第二章 数字彩色电视摄像机.ppt

第二章数字彩色电视摄像机 本章内容提要 数字彩色电视摄像机的组成彩色电视摄像机的技术规格彩色电视摄像机的分光原理CCD摄像器件的工作原理电子快门原理视频信号处理电路动态范围的扩大和自动拐点三同轴信号传输技术摄像机的控制系统 1 数字彩色电视摄像机的组成 原理 将景物的光图像分解成红绿蓝三幅光图像 分别聚焦在三个摄像器件的光敏面上 然后由摄像器件进行光电转换 扫描得到三个基色信号 最后通过信号处理电路和编码电路 形成分量信号或全电视信号输出 自上世纪90年代初 彩色电视摄像机开始向数字化过渡 摄像器件全部采用电荷耦合器件 CCD 由于CCD是模拟器件 摄像机的数字化只能从信号处理电路开始 所以严格的讲 数字摄像机应该称为数字信号处理 DSP 摄像机 一般将数字信号处理电路占整个电路70 以上的摄像机称为数字摄像机 1 数字彩色电视摄像机的组成 一 数字彩色电视摄像机的组成 CCD推动脉冲发生器 声音信号系统 电源 自动控制器 模拟处理数字处理 1 3 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 数字彩色电视摄像机的组成 变焦距镜头的作用是将拍摄的景物成像 聚焦 在CCD器件的感光面上 并调节入射光量 调节光圈 和焦距 变焦 通常 专业级以上的摄像机 都没有自动聚焦功能 光圈有手动和自动调节两种方式供选择 焦距可选择手动或电动方式进行调节 一 数字彩色电视摄像机的组成1 变焦距镜头 1 数字彩色电视摄像机的组成 输入到变焦距镜头的控制电压 均来自机体的自动控制电路主要有 电动变焦距控制电压光圈关闭电压自动光圈控制电压 电动变焦距控制电压是可调的直流电压 通过变焦电机带动镜头上的变焦环旋转 从而调节焦距 当摄像机输出彩条信号时或进行自动黑平衡调节时 光圈关闭电压使光圈自动关闭 自动光圈控制电压用于控制光圈大小 使输出的图像信号幅度符合标准 一 数字彩色电视摄像机的组成1 变焦距镜头 1 数字彩色电视摄像机的组成 录像机和摄像机组装成一体化摄录机 或者当摄像机与便携式录像机连接使用时 安装在变焦距镜头上的一个称为 录像机启动 停止 的开关可输出控制电压 启动录像机开始记录或暂停记录 一 数字彩色电视摄像机的组成1 变焦距镜头 1 数字彩色电视摄像机的组成 滤色片包括色温校色片和中性滤光膜 1 色温校色片 用于白平衡的调整 在摄像机中 所谓白平衡是指当它拍摄白色 或灰色 景物时 输出的三基色信号电平相等 这样在输出信号送给电视机就能在屏幕上重现不带任何色调的景物 白平衡的调整是通过调整红 蓝两路自动增益自动实现的 调整方法具体如下 让摄像机拍摄白色景物 如白布或白墙 然后按下摄像机上的 白平衡开关 经约1秒多钟便可完成 一 数字彩色电视摄像机的组成2 滤色片 1 数字彩色电视摄像机的组成 滤色片包括色温校色片和中性滤光膜 1 色温校色片 用于白平衡的调整 然而 由于处理放大器的增益调节范围只有 3dB 当摄像机在演播室 色温3200K 内调节好白平衡后移至别处 若光源的色温变化较大 这个调节范围是不够的 为此 在分光棱镜前安装色温校色片 使入射光的色温转换成接近3200K 这样 再稍加调节放大器的增益即可达到白平衡 一 数字彩色电视摄像机的组成2 滤色片 1 数字彩色电视摄像机的组成 为适应多种光源 摄像机内一般都安装几个色温校色片 并安装在一个圆盘上 在圆盘的边上写上编号 使用时可转动圆盘 根据光源的实际情况将适当的校正片转到分光棱镜前 下表为常用色温校色片的编号和特点 一 数字彩色电视摄像机的组成2 滤色片 1 数字彩色电视摄像机的组成 2 中性滤光膜表中 1 4ND 表示在色温校色片上还镀有一层透过率为25 的中性滤光膜 它可以使所有波长的光的透过率都降低到25 目的是在使用它时可以增大镜头的光圈 以达到在某些场合需要减小景深的艺术效果 小提示 现在有的彩色摄像机已取消了色温校色片 通过加大增益的调节范围 实现完成靠电子方法的白平衡调节 一 数字彩色电视摄像机的组成2 滤色片 1 数字彩色电视摄像机的组成 分光棱镜的作用是将进入摄像机的光按照一定的光谱响应要求分解成R G B三路基色光 即将一幅彩色图像分解常三幅基色图像 然后分别投射到三片CCD摄像器件的感光面上 一 数字彩色电视摄像机的组成3 分光棱镜 1 数字彩色电视摄像机的组成 CCD器件能将光像变成电像 即每个CCD单元对应于一个像素 积累的电荷量和光的强度 照射时间成正比 一 数字彩色电视摄像机的组成4 CCD器件及驱动脉冲形成电路 3CCD原理3CCD机以三块CCD分别接收红 绿 蓝三原色 接收量是单CCD的三倍 1 数字彩色电视摄像机的组成 CCD器件能将光像变成电像 即每个CCD单元对应于一个像素 积累的电荷量和光的强度 照射时间成正比 一 数字彩色电视摄像机的组成4 CCD器件及驱动脉冲形成电路 单CCD原理单CCD在感光点上加上滤镜 只能接收三原色的其中一种色彩 1 数字彩色电视摄像机的组成 同时 CCD器件在驱动脉冲的作用下 一行行 一场场地将每个像素的电荷转移出去 形成基色信号 驱动脉冲是由脉冲形成电路产生的一系列垂直 场 和水平 行 脉冲 它们必须保持和输入的行 场信号同步 一 数字彩色电视摄像机的组成4 CCD器件及驱动脉冲形成电路 1 数字彩色电视摄像机的组成 