第四章电视摄像与发射系统

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1、您现在的位置是：网络教程- 第四章第四章电视摄象与发送技术4.1广播电视系统的组成4.2电视摄像机4.3摄象器件4.4电视图像信号的处理4.5同步信号的形成4.6 PAL 全电视信号的形成4.7电视信号的发送在学完前三章关于黑白与彩色电视传象的基本原理后， 从本章至第五章将要介绍电视摄象、发送、接收技术的一般原理。本章着重介绍电视信号的摄取、处理和发送等技术；第五章则介绍电视信号的接收技术。4.1 广播电视系统的组成电视可分为广播电视与应用电视两类， 其中广播电视发展得很早、 最成熟和最完备。为了学习的方便， 本章与第五章以广播电视系统为例， 来介绍电视发送和接收技术的基本原理，毫无疑问，这些

2、原理对应用电视也是普遍适用的。图 4.1-1 示广播电视的发送和接收系统方框。发送系统主要包括各种电视信号源、信号处理与发射设备， 接收系统主要包括天线和接收机。 大多数应用电视系统不需要发射设备，直接通过电缆将电视信号传送给终端显示设备。电视信号源主要有三种： 电视摄象机，它能将活动图象直接转变为电视图信号。飞点扫描器，它能将文字、图文（包括透明和不透明的幻灯片）以及活动电影片转变成电视图信号， 它可以用来插送字幕、 静止图象和放映电视电影。 利用电子合成技术产生电视信号、例如电视测试信号发生器、此外，录象机，现场实况转播车，转发卫星，城市间、国际间的微波中继线路也能提供各种节目的电视信号。

3、将上述各种电视信号送到导演台， 节目导演通过视频信号切换开关选出所需要的一种或几种电视信号， 送到线路放大器进行放大和处理后， 再由图象发射机将电视图象信号进行调制与放大， 形成高频电视信号送到电视发射天线， 以电磁波的形式发射到各地的电视接收天线上。电视接收机再将天线感应的高频电视信号，进行一系列与发送系统相反的信号处理与变换，使之变成 R、G、B 三基色信号，在显象器件上重现出电视图象。4.2 电视摄象机电视摄象机是一种景物图象变换成电视信号的装置。它是电视系统中的关键设备，其性能之优劣， 直接影响最终电视图象的质量。 摄象机采用的摄象器件分为两类：摄象管理和固体摄象器件。 它们都是利用某

4、一种光电效应， 使图象的光信号转换成电荷， 构成相应的象素并在微小电容中暂时存贮。 摄象管利用电子束对象素进行扫描， 读取电荷形成电视图象信号； 而固体摄象器件采用固体扫描方式读取象素的中电荷。按摄象机的功能， 可分为黑白摄象机和彩色摄象机两类。 彩色摄象机又分为单管（片）、两管（片）、三管（片）三种形式。单管式彩色摄象机有频率分离式、相应分离式、三电极式和阶梯能量式等多种方式。广播电视普遍采用三管（片）式摄象机；由于单管（片）彩色摄象机具有体积小、重量轻、价廉、调整方便等优点，故在应用电视中得到迅速的发展和应用。下面着重介绍三管（片）式彩色摄象机的工作原理。三管（片）式彩色摄象机图 4.2-

5、1 为三管式彩色摄象机组成方框图， 它主要分为三部分： 机头部分； 视频图象信号处理； 编码器， 彩色同步机和彩条发生器。 过去这三部分是分开的，机头部分自成一体，并放置在活动的三脚云台上，由摄象员操作拍摄；后两部分设置在固定在机柜内。 随着小型化的发展， 当前的便携式摄象机上已能将这三部分合成一体了，其重量与体积都不超过原来的摄象机头。摄象机头主要由摄象机的光学系统， 摄象管及其附属电路， 寻象器等组成。 彩色景物的光象由变焦距镜头摄取， 通过中性滤光片 （为得到适宜的光通量） 和色温滤光片（将不同的照明光源的色温转换为摄象机所要求的色温）后进入色棱镜，被分为解为三个基色光象， 并分别投摄到

6、相应摄象管的靶面而转换成电图象。 管内电子束在偏转与聚焦系统作用下， 实现良好的聚焦与扫描， 从而获得符合一定扫描标准的随时间而变化的电信号。 然后，三路微弱的电信号经各自预放器放大，再送到视频信号处理电路进行加工与处理。视频信号处理电路主要包括输入放大、增益调整、电缆校正、黑斑校正、彩色校正（线性矩阵电路）、轮廓校正、黑电平控制及杂散光补偿、 校正、消隐混合等各级电路。 经上述电路放大处理后输出的红、 绿、蓝三基色信号还必须送入编码器，编制成需电视制式的彩色全电视信号。绝大部分彩色摄象机都配置了彩色同步信号发生器， 由它产生基准副载波和各种同步信号，供机头、视频处理与编码器三部分使用，这样使

7、摄象机单独使用（配彩色摄象机）特别方便。若要与其他摄象机中信号源在整个电视系统中联合使用，还必须附加专门的外同步锁相电路， 使本机同步信号发生器与外同步信号 （系统统一供给）锁相。另外，在摄象机内还附设彩条发生器和专用测试信号发生器，供调整与维修使用。为了取景并随时掌握摄象机工作状态， 每台摄象机上还附加一台寻象器。 寻象器分光学型与电子型两类。 光学型寻象器类似照相机上的取景器； 而电子型寻象器实质上是一台小型的电视图象监视器， 它利用摄象机本身输出之信号， 在寻象器的显象管荧光屏上显示出图象， 这样既作为取景器用， 同时也监视了摄象机电路的工作状态，并随时加以调整。目前常用的显象管屏幕的尺

