光电成像技术Chapter9-电视型光电成像系统与特性分析

第八章电视型光电成像系统与特性分析12:33PM1光电成像原理§8电视型光电成像系统与特性分析

完整的电视型光电成像器件应包含基本模块和附加模块两大部分。其中基本模块包括摄像机、发送系统、接收系统和显示器等；附加模块包括视频记录、视频处理等。

基本工作原理：①接收端：用摄像机拍摄外界景物，由摄像成像器件的光电转换作用将景物图像信息按一定规律变换成相应的电信号，并经处理后通过无线电或有线信道传送出去；②接收端：通过接收机接收视频信号，由显示装置的电光转换作用将视频信号按对应的空间关系重现原始景物图像。微光像增强技术+电视技术=微光电视技术。12:33PM2光电成像原理电视系统的组成：开路电视系统：电视系统借助发射端与接收端的天线，传送全电视信号高频电磁波。用于广播电视和军用微光电视系统。闭路电视系统：电视系统直接用电缆或光缆作为视频通道来传送视频信号。军用微光电视多采用此类系统，该系统设备简单、经济可靠、调整使用方便，保密性好。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM3光电成像原理一、黑白图像的传送原理1.图像的分解

电视图像是二维平面图像，由像素组成。黑白电视传输的图像是只有亮度差异的像素集合，可表示为空间和时间的函数：画面像素数目越多则电视图像越逼真，但是像素数的增加受人眼分辨力以及视频制式等因素的限制。由前面的知识基本工作原理可知：被传送的图像分解成许多像素，并将其同时转变成电信号，再由信号通道传送到接收端，在屏幕上转换成光信号，重现原始景物图像。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM4光电成像原理实际传送：图像信号（视频信号）是每个像素在电子束扫描后形成的时间序列脉冲，因此是按时间顺序传送的，即：把传送的图像上个像素的亮度按一定顺序转变成电信号然后依次发送，相当于各像素的亮度变换成以时间为单变量的函数：

接收端：显示屏上按同样的顺序将各个电信号转换为相应位置上的光信号重现原始景物图像。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM5光电成像原理图像信号的传输原理：

发送端：需要传送的光学图像作用于一个由许多独立的光电元件组成的光电板上，形成与光学图像亮度分布一一对应的电子图像；

接收端：具有相同数目的发光元件组成发光板，当传送通道由开关S1依次接通A、B、C时，S2开关也依次接通；像素1、2、3传送到接收端并显示在发光板上；再依次传送后续像素到接收端并显示在相应位置上。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM6光电成像原理传送图像信号的开关要求：

信号传送过程中，要求开关速度必须足够快，以至于在第一个像素引起的视觉刺激消失之前，最后一个像素已产生视觉刺激，这样发光板上才能得到一副完善的图像。实际的电视系统中，传送过程借助于同步扫描实现。2.扫描扫描就是图像分解和复合的过程。所谓扫描就是把图像像素的光信号转变为时间序列的电信号过程，以及将时间序列的电信号重现为光学图像的过程。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM7光电成像原理电视中采用的扫描方式：P368-370（1）逐行扫描（2）隔行扫描§8.1

电视系统的组成与工作原理(1)逐行扫描逐行扫描的优点：图像质量好，扫描电路简单。缺点：要求带宽很宽。所以，逐行扫描只适用于工业电视和未来的高清晰度电视。12:33PM8光电成像原理§8.1

电视系统的组成与工作原理隔行扫描的优点：解决了频带宽度与清晰度之间的矛盾，减低了电视成本.缺点：并行现象：由于扫描电流不稳定和正程线性不好引起。行间闪烁：由于每行的亮度以帧频重现，仔细观察比较亮的线时会感到闪烁。隔行扫描的关键是如何使奇偶场互相恰好地交织，如果隔行不好就会产生并行现象，导致图像质量下降。12:33PM9光电成像原理

隔行扫描时，电子束扫完第1行后回到第3行的开始位置接着扫，直至第625行的前半行；该场即为奇数场。奇数场扫完后接着扫偶数场，第1行的后半行、2、4、…624，这样就完成了一帧(frame)的扫描。由此可以看到，隔行扫描的一帧图像由两部分组成：一部分是由奇数行组成，称奇数场，另一部分是由偶数行组成，称为偶数场，两场合起来组成一帧。因此在隔行扫描中，无论是摄象机还是显示器，获取或显示一幅图像都要扫描两遍才能得到一幅完整的图像。

每帧行数：625，但显示的只有575，每帧312.5，显示287.5。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM10光电成像原理