寻像器不仅可以用来取景 而且可以用于检查输出图像的质量和摄像机的工作状态 以进行正确的调整和操作 寻像器大多是一个小黑白监视器 少数配有彩色监视器 所用黑白显像管尺寸 对于演播室用摄像机来说有3英寸和5英寸两种 便携式摄像机一般为1 5英寸 液晶显示寻像器普遍用于家用摄像机 一 数字彩色电视摄像机的组成5 寻像器 VF 1 数字彩色电视摄像机的组成 对于一体化摄录机 在记录时寻像器能自动显示所拍摄的景物 而在录像机重放时 又能自动显示重放图像 如果在记录时要检查是否有图像信号进入录像机 只要按住摄像机上的返送 RET 信号开关 则寻像器自动显示经过录像机录放处理电路正在记录的图像信号 一 数字彩色电视摄像机的组成5 寻像器 VF 1 数字彩色电视摄像机的组成 演播室中使用的摄像机 通常通过多芯电缆和三同轴电缆与机房的摄像机控制单元 CCU 连接 技术人员可在CCU上对摄像机进行调整和控制 CCU还为摄像机提供电源 摄像师操作摄像机 按导演的要求摄取景物 当摄像师按住摄像机上的返送 RET 信号开关 寻像器将显示来自CCU的图像 寻像器还能接收自动控制系统来的字符信号 并叠加在显示的图像上 以指示摄像机的工作状态和调整状态 是否显示字符要受显示控制开关和调整开关控制 一 数字彩色电视摄像机的组成5 寻像器 VF 1 数字彩色电视摄像机的组成 a 剩余电池时间指示灯 b 带盒存储器指示灯 使用有带盒存储器的磁带时 该灯出现 c STBY REC 待机 记录 指示灯 d 时间码 用户比特 e 剩余磁带指示灯 f 指向框 指示记录保险范围即安全区边框 g DVCAM格式 DV格式的SP模式指示灯 h 音频模式指示灯 i 时间指示灯 j ND 中密度滤色片 指示灯 k 日期指示灯 一 数字彩色电视摄像机的组成5 寻像器 VF 1 数字彩色电视摄像机的组成 一般摄像机的供电要求是 12VDC 只有演播室用摄像机才可以直接用220VAC供电 摄像机内的电源电路是直流变换 DC DC 电路 可从12VDC电压变换出各电路板及摄像器件所需的各种直流电压 一 数字彩色电视摄像机的组成6 电源 1 数字彩色电视摄像机的组成 话筒输入接口 声音信号放大器和电平调节电路 声音信号输出接口 供摄像人员与控制单元通话联系用的对话系统 用于录像机的监听系统等 一 数字彩色电视摄像机的组成7 声音信号系统 1 数字彩色电视摄像机的组成 摄像机的自动化包括自动调整和自诊断 自动调整功能包括 自动白 黑平衡 自动光圈 自动黑斑补偿 自动白斑补偿 自动拐点 全自动调整等 自诊断功能包括 电池告警 磁带告警 低亮度指示及故障告警指示等 一 数字彩色电视摄像机的组成8 自动控制系统 1 数字彩色电视摄像机的组成 摄像机内设置有彩条信号发生器 用以产生彩条图像的三基色信号 它受面板上的摄像 彩条 CAM BAR 开关控制 彩条信号可代替摄像信号送入编码器 用于编码器的调节 另外 彩条信号还可用于校准各摄像机之间的延时 用于录像时记录电平的调节等 一 数字彩色电视摄像机的组成9 彩条信号发生器 1 数字彩色电视摄像机的组成 同步信号发生器产生同步信号 包括 行推动脉冲 为纯行频脉冲 前沿与行同步前沿一致 宽度大于4 7 s 场推动脉冲 为场频脉冲 前沿与场同步前沿一致 但比场同步160ms宽 CCD的奇 偶场控制脉冲 FLD脉冲 用于控制CCD输出奇 偶场信号 形成全彩色电视信号需要的复合消隐信号 复合同步脉冲 色同步选通脉冲 PAL开关脉冲 K脉冲 和色度副载波 一 数字彩色电视摄像机的组成10 同步信号发生器 1 数字彩色电视摄像机的组成 同步信号发生器还应具备锁相功能 即当摄像机输出的视频信号与其他视频信号进行特技混合等处理时 两个信号的行同步 场同步 P脉冲和色度副载波的频率和相位都必须一致 为此 要求同步信号发生器应能受外来信号控制 以达到与外来信号的频率和相位锁定的目的 一 数字彩色电视摄像机的组成10 同步信号发生器 1 数字彩色电视摄像机的组成 由于镜头 分光系统及摄像器件的特性都不是理想的 所以经过CCD光 电变换产生的信号不仅很弱 而且有很多缺陷 例如图像细节信号弱 黑色不均匀 彩色不自然等 因此 在视频信号处理放大器中必须对图像信号进行放大和补偿 以提高输出信号的质量 在数字摄像机中 视频信号处理放大器分成模拟处理和数字处理两大部分 一 数字彩色电视摄像机的组成11 视频信号处理放大器 1 数字彩色电视摄像机的组成 CCD输出的图像信号经过预放后 首先进入模拟处理部分 完成黑斑补偿 自动黑 白平衡 杂散光校正 自动白斑补偿 增益控制 增益提升 预校 这些部分如果采用数字处理 由于信号的动态范围太大 要求信号的量化比特数至少在13 5bit 否则将出现量化杂波过大的问题 一 数字彩色电视摄像机的组成11 视频信号处理放大器 1 数字彩色电视摄像机的组成 接着 经上述模拟处理的视频信号送入模数变换器 变成10bit 或12bit 的数字信号后 进入数字处理部分 对数字化信号进行轮廓校正 彩色校正 校正 白压缩 混消隐 白切割 色度孔阑 二维滤波 数据检测等处理 一 数字彩色电视摄像机的组成11 视频信号处理放大器 1 数字彩色电视摄像机的组成 处理放大器输出的模拟R G B信号经编码器形成彩色全电视信号 又称复合信号 输出 供给模拟录像机 