《摄象器件与显象器》ppt课件

《《摄象器件与显象器》ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《摄象器件与显象器》ppt课件（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1.概述 2.摄像器件 3.摄像器件主要特性 4.显像器件 5.显像管调制特性与 电视系统总传输特性,第6讲 摄像器件与显像器件,.摄像、显像器件是电视系统发端与收端的2大关键设备。 .在进行电视扫描的同时完成光电、电光转换。 .摄像器件是电视系统最的图像来源。,1.摄像与显像器件概述,1.摄像与显像器件概述,. 光电效应原理 . 光导真空摄像管 (3). 光敏固体摄像器件.,2.摄像器件,光敏材料，受光激发释放出自由电子 类 型 电子运动方式 外光电效应 逸出材料外部（50年代） 内光电效应 材料内部.,.光电效应原理,成像镜头 光导靶面 电子枪 聚焦装置 偏转装置 输 出 景物光像 对应电

2、像 电子束 像素尺寸 HV扫描 图像信号,.光导真空摄像管,. 工作原理 . MOS结构 . 面阵CCD摄像器件 . IT行间转移方式 . FT帧间转移方式 . FIT帧行间转移方式.,.光敏固体摄像器件CCD,摄像器件是决定电视系统性能优劣的关键器件,目前所有电视摄像机的摄像器件都采用电荷耦合器件(CCD,ChargeCoupledDevice)。CCD器件是基于半导体集成电路技术的固体摄像器件,属于MOS(金属-氧化物-半导体)结构。 CCD摄像器件是金属-氧化物-半导体(MOS)结构的有序排列,具体说,就是以具有光敏特性的P型(或N型)半导体硅为衬底,在其上面生长一层约100mm厚的Si

3、02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,.工作原理,* 硅光敏材料 * MOS结构 * 光像注入电荷 * 时钟脉冲驱动 * 信号有序取出,光的照射方法有两种:正面入射(从电极面入射)和背面入射(从衬底面入射),背 面入射的光效率高于正面入射。,金属 氧化物 半导体 硅光敏材料 - 电极 绝缘层 载流子 景物光像 正电压 电 势 移空形成电子势阱 注入电荷., .CCD器件MOS结构,+,+,光,-,-,电荷包,电荷耗尽区 （势阱）,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

4、转移电极的势阱深度,使电荷向相邻的转移电极转移,如图(a)所示。在电荷积累期间,积累申荷电极2V2为高电位,转移用电极lV1为零电位,电荷储存在电极2下面:在电荷转移期间,如图(b)所示,电极2的电位逐渐下降到零电位，而电极1的电位逐渐上升到高电位。电极2储存的电荷全部转移到电极1的下面。这就是电荷转移的基本原理。,. 面阵CCD摄像器件,像素 / 势阱 矩阵 H V,H V,信号电荷积累与 光强和时间正比,时钟脉冲,信号电荷输出， 有序读出,电荷转移方式 IT、 FT和 FIT 三种。.,. IT行间转移方式,感光单元矩阵 + 垂直位移寄存器 + 水平位移寄存器,场正程： 1场像素注入电荷

5、场逆程： 1场电荷移入垂直 位移寄存器 行正程： 输出1行信号电荷 行逆程： 下移1行信号电荷.,. FT帧间转移方式,感光单元矩阵 + 存储单元矩阵 + 读出寄存器,场正程： 1场像素注入电荷 场逆程： 1场电荷移入场存储 单元矩阵，下移312行。 行正程： 输出1行信号电荷 行逆程： 下移1行信号电荷.,. FIT帧行间转移方式,感光单元矩阵 +垂直位移寄存器 + 存储单元矩阵 + 水平位移寄存器,场正程： 1场像素注入电荷 场逆程： 1场电荷先移入垂直位移寄存器，再移入存储单元矩阵 行正程： 输出1行信号电荷 行逆程： 下移1行信号电荷.,电荷转移方式比较,转移方式 优 点 缺 点 主要