8、寸有 1.5 、3、5 英寸等三种规格。图 4.2-2 示出由固体摄象器件组成的三片式彩色摄象机的方框图。 它与三管式彩色摄象机相比， 具有大体相同的结构形式。 它主要由摄象机的光学系统， 固体摄象（ CCD）器件，视频信号处理电路和编码器等部分组成。摄象机的光学系统摄象机的光学系统变焦距镜头、 分色棱镜、 中性滤光片和色温滤光片组成。 它的主要作用是把被摄景物的彩色光，分成红、绿、蓝基色光，并成象在相应的摄象管靶面上。对于两管和单管彩色摄象机而言， 色分解主要是由封装在摄象管靶面前的滤色条及有关电路来完成。一、变焦距镜头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。 由于焦距变化使

9、放大率或视场角改变，这样在拍摄过程中，对景物图象取景大小可任意连续变化，增强了艺术效果。变焦镜头是由许多单透镜所组成。如图 4.2 3 所示，即为最简单的由两个凸透镜形成的组合透镜。设透镜 1 和透镜 2 的焦距分别为 f1 和 f2 ，相互间的距离为d，则组合透镜的焦距为 f ，其大小取决于 f1 、f2 和 d，相互关系式为：由上式可知，只要改变 d 的大小，就能使 f 相应变化。现在再举一个简单的例子，若一个凸透镜（ f1 +1）与一个凹透镜（ f2 1）形成组合透镜，则按式（ 4.2 1）可知，该组合透镜的焦距 f 1/d ，焦距直接与 d 成反比，故只要改变两透镜的相对位置，就能很容

10、易地改变焦距。这就是变焦距镜头的最基本的原理。设计时把一个单元透固定， 另一个单元透镜相对前一个单元透镜移动， 以改为 d。这样做的结果， 虽然 f 发生变化， 但成象面的位置也相应的有所变化。 为了固定成象面位置， 还必须再增加第三单元透镜并相应一起移动。 因此，实际使用的变焦镜头至少要有三组单元透镜， 即调焦组、 变焦组和象面补傍组。 若要增长后截距，还需要增加第四组物镜组。二、分色棱镜1. 分色棱镜图 4.2 5 所示的分色棱镜由（ A）、（ B）和（ C）三部分粘合组成，其中在 Mr 和 Mb面上分别蒸涂上不同厚度的干涉薄膜。 当光线 F 投射到 Mr 面上时，能把红光 R 反射出来而

11、让其它光透过。反射出来的红光投射到界面（ 1）上，因入射角较小，超过临界角而发生反射， 于是 R 光经 Fr 射入 R 摄象管。透过 Mr 面上光到达 Fb 面时能把蓝光 B 反射出来而让余下的 G光透过，反射出来的 B 光在界面（2）上全反射后穿过 Fb 而到达 B 摄象管。透过的 G光经（ C）部分穿过 Fg 到达 G摄象管。光线在介质中所走的路程与介质折射率的乘积称为光程， R、G、B 三路的光程应严格一致。 Fr 、Fb、Fg 来进一步校正。2. 分色原理干涉膜 Mr 和 Mb所以会射出某些波长的光而透射其他波长的光，其原理可由图4.2 6 说明。图中折射率为 n0、厚度为 d 的干涉

12、膜涂在折射率为 n2 的玻璃了。入射光从折射率为 n1 的空气中进入干涉膜的第一界面（ 1）时反射光为 F1；透过的光在第二个界面（ 2）上又受到第二反射，该反射光透第（ 1）界面（也有一部分反射）进入空气的光为 F2；如从 C点向 F1 作垂线交于 D点，并以 C、D两点为基准。光束 F1 所走的光程 n1.AD，显然比光束 F2 所走的光程 n0. （ ABBC）短，其光程差（ 4.2 2）经过几何变换并在条件下，可得到（ 4.2 3）式中， 为光线进入薄膜的入射角。根据光的波动理论，当两束光相位相反时，迭加后相互换消，故合成幅度最小；而相位相同时，合成幅度最大。因此，当式（ 4.2 3）

13、中 2时， F1 和 F2 相互抵消，反射光为零，即几乎全部透过；当 时， F1 和 F2 加强，反射光幅最大，透射光几乎为零。这样，如 n1、n0 和 等均固定，则只要选择适当的膜厚 d 即可达到所需要反射光的要求。三、色温校正和中性滤色摄象机的光谱性曲线的设计和白色平衡的调整，都是对一定色温的照明而言的。目前摄象机都是按 3200K 照明色温设计的，它的白色平衡是按 D65 白色要求调整的。因此，在摄象机光学镜头中， 都加有把 3200K 转换到 6500K 的 D 白色的色温转换。但在实际工作中， 照明光源是变化的。 如室外自然光照在早、 中、晚，阴、晴天时，色温都不一样。这时，如用摄象

14、机去拍摄任意色温照明时的景物，会产生严重的彩色失真。为了使摄象机在不同色温光照时， 摄取的景物与 3200K光照、平衡于 D65白色时一样，必须对由于色温不同而引起的光谱能量分布的变化进行补偿。通常在摄象光学系统中加入色温校正滤色片，它具有一定的光谱特性。 它刚好能补偿色温变化引起的光谱特性误差，把不同温的照射光源，转换到 3200K 色温光源。例如，把 4800K 的照射光转到 3200K的滤色片呈浅桔色。 一般摄象机都有几片色温滤色片，以适应不同光照时的色温转换要求。当摄象管在强光下工作时， 应减少光圈。 但有时为了达到一定艺术效果， 不允许减少光圈，这就需要在光路中加入减少光量的衰减器，

15、 即中性滤色片。 其常用的透光率有 100、 25、 10、 1.5 数种；而光谱响应特性应当平直。4.3 摄象器件摄象器件主要分为摄象管和固体摄象器两类。 它们都是利用某种光电效应， 使输入的光转换成电荷， 构成相应的象素， 并在其微小的电容中暂时存贮和用扫描方式读取存贮在象素中的电荷而形成电视图象信号。 但不同的是摄象管采用电子扫描方式，固体摄象器件采用固体扫描方式。在物质中，使外照光产生电效应的现象称为光电效应。 它又分为外光电效应和内光电效应两种。 外光电效应是指当光入射到光电面上， 则在真空中发射出光电子的现象，超正析象管中就是利用此效应。 内光电效应是指经光照射后在固体内部产生电的

