教育电视系统-第一章概述第二章彩色摄像机

1、输入输入模拟信号处理模拟信号处理行、场扫描行、场扫描电视信号R、G、B输入全数字处理双倍行、场扫描电视信号R、G、BA/D转换D/A转换数字处理 传统模拟彩电 准数字彩电一、电视技术的发展一、电视技术的发展 纯数字彩电 纯数字电视从信息源头的演播中心开始，图像信号和纯数字电视从信息源头的演播中心开始，图像信号和伴音信号已实现全数字化，几乎不存在任何信号失真。伴音信号已实现全数字化，几乎不存在任何信号失真。视频编码发射机信道编码与调制视频输入声音编码数据传输音频输入信道复接调谐器信道解码与解调信道分解音频解码视频解码视频输出音频输出数据输出数字电视可分为数字电视可分为：二、教育电视的概念二、教育

2、电视的概念三、三、 教育电视系统的组成教育电视系统的组成 教育电视系统组成：一般有教育电视节目制作系统和传教育电视系统组成：一般有教育电视节目制作系统和传输系统两部分。输系统两部分。（一）电视节目制作系统（一）电视节目制作系统 节目制作系统主要有：节目制作系统主要有：演播系统、外景节目制作系统、演播系统、外景节目制作系统、后期编辑系统和磁带复制系统。后期编辑系统和磁带复制系统。 1.演播系统演播系统 主要有演播室和控制室组成主要有演播室和控制室组成 演播室主要设备包括：摄像机、三角架、移动车、话筒、演播室主要设备包括：摄像机、三角架、移动车、话筒、 布景、道具、照明设备、监视设备等。布景、道具

3、、照明设备、监视设备等。 按信号方式可分为：按信号方式可分为： 1模拟彩色摄像机模拟彩色摄像机 2数字（码）彩色摄像机数字（码）彩色摄像机 按用途分类：按用途分类：1. 广播用摄像机；（技术指标高，图像质量好，价格昂贵。）广播用摄像机；（技术指标高，图像质量好，价格昂贵。）2. 专业摄像机；（体积小，重量轻，价格便宜。）专业摄像机；（体积小，重量轻，价格便宜。）3. 家用摄像机；（小巧、灵活，价格低廉，摄录一体。）家用摄像机；（小巧、灵活，价格低廉，摄录一体。）4. 特殊用途摄像机。（航天探测、商业监视、图像通讯等领域）特殊用途摄像机。（航天探测、商业监视、图像通讯等领域）按摄像器件分类：按摄

4、像器件分类：1真空管摄像机；（采用电子扫描方式，主要有真空管摄像机；（采用电子扫描方式，主要有 氧化铅和硒砷碲两种）。氧化铅和硒砷碲两种）。2固体摄像机；（采用固体扫描读取电荷，最固体摄像机；（采用固体扫描读取电荷，最 成熟的成熟的 是是CCD摄像机）摄像机）按摄像器件的数目：按摄像器件的数目：三管（片）摄像机；（结构复杂，体积较大，三管（片）摄像机；（结构复杂，体积较大，价格较高，但图像质量好，主要用于广播和专业领域。）价格较高，但图像质量好，主要用于广播和专业领域。）二管（片）摄像机；（产量愈来愈小）二管（片）摄像机；（产量愈来愈小）单管（片）摄像机。（结构简单，体积小，单管（片）摄像机。

5、（结构简单，体积小，价格低，主要用于家庭或非专业领域）。价格低，主要用于家庭或非专业领域）。按摄像机的记录载体：按摄像机的记录载体： 1磁带；磁带；如如VHS（V12）、）、V8、D8、MINI DV 2MD（mini disk)；（采用；（采用MPEG-2压缩技术）压缩技术）38cm的的DVD光盘；（如日立光盘；（如日立DZMV200A）4硬盘；（采用硬盘；（采用MPEG-4压缩技术，如三星压缩技术，如三星 ITCAM-7）5SD-MMC存储卡（存储卡（Secure Digital-multi media card）6记忆棒（记忆棒（memory stick）；（）；（Sony DCR-IP

