电视摄像机课件

电视摄像机

透镜光敏靶摄像管光同步机像

SB全电视信号输出

预放器信号处理器同步、消隐加入

图4.1摄像机的基本组成4.1摄像管类型上世纪三十年代：析像管、光电析像管及正析像管1945年：超正析像管1950年：Vidicon视像管1963年：氧化铅管近年：硒砷碲管、硅光导管、硒化镉管和碲化锌镉视像管等

4.2光电效应

1.外光电效应(光电子发射效应)某些光敏材料在光线照射下，会有电子从材料中向外逸出，这种现象称为光电子发射(逸出的电子称为光电子)。发射光电子的电极叫做光电阴极，或简称光阴极。光电子从光阴极逸出后，如果附近有高于光阴极电位的电极，且与外电路相通，光电子就会形成光电流，光电流的大小与光通量成正比。单位光通量所产生的光电流称为光阴极的光电转换灵敏度，其单位为微安/流明。(没有惰性）

2.内光电效应当光线照射到某些光敏材料(例如：光敏半导体)上时，光敏材料的电导率会增大。电导随光线而变的现象称为光电导效应，亦称内光电效应。光电导现象存在惰性，这种惰性称为光电导惰性：即信号电流的变化滞后于靶面照度的变化。照度变化越大，惰性显得越严重。

虽然光电导惰性越大，视在量子效率越高，光电转换灵敏度也越高,但是惰性过大以致电导率恢复的时间超过扫描一帧的帧周期时，对于运动景物将会产生信号混淆，造成重现图像模糊，出现拖尾等不良后果。在黑暗环境下未受光线照射时，光敏材料也有一定的电导值，称为暗电导，与此相应的电流称为暗电流。摄像管的暗电导和暗电流越小越好，并且整个靶面的暗电导应当均匀，以避免产生“黑斑”效应。4.3氧化铅摄像管

1.氧化铅摄像管的结构

聚焦线圈偏转线圈电子束聚焦极加速极外电极

靶环栅极-30V

网电极信号引出端（+50V）

图4.2氧化铅摄像管的结构

网电极(200V)(150V)阴极灯丝（6.3V）

面板玻璃

光导层（靶板）2.氧化铅摄像管的靶面结构靶板

氧化铅膜入射光入射光

N层P层反射光

I层面板反光晕层

（a）

氧化铅管靶面（b）图像光晕的成因（c）反光晕罩

图4.3氧化铅摄像管的靶板结构靶环玻壳3.氧化铅摄像管的工作原理(信号拾取过程)

R

入射光靶单元等效电路

C

单元靶

RL

视频信号输出

E+（靶电源）（a）单元靶示意图R1

靶单元

C

靶板RN

电子束扫描阴极

CN

图像信号输出

RL+E（b）光电导摄像管的等效电路

图4.4氧化铅摄像管的工作原理

单元靶内侧电位亮单元放电亮单元充电

E

暗单元放电暗单元充电

TetTF（a）单元靶内侧的电位变化单元电容上的电位差暗单元放电暗单元充电E

亮单元放电亮单元充电t（b）单元电容上的电位变化

图4.5一帧周期内单元靶内侧的电位变化和单元电容上的电位变化

通过有规律的扫描，靶面上的电子图像就转变为随时间而变的束电流变化，这就是图像信息。束电流(充电电流)流过负载电阻RL，在其上产生压降。对应于亮像素流过RL

的电流大，RL

上的压降也大，RL

与摄像管连接端的电平低，亦即输出图像信号的电平低；反之，对应于暗像素，输出图像信号电平高，所以氧化铅摄像管输出的是负极性图像信号。光照越强，光敏靶单元电导越大，电子束扫描该单元时形成的信号电流越大，于是图像信号随光照变化。4.电容性惰性(拾取惰性)电容性惰性是由于电子束上靶速度过小，上靶电子数太少,或者电子束电流过小，扫描一次不能完全中和掉单元靶上的正电荷，即一次拾取不完信号而形成的。设单元电容为CN，CN

内侧最高正电位+E，扫描一个像素的时间Te，那么通过单元靶的最大电流是：(4.6)用η来表示电子束的中和作用效率，其含意是：(4.7)i0为拾取完信号所需的最大束电流