模拟视频切换台和监视器使用 同时 还可直接输出模拟分量信号 亮度信号Y 色差信号R Y和B Y 供给分量录像机或分量切换台使用 还能输出数字视频 SDI 信号 供给数字录像机或数字切换台 一 数字彩色电视摄像机的组成12 编码器 1 数字彩色电视摄像机的组成 例如 3片2 3in帧行间转移式CCD 像素数 786 水平 581 垂直 表明摄像器件数量为3片CCD CCD尺寸为2 3英寸 种类为帧行间转移 像素数为786 581 CCD摄像器件的发展趋势 高灵敏度像面尺寸小型化多像素 多制式 二 数字彩色电视摄像机的技术规格1 摄像器件数量 尺寸 种类 像素数 1数字彩色电视摄像机的组成 二 彩色电视摄像机的技术规格2 灵敏度 摄像机的灵敏度通常用在一定条件下 摄像机达到额定输出电平时所需要的光圈数来表示 一定条件是指光源色温为3200K 景物照度为2000lx 拍摄反射系数为89 9 的白色以及电路增益为0dB的标准情况 额定输出电平是指在波形监视器上得到幅度为0 7VPP的视频信号 例如 在以上条件下某摄像机的光圈用F8 0 则说该摄像机的灵敏度为F8 0 光圈F值越大 即进入的光通量越少 灵敏度越高 1数字彩色电视摄像机的组成 二 彩色电视摄像机的技术规格3 最低照度 最低照度就是摄像机可拍摄的最低景物照度 它是指摄像机在增益最大 光圈最大的条件下 仍能输出0 7VPP的视频信号的最低照度 例如 2lx F1 4 增益 30dB 最低照度与摄像机灵敏度密切相关 一般来说 摄像机的灵敏度越高 最低照度愈小 最低照度除了取决于灵敏度外 还与最小光圈数 最大增益等因素有关 1数字彩色电视摄像机的组成 二 彩色电视摄像机的技术规格3 最低照度 实际上在最低照度环境下拍摄的画面噪波很大 景深浅 没有实际使用价值 但最低照度在一定程度上能表示摄像机对低照度环境的适应能力 所以它也作为彩色摄像机的一个技术指标写在说明书上 1数字彩色电视摄像机的组成 二 彩色电视摄像机的技术规格4 信噪比 S N 摄像机工作在标准状态 即在标准照度 2000lx 反射系数为89 9 轮廓校正和 校正都不加的情况下 亮度信号Y的峰峰值 0 7VPP 与杂波有效值之比 用分贝表示 称为信噪比 现在专业用以上质量的数字彩色摄像机其信噪比能达到63dB 1数字彩色电视摄像机的组成 二 彩色电视摄像机的技术规格5 水平分解力 摄像机在图像水平方向上所能分解细节的能力称为水平分解力 水平分解力有两种表示方法 第一种是采用电视线 TVLINE 例如 700线 表明在黑白图像中心部分的水平分解力为700TVL 即表示图像从左到右共可显示700条宽度相等 黑白相间的垂直条纹 即350条黑线和350条白线 但此时信号的幅度与0 7VPP相比只有10 给的是极限分解力 只有在精密的黑白监视器上才能分辨出黑白相间的条纹 1数字彩色电视摄像机的组成 二 彩色电视摄像机的技术规格5 水平分解力 摄像机在图像水平方向上所能分解细节的能力称为水平分解力 水平分解力有两种表示方法 另一种表示方法是采用信号频率为5MHZ时的调制度 后图是用于测试摄像机水平分解力的一种测试卡 图中有12个画着不同宽度黑白相间垂直条纹的区域 每个区域下面标出的数字 0 5 10 分别表示当摄像机拍摄该图像 满屏 时 形成图像信号的频率 单位为MHZ 1数字彩色电视摄像机的组成 二 彩色电视摄像机的技术规格5 水平分解力 如前所述 对于625 50制式 如果摄像机拍摄水平方向有104条等宽黑白相间垂直条纹 满屏 时 形成的图像信号的频率为 因此信号频率为 时 垂直条纹的宽度为h 4 3 104其中h为画面高度 4 3为光栅宽高比 如果要得到nMHZ的信号频率 则垂直条纹的宽度为 h 4 3 104 n 1数字彩色电视摄像机的组成 二 彩色电视摄像机的技术规格5 水平分解力 当摄像机拍摄这一测试卡 随着频率的增大 信号的幅度将减小 不同频率的信号与0 5MHZ信号幅度之比的百分数称为该频率的调制度 水平分解力规定用5MHZ信号的调制度表示 调制度越大 水平分解力越高 1数字彩色电视摄像机的组成 二 彩色电视摄像机的技术规格6 几何失真 几何失真是指显示图像与原始图像的几何偏差 它用两者最大几何偏差与图像高度之比 用百分数表示 在CCD摄像机中引起几何失真的主要原因是镜头 若去掉镜头的影响 几何失真是测量不出来的 1数字彩色电视摄像机的组成 在重现的图像上 R G B三个基色图像在几何位置上的最大偏离距离与图像高度之比 用百分数表示 CCD摄像机拍摄的三个基色图像在几何位置上能否重合一致 决定于三片CCD的安装精度 现在 整个像面上重合误差都可以小于0 05 二 彩色电视摄像机的技术规格7 重合误差 1数字彩色电视摄像机的组成 二 彩色电视摄像机的技术规格8 垂直亮带 垂直拖道 当拍摄的图像上出现高亮点时 重现画面会在高亮点的下方出现一条垂直的亮道 称为垂直亮带 如果垂直亮带低于 120dB 就几乎无法觉察 2CCD摄像器件 一 CCD摄像器件的工作原理1 关于半导体 物质导电性能的好坏取决于物质内部载流子的含量 所谓载流子是指运载电荷形成电流的粒子 导体中由于有大量的自由电子 带负电的载流子 所以有极好的导电性 半导体中 如硅 锗 由于原子结构特殊 只有少数电子能摆脱原子核的束缚成为自由电子 形成带负电的载流子 