《视频技术基础》第二章

摄像管
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光电转换原理示意图
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摄像管成像的机理
利用光电导材料将光像变成电荷像，再 通过电子束扫描拾取电荷，变成图像信号。
无光照射时，光敏半导体材料体电阻很 大；有光照射到靶面外层，光敏半导体材料 的电阻变小，且变化量与光通量成正比。
利用这一特性，通过镜头在靶面外侧形 成的光学图像，变成光敏材料的电Βιβλιοθήκη Baidu构成了 电荷像。
在场扫描正程期间，光敏单元积累的电荷正比于 投射到光敏面上的光子。
在场消隐期，光敏单元的电荷迅速转移到相邻的 垂直寄存器中。
在下一个场正程期间，在光敏单元积累电荷的同 时，垂直寄存器的电荷在行逆程逐行向水平移位寄存 器转移，每个行周期只转移一行；从水平移位寄存器 顺序读出一行象素电荷，输出视频图像信号。
2．3．4 彩色视频信号的产生
要获取彩色视频信号，不能简单采用单片的 CCD像传感器，因为此时CCD像传感器在进行光电 转换时只对光的强弱敏感，也就是说，它只能识别 光强，不能识别波长或光谱。为了得到彩色视频信 号，需要将景物的彩色分解成三种基色光后再分别 投射到三片CCD像传感器上，再由CCD读出各自对 应的三种基色信号。
象素的等效电容在未被扫描期间完成的是 充电过程，在电子束扫描期间完成的是放电过 程。
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CCD图像传感器
1970年出现电荷耦合器件（Charge Coupled Devices，CCD），1987年报告了第 一代广播用CCD摄像机，相继出现SDTV和 HDTV的CCD摄像机。
CCD传感器是一种低电压自扫描器件， 重量轻，隔行析像好大大改善了成像系统的 垂直分辨率。
要求CCD光敏单元所进行的光－电转换 必须满足抽样定理。即
Fs ≥2 F0 Fs ——CCD光敏单元水平方向的重复频率 F0——光信号的最高空间频率
CCD的象素数是影响CCD摄像机分辨率 的主要因素。
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2. 3 CCD的光－电转换
面阵CCD摄像器件的三种基本结构
光敏区 存储区
(a)
电视成像原理与 视频信号的产生
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2. 1 概述
要实现图像信息的传输，需要将景物的光图像 转换成图像电信号。
（1）光——电转换过程是依靠摄像器件（含 光学镜头）完成的。
（2）像素：将一幅空间上连续的黑白图像分 解成许多小单元， 称为像素。
（3）扫描：将图像分解成像素后顺序传送。
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出的信号是连续的，所输出信号的视频频带 带宽决定于电视扫描制式（以后再讨论）。
CCD摄像器件存在一个读出转移过程 ——自扫描方式完成。
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行间转移型CCD摄像器件的结构
CCD光敏单元 垂直寄存器
光屏蔽（铝）
水平寄存器 视频 输出
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CCD的一个象素分成两个关键部分：一个光敏单 元和一个离散分布垂直寄存器，寄存器不受光照射。
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CCD图像传感器工作原理： （1）光－电转换：光敏区（感光区）在光照
下产生光电子，将像素的明暗程度转换成 相应数值的光电荷量； （2）电荷转移：存储区接收感光区产生的光 电荷； （3）自扫描：不依靠外加磁场，由加在CCD 电极上的时钟脉冲控制，对应于各像素的 光电荷按顺序转换成电信号输出，形成视 频信号。
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2.2.2 光学抽样分析
任何物体在某一方向 L
W
上的光强分布都可以通过
傅立叶变换分解成具有不
同空间频率的周期性变化 0 x
成分，即正弦波光栅。
CCD像感器的光电变换实际
是光敏单元对正弦波光栅的抽样。
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L
u
W
0
x0
t
L uc
0
t0
x
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光学抽样分析
红色滤色器 光敏单元
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R0 F0 G0
B0
R0
ER0
光电
G0 光 电 EG0
B0 光 电 EB0
ER
信 号 处 EG 理 与 传 输
EB
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RC
F CGC FC
BC
三片式CCD彩色摄像机结构框图
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绿色滤色器
蓝色滤色器
光敏单元和滤色器的排列关系
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电荷转移（耦合）
UA
<
UB
P型硅
光敏单元 光
电荷转移单元
完成光/电转换
完成电信号传输
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信息拾取
CR1 CR2 OG
N＋
P-Si
VR
RS
A
Id R
输出 信号
UD
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2. 2 CCD像感器的抽样原理
2.2.1 概述 电子束扫描的摄像器件在水平方向上输
所谓自扫描是相对电子束扫描而言的。 在面阵CCD摄像器件的光敏单元中，电荷的 转移是由加在CCD各电极上的时钟脉冲控制 完成的。而这些时钟脉冲是与电子束扫描形 成光栅的行、场同步脉冲同步的。CCD摄像 器件的电信号读出是依靠电极上的时序脉冲 完成的，不需外加偏转磁场，故称为CCD的 自扫描。
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由于靶平面的横向电阻远远大于靶剖面 的纵向（光传播方向）电阻，靶面的电荷不 会横向扩散。
利用有一定截面积的电子束扫描靶的内 侧，靶面被分解成若干独立的单元象素。每 个象素可等效一个光敏电阻和一个电容，电 荷被存储在等效电容中。
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当电子束射向靶且扫过靶上的某一象素 时，等效电容上的电荷通过电子束，阴极， 信号电极，外接负载电阻RL，靶压电源放电， 在负载电阻RL形成视频信号输出。
FT－CCD
(a)帧转移型面阵CCD
(b)
IT－CCD
(c)
FIT－CCD
（b）行间转移型面阵CCD （c）帧行间转移型面阵CCD
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FT－CCD（帧转移型）结构及其自扫描
FT方式 P1
P2 P3
感感光区光区
V1 V2
V3
TG
存存储区储 区P1
视频 输出
H1 H2 H 3 水平区
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OG
要传输一幅平面图像，首先由CCD的光 敏单元将连续的空间光学图像分解，然后将 每个象素进行光电转换，将该象素所对应的 电信号顺序转换出去，形成视频信号。在FTCCD结构中，电荷从上到下，从左到右的转 移，它是由加在CCD各电极上的时钟脉冲控 制完成的。
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