光电成像原理与技术-4-电视制式与扫描成像技术(1-2)

曹峰梅第4章电视制式与扫描成像技术（4.1~4.2）光电成像原理与技术电视信号形成的基本思想——扫描摄像端按规定的顺序解析图像并按顺序发送视频信号显像端按规定的顺序接收视频信号并按顺序复原显示收发双方保持一致电视制式：电视信号的分解与合成的通用规则和统一标准。面

线

点点

线

面视频：连续的动态图像，利用人眼的视觉暂留效应动作连贯性的要求：帧频

15FPS电视系统的构成与电视信号传输形式电视技术拓展了人类观察景物在时间和空间上的局限。电视信号传输的基本步骤：图像的解析（摄像）信号处理图像的合成（复原）1958年，北京理工大学完成我国第一套电视发射系统，注册中国电视第一频道，图为矗立在主楼上的电视发射天线。电视图像的分解合成按照一定规则，即电视体制（制式）4.1电视体制与图像传送原理4.1.1电视图像的解析与合成图像的传送

视频：连续的动态图像，利用人眼的视觉暂留效应动作连贯性的要求：帧频

24帧/s图像的解析与合成——扫描电视系统的视频信号传递过程借助扫描实现。扫描：把图像像素的光信号转变为顺序传送的电信号的过程以及将顺序传递的电信号重现为光学图像的过程，即扫描就是图像分解和复合的过程。逐行扫描隔行扫描压缩图像信号的频带宽度；不降低分辨力和产生图像闪烁传统电视屏幕的高宽比为3:4，垂直方向的小格数n为575,所以整幅图像的黑白小格总数为小方格黑白相同，扫描点每扫过一对黑白小格形成一个方波信号（脉冲）。图像视频信号带宽分析：每秒扫过的黑白小格的对数，即为图像(电信号基频)的最高频率ƒmax。则逐行扫描？还是隔行扫描？隔行扫描压缩图像信号的频带宽度；不降低分辨力和产生图像闪烁全电视信号假定图像由若干条从白逐渐变黑，宽度相等的垂直条纹组成，则摄像机某一扫描行的输出电视图像信号电压波形如图。电视图像信号电压波形行正程：扫描点由点A扫到B时，对应于tA到tB的阶梯形电压波形。白色图像信号为低电平，黑色图像信号为高电平。行逆程：点B到点C为行扫描，在此期间摄像机不应有图像信号输出，以免干扰图像画面。以同步信号电平作为100%，黑色信号电平占75%，白色信号电平占12.5%。同步脉冲信号只供接收机与摄像机同步用，不需要显示。所以行同步信号出现在消隐开始以后，其电平比行消隐信号电平更高，以示区别。消隐信号：回扫时输出黑色信号，控制显示器使显示屏输出为零。行同步脉冲信号：当扫描正程结束时，开始回扫，为了使接收机（或显示器）的行扫描与摄像行扫描严格同步，在电视图像信号中，应有一个窄脉冲信号，接收机接到此脉冲信号时，立即使显示器回扫。全电视信号场同步信号和场消隐信号：在一场结束时由发射端发出，以便接收显示器进行由下而上的回扫和截断显示。全电视信号场消隐信号宽度占若干行的行扫时间（CCIR制式下是25行）场同步在场消隐出现之后就发出，其宽度应使场和行同步脉冲便于分离（CCIR制式下规定为3行的行扫时间)，其电平与行同步脉冲电平相同。全电视信号加入前后均衡脉冲的场同步脉冲和场消隐信号脉冲开槽