因此要一次性完全中和单元靶上的正电荷，最大束电流应是：(4.8)

惰性的表面形式有两种：一种表现为光线移开靶面后，输出电流需经一段时间才能衰减到稳定的暗电流值，造成屏幕上出现余象(也称残象)，或运动物体后面出现的拖尾现象，这称为衰退惰性；另一种表现为当光线突然投射到靶面后，信号电流的建立也需要若干帧的时间，这称为建立惰性。当靶面照度太强或太弱时，电容惰性都比较严重，故有低照度惰性与高照度惰性之分。为了消除低照度下的惰性，通常采用加“背景光”的办法；克服高照度惰性的办法是采用抗慧尾电子枪。

4.4硒砷碲摄像管(SATICON)

硫化锑层

入射光电子束

硒砷碲层

图4.6硒砷碲管的靶面结构

氧化锡层4

m4.5摄像机的聚焦与偏转问题

摄像机的聚焦分光聚焦(Opticalfocus)和电聚焦两类。光聚焦是摄像机将输入光像经透镜(lens)聚焦作用，使落在摄像管靶面上的光像非常清晰；电聚焦实际分为磁聚焦和静电聚焦两种方式，但主要目的相同，将电子枪发射的电子束聚成最小的截面打到光敏靶上，使之能分解尽可能多的像素。

1.

长磁聚焦原理图4.7摄像管电子束的长磁聚焦原理

电子从加速小孔M飞射出来后受到的电磁力为：(4.9)

e为电子电量，μ0为真空导磁系数，α为电子运动方向与磁场间的夹角，VR为电子的径向速度。此力就是电子做圆周运动的向心力，故：(4.10)圆周半径：(4.11)

圆周长为:2πr=VRT(4.12)(4.13)当H恒定时，T是固定值，与VR无关。因此由加速极小孔M飞出的所有电子，不论其初速方向如何，它们绕圆一周的时间T都相同。只要这些电子的轴向速度Vz相同，则经过同一时间T作了螺旋运动后，各电子必将会聚在同一点N上。

电子束的形状犹如一个个头尾相接的纺锤体，相接处就是电子束的节点。两个节点的轴向距离(节距)L可由下式算出:

(4.14)L与H及Vz有关。调整H和Vz改变每节纺锤体的轴向长度，在摄像管长度一定的情况下，可调整到电子束正好在节点处上靶，会聚于靶面上，获得最良好的聚焦。

2.长磁聚焦下的慢电子束的偏转

摄像管中电子束是同时处在聚焦磁场和偏转磁场中进行偏转的。

Vz

Z方向

AZ'方向

图4.8在轴向聚焦磁场中的慢电子束偏转

聚焦线圈偏转线圈聚焦磁场HF和偏转磁场HD，相互垂直。合成磁场为H。设H与HF

成θ角，则:(4.15)在区间L内，电子束一方面进行聚焦，一方面又改变了前进方向，由Z方向转为Z′方向，得到了偏转。偏转距离为：(4.16)可见偏转距离D与偏转磁场HD(偏转电流)成正比。

合成磁场H的大小将随偏转磁场HD

的变化而变化，为保证电子走出偏转磁场时正好是纺锤体的节点，要求满足HF

HD，这样(4.17)

处在长磁聚焦轴向磁场中的电子束来说，垂直偏转磁场使电子束上下偏转，水平偏转磁场使电子束左右偏转。4.校正线圈由于电子枪安装工艺的原因，未受偏转的电子束可能与管轴不完全平行，他们会影响聚焦，降低分解力。在管外位于加速极小孔处的四周，设置两对互相垂直的矩形小线圈，称为校正线圈。在两对线圈中通以直流电流，产生相互垂直的两个径向磁场。调节两对线圈中电流的大小和方向，即调整两个径向磁场的合成磁场方向，从而使电子束产生小量的附加偏转，将其运动方向校正到与轴向一致，以保证能垂直上靶。4.电视光学镜头成像原理

