光電成像技術Chapter9-電視型光電成像系統(tǒng)與特性分析

第八章電視型光電成像系統(tǒng)與特性分析12:33PM1光電成像原理§8電視型光電成像系統(tǒng)與特性分析

完整的電視型光電成像器件應包含基本模塊和附加模塊兩大部分。其中基本模塊包括攝像機、發(fā)送系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和顯示器等；附加模塊包括視頻記錄、視頻處理等。

基本工作原理：①接收端：用攝像機拍攝外界景物，由攝像成像器件的光電轉換作用將景物圖像信息按一定規(guī)律變換成相應的電信號，并經處理后通過無線電或有線信道傳送出去；②接收端：通過接收機接收視頻信號，由顯示裝置的電光轉換作用將視頻信號按對應的空間關系重現原始景物圖像。微光像增強技術+電視技術=微光電視技術。12:33PM2光電成像原理電視系統(tǒng)的組成：開路電視系統(tǒng)：電視系統(tǒng)借助發(fā)射端與接收端的天線，傳送全電視信號高頻電磁波。用于廣播電視和軍用微光電視系統(tǒng)。閉路電視系統(tǒng)：電視系統(tǒng)直接用電纜或光纜作為視頻通道來傳送視頻信號。軍用微光電視多采用此類系統(tǒng)，該系統(tǒng)設備簡單、經濟可靠、調整使用方便，保密性好?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM3光電成像原理一、黑白圖像的傳送原理1.圖像的分解

電視圖像是二維平面圖像，由像素組成。黑白電視傳輸的圖像是只有亮度差異的像素集合，可表示為空間和時間的函數：畫面像素數目越多則電視圖像越逼真，但是像素數的增加受人眼分辨力以及視頻制式等因素的限制。由前面的知識基本工作原理可知：被傳送的圖像分解成許多像素，并將其同時轉變成電信號，再由信號通道傳送到接收端，在屏幕上轉換成光信號，重現原始景物圖像?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM4光電成像原理實際傳送：圖像信號（視頻信號）是每個像素在電子束掃描后形成的時間序列脈沖，因此是按時間順序傳送的，即：把傳送的圖像上個像素的亮度按一定順序轉變成電信號然后依次發(fā)送，相當于各像素的亮度變換成以時間為單變量的函數：

接收端：顯示屏上按同樣的順序將各個電信號轉換為相應位置上的光信號重現原始景物圖像?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM5光電成像原理圖像信號的傳輸原理：

發(fā)送端：需要傳送的光學圖像作用于一個由許多獨立的光電元件組成的光電板上，形成與光學圖像亮度分布一一對應的電子圖像；

接收端：具有相同數目的發(fā)光元件組成發(fā)光板，當傳送通道由開關S1依次接通A、B、C時，S2開關也依次接通；像素1、2、3傳送到接收端并顯示在發(fā)光板上；再依次傳送后續(xù)像素到接收端并顯示在相應位置上?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM6光電成像原理傳送圖像信號的開關要求：

信號傳送過程中，要求開關速度必須足夠快，以至于在第一個像素引起的視覺刺激消失之前，最后一個像素已產生視覺刺激，這樣發(fā)光板上才能得到一副完善的圖像。實際的電視系統(tǒng)中，傳送過程借助于同步掃描實現。2.掃描掃描就是圖像分解和復合的過程。所謂掃描就是把圖像像素的光信號轉變?yōu)闀r間序列的電信號過程，以及將時間序列的電信號重現為光學圖像的過程?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM7光電成像原理電視中采用的掃描方式：P368-370（1）逐行掃描（2）隔行掃描§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理(1)逐行掃描逐行掃描的優(yōu)點：圖像質量好，掃描電路簡單。缺點：要求帶寬很寬。所以，逐行掃描只適用于工業(yè)電視和未來的高清晰度電視。12:33PM8光電成像原理§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理隔行掃描的優(yōu)點：解決了頻帶寬度與清晰度之間的矛盾，減低了電視成本.缺點：并行現象：由于掃描電流不穩(wěn)定和正程線性不好引起。行間閃爍：由于每行的亮度以幀頻重現，仔細觀察比較亮的線時會感到閃爍。隔行掃描的關鍵是如何使奇偶場互相恰好地交織，如果隔行不好就會產生并行現象，導致圖像質量下降。12:33PM9光電成像原理