16、现象，在光电导型摄象管中就是利用由于光的作用而使用固体（靶面）电导率变化的所谓光电导现象摄象器件品种繁多，但可进行如下分类：摄象管固体摄象器件限于篇幅，本书主要介绍有关彩色摄象机所使用的光电导型摄象管和固体摄象器件。光电导型摄象管也有好多种， 按靶面光电导材料的不同常用的光电导管有硫化锑光导管（ Sb2S3作靶面，称为 Vidicon ，即视象管），氧化铅光导管（ PbO作靶面，称 Plubicon 或 Leddicon ）、硅靶光导管（ Si 二极管阵列作靶面， 称 Sidicon ）硒化镉光导管（ CdSe作靶面，称 Chalnicon ）等。但就工作原理而言，它们都是利用光电导现象工作的

17、。 下面以视象管和氧化铅管为例说明光电导摄象管的工作原事理。视象管一、结构视象管是空器件， 它主要包括光电靶和电子枪两大部分。 管外套有偏转、 聚焦和校正线圈，利用它们产生的磁场来实现管中电子束的偏转、 聚焦和方向校正。 其剖面原理图如图电子枪包括灯丝、阴极、控制栅极、加速极（第一阳极）和聚焦极。阴极被灯丝加热，发射出电子束。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。以便保证聚焦磁力线和靶面垂直，有利于电子束垂直上靶。在靶前有一个抑制栅网（一般

18、与聚焦极相连），由于靶电子低于栅网电压，在靶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； 但靶面边缘部部清晰度仍较低， 信号电流也较弱， 影响图象的均匀性。 把抑制栅网与聚焦极会开，并使其电压比聚焦极电压提高 60，这样不仅克服了上述两个缺点，而且分离网结构的摄象管总的清晰度比不分离的还有所提高， 故目前普遍采用。电子束上靶后在靶面进行光电转换，形成图象信号。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，顺序取出靶上各点（象素）的信号。由于制造和安装的误差， 使电子束与管轴可能不完全平行， 这会影响电子束的聚焦和垂直上靶

19、。为此在视象管外靠加速极附近，装有两对相互垂直的校正线圈。通过调节线圈中电流，使它们产生的合成磁场方向在 360范围内变化，因而，可使电子束运动方向校正到与管轴平行。光电靶面结构如图4.3（ b）所示。在前面板玻璃内侧涂以薄薄的透明电极 （ SnO2）,又称奈塞膜，由互电极引出图象信号。在此信号电极面板上再蒸涂上12um厚的 Sb2S2光电导层。由硫化锑光敏半导体材料制成的靶虽然是一个整体， 但是由于电子束的扫描， 客观就把靶面分成数十万个象素 （对我国的 625 行制式，靶面可分解为 48104 个象素）。由于光电导层的面电阻率很高 （ 10111012W.cm），可以认为每是独立的（见图表

20、 4.3-3) ；每个象素都可以看成一个光敏电阻与一个小电容（ 1.3 10 2PF）的并联。这个小电容 C称为存贮电容，其值不随光照变化，但光敏电阻 R 则随光照度变化而改变其电阻数值。二、光电导原理一个光子的能量 W h.f ，式中 h 为普朗克常数，其数量随光波频率 f 升高而增大。当光照到光敏半导体上时， 处于满带中的电子吸收光量子， 增大能量就能跃迁出禁带到达导带成为自由电子 （一部分被禁带中的陷阱所俘获） ，而在满带中留下空穴，即产生了载流子，如图（ 4.3-2 ）所示。光照越强，产生载流子也越多。在宏观上表现为半导体的电导率增大，载流子的产生和复合是不断进行的。当光照一定时，产生

21、和复合最后达到平衡。光照越强，载流子浓度越高，电导率越大；反之，光照越小，电导率越低。在无光照射时，由于热敏励也有少量电子跃迁禁带，而形成电导，这称为暗电导。当光照停止后， 载流子复合尚要继续一段时间， 才能达到新的平衡， 即电导率的恢复有一段带后时间，这称为光电导惰性。由于光电导惰性，将会产生余象，这是光电导管的主要缺点。三、电视图象信号的产生现代的电视摄象管产生图象信号都是基于电荷储能原理（ Charge Storage Priciple ）图 4.3 3 视象管的等效电路图，信号产生过程大致分为两步：1. 电光象到电荷象电荷的储能过程被摄景物通过光学镜头成象于电导靶的外侧， 由于光电导原

22、理， 靶上各点电导随光照强度变化，光照越强的象素点，其等效光敏电阻越小。假设在靶面上取三点（暗、灰、亮）象素，暗点电阻 R1012W ，亮点的 R1010W ，灰点的 R 适中值。开关 S 等效为电子束扫描，电子束扫到该点（单元靶）时，即S 台上；离开时， S 断开。在电子束扫过某一点的瞬间， RC等效电路与靶电源电压 E 和阴极接成路，电容被充电， RC等效电路左端电位上升到 E，右端为阴极电位（一般为 0 电位）。当电子束离开后，电容通过电阻放电，放电速度由电阻 R 大小决定，在两次扫描的时间间隔（ 1/25 称）内，由于放电，使右端上升一个 D E，其大小与 R 有关。如图 4.3 3

23、所示的亮点处，由于电阻小，放电快，则在两次扫描间隔内， D E 的上升量大；而暗点处，由于电阻大，则 D E 小。于是，在一帧的扫描时间内， 靶面的右侧就形成了一幅与光象的亮暗分布相对应的“电位象”，如图 4.3 4（a）所示，这就时电荷的储能过程。2. 信号的拾取过程当电子束再扫描靶面右端各象素时，由于右端各点的电位和阴极 K 的电位不相等，所以电子束要给象素的等效电容 C 再次充电，使靶面右端各点的电位与阴极 K 的电位抹平。该充电电流经负载 RL形成图象信号，其值为式中， Rb为电子束的等效电阻，约为 10MWRL。由此可见，电子束扫描亮点象素时， I 较大；扫描暗象素点时， I 较小。

