图像传感器应用技术（第2版）

《图像传感器应用技术（第2版）》从应用的角度讲述了CCD、CMOS半导体图像传感器和扫描图像传感器的基本工作原理；典型图像传感器的基本特性与特性参数；驱动方式及其与计算机数据采集技术；典型应用中的光源、光学系统的基本概念与计算方法等。最后列举18种类型的应用实例为读者开拓图像传感器的应用领域。

第1章 光辐射与光电技术基础
1.1 光辐射的度量
1.1.1 与辐射源有关的参数
1.1.2 与接收器有关的参数
1.1.3 光源的辐射光谱分布参量
1.1.4 量子流速率
1.2 物体热辐射
1.2.1 黑体辐射定律
1.2.2 辐射体的分类及其温度表示
1.3 辐射度参数与光度参数的关系
1.3.1 人眼的视觉灵敏度
1.3.2 人眼的光谱光视效能
1.3.3 两种辐射体光视效能的计算
1.4 半导体对光的吸收
1.4.1 物质对光吸收的一般规律
1.4.2 半导体对光的吸收
1.5 光电效应
1.5.1 内光电效应
1.5.2 光电发射效应
思考题与习题1

第2章 光源
2.1 自然光源
2.2 钨丝灯光源
2.2.1 钨丝白炽灯
2.2.2 卤钨灯
2.3 气体放电灯
2.4 半导体发光二极管（LED）光源
2.4.1 发光二极管的发光机理
2.4.2 发光强度－电流特性
2.4.3 发光光谱和发光效率
2.4.4 LED灯构成的仪器光源
2.5 激光光源
2.5.1 激光的产生机理
2.5.2 氦氖激光器
2.5.3 半导体激光器（LD）
2.6 图像传感器应用系统中光源和
照度的匹配
思考题与习题2

第3章 图像扫描与图像显示技术
3.1 图像解析原理
3.1.1 图像的解析方法
3.1.2 图像传感器基本技术参数
3.2 图像的显示与电视制式
3.2.1 电视监视器的扫描
3.2.2 电视制式
3.3 图像显示器的分类
3.4 典型图像显示器
3.4.1 TFT LCD图象显示器简介
3.4.2 TFT LED图像显示器简介
3.4.3 LED图像显示器
思考题与习题3

第4章 电荷耦合摄像器件的基本
工作原理4.1 电荷存储
4.2 电荷耦合
4.3 CCD的电极结构
4.4 电荷的注入和检测
4.5 CCD的特性参数
4.6 电荷耦合摄像器件
4.6.1 工作原理
4.6.2 CCD的基本特性参数
4.6.3 动态范围
4.6.4 暗电流
4.6.5 分辨率
思考题与习题4

第5章 典型线阵CCD图像传感器
5.1 典型单沟道线阵CCD
5.1.1 TCD1209D的基本结构
5.1.2 TCD1209D的基本工作原理
5.1.3 TCD1209D的特性参数
5.1.4 TCD1209D的驱动电路
5.1.5 TCD1209D的外形尺寸
5.2 典型双沟道线阵CCD器件
5.3 具有积分时间调整功能的线阵CCD
5.3.1 TCD1205D
5.3.2 IL P1型线阵CCD
5.4 具有采样保持输出电路的线阵CCD
5.5 并行输出的线阵CCD
5.5.1 并行输出的TCD1703C
5.5.2 分段式并行输出的线阵CCD
5.6 用于光谱探测的高性能线阵CCD
5.6.1 RL1024SB
5.6.2 RL2048DKQ
5.6.3 TCD1208AP
5.7 彩色线阵CCD
5.7.1 TCD2000P
5.7.2 TCD2558D
5.7.3 TCD2901D
5.8 环形线阵CCD
思考题与习题5

第6章 典型面阵CCD
6.1 DL32型面阵CCD
6.1.1 结构
6.1.2 工作原理
6.1.3 DL32型CCD的光电特性
6.2 TCD5130AC面阵CCD
6.3 TCD5390AD面阵CCD
6.4 IA D4型面阵CCD
6.4.1 IA D4的结构
6.4.2 工作原理
6.4.3 IA D4的基本特性
6.5 特种面阵CCD
6.5.1 IA D9 2048型面阵CCD
6.5.2 IA D9 5000型面阵CCD
6.5.3 2620万像素面阵CCD
6.6 面阵CCD摄像器件的特性
6.7 面阵CCD的电荷累积时间
与电子快门
6.8 MTV 2821摄像机
6.8.1 工作原理
6.8.2 MTV 2821CB特性参数
6.8.3 MTV 2821CB的主要功能及其设置
6.8.4 帧累积功能
思考题与习题6