6、I）7CF卡卡二、彩色摄像机的组成二、彩色摄像机的组成摄像光学系统摄像光学系统摄像器件摄像器件电路系统电路系统光学系统（主要指镜头）光学系统（主要指镜头）光电转换系统（摄像管或器件）光电转换系统（摄像管或器件）电路系统（视频处理电路）电路系统（视频处理电路）或或 一般摄像机的光学系统由变焦距镜头、中性滤色片、一般摄像机的光学系统由变焦距镜头、中性滤色片、色温滤色片和分色系统等组成。色温滤色片和分色系统等组成。一、透镜成像误差及补尝一、透镜成像误差及补尝（一）球差（一）球差形成原因：形成原因：单色光束通过透镜或球面单色光束通过透镜或球面镜的不同镜的不同“环带环带”造成的造成的像点不会在同一位置上

7、。像点不会在同一位置上。（二）色差（二）色差形成原因：形成原因：透镜对复色光中不同波长的单色光的折射率透镜对复色光中不同波长的单色光的折射率不同，波长较短的折射率大，波长较长的折不同，波长较短的折射率大，波长较长的折射率小，因此光经透镜后将会聚在不同的位射率小，因此光经透镜后将会聚在不同的位置，即产生了像差，这种像差称为色差，又称为色像差。置，即产生了像差，这种像差称为色差，又称为色像差。（三）像的几何畸变（三）像的几何畸变桶形畸变桶形畸变光阑位于物体和透镜之间光阑位于物体和透镜之间枕形畸变枕形畸变光阑位于透镜与像之间光阑位于透镜与像之间（四）球差和色差的补偿（四）球差和色差的补偿凹透镜对边缘

8、光线和复色光中的蓝光折射较大，凹透镜对边缘光线和复色光中的蓝光折射较大，因此，只要凹透镜与凸透镜适当地的组合，即可消因此，只要凹透镜与凸透镜适当地的组合，即可消除球差和色差。除球差和色差。（五）几何畸变的补偿（五）几何畸变的补偿将光阑放在两个透镜中间，第一个透镜引起的枕形畸变就可将光阑放在两个透镜中间，第一个透镜引起的枕形畸变就可被第二个透镜引起的桶形畸变抵消。被第二个透镜引起的桶形畸变抵消。（一）成像面与焦距的关系（一）成像面与焦距的关系因为因为sf, 所以所以s f （s为物距，为物距，s为像距，为像距，f 为焦距）为焦距）（二）成像大小与焦距的关系（二）成像大小与焦距的关系m=s / s

9、 （m为透镜放大率）为透镜放大率）当当sf 时，时，s=f 故故 m f /s二、变焦距镜头二、变焦距镜头（四）像面照度与焦距和透镜孔径的关系（四）像面照度与焦距和透镜孔径的关系 光通量：光源在单位时间内通过单位面积的光能量光通量：光源在单位时间内通过单位面积的光能量单位：流明（单位：流明（lm）.照度：被照物体表面的明亮程度，即光线入射到照度：被照物体表面的明亮程度，即光线入射到某一表面单位面积的光通量。单位：勒克斯（某一表面单位面积的光通量。单位：勒克斯（lux） 1lux=1lm/m22.像面的照度与镜头的孔径有关，孔径大的镜头透光能力强，像面的照度与镜头的孔径有关，孔径大的镜头透光能力

10、强，像面照度大；反之，透光能力弱，则像面的照度小。像面照度大；反之，透光能力弱，则像面的照度小。D称为入射光瞳称为入射光瞳D/f 称为透镜的相对孔径称为透镜的相对孔径F=f/D 光圈指数光圈指数F值愈小，光圈越大，透光能力越大。值愈小，光圈越大，透光能力越大。（五）景深与焦距的关系（五）景深与焦距的关系景深：在聚焦成像面前后能记录得景深：在聚焦成像面前后能记录得“较为清晰较为清晰”的被射景物的被射景物的的“空间深度空间深度”（纵深（纵深 距离）的范围称为景深。距离）的范围称为景深。焦深：在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的焦深：在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离就

