第三节 摄像机的基础知识

3．单片彩色CCD摄像机
用1个CCD传感器产生R、G、B3种颜色的信号，必须用滤色器将光进行分 色。 从原理上讲，重复的R、G、B垂直条滤色器完全可以用于单片彩色CCD摄像 机，但如果CCD传感器对色光的R、G、B3个分量用相同的采样频率Fck进行采 样，那么被采样的3种基色光的上限频率必须限制在相同的数值（Fck／2）以 下。根据接收机中利用人眼对红色、蓝色分辨率低的特点，对3种基色光使用 相同的采样频率显然是不合理的，通常采用镶嵌式( GCFS，Green Checker Field Sequence)滤色器。 滤色器的每个小方块表示1个滤色单元，对应于CCD传感器的1个像素。 单片CCD传感器输出的信号为红、绿、蓝混合信号，只有通过彩色信号分离 电路才能分解出红、绿、蓝基色信号。由于CCD传感器的输出信号是由时钟驱 动脉冲控制的，与时钟脉冲有严格的对应关系，因此，在取样保持电路中采 用由时钟驱动脉冲形成的相位与时钟脉冲一致的脉冲取样，才能分离出相应 的基色信号。 垂直方向上每个滤色单元对应于2个光敏单元；水平方向上每个滤色单 元对应于1个光敏单元。存储在滤色单元上部的光敏单元中的电荷包供奇数场 使用；存储在滤色单元下部的光敏单元中的电荷包供偶数场使用。
根据色光中各基色光之间的线性叠加原理，可以认为各种滤色 单元是对色光中相应的光分量单独作用的，允许某种基色光通过 滤色单元，对那种基色信号来说，相当于1个取样开关。由取样 定理可知，要能够从取样后的信号中准确地恢复出原来的信号， 被取样信号必须是频带有限的，所以在光信号进入滤色器之前， 必须用光学低通滤波器将光的空间频率成分限制在一定的带宽内。 考虑到使用GCFS排列滤色器的CCD传感器每一行只输出2种基色 信号，因而送到彩色分离电路的信号有2路：一路直接来自CCD传 感器；另一路是延迟一行后的信号。
图2-20 CCD电荷耦合器件
图2-21 面阵MOS电容器的光电转换
在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约1200A）的二氧化硅，再在二氧化 硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅形成电极，称为栅极，该栅极和P型或N 型硅衬底便形成了规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就 构成了CCD电荷耦合器件芯片。 每一个MOS电容器实际上就是一个光敏元件。当光照射到MOS电容器的P型 硅衬底上时，会产生电子空穴对（光生电荷），电子被栅极吸引存储在陷阱 中。入射光强，则光生电荷多；入射光弱，则光生电荷少。无光照的MOS电容 器则无光生电荷。 若停止光照，则由于陷阱的作用，电荷在一定时间内也不会消失，可实 现对光照的记忆。MOS电容器可以被设计成线阵或面阵。一维的线阵接收一条 光线的照射；二维的面阵接收一个平面的光线的照射。CCD摄像机、照相机使 用的是二维的面阵，其光电转换如图2-21所示。 CCD电荷耦合器件的集成度 很高，在一块硅片上制造了紧密排列的许多MOS电容器光敏元件。线阵的光 敏元件数目为256～4096个或更多。 在CCD芯片上同时集成有扫描电路，它 们能在外加时钟脉冲的控制下产生三相时序脉冲信号，并从左到右、自上而 下地将存储在整个面阵的光敏元件下面的电荷逐位、逐行快速地以串行模拟 脉冲信号输出。
图2-23线阵CCD电荷耦合器件内部框图
