2彩色电视摄像机(1)

教育电视系统2彩色电视摄像机1电视摄像机的发展2彩色摄像机的分类3彩色摄像机的基本组成4摄像机的主要性能指标5摄像机的主要附件6摄像机的调整与使用7CCD摄像机中的新技术与新功能2.1电视摄像机的发展电视摄像机发展经历：（1）20世纪30年代到60年代初，电子管时期。1933年第一支具有实用价值的全电子化摄像管问世，从此，电视摄像技术便由原始的机械电视时期进入了电子电视时期。1946年超正析像管正式用于广播电视中的三管式彩色摄像机之后，彩色摄像技术便揭开了新的一页。随着摄像管技术的发展，60年代初，氧化铝摄像管研制成功，在灵敏度、信噪比以及分辨力等方面都明显优于超正析像管，更适合于彩色摄像机，使彩色摄像技术又有了新的发展。（2）20世纪60年代到70年代末，晶体管和集成电路时期。60年代后期，由于荷兰飞利浦公司研制成功了25.4毫米（1英寸）氧化铅摄像管，为彩色摄像机小型轻量化以及扩大应用范围创造了必要条件，紧接着两管及单管摄像机也应运而生。（3）20世纪80年代初到80年代末，大规模集成电路时期。（4）20世纪90年代以后，数字和电荷耦合器件CCD(ChargeCoupledDevice)摄像机时期。2.2彩色摄像机的分类2.2.1按摄像器件的类型分类（1）真空管摄像机（2）固体摄像机2.2.2按用途分类（1）广播电视用摄像机(用于电视台和节目制作中心，清晰度700-800线，信噪比60dB以上)（2）专业用摄像机(业务级摄像机一般常用于教育部门的电化教育及工业监视等系统中)（3）家用摄像机(在教学中也常使用此档级的摄象机制作节目或开展微格教学等)（4）特殊用途摄像机(航天探测、商业监视、图像通信)2.2.3按摄像器件的数目分类（1）三管和三片摄像机（2）两管和两片摄像机（3）单管和单片摄像机2.2彩色摄像机的分类2.2.4按摄像器件的尺寸分类（1）1¼英寸（2）1英寸（3）²/3英寸（4）½英寸（5）l/3英寸（6）¼英寸2.2.5按功能分类（1）普通摄像机——只有摄像功能（2）摄录一体机——摄像机和录像机结合成一体的设备。可分离型：是摄像机配以附加器件，可单独作为摄像机用；不可分离型：是摄像机与录像机完全组合成一个整体，不可分离。摄录一体机有多种档次，高档的一体化摄录机可用于电子新闻采访，家用摄像机一般是低档的一体化摄录机。2.2彩色摄像机的分类2.2.6按使用场所分类（1）台式摄像机：演播室制作（ESP）摄像机或转播车用摄像机。（2）便携式摄像机：电子现场制作（EFP）摄像机；电子新闻采访（ENG）摄像机；家庭用摄像机。2.2.7按清晰度等级分类（1）标准高清晰摄像机：现行电视体制下，清晰度在250~850电视线之间。（2）高清晰度摄像机：高清晰电视体制下，清晰度一般在1000电视线以上。摄像机图片展示2.3彩色摄像机的基本组成2.3.1基本组成摄像机的基本工作原理：利用三基色原理，通过光学系统，将景物的彩色光像分解为3幅单色光像，然后由摄像器件完成光电转换，并经过视频通道进行校正、处理、编码后形成所需的复合信号、分量信号等。2.3彩色摄像机的基本组成2.3.1基本组成2.3彩色摄像机的基本组成2.3.1基本组成彩色摄像机的基本组成(以三片CCD摄像机主流为例)：(1)光学系统：组成由变焦镜头、分色棱镜和滤色片。作用是成像、分色、改变入射光的强度和校正摄像机的光谱特性等。(2)摄像管系统：组成由CCD和CCD驱动电路。作用是将红、绿、蓝三色图像转换为R、G、B三路图像信号。(3)视频信号处理系统：组成视频信号放大与处理电路。作用将个摄像管输出的微弱信号取样保持、放大和各种加工处理(γ校正、黑色校正、孔阑校正、彩色校正等)，使输出的图像信号复合编码要求。(4)编码器及同步信号发生器：编码器作用将RGB三路基色信号按所采用的彩色电视制式要求，通过混合矩阵、平衡调制器等电路处理，得到合乎标准的亮度信号、分量信号和彩色全电视信号。