设物质1的绝对折射率为N1，物质2的绝对折射率N2，N21为物质2对物质1的相对折射率，光的入射角为α，反射角为β，折射角为γ，则：

物质1入射光

反射光

物质2

折射光

图4.9光的反射与折射如果物质2是由玻璃构成的凸透镜，则平行的入射光经凸透镜折射作用后会聚在一点，故称其为会聚透镜，如图4.10(a)所示；而凹透镜能使平行的入射光发散，称之为发散透镜，如图4.10(b)所示。电视镜头可等效为凸透镜的会聚透镜。

会聚凸透镜发散凹透镜

入射光焦点虚焦点（a）（b）

图4.10会聚透镜和发散透镜(4.18)(4.19)(4.20)

F1C1

F2C2主光轴

副光轴

图4.11透镜的焦点,焦平面和主、副光轴焦平面

B

B‘F1F2A'

图4.12凸透镜成像原理A

p“

Pp‘白光红光焦点A′彩色圆

图4.13球面像差图4.14透镜的位置色差

兰光焦点A单凸透镜虽能成像，但它可引起球面像差和色差等不良现象。而凹透镜边缘部分对光线发散得更厉害。这样将凸透镜与适当的凹透镜进行组合,可有效地克服球面像差和位置色差现象。

为了更有效地克服单透镜的一系列像差和色差，常将若干透镜组成一个镜头。它可用一个等效厚透镜表示，其主点、焦点、焦距等表示方法与单凸透镜类似，如图4.15所示。A1

B1F1H1H2F2B'

f'f''A‘

图4.15等效厚透镜

前主面后主面

组合透镜的焦距f由单元透镜的焦距和相互间的距离决定。例如图4.16中，由二个单透镜组成镜头，其前、后主点分别为H1、

H2，它的焦距为：(4.21)

FF1F1F2F2ff1f1f2f2（a）两单元透镜的组合透镜（b）组合透镜的焦距

图4.16组合透镜的焦距

d5.变焦距镜头和电视摄像镜头参数变焦原理：镜头的焦距f随组合镜头和各单透镜间的距离d的变化而变化作用：像的放大率m随f的增加而增加，对于同一物体，在荧光屏上显示的图像，随f的增加而增大。

1234

变焦镜

图4.17变焦镜镜头的透镜组调焦镜补偿镜移像转接镜电视摄像机镜头的几个参数：1)光圈的相对孔径

Df

图4.18透镜有效口径

光阑图4.18中会有部分光线被其右侧的光阑挡住。这样镜头实际最大有效孔径为D，在光学上称D为入射光瞳。

为出射光瞳。相对孔径为有效孔径与焦距f之比：

(4.22)光学上，成像面中心亮度B0与D/f的关系为：(4.23)

2)成像尺寸与视场角成像尺寸一定时镜头具有一个固定的视野。通常用视场角2ω来表征镜头视野的大小。

AA’fBB’y

图4.19镜头视场角

（4.24）3)景深、焦深和调焦

A'C'（a）ABCB‘

（b）Mss“OM'

焦深

图4.20镜头的景深与聚焦

L在一定空间范围

L内的物体在成像面上都清晰成像，这一空间范围

L称为镜头的景深。

光圈越大，景深越小；焦距越小，景深越小；物距越大，景深也越大。物距固定时在焦平面前后仍能清晰成像的范围称焦点深度。调节焦点位置使得不同距离的景物在成像面保持清晰图像的过程称调焦。

4.6预放器和视频信号处理

1.预放器及其幅频特性

摄像管

负反馈放大器幅频特性频率校正特性低噪声宽频带频率校正视频输出输入级放大器低阻输出

f图4.21预放器的组成

图4.22预放器的幅频特性

总幅频输入回路

K（dB）

特性曲线幅频特性2.黑斑校正

由于摄像机镜头各区域透光率不一致、分色棱镜的色渐变现象、摄像管靶面的灵敏度不均匀及扫描电子束在靶面边缘不能垂直上靶等原因，导致图像亮度不均匀，出现大面积的阴影和色斑，这种现象称黑斑效应。在彩色摄像机中，无论是哪种类型的黑斑效应都会引起图像彩色的不均匀。

调制型黑斑(白斑效应)