11、叫焦深距离就叫焦深 。当当Sf 时，时，SS1 1 yS yS2 2/Df /Df 同理求出同理求出S2， S = S1+ S2景深的决定因素：景深的决定因素：1、物距、物距 物距越大，景深越大；物距越小，景深越小。物距越大，景深越大；物距越小，景深越小。S1 yS2/Df2、焦距、焦距 焦距越大，景深越小；焦距越小，景深越大。焦距越大，景深越小；焦距越小，景深越大。3、光圈、光圈 光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。光圈的作用：光圈的作用：1、控制进光量、控制进光量2、控制景深、控制景深3、控制像质、控制像质 变焦镜头是一种能任意改变焦距而成象面位

12、置固定不变的镜变焦镜头是一种能任意改变焦距而成象面位置固定不变的镜 头。头。 变焦镜头是由许多单透镜所组成。变焦镜头是由许多单透镜所组成。 （六）变焦距镜头（六）变焦距镜头 变焦比变焦比n = 最长焦距最长焦距 / 最短焦距；最短焦距； 变焦镜头的型号中通常有两个数字变焦镜头的型号中通常有两个数字 相乘的形式，如相乘的形式，如149，第一个数，第一个数 字表示变焦比，第二数字表示最短字表示变焦比，第二数字表示最短 焦距；焦距； 变焦距镜头有时用如变焦距镜头有时用如1:6（或（或6）表示。）表示。 （三）变焦距镜头的技术参数和特性：（三）变焦距镜头的技术参数和特性：1.调制传递函数调制传递函数

13、镜头的分解力用调制传递函数表示。用来描述镜头成像的镜头的分解力用调制传递函数表示。用来描述镜头成像的清晰程度。清晰程度。 镜头的各种指标都是从轴心部分沿着半径方向逐渐降低的。镜头的各种指标都是从轴心部分沿着半径方向逐渐降低的。 一般情况下，与光圈有关。大光圈指数时，能给出较大一般情况下，与光圈有关。大光圈指数时，能给出较大MTF。2.透光率与光谱特性透光率与光谱特性 光路中放入镜头时，光度光路中放入镜头时，光度I与没有镜头光度与没有镜头光度I0之比的百分数之比的百分数称透光率。称透光率。 镜头的透光率与入射光的波长有关，不同波长的光的透光率镜头的透光率与入射光的波长有关，不同波长的光的透光率不

14、同，不同， 这种特性称光谱特性。这种特性称光谱特性。3.几何失真几何失真 G=（H/H）100三三 、 色温滤色片与中性滤色片色温滤色片与中性滤色片色温色温：当光源所发射的光的颜色与：当光源所发射的光的颜色与绝对黑体绝对黑体在某一温在某一温度下辐射的光的颜色相同时，则绝对黑体的这个温度度下辐射的光的颜色相同时，则绝对黑体的这个温度就被称之为该光源的色温。单位：开尔文（就被称之为该光源的色温。单位：开尔文（K）。）。 色温实际是指光源的光谱成分，而光谱成分又主色温实际是指光源的光谱成分，而光谱成分又主要是看光源中短波光线与长波光线的比例。如果光谱要是看光源中短波光线与长波光线的比例。如果光谱成分

15、中短波光线所占的比例大于长成分中短波光线所占的比例大于长 波光线，则色温就波光线，则色温就高；反之，色温就低。高；反之，色温就低。 色温滤色片色温滤色片：利用它们的光谱响应特性来补偿因光：利用它们的光谱响应特性来补偿因光源色温不同引起的光谱特性变化。源色温不同引起的光谱特性变化。 采用色温滤色片只能分档进行粗略调整，要精确调采用色温滤色片只能分档进行粗略调整，要精确调整要调节白平衡。整要调节白平衡。四、分色棱镜分色原理：四、分色棱镜分色原理： 光线在介质中所走的路程与介质折射率光线在介质中所走的路程与介质折射率的乘积称为的乘积称为光程光程。1、光程差光程差为入射光某一波长的整数倍时，为入射光某