面阵固态图像传感器由双读式结构线阵构成，它有多种类型。常见的有行 转移(LT)、帧转移(FT)和行间转移(ILT)三种方式。 3．CCD图像传感器的应用 CCD电荷耦合器件单位面积的光敏元件位数很多，1个光敏元件形成1个像素， 且成像分辨率高、信噪比大、动态范围大，可以在微光下工作。 彩色图像传感器采用3个光敏二极管组成1个像素的方法。被测景物的图像 的每一个光点由彩色矩阵滤光片分解为红、绿、蓝3个光点，分别照射到每一 个像素的3个光敏二极管上，各自产生的光生电荷分别代表该像素红、绿、蓝3 个光点的亮度，经输出和传输后，可在显示器上重新组合，从而显示出每一个 像素的原始彩色。 （二）CMOS图像传感器 CMOS图像传感器是按一定规律排列的互补型金属一氧化物一半导体场效应 管(MOSFET)组成的阵列。 1．CMOS光电转换器件 以E型NMOS场效应管Vl作为共源放大管，以E型PMOS场效应管V2、V3构成的 镜像电流源作为有源负载，就构成了CMOS型放大器，如图2-24所示。 可见，CMOS型放大器是由NMOS场效应管和PMOS场效应管组合而成的互补放 大电路，CMOS就叫做互补型金属氧化物半导体。 CMOS型光电变换器件原理如 图2-25所示。
图2-24 CMOS型放大器
图2-25 CMOS型光电变换器件原理
与CMOS型放大器源极相连的P型半导体衬底充当光电变换器的感光部分。 当CMOS型放大器的栅源电压UGS -0时，CMOS型放大器处于关闭状态， CMOS型 放大器的P型衬底受光信号照射产生并积蓄光生电荷，可见，CMOS型光电变换 器件同样有存储电荷的功能。当积蓄过程结束，栅源之间加上开启电压时， 源极通过漏极负载电阻对外接电容充电形成电流即为光信号转换为电信号的 输出。 2．CMOS图像产生原理 ． 利用CMOS型光电变换器件可以制作CMOS图像传感器。由CMOS衬底直接收光信 号照射产生并积蓄光生电荷的方式较少采用。现在在图像传感器上使用更多 的是光敏元件与CMOS型放大器的分离式结构。CMOS线型图像传感器的结构如 图2-26所示。
第三节 摄像机基础知识
摄像机的主要传感部件是CCD和CMOS图像传感器。它们的作 用是对监视区域进行摄像并将其转换成电信号。CCD和CMOS图像 传感器的工作原理是：被摄物体反射光线传播到镜头，经镜头聚 焦到CCD和CMOS图像传感器芯片上，CCD和CMOS图像传感器根据光 的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的 电信号，经过滤波、放大处理后，通过摄像头的输出端子输出标 准的复合视频信号。 一、摄像机图像传感器 （一）CCD图像传感器 CCD电荷耦合器件（Charge Couple Device）是一种金属氧化 物半导体(MOS)集成电路器件。它以电荷作为信号，基本功能是 进行电荷的存储和电荷的转移。 CCD图像传感器由CCD电荷耦合器件制成，属固态图像传感器 中的一种，是贝尔实验室的W.S.Boyle和GE.Smith于1970年发明 的新型半导体传感器。它是在MOS集成电路基础上发展起来的， 能进行图像信息光电转换、存储、延时和按顺序传送。
CMOS线型图像传感器由光敏二极管、CMOS型放大器阵列及扫描电路 集成在一块芯片上制成。1个光敏二级管和1个CMOS 1个像素。光敏二极管阵 列在受到光照时，便产生相应于入射光量的电荷。扫描电路以时钟脉冲的时 间间隔轮流给CMOS型放大器阵列的各个栅极加上电压，CMOS型放大器轮流进 入放大状态，将光敏二极管阵列产生的光生电荷放大输出。 CMOS面型图像传感器则是由光敏二极管和CMOS型放大器组成的二维像素 矩阵，并分别设有X-Y水平与垂直选址扫描电路。水平与垂直选址扫描电路发 出的扫描脉冲电压，从左到右、自上而下分别使各个像素的CMOS型放大器处 于放大状态：二维像素矩阵面上各个像素的光敏二极管光生和积蓄的电荷依 次放大输出。 二、摄像机的工作原理 1．黑白CCD摄像机 图2-27所示为黑白CCD摄像机框图。 CDS是相关双取样电路（Correlated Double Sampling），CCD传感器的每 个像素的输出波形只在一部分时间内是图像信号，其余时间内是复位电平和 干扰。为了取出图像信号并消除干扰，要采用取样保持电路。每个像素信号 被取样后，由一电容把信号保持下来，直到取样下一个像素信号。