24、实验表明：输出信号电流 I 近似地正比于该象素点的亮度 B，上述信号拾取过程如图 4.3 4（b）所示。在图 4.3 3中，输出的图象电压信号为负极性图象信号。综观上述图象信号产生的过程， 由于 S 断开时间是一帧时间， 因此可以认为， 在这一帧时间内， 电容 C 把靶单元产生的电量以电荷移动的形式存贮起来。 到临将扫描前，存贮的电荷量到达 D EC；等到扫描时，把积累起来的电荷量集中利用，这就是电荷储能原理。 现代摄象管就是利用这一原理来增强给出图象信号， 从而提高摄象管的灵敏度。在无光照时， 也存在暗电导， 因此无光照象素点也会产生暗电流。 由于材较的不均匀，各点的暗电流大小不一而形成黑斑

25、现象（ Shading），因此需设置黑斑校正电路，加以补偿和校正。四、视象管性能视象管具有较高灵敏度和分解力，能满足对电视摄象管的基本要求。它体积小，结构简单，使用方便。其主要缺点是惰性大和暗电流大。视象管中存在两惰性： 一是光电导层体的惰性， 即当光照消失或减弱后， 载流子的复合需要一定时间， 才能达到新的平衡， 表现为信号电流的变化滞后于靶面光照度的变化， 称为记录惰性。 另一种惰性是电子扫描象素时， 给象素电容的充电时间常数 充（RLRb）.Clu 较大，使电子束在一次拾取期间还来不及完全抹平靶面内侧（即靶面右端）的电位起伏，亦即抹平正电荷图象，从而使后继拾取图象的电信号中包含先前的信号

26、分量， 这称为电容性惰性或拾取惰性。 这两路惰性在电视图象上均表现为残留以前几帽图象的余象。 对于图象中的快速运动的物体，余象更加明显，从而使图象的清晰度和对比度下降。分析表明，后者比前者者的影响更为严重。暗电流造成的黑斑影响较大， 需要在图象中加入与黑斑波形成相反的信号去抵消它的影响。正由于视象管存在上述缺点， 对于要求较高的广播电视摄象系统不能采用它。 它通常用在要求不高的应用电视系统。氧化铅管由于视象管的惰性大的暗电流高而不稳定， 限制了它在彩色电视中的应用。 为了克服上述缺点并进一步提高灵敏度， 1963 年研制成功了氧化铅管，并在彩色电视中的得到了最广泛的应用。 目前广播电视用的彩色

27、摄象机几乎毫无例外地采用氧化铅管。一、结构氧化铅管除光电靶与视象管不同外， 其余结构和工作原理均与视象管相同。 氧化铅管的光电靶如图 4.3 5 所示，它在透明导电膜上蒸镀了三层氧化铅薄膜。其中间一层是厚 1020um的纯净的 PbO本征层，称为 I 层；在扫描侧是掺有杂质的 N 型 PbO 层，称为 N层。P 层和 N 型极薄，光电转换主要在 I 层进行，这三层构成 PIN 二极管结构。由于上述结构，氧化铅管比视象管的惰性和暗电流要小得多。其原因如下：1. 由于 N 层和 P 层电阻率很低， I 层电阻率却很高。靶压通常为 45 伏，将全部加在 I 层上，因此 I 层内部的电场强度很高（ 4

28、5V/15um3106V/m）。 I 层内受光激发所产生的载流子， 在强电场作用下， 以极高的速度通过 I 层，到达靶内侧面，渡越时间越短，复合的机会就减少。因此，在 I 层中由光激发出来的载流子几乎全部参加导电， 故光电转换效率发挥充分， 其灵敏度比视象管高。 载流子渡越时间短本身就意味着记录惰性小。另外由于 I 层较厚，使电容性惰性也小，但是靶厚却使其分辨力略低于硫化锑管。，2. 由于靶上加有 45 伏电压，对 PIN 二极管来说是反向偏置，光电导管的暗电流就是通过这个反偏二极管的反向电流。它的数值非常低，只有 0.5 1.5nA。由于暗电流小，所以 PbO管的信号杂波比（ S/N）高，黑

29、色电平匀稳定，无黑斑效应。对彩色电视图象的底色调整十分有利，很适于在彩色摄象机中。二、低照度下的惰性与背景光的加入尽管氧化铅管靶中 I 层较厚，相对于视象而言， 电容惰性较小， 但是由于 I 层的电阻率高，介电系数大，其电容惰性仍较严重。在低照度下，靶内侧面形成的电位起伏较低，几乎与摄象管极电位接近， 故靶内侧电位对着靶的电子束具有一定的排斥力。加上氧化铅管也采用了慢电子束扫描， 电子束到在靶面时的速度已接近零，因此多数电子不能上靶，只有少数能量较高的电子能够上靶。这样，一次扫描不能把靶面上的电位抹平，需要多次扫描才行，从而造成余象。为了克服照度下的惰性， 常用的方法是加入背景光， 即向靶面投

30、射一层均匀的光，人为的提高靶面电位， 使电子束容易上靶， 从而使余象得以消失。 加入均匀的背景光，相当于增加了输出图象信号中的直流分量，这很容易从图象信号中去掉。新型的氧化铅管中就带有加入背景光的装置，图 4.3 6 示出两种带有加入背景光装置的氧化铅管的结构。三、高照度下的惰性与抗彗尾电子枪对应于高亮度的物体，氧化铅管的电容性则以另外一种表现出来。在高照度下，靶面内侧出现很高的电位。 由于扫描电子束不足， 一次扫描不能抹平这些高电位，结果，在每次扫描后都有一部分高电位残存下来，从而造成余象。另外，在靶面内侧，这些高亮度象素点的电位很高， 将吸引周围的电子， 其作用相当于高电位向外扩散。所以，