在隔行扫描中、扫描的行数必须是奇数。

如前所述，一帧画面分两场，第一场扫描总行数的一半，第二场扫描总行数的另一半。隔行扫描要求第一场结束于最后一行的一半，不管电子束如何折回，它必须回到显示屏顶部的中央，这样就可以保证相邻的第二场扫描恰好嵌在第一场各扫描线的中间。正是这个原因，才要求总的行数必须是奇数。行频、场频、帧频：每秒钟扫描多少行称为行频fH；每秒钟扫描多少场称为场频ff；每秒扫描多少帧称帧频fZ。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM11光电成像原理二、黑白电视的全电视信号(图像信号+消隐信号+同步信号)1.图像信号

经过摄像机的光—电转换，将平面图象亮度信号转换成电平随时间变化的电信号,称其为图象信号/视频信号。图像信号的频谱宽度是6MHz。2.消隐信号在行、场扫描逆程期间传送一个矩形脉冲，当接收机接收到此脉冲后，用它去控制显象管的阴极，使其在行、场扫描逆程期间处于截止状态，从而消除行、场扫描逆程期间的回扫线。把行扫描逆程期间传送的脉冲称为行消隐脉冲，把场扫描逆程期间的脉冲称为场消隐脉冲。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM12光电成像原理3.同步信号

同步信号使接收机中的显像管电子束扫描与摄像器件的扫描严格同步，在消隐信号中，有一个窄脉冲信号，接收机接收到次脉冲信号立即使显像管回扫。同步脉冲信号控制摄像机中偏转电流的频率与相位信息。其中控制行扫描同步的称为行同步信号，控制场扫描同步的称为场同步信号。接收机接收到同步信号后，可用它控制其扫描器偏转电流的频率与相位，从而使之与发送端摄像机的偏转电流频率和相位严格相同，即同频、同相、波形相似。行频：625×25=15625Hz；场频：50Hz；帧频：25Hz。

黑白电视的全电视信号由图象信号、复合消隐信号以及复合同步信号共同组成。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM13光电成像原理复合同步信号：

接收端接收到全电视信号，先设法将复合同步信号分离，然后将行同步、场同步信号分离。由于行同步、场同步的脉冲宽度相差很大（约45倍），所以可以用简单的微分电路和积分电路将它们分开。另外，为了使场同步期间不会失去行同步脉冲而造成每场行同步混乱，可在场同步开槽；开槽的上升沿（槽后沿）正好处在原来应该在此出现同步脉冲上升沿（前沿）的位置。

开槽方式：在奇数场的场同步脉冲上开2个、在偶数场的场同步脉冲上开3个宽度均为4.7μs的槽，槽的后沿应在原行同步脉冲上升沿的位置。采用微分电路，在场同步开槽的后沿(上升沿)位置处就获得了相应的行同步尖脉冲。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM14光电成像原理4.全电视信号§8.1

电视系统的组成与工作原理行消隐脉宽为12μs、行周期为64μs，行正程时间5264μs

，场消隐脉宽为1612μs、周期为20ms。12:33PM15光电成像原理三、彩色电视的全电视信号1.彩色三要素任意一种彩色光，均可用亮度、色调和色饱和度来表示，它们又称作彩色三要素。

亮度是指彩色光对人眼所引起的明亮程度。当光波的能量增强时，亮度就增加；反之亦然。此外，亮度还与人眼的光谱响应特性有关，不同的彩色光，即使强度相同，当照射同一物体时也会产生不同的亮度。人眼对λ=550nm的光波，亮度感觉最灵敏。

色调是指光的颜色。红、橙、黄、绿、青、蓝、紫分别表示不同的色调。它是彩色最基本的特性。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM16光电成像原理

色饱和度是指彩色的纯度，即颜色掺入白光的程度或指颜色的深浅程度。白光越多色饱和度越低，白光越少色饱和度越高。白光为零时，色饱和度为100%；只有白光，色饱和度为零。通常，把色调与色饱和度通称为色度，即色度学。2.三基色原理和混色法红、绿、蓝。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM17光电成像原理3.亮度方程

显像三基色（电视三基色）要混合成白光，所需光通量之比是由所选用的标准白光和所选三基色的不同而决定的。目前彩色电视中，PAL(Phase

Altern-ationLine相位逐行倒相)制式显像三基色荧光粉的电视混色亮度方程为：

Y=0.222R+0.707G+0.071B其中，Y表示亮度，R、G、B表示三基色的三色系数，它们的比值决定了待配彩色的色调。或者把亮度方程可改写成电压的形式，即：

EY=0.222ER+0.707EG+0.071EB§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM18光电成像原理4.彩色图像的分解与重现