6、用途 - IT行间 结构简单 感光开口率低 普及型机种 高光点垂直拖尾 FT帧间 无垂直拖尾 需加机械快门 FIT帧行间 兼有两者优点 结构复杂 高档型机种.,3.摄像器件主要特性参数,. 靶面对角线尺寸 .分辨力 .灵敏度 .光电转换特性 . 信杂比 . 快门速度. (7)其它参数与发展,. 幅靶面对角线尺寸,对角线 优 点 缺 点 主要用途 - 2/3英寸 有效像素多 造价高 高档机种 1/2英寸 有效像素较少 造价较低 中档机种 1/3英寸 有效像素少 造价低 低档机种 1/4英寸 有效像素少 造价低 低档机种,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

7、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(相当于即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。 提高CCD的水平分解力,可以采用以下三个措施： (1)增加光敏单元数量,提高对光学图像的取样频率: (2)在CCD分光系统前,加入光学低通滤波器,降低CCD上光学图像的频带宽度, 避免出现光干涉效应(Moire Pattern),即频谱混叠的出现: (3)采

8、用空间偏置技术提高亮度水平分解力。 空间偏置技术是将三个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像素距离,如图所示。这样,亮度信号一行上的采样点就变为原来的两倍,提高了分辨力。,(2).分解力,分解力,有效像素：H V 水平分解力： 信号带宽 TVL 调制度 %：,TVL,图像信号调制度M,调制度 M = B / A %.,(3). 灵敏度,光通量为1lm、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。 光电转换灵敏度：输出图像电流 / 靶面输入光通量. 描述：光圈f=？光照度Lux？% CCD的灵敏度与以下因素有关: (1)

9、开口率,即感光单元面积与一个像素总面积之比。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,帧转移式CCD开口率最大。 (2)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,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。 (3)CCD内的杂波大小影响灵敏度。,(4). 光电转换特性,输出图像电流与靶面照度对应关系， 即特性 （最好是线性关系）.,. 信杂比(动态范围),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

10、着结构的改进和杂波的不断减小,动态范围己完全达到实用的要求。 图像受杂波干扰程度 S/N = 图像信号电流 / 杂波电流 S/N = 20 lg Vs / Vn (dB).,.电子快门,帧扫描时间1/25秒，对应1/25秒快门速度。场扫描时间1/50秒，对应1/50秒快门速度 CCD摄像机舍弃部分场正程积累的信号电荷，减少有效电荷积累时间，相当于提高相应的快门速度。,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(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)。为了提高活动图像的清晰

11、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,如同照相机减小了快门时间一样,这就是摄像机的电子快门。,电子快门的工作原理 电子快门的工作原理如图3.18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,如图3.18(a)所示；而当电子快门接通时,如图3.18(c)所示,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

12、,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,称为电子快门时间。一般来说,电子快门时间由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=1/976.561/1000s。现在CCD摄像机可选择的电子快门速度一般为以下几挡:关、1/50s、1/100s、1/250s、1/500s、1/1000s、1/2000s。 必须指出的是,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,导致信噪比下降（即摄像机的灵敏度降低）。为了保证输出信号有足够

13、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。,.电子快门,提高快门速度，减少有效电荷积累，降低灵敏度和信杂比。,暗电流-黑斑,CCD的暗电流是由热激励产生的电子-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。而且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,同时在电路上配合补偿(称黑斑补偿)措施,可以使通常亮度的图像上看不出黑斑。,彩

14、色还原特性,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来补偿。,EVS/Super EVS,采用帧积累可提高静态图像的垂直分解力;在拍摄运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系统EVS(Enhanced Vertical Dehition System)和Super EVS,后者是前者的进一步增强模式。,图(a)所示为帧积累方式,其电荷积累时间为一帧,因此具有高灵敏度,但活动图像会模糊,其垂直分解力较场积累方式要高,但比EVS要低。,高清摄像机CCD技术特点,对于高清的摄像机.在产品设计时,CCD的像素出现了220万、200万、150万、120万等几种像素结构类型,而高清格式不管是50i、60i、30p、25p、24p等何种帧频，每帧画面的取样比均为1920 X 1080或是1280 X 720（主要用于逐行格式)。表面来看,显然小于200万像素CCD,不能满足19201080高清格式的取样点数,似乎100万像素CCD的摄像机