摄象器件与显象器

1、苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 2.器件器件 3.主要特性主要特性 5.调制特性与调制特性与 电视系统电视系统 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 .摄像、显像器件是电视系统摄像、显像器件是电视系统 的的设备。设备。 .在进行在进行的同时完成光的同时完成光 电电 .是是最的图像最的图像 来源。来源。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 . 原理原理 . 摄像管摄像管 光敏固体光敏固体 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 材料，受材料，受释放出自由电子释放出自由电子 类类 型型 电子运动方式电子运动方式 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 成像镜头成像镜头 光导靶面光导靶面 偏转

2、装置偏转装置 对应电像对应电像 电子束电子束 像素尺寸像素尺寸 HV扫描扫描 图像信号图像信号 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 . 结构结构 . 面阵面阵CCD摄像器件摄像器件 行间转移方式行间转移方式 . FT方式方式 帧行间转移方式帧行间转移方式. 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 l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M OS(金属-氧化物-半导体)结构。 lCCD摄像器件是金属-氧化物-半导体(MOS)结构 的有序排列,具体说

3、,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100 mm厚的Si02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, 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 * 硅光敏硅光敏材料材料 * 结构结构 * 注入注入电荷电荷 *驱动驱动 有序有序取出取出 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 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。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 氧化物氧化物 半导体半导体 硅光敏材料硅光敏材料 - 绝缘层绝缘层 载流子载流子 正

4、电压正电压 形成电子势阱形成电子势阱 注入注入 + + 光 - - 电荷包 电荷耗尽区 （势阱） 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 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。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 势阱势阱 矩阵矩阵

5、 H V 积累积累与与 和和正比正比 时钟脉冲时钟脉冲 输出输出， 有序读出有序读出 电荷转移电荷转移方式方式 IT、 和和 三种。三种。. 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 + 垂直位移寄存器垂直位移寄存器 + 水平位移寄存器水平位移寄存器 1场像素场像素注入电荷注入电荷 ： 1场电荷场电荷移入移入 输出输出电荷电荷 行逆程：行逆程： 电荷电荷. 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 + 存储单元矩阵存储单元矩阵 + 读出寄存器读出寄存器 1场像素场像素注入电荷注入电荷 ： 1场电荷场电荷移入移入 下移下移 输出输出电荷电荷 行逆程：行逆程： 电荷电荷. 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 +垂直位移寄

6、存器垂直位移寄存器 + 存储单元矩阵存储单元矩阵 + 水平位移寄存器水平位移寄存器 1场像素场像素注入电荷注入电荷 ： 1场电荷场电荷先移入先移入 再移入再移入 输出输出电荷电荷 行逆程：行逆程： 电荷电荷. 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 优优 点点 缺缺 点点 主要用途主要用途 - 结构简单结构简单 普及型机种普及型机种 高光点垂直拖尾高光点垂直拖尾 FT帧间帧间 无垂直拖尾无垂直拖尾 结构复杂结构复杂 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 . 靶面对角线尺寸靶面对角线尺寸 .分辨力分辨力 .灵敏度灵敏度 . 快门速度快门速度. (7)其它参数与发展其它参数与发展 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院

7、 对角线对角线 主要用途主要用途 - 2/3英寸英寸 高档机种高档机种 有效像素较少有效像素较少 造价较低造价较低 1/3英寸英寸 低档机种低档机种 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 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 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

8、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。 分解力 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 有效像素有效像素： 信号带宽信号带

9、宽 调制度调制度 %： TVL 图像信号调制度M 调制度调制度 A %.A %. 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 光通量为光通量为1lm1lm、色温为、色温为3200K3200K的白光投射到的白光投射到CCDCCD上所产生的电流定为上所产生的电流定为CCCC D D的灵敏度。的灵敏度。 光电转换光电转换灵敏度：灵敏度：输出输出/ 输入输入光通量光通量. 描述：光圈描述：光圈f=？光照度？光照度Lux？% CCDCCD的灵敏度与以下因素有关的灵敏度与以下因素有关: : (1)(1)开口率开口率, ,即感光单元面积与一个像素总面积之比。开口率对灵敏度影即感光单元面积与一个像素总面积之比。开口率对灵

10、敏度影 响很大响很大, ,开口率越大开口率越大, ,灵敏度越高。开口率大小与灵敏度越高。开口率大小与CCDCCD类型有关类型有关, ,帧转移式帧转移式 CCDCCD开口率最大。开口率最大。 (2)(2)感光单元电极形式和材料对进入感光单元电极形式和材料对进入CCDCCD内的光量也有较大影响内的光量也有较大影响, ,如多晶如多晶 硅电极会吸收蓝光。另外硅电极会吸收蓝光。另外, ,电极多、面积大也会影响光的透过率。电极多、面积大也会影响光的透过率。 (3)CCD(3)CCD内的杂波大小影响灵敏度。内的杂波大小影响灵敏度。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 输出图像电流输出图像电流对应关系对应关系，

11、. 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 CCD CCD摄摄像器件的像器件的动态动态范范围围取取决决于于势阱势阱能收集的最能收集的最 大大电电荷量荷量与与受受杂杂波限制的最小波限制的最小电电荷量之差。荷量之差。势阱势阱能收能收 容的最大容的最大电电荷量荷量与与CCDCCD的的结构结构、电极电极上所加上所加电压电压大小大小 以及以及时钟时钟脉冲的脉冲的驱动方式等因素有关；随着结构的改驱动方式等因素有关；随着结构的改 进和杂波的不断减小进和杂波的不断减小, ,动态范围己完全达到实用的要求。动态范围己完全达到实用的要求。 图像图像受受 S/N = 杂波电流杂波电流 S/N = 20 lg Vn (dB).

