电视原理与系统>>第三章广播电视系统>>第二节电视信号的产生

      (1)分辨率要高。好的水平分辨率可达750线，差的也不能小于300线
      (2)彩色逼真，轮廓清晰，灰度分明。
      (3)失真与干扰要小
      (4)灵敏度要高。较好的摄像机的灵敏度约在40lx左右。
      (5)镜头口径及变焦比要高。一般采用10～15倍的变焦镜头即可。
      (6)使用特性要好。这要求调节简单，使用灵活方便及小型轻便等。

      在演播室里，为了得到不同景深及特写镜头，通常设置多台摄像机。
  1．彩色电视摄像机的基本组成
       按光 ─ 电转换器件分，彩色摄像机主要有固体摄象机和光电导管摄象机两种。一般构造类如下：
      (1) 摄像机头。包括镜头、分光系统、摄像管、预放器、扫描电路、寻像器、电源及附届设备等。
      (2) 视频信号处理部分。主要包括视频放大、增益调整、白电平调整、黑电平调整、电缆校正、黑斑校正、轮廓校正、彩色校正、γ校正、杂散光补偿、矩阵电路及消隐电路等。
      (3) 编码器、同步机和彩条信号发生器。

图3－2示出了三管式摄像机的基本构成。

  2．摄像器件
      摄像管是摄像机的关键器件之一，它完成光电变换作用，其性能指标关键性地决定了电视系统图象信号的质量。摄像器件的主要特性参数有：灵敏度、光谱特性、光电变换特性、分解力、惰性、信杂比、抗灼伤能力、工作寿命、耗电、可靠性等。
      常见的有光电导摄像管和固体摄像器件。氧化铅光电导摄像管是一种具有半导体氧化铅（PbO）光电导层的电子束管，它是按电荷储能原理工作的。这种摄像管应用内光电效应，由光的作用控制储能单元的充放电过程。它的基本结构和工作原理以在第一章讨论过，这里着重讨论固体摄像器件CCD。
      (1)CCD的工作原理
      CCD是电荷耦合器件（Charge Coupled Device）的简称，它是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件。与光电导摄像管相比，具有以下特点：

CCD器件的单元结构

在P型（或N型）硅单晶衬底上采用氧化工艺在表面上形成一层很薄的优质二氧化硅（SiO2）,再在其上蒸发一层间距很小的金属电极，形成金属－氧化物－半导体结构。在电极上加适当的正（或负）偏压，它所形成的电场穿过SiO2层排斥衬底里的多数载流子 — 空穴（或电子），从而在电极下形成一个电荷耗尽层。这个耗尽层又会利用形成的电场把少数载流子吸引并储存到SiO2-Si的界面附近，因此，常把这个耗尽层称为“势阱”。偏压越高，势阱越深。

CCD的工作原理

包括光电转换与信号电荷的积累、电荷转移和电荷输出三个步骤。
a)光电转换和电荷积累。

当硅晶体受到光照射时，半导体由于光激发，在晶体内部会产生电子－空穴对。由此产生的电子会在电场的吸引下落入势阱内而储存起来，形成电荷包。势阱内储存的电荷的数目与该处所受光照的强弱成正比。

b)电荷转移。

以三相CCD为例，说明电荷转移过程。CCD上的电极每隔三个连在一起，由图3-5FLASH所示的三相时钟脉冲（或称寻址转移信号）驱动。
当t=t1时，V1为高，V2、V3为低，在V1的各电极下形成势阱，在势阱内存储的电荷包与景物光的像素相对应。当t＝t2时，V1开始下降，V2变为最高，于是原来存放在V1的各电极下的势阱内的电荷包就会向V2的各电极下的最深势阱转移。到t3时刻，电荷包转移完毕。接着，V2下降，V3为最大，电荷包又从V2电极下的势阱中转移到V3电极下的势阱中，依此类推。在时钟脉冲的作用下，电荷将不断向右移动，从而完成电荷的转移。由此可见，CCD实质上可等效于一种移位寄存器，在时钟脉冲作用下，以移位寄存器方式工作。

c）电荷的输出

每个象素下面势阱内的电荷包通过转移后，顺序向外电路输出，并转换成信号电流或电压的形式，由外电路放大和处理。常用的电路结构是反偏二极管CCD输出方式。如图3-6所示，

在一个作为负载的电容上可得到相应的离散的负极性脉冲电压，形成负极性图象信号。

(2)CCD摄像器件
CCD摄像器件主要有线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD可以同时储存一行电视信号；面阵CCD可以同时接受一幅完整的光像如图3-4。面阵CCD有行间转移（IT）型、帧间转移（FT）型和行帧间转移（FIT）型三种。

①行间转移（IT）型

图3-8示出行间转移式CCD基本结构。它在垂直方向有上下排列的感光单元组成的感光列，沿水平方向上有许多感光列。受光照时，每个感光单元产生光电子。由于感光单元上加有正电压，光电子存储在感光单元内。