电子成为自由电子后 原子留下一个空穴 附近原子中被束缚的电子就很容易来填补 这种电子的运动好像带正电的空穴在运动 所以称为空穴运动 因此半导体有两种载流子 自由电子 形成电子电流 和空穴 形成空穴电流 2CCD摄像器件 一 CCD摄像器件的工作原理1 关于半导体 通常纯单晶半导体的载流子极少 导电性能很差 接近于绝缘体 然而半导体的导电性能可以控制 如 在硅晶体中掺入少量的磷 锑 自由电子便增多 使导电性能有所改善 这种主要靠自由电子导电 自由电子为多数载流子 空穴为少数载流子 的半导体称为电子半导体 即N型半导体 又如 在硅晶体中掺入少量的硼 空穴载流子便增多 这种主要靠空穴导电 空穴为多数载流子 自由电子为少数载流子 的半导体称为空穴半导体 即P型半导体 另外 如果半导体材料具有光敏特性 无论是P型或N型半导体 在光照射下 会产生自由电子和空穴 它们的数量是相等的 称为电子 空穴对 2CCD摄像器件 一 CCD摄像器件的工作原理2 CCD摄像器件的构造和工作原理 CCD摄像器件是金属 氧化物 半导体 MOS 结构的有序排列 即 以具有光敏特性的P型 或N型 半导体硅为衬底 在其上面生长一层约100nm的SiO2绝缘层 再在绝缘层上按一定排列方式沉积一组 几十万个 金属铝电极 每个金属电极 称为栅极 部分为一个CCD单元 其基本结构如下图所示 2CCD摄像器件 一 CCD摄像器件的工作原理2 CCD摄像器件的构造和工作原理 当栅极加正电压时 衬底接地 其下面半导体内的多数载流子 空穴 被排挤 而少数载流子 电子 集中在界面 在界面下形成一个无多数载流子空穴的带负电区域 该区域称为耗尽层 栅极电压越高 空穴排挤得越远 界面集中的电子越多 耗尽层越深 耗尽层达到一定的深度 便形成了一个可吸收电子的势阱 称电子势阱 2CCD摄像器件 一 CCD摄像器件的工作原理2 CCD摄像器件的构造和工作原理 CCD摄像器件的感光面上有几十万个电极 即有几十万个势阱 像素 当景物成像到感光面时 每个像素对应的衬底在光激发下 出现和光强度成正比的电子 空穴对 空穴被排挤 电子注入势阱 形成电荷包 实现光电转换 得到有几十万个电荷包组成的电图像 2CCD摄像器件 一 CCD摄像器件的工作原理2 CCD摄像器件的构造和工作原理 读出电子势阱中电荷所需的时间很短 约1 s 一帧或一场读一次 在40ms或20ms期间 电荷包一直在积累电荷 有利于提高灵敏度 光的照射方法有两种 正面入射 从电极面入射 和背面入射 从衬底入射 背面入射的光效率高于正面入射 2CCD摄像器件 一 CCD摄像器件的工作原理2 CCD摄像器件的构造和工作原理 信号输出采用转移电荷包的方法 为了转移电荷包需要增加用于转移的电极 在转移电荷时通过加深转移电极的势阱深度 使电荷向相邻的转移电极转移 如右图 a 所示 在电荷积累期间 积累电荷电极2为高电位 转移用电极1为零电位 电荷存储在电极2下面 2CCD摄像器件 一 CCD摄像器件的工作原理2 CCD摄像器件的构造和工作原理 在电荷转移期间 如图 b 电极2的电位逐渐下降为零 而电极1的电位逐渐上升到高电位 电极2下存储的电荷全部转移到电极1的下面 这是电荷转移的基本原理 但实际上只在每个积累电极旁增加一个转移电极是不够的 因此 如图 c 所示 将无法实现定向转移 2CCD摄像器件 一 CCD摄像器件的工作原理2 CCD摄像器件的构造和工作原理 CCD实用的电荷转移有好几种方式 分别称为三相 二相和四相时钟驱动方式 1 三相时钟驱动相邻电极每三个一组 三个电极分别加三相时钟V1 V2 V3 相位各差120 1 三相时钟驱动在t2之前 V1为高电位 10V 其他为低电位 2V 为电荷积累期 电荷都存储在电极1下 1 三相时钟驱动当电荷开始转移时 即到t2 V2突变为高电位 而V1逐渐变为低电位 电荷转移到电极2下面 t3 t4为保持时间 1 三相时钟驱动到t4 V3突变为高电位 而V2逐渐变为低电位 电荷转移到电极3下面 1 三相时钟驱动这样 经过一个时钟周期 电荷包转移了三个电极 相当于转移了一个像素的位置 因此 三相时钟驱动可实现电荷包的定向转移 1 三相时钟驱动由此可见 CCD器件不仅可以完成光电转换 而且也相当于数字电路中的移位寄存器 但它转移的不是 0 无电荷 或 1 有电荷 这样简单的数字信号 两种状态 而是有不同电荷量的模拟信号 三相时钟驱动方式的优点是改变驱动脉冲相位就可改变转移方向 能实现双向转移 2 二相时钟驱动每个电极有两个厚度不同的绝缘层 在同一电压下 左边绝缘层厚的部分其势阱浅 右边绝缘层薄的部分势阱深 如果有电荷存储 电荷都存储在右边势阱深的地方 每两个电极为一个像素 两个电极的驱动时钟如图 b 所示 相位相差180 2 二相时钟驱动T1前 V1为高电位 V2为低电位 是电荷积累阶段 电荷存储在电极1 3 右边的深势阱内 到了开始转移电荷的t1 t2时 V2的电位逐渐升高 V1的电位逐渐下降 在电极1 3下的电荷只能向右转移到2 4电极的深势阱中 2 二相时钟驱动t2 t3为保持期到了t3 t4 V2的电位逐渐下降 V1的电位逐渐升高 电荷向右转移到1 3电极的深势阱中 移了一个像素的距离 优点是时钟脉冲形成电路简单 电荷包转移速度快 缺点是势阱内可存储的电荷量要少一些 且不能双向转移 3 四相时钟驱动为了实现隔行扫描 