤光片 G CCD R CCD 红、蓝滤光片 G CCD R/G/B CCD R/ B CCD 分色棱镜青色滤光片二向分色棱镜 B CCD 色再现性好的滤色片是把绿色配置成方格，而在其间配置红、蓝滤色片。绿色多可尽量加宽亮度信号的带宽。人眼和硅半导体相对不同波长光的敏感曲线 (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采用包含绿色成份的补色滤色片(白、青、黄)可以提高光的利用率。彩色摄像机的分光：棱镜和滤色片分光

三板式CCD摄像机 二板式CCD摄像机 CCD彩色摄像机 • 3CCD：用前一像素替换有缺陷的缺陷补偿电路；以G为准的白平衡，故色差中G替Y；Y控制光圈；轮廓补偿提高清晰度；处理电路有彩色校正、γ校正、黑斑补偿等。 • 2CCD：R,B共用CCD 后青色滤光片衰减红以保持增益一致；条形滤色片和识别电路分离红和蓝色； G独占CCD保证清晰度。技术指标低于3CCD，适用于专业级摄像应用。

256K×16 （EDO/SDRAM） Addr. R/W Data 8/10bits DRAM接口摄像接口 8/10 CMOS数字摄像器件（HDCS）压缩引擎 CE Compression Engine UART 8 系统控制器 USB 接口 8 先进先出缓存（FIFO） 48MHZ 晶振 USB 控制器 USB 驱动器 USB 总线数字相机芯片 USB 数字摄像机组成原理：

APS 原理框图 APS 在显微镜下的结构微透镜改善低光特性 CMOS摄像器件的结构： • APS(Active Pixel Structure)：由1990s中期NASA引入CMOS 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度迅速降低，采用微透镜和滤色片组合以及CMOS工艺的优势，前景好于CCD。

0 1 2 3 ... 636 637 638 639 0 1 .... 2 Bayer 滤色图案 3 : : : 有B，缺G和R： G=周围4个G的平均；R=周围4个R的平均。 476 有G，缺B和R： B=周围2个B的平均；R=周围2个R的平均。 477 .... 有R ，缺G和B ： G=周围4个G的平均；B=周围4个B的平均。 478 479 Bayer 滤色片颜色内插算法 • Bayer 滤色片结构：图像传感器结构是每行同时输出 2列上的像素：一行按G,R;---G,R。下一行按B,G;--- B,G。因此，图像尺寸基本以2×2的倍数扩大或缩小。

成像阵列 VGA:640×480 CIF:352 ×288 模拟行缓冲主控制状态机行控制行译码行地址列地址寄存器堆 Reg 0 Reg 1 ... Reg n 控制总线列控制列译码可编增益放大器 PGA0PGA1 寄存器总线 PGA控制模数转换器 ADC 0ADC 1 Ctrl Reg Data 串联接口控制 ADC控制串并转换 DI DO OE 并行接口控制输出缓冲 10位并行数据输出数据输出控制信号 RxD TxD TCLK • HDCS (Agilent公司)的结构：

G R B G • 2×2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。HDCS 利用二个增益可编程的放大器 (PGA) 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(影响G)，偶行奇列 (影响R)，奇行偶列 (影响B)。成像阵列中偶行是绿-红行，奇行是蓝-绿行。 • 通过串行接口可对25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、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、器件工作模式、输出引脚的驱动电平等。

数字医学影像诊断系统 医学成像系统： • 影像诊断的方法：X光放射学、计算机轴向层析(CAT：透射式CT和发射式ECT)、红外、射频和超声(A、B、M型) 技术、γ照相和核磁共振成像(MRI)等。一般说采用X 光、红外、射频和超声等为媒体的影像诊断是形态显像(反映组织的密度分布)。而属于核医学范畴的γ照相和核磁共振成像既是形态显像，又是功能显像。 • γ照相机(H.Anger)和ECT：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态(空间分辨)及变化得到功能(功能分辨和时间分辨)。

预放器阵列 位置变换电路 E X- Y+ Y- X+ 能量窗口 A/D A/D 行地址列地址计数式图像帧存读写控制处理和显示 γ照相机工作原理：99Tc、131I和125I是富中子的β-衰变( n→p+ β- )，返回基态时产生单个单方向的γ光子。通过铅合金准直器进入NaI 晶体发光，由光电倍增管阵列接受位置和能量信息。能量E进窗口电路鉴别(不同核素能量峰不同)，位置作为帧存的地址。因出现γ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>10bit。在 γ相机基础上发展的ECT有单光子(SPECT)和正电子(PET)两类。目前PET最有前途，它使用核素11C、

15O、 13N、 18F都是人体组成的元素。它们是缺中子的β+衰变( n→p+ β+)，正电子β+很快与组织周围负电子结合形成两个成对的方向相反的γ光子(湮没辐射)。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。 • 核磁共振成像MRI: 使用质子或中子为奇数 (不配对的核有内磁矩和自旋角动量)的同位素 (1H、 2H、13C、 14N、 19F、23Na、31P、127I)，也是人体组成的元素。核磁共振成像（MRI）

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(顺磁场者多于逆磁场)总体呈净磁场。核磁矩绕静磁场轴线转动的进动频率称Larmor 频率。当加入Larmor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，射频场能量以光子传给核磁矩使它跃迁高能态(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。MRI磁体类型：超导(1.5×104 高斯)、电阻和永磁型(0.3~0.5×104高斯) 。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PET，不适合骨与空气部位成像。

地磁测量 非图像重力测量其他非扫描单照相机图像单胶片单胶片多镜头单镜头多胶片多胶片被动式多光谱相机多光谱扫描仪影像面扫描扫描式微波辐射计传感器电视摄像机激光光谱仪模拟式目标物面扫描固体扫描仪激光测距仪数字式非扫描雷达主动式侧视雷达扫描式遥感使用的传感器

多光谱扫描仪MSS 的结构(Bendix公司) HDDT 热红外扫描仪结构 • 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。

无线电波谱的遥感 无线电波遥感的优点：可见光和红外遥感在地面云雾覆盖时失去作用，无线电波可以穿云破雾，受大气影响仅限于毫米波存在 O2 和H2O的吸收带、厘米波在1.35cm有 H2O弱吸收。传感器主要是雷达和微波辐射计。

地面分辨率ra与天线孔径D以及离地高度H的关系：(工作波长λ）地面分辨率ra与天线孔径D以及离地高度H的关系：(工作波长λ）

第四章 图像的成像、显示和记录