同步发生器作用产生摄像机所需要的各种消隐脉冲、箝位脉冲、行场同步脉冲及色副载波等。(5)寻像器、音频电路等。2.3彩色摄像机的基本组成2.3.2光学系统摄像机光学系统由变焦镜头、分色棱镜和各种滤色片组成。1.变焦距镜头变焦距镜头是在一定范围内改变焦距的镜头，最简单的变焦距镜头是由两片透镜组成。摄像机的组成框图2.3彩色摄像机的基本组成2.3.2光学系统1.变焦距镜头变焦原理：1/f=1/f1+1/f2-d/f1f2当f1和f2一定时，改变d，就能使f相应变化。若采用一个凸透镜（f1=+1）与一个凹透镜（f2=－1）组合，则f=1/d，要比采用两个正透镜的组合透镜变焦比大。2.3彩色摄像机的基本组成2.3.2光学系统1.变焦距镜头变焦距透镜结构2.3彩色摄像机的基本组成2.3.2光学系统2.光圈光圈是一个可以改变中央通光孔径大小的孔径光阑，又称可变光阑。相对孔径:A=D/fD镜头实际的有效孔径，f焦距光圈指数：F=1/A=f/DF值越小，透光能力越大。2.3彩色摄像机的基本组成2.3.2光学系统3.色温滤色片和中性滤色片(CC/ND)由于景物呈现的色彩与照明光源的色温有关，要使画面色彩重现正确。人眼感觉色彩还原最真实的色温是3200K。利用色温滤色片(CC)的光谱响应特性来补偿因光源色温不同引起的光谱特性变化。①3200K照明色温②4800K色温③插入色温滤色片CC中性滤光片(ND)的作用是减弱进入光学系统的光强度，即光通量，而不改变光谱特性，以达到一定的艺术效果。2.3彩色摄像机的基本组成2.3.2光学系统4.分色棱镜(分光镜)由被摄景物来的光通过变焦距镜头后进入分色镜，分成红、绿、蓝三束光，并在适当位置上为摄像器件所接收。常用的分色形式，一种是把二向分色膜镀在透明的玻璃平板上，称平板分色系统；另一种是将二向分色膜完全埋入玻璃里变成棱镜结构，称为棱镜分光系统。无论那一种系统均是利用分色膜的分光原理。动画演示2.3彩色摄像机的基本组成2.3.2光学系统4.分色棱镜(分光镜)分光原理：光程是光在介质中所走的路程与该介质的折射率的乘积，光线F1与F2经过的路程不一样，产生光程差δδ=n0(AB+BC)-n1AD22120sin2nnd当δ=mλ（m=1,2,3,4,……）时，两路反射光之间的相位差为0，此时分色膜上反射光强度最强。当δ=mλ/2（m=1,2,3,4,……）时，两路反射光之间的相位差为180°,此时分色膜上的反射光强度为0，光线全部透过分色膜。因此，如果想使某一色系的光（如红光分量）完全透射或完全反射，可选择厚度d不相同的若干层色膜，使用多层的镀膜技术。2.3彩色摄像机的基本组成2.3.2光学系统4.分色棱镜(分光镜)2.3彩色摄像机的基本组成2.3.3摄像器件摄像器件主要完成光电转换作用，有真空摄像管、固体摄像器件两大类。真空管：必须设置聚焦与偏转控制系统，以控制摄像管内电子束准确而且从左到右、从上到下的行、场扫描规律对靶面进行正确扫描，保证电子束很细，从而获得清晰的图像。结构复杂、体积大、耗电、重合精度不高。固体摄像器件：金属氧化物半导体MOS器件、电荷耦合CCD器件、电荷驱动CPD器件。画面均匀性好、灵敏度高、几何失真小、重合精度高、小而轻等。摄像机的组成框图2.3彩色摄像机的基本组成2.3.3摄像器件真空管2.3彩色摄像机的基本组成2.3.3摄像器件CCD固体摄像器件2.3彩色摄像机的基本组成2.3.3摄像器件1.CCD器件的结构及工作原理•CCD的单元结构在P型硅上涂一层SiO2薄膜作为绝缘层，在SiO2上淀积一个透明的金属电极，形成金属氧化物半导体(MOS)结构，称为一个CCD单元。2.3彩色摄像机的基本组成2.3.3摄像器件1.CCD器件的结构及工作原理•工作原理(1)势阱形成在电极(栅极)上加一个正电压，它所形成的电场排斥P型硅中的多数载流子，在电极下构成一个电荷耗尽区，而在SiO2-P型硅截面上形成一个可以存储少数载流子的势阱，偏压越大势阱越深。