CCD器件在读出奇数场信号时 是将一帧中的第一和第二行合并作为奇数场的第一行输出 将第三行和第四行合并为奇数场的第二行输出 依次类推 在读出偶数场时 将第二和第三行合并作为偶数场的第一行输出 将第四行和第五行合并为偶数场的第二行输出 依次类推 四相时钟驱动可以完成垂直方向隔行扫描的读出 3 四相时钟驱动在电荷转移前的积累期间 V1 V3为高电位 V2 V4为低电位 积累的电荷包在电极的1 3的势阱里 当奇数场开始电荷转移时 在四相时钟V1 V2 V3 V4的控制之下 转移过程如下 以三 四行为例 积累期间 V1 V3为高电位 V2 V4为低电位 积累的电荷包在电极的1 3的势阱里 V1 V2 V3变为中电位 1 3电极下的电荷平分在电极1 2 3下 完成三 四行的合并V2 V3变为高电位 1 4为低电位 合并的电荷转移到电极2 3下 V2 V3 V4变为中电位 电荷平分在电极2 3 4下V3 V4变为高电位 V1 V2变为低电位 电荷转移到电极3 4下V3 V4 V1变为中电位 V2为低电位 电荷平分到电极3 4 1下 V4 V1变为高电位 V2 V3变为低电位 电荷转移到电极4 1下V4 V1 V2变为中电位 电荷平分在电极4 1 2下V1 V2变为高电位 V3 V4变为低电位 电荷转移到 下一个像素 电极1 2下 完成三 四行的合并和一行的转移 2CCD摄像器件 二 场积累和帧积累 CCD感光单元电荷积累的时间有场积累 我国标清为20ms 和帧积累 我国标清为40ms 两种 帧积累方式每个感光单元的电荷一帧读出一次 奇数场时只有奇数行感光单元的电荷转移出去形成奇数场信号 偶数场时只有偶数行感光单元的电荷转移出去形成偶数场信号 2CCD摄像器件 二 场积累和帧积累 CCD感光单元电荷积累的时间有场积累 我国标清为20ms 和帧积累 我国标清为40ms 两种 场积累方式每个感光单元的电荷一场读出一次 如前所述 在四相时钟脉冲驱动下完成相邻行电荷的合并 实现隔行扫描 2CCD摄像器件 二 场积累和帧积累 显然 帧积累的垂直分解力高 但由于电荷积累时间长 相当于照相机快门时间过长一样 在拍摄活动图像时会变得模糊 惰性增大 因此帧积累方式适合拍摄静止图像 但在帧积累的基础上配合1 50秒 即20ms的电子快门 就能解决惰性问题 场积累需要将相邻两行的电荷进行合并 结果使垂直分解力下降 但不需要电子快门就能减少惰性 提高活动图像的清晰度 2CCD摄像器件 三 CCD摄像器件的主要类型1 行间转移式 IT CCD 基本结构如图所示 每一列感光单元的右侧有遮光的垂直移位寄存器 最后一行下面有遮光的水平移位寄存器 由于成像在CCD感光面上的光学图像和实际景物是颠倒的 所以第一行在最下面 而且每一行的起始在右边 工作过程 以场积累为例 在场正程 每个感光单元积累光电荷 形成电荷包 场消隐期间 用1 s时间将电荷包转移到垂直移位寄存器 同时 在场正程的每个行消隐期间 每个垂直移位寄存器受时钟脉冲驱动 在将上下每两个电荷包相加后 逐行移入水平移位寄存器 在行正程期间 水平移位寄存器在时钟脉冲控制下输出一行的图像信号 2CCD摄像器件 三 CCD摄像器件的主要类型1 行间转移式 IT CCD 对于CCD摄像器件 如果景物的局部有过亮的地方 那么过亮部分的感光单元将装不下强光激发的全部电子 剩余的电子会注入到附近的势阱 造成亮区向周围扩散的所谓 开花 现象 为了防止 开花 CCD摄像器件都在每个感光单元的衬底上设置 溢出漏 用来吸收势阱中溢出的电子 同样道理 有了 溢出漏 如果景物中有过亮的部分在移动 也就不会出现 拖彗尾 现象了 2CCD摄像器件 三 CCD摄像器件的主要类型1 行间转移式 IT CCD 右图为早期溢出漏结构和工作原理示意图 它是在感光单元电极旁增加一个溢出漏电极 并加上比感光单元电极更高的正电压 因而它的势阱最深 同时它与感光单元间的势垒 势垒1 低于感光单元和移位寄存器电极间的势垒 势垒2 2CCD摄像器件 三 CCD摄像器件的主要类型1 行间转移式 IT CCD 当光照过强 感光单元势阱内电荷满到势垒以上时 将注入到溢出漏的深势阱内 并经溢出漏排出CCD 现在为了增加CCD器件的感光单元数以提高水平分解力 都采用纵向溢出漏 即将溢出漏设在衬底内使其不占用感光面的面积 2CCD摄像器件 三 CCD摄像器件的主要类型1 行间转移式 IT CCD 行间转移式CCD的最大优点是结构简单 缺点有 灵敏度低 因感光面积只有总面积的35 左右 垂直拖道 smear 也称垂直亮带 严重 所谓垂直拖道是指当在传输的景物中有一个高亮度像点时 重现图像会在亮点下出现一条垂直亮带 2CCD摄像器件 三 CCD摄像器件的主要类型1 行间转移式 IT CCD 行间转移式CCD形成垂直拖道的原因 电荷包在从垂直移位寄存器向水平移位寄存器转移期间 倾斜光线从遮光的垂直移位寄存器两侧漏进垂直移位寄存器内 造成的电荷积累 这期间的电荷积累会叠加到逐行下移的同列的各电荷包内 而由于行间转移式CCD从垂直移位寄存器转移出全部电荷包需要近一场时间 19ms左右 时间长 积累的电荷多 垂直拖道必然严重 2CCD摄像器件 三 CCD摄像器件的主要类型2 帧转移式 FT CCD 基本结构如右图所示 分三部分 且在同一硅片上 成像部分 感光部分 存储部分 遮光 读出寄存器 