§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM19光电成像原理5.黑白、彩色电视的兼容性（1）彩色电视应能接收黑白电视信号并显示图像；（2）黑白电视应能接收彩色电视信号并显示黑白图像。为了既能实现兼容性而又要有彩色特性，因此彩色电视系统应满足:(1)必需采用与黑白电视相同的一些基本参数，如扫描方式、扫描行频、场频、帧频、同步信号、图像载频、伴音载频等等。(2)需要将摄像机输出的三基色信号转换成一个亮度信号，以及代表色度的两个色差信号，并将它们组合成一个彩色全电视信号进行传送。在接收端，彩色电视机将彩色全电视信号重新转换成三个基色信号，在显象管上重现发送端的彩色图像。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM20光电成像原理6.色度信号的编码重要条件之一就是要求彩色全电视信号和黑白电视信号都同样占有6MHz的带宽。即：彩色电视一般不直接传送三个基色信号。因为单从占用频带来看，为了保证图像清晰度，每一基色信号带宽应与黑白图像信号相同，则三个基色所占频带总和为18MHz，因此，为了达到兼容目的，彩色电视中最好直接含有仅代表亮度信息而不含色度信息的亮度信号，然后再选择两种基色信号。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM21光电成像原理为什么是色差信号而不是三基色信号？对于彩色电视机而言，可将亮度信号与被选的两种基色信号组合获得三基色信号送至彩色显像管。例如，选用Y、R、B三种信号，G是可以通过亮度方程和已知二基色信号的值解得的。但这样做有个很大的缺点，即亮度信号Y已经代表了被传送彩色光的全部亮度，而R、B本身也含有亮度，这显然是多余的，且在传输过程中易干扰Y信号。为了克服这一缺点，一般不选基色本身作为色度信号，而是对基色信号进行编码，而从基色信号中减去亮度信号，编码后的信号称为色差信号。例如，R-Y,B-Y,G-Y。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM22光电成像原理7.色同步信号在接收端，为了重新分离出两个色差信号R-Y和B-Y，要用同步检波的方法。在进行同步检波时，必须首先恢复与发送端完全同频同相的彩色副载波，否则将会产生彩色的失真。因此：必须在传送电视信号的同时再传送一个附加的信息作为基准信号，这信号即为色同步信号。

色同步信号是由一小串彩色副载波群组成，大约为10个周期。色同步信号的频率即为彩色副载频ƒs；而它的相位，则根据彩色电视的制式不同而不同。色同步信号在发送端被叠加在行消隐脉冲中，作为彩色全电视信号的一部分传送。在接收端，用电路的方法从中分离出色同步信号，并作为接收机恢复彩色副载波的频率和相位的基准信号。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM23光电成像原理8.全电视信号彩色全电视信号是由亮度信号、色差信号、复合同步信号、复合消隐信号及色同步信号共五种信号所组成。

§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM24光电成像原理四、摄像机1.摄像机的类型按成像器件分：真空管摄像机和固体摄像机(主流)。按用途分：广播级摄像机、工业摄像机和家用摄像机。2.摄像机的基本参数电视型光电成像系统的图像质量很大程度上取决于摄像机的质量指标。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM25光电成像原理技术参数有：（1）灵敏度。（2）动态范围。（3）分辨力。（4）信噪比。（5）灰度等级。把图像从最亮到最暗分成若干亮度等级，亮度等级称为灰度。图像上任一点的亮度应正比于被摄景物的亮度(重现被摄物的灰度比)。电视图像能重现被摄景物的灰度等级数目越多，系统图像越逼真,层次越丰富。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM26光电成像原理（6）非线性失真。所谓非线性失真，是指景物经过电视系统成像后所产生的几何畸变。主要是由于摄像机与显示器电子偏转电场的不均匀，行、场扫描电流非线性，光学系统像差等因素造成。（7）惰性。快速运动目标或摄像机快速移动时成像模糊，主要由摄像机的惰性决定。3.摄像物镜

摄像物镜将被摄景物的光学图像成像到摄像机的靶面上，对于微光电视摄像机的应用，需要考虑摄像物镜的以下方面：（1）相对孔径§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM27光电成像原理微光电视中尽量选择大相对孔径的物镜，但是相对孔径大的物镜像差校正困难，成本也高。实际摄像物镜上标注相对孔径的倒数（F数）：1.4、2、2.8、4、5.6等（按21/2的规律增大），F值越大，相对孔径越小。（2）成像尺寸与视场角

光电传感器靶面的有效尺寸决定成像尺寸。对于固体摄像机，当CCD尺寸确定后，物镜焦距确定系统的观察视场角。（3）焦距、后截距和最近拍摄距离当物距固定时，焦距决定了像距的大小和像的放大率。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM28光电成像原理通常，按照焦距的长短把摄像物镜镜头分为长焦距、中焦距和短焦距三类。长焦距镜头：焦距大于成像尺寸；中焦距镜头：焦距与成像尺寸相当；短焦距镜头：焦距小于成像尺寸。