在场消隐期间和场同步脉冲期间，为使接收机不失去同步，保持行同步脉冲的连续性，在场消隐期间需加入行同步脉冲，为此将场同步脉冲开槽。为消除隔行扫描前后两场时间间隔的误差，均衡两场的差异，在场同步脉冲的前后加入均衡脉冲，场同步脉冲信号开槽加倍，并移后3行，最后形成行、场消隐和同步脉冲波形。奇数场和偶数场全电视信号图像信号（视频信号）、复合消隐信号、复合同步信号组合在一起构成黑白电视的全电视信号。常用的黑白电视标准制式有：CCIR：隔行扫描,帧频25Hz,场频50Hz，625行（50行逆程+有效行575行）EIA：隔行扫描，帧频30Hz,场频60Hz，525行（35行逆程+有效行490行）全电视信号彩色全电视信号彩色电视系统建立在黑白电视系统之上，要考虑与黑白电视系统的兼容问题。彩色电视系统传送彩色图像，它除了要处理与黑白电视系统相同的亮度信号信息外，还要处理各种彩色信息。彩色电视系统在技术上比黑白电视要复杂得多。彩色全电视信号简介1.彩色电视中的三基色电视三基色指电视系统中实际应用的红(R)、绿(G)、蓝(B)基色光，它们完全取决于电视显示装置中采用的RGB三色光源或发光材料。因此，电视三基色也称为显像三基色。由于显像装置的发光材料通常只能发出复合光，因此，显像三基色难以采用标准三基色。由于传统显像装置是CRT显示器，故显像三基色取决于实际能生产出的基色荧光粉，右表是常用的彩色电视NTSC和PAL制式的显像三基色。制式基色及白平衡点色坐标(x,y)NTSC(1953)Re(0.670,0.330)Ge(0.210,0.710)Be(0.140,0.080)C白(0.310,0.316)NTSC(1973)Re(0.648,0.329)Ge(0.306,0.592)Be(0.153,0.074)白平衡D65(0.313,0.329)PAL(1970)Re(0.640,0.330)Ge(0.290,0.600)Be(0.150,0.060)白平衡D65(0.313,0.329)彩色全电视信号彩色电视系统传送彩色图像，它除了要处理与黑白电视系统相同的亮度信息外，还要处理各种彩色信息。彩色电视中的三基色与亮度方程电视三基色指电视系统中实际应用的红(R)、绿(G)、蓝(B)基色光，它们完全取决于电视显示装置中采用的RGB三色光源或发光材料。因此电视三基色也称为显像三基色。由于显像装置的发光材料通常只能发出复合光，因此显像三基色难以采用标准三基色。显像三基色取决于实际能生产出的基色荧光粉。确定显像三基色后，可表示混色方程其中，[Re]、[Ge]、[Be]为基色量；Re、Ge、Be为三刺激值，在彩色电视系统中对应三基色电压ER、EG、EB。电视混色的亮度方程为彩色电视中的三基色与亮度方程彩色全电视信号不同显示器的三基色与白平衡色品坐标彩色全电视信号简介彩色电视图像的获取与传送摄像端将彩色光学图像进行光谱分解并转换为三基色电信号；三基色电信号按特定的方式编码成一路彩色全电视信号，经传输通道传送到接收端；接收机将彩色全电视信号解码复原成三基色电信号，并利用混色法在显示屏上重现原始的光学彩色图像。彩色全电视信号彩色电视信号应满足以下基本条件：包含亮度和色度信号，其中亮度信号可供黑白电视机收看黑白图像，色度信号保证彩色电视机接收并显示彩色图像；彩色电视信号只能占用与黑白电视信号相同的频带宽度；彩色电视系统应具有与黑白电视相同的扫描参数，如行频、场频、隔行扫描比和宽高比等；应尽量减小亮度信号与色度信号的相互干扰。彩色全电视信号彩色全电视信号由亮度信号、色差信号、复合消隐信号、复合同步信号、色同步信号组成。

常用的模拟彩色电视制式的参数参数NTSCPALSECAM场频（Hz）59.945050行数（TVL/帧）525625625行频（行/秒）15,75015,62515,625图像幅高比4:34:34:3彩色坐标YIQYUVYDbDr亮度带宽（MHz）4.25.0,5.56.0色度带宽（MHz）1.5(I),0.5(Q)1.3(U,V)1.0(U,V)彩色副载波（MHz）3.584.434.25(Db),

4.41(Dr)彩色调制QAMQAMFM音频副载波（MHz）4.55.5,6.06.5复合信号带宽（MHz）6.08.0,8.58.0模拟电视制式的种类常用的黑白模拟电视制式：EIA：隔行扫描，帧频30Hz,场频60Hz，525行（35行逆程+有效行490行）CCIR：隔行扫描,帧频25Hz,场频50Hz，625行（50行逆程+有效行575行）常用的彩色模拟电视制式：NTSC：隔行扫描,帧频30Hz,场频60Hz，525行（35行逆程+有效行490行）PAL：隔行扫描，帧频25Hz,场频50Hz，625行（50行逆程+有效行575行）SECAM：隔行扫描,帧频25Hz,场频50Hz，625行（50行逆程+有效行575行）4.2电子束扫描成像技术——摄像管完成将二维空间分布的光学图像转换为一维时间变化的视频电视信号这一过程的器件为摄像器件。电真空摄像器件——摄像管具体摄像过程摄像管的基本组成视频信号的形成按照光电变换形式分类内光电变换型：利用内光电效应变换的视像管外光电变换型：利用外光电效应变换的外光电发射型摄像管(带光阴极的摄像管)摄像管的分类4.2.1光电导摄像管的结构和工作原理光电导摄像管的结构与摄像过程镜头景物面板玻璃靶环输出图像信号VT靶压