31、从静止物体的图象来看，就会出现高度面积向外扩展、渗透的所谓“开花现象”，如图 4.3 7 所示。若为运动物体，则在高亮度部分的后面出现一条扩展的彩色拖尾，称为彗星尾。采用抗彗尾电子枪 ACT（Anti Comet Tail ）和自动电子束最佳（ ABC）电路可以克服上述现象。 前者是采用特殊结构的电子枪， 能在扫描逆程期发射出很强的电子束，从而能把经正程扫描后在靶面上残存的电位全部抹平； 后者则是利用摄象管外的电子束控制电路， 根据入射光通量来控制摄象管的栅极， 将电子束的电流控制在适当的数值范围内，保证一次扫描能将靶面内侧的电位全部抹平。综上所述，氧化铅摄象管由于采用了高效率的光电材料， 设

32、计了新型的靶面结构，并且把高、低照度下的惰性减少到一个允许的程度， 从而使它成为一种性能比较理想的摄象管，因此在彩色电视中获得了广泛的应用。四、氧化铅管的主要性能1. 灵敏度由于在 PbO管的 I 层内部形成高达 3106V/m 的高电场，入射光激的载流子几乎全部参与导电，使光电转换效率得到充分发挥，光电灵敏度可达 400uA/1m,。 1 英寸靶面的摄象管输出 0.3uA 信号电流时靶面照度只需 4LX。2. 光电转换特性当靶压为定值时，输出电流与靶面照度的关系曲线称为摄象管的光电转换特性。通常用表示。PbO管的 值为 0.85 0.95 ，近似为 1。所以其光电转换特性为一条 45 的直线

33、，如图 4.3 8 所示。由于这一特性，因而使得在彩色摄象机易于满足不同电平的彩色平衡。3. 光谱特性摄象管的光谱特性表示输出信号电流与入射光波长之间的函数关系， 而光谱特性决于靶材料和结构。 不同波长光的光电转换特性是不一样的， 光电转换失去效应的波长 称为截止波长，而 hC/Eg上式中， h 为普朗克常数， C 为光速， Eg 为光电材料的禁带宽度。因 PbO的 Eg 2.0 电子伏特，故 620nm。显然，对红色管来说是不够的（应为 700nm）。为此在 I 层内掺入禁带宽度仅为 0.4 电子伏特的 PbS使红管的截止波长 得以扩展，这种摄象称红色增强管，如摄象管 XQ1025R。波长较

34、短的蓝光， 因受靶中 N层的吸收， 进入 I 层时已较弱。 为了不致过多的影响灵敏度，蓝管的 N 层应做得较薄。彩色摄色机对红（ R）、绿（ G）、蓝（ B）三种管子的光谱特性有不同的要求，所以 PbO管的 R、G（L）、 B 管是专用的，在管脚都有注明，使用时应予注意。图 4.3 9 中示出红、绿、蓝三种 PbO管的光谱特性。4. 分解力摄象管对景物细节的光电转换能力称为管子的分解力。它不仅与光电靶的材料、结构有关，而且与扫描电子束的聚焦有关。 通常用调整特性来表示电视摄象管的分解力。如果被摄图象为黑白线条， 且每对线条的亮度变化幅度都一样， 则管子输出信号幅度变化的相对值 （或称调制深度）

35、 与线条对数（也就是黑条与白条数，或称线数）的关系曲线即为调制特性。 调制特性也可以表示为调制深度与频率的关系曲线（ 625 行扫描标准中， 5MHz对应为 400 线）。图 4.3 10 为一组 1 英寸氧化铅管的调制特性曲线。 图中曲线表明， 随着频率或线数的增加， 调制深度将降低。还可以看出，蓝管的调制大于绿管，红管为最低。因为，光电层对短波长的光吸收得快， 这样波长最长的红光因吸收得最差， 便扩散得厉害， 散射造成了分解力的降低。固定摄象器件摄象器件应同时具有光电转换和扫描两种功能，能将空间光学信息变换成电信号。利用某种光电效应使之产生与光输入相对应的电荷， 这些电荷暂时贮存在构成象素

36、的微小电容内， 然后进行扫描读出。 在真空摄象器件中， 在象素电容中贮存的信号电荷用固体扫描方式读出。 固体扫描有三种方式， 它们的代表性器件如表 41 所示。下面对 XY寻址方式和信号转移方式的固体摄象器件分别加以介绍。电荷耦合器件（ Chrage Coupled Device ）简称 CCD，它是采用信号转移方式，本节以 CCD 器件作为重点加以介绍。表 41 几种不同扫描方式及典型器件扫描方式典型器件XY寻址方式用移位寄存器顺次开关MOS型金属氧化物半导体CID 型电荷注入器件信号转移方式（具有自扫描功能）FTCCD型帧转移电荷耦合IF CCD型 BBD 型行间转移电荷耦合叠成器件诱发转

37、移方式CPD型电荷诱发器件一、采用 XY寻址方式的 MOS型固体摄象器件图 4.3 11 是采用了 XY寻址方式的 MOS型固体摄象器的原理图。其光电转换利用 PN结光电效应。当光入射某个象素所对应的光敏二极管（例如 D22）上，就在与其并联的微小电容（ C22）上存贮电荷而形成信号电压。它的信号读取是采用 XY寻址方式的。图 4.3 11 所示器件具有 3（V）4（ H）12 个象素，各 MOS晶体管 Qh1Qh4、Q11 Q34在水平和垂直扫描电路的脉冲驱动下起着开关作用。假设 Qh2和 Q22 导通，由于光射敏二极管 D22而在电容 C22上形成的信号电压， 就与外电路负载RL和电源 E

38、 接通，从而在负载 RL上形成信号电流， 即得到视频图象信号的输出。二、 CCD固体摄象器件1.CCD的基本结构与信息存贮电荷耦合器件和半链器件（ Bucket Brigade Devece 简称 BBD）同属于电荷传输器件（ CID）它们的工作机理相同。都是在金属氧化物半导体（ MOS）技术上，通过存储和控制电荷运动而起作用的一种新型半导体器件，其基本结构包括半导体材料（如硅），氧化物（如 SiO2）金属电极三层，图 4.3 12 示出 CCD一个电极的基本结构。假定采用的衬底是 P 型硅，也就时说，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。当正偏压加到金属电极上时，空穴被推离半导体表面，形成多数