12、 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 1/25秒，秒， 1/25秒快门速度。秒快门速度。扫描时间扫描时间 1/50秒，对应秒，对应1/50秒快门速度秒快门速度 部分部分场正程场正程 积累的积累的，减少，减少电电 荷荷积累时间积累时间，相当于，相当于相应相应 的的。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 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

13、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。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 电子快门的工作原理 电子快门的工作原理如图所示,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

14、累电荷,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1 6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

15、保证输出信号有足够的信噪比,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。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 提高提高 减减 少少电荷电荷 积累积累，降低，降低 灵敏度灵敏度和和 。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 暗电流暗电流-黑斑黑斑 l 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。 l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

16、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。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 彩色还原特性彩色还原特性 lCCD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。 l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。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 EVS/Super EVSEVS/Super EVS l采用帧积累可提高静态

17、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 Dehitio n System)和Super EVS,后者是前者的进一步增 强模式。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 l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。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 高清摄像机高清摄像机CCDCCD技术特点技术特点 l对于高清的摄像机.在产品设计时,CCD

18、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 的摄像机在记录格式为50i、60i时不能作为专业应用,而实 际情况并非如此。在高清系统中，CCD采用了水平/垂直 两个方向的像素偏置方法，采用像素偏置的方法后,必须 再通过DSP数字处理,才能真正达到提高分辨力水平的效 果,将CCD输出的R、G、B原始信号通过

19、像素偏置后处理, 变换后的信号就包含了通过像素偏置得到的高频率图像信 息。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 CCDCCD器件器件发发展展现状现状 l自1970年美国贝尔实验室发明CCD光电传感器件以来,随 着应用的不断扩大,其性能和产量都以惊人的速度发展。 l目前CCD器件的每一个像素面积和开发初期比较起来,己 缩小到1/10以下。另外,虽然CCD器件的像面尺寸在减小, 但其像素数却在增加,已由早期的20万像素发展到目前的5 00600万像素。,现在,在应用CCD的产品中,以数码相机 所占的比重为最高,其次是摄像机,它们占了CCD

20、产品中的 绝大部分。 lCCD摄像机的发展关键是CCD器件的不断创新,从发展历 史看,用于摄像机的CCD器件根据性能不同性能可分为六 代（以日本Sony公司的CCD摄像器件为例)。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 第一代CCD器件 l第一代IT式CCD器件的像素少,每行有效像素数只 有500个,灵敏度低(因溢出漏在感光单元旁边,开 口率低)、混叠失真引起的网纹干扰较严重、垂直 亮带色偏红且严重。另外,由于使用多晶硅作为透 明电极,它吸收蓝光使蓝光灵敏度降低,光谱特性 不好。 l第一代FT式CCD的图像质量稍优于IT式CCD,每 行有效像素为600个,1986年第一代CCD开始用于 专业摄像机。

21、 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 第二代CCD器件 l第二代IT式CCD在感光单元的绝缘层Si02与P型硅半导体 的交界面处形成空穴积累层,它能吸收随机出现在界面上 的热电子,因而可把暗电流减小到原来的1/10,同时,还可作 为感光单元的电极,省去了原来的多晶硅透明电极,从而提 高了蓝光灵敏度,改进了光谱特性。 l另外,在P型半导体下面还增加了一个N型衬底,施加正电压, 形成纵向溢出漏,减小了像素面积,提高了像素密度,使水平 像素数增加到786个。N型衬底还可以吸收P型衬底内的散 乱电子,减轻了垂直亮带,并使亮带不再发红。这种IT式CC D称为空穴积累二极管CCD(HAD CCD)。第二代的F

22、T式C CD对第一代有所改进,每行有效像素增加到784个。第二 代CCD于1989年用于摄像机,其灵敏度为F5.6,水平分解力 达700电视线。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 第三代CCD器件 lFT式和IT式CCD器件第三代的特点都是高灵敏度,在标准状态下工作, 光圈都可以比第二代CCD摄像机减小一挡。第三代FT式CCD是通过 减小CCD内部杂波的方法来提高灵敏度。第三代IT式CCD称为高精 度空穴积累二极管CCD(HyperHAD CCD),用它可使摄像机的光圈 减小到F8。第三代IT CCD的半导体结构与第二代CCD的相同,只是 在它的表面上增加了一层微型透镜(On-Chip Micr