      在感光单元列的左侧是垂直转移寄存器，它们上面有遮光层，不能感光。在垂直转移寄存器上加有脉冲电压，能控制电子的存储和转移。
      在图的下部沿水平方向放置的是水平转移寄存器，它上面加有驱动脉冲，可使电荷经过它向输出端转移。在它的输出端，电荷转变成信号电压送到放大器去。
      在电视场扫描的正程期间，光图像在CCD感光部分形成电荷像，每个感光单元内都存储一电荷包，其电荷量与该点照度成比例。在场逆程期间，，全部电荷包迅速从感光列转移到其左侧的垂直转移寄存器中。在下一个场正程时，一方面在感光列产生新的电荷像；同时，上一场的电荷包在垂直转移寄存器中一行行地向水平转移寄存器转移。在每个行逆程期间，向水平转移寄存器移进一行电荷包；在行正程期间，水平转移寄存器中的电荷包逐一向CCD输出端转移，并形成信号电压送到外电路。每个电荷包的转移都是靠时钟脉冲的作用完成的，移动速度完全是恒定的，输出图像扫描线形很好。（图3-9FLASH）

②帧间转移（FT）型

FT式CCD结构如图3-10所示，

它分为感光区和存储区两部分。感光区能够感光，产生电荷像。感光单元一列列紧密排列，两列之间只有阻挡层，没有垂直转移积存器。存储区与感光区像素（CCD单元）数目相同，但它是被遮光的。在场正程期间，光图像在CCD感光区形成电荷像。在场逆程期间，，全部电荷包从感光区迅速转移到存储区内，并存储在那里。在下一场正程时，电荷包从存储区逐行转移到水平转移寄存器。与行间转移式CCD一样，在行消隐期间向水平转移寄存器转移一行电荷包，在行正程期间，一行电荷包经水平转移寄存器移到CCD输出端，形成信号电压输出。（图3-11FLASH）
由于FT式CCD的感光区与存储区是分开的，所以感光区上面的光几乎全部被利用。CCD灵敏度和分辨率与光敏单元的面积大小及疏密相关，而IT式CCD的感光面内包含有垂直转移寄存器，感光面积与总面积之比只有35%左右，所以FT式CCD的灵敏度和分辨率都较高。
广播用IT式CCD的尺寸，一般为2/3英寸，FT式CCD一般采用1/2英寸。

③行帧间转移（FIT）型

图3-12示出帧行间转移式CCD结构。图中上部的结构与行间转移式的相同，下部与帧间转移式存储区部分一样，它与感光单元的结构和数量完全一致。 FIT式的光学图像转换成电荷像的过程与IT式完全相同。但是，在场逆程期间，电荷包从感光单元转移到垂直转移寄存器后，有立即转移到存储区，即在垂直转移寄存器中停留的时间极短。以后的过程与FT型CCD相同。（图3-13FLASH）

(3)垂直拖尾
由于每个CCD单元既是一个光敏元件又是一个移位寄存器的组成单元，在短暂的转移期内连续射入的光学图像“污染”正被转移的电荷。尤其是在成像区中只有一小部分被强光照射时，图3-14所示，只有一个小正方形被强光照射时，在帧转移时正方形以上的的区域产生的电荷要经过这个正方形区域，因而都增加了少许电荷。这就相当于增加了这些像素的亮度，故在重现图像的正方形上方出现一条垂直亮带，这就是垂直拖尾。

        无论FT CCD还是IT CCD都存在垂直拖尾现象，但是它们产生的原因不同。FT CCD的垂直拖尾是在电荷从成像区向存储区转移的过程中产生的。而IT CCD是在电荷从垂直转移寄存器中逐行地向水平转移寄存器转移时，斜射到CCD的强光会漏进垂直转移寄存器产生电荷，这些电荷就会不断添加到通过高亮点的电荷包，形成垂直拖尾。
        为了克服垂直拖尾，应减少电荷从垂直转移寄存器向水平转移寄存器转移的时间，这样受强光照射产生的电荷就少，电荷包转移过程中，只有极少的电荷添加进去，重现图像也就不会有明显的垂直亮带。FIT CCD的电荷包从垂直转移寄存器转移入存储部分速度比IT式快上千倍，所以FIT CCD可以将垂直亮带减到很轻的程度。
      (4)动态分辨率与电子快门
        电视摄像机在拍摄快速运动物体时，图像易模糊，这就要求摄像机缩短曝光时间。在CCD摄像机中。可以控制每个像素的电荷积累时间以控制入射光在CCD片上的作用时间，也即在每一场内只将某一段时间产生的电荷作为图像信号输出，而将其余时间产生的电荷排放了，不予使用，这样，缩短了积累电荷的时间，就相当于缩短光线照射CCD片的时间，如同加了快门一样，这就是电子快门。如图3-15