第7章 CCD彩色摄像机概述
7.1 三管CCD彩色电视摄像机
7.1.1 三管CCD彩色电视摄像机的基本组成
7.1.2 光学系统和CCD摄像机中的重合调整
7.1.3 频谱混叠干扰在R，G，B信号之间相互抵消
7.2 两管式CCD彩色电视摄像机
7.3 单管CCD彩色摄像机
7.4 典型单片彩色CCD
7.4.1 Bayer滤色器单片彩色CCD
7.4.2 复合滤色器(或补色滤光片)型的彩色CCD
7.5 彩色数码照相机简介
思考题与习题7

第8章 CMOS图像传感器
8.1 MOS场效应管
8.1.1 MOS场效应管的基本结构
8.1.2 场效应管的主要性能参数
8.2 CMOS成像器件的原理结构
8.2.1 CMOS成像器件的组成
8.2.2 CMOS成像器件的像敏单元结构
8.2.3 CMOS图像传感器的工作流程
8.2.4 CMOS成像器件的辅助电路
8.3 CMOS图像传感器的性能
指标
8.4 典型CMOS图像传感器
8.4.1 IBIS4 SXGA型CMOS成像器件
8.4.2 FUGA1000图像传感器
8.4.3 高速CMOS图像传感器
8.5 CMOS摄像机
8.5.1 IM28 SA型CMOS摄像机
8.5.2 MC1300高速CMOS摄像机
思考题与习题8

第9章 视频信号处理与计算机
数据采集9.1 CCD视频信号的二值化处理
9.1.1 二值化处理方法
9.1.2 二值化数据采集与计算机接口
9.2 CCD视频信号的量化处理
9.3 线阵CCD输出信号的数据采集与计算机接口
9.4 面阵CCD的数据采集与计算机接口
9.4.1 图像采集卡的基本工作原理
9.4.2 图像卡的基本结构
9.4.3 典型图像数据采集卡
思考与习题9

第10章 图像传感器的光学成像系统10.1 光学成像系统的基本计算公式
10.1.1 理想光学系统的基本参数
10.1.2 理想光学系统的物像位置公式
10.1.3 理想光学系统的放大率
10.2 光学元件的成像特性
10.2.1 球面光学元件的成像特性
10.2.2 平面光学元件的成像特性
10.3 光学成像系统中的光阑
10.4 常用光电图像转换系统的成像特性
10.4.1 摄影系统及其物镜的光学成像特性
10.4.2 显微系统及其物镜的光学成像特性
10.4.3 望远系统及其物镜的光学成像特性
10.5 照明系统
10.6 远心光路在动态测试中的应用
10.7 面阵CCD摄像机光学镜头的类型及其参数
10.8 线阵CCD常用的物镜
思考与习题10

第11章 特种图像传感器
11.1 微光图像传感器
11.1.1 微光图像传感器的发展概况
11.1.2 微光电视摄像系统
11.1.3 微光电视摄像系统观察距离的估算
11.1.4 微光CCD摄像器件
11.2 红外CCD图像传感器
11.2.1 主动红外电视摄像系统
11.2.2 被动红外电视摄像系统
11.3 X光CCD图像传感器
11.3.1 X光像增强器
11.3.2 医用X光电视摄像系统
11.3.3 工业用X光光电检测系统
11.4 热成像技术
11.4.1 点扫描式热释电热像仪
11.4.2 热释电摄像管的基本结构
11.4.3 典型热像仪
思考与习题11

第12章 图像传感器的典型应用实例
12.1 图像传感器用于一维尺寸的测量
12.1.1 玻璃管内、外径尺寸测量控制仪器的技术要求
12.1.2 仪器的工作原理
12.1.3 线阵CCD的选择
12.1.4 光学系统设计
12.1.5 对外径、壁厚的检测电路
12.1.6 微机数据采集接口
12.1.7 系统的长线传输
12.2 CCD的拼接技术在尺寸测量系统中的应用
12.2.1 CCD的机械拼接技术在尺寸测量中的应用
12.2.2 线阵CCD的光学拼接
12.3 线阵CCD图像传感器用于二维位置的测量
12.3.1 高精度二维位置测量系统
12.3.2 光学系统误差分析
12.4 CCD在BGA管脚三维尺寸测量中的应用
12.4.1 测量原理
12.4.2 数学模型
12.4.3 系统的标定
12.4.4 BGA芯片测量实验
12.5 CCD图像传感器用于平板位置的检测
12.6 利用线阵CCD非接触测量材料变形量的方法
12.7 CCD图像传感器用于物体振动的非接触测量
12.8 图像传感器用于高精度细丝直径的测量
12.9 图像传感器用于透镜曲率半径的自动测量
12.9.1 测量原理和系统构成
12.9.2 测量系统的硬件与软件
12.9.3 系统测量误差
12.10 图像传感器用于成像物镜光学传递函数的测量
12.10.1 光学传递函数检测原理
12.10.2 光学传递函数检测系统
12.11 CCD用于ICP AES光谱探测与分析
12.11.1 ICP AES光谱探测器的基本原理
12.11.2 实验结果分析及结论
12.12 CCD图像传感器用于光学系统像差测量
12.13 线阵CCD图像传感器在扫描复印技术中的应用
12.14 面阵CCD图像传感器用于钢板尺寸测量系统
12.15 CCD天文图像观测系统
12.16 图像
……

