第一章电视摄像机

3 无电荷混淆问题
IT CCD摄像器件的垂直拖尾现象
路径a 强光照射下所产生的“非正常”电荷，所产生的在图像上 高光区的位置上产生一条从顶到底的垂直亮条。入射的强光中也 包含着波长较长的红光具有很强的穿透性，入射光会沿路径b 进 入很深的硅层产生非正常电荷。较长波长的光仅对红CCD摄像器 件起作用，使图像上出现的亮条呈微红色
CCD摄像器件主要性能比较表
FT CCD 复杂 最大 较好 无(使用机械快门) 有
小 无 无 无(不需要) 400线(无像素偏置) 较小
IT CCD
FIT CCD
较复杂
较复杂
较小
较小
很好
很好
有
轻微
无
有
F9.0/2000lux/3200K/反射率89.9% 稍大
稍大
有
有
有
有
有
有
800线(有像素偏置)
很小
世界上第一台实用型摄像机是美国安培公司推出的。
4个重要的时期： 20世纪30年代到60年代 ————电子管时期 20世纪60年代初到 70年代末————晶体管和集成电路时期 20世纪80年代初到80年代末————大规模集成电路时期 20世纪90年代后————数字和CCD摄像机时期
1.2 彩色摄像机的分类 1. 按摄像器件类型分类
大多数的彩色摄像机的分光特性是以碘
钨灯3200K色温的光源为标准设计的。在
此光源下，摄像机的滤色片是一片无色
的透明镜片。当光源的色温升高时，说
明光源中蓝光波谱成分多，所以需加浅
桔色的滤色片吸收一些蓝光。当光源的
透 光
色温较低时，例如小于3200K时，需加浅 率
蓝色的滤色片，以相当提高光源的色温。
（ ） （ ）
调焦 变焦 补偿 后固定成像面
S
S
ⅠⅡ
Ⅲ
Ⅳ
根据几何原理，由焦距分别为f1、f2的两个透 镜组成的透镜组，其合成焦距f 可用下式表示：
111 d f f1 f 2 f1f 2
d为两透镜的间距。可见只要改变d的大小， 即可改变合成焦距的大小，从而达到改变视场角 以获得不同景物范围光学图像的目的。这就是变 焦距镜头所依据的原理。
（3）CCD器件电荷转移和输出
加在MOS电容器电极上的电压越高，在其下面形成的电位 阱就越深。以三相时钟脉冲驱动为例说明电荷转移功能。 如果在邻近的两个MOS电容的电极上加不同的电压时，两 个电极下面就会形成不同深度的位阱，存储在阱内的电荷 在电场的作用下，遵从能量最小原理，从浅阱向深阱转移。 CCD器件电荷的转移就是按上述原理实现的。
1. 3CCDCCD彩色电视摄像机预放器、信号处理电路和编码器框图
彩色校正 矩阵
R/G /B
预
放
+
R/G /B 器
信号
输入
黑斑
校正
自动增益 拐点 提升放大 控制
G R/G /B
提升控制
B +
R G
R/G /B 频响
(a)
R/G /B黑 斑 校 正 HD
VD
轮廓 校 正 DTL
BLKG /SYNC
R/G /B
Y 矩阵
+
延时
BLKG
斑纹
伽玛 校正
黑电平 控制
白 切 割
非相加 混合
R/G /B 主 白 电 平 彩 条 台 台 调整 发生器 阶阶 电 电 R/G /B切 割 平 平 电平控制 控控 制制 +
+
彩色
+
黑白
寻
R–Y 矩阵
R–Y 低通
箝位
箝位脉冲
PAL
fsc BF
色度 编码
带通
像 字 符
(b)
B–Y 矩阵
（1）彩色摄像机摄像器件光谱特性 （2）光源色温为4800K色温的光谱 （3）校正的光谱特性色温滤色片
（ ） 波长
中性滤色片
中性滤色片又称为减色片，俗称灰镜。它可以减少进入分色系统的 光强，而不改变光谱的分布。中性滤色片的常用规格有1/4ND， 1/8ND和1/16ND，它们分别表示透过率分别为原来的25％，12.5％ 和6.25％。
B–Y 低通
箝位
R到 G编 B码
器
VBS 寻像 VBS
视频信号放大处理部分
1 . 预放器
由摄像管输出的信号极其微弱。所以必须将信号放大、补偿和校正后，才能作为 标准的视频信号输出。预视放器是紧接在摄像器件后面的第一级放大器，它的质 量好坏将直接影响摄像机的灵敏度、信噪比和图像的清晰度等技术指标
第一章 彩色电视摄像机
一、显示器件
1 .黑白显像管的工作原理