16、一波长的整数倍时，两路反射光之间的相位差为两路反射光之间的相位差为0，此时分色，此时分色膜上反射光最强。即：膜上反射光最强。即： =m(m=1,2,3,4)2、光程差为入射光某一波长的、光程差为入射光某一波长的半波长的奇数倍时，两路反射光之半波长的奇数倍时，两路反射光之间的相位差为间的相位差为1800，此时光线全部，此时光线全部透过分色膜。即：透过分色膜。即：=m/2(m=1,3,5,7)（一）、分光原理（一）、分光原理 分光特性随光的入射角的变化，即光程差不分光特性随光的入射角的变化，即光程差不同而偏移，使重现图像的色调也发生变化，引同而偏移，使重现图像的色调也发生变化，引起起“色渐变色渐变

17、”，在重现图像上引起整个图象中，在重现图像上引起整个图象中出出现大面积暗斑或色斑的现大面积暗斑或色斑的“黑斑效应黑斑效应”。 因此，要使一段光谱范围的谱色光完全透射因此，要使一段光谱范围的谱色光完全透射或完全反射，只需选择厚度不同的若干层色膜，或完全反射，只需选择厚度不同的若干层色膜，用多层的复杂镀膜技术镀在玻璃上，就能实现。用多层的复杂镀膜技术镀在玻璃上，就能实现。分色系统工作原理分色系统工作原理三管三管/片式彩色摄像机：片式彩色摄像机：彩色光经具有分光光谱特性的分色棱镜分别形成红、绿、蓝彩色光经具有分光光谱特性的分色棱镜分别形成红、绿、蓝三个基色，三个摄像器件分别摄取相应通路上的光谱形成基

18、色图像。三个基色，三个摄像器件分别摄取相应通路上的光谱形成基色图像。单管单管/片式彩色摄像机：片式彩色摄像机：利用光学滤色条对所拍摄的影像图像进行光学编码，经过利用光学滤色条对所拍摄的影像图像进行光学编码，经过解调电路分离出红、绿、蓝三个基色图像信号。解调电路分离出红、绿、蓝三个基色图像信号。R CCDG CCDB CCDR/ B CCDG CCDR/G/B CCD(a)三板式的棱镜分光三板式的棱镜分光 (b)二板式的二向色棱镜分光板式的二向色棱镜分光 (c)单板式的方格图案滤色片分光单板式的方格图案滤色片分光（二）、分色棱镜（二）、分色棱镜 图所示的分色棱镜由（图所示的分色棱镜由（A）、（）

19、、（B）和（和（C）三部分粘合组成，其中在）三部分粘合组成，其中在Mr和和Mb面上分别蒸涂上不同厚度的干涉面上分别蒸涂上不同厚度的干涉薄膜。薄膜。 当光线当光线F投射到投射到Mr面上时，把红光面上时，把红光R反射出来而让其它光透过。反射出来的反射出来而让其它光透过。反射出来的红光投射到界面（红光投射到界面（1）上，因入射角较大，）上，因入射角较大，超过临界角而发生全反射，于是超过临界角而发生全反射，于是R光经光经Fr射入射入R摄象管。透过摄象管。透过Mr面上光到达面上光到达Fb面时能把蓝光面时能把蓝光B反射出来反射出来而让余下的而让余下的G光透过，反射出来的光透过，反射出来的B光在界面（光在界

20、面（2）上全反射后）上全反射后穿过穿过Fb而到达而到达B摄象管。透过的摄象管。透过的G光经（光经（C）部分穿过）部分穿过Fg到达到达G摄象管。摄象管。R、G、B三路的光程应严格一致。三路的光程应严格一致。Fr、Fb、Fg（谱带校正滤色片）来进一步校正。（谱带校正滤色片）来进一步校正。 RCA 2P23最早的光电导管（最早的光电导管（1948年）年）Toshiba K4103 Saticon 改良型光导管改良型光导管Mitsubishi S4131A 2/3“ Newvicon 日本三菱碲化锌光导管日本三菱碲化锌光导管（1）电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、加速极、聚焦极和网电极组成。）电子枪由灯丝