39、载流子耗尽区。而在 P 型硅和 SiO2 界面上电子浓度增加，形成电子势阱，所加正偏压越大，推离空穴的作用就更加强烈，电子势阱越深。2. 电荷转移原理图 4.3 13 中加在电极 A 上的电压产生一个表面电位， 它可以改变半导体表面的类型。当在电极 B 上加一更大的电压时，则在电极 B 的下部就产生更深的位阱。于是，少数载流子就从 A 流到 B，从而完成了电荷的转移。利用 CCD的电荷转移原理可以做成移位寄存器。现以三相 CCD器件为例，图 4.3 14（a）为三相二位 CCD器件简图，仍用 P 型 Si 作衬底。六个电极排成一行，并分别接到 V1、 V2、V3 三个时钟电压（如图 4.3 1

40、4（b）所示）上。在 t=t1 为高电位， V2、 V3均为低电位，加有 V1 电压的 A 和 D两个电极下的势阱较深，少数载流子（电子）聚积在电极 A 和 D下面的势阱中。在 t2 t3 期间， V1 电位下降， V2 为高电位， V3 为低电位，电子 A 和 D 的势阱变浅，电极 B 和 E 下面的势阱变深，少数载流子向势阱 B 和 E 移动。当 t=t3 ， V2 为高电位， V1 和 V3 为低电位，电荷转移结束， A 和 D势阱中少数载流子全部转移到 B 和 E 势阱中。周期性重复上述过程，就可以使 A、 B、 C、 D 势阱的电荷包（少数载流子）转移到最后一个势阱 F 中，并通过

41、CCD的输出结构（图 4.3 14（a）中末画出来），输送到外部电路。3. 光电转换原理图 4.3 14 所示器件用图 4.3 15 的一组时钟来驱动， 就可作为摄象器使用。 在 Tint 时间范围内， V1 处于高电平， 而 V2 和 V3 处于低电平， 两个 V1 电极下产生了势阱。设想有一个幅图象照在器件上， 在 D 电极附近是强光， 而在 A 电极附近是弱光，只要落到器件上的光子下的势阱中。 因为 D 电极附近的入射光较强， 所以 D 电极下的势阱的收集的电子较多。在 Tscan 期间，电荷包被传输到输出端，给出图 4.3 15 中的输出信号，其大小与入射到器件相应位置上的光强度成正比

42、。这就完成了光电转换。入射光的加入方式有三种：在每个单元的中心电极下开很小的孔，入射光直接照在硅片下部。硅衬底作得很薄，使光从背面入射。从正面入射，经过不透明电极之间的间隙进入器件，或采用多晶体透明电极，使光直接入射。摄象器件为分线阵摄象器件 （如图 4.3 14 所示）和面阵摄象器件， 后者是由若干行线阵 CCD排列在一起组成。对于面阵摄器件如何读出图象信息呢？4. 信息读出方式面阵 CCD器件常采用帧转移（ FT）和行间转移（ LLT）两种方式来读出图象信息，如图 4.3 16 所用。图（ a）帧转移方式，其详细电路结构如图 4.3 17 所示。这种器件由象素数量相同的受光部 （摄象区）和

43、存贮以及水平移位寄存器和输出电路组成。 在某一场周期内，对应光的输入在受光部所产生的信号电荷， 用附加在三相电极上的交迭脉冲在场消隐期间内一一对应地平移到存贮部。 在下一场正程期间， 受光部又对下一场的光照产生的电荷进行积累。 存贮部结构与受光部相同， 它存贮上一场的图象信号，并在行消隐期间内， 在其三相电极上， 加上一个周期性的三相交迭行步进脉冲，使存贮区的信号每经过一行的时间，便向水平移位寄存器平移一行。水平移位寄存器也是三相操作， 在行正程期间， 它的三相电极上附加水平传送交迭脉冲，使一行的图象信号通过输出电路顺次输出。该方式的优点是整个受光部进行光电转换，故灵敏度较高， 并容易防止晕斑

44、现象（ Blooming ），时钟电路也简单。但是，由于受光部和存贮部面积相同，故器件表面尺寸较大。图 4.3 16（ b）为行转移方式 CCD，这种方式的光敏单元彼此分开，有可能取得较高的空间频率响应。 各个光敏单元的信号电荷， 通过转移到不照光的垂直方向的转移位寄存器中。 在行消隐期间， 每个垂直转移寄存器顺次向水平移位寄存器转移一个光敏单元的电信号， 在行扫描正程期间， 水平移位寄存器将顺序输出一行的图象信号。返回目录4.4 电视图象信号的处理在节中曾介绍了三管式彩色摄象机的电路结构方框图， 从摄象机取出的微弱信号电流，在进入编码器前，必须经过一系列的放大、补偿等处理。它们主要包括输入放

45、大、增益、调整电缆校正、黑斑校正、彩色校正、轮廓校正、黑电平控制和杂散光补偿、 g 校正、消隐混合等各级电路， 上述电路统称为视频处理电路。图 4.4 1 以 G信道为例，示出彩色摄象机一个信道的组成情况，其中轮廓校正和彩色校正是供 R、G、B 三个信道共用的，其余电路每个信道都是独立的。过去除预放器装在摄象机机头以内外， 其余部分都装在控制框内， 由于集成电路的发展，现在全部视频处理电路都可安装在摄象机机头内， 实现了一体化。 这不仅缩小了体积， 而且电路结构也复杂多变， 有利于提高摄象机的性能指标和操作功能。预放器一、预放器的基本要求预放器是整个视频处理电路的第一级放大器， 也称前置放大器