遮光 水平移位寄存器 2CCD摄像器件 三 CCD摄像器件的主要类型2 帧转移式 FT CCD 工作原理 场正程期间 成像部分进行电荷积累 每个像素形成电荷包 场消隐期间 成像部分的电荷包迅速 O 5ms以内 全部向下移入存储部分 2CCD摄像器件 三 CCD摄像器件的主要类型2 帧转移式 FT CCD 工作原理 存储部分和行间转移CCD的垂直移位寄存器相同 在场正程的每个行消隐期间逐行转移到读出移位寄存器 读出寄存器的读出也和行间转移相同 在行正程输出一行的信号 2CCD摄像器件 三 CCD摄像器件的主要类型2 帧转移式 FT CCD 帧转移式CCD的优点是成像部分电极结构简单 感光面光的利用率高 感光单元密 分解力高 缺点是器件总面积大 需要增设机械快门才能防止出现垂直拖道 所谓机械快门就是在场消隐期间从成像部分向存储部分转移电荷包时 用转动的叶片挡住进入成像部分的光 否则 虽然从成像部分转移出电荷包的时间短 但由于没有遮光 垂直拖道是相当严重的 由于帧转移式CCD要有机械快门 故整体机构比较复杂 但没有垂直拖道的问题了 2CCD摄像器件 帧行间转移式 FIT CCD是行间转移和帧转移的结合 上部结构和行间转移式相同 下部遮光的存储部分和水平移位寄存器与帧转移式相同 场消隐期间 感光单元的电荷包瞬间 1 s 转移到垂直移位寄存器 然后又很快地 O 5ms以内 转移到存储部分 场正程 成像部分像ITCCD一样重新积累电荷 存储部分象FTCCD一样输出图像信号 由于FITCCD的电荷包从垂直移位寄存器转移出去的时间远短于ITCCD IT是在场正程一行一行慢慢地转移到水平移位寄存器 约需19ms 而FIT是在场消隐期间迅速转移到存储部分 所以垂直拖道比ITCCD小得多 由于垂直移位寄存器是遮光的 所以和ITCCD一样匆需机械快门 在以上三种类型的CCD摄像器件中 帧行间转移式CCD的性能最佳 三 CCD摄像器件的主要类型3 帧行间转移式 FIT CCD 2CCD摄像器件 由于CCD摄像器件上的感光单元是离散分布的 所以光学图像沿垂直和水平方向都是按取样方式进行传输 根据取样定理 当光学图像上包含有极精细的细节 比如水平方向黑白相间条纹的密度大于感光单元的密度 相当于取样信号频率低于被取样信号频率2倍 时 必然会产生混叠干扰 使图像上出现低频干扰条纹 另外 感光单元尺寸 相当于取样脉冲的宽度 过大还会影响高频的幅度 因此感光单元的尺寸 密度以及数量都是决定CCD分解力的主要因素 四 CCD的特性1 分解力 2CCD摄像器件 四 CCD的特性1 分解力 为提高CCD的水平分解力 一般采取以下三个措施 增加光敏单元数量 提高对光学图像的取样频率 在光学通路中 加入具有光学低通滤波作用的镜片 光学低通滤波器 降低CCD上光学图像的频带宽度 以减小频谱混叠 2CCD摄像器件 采用空间偏置技术所谓空间偏置技术是指在将三个CCD片安装到分光棱镜的三个像面上时 让G路CCD与R B路CCD在水平方向上错开半个象素距离 如图所示 这样 对G路图像取样信号的相位就与R B路反相 使得G路的混叠干扰和R B路反相 因此在构成Y信号时可减小其混叠干扰 从而提高水平分解力 四 CCD的特性1 分解力 为提高CCD的水平分解力 一般采取以下三个措施 2CCD摄像器件 光通量为1流明 色温为3200K的白光投射到CCD上所产生的电流定为CCD的灵敏度 与以下因素有关 开口率 即感光单元面积与CCD总面积之比 开口率对灵敏度影响很大 开口率越大 灵敏度越高 开口率大小与CCD类型有关 FT式CCD开口率最大 感光单元电极形式和材料对进入CCD内的光量也有较大影响 例如多晶硅电极会吸收蓝光 另外 电极多 面积大也会影响光的透过率 CCD内的杂波大小也将影响灵敏度 四 CCD的特性2 灵敏度 2CCD摄像器件 CCD摄像器件的动态范围取决于势阱能收集的最大电荷量与受杂波限制的最小电荷量之差 势阱能收容的最大电荷量与CCD的结构 电极上所加电压大小以及时钟脉冲的驱动方式等因素有关 随着结构的改进和杂波的不断减小 动态范围已完全达到实用的要求 四 CCD的特性3 动态范围 2CCD摄像器件 暗电流是由热激励产生电子 空穴对形成的 它使得CCD单元在没有光射入时 也会积累电荷 CCD器件内的暗电流是不均匀的 在个别CCD单元损坏的地方还会出现暗电流峰值 通常暗电流会在图像上产生一个固定的干扰图形 称为固定图形杂波 简称黑斑 通过精心选择半导体内的掺杂物 减小光敏单元内特殊部分的电场 以及改进CCD内部结构 可有效地减少固定图形杂波 再加上在电路上配合补偿 称黑斑补偿 的措施 使得在通常亮度的图像上看不出黑斑 四 CCD的特性4 暗电流 2CCD摄像器件 CCD的彩色还原特性取决于它的光谱灵敏度特性 即每个波长的光在CCD上的照度相同 分别测量各波长单独照射时CCD输出的电流 经过改进 CCD的光谱灵敏度特性在可见光谱内响应较为均匀 具有较为令人满意的彩色还原特性 如果对红色响应较强 红色响应超过可见光范围时 可以在分光棱镜前加红外滤波器加以补偿 四 CCD的特性5 彩色还原特性 2CCD摄像器件 前面已经指出 CCD摄像机器件上有高亮点时会产生垂直亮带 现代的FIT式CCD可将垂直亮带减小到 125dB以下 0 7V为OdB FT式CCD可消除垂直亮带 由于CCD采用了溢出漏 