21、、阴极、控制栅极、加速极、聚焦极和网电极组成。 真空器件，主要包括光电靶和电子枪两大部分，另外管外真空器件，主要包括光电靶和电子枪两大部分，另外管外套有偏转、聚焦和校正线圈。其剖面原理图如图套有偏转、聚焦和校正线圈。其剖面原理图如图 （3）为使电子束能在靶面上再次聚成一点，必须对电子束）为使电子束能在靶面上再次聚成一点，必须对电子束进行第二次聚焦。聚焦电极（第一阳极、第二阳极）使发射进行第二次聚焦。聚焦电极（第一阳极、第二阳极）使发射出的电子束会聚成细束，起辅助聚焦的作用。出的电子束会聚成细束，起辅助聚焦的作用。（5）靶面电压低于网电极电压，在靶前形成一个均匀的减）靶面电压低于网电极电压，在靶

22、前形成一个均匀的减速电场，有利于电子束垂直上靶，提高摄象管的清晰度，这速电场，有利于电子束垂直上靶，提高摄象管的清晰度，这种方式称为慢电子扫描。种方式称为慢电子扫描。 靶面的作用，是将被传送的靶面的作用，是将被传送的光图像变成相应的电荷图形。光图像变成相应的电荷图形。（1）硫化锑靶面）硫化锑靶面（2）氧化铅靶面）氧化铅靶面（3）硒砷碲靶面）硒砷碲靶面（4）硒化镉靶面）硒化镉靶面 氧化铅管摄像机常用作广播级摄像机，其图像质量好，氧化铅管摄像机常用作广播级摄像机，其图像质量好，灵敏度高，暗电流最小光电转换线性好。硒砷蹄管摄像灵敏度高，暗电流最小光电转换线性好。硒砷蹄管摄像机常用作业务级摄像机，价格

23、较低，图像质量和性能接近机常用作业务级摄像机，价格较低，图像质量和性能接近氧化铅管摄像机。氧化铅管摄像机。 （5）硅靶面）硅靶面 靶面由数十万个性能相同的光电二极管整齐地排列的阵列。靶面由数十万个性能相同的光电二极管整齐地排列的阵列。靶面像素的分解不是靠扫描电子束，而是靠一个个独靶面像素的分解不是靠扫描电子束，而是靠一个个独立的光电二极管。立的光电二极管。 由阴极，控制栅极、加速极和聚焦极组成电子透镜，由阴极，控制栅极、加速极和聚焦极组成电子透镜，能起辅助聚焦作用，使电子束会聚成细束。聚焦线圈能起能起辅助聚焦作用，使电子束会聚成细束。聚焦线圈能起主聚焦作用，使电子束按螺旋形轨迹前进，从而使电子

24、束主聚焦作用，使电子束按螺旋形轨迹前进，从而使电子束聚焦于靶上的一小点。聚焦线圈具有足够的长度。以便保聚焦于靶上的一小点。聚焦线圈具有足够的长度。以便保证聚焦磁力线和靶面垂直，有利于电子束垂直上靶。证聚焦磁力线和靶面垂直，有利于电子束垂直上靶。 偏转线圈使管内形成一个偏转磁场，在该偏转磁场的偏转线圈使管内形成一个偏转磁场，在该偏转磁场的作用下，电子束进行周期性的行、场扫描运动，顺序取出作用下，电子束进行周期性的行、场扫描运动，顺序取出靶上各点（象素）的信号。靶上各点（象素）的信号。K 阴极阴极扫描电子束扫描电子束C信号输出信号输出RL+ -CRCCRCCRC信信 号号 板板1.S闭合时，该单位

25、像素闭合时，该单位像素与靶面电压电源与靶面电压电源+E和电子和电子枪阴极枪阴极K接成通路，电容接成通路，电容被充电，被充电，RCC等效电路左等效电路左端电位上升端电位上升+E；右端为阴；右端为阴极电位。极电位。光电导管等效电路光电导管等效电路 每个像素可看成是一每个像素可看成是一个光敏电阻和一个电容等个光敏电阻和一个电容等效。效。 2.电子束离开后即电子束离开后即S断开时，电容通过电阻放断开时，电容通过电阻放电，放电速度由电阻的大小决定。在扫描间隔（电，放电速度由电阻的大小决定。在扫描间隔（由电视由电视制式决定制式决定）内，电容右端电位上升）内，电容右端电位上升E，左端下降，左端下降E，于是，