46、。 它设置在摄象管输出信号电极附近， 把从摄象管输出的极微弱的信号电流进行放大， 供后级的视频处理使用。对于预放器的基本要求有下列三点：1、高增益。对 1 英寸光电导摄象管来说，正常输出信号电流约0.2m A，若在预放器输出端的 75W 负载上输出 0.5V 信号电压，则要求预放器必须具有90dB的电流增益。2、宽频带。为了保证图象信号有足够的清晰度与较小的低频失真，其频带宽度要求不窄于 78MHz，对于 50Hz方波，其平顶跌落应小于 2。3、良好的信杂比。若使电视机屏幕上基本上感觉不到杂波干扰，则要求信杂比不低于 45dB，最低限度不能小于 40dB。二、预放器的输入电路和频率特性预放器的

47、输入等效电路如图 4.4 2（ a）所示，其中 Ri 由输入电阻与摄象管直流负载电阻并联而成， Ci 包括摄象管的输出电容，引线分布电容和预放器的输入电容等。输入电路的输入阻抗为：（ 4.4-1 ）其模值（ 4.4-2 ）由上可知，输入阻抗是随频率的升高而下降的，当频率很低时，输入阻抗。输入电路的频率特性可用来表示，即（ 4.4-3 ）根据上述特性，用图4.4-2 （b）来表示，它具有高频端下降的形状。设摄象管输出的信号电流为，则预放器输入信号电压为（ 4.4-4 ）其特性也是随频率升高而下降的。 为了使预放器输出信号电压的总频率特性是平坦的，即预放器的频率特性输入电路的频率特性的乘积在信号频

48、率范围内为一常数，则（ 4.4-5 ）上式表明，预放器的频率特性应随信号频率的增长而提升，如图4.4-2 （c）所示。其输出总频率特性如图（ d）所示。因此，预放器是一种高频补偿放大器，或者称为反杂波校正放大器。三、预放器的信杂比摄象机输出信号的信杂比必须大于40dB 时，才能在电视机荧光屏上获得比较满意的图象质量。近来，广播用彩色摄象机的信杂比已普遍大于 50dB，故图像质量就很理想了。 摄象机的信杂比主要取决于预放器， 因此，预放器的信杂比是一个很重要的问题。预放器的信号噪声来源大致有三个方面： 一是摄象管本身产生的噪声电流， 在理想情况下其信杂比可达 54dB 以上，故对预放器总的信杂比

49、影响不显著。二是输入电路中等效输入电阻所引起的起伏杂波，其大小为（ 4.4-6 ）上式中， k 为波尔兹曼常数，等于 1.38 10 23 焦耳 / 开氏度； T 为室温（ K）；为预放器低频增益， D 为带宽，三是预放器第一级放大器所产生的杂波， 也是对整个预放器信杂比起决定性作用的部分。由于场效应管具有高输入阻抗， 低杂波以及高跨导等优点， 故目前多被采用于第一级放大。也可以把场效应管的杂波以杂波电阻的形式等效到它的输入端， 于是等效杂波电压为其中（为场效应管的跨导）。通过对放大器的计算，预放器输出端的信杂比（ 4.4-7 ）由上式可知，为了提高预放器的信杂比，必须： 尽可能减少。可选用输

50、入电容小的场效应管以及靶电极输出电容小的摄象管， 并且在考虑摄象机结构时， 尽量使靶电极引出线的分布电容为最小。选用大的场效应管。应加大，通常，摄象管的直流负载电阻选用较大，但太大会引起对外界干扰的敏感性，故常选用 1MW 左右，并应选择低噪声的金属膜电阻。 另外，为了使预放器的频率特性少受输入电阻的影响，采用深度负反馈将预放器的交流输入电阻降低。 在保证信号所要求的频率宽度前提下，预放器的频带 D 不宜调得太宽。黑斑校正黑斑效应（ Shading）是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。 产生黑斑效应的原因是： 分色棱镜（或二向分色棱镜）的色渐变效应；摄象管

51、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； 扫描的非线性以及聚焦和电子束垂直上靶的不均匀性等等。为了消除黑斑效应的影响， 除了尽量消除上述种种产生黑斑的因素外， 还必须在电路中采取补偿校正措施。 不过，还有些随机性的黑斑是无法通过电路来校正的，那只能设法消除其根源了。 黑斑有两种类型， 一种是图象信号本身没有畸变， 只是迭加一些不均匀的附加信号， 如不均匀的背景光照射引起的阴影等； 另一种是摄象管输出的图象信号本身受到一种附加信号的调制， 如摄象管靶面灵敏度的不均匀性引起的信号不均匀。 对前一种黑斑的校正称为静态校正 （或称加法补偿），只要在电路中产生一个

52、与附加信号波形相反的校正信号即可，如图4.4-3 （b）所示。对后一种黑斑的校正，称为动态校正（或称乘法补偿），也是在电路中产生一种与附加信号波形相反的校正信号， 所不同的是用该校正信号对图象进行再调制，如图 4.4-3 （ c）所示。所用校正信号常有两种， 即行、场消隐脉冲信号积分而得到的行频与场频的锯齿波信号，以及再一次积分而得到的行频和场频抛物信号， 每一种校正信号的幅度和极性都能任意调节， 并组合在一起， 形成视频的全校正信号， 图 4.4-4 示出了产生黑斑补偿信号的方框图。 调节该图中四个电位器 W1、W2、W3和 W4就可得到现场所需补偿信号的类型（锯齿或抛物或二种都要）、极性和

53、幅度。图中混入消隐信号的目的， 是为了避免黑斑补偿信号对正常消隐电平的影响， 保证经过补偿的图象信号中，消隐电平平整。轮廓校正（增强）节曾指出，孔阑效应使得图象清晰度和细节对比度下降。为此，必须对图象信号进行处理， 从而提高图象清晰度， 这种处理称为轮廓校正或孔阑校正。 近年来，由于图象处理技术的发展， 提出了图象增强的概念， 就是使图象中的轮廓和细节的分界线得到加强， 从而加强图象的清晰感， 把即使原来就不清晰的图象处理得更清晰， 这时已不再是“校正”， 而是人为的“增强”了， 这种技术称为轮廓增强。它与轮廓校正的目的与方法是一致的。孔阑效应的特点是对信号频谱的影响反映为高频频福特性衰减，而