黑斑效应随图像亮度成比例加重，使图像受到一种附加的调制，这种黑斑效应称调制型黑斑，也称白斑效应；对于调制型黑斑表现为图像信号受到行、场抛物波的调制，因此只要用一个适当的反向抛物波去乘以黑斑信号，便可使信号校正。由于摄像管靶面暗电流不均匀和偏置光的不均匀，导致重现图像暗部亮度不均匀但与图像亮度无关，它使图像信号上叠加了一个不均匀的附加信号，故称之为叠加型黑斑。对于叠加型黑斑表现为随着扫描的进行，在图像信号中叠加了行场锯齿波。校正的办法:是产生一个方向相反大小相等的行、场锯齿波叠加到有黑斑的图像中去，便可消除图像上叠加型黑斑叠加型黑斑（a）

＋×

校正为校正为

（a）（b）

图4.23黑斑校正原理

3.γ校正(GammaCorrection)

只有显像管重现图像的亮度Be与摄像端输入摄像管的原图像亮度B0成线性关系，重现图像与原景象的亮度层次才相符，才能得到逼真的图像。对于黑白图象，Be与B0的非线性关系可能要引起亮度非线性失真。设Us是摄像管输出的图像信号电压，有：US＝K1B0

1(4.25)B0是被摄景物亮度，K为比例常数，γ1表示摄像管光电转换特性的非线性关系失真系数。到达显像管上的激励电压为Ue

，它可表示为：Ue

=K2Us

2(4.26)

此式代表信号传输通道的传输特性，K2为比例常数，γ2为信号通道的γ值，它是可以人为地设计和调整的。显像管的电光转换特性为：

Be=K3Ue

3(4.27)

式中，γ3即显像管电光转换非线性系数，其值在2.2～2.8之间。

三者综合起来有：

(4.28)上式表示整个电视系统总的传输特性。如果γ等于1，则重现图像亮度与原景物亮度成正比，不存在亮度失真或灰度畸变；若γ大于或小于1，那就要产生亮度的非线性夫真。

>1=1>1<1

1

xxxx（a）不同值曲线

（b）

1(c)

1（d）

1

均匀性白扩张（黑压缩）均匀性白压缩

图4.25不同

值的亮度梯级变化情况Be

＝1BeBeBe当γ不随景物亮度变化而变化，则产生的畸变称为均匀性灰度畸变；但若γ不等于1，且随景物亮度变化，则将产生非均匀性灰度畸变。为了调整γ值使之等于1，可在摄像端的视频通道中设置一级非线性放大级，称为γ校正级，其输出电压正比输入电压的γ2次幂。使

γ2=(4.29)

这样便可满足：

γ=(4.30)

4.孔阑校正及轮廓校正水平孔阑校正可用二次微分方法提升高频分量。

U0=Ui(1+k

2)U0/uI

d2/dt21800放大1

(a)校正电路(b)校正特性

图4.26二次微分式水平孔阑校正方法

uidt+5校正过程:二次微分(4.31)倒相放大=(4.32)与输入信号相加(4.33)该电路的传输系数:(4.34)根据孔阑效应使图像轮廓变模糊的现象，可以用提高信号脉冲沿的陡度，甚至使脉冲有少许过冲的方法来提高图像黑白交界的对比度，从而增强图像轮廓，提高图像清晰度感，这种方法叫做轮廓增强或者轮廓校正。它不同于孔阑校正，虽然也提升了高频信号幅度，但是它的提升特性并不能补偿由于孔阑失真而丢失的信息，它对轮廓的增强会有一种不自然的雕塑感，因而校正量不能太大。