23、o Lens),称为片 上透镜(OCL,Over chip lens)。在感光单元上为凸透镜,垂直转移寄 存器上为凹透镜,这样可将较多的入射光聚集到感光单元上,因而提 高了灵敏度,也减少了漏进垂直转移寄存器内的光,从而减轻了垂直 亮带。使用这种CCD摄像机,在同样场景亮度时,可适当减小光圈,景 深可大些。另外,由于灵敏度的提高,改善了低照度下输出图像信号 的信杂比,并有利于电子快门速度的提高。 l增加微透镜也有缺点: 一是会使空间像素偏置的效果降低,影响图像的清晰度; 二是在加大光圈时,入射到微透镜上的远轴光线不能聚集到感光面上,使 灵敏度受到影响。 l由于IT式CCD的发展,使IT式CCD摄

24、像机的性能有很大提高,过去,为 解决垂直亮带问题,采用FIT式CCD,因而摄像机价格很高。Hyper H AD CCD己把垂直亮带降低到约-110dB,采用FIT CCD的垂直亮带 约为-140dB,Hyper HAD CCD的垂直亮带己减轻到第一代FIT CC D的水平。1991年第三代CCD摄像机投入市场。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 第四代CCD器件 l从发展来看,Sony公司生产的第四代CCD摄像器件有Hype r HAD 1000型CCD、powerHAD CCD、Power HAD 10 00型CCD和Power HAD EX CCD等几种。 l1992年第四代CCD摄像机投入

25、使用,最初是将以前使用的 微透镜加以改良,将镜片的形状最优化,进一步提高了光的 利用率,如图所示,Sony公司称之为SUPER HAD CCD技术。 典型产品是Hyper HAD l000型FIT CCD,总像素数高达62 0 000,有效像素数为980(水平)582(垂直=570360,5 MHz时的调制度达74%(普通HAD CCD的调制度在5MHz 时为64%)。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 第五代CCD器件 l2001年又出现了第五代Power HAD CCD,它在设置微透 镜改善性能的基础上,应用了最新的电路处理技术,进一步 减小了垂直亮带,同时灵敏度也相应得到提高,在光线较暗

26、的环境下,仍然可以获得出色的画面。例如Sony公司生产 的DVW-707P一体化摄录机,采用三片47万像素的Power HAD IT CCD,水平分解力为850电视线,信噪比为63dB。 l后来Sony公司又开发了Power HAD 1000IT型CCD器件, 进一步提高了水平分解力。例如Sony生产的摄录一体机D VW-709WSP和DVW-790WSP,它们都使用三片62万像素 且可进行4:3与16:9转换的Power HAD 1000 IT型CCD,灵 敏度达。高灵敏度CCD和超级增益电路(如+48dB)的配合, 能使摄像机在低于的光线下进行拍摄,其对色彩的识别能 力甚至超过人眼。 苏州

27、科技大学传媒与视觉艺术学院 第六代CCD器件 l以上的CCD摄像器件都有IT型和FIT型产品,但随着技术的不断发展,IT 与FIT技术指标的差距越来越小,为了能够彻底打破IT与FIT的差距,使 广大用户获得性能价格比更高的产品,2004年,索尼开发出第六代的逐 行高清晰的POWER HAD EX。这个CCD本身是IT CCD,它采用了120 万像素、片上透镜技术和最新的半导体技术,因而保证了水平分解力9 00电视线和80%的调制深度,使摄像机的灵敏度达到了F11.0,信杂比 为63dB,垂直拖道降到了-140dB,同时支持逐行扫描记录功能,在整体 技术水平上超过了以往FIT型CCD。Sony的

28、演播室摄像机BVR-E10P 和MPEG MX摄录一体机MSW-900P上都应用了该CCD。 l以往的IT CCD和FIT CCD比较,区别就在于灵敏度和拖尾电平上面。 新的POWER HAD EX CCD和FIT CCD在拖尾电平方面达到相同的水 平。 lFIT CCD有其自身的优点,但同时功耗也比较大。POWER HAD EX C CD在实现了拖尾电平明显改善的同时,也维持了原来IT CCD的低功耗 特点,这也是今后CCD发展的方向。同时,它在结构上实现高速,这比起 FIT又有新的特点,这也是将来IT CCD发展的一个新的方向 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院 lCCD器件分解力的提高(CC

29、D单元高密度化)会造成灵敏度 的下降,所以要采用片上微透镜技术以增强对光线的收集 能力。以前采用在感光单元上设凸透镜,在垂直移位寄存 器上设凹透镜的方法,这一方法不管怎样优化,在照度低而 加大光圈时,入射到微透镜上的远轴光线不能聚集到感光 单元上。为此,Power HAD EX型CCD又在 l改进片上微透镜的基础上,增加了内聚镜,如图324所示,通 过改变入射光的路径提高感光效率,从而进一步提高灵敏 度。另外,Power HAD EX型CCD还采用新的半导体技术, 让硅衬底和电极间绝缘膜(绝缘层)的厚度做得更薄一些,减 少了漏进垂直移位寄存器上的光线,降低了垂直拖道。 苏州科技大学传媒与视觉艺术学院