短焦距镜头主要用于环境照明差、拍摄场面大的场合，长焦距镜头主要用于要求看清远处目标细节的场合；或者是采用焦距连续可调的变焦镜头。

后截距：所谓后截距，是指实际物镜系统的最后一面与成像面的距离。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM29光电成像原理常用的摄像物镜标准接口是C-Mount和CS-Mount，其结构和接口参数如图所示。由于后截距固定，当摄影物距过近时，成像位置后移，透镜的调焦系统已难以调整使成像面落在传感器靶面位置，因此实际的摄像物镜都规定一个最近物距，该最近物距称为最近拍摄距离。

如果需要摄取小于最近摄像距离的景物时，可加接适当的近摄接圈来实现。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM30光电成像原理（4）透射比与光谱特性摄像物镜的透射比是衡量光能量通过光学系统的程度，设计中考虑透镜片数的使用以及膜系设计。通常，定焦镜头透射比大于0.9，而变焦镜头仅达到0.8。

摄像物镜的光谱特性：摄像物镜也存在光谱分布，但是其光谱透射比的变化在工作波段比较平坦，可以用平均透射比表示。如果工作波段较宽，在一些应用中必须考虑其光谱特性，即不同波段处的光谱透射比。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM31光电成像原理（5）摄像物镜的分辨力与调制传递函数MTF

摄像物镜的分辨力是表征分辨图像细节的能力，通常以人眼看清对比度为1的单位宽度包含的黑白条纹的对数(lp/mm)表示。

摄像物镜的MTF：表征摄像物镜分辨细节能力的更客观和科学的参数。摄像物镜的分辨力N=Nv/2h=2Nv/3b（lp/mm

），其中是电视的分辨力（电视线TVL），h、和b是电视图像的高宽比（h:b=3:4）。通常以400TVL的MTF来衡量电视系统分辨力的好坏。受电视系统分辨力的限制摄像物镜的分辨力要求不是很高。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM32光电成像原理（6）摄像物镜的几何畸变

通常情况，畸变随视场减小而迅速减小，在广角物镜中，畸变比较明显。在其他参数满足要求的情况下，畸变应尽量小，一般小于5%。（7）摄像物镜的杂散光

镜片表面的菲涅耳反射造成镜片之间的相互杂乱反射，这些反射光作为非理想成像的光投射到成像面上，形成杂散光。杂散光将降低图像对比度，应尽量减小镜片之间的反射。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM33光电成像原理（8）景深、焦深和调焦

通常情况，被摄景物有一定的纵深范围，为了使目标及其前后景物都能清晰成像，摄像物镜还应有景深和焦深的要求。摄像物镜的实际应用中，物距的变动将使成像超出景深范围而使图像变模糊，此时需要改变镜头的像面位置，使图像仍然落在焦深以内，这种用调节像面位置使得不同距离的景物在成像面保持清晰图像的过程称为调焦。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM34光电成像原理（9）变焦物镜

焦距连续可变的摄像物镜镜头兼容长焦距和短焦距的应用范围，设计时应满足如下要求：①焦距变化时，成像面位置固定不变；②各个焦距所对应的像质和照度分布应符合要求。变焦的基本原理：当组成物镜系统的透镜间的距离d连续可变时，物镜焦距也随着发生连续变化。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM35光电成像原理三、电视信号的发送与接收1.

视频放大器视频放大器对三基色电信号进行放大并进行必要的校正和补偿。由于镜头、分光系统(三基色)及摄像器件特性的非理想性，经过光电转换产生的三基色电信号不仅很弱，且存在图像细节弱、黑色不均匀、彩色不自然等缺陷，必须由专门的视频放大电路加以校正和补偿。视频处理放大器主要包括：①前置放大器。视频处理的第一级，对光电转换输出的微弱电信号进行放大，其质量对摄像机的各项指标都有直接影响，要求具有高增益、宽频带和高信噪比.§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM36光电成像原理②增益提升电路。根据摄像机增益选择，决定放大器的增益的选择。③增益控制电路。控制R和B路放大器的增益，其中G路放大器增益固定，改变RGB三路信号电平的相对比例，从而实现白平衡。④消除或校正图像中的黑斑/白斑校正电路。由于多种原因,比如摄像机镜头的各区域亮度不均匀性扫描电子束在靶面边缘不能垂直上靶等原因,会使重现画面上出现黑斑效应。⑤彩色校正电路。用电子方法弥补分色棱镜分光的不足，使摄像机的分光特性尽可能接近理想。⑥轮廓校正。使图像轮廓鲜明、细节清晰，提高重现图像的质量。孔阑效应使图像信号出现过渡期,使输出波形轮廓不分明,影响图像清晰度。