54、相频特性不变。所以，无论是轮廓校正或增强，其实质都是提升幅频特性的高频端，而不改变其相频特性。方法是首先取出图象信号中与有亮度突变的图象轮廓边缘相对应的部分，经加工处理后再加到信号中去， 以补偿该部分因孔阑效应而造成的边缘模糊，提高图象的清晰度。 轮廓校正通常由水平轮廓校正和垂直轮廓校正两部分组成。这里只介绍水平轮廓校正（增强）的方法。关于垂直轮廓校正的基本思想与水平轮廓校正是一致的。图 4.4-5 示出了水平轮廓校正的电路方框图与波形图，图 m 1（ t ）是一个水平孔阑畸变的图象信号，前后沿较差。 m 1（t ）通过低通滤波器后变成为失去更多高频分量的 m 2（t ），因此前后沿更坏，使

55、m 1（t ）减去 m 2（t ），便得到一个行轮廓信号 m 0，把 m 0 加到 m 1（t ）中去就得到水平轮廓鲜明的图像信号。为了使轮廓信号不发生相位畸变，因此， m 1 在与 m 2 相减前先经过一个延时线以均衡低通滤波器所延迟的时间。由于混在校正信号 m0 的杂波可以切除，故因校正而引入的杂波很小。彩色校正节曾指出，为了正确重视被摄景物的彩色，摄象机的光谱响应特性应与接收端显象三基色的混色曲线相一致。图 2.4-3 表明，显象管的三条混色曲线中，每条曲线除了各自具有的正主瓣外， 还有正次瓣、 负次瓣。摄象端的摄象特性都只能提供出近似的主瓣响应（主要靠分色棱镜），提供正次瓣响应是困难的

56、，提供负次瓣响应更不可能，因此，不采取补偿措施，重现的颜色必然会产生失真。解决这个问题的方法称为彩色校正， 通常有两种方法： 其一是修正法， 或称缩窄主瓣法，其二是线性矩阵法。一、修正法对比公式（ 2.2-20 ）和（2.4-22 ），假如摄象机的光谱响应曲线与显象管混色曲线相同，则 R0 Re，G0Ge，B0=Be。由于实际的摄象机光谱响应曲线无负值存在，故有 R0Re，G0Ge，B0Be。为此，应将实际摄象机的光谱曲线中靠近负次瓣的正主瓣部分也去掉一小部分，使正主瓣去掉的面积大致等于负次瓣的面积，如图 4.4-6 所示。从而达到 R0Re， G0Ge，B0=Be的目的。二、线性矩阵法线性矩

57、阵法是在视频通道中采取措施，从电路上产生出相当于次瓣的电压加到主瓣电压中去。 观察图 2.4-3 可知（ l）负次瓣对应于 （l）的主瓣范围内，（ l）的正次瓣对应于（ l ）的主瓣范围内。因此，若将彩色摄象机的绿色信号电压 G 引出一路来，乘以合适的系数 b 并倒相，就可当作（ l ）的负次瓣应具有的电压；又将蓝色信号电压 B 引出一路来，乘上合适的系数 c 后，就可当作（ l ）正次瓣应具有的电压。对于（ l ）和（ l ）的负次瓣，可以类似地处理，于是得（ 4.4-8 ）式中，、是经过线性矩阵校正彩色后的电压， R、 G、B 是未经彩色校正的摄像机输出电压。 a、b h、 i 是 9 个

58、矩阵系数。其中 a、b、i 是各路本身信号的系数，通常在 11.5 范围内，其余 6 个必小于 1，且 b、 e、 f 、 h 必为负值， c 必为正值， g 可能是正或负（ g 一般为负值），视设计而定。这些关系从图 2.4-3 可以看出来。为了保持白平衡，对于基准白色，三路摄像机输出信号等（假设等 1）。彩色校正后的三路输出信号也应该具有而保持白平衡不受影响，故应有R、G、B 幅度通常调到相RcGcBc1 的关系，由此表明，9 个矩阵系数中，只有6 个独立的。应用线性矩阵的关键，是正确地选定矩阵系数。 然而矩阵系数的确定与照明光源、优选的被摄景物颜色、 变焦距镜头、 分色棱镜和摄象管等因素

59、有关， 它们的最佳值是用电子计算机来求得的。 如果矩阵系数数值不当， 效果可能适得其反， 出现更严重的颜色误差。 然而，若矩阵系数确为最佳， 事实证明可使重现颜色逼真度大为提高。在实际中，通常选择若干种（ 20 种左右）对人眼敏感的颜色（如肤色等）进行试验，根据实际效果进行调整，最后确定矩阵系数的最佳值。彩色校正矩阵电路的实现并不复杂，利用倒相放大器 （可以获得不同极性的信号输出）和电阻矩阵网络（保证各信号的比例关系）即可组成。当各电阻值调到恰好符合矩阵系数要求后， 在摄像机工作过程中， 将不再调整， 故这种彩色校正也称为固定彩色校正。由于靠线性矩阵提供的次瓣形状并不与理想的十分相符， 所以经

60、校正后得到的光谱响应曲线还是同（ l ）、（ l ）、（ l ）有一定出入的，也就是说，要求电视系统完全准确地重现出景物的彩色图象，事实上是不可能的。校正一、 g 校正的必要性节中曾指出，光电转换特性的非线性会引起图象非线性失真，它表现在两个方面，其一是灰度失真， 即电视图象亮度层次的压缩与扩张；其二是色度失真。图 4.4-7 示出灰度非线性失真的情况，设被摄景物是图（ b）所示的一幅亮度逐级均匀变化（共包括六个灰度级）竖条图案，其亮度变化示于图（c）。当系统按图（ a）中的的转换特性，进行传输时，重现 度将如图（ d）所示，即亮度区对比度大，暗区对比度减少。 如果系统有的转换特性， 则重现图象的亮度变化将如图（ e）所示，此时亮区对比度，减少而暗区对比度加大。产生前一种情况的系统，称为具有亮度（级数）均匀