26、在一帧扫描间隔内，靶面的右侧就形成了一幅与于是，在一帧扫描间隔内，靶面的右侧就形成了一幅与光像的亮暗分布相对应的电位高低变化的电子图像，即光像的亮暗分布相对应的电位高低变化的电子图像，即“光像光像”变成了变成了“电像电像”。（1）NTSC（National Television Systems Committee）制，）制，1953年由美国创立，日本、加拿年由美国创立，日本、加拿大等国相继采用，简称大等国相继采用，简称N制；制； （2）PAL（Phase Alternating Line）制，）制，1967年年 由西德创立，中国、英国、意大利、荷兰等西欧国家由西德创立，中国、英国、意大利、荷兰

27、等西欧国家以及北欧各国也都采用它，以及北欧各国也都采用它，PAL制式中根据不同的制式中根据不同的参数细节，又可以进一步划分为参数细节，又可以进一步划分为G、I、D等制式，其等制式，其中中 PALD制是我国大陆采用的制式；制是我国大陆采用的制式； （3）SECAM（Sequential Couleur Avec Memoire）制，制，1967年由法国创立，苏联和东欧各国也都采用它。年由法国创立，苏联和东欧各国也都采用它。 4.黑斑效应（黑斑效应（shading）暗电流暗电流：当靶面无光照射时，靶面个像素的电阻值很大，在电：当靶面无光照射时，靶面个像素的电阻值很大，在电子束两次扫描间隔内，电容右

28、侧电位变化很小，当受到下一次子束两次扫描间隔内，电容右侧电位变化很小，当受到下一次扫描时，则充电电流很小，该电流称为扫描时，则充电电流很小，该电流称为“暗电流暗电流”。黑斑效应：黑斑效应：指由于电视图象的底色不均匀性，引起指由于电视图象的底色不均匀性，引起整个图象中出现大面积暗斑或色斑的现象。产生黑斑整个图象中出现大面积暗斑或色斑的现象。产生黑斑效应的原因是：分色棱镜（或二向分色棱镜）的色渐效应的原因是：分色棱镜（或二向分色棱镜）的色渐变效应；摄像机镜头的亮度不均匀性；摄象管靶面灵变效应；摄像机镜头的亮度不均匀性；摄象管靶面灵敏度及暗电流的不均匀性，或投射背景光的不均匀；敏度及暗电流的不均匀性

29、，或投射背景光的不均匀；扫描的非线性以及聚焦和电子束垂直上靶不均匀性等。扫描的非线性以及聚焦和电子束垂直上靶不均匀性等。（1）光电特性：一定靶压下，摄像管输出信号电流）光电特性：一定靶压下，摄像管输出信号电流IS与靶面光照强度与靶面光照强度B的关系。的关系。IS=K BrK为常数；为常数；r 为光电转换系数，其值与光电导材料、为光电转换系数，其值与光电导材料、光照及靶压等有关。光照及靶压等有关。 （2）灵敏度：输出的信号电流）灵敏度：输出的信号电流IS与入射靶面的光通量与入射靶面的光通量 之比。之比。So= IS/ 单位：单位：A / lm（4）分解力：表示分解图像细节的能力。）分解力：表示分

30、解图像细节的能力。 M=A(n)/A(40)100%（5）惰性：光照停止后第）惰性：光照停止后第n场的剩余电流与光照停止场的剩余电流与光照停止前的信号电流的比值。前的信号电流的比值。 X=is(n)/is(0) 100% 惰性大小与靶面材料、靶电容大小、光照强度等因素惰性大小与靶面材料、靶电容大小、光照强度等因素有关。有关。惰性表现：余象（照度过低）（惰性表现：余象（照度过低）（光电导管的电容光电导管的电容） 开花（照度过强）（开花（照度过强）（电子束扫描电子束扫描） 彗尾（高亮运动物体）（彗尾（高亮运动物体）（电子束扫描电子束扫描 、曝光时间曝光时间）解决方法：解决方法：采用采用ACT电子枪