15至40VRL聚焦线圈偏转线圈校正线圈电子束透明导电极光电导靶阴极接地控制栅极0至－50V聚焦极0至300伏灯丝管脚加速极300V网电极450V摄像管工作原理（以硫化锑摄像管为例）光→电转换镜头景物面板玻璃靶环输出图像信号VT

靶压

15至40VRL聚焦线圈偏转线圈校正线圈电子束透明导电极光电导靶阴极接地控制栅极0至－50V聚焦极0至300伏灯丝管脚加速极300V网电极450V光电导摄像管RL电子束扫描方向信号电流第二行第三行第四行LLLHHHMM第一行LLLLLHM信号电压输入图像的辐照—>光敏元(光电转换)：二维分布的光强—>二维分布的电荷量；存储单元在一帧的周期内连续积累由光敏元产生的电量，并保持电荷量在空间的分布；通过电子枪产生空间二维扫描的电子束，在一帧周期内完成全靶面的扫描。具体摄像过程光电导摄像管的光电变换与电荷存储光电导靶的光电变换光电导靶：未接受光照时具有较高的电阻率；当入射光能量大于光电导体禁带宽度时，产生本征吸收，生成光生载流子，——光生载流子的密度分布与入射图像的照度一致。受光面附加薄层到点极板，信号极板接有数十伏电压，靶两侧形成跨层电场。靶的绝缘面将积累正电荷，上升电压雨电导率相对应，也就是与入射光照强度的空间分布对应，这样就把入射光电导左边的光学图像转换成右边的电位图像（电荷图像）光电导靶的电荷存储靶面的高电阻率保障了：一帧周期内在靶面上的各点被电子束扫描读出前，一方面不断积累电荷信号不泄露；另一方面要防止与相邻各点的横向扩散造成图像各点的混叠。视频信号的形成摄像管信号读出的部分——扫描电子枪系统细电子束发射源电子束聚焦系统电子束偏转系统镜头景物面板玻璃靶环输出图像信号VT

靶压

15至40VRL聚焦线圈偏转线圈校正线圈电子束透明导电极光电导靶阴极接地控制栅极0至－50V聚焦极0至300伏灯丝管脚加速极300V网电极450V视频信号的形成靶电阻率高→各点积累的电荷不至于在一帧周期内泄漏。→可以把靶面分割成很多单元：每个像元用一个电阻和一个电容来等效。电容C起存贮信息的作用电阻R随光照的增大而变小：无光照时的电阻为暗电阻Rd，有光照后R变为Rc(E)。视频信号通过CL输出电子束在通过场网后，慢速落到靶的右侧；由于靶压很低，进入靶的电子比出来的多，到一定程度就完全阻止电子继续上靶；此时，靶的右侧扫描面的电压就等于阴极电位，也就是C两端电位差达到靶压。充电时间约为0.1μs。视频信号的形成放电过程(上一帧电子束扫描之后，下一帧扫描此点之前)无光照时，某像元的暗电阻为Rd，被电子束扫描后，电容器开始沿RdC回路放电，但不输出信号电流，靶外侧B电位固定，A侧电位VAd随像元电容器C的放电而从零向上升直到下次电子束扫描该像元之前升至VAdm，如果暗电阻足够大，VAdm趋近于零；当强光入射时，光电导增大，电阻变小，A点电位上升直至最高电位VAem。视频信号的形成无光照射时充电电流在RL上产生的电压降为∆Vd，此电位变化通过电容器CL输出，称为黑电平；强光入射时，电子束扫描再次充电产生A侧电压变化的量为光照引起的有效信号，该信号电压引起的充电电流在RL上产生的电压降称为白电平。该电位变化将作为由光照产生的信号电压通过CL输出。4.2.2光电发射性摄像管的结构和工作原理电子轰击感应电导积累34光电发射型摄像管的结构和工作机理二次电子发射积累型二次电子到点积累型4.2.3摄像管的性能参数灵敏度S(μA/lm)：定义式为：1.摄像管的光电转换性能式中，N为靶面的像元总数，Φ为每个像素在扫描时间内该像元所接收的光通量，Is为信号电流，R为响应度；提高摄像管的灵敏度可以通过以下措施：