电视图像信号E经传输被 送到显像管的控制栅极去调 制电子束，使电子束的能量 被改变，即使其轰击荧光屏 的发光强弱受到图像信号的 控制。在屏幕上显示的图像， 其各像素的亮度都正比例于 所摄图像各对应点的亮度， 因而在屏幕上就重现出原图 像。
1.1 电视摄像机的发展
1. CCD器件结构及工作原理
1970年美国贝尔实验室研制出世界上第一块 CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合器件）摄 像器件后，世界上各大摄像机专业生产厂家和研 究部门都致力于全固体彩色摄像机的研制与开发。
CCD器件是一种具有MOS结构的集成电路器 件，可用于电荷的存储、转移以及用于电视摄像 目的。按其用途的不同其结构也有所区别。用于 电视摄像用途的CCD器件称为CCD摄像器件。
CCD摄像器件工作原理
CCD摄像器件由光敏部和转移部两部分组成。光 敏部接受光的照射，按入射光的明暗产生相应的强弱 电荷。按现行电视标准构成的光敏部在光电荷积累期 间，就产生了与入射光像相应的电荷像。光敏部中， 存储在MOS电容器（或称为像素）中的光电荷，按一 定方式被转移到移位寄存器构成的转移部中，并在下 一个光电荷积累期间按电视标准将光电荷信号逐行读 出，形成CCD摄像器件的电视信号。
高
成
光
像
点
部
存 储 部
FT CCD的垂直拖尾
成像部
镜头窗口 入射强光
存储部
光积分区 遮挡区
光积分区
快门开启
快门关闭
FT CCD摄像器件优缺点
优点： 1. 折叠干扰最小
2. 成像部的面利用率，即开口率最大 缺点：
1. 产生过荷开花或称之为像晕的现象，利用溢 流漏结构来抑制开花，增加复杂性。
2. 产生垂直拖尾，采取放置在镜头后面的 机械快门解决。但是高速旋转的机械快门所 要求的伺服系统对FT CCD发展是个障碍。
光学系统部分位于摄像机的前端，所以其质量的好坏直 接影响摄像机的质量。光学系统部分可将自然界中的彩 色光通过镜头在摄像管靶面或在CCD感光面上成像
光 阑
成 像 面
变焦镜头
变焦组 补偿组
后固定组
调焦组
外光学部分（变焦镜头）
色 温 滤 色 片
分色 棱镜
变焦距镜头也称为光学部分，外光学部分由调焦组、变 焦组、补偿组和后固定组组成。而其它部件也称之为内 光学部分，内光学部分由分色棱镜、色温滤色片和中性 滤色片等组成。
ND规格
透光率
相当光圈 指数增加
1/4
25%
2
1/8
12.5%
3
1/16
6.26%
4
4.分色棱镜（分光镜）
R
Fr
(a)
L (1)
Mb
(c)
Mr (b )
(2) Fb
B
Fg G
1.3.3 摄像器件
摄像器件是实现将光图像转换成电视图像信 号的部件。其工作基本原理是将景物光像转换成 与景物光像色调、明暗相一致的电荷像，与相关 电路配合产生符合电视标准的图像信号。摄像器 件有摄像管和固体摄像器件两类。
（1） 真空管摄像机 （2）固体摄像机 2. 按用途分类
（1）广播用途摄像机 （2）专业用途摄像 机 （3）家庭用途摄像机 （4）特殊用 途摄像机
3. 按摄像器件的数目分类 （1）三片摄像机 （2）二片摄像机 （3）单片摄像机
1.2 彩色摄像机的分类 4. 按摄像器件的尺寸分类
1¼ 英寸 ，1英寸，2/3英寸，1/2英寸，1/3英寸， 1/4英寸。 5. 按功能分类 （1）普通摄像机 （2）摄录一体机 6. 按使用场所分类 （1）台式摄像机 （2）便携摄像机 7. 按清晰度等级分类 （1）标准清晰度摄像机 （2）高清晰度摄像机
1.3 彩色摄像机的基本组成
1.3.1 基本组成 摄像机的基本工作原理： 摄像机是光电转换的设备。它利用 三基色原理，通过光学系统，将景物分 解为3幅单色光像，然后由摄像器件完成 光电转换，并经过视频通道进行校正、 处理、编码后形成所需的复合信号、分 量信号。
1.3.2 光学系统
摄像机的光学系统由变焦距镜头、分色棱镜和各种滤色 片等组成。
（ Interline Transfer ， 行 间 转 移 ） 和 FIT （ Frame Interline
Transfer，帧行间转移）三种类型。
光
成
FT CCD器件由成像、存
敏 器
储和读出寄存器三部分组
像 部