己基本消除了静止高亮点开花和运动高亮点的拖彗尾现象 得到良好的高亮度特性 四 CCD的特性6 高亮度特性 2CCD摄像器件 五 电子快门 如上所述 CCD感光单元积累电荷的时间有场积累和帧积累两种 拍摄静止景物和一般的活动景物采用这两种方式基本上都可以满足要求 然而在拍摄快速运动物体 例如赛跑 跳水 球赛等场面时 图像会变模糊 相当于胶片曝光时间过长 2CCD摄像器件 五 电子快门 为了提高活动图像的清晰度 在CCD摄像机中 可以对感光单元电荷积累的时间加以控制 即在每一场内只将某一段时间积累的电荷作为图像信号输出 而将其余时间产生的电荷排放掉 不予使用 这就相当于缩短了入射光在CCD片上作用的时间 如同照相机减少了快门时间一样 这就是摄像机的电子快门 2CCD摄像器件 五 电子快门 电子快门的实际控制方法如右图所示 当电子快门开关没接通时 感光单元电荷的有效积累时间接近1 50s 见图 a 当电子快门接通时 见图 c 快门脉冲 频率为行频 便进入CCD器件 将感光单元积累的电荷释放到溢出漏 一行释放一次 直到快门脉冲停止为止 快门脉冲停止后 感光单元再重新开始积累电荷 在到达场消隐时读出积累的电荷 形成图像信号 显然 从快门脉冲停止到场消隐读出电荷的这一段时间才是有效的电荷积累时间 即为电子快门时间 一般 电子快门时间以整数个行扫描周期来设定例如 有效电荷积累时间为16个行周期 则电子快门的时间为 16 15625 1 976 56 1 1000s 现在CCD摄像机可选择的电子快门速度档次一般为 关 1 50s 1 100s 1 250s 1 500s 1 1000s 1 2000s 2CCD摄像器件 五 电子快门 必须指出 在使用电子快门时 由于电荷的有效积累时间短 电荷包内的电荷数量少 输出图像信号的幅度小 信噪比下降 即摄像机的灵敏度降低 为了保证输出信号有足够的信噪比 电子快门只有在高照度下才适宜应用 快门时间越短 需要景物的照度越高 还有 采用帧积累可提高静态图像的垂直分解力 但在拍摄活动图像时惰性会增大 由于电子快门可降低惰性 于是在CCD摄像机中提供了一种能同时提高静态垂直分解力和降低惰性的工作方式 称为 增强垂直分解力 EVS 方式或称 超级V SuperV 方式 在这种情况下选用帧积累方式 同时又接通了1 50s的电子快门 2CCD摄像器件 五 电子快门 为了拍摄场频和自己不同的计算机显像管上的图像 通常CCD摄像机还设有连续可变的快门时间微调 如图 a 所示 当计算机显像管的场频低于摄像机场频时 2CCD摄像器件 五 电子快门 假设计算机显像管第1场场正程开始瞬间CCD恰好开始积累电荷 在CCD的一场积累时间内 计算机显像管显示不到一场的图像 于是CCD输出的图像下部有一条水平的暗带 2CCD摄像器件 五 电子快门 接着CCD在第二场电荷积累期间 计算机显像管同样显示不了完整的一场图像 CCD输出的图像也会有一条水平暗带 但它应该比第一场靠上一点 这样一场一场下去 水平暗带将逐渐上移 2CCD摄像器件 五 电子快门 如图 b 所示 当计算机显像管场频高于摄像机场频时 在CCD的一场积累时间内 计算机显像管显示了一场多的图像 于是CCD输出的图像上部有一条水平亮带 因为这一部分图像显示两次 2CCD摄像器件 五 电子快门 接着CCD在第二场电荷积累期间 计算机显像管同样显示多于一场的图像 CCD输出的图像也会有一条水平亮带 但它应该比第一场靠下一点 这样一场一场下去 水平亮带将逐渐下移 2CCD摄像器件 五 电子快门 为了消除移动的亮带或暗带的干扰 可以根据计算机显像管场频的不同来选择不同的电子快门时间 比如 当计算机显像管的场频高于摄像机场频 即摄像机的场周期大 时 可以以计算机显像管的场周期作为摄像机电子快门的时间 这样就可避免出现水平亮带 同样 当计算机显像管的场频低于摄像机场频 即摄像机的场周期小 时 也可以选择合适的电子快门时间来减小水平暗带的干扰 为此 高档的摄像机通常都有连续可变的快门时间微调 比如能适应计算机显像管场频从50 3Hz到101 1Hz的范围 共分157档 和从25 4Hz到48 7Hz范围 共分295档 2CCD摄像器件 六 CCD器件发展现状 自1970年美国贝尔实验室发明CCD光电传感器件以来 随着应用的不断扩大 其性能和产量都以惊人的速度发展 目前CCD器件的每一个像素面积和开发初期比较起来 己缩小到1 10以下 虽然CCD器件的像面尺寸在减小 但其像素数却在增加 现在 在应用CCD的产品中 以数码相机所占的比重为最高 其次是摄像机 它们占了整个CCD产品的绝大部分 CCD摄像机的发展关键是CCD器件的不断创新 从发展历史看 用于摄像机的CCD器件根据性能不同可分为四代 以日本SONY公司的CCD摄像器件为例 2CCD摄像器件 六 CCD器件发展现状1 第一代CCD器件 第一代IT式CCD器件的像素少 每行有效像素数只有500个 灵敏度低 因溢出漏制作在感光单元旁边 开口率低 混叠失真引起的网纹干扰较严重 垂直亮带色偏红且严重 另外 由于使用多晶硅作为透明电极 它吸收蓝光使蓝光灵敏度降低 光谱特性不好 第一代FT式CCD的图像质量稍优于IT式CCD 每行有效象素为600个 1986年第一代CCD开始用于专业摄像机 2CCD摄像器件 六 CCD器件发展现状2 第二代CCD器件 