1、放大入射光信号(摄像管前耦合像增强器)

2、改变光入射为光电子入射(附加移像部分)

3、利用阅读电子束进行增强，如设置返束电子倍增用对数坐标表示的光电转换特性摄像管的光电转换特性曲线光电转换特性γ：表征输出视频信号电流与光敏面上辐射照度关系的曲线。由于通常显像管的电光转换特性都大于1，故摄像管的光电转换特性通常都小于1。动态范围：摄像管所能允许的光照强度变化范围。1.摄像管的光电转换性能动态响应范围

：摄像管的光电转换特性摄像管所能允许的光照强度的变化范围称为动态响应范围。其下线决定于低照度下的信噪比，上线决定于靶面储存电荷的能力靶面的电位起伏通常最高限位几伏，否则会影响电子束的聚焦与边缘电子束的赵靶。惰性

：2.摄像管的时间响应特性摄像管输出信号滞后于输入信号照度的变化，通常用输入照度截止后第三场和第十二场生于信号所占的百分数来表示。产生原因有二：光电导惰性：由于光照改变，光电导体中的光生载流子密度变化有一个滞后；电容惰性：当电子束扫描靶面时，靶面电位不是立即下降为零电位，而是随着时间逐渐下降，这一下降规律取决于扫描电子束的等效电阻和靶的等效电容。因此造成了靶面的电子束扫描后还存有残余电荷，从而产生惰性。输入照度越低时产生的摄像惰性越显著。惰性

：2.摄像管的时间响应特性摄像管输出信号滞后于输入信号照度的变化，通常用输入照度截止后第三场和第十二场生于信号所占的百分数来表示。减小摄像管的电容惰性的措施：减小靶的等效电容，选择靶材料，制造低密度疏松结构的靶；降低电子束的等效电阻，在不影响电子束电流的前提下，降低发射电子束的等效温度；在低照度摄像时增加背景光。分辨力

：3.摄像管的成像性能由于电视系统采用扫描方式，故分辨力在水平和垂直方向上不同，因而分成垂直和水平分辨力：即以画面垂直方向或水平方向尺寸内所能分辨的黑白条纹数来衡量，简称电视线(TVL)。电子束扫描方向摄像管靶面图像电子束扫描方向显像管重现图像每扫描行宽度电子束扫描方向电子束直径分辨力

：影响垂直分辨力的主要因素：扫描行数扫描位置扫描电子束落点尺寸影响水平分辨力的主要因素：扫描电子束落点尺寸信道频带宽度电子束扫描方向摄像管靶面图像电子束扫描方向显像管重现图像每扫描行宽度电子束扫描方向电子束直径3.摄像管的成像性能摄像管的主要性能参数电视分辨力测试卡S/N

：输出视频信号电流的峰-峰值与输出电流中所含噪声均方根值之比。摄像管的噪声来源主要有：光子、光电子、载流子、二次电子发射、扫描电子的散粒噪声；载流子的产生－复合噪声；热噪声；1/f噪声；预放器噪声。为使观察者感觉不到噪声，摄像管的信噪比应该大于30。因摄像管的灵敏度可以定义为：输出视频信号一定，光敏面所需的最小辐射照度的倒数，故摄像管的灵敏度与信噪比密切相关。4.摄像管的噪声特性4.2.4热释电摄像管热释电效应热释电材料的电滞回线何为热释电？通过热变化释放自身束缚电荷的现象！热释电效应：

晶体在没有外加电场和应力的情况下，具有自发的或永久的极化强度，且这种电极化强度随晶体本身温度的变化而变化。当温度降低时电极化强度升高，当温度升高时电极化强度降低。

使电极化强度降低到零时的温度称为居里温度。具有热释电效应的晶体在固体物理学中称之为铁电体。热释电效应热电系数是Ps-T曲线斜率的绝对值并随温度而变化。当温度较低时，热电系数偏小。当温度适中时，热电系数的绝对值较大，并且不随温度而明显变化，即η近似为常数，因此，可以认为在该温度区内Ps与T呈线性关系，这也是热释电晶体的有效工作区。当温度接近居里温度时，热电系数起伏较大并容易退极化。热释电材料的自发极化强度Ps与温度T的关系热释电效应电极化的成因：磁畴→电畴