(2)光电转换和电荷储存当透过透明金属电极的光线照射在P型硅半导体上时，在硅晶体内会激发电子——空穴对，在耗尽区的电场作用下，空穴流入P型衬底，电子被收集到由MOS结构所形成的势阱中，形成电荷包。势阱中所捕获的电荷数目与该处的光照强弱成正比，光越强，相对应的势耕所捕获的电子数越多。这样，就完成了光电转换和电荷储存。2.3彩色摄像机的基本组成2.3.3摄像器件1.CCD器件的结构及工作原理（3）电荷的转移和输出线阵CCD结构与电荷转移三相驱动时钟脉冲电压CCD三相转移视频2.3彩色摄像机的基本组成2.3.3摄像器件1.CCD器件的结构及工作原理（3）电荷的转移和输出由于经过势阱所能传递的电荷数量很小，在输出端取出的信号很弱，所以，将MOS场效应放大器直接接到CCD的输出端。一般在MOS场效应管的控制栅极与CCD输出端相连之间有一个MOS电容的金属电极，如图中的HOG电极，在其上加不同的控制电压，可控制电荷包在适当的时刻从V3电极下转移到MOS场效应管的控制栅极，这个电极称输出栅。同时，它对V3电极的脉冲和输出场效应管起到隔离作用。CCD输出结构视频2.3彩色摄像机的基本组成2.3.3摄像器件2.CCD摄像器件的主要类型用于摄像机的光电转换器件，必须能够同时接收一幅完整的光像，因此就不只是接收光像中排在一条线上的列像点，而是二维阵列，即面阵。面阵CCD器件按信号电荷的传输方式可分：（1）行间转移式(IT)CCD摄像器件；（2）帧间转移式(FT)CCD摄像器件；（3）帧-行间转移式(FIT)CCD摄像器件。2.3彩色摄像机的基本组成2.3.3摄像器件2.CCD摄像器件的主要类型（1）行间转移式(IT)CCD摄像器件结构2.3彩色摄像机的基本组成2.3.3摄像器件2.CCD摄像器件的主要类型（1）行间转移式(IT)CCD摄像器件原理：场正程期，感光单元完成光电转换并积累电荷；场逆程期，受转移栅控制，电荷被快速转移到对应的垂直移位寄存器；下一场正程期，感光单元重新积累电荷，同时垂直移位寄存器中存储的电荷在每个行消隐期间垂直下移，将电荷送入水平移位寄存器；行正程期间，将水平移位寄存器中的电荷读出。IT型CCD工作原理演示2.3彩色摄像机的基本组成2.3.3摄像器件2.CCD摄像器件的主要类型（2）帧间转移式(FT)CCD摄像器件结构原理：场正程期内，电荷积累在成像区；场逆程期，成像区的整场电荷快速转移到存储区；下一场正程期，成像区积累新电荷，存储区所存前一场图像电荷，在行逆程期间，将一行光生电荷送进读出寄存器；行正程期间，使一行电荷向输出结构依次转移。动画演示2.3彩色摄像机的基本组成2.3.3摄像器件2.CCD摄像器件的主要类型（3）帧-行间转移式(FIT)CCD摄像器件结构原理：场正程期，成像区形成电荷包；场消隐期，电荷包首先快速一次转移到垂直寄存器中，紧接着又快速转移到下面的存储器（场存储）。下一场正程期间的工作情况与帧转移方式相同。动画演示2.3彩色摄像机的基本组成2.3.4视频处理摄像机的组成框图2.3彩色摄像机的基本组成2.3.4视频处理1.预放器作用：视频通道中的第一级放大器，又称之为前置放大器，使微弱的电信号放大，便于后期输出。摄像器件和光学系统选定以后，输出视频图像所能达到的极限清晰度、图像的亮度变化范围、图像彩色平衡的稳定性和电视图像的信噪比等方面的质量指标，主要由预放器提供保证。要求：要求预放器具有低噪声、高增益、线性工作范围宽、良好的频率特性，其中低噪声的重要性居首位。2.3彩色摄像机的基本组成2.3.4视频处理1.预放器预放器的噪波主要来源于三个方面：摄像管本身的电子器件产生的噪声电流，在理想情况下，对预放器总的信噪比影响不显著；输入电路中等效输入电阻所引起的起伏噪波；预放器第一级放大器所产生的噪波。预防器中噪波的特征：在高频部分噪波会增大，引起高频信噪比的下降，输出电压会下降。解决方法:反噪波校正2.3彩色摄像机的基本组成2.3.4视频处理2.增益选择与控制增益控制的目的：保证重现亮度的需要。