        使用电子快门，提高了图像动态分辨率，但由于缩短了曝光时间，势必也减小了视频信号的电平，这就相当于降低了摄像机的灵敏度。
      (5)CCD摄像机
      它分为三片式、二片式和单片式。

三片式摄像机的基本组成与一般三管式彩色摄像机的组成类似，只是用CCD面阵代替了真空摄像管。当然，为了使CCD面阵正常工作，还需要有各种时钟驱动脉冲、开关信号和偏置电压以及为补偿疵点的缺陷补偿电路。此外由于面阵输出的使离散的脉幅调制(PAM)信号，因此，还需要有取样保持电路来完成由离散脉冲信号到连续模拟信号的转换。

      三片式CCD摄像机的分解力较高、价格昂贵，是一种高性能的摄像机。单片式CCD摄像机用一片CCD面阵就可获得R、G、B三基色信号，其结构更加简单，体积和价格都比较合适，是目前新闻采集和家用的比较理想的摄像工具。
  3. 光学系统
      彩色摄像机的光学系统主要由(1)变焦距镜头、(2)分色镜、(3)中性滤光片和(4)色温滤光片组成。如图3－16

(1)有变焦距镜头的摄像机，能在拍摄点不动的情况下，缓慢或快速地连续改变摄取场面的大小。变焦镜头的变焦比(最大焦距与最小焦距之比)在演播室内一般在10左右，在室外还要更大，可达30左右。

(2)分色镜是摄像机中的分色系统，主要有双向平面镜和棱镜面种类型。棱镜用得最为普遍。它是在一个玻璃三棱镜的一个表面上镀上多层干涉薄膜，利用光的干涉原理使某些光谱的光从薄膜反射出去，而其它光谱的光则透过薄膜，从而达到分色的目的。
如图3-17所示，分光棱镜的的第一分色面Mg反射出绿光G，第二分色面Mb反射出蓝光B，红光透过两个分色面。Fr、Fg、Fb称为谱带校正滤色片，其作用是补偿“色渐变”效应和吸收指定谱带以外的光波。各种分光棱镜的分光次序是不同的。

(3)加入中性滤光片，是为了实现不减小光圈而又要减小光通量的目的。对中性滤光片的要求是衰减量合适，光谱响应持性平直。

(4)在变焦镜头与分色镜头之间加入色温滤光片，利用色温滤光片的光谱响应特性可以补偿因光源色温不同而引起的光谱特性的变化，从而在不同的照明光源条件下都能正确地重现彩色。

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3.2.2　飞点影片扫描器

对于透明的彩色幻灯片或影片的扫描和重现，可以用幻灯机或电影放映机把透明片子上的影像投射到彩色摄像机的靶面上，不要银幕，这样光电变换的效率高。这里的摄像机，其组成的工作原理与图3－2所示的摄像机类似，但在对片子上的影像进行摄取时，要求三个摄像管的扫描必须完全重合。因此，在摄像机中需要配备相应的调整和校正系统。这类设备称作电视电影摄像机。
在电视电影摄像机中常常用到的一种设备叫飞点影片扫描器，简称飞点扫描器FSS。其组成和工作原理如图3－7所示。

所谓“飞点”，顾名思义，就是飞快移动的光点，她时又飞点扫描管中电子束宏基荧光屏而激发除的光电，它按电视扫描规律在荧光屏上移动，从而形成一个恒定亮度的光栅。光电通过镜头投射到片子上，透过片子的光点，其亮度和色度被片子上相应点的亮度和色度所调制。放置于片子后面的二向色分光棱镜把透射光分解为R,G,B三种基色光。任一光点分解的三个基色光，其亮度变化最后由三只光电倍增管分别变换姓衡R,G,B三个基色信号。

飞点扫描器的最大优点在于，三个基色信号在时间上完全一致。

这是因为，三个基色光任何时候都是由同一个光点分解出来的。所以图像上不存在彩色重合误差。但是，片子上画面的密度对重现图像的信杂比由影响。

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3.2.3　录放像机

电视台播放的节目，除直播和转播外，大部分节目是对已记录和存储的节目的重放。在电视节目的存储方面，随着视音频数字压缩技术的发展，作为它们的存储介质已经从单一的磁带，转为磁带、光盘和硬盘三种，相应的视频录放设备有磁带录像机、光盘录像机和硬盘录像机三种。但是具有记录、重放和编辑功能的磁带录像机，目前仍是电视台节目制作与播出的重要设备。
视频磁带记录就是把视频电视信号以剩磁的形式记录在磁带上。存储记录方式可以是模拟式，也可以是数字式。

数字式有许多优点，如失真、杂波小和复录对图像质量影响小，可采用多磁头并录放技术来解决最短记录波长及磁带—磁带相对速度的最高值受限问题等。

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