31、电子枪以及以及DBCC。（6）暗电流）暗电流 暗电流越小越好，尤其是彩色摄像机中控制的更严格。暗电流越小越好，尤其是彩色摄像机中控制的更严格。（7）信噪比）信噪比信噪比是视频图像信号的峰值电平信噪比是视频图像信号的峰值电平Usp-p与杂波有与杂波有效值电平效值电平Usp-p之比，人眼能察觉出来杂波存在的之比，人眼能察觉出来杂波存在的最低信噪比为最低信噪比为36dB，而且一般摄像机信噪比指标，而且一般摄像机信噪比指标都能达到都能达到45dB以上，高级摄像机可达以上，高级摄像机可达60dB。CCD:（Charge Coupled Device)电荷耦合器件电荷耦合器件MOS:（Metal Oxid

32、e Semiconductor）金属氧化物半导体）金属氧化物半导体CPD:（Charge Priming Device）电荷引动元件）电荷引动元件（一）（一）MOS电容器的结构电容器的结构（二）光电转换和电荷存储（二）光电转换和电荷存储 半导体在光照的作用下产生本半导体在光照的作用下产生本征激发形成电子征激发形成电子-空穴对空穴对, 在耗尽在耗尽区电场的作用下区电场的作用下,空穴流入空穴流入P型衬型衬底底,电子收集到势阱中形成电荷包电子收集到势阱中形成电荷包.电荷数目与该处的光照强度成正电荷数目与该处的光照强度成正比比.（三）电荷的转移（三）电荷的转移1.在时刻在时刻t1,第一相时钟第一相时钟

33、V1处于高处于高电压，电压，V2、V3处于低压。这时第处于低压。这时第一组电极一组电极A、D、下面形成深势下面形成深势阱，在这些势阱中可以贮存信号阱，在这些势阱中可以贮存信号电荷形成电荷形成“电荷包电荷包”，如图所示。，如图所示。2.在在t2时刻时刻V1电压线性减少，电压线性减少，V2为高电压，在第一组电极下的势为高电压，在第一组电极下的势阱变浅，而第二组（阱变浅，而第二组（B、E、）电极下形成深势阱，信息电荷从电极下形成深势阱，信息电荷从第一组电极下面向第二组转移，第一组电极下面向第二组转移，直到直到t3时刻，时刻，V2为高压，为高压，V1、V3为低压，信息电荷全部转移到第为低压，信息电荷全

34、部转移到第二组电极下面。二组电极下面。（四）（四） CCD的电荷输出的电荷输出PGHOGV3V2转移方向转移方向电荷电荷CSW+BR输出电压输出电压U0HOG：输出栅，在其上加不同：输出栅，在其上加不同的控制电压，可控制电荷在适的控制电压，可控制电荷在适当的时刻从当的时刻从V3电极下转移到场电极下转移到场效应管的控制栅极。同时，它效应管的控制栅极。同时，它对对V3电极的脉冲和输出场效应电极的脉冲和输出场效应管起到隔离作用。管起到隔离作用。PG：预充电栅极，其作用等效电路中：预充电栅极，其作用等效电路中虚线所表示的开关在其上加入控制脉冲虚线所表示的开关在其上加入控制脉冲VpG，控制开关通控制开关

35、通/断。断。U：信号电压。由于：信号电压。由于VpG脉冲可通过场效应管的极间分布电容脉冲可通过场效应管的极间分布电容的耦合，将在输出信号中出现，而引入了杂波。的耦合，将在输出信号中出现，而引入了杂波。二、面阵二、面阵CCD摄像器件摄像器件 按信号电荷的传输方式可分为按信号电荷的传输方式可分为帧转移型（帧转移型（FT）摄像器件、隔列转移）摄像器件、隔列转移型（型（I T）摄像器件（又称行间转移）摄像器件（又称行间转移）及帧及帧-行间转移型（行间转移型（FIT）摄像器件。）摄像器件。 该器件由相同像素数量的成像部分、该器件由相同像素数量的成像部分、存储部分和读出寄存器三个基本部分存储部分和读出寄存