⑦灰度校正电路。校正光电转换、传输和电光转换过程中非线性现象。⑧直流分量恢复。由于视频通道部分往往采用交流放大器,它将使图像信号中的缓慢的低频分量丢失,因而丢失图像的背景亮度。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM37光电成像原理2.模拟视频信号的频谱及复用

电视系统信号占有0~6MHz的频带宽度，在此带宽内，电视信号的频谱具有相同的特点(梳妆频谱)：离散性：电视信号频谱是线状频谱而非连续频谱。成群性：整个频谱由一个个谱线族构成。信号能量没有占满整个视频宽度，至少由三分之一的空隙可以利用。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM38光电成像原理

彩色电视系统利用电视信号频谱中的空隙安置色度信号，使得亮度、色度信号共用一个频带，也便于实现黑白信号与彩色信号兼容。彩色电视的亮度信号与色差信号：亮度信号Y由三基色信号R、G、B组成；色差信号(R-Y)、(G-Y)、(B-Y)是基色信号与亮度信号之差。根据人眼对彩色细节的分辨力低于黑白细节的分辨力这一特点，对色差信号进行频带压缩，然后用较窄的频带传送（0~1MHz，PAL制式:1.3MHz），而亮度信号仍是6MHz的频带。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM39光电成像原理§8.1

电视系统的组成与工作原理亮度Y信号频谱色度信号频谱彩色视频信号频谱12:33PM40光电成像原理传送白光时，R＝G＝B，色差信号为零，传送低饱和度彩色时，色差信号也很小。三个色差信号具有下列关系（PAL制式）：0.222(R-Y)+0.707(G-Y)+0.071(B-Y)＝0上式说明：色差信号互不独立，其中任何一个色差信号都可由上式得到，例如:（G-Y)=[-0.222(R-Y)-0.071(B-Y)]/0.707

由于(G-Y)幅值较小，作为传输信号抗干扰能力低，所以选用(R-Y)、(B-Y)作为传输信号，到终端再恢复(G-Y)。因此，彩色亮度信号和2个色差信号共用一个黑白电视相同的频带—亮/色共用频带或亮/色频分复用。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM41光电成像原理如何将色差信号和亮度信号叠加在同一个频带内（频谱间置或频谱交错）？色差信号经过压缩后的带宽只有亮度信号带宽的1/4~1/5，因此可以利用频谱搬移的方法，将色差信号的频谱向高频方向搬移一定距离(色差信号在高频端)，使色差信号与亮度信号的谱线族正好错开半个行频距离。频谱搬移：色差信号的频谱搬移通过调幅方式实现：色差信号以调幅方式调制到一个载波上，使色差信号的频谱能量搬移到此载波频率的两侧。载波频率fsc是行频一半的奇数倍§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM42光电成像原理亮度信号和已调色差信号的频谱间置示意图：§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM43光电成像原理由(R-Y)、(B-Y)恢复(G-Y)后，将三个色差信号分别与亮度信号相加，就可以恢复三个基色信号，即

R＝(R-Y)+YG＝(G-Y)+YB＝(B-Y)+Y

由R、G、B形成Y、(R-Y)、(B-Y)的电路称为编码矩阵电路。由(R-Y)、(B-Y)形成(G-Y)的电路称为G-Y矩阵电路；由Y和(R-Y)、(G-Y)、(B-Y)形成R、G、B的电路称为基色矩阵电路；二者合称为解码矩阵电路。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM44光电成像原理3.视频正交平衡调幅（PAL制式）

对色差信号进行频谱搬移时采用的调幅方式为正交平衡调幅。

所谓正交平衡调幅，是指将两个色差信号分别对频率相同而相位交叉的两个副载波进行平衡调幅。

平衡调幅就是在普通调幅的基础上滤去载波成分，其目的是为了减小振幅，减轻副载波对屏幕图像的干扰。色度信号表示为：§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM45光电成像原理

色差信号采用正交平衡调幅的原因有：采用正交调幅可使两个已调的色差信号占据有相同的频带，在接收端可利用同步检波技术将两个色差信号分别解调出来；平衡调幅后色差信号没有副载波分量，可大大减小色差信号对亮度信号的干扰。色度信号可表示为：式中，sin项是初相位为0度的色副载波，cos项是初相位为90度的色副载波。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM46光电成像原理振幅与载波无关；信号倒相，平衡调幅波也倒相（反相1800）；“正交”：两色差信号相位相差900。正交平衡调幅波的优缺：发送端抑制了副载波，接收端要自行产生副载波才能解调；为保证重现色调的准确性，要求收发两端副载波严格同步，相位不准，色调就畸变。正交平衡调幅波的优点：§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM47光电成像原理§8.1