2．CCD图像产生原理 MOS电容器实质上是一种光敏元件与移位寄存器合二为一的结构，称为 光积蓄式结构，这种结构最简单。但是，因光生电荷的积蓄时间比转移时间 长得多，故再生图像往往产生拖尾，图像容易模糊不清。另外，直接采用MOS 电容器感光虽然有不少优点，但它对蓝光的透过率差、灵敏度低。目前在CCD 图像传感器上使用更多的是光敏元件与移位寄存器的分离式结构Biblioteka Baidu这种结构采 用光敏二极管阵列作为感光元件。光敏二极管在受到光照时，便产生相应于 入射光量的电荷，再经过电注入法将这些电荷引入CCD电容器阵列的陷阱中， 便成为用光敏二极管感光的CCD图像传感器。该传感器的灵敏度极高，在低照 度下也能获得清晰的图像，在强光下也不会烧伤感光面。CCD电容器阵列在这 里只起移位寄存器的作用。 图2-23所示为分离式的2048位MOS电容器线阵CCD电荷耦合器件内部框 图。
驱动脉冲产生电路产生CCD传感器所需的垂直CCD移位寄存器多相时钟驱动 信号、水平CCD读出寄存器多相时钟驱动信号等各种脉冲信号和视频通道所需 的箝位和取样脉冲。 同步信号产生电路产生行推动、场推动、复合消隐、复合同步等各种电 视信号脉冲。信号放大处理电路包括AGC放大、γ 校正、白电平限幅、黑电平 箝位等电路。 叠加电路将经过处理的视频信号与复合同步、复合消隐信号叠加成全电 视信号。输出驱动电路则将全电视信号进行驱动，适配75Ω 电缆。除上述电路 外，黑白摄像机还可能会有自动光圈接口电路、电源同步接口电路、外同步接 口电路、亮度控制电路等附加电路。 2．三片式彩色CCD摄像机 广播电视中常用的是三片式彩色CCD摄像机，被摄物体的光线从镜头进入 摄像机后，被分色棱镜分为红、绿、蓝3路光线投射到3片CCD传感器上，分别 进行光电转换后变为3路电信号R、G、B。该信号经预先放大和补偿后送入A/D 变换器，变换成相应的3路数字信号，再送入数字处理器进行各种校正、补偿等 处理，最后输出3路数字信号Y、R-Y、B-Y。为了使数字摄像机适应其他模拟设 备，经D/A变换后输出的3路模拟分量信号最后经彩色编码后输出1路PAL全电视 信号。 由于每种基色光都有1片CCD传感器，因此可以得到较高的分辨率。应用电视 中所用的彩色摄像机都是单片式彩色CCD摄像机。由于1片CCD传感器要对3种基 色光感光，因此单片式彩色CCD摄像机的分辨率较低，但成本也降低了许多。
图2-30采用GCFS滤色器的单片 CCD彩色摄像机框图
图2-31光敏单元与滤色器滤色单元的 相对位置关系
假如第，z行的输出信号为µ，如图2-32 (a)所示，以R，G，R，G，… 的顺序排列，经过一行延时后，同时到达分离器的则是前一行的信号µ，， 以G，，B，，G，，B，，…的顺序排列。在R信号分离器的电路中只需从µ 信号中取出uR；在G信号分离器中，沿着图2-32 (a)中箭头所指的顺序将 “µ”和“µ，”中的G信号取出并相加得到“µG；在B信号分离器中则从µ， 信号中取出uB。显然，当n行按R，G，R，G，…的顺序排列时，第n+1行必 然以G，B，G，B，…的顺序排列，经过一行延迟同时到达分离器的信号µ， 以R，，G，，R，，G，，…的顺序排列，信号分离的过程与n行类似。 CCD传感器的成像单元数目越多，组成UG信号的相邻信号G与G’之间 的差别越小，G与G’叠加在一起时越接近于被取样的信号。这意味着，当 绿色信号的上限频率fm高于fck／2时，存在于被取样的G和G’信号频谱中 的混叠干扰相互抵消得越充分，在电视图像上就看不出明显的频谱混叠干 扰。 所以，R、G、B信号的带宽取1.3MHz，按亮度方程组成Y信号 (1.3MHz)以后，将高于1.3MHz的GH信号叠加到Y信号中去。
图2-23中，移位寄存器被分别配置在光敏元件 线阵的两侧，奇偶数号位的光敏元件分别与两侧 的移位寄存器的相应小单元对应。这种结构为双 读式结构，它与长度相同的分离式相比较，可以 获得高出2倍的分辨率。同时，因为CCD移位寄存 器的级数仅为光敏单元数的一半，所以可以使 CCD特有的电荷转移损失大为减少，从而较好地 解决了因转移损失造成的分辨率降低的问题。