延时+

LPF－处理（a）轮廓校正电路

6f(MHZ)（b）校正电路幅频特性

图4.27水平轮廓校正原理

幅度(a)水平轮廓不清图像(b)水平轮廓校正图像

u2延迟波形

u3LPF波形

u4=u2-u3波形

u5=u2+u4(c)水平轮廓校正波形

图4.28水平轮廓校正原理及过程

黑条灰条黑条黑条灰条黑条u1水平轮廓失真波形

延时TH延时TH＋÷2－÷2＋

图4.29垂直轮廓校正电路

u’1

u2

(a)垂直轮廓模糊图象u’3=(

u1+u2)/2

u4=u’1-u’3

u5=u’1+u’3

(b)校正后的图像

(c)垂直轮廓校正波形

图4.30场轮廓校正原理

TH

TH

4.7多管彩色摄像机

多管彩色摄像机的作用就是将彩色光像转换成三基色信号。1.彩色光像分解成红、绿、蓝三基色光像彩色光像经主透镜(MainLens)后到达光分离器，光分离器将彩色光像分裂成三部分。光分离器的滤色镜透过一部分光谱成份光而反射另一部分光谱成份光。实际的彩色摄像机常有三只摄像管，每只摄取一幅基色光像。

分色镜

图4.31多管彩色摄像机的组成

摄像管滤色镜主透镜分色镜中续镜摄像管主透镜彩色红光光像

兰光

图4.32彩色摄像机分光器绿光

空气AiC

B

透射光

图4.33干涉膜的二向色性分色原理

D入射光I直接反射光I1

干涉膜

折射光IR间接反射光I2DI1与I2的光程差δ为：

(4.35)

去兰光像摄像管

分色面

透镜景象

MB

去红光像摄像管

Mg

去绿光像摄像管

图4.34分光棱镜将景象分解为三基色光像

2.色度匹配和彩色校正彩色电视系统的色度匹配设照明光源的辐射功率谱为P(λ)，被摄景物的光谱反射特性为；摄像机上变焦距镜头的光谱透射率为T(λ)，分色棱镜三路基色的光谱特性为D(λ)，三只摄像管的光谱灵敏度为为S(λ),那么由摄像机产生的三基色信号为：

(4.36)

T(λ)、D(λ)、S(λ)三者的乘积总称为摄像机的综合光谱响应特性，简称摄像机的光谱特性或摄像特性。三路基色光的摄像特性可分别表示为：

==（4.37）=

KR、KG、KB为三路基色信号电流与电压之间的转换比例值（包括预放器的放大系数）。为简单起见，假设KR＝KG＝KB，且令它们为K1，于是：

（4.38）

在显像端，重现的彩色光是由显像三基色混配出来的。要求不失真地传输彩色光，荧光屏上重现的彩色光与进入摄像机的彩色光具有相同功率谱(λ)×ρ(λ)，那么该彩色的三色系数如下：

（4.39）Re、Ge、Be为特配彩色光的显像三基色系数；、、为显像三基色的混合曲线。Re、Ge、Be

是由加在彩色显像管三支电子枪上的激励电压ERd、EGd、EBd决定的。假设显像管的电光转换关系是线性的，且三支枪的特性一致，则：(4.40)式中，K2为彩色显像管三支电子枪的电─光转换系数。又若彩色电视传输通道的放大特性是线性的，且三个基色视频通路的特性一致，则有：

E(4.41)

式中K3是基色视频通路的放大系数。这样由(4.38)~(4.41)可得到:

（4.42）

比较式(4.39)和式(4.42)，可得出如下的重要结果：

（4.43）上式表明，为了不失真地传输彩色，彩色摄像机的三条基色光响应曲线、、必须各自与显像三基色相应的三条混色曲线、、成正比(形状一样)，满足这一条件，就称为彩色电视系统的色度匹配。因此显像三基色的混色曲线也可称为理想的摄像光谱响应曲线。、、

彩色电视系统的彩色校正从显像三基色的混色曲线看，三条曲线除了有各自的主瓣外，还都有负次瓣，有的还有正次瓣。由于一方面需要使摄像端的分光曲线与显像端的三基色混色曲线相匹配(成线性比例关系)，另一方面实际的棱镜系统又给不出正次瓣和负次瓣，使荧光屏上重现图像的彩色做不到逼真于原景物。解决这个问题的方法是所谓的彩色校正，它有缩窄主瓣法和线性矩阵法两种方式。A、缩窄主瓣法缩窄主瓣法的补偿原理是:既然没有了正、负次瓣，将三条分光曲线的正主瓣随之设计得两侧往里收缩一些，以使得输出的基色信号电压值保持不变。也就是说，根据舍弃正、负次瓣修正后的三条正主瓣曲线，它们在380～780内米范围内给出的积分电压值与原来理想的一样大。缩窄主瓣法的缺点在于削窄部分主瓣减少了投向摄像管的入射光通量，消费掉要利用的光线，可能加重摄像管的惰性和降低视频信号信杂比，对于饱和度较高的某些色彩，重现颜色会有较大的误差。