具有热释电效应的晶体在外电场作用下，内部电偶极子受电场作用使偶极矩趋于一致。当外电场消失时，偶极矩的宏观一致性仍被保持，因而保留了较强的电极化强度Ps。通过外电场的瞬间作用使铁电体产生较强自发极化强度的过程称为单畴化。热释电效应热释电材料的电滞回线电极化强度的计算：经过单畴化的热释电晶体，在垂直于极化方向的表面上将由表面层的电偶极子构成相应的静电束缚电荷。这一面电荷密度σ与自发极化强度Ps之间的关系可由下式确定。因为自发极化强度是单位体积内的电矩矢量和，所以热释电效应式中，S和d分别是晶体的表面积和厚度；V是晶体的体积。由于V＝S·d，故又有上式表明：热释电晶体的表面束缚面电荷密度等于它的自发电极化强度。

平时这些束缚面电荷常被晶体内部或外来的自由电荷所中和，也会因分子的热运动而使电偶极子无序化，因此这些束缚面电荷不能维持较长时间。由内部自由电荷中和表面束缚面电荷的时间常数为τ＝ερ(ε和ρ分别为晶体的介电常数和电阻率)。对于多数热释电晶体，τ值在1～l000s之间。可见：多数热释电晶体表面上的束缚面电荷可以保持1～1000s的时间。热释电效应热电系数：

热释电摄像的主要依据是热释电晶体的自发极化强度Ps随温度T的变化关系。描述这一关系的基本参数是热电系数η，它定义为自发电极化强度关于温度的偏导数式中，下标的θ、E表示应力与电场保持不变；θ表示胁强；χ表示胁变；E为外加电场。热电系数η表明了热释电效应对温度的灵敏程度。热释电材料铁电体通常有三种类型：①位移型：铁电体的电极化与高价正离子离开周围氧八面体中心的位移有关。如钛酸钡、钽酸钾、铌酸钾等材料；②氢键中质子线性有序型：宏观上的电极化是由于铁电体氢键中的质子产生有序排列而形成。如硫酸三甘肽(TGS)、氟铍酸三甘肽(TGFB)等材料；③旋转受阻型：铁电体的宏观电极化是由于偶极子旋转受阻产生的有序排列而形成。如磷酸二氢钾(KDP)等材料。热释电材料具有热释电效应的材料除晶体外，还有热电聚合物和热电陶瓷。但由于前者热电系数的值偏低，后者的介电常数又过高而较少被采用。作为热辐射探测材料，对热释电材料的要求是：热电系数值要高，因为热释电材料扫描相关像元所用的时间居里温度要高于光敏面工作的上限温度！介电常数尽可能小靶材料的比热容要小靶材料的发射率尽可能接近于1常用的材料有：硫酸三甘肽(TGS)；钽酸锂(LiTaO3-LT)；铌酸锶钡(SBN)；钛酸锶钡（BST）等。热释电材料热释电摄像管

热释电摄像管热释电摄像管是一种可以工作在红外波段的热成像器件，其靶面为热释电材料。由于其具有不需制冷，结构简单，价格低廉且可全天候、全被动工作的模式，因而曾受到重视。

热释电摄像管的构造窗口：输入窗由具有对红外辐射波段有良好透射比的材料制成，通常采用锗单晶等材料，其上镀有抗反射层及增透膜；靶：由具有热释电效应的铁电体材料制成，厚约30~50μm，其电极化轴垂直于表面。靶输入窗一面镀有金属透明导电层充当电极，该电极面对输入窗，靶面对电子束扫描一面镀有保护层，防止靶受到离子侵蚀，以提高其寿命和均匀性。热释电摄像管结构如图所示，其与光电导摄像管的区别在于：热释电靶的单畴化

热释电摄像管的单畴化热释电摄像管进行单畴化处理的工作过程可分为四个步骤，如图(a)、(b)、(c)、(d)所示。热释电靶的单畴化处理过程示意图热释电靶电荷图像的形成单畴化好了的热释电靶工作时，接受经过调制的入射辐射，入射的光辐射使靶面温度产生相应的变化。由于靶上的自发极化强度Ps随靶温变化相应地改变，从而靶面上对应的束缚面电荷密度也要发生改变，形成了按电荷密度分布的光辐射图像。靶温变化产生的自发极化强度变量ΔP即等于靶面束缚面电荷密度的变量Δσ。因为靶是介电材料，当