电视系统的组成与工作原理EB-YR-Y平衡调幅器B-Y平衡调幅器加法器900移相副载波发生器低通滤波器cossctFB-YFR-YsinsctF色度信号ER-Y低通滤波器12:33PM48光电成像原理彩色电视系统编码过程（发送端）的技术小结：将三基色电信号编码为亮度信号和两个色差信号；对色差信号进行频带压缩；压缩后的色差信号对一个副载波进行正交平衡调幅，形成色度信号，再与亮度信号相加形成与黑白电视信号兼容的复合彩色电视信号。4.电视信号的传输、发送与接收（1）电视信号的传输信号传输分为有线和无线传输两大类型。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM49光电成像原理（2）电视信号的调制技术

电视信号的传输主要有基带传输和频带传输方式，频带传输是将电视信号调制后再进行传输。电视信号的调制方式主要有：残留边带调幅VSB-AM法、相移键控PSK法、正交频分复用OFDM法等。（3）电视信号的发射与接收

模拟视频信号的带宽是6MHz，射频带宽是8MHz（包括图像和伴音信号）。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM50光电成像原理发送端原理框图接收端原理框图§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM51光电成像原理四、电视的显示1.CRT显示器

CRT显像管由管内的电子枪和荧光屏、管外的偏转线圈及管壳本体组成。图像信号调制电子束，电子束的强弱随图像信号变化，并在偏转磁场的控制下，电子束按摄像顺序扫描荧光屏，荧光屏的亮度正比于随图像信号。在一帧时间内，在荧光屏上完成一幅光学图像的再现。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM52光电成像原理2.LCD显示器

LCD显示器属于平板显示器，没有电子枪和偏转系统，整体结构紧凑。（1）液晶的发现

液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家ReinitzerF.在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现：当加热升温到一定程度后，结晶的固体开始溶解，但溶化后不是透明的液体而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。再进一步升温后，才变成透明的液体。在显微镜下这种液体具有双折射特性。德国物理学家LeimannD.将其命名为“液晶（LC）”。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM53光电成像原理（2）液晶是什么？液晶实际上是物质的一种形态，也有人称其为物质的第四态。是一种规则性排列的有机化合物，介于固体和液体之间的物质。

液晶分为两大类：溶致液晶和热致液晶。前者要溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态，后者则要在一定的温度范围内才呈现出液晶状态。作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。（3）液晶的基本知识a.

互变相变（可逆相变）§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM54光电成像原理b.

单变相变§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM55光电成像原理（4）液晶的分类a.向列型液晶（Nematic）向列型液晶又称丝状液晶。§8.1

电视系统的组成与工作原理向列液晶在偏光显微镜下的图12:33PM56光电成像原理向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM57光电成像原理b.近晶型液晶（Smectic）近晶型液晶又称层状液晶。

§8.1

电视系统的组成与工作原理隧道显微镜下的近晶相层状液晶12:33PM58光电成像原理近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶型液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM59光电成像原理c.胆甾型液晶（Cholestevic）胆甾型也称螺旋状液晶。胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度；液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量级；由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩；胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM60光电成像原理（5）液晶的光电特性a.液晶的各向异性P型液晶（Δε>0）正介电各向异性液晶；N型液晶（Δε<0）负介电各向异性液晶。§8.1

电视系统的组成与工作原理液晶短轴方向ε⊥液晶短轴方向ε∥12:33PM61光电成像原理b.外场作用下的取向在外电场作用下，分子的排列极易发生变化，P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向，N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向，

主要应用P型液晶；使液晶分子排列发生变化的临界电场强度为式中Kii为弹性常数，d为液晶盒的厚度。当液晶分子沿液晶玻璃表面排列时，Kii=K11；当液晶分子垂直于玻璃表面时，Kii=K33

；而当液晶分子扭曲排列时，Kii=K11+(K33-2K22)/4。换算为电压为Vth=EC·d。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM62光电成像原理c.液晶的双折射以P型为例，长轴为光轴ne=n//，no=n┴，向列液晶有n//>n┴

，所以Δn>0，即向列液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质；胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质。d.液晶器件所基于的三种光学特性

由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具有以下三种光学特性：能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转；使入射的偏振光状态及偏振光光轴方向发生变化；使入射的左旋及右旋偏振光产生对应的透过或反射。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM63光电成像原理（6）液晶的电光特性液晶的电光效应：液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质会发生变化。液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被广泛采用。目前发现的电光效应种类很多，产生电光效应的机理也较为复杂，但就其本质都是液晶分子在电场作用下改变其分子排列或造成分子变形的结果。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM64光电成像原理（7）液晶显示器的工作原理

以向列型液晶为例，说明LCD显示器的基本工作原理。向列型液晶分子被放置在一个内部刻有沟槽的容器中时，液晶分子会自动按沟槽方向排列，如果在液晶材料上施加电场，则液晶分子的排列将与电场方向平行。因为液晶分子的排列能够改变光的偏振方向，利用偏振光就可实现图像的显示。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM65光电成像原理