成。成像部分用于光电荷 的转换、积累和转移；存 储部分用于光电荷存储和 转移；读出寄存器则用于 光电荷的读出，以形成图 像信号。
垂
(2)IT CCD摄像器件 光
敏
IT CCD摄像器件的成 像部与转移存储部是 分开隔列配置的
器 遮光
直 移 位 寄 存 器 水平移位寄存器 输出
图 3-1-12 IT C C D
1 电荷转移带来寄生光电荷叠加的问题，不需要(FT CCD 器件必不可少的)机械快门
2 具有较强的抗过荷开花能力，也便于实现电子快门
很小
IT CCD具有最佳的性能价格比，应 用也最普遍；FIT CCD是性能最好的摄像 器件；FT CCD则有开口率最大、固定图 案噪声最小和无垂直拖尾（使用机械快 门）的优点。
1.3.4 视频处理
从摄像器件输出的图像信号很微弱，同时存在 着由光学系统和摄像器件引起的各种失真，故 在编码之前，需要进行一系列放大、补偿和校 正，使其符合编码要求。
P3 P2 P1 (a) t=t1
P3 P2 P1 (b) t=t2
P3 P2 P1 (c) t=t3
P型硅
电极t1 t2 t3二氧源自硅 P1P2P3 T
(d)
2 . CCD器件的主要类型
(1) FT CCD摄像器件
CCD 摄 像 器 件 有 FT （ Frame Transfer ， 帧 转 移 ） 、 IT
一个凸透镜和一个凹透镜可组成最简单的变焦距镜头，设凸、凹 透镜的焦距分别为：
f1 = +1，f2 = 1
f
f2=1 d
0
S f1=+1
d
合成焦距与两个 透镜位置的关系
ⅠⅡ
S
ⅢⅣ
变焦镜头光路图
内光学部分
内光学部分由色温滤色片，分色棱 镜和中性滤色片组成
3 . 色温滤色片和中性滤色片
自然界景物的颜色不仅与它所反射的光谱成分有关，而且与光源频 谱分布有关。
光电效应
具有光电效应的材料叫做光电材料。光电材料 分为两大类：一类具有外光电效应，另一类具有内 光电效应。某些材料受光照射时能发射电子，这种 现象称为外光电效应。另一类材料受光照射时也能 产生电子，但光电子并不能射出材料的界面，而是 在材料的内部变成参加导电的自由电荷。所以光照 的结果是降低了材料的电阻率，或者说，使材料产 生了光电导，增加了电导率。这种现象称为内光电 效应。
1. 变焦距镜头（外光学部分）
设景物S与摄像机之间的距离不变时，调整变焦距，即调 焦组与变焦组之间的距离，则可改变像距。为了保证景物 在摄像器件固定点S的受光面成像，需加补偿组。调节补 偿组之间的距离，再通过后固定组，最后将在受光面上形 成一幅清晰的图像。
变焦镜头是一种在一定范围内能任意改变焦距，而 成像位置固定不变的镜头。
成
移
部和垂直转移速率
像
位
的提高都解决垂直
部
寄
拖尾
帧
存
存
器
与IT CCD器件一样
储
不需要机械快门
遮 部光
水平移位寄存器
输出
图 3-1-14 FIT C C D 摄 像 器 件 原 理 结 构 图
成像部芯片结构 开口率 抗开花(像晕) 垂直拖尾 电荷混淆 灵敏度 固定图案杂波 折叠干扰 电子快门 片上透镜 水平分解力 暗电流
帧
存
储
遮
部
光
输出
水平移位寄存器
图 3-1-10 F T C C D
FT CCD的垂直拖尾与机械快门
FT CCD的成像部既是光敏部又是转移部，在场消隐期间转移电荷。 其时间虽然很短，但仍处于入射光的照射状态。即在转移电荷的同 时，仍会产生新的光电荷，并叠加到正在转移的电荷中去，产生如 图所示的垂直拖尾
路径a 遮光铝膜
路径b 遮光铝膜
寄
溢
存
流
溢流 沟道
器
门
光敏器
(a) IT CCD的垂直拖尾
(b) 垂直拖尾原因
(3) FIT CCD摄像器件
在FIT CCD器件中，像素电荷转移到垂直移位寄存器和从垂直
移位寄存器转移到场存储器都实现了高速度，故又称这种器件
为双高速转移CCD摄像器件。
光敏器
垂
直
场存储器作为存储
（1）CCD器件的单元结构
（2）光电转换和电荷存储
在P型硅基片上用氧化法生成二氧化 硅薄层作为绝缘层，在绝缘层上用 多晶硅做成电极，构成了一个具有 MOS结构的电容器。当在电极上加 正电压时，在P型硅基片的电极下面 就形成一个可以存储电荷的“电位 阱”。当光从电极旁边照射时，按 光照强弱产生与之成比例的光电荷 就存储在这个电位阱中。