光谱响应

(nm)400450500600700

图4.35压缩主瓣法的棱镜分光曲线示意图

B、线性矩阵法

（a）

（b）

图4.36用线性矩阵法得到曲线

设彩色校正前摄像管给出的是ER、EG、EB信号，彩色校正后得到的基色信号电压是：

（4.44）显然，矩阵系数a、e、i是正值且大于1，其余六个系数小于1。为了保持白平衡不受影响，对于基准白色，经彩色校正后的三基色信号电压的输出仍然相等，矩阵系数还需满足下列条件：

（4.45）为充分发挥电阻矩阵的彩色校正作用，必须有两个前提：一是摄像管的光—电转换特性应是线性的；二是摄像机预放器输出基色信号应有足够高的信杂比。3.摄像机的白平衡和重合调整白平衡(WhiteBalance)：当摄像机在摄取白色卡片时，重现的图像应该显示自然白，而不应该有任何可识别的彩色，这称摄像机的白平衡。人眼对不同照明的差别的校正是完全自动的。例如一件白衬衣在室内白炽灯下和在室外自然光下都被认为是白的；但摄像机在这样的环境下不能自动调整。当一自然白卡片在某照明光源下，彩色摄像机的红、绿、蓝通道输出相同电平的信号，便认为摄像机对特定的参考白光为白平衡。自然白是无彩色的，即饱和度为零。

如果照明光源改变(例如由演播室内到室外)摄像机必须重新调整白平衡。通常以绿通道为参考，改变红、兰通道增益以使它们输出相等。现在许多彩色摄像机在红、蓝通道设自动增益控制电路来控制红、蓝通道的增益使之与绿通道平衡，并配有自动白平衡按扭。还有的摄像机内装有记忆电路以储存红、蓝通道的增益因子以保证摄像机对特殊光源也能保持白平衡。重合调整(Registration)

在多管摄像机中，红、绿、蓝三路视频图像信号在各方面(如扫描幅度、中心位置和扫描线性)都必须重合(重迭)。调整时可以绿路为参考，将它的扫描幅度、中心和线性象黑白图像一样调好；再将蓝、红通道调整到与之重合。4.8单管彩色摄像机

单管式彩色电视摄像机就是只用一只摄像管产生R，G，B三基色信号。一只摄像管之所以能产生三种基色信号R、G、B是由于单管摄像机采用的是一种内装条状滤色器的摄像管。由条状滤色器对色光进行光学调制编码。使R、G、B信号具有不同的特征,从而可以利用这些特征在管外将它们分离开来。1.频率分离式单管彩色摄像机1)条状滤色器及其光学编码原理

（a）黄色条(反蓝条)（b）青色条(反红条)图4.37条状滤色器反红条与反蓝条交叉时的滤色特性C

图4.38滤色条的光谱特性

100%反红条反蓝条滤色特性A滤色特性BPc透明条青条Py透明条黄条青滤色条黄滤色条

红光黑红光黑红光被抽样红光全通过

绿光全通过绿光全通过蓝光全通过蓝光被抽样(a)青条滤色器对三基色光像的作用(b)黄滤色器对三基色光像的作用图4.39条状滤色器对三基色光像的抽样作用

当入射光通过交叉迭合的滤色器时，R光受反红滤色器抽样变为节距为P的间断R光；B光受反蓝滤色的抽样变为节距为P的间断B光；而G光不受滤色器影响而保持其原来的连续性。当电子束作线性扫描时，成像于靶面上的空间位置光分布就转变为随时间而变的电信号，空间节距与扫描周期决定了电信号的频率，其表达式为：(4.46)式中W为摄像管水平扫描宽度(μm)；p为条状滤色器节距(μm)；t为水平扫描的有效时间(μs)；θ为滤色条与水平扫描线之夹角。

UR

UR/2

UBUB/2