液晶被灌在两个制作精良的平面之间构成液晶层，这两个平面上列有许多沟槽，单独平面上的沟槽都是平行的，但是这两个平行的平面上的沟槽却是互相垂直的。位于两个平面间液晶分子的排列会形成一个90度的逐渐扭曲状态，背光光源的光线通过后层会被液晶扭曲，从而能够通过前层平面。如果给液晶层加电压将会产生一个电场，液晶分子就会重新排列，光线无法扭转从而不能通过前层平面。

§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM66光电成像原理

液晶板的下表面有一个0度的偏振器，上表面有一个90度的偏振器。背光光源的光线经下表面的偏振器后称为偏振方向为0度的偏振光，该偏振光通过液晶层时偏振方向被旋转90度，正好穿过上表面的偏振器。如果给液晶板施加一个与表面垂直的电场，液晶分子将顺着电场排列，破坏扭转效应，偏振光无法通过上表面的偏振器。

§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM67光电成像原理

液晶显示器上的电极是透明电极，分为行和列电极，通过对行电极和列电极上的电压控制来实现单个像素的控制（被动阵列LCD结构）。通过对行电极和列电极施加相应的脉冲电压，可依次对各个像素进行选定，脉冲幅度经图像信号调制后控制每个像素的透光率。但是这种结构的LCD响应速度较慢，影响运动图像的显示。

主动阵列LCD结构：每个像素后面都集成有一个位于液晶板底部玻璃上的晶体管开关，这些开关可独立寻址且开关速度很快，由它们控制像素上的电压，使得LCD的响应速度和对比度得到很好的改善。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM68光电成像原理（8）液晶显示器的背光源液晶显示器是被动显示器件，本身不会发光，通常工作在透光模式下。因此，为了了获得高对比度与全色显示，需要采用背光源照明；由于背照光源的功率是整个器件的90%以上，因此体积和功率是首先要考此的因素。目前采用的背照光源主要有：热电致发光板（EL）；平板荧光灯（VFD）；冷阴极荧光灯（CCF）；平板场发射（FED）；有机电致发光（OEL）等。照明方式又分为边光式与背光式背光式两种。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM69光电成像原理3.PDP显示器

PDP显示器属于平板显示器，没有电子枪和偏转系统，整体结构比较紧凑。利用惰性气体放电产生的紫外辐射来实现电光转换。PDP显示的基本原理：

两层玻璃板之间夹杂一层惰性气体混合物，玻璃板内表面上分布的电极阵列对惰性气体施加电场，在一对垂直和水平电极的交汇处发生气体放电，同时由于激发态和基态之间的能量跃迁辐射出紫外辐射。紫外辐射诱发荧光粉发出可见光，产生一个亮点。§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM70光电成像原理4.OLED显示器

OLED显示器超薄、可卷曲的主动发光型器件。（1）OLED是什么？

OLED是有机电致发光显示器（OrganicElectro-luminescenceDisplay，OELD

）或者叫做有机电致发光二极管（OrganicLightEmittingDiode，OLED

）。

由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，是下一代的平板显示器新兴应用技术。

§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM71光电成像原理（2）OLED的发光原理有机发光显示技术由非常薄的有机材料涂层和玻璃基板构成。当有电荷通过时这些有机材料就会发光。OLED发光的颜色取决于有机发光层的材料，厂商可由改变发光层的材料而得到所需之颜色。有源阵列有机发光显示屏具有内置的电子电路系统，因此每个像素都由一个对应的电路独立驱动。

§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM72光电成像原理（3）OLED的特点显示方面：主动发光、视角范围大；响应速度快，图像稳定；亮度高、色彩丰富、分辨率高。工作条件：驱动电压低、能耗低，可与太阳能电池、集成电路等相匹配。适应性广：采用玻璃衬底可实现大面积平板显示；如用柔性材料做衬底，能制成可折叠的显示器。由于OLED是全固态、非真空器件，具有抗震荡、耐低温（-40℃）等特性，在军事方面也有十分重要的应用，如用作坦克、飞机等现代化武器的显示终端。

§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM73光电成像原理OLED组件是使用荧光性有机化合物的，分为小分子组件(Molecule-basedDevice)：由美国柯达伊士曼公司(Kodak-Easton)于1987年首次发表；高分子组件(Polymer-basedDevice)：由英国剑桥显示器技术公司(CDT)于1990年正式对外发表。有机电机发光组件具备有发光二极管的整流及发光特性小分子材料有机电致发光组件称为OLED

(OrganicLightEmittingDevice)高分子材料有机电致发光组件称为PLED

(PolymerLightEmittingDevice)§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM74光电成像原理12:33PM75光电成像原理§8.1