36、器三个基本部分组成。组成。 1、场正程期间（、场正程期间（18.4ms）图像的二）图像的二维信号电荷被积累在成像区；维信号电荷被积累在成像区；3、下一个场正程期间，成像区积累光生电荷生成下、下一个场正程期间，成像区积累光生电荷生成下一场电像，存储区所存的上一场图像信号电荷在时钟一场电像，存储区所存的上一场图像信号电荷在时钟脉冲作用下，在行逆程期间（脉冲作用下，在行逆程期间（12微秒）将一行光生电微秒）将一行光生电荷送进读出寄存器，从而使存储区内各行光生电荷向荷送进读出寄存器，从而使存储区内各行光生电荷向读出寄存器方向进一次；读出寄存器方向进一次；4、在行正程期间，在读出寄存器脉冲的驱动下，使、

37、在行正程期间，在读出寄存器脉冲的驱动下，使一行信号电荷向输出结构依次转移，经输出极输出。一行信号电荷向输出结构依次转移，经输出极输出。 在一个在一个CCD芯片上完成感光、存储和芯片上完成感光、存储和读出的功能。读出的功能。1、场正程期间（、场正程期间（18.4ms）感光部分）感光部分被入射光照射产生光生电荷；被入射光照射产生光生电荷；2、场逆程期间（、场逆程期间（1.6ms）受转移栅控制，各列成像）受转移栅控制，各列成像单元内的信号电荷同时被快速（约单元内的信号电荷同时被快速（约1微秒）水平转移微秒）水平转移到各自所对应的垂直移位寄存器；到各自所对应的垂直移位寄存器；4、在行正程期间，将水平移

38、位寄存器中的电荷读、在行正程期间，将水平移位寄存器中的电荷读出，这样形成了视频信号。出，这样形成了视频信号。在行间转移型结构的传感器与水平移位在行间转移型结构的传感器与水平移位寄存器之间附加了场存储区。寄存器之间附加了场存储区。1、场正程期间（、场正程期间（18.4ms）成像区的）成像区的光敏器接收入射光形成电荷包；光敏器接收入射光形成电荷包；2、场逆程期间（、场逆程期间（1.6ms）受转移栅控制，各列成像单元）受转移栅控制，各列成像单元内的信号电荷同时被快速（约内的信号电荷同时被快速（约1微秒）水平转移到各自所微秒）水平转移到各自所对应的垂直移位寄存器，紧接着又以极快的速度转移到对应的垂直移

39、位寄存器，紧接着又以极快的速度转移到下面场存储区。下面场存储区。4、在行正程期间，在读出寄存器脉冲的驱动下，、在行正程期间，在读出寄存器脉冲的驱动下，使一行信号电荷向输出结构依次转移，经输出极输使一行信号电荷向输出结构依次转移，经输出极输出。出。CCD都具有高光抑制功能，即有消除都具有高光抑制功能，即有消除“开花开花”和和“彗尾彗尾”的功能。的功能。 因为在因为在CCD器件中设置有器件中设置有“溢流沟道（溢流沟道（OverFlow Dyke）。）。在过曝光时，溢出的过量电子将通过溢流沟道垂直向下流入衬在过曝光时，溢出的过量电子将通过溢流沟道垂直向下流入衬底，保证了即使产生一个超常的强光，电子电

40、荷的最大量也总底，保证了即使产生一个超常的强光，电子电荷的最大量也总是相等的，消除了是相等的，消除了“开花开花”现象。现象。 动态分辨力是摄像机对运动图像所呈现的分辨力，即呈现动态分辨力是摄像机对运动图像所呈现的分辨力，即呈现运动画面细节的能力，它决定了正在制作的运动图像的细节，运动画面细节的能力，它决定了正在制作的运动图像的细节，同时它决定了后期制作中静帧画面的清晰度。同时它决定了后期制作中静帧画面的清晰度。制约动态分辨力的因素：（制约动态分辨力的因素：（A）摄像器件的惰性；）摄像器件的惰性； （B）曝光时间。）曝光时间。CCD摄像机：依靠时钟瞬间取出电荷，不存在惰性。提高动态摄像机：依靠时钟瞬间取出电荷，不存在惰性。提高动态分辨力唯一的办法是分辨力唯一的办法是减小曝光时间。减小曝光时间。 机械快门存在噪音且只能用于帧转移方式中，故先广泛采机械快门存在噪音且只能用于帧转移方式中，故先广泛采用电子快门。用电子快门。过流排出过流排出电荷排出（高速）电