HADCCD 第二代IT式CCD在感光单元的绝缘层Si02与P型硅半导体的交界面处形成空穴积累层 它能吸收随机出现在界面上的热电子 因而可把暗电流减小到原来的1 10 同时 还可作为感光单元的电极 省去了原来的多晶硅透明电极 从而提高了蓝光灵敏度 改进了光谱特性 另外 在P型半导体下面还增加了一个N型衬底 施加正电压 形成纵向溢出漏 减小了像素面积 提高了像素密度 使水平象素数增加到786个 N型衬底还可以吸收P型衬底内的散乱电子 减轻了垂直亮带 并使亮带不再发红 这种IT式CCD称为空穴积累二极管CCD HADCCD 2CCD摄像器件 六 CCD器件发展现状2 第二代CCD器件 HADCCD 第二代的FT式CCD对第一代也有改进 每行有效像素增加到784个 第二代CCD于1989年用于摄像机 其灵敏度为F5 6 水平分解力达700电视线 2CCD摄像器件 六 CCD器件发展现状3 第三代CCD器件 HyperHADCCD FT式和IT式CCD器件第三代的特点都是高灵敏度 在标准状态下工作 光圈都可以比第二代CCD摄像机减小一档 第三代FT式CCD是通过减小CCD内部杂波的方法来提高灵敏度 第三代IT式CCD称为高精度空穴积累二极管CCD HyperHADCCD 用它可使摄像机的光圈减小到F8 2CCD摄像器件 六 CCD器件发展现状3 第三代CCD器件 HyperHADCCD 第三代ITCCD的半导体结构与第二代CCD的相同 只是在它的表面上增加了一层微型透镜 ON CHIPMICROLENS 称为片上透镜 OCL OverChipLns 在感光单元上为凸透镜 垂直转移寄存器上为凹透镜 这样可将较多的入射光聚集到感光单元上 因而提高了灵敏度 也减少了漏进垂直转移寄存器内的光 从而减轻了垂直亮带 使用这种CCD摄像机 在同样场景亮度时 可适当减小光圈 景深可大些 另外 由于灵敏度的提高 改善了低照度下输出图像信号的信杂比 并有利于电子快门速度的提高 2CCD摄像器件 六 CCD器件发展现状3 第三代CCD器件 HyperHADCCD 增加微透镜也有缺点 一是会使 空间像素偏置 的效果降低 影响图像的清晰度 二是在加大光圈时 入射到微透镜上的远轴光线不能聚集到感光面上 使灵敏度受到影响 由于IT式CCD的发展 使IT式CCD摄像机的性能有很大提高 过去 为解决垂直亮带问题 采用FIT式CCD 因而摄像机价格很高 HyperHADCCD己把垂直亮带降低到约 110dB 采用FITCCD的垂直亮带约为 140dB HyperHADCCD的垂直亮带己减轻到第一代FITCCD的水平 1991年第三代CCD摄像机投入市场 2CCD摄像器件 六 CCD器件发展现状4 第四代CCD器件 HyperHADCCD 从发展来看 SONY公司生产的第四代CCD摄像器件有 HyperHAD1000型CCDPowerHADCCDPowerHAD1000型CCDPowerHADEXCCD等 2CCD摄像器件 六 CCD器件发展现状4 第四代CCD器件 HyperHADCCD 1992年第四代CCD摄像机投入使用 最初是将以前使用的微透镜加以改良 将镜片的形状最优化 进一步提高了光的利用率 如图所示 索尼公司称之为SUPERHADCCD技术 典型产品是HyperHAD1000型FITCCD 总像素数高达62万个 有效像素数为980 水平 582 垂直 57036个 2CCD摄像器件 六 CCD器件发展现状4 第四代CCD器件 HyperHADCCD 接着又出现了PowerHADCCD 应用最新电路处理技术 进一步减小垂直亮带 同时灵敏度也相应得到提高 在光线较暗的环境下 良好的信噪比使仍然可以获得出色的画面 例如SONY公司生产的DVW707P一体化摄录机 采用三片47万像素的PowerHADITCCD 水平分解力为850电视线 信噪比为63dB 2CCD摄像器件 六 CCD器件发展现状4 第四代CCD器件 HyperHADCCD 后来SONY公司又开发了PowerHAD1000IT型CCD器件 进一步提高了水平分解力 例如SONY生产的摄录一体机DVW 709WSP和DVW 790WSP 它们都使用三片有62万个像素而且可进行4 3与16 9转换的PowerHAD1000IT型CCD 灵敏度在F9 0光圈 高灵敏度CCD和超级增益电路 如 48dB 的配合 能使摄像机在低于0 2Lx的光线下也可拍摄 其对色彩的识别能力甚至超过人眼 2CCD摄像器件 六 CCD器件发展现状4 第四代CCD器件 HyperHADCCD 以上的CCD摄像器件都有IT和FIT型产品 但随着技术的不断发展 IT与FIT技术指标的差距越来越小 现在的PowerHADITCCD的技术指标已经超过过去的FIT型CCD 为了能彻底打破IT与FIT的差距 使广大用户获得性能价格比更高的产品 SONY公司在最近研制 开发了最新的称为PowerHADEX型CCD的摄像器件 并应用在最新的演播室摄像机BVP E10P和MPEGIMX摄录一体机MSW 900P上 2CCD摄像器件 七 关于像面宽高比的变换 现在生产的标清数字摄像机一般都装配像面宽高比为16 9的CCD 为保持水平分解力不低于4 3格式的图像 每行的有效像素高达936 1170个 为此 在输出16 9格式图像时 CCD读出 取样