电视系统的组成与工作原理阴极由金属或合金组成，Ag、Al、Mg、In、Li、Ca都可做阴极材料。新型阴极：LiF、MgF2、LiOx与Al组成。阳极表面的不平度被认为是导致OLED缺陷的一个重要因素。阴极阳极透明基板12:33PM76光电成像原理（4）OLED的技术应用§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM77光电成像原理（5）OLED的发现

1979年的一天晚上，在柯达公司从事科学研究工作的华裔科学家邓青云博士（Dr.C.W.Tang）在回家的路上忽然想起有东西忘记在实验室。回到实验室，他发现黑暗中有个亮的东西。打开灯，原来是一块做实验的有机蓄电池在发光。这是怎么回事？OLED研究就由此开始。邓博士也因此被称为“OLED之父”。

§8.1

电视系统的组成与工作原理12:33PM78光电成像原理所谓微光电视系统（低照度电视系统），是指用于夜天或其他低照度条件下视频形式的夜视系统。有些情况下，为了增加作用距离或细节分辨能力，微光电视系统也采用附加照明方式，辅助光源通常采用人眼不可见的近红外激光光源或大功率LED等。微光电视系统相对于广播/工业电视系统具有较高的灵敏度，可在较低的照度下获得高质量的图像，摄像管靶面照度在1lx以下。通常情况，环境照度在经过景物反射和光学系统后，靶面照度比环境照度低一个数量级左右，黎明或黄昏的环境照度为10lx。§8.2

电视型微光成像系统(微光电视)12:33PM79光电成像原理相对于直视型微光成像系统，微光电视系统具有以下特点：图像信号转换成一维的电信号后，可对信号进行频率特性补偿、校正，另外还可利用数字图像处理技术改善显示图像的质量，增加图像的信息量；可实现图像的远距离传送，并可遥控摄像；改善了观察条件，可多人、多地点同时观察；可对被观察景物的图像信息长时间录像存储，便于进一步分析研究。微光电视系统在体积、质量、功耗、操作维修以及图像分辨力等方面要逊色于直视型器件。§8.2

电视型微光成像系统(微光电视)12:33PM80光电成像原理一、微光摄像器件及其性能

CCD型微光摄像器件：1.高灵敏度CCD成像器件

CCD摄像机通常不具备微光工作性能，必须对CCD/CMOS芯片及其处理能力加以改善：通过CCD/CMOS模拟信号的叠加处理，使弱光产生的微弱信号通过信号积分提高图像信噪比，系统成像帧频通常为8~12Hz或更低(保证足够的信号积累)；通过TE制冷技术使探测器在大约零下12度工作，扩大动态范围；采用高灵敏度的CCD芯片，提高其灵敏度。§8.2

电视型微光成像系统(微光电视)12:33PM81光电成像原理2.背照明CCD(BCCD)成像器件原理同普通CCD基本相同。对CCD探测器背面进行减薄使入射辐射进入Si，经过光电转换产生的光电子可以通过扩散进入CCD势阱，提高灵敏度和扩展光谱响应范围。比前照式CCD具有更高的量子效率，灵敏度适合于非常微弱的信号探测，但是成本大大提高。3.微光ICCD成像器件

通过微光像增强器（技术分代）进行光信号的预放大，大大提高ICCD的灵敏度，并通过选通电压的控制实现快速的选通成像。4.EBCCD成像器件（电子轰击背照明减薄CCD）可以在10-5lx以下的照度环境工作，具有很高的灵敏度，但寿命较短，影响其广泛应用。§8.2

电视型微光成像系统(微光电视)12:33PM82光电成像原理5.EBCCD与ICCD的信噪比、MTF和分辨力的比较低照度下的信噪比特性实测MTF曲线§8.2

电视型微光成像系统(微光电视)12:33PM83光电成像原理6.TDI工作方式（积分延时工作方式）非TDI工作方式：线阵CCD摄取二维平面图像时，摄像机和被摄景物之间必须有相对运动。运动方向上最小可分辨尺寸由物体运动速度和摄像机积分时间决定：输出信号正比于输入照度E和积分时间：因此，摄像阵列的几何分辨力和输出信号均与积分时间ti有关，可通过降低ti提高几何分辨力，但此时输出信号将会减小。§8.2

电视型微光成像系统(微光电视)12:33PM84光电成像原理TDI工作方式：采用面阵CCD完成非TDI的工作任务，则可在不降低分辨力的情况下增加灵敏度，通过延时-积分提高信号响应。设面阵CCD为M行N列，二维摄像阵列沿列的方向同景物相对运动，运动速度为v0。保持延迟时间与扫描速度一致，则可以把M行从同一景物单元接收到像敏元的信号积累起来，因此，对一列的每个像敏元信号电荷量都增大了M倍（即灵敏度提高了M倍）：