人们通过感官从自然界提取各种信息，其中以人眼通过视觉提取的信息量为最多，也最为丰富多彩，最为可靠。成语“百闻不如一见”就说明了这个道理。图像传感器帮助人们提高人眼的视觉范围，使人们看到肉眼无法看到的微观世界和宏观世界，看到人们暂时无法到达处所发生的事件，看到超出肉眼视觉范围的各种物理、化学变化过程，生命、生理、病变的发生、发展过程等。可见图像传感器在人们的文化、体育、生产、生活和科学研究中起到非常重要的作用，可以说现代人类活动已经无法离开图像传感器。
图像传感器是基于光电技术基础上发展起来的，是将光学图像转换成一维时序信号的器件。它包含电子束摄像管、像增强管与变相管等真空管图像传感器，CCD（Charge coupled devices）、CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等半导体集成图像传感器和扫描型图像传感器等。其中，电子束摄像管等真空图像传感器正逐渐被CCD、CMOS等半导体集成图像传感器所取代。因此，本书不再讨论真空图像传感器，而重点讲授半导体图像传感器和扫描型图像传感器的原理及其应用技术。
本书共12章，主要内容包括：光电技术基础理论，各种图像传感器的工作原理、特性、特性参数、驱动方式与计算机接口技术，几款特种图像传感器，以及图像传感器在非接触尺寸测量、图像传感、图像分析、光谱探测、天文观测和安全监控等方面的典型应用。这些典型应用来自于参与本书编写的作者的科技作品，非常具有实际指导意义。书中还收集了许多典型图像传感器的特性参数、特性曲线、典型驱动电路和利用图像传感器的一些技巧。希望它能为科技开发做出贡献。因此，它不但是一本讲授图像传感器的教科书，更是从事光电工程和现代测试技术科技人员的有益参考书。
本书第1版自2003年出版以来受到光电界工程技术人员与高校相关专业教师及学生的欢迎，很多高校把它选作技术基础课的必修教材。随着科技的发展，图像传感器应用技术在不断地进步与提高，为适应当前技术层面的提高和高校教育改革的需要，作者决定再版。
这次修订除了把第3章改为图像扫描与图像显示技术外，还补充了第9章的内容，增加PCIE总线数据采集卡的内容，另外对全书第1版的文字、符号，以及印刷错误等进行了修正。
这次修订主要由王庆有完成，参加修订的人员还有：绉开顺，参与修订第3章；朱同波参与修订第11章；尚可可和王达成参与修订第12章。本书第1版由王庆有编著，其中，林家明编写第66、67、68节，蔡怀宇编写第10章，杨艺编写第8章，杨森编写94节，其他章节由王庆有编写。
天津理工学院龚正烈教授对全部书稿进行了认真细致的审校。本书在编写过程中得到了国内光电技术领域许多老师和朋友的支持和帮助，他们为本书提供了大量的素材和技术资料。在此衷心感谢：天津大学叶声华院士、孙长库教授、黄战华教授，北京理工大学张忠廉教授、周仁忠教授，天津工业大学张海明，南京理工大学李开明，空军第一航空学院黄宜军，中国科院西安光机所陈良益、孙传东，中国科院光电技术研究所沈忙作、陈旭南，北京凌云光视数字图像技术公司姚毅博士，北京嘉恒中自图像技术有限公司吴小宁经理，天津市耀辉光电技术有限公司李强、孟玲霞，天津市开希机器视觉技术有限公司王雪峰、于洪明等。本书修订过程中还得到天津大学光电信息工程系、闽南理工学院光电信息工程教研室和天津工业大学理学院光信息科学与技术系的支持和帮助，在此一并表示诚挚的谢意！
本书得到天津市科学技术协会专著经费的资助，并获得福建省创新人才培养改革试点项目的支持。在此向天津市科技协会与福建省闽南理工学院表示感谢。
本书修订过程中事物繁多，难免有些疏漏，望读者批评指正。欢迎教学第一线的教师提出宝贵意见 。
编著者
于闽南理工学院