隔行掃描時，電子束掃完第1行后回到第3行的開始位置接著掃，直至第625行的前半行；該場即為奇數場。奇數場掃完后接著掃偶數場，第1行的后半行、2、4、…624，這樣就完成了一幀(frame)的掃描。由此可以看到，隔行掃描的一幀圖像由兩部分組成：一部分是由奇數行組成，稱奇數場，另一部分是由偶數行組成，稱為偶數場，兩場合起來組成一幀。因此在隔行掃描中，無論是攝象機還是顯示器，獲取或顯示一幅圖像都要掃描兩遍才能得到一幅完整的圖像。

每幀行數：625，但顯示的只有575，每幀312.5，顯示287.5。§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM10光電成像原理

在隔行掃描中、掃描的行數必須是奇數。

如前所述，一幀畫面分兩場，第一場掃描總行數的一半，第二場掃描總行數的另一半。隔行掃描要求第一場結束于最后一行的一半，不管電子束如何折回，它必須回到顯示屏頂部的中央，這樣就可以保證相鄰的第二場掃描恰好嵌在第一場各掃描線的中間。正是這個原因，才要求總的行數必須是奇數。行頻、場頻、幀頻：每秒鐘掃描多少行稱為行頻fH；每秒鐘掃描多少場稱為場頻ff；每秒掃描多少幀稱幀頻fZ?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM11光電成像原理二、黑白電視的全電視信號(圖像信號+消隱信號+同步信號)1.圖像信號

經過攝像機的光—電轉換，將平面圖象亮度信號轉換成電平隨時間變化的電信號,稱其為圖象信號/視頻信號。圖像信號的頻譜寬度是6MHz。2.消隱信號在行、場掃描逆程期間傳送一個矩形脈沖，當接收機接收到此脈沖后，用它去控制顯象管的陰極，使其在行、場掃描逆程期間處于截止狀態(tài)，從而消除行、場掃描逆程期間的回掃線。把行掃描逆程期間傳送的脈沖稱為行消隱脈沖，把場掃描逆程期間的脈沖稱為場消隱脈沖?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM12光電成像原理3.同步信號

同步信號使接收機中的顯像管電子束掃描與攝像器件的掃描嚴格同步，在消隱信號中，有一個窄脈沖信號，接收機接收到次脈沖信號立即使顯像管回掃。同步脈沖信號控制攝像機中偏轉電流的頻率與相位信息。其中控制行掃描同步的稱為行同步信號，控制場掃描同步的稱為場同步信號。接收機接收到同步信號后，可用它控制其掃描器偏轉電流的頻率與相位，從而使之與發(fā)送端攝像機的偏轉電流頻率和相位嚴格相同，即同頻、同相、波形相似。行頻：625×25=15625Hz；場頻：50Hz；幀頻：25Hz。

黑白電視的全電視信號由圖象信號、復合消隱信號以及復合同步信號共同組成?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM13光電成像原理復合同步信號：

接收端接收到全電視信號，先設法將復合同步信號分離，然后將行同步、場同步信號分離。由于行同步、場同步的脈沖寬度相差很大（約45倍），所以可以用簡單的微分電路和積分電路將它們分開。另外，為了使場同步期間不會失去行同步脈沖而造成每場行同步混亂，可在場同步開槽；開槽的上升沿（槽后沿）正好處在原來應該在此出現同步脈沖上升沿（前沿）的位置。

開槽方式：在奇數場的場同步脈沖上開2個、在偶數場的場同步脈沖上開3個寬度均為4.7μs的槽，槽的后沿應在原行同步脈沖上升沿的位置。采用微分電路，在場同步開槽的后沿(上升沿)位置處就獲得了相應的行同步尖脈沖?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM14光電成像原理4.全電視信號§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理行消隱脈寬為12μs、行周期為64μs，行正程時間5264μs

，場消隱脈寬為1612μs、周期為20ms。12:33PM15光電成像原理三、彩色電視的全電視信號1.彩色三要素任意一種彩色光，均可用亮度、色調和色飽和度來表示，它們又稱作彩色三要素。

亮度是指彩色光對人眼所引起的明亮程度。當光波的能量增強時，亮度就增加；反之亦然。此外，亮度還與人眼的光譜響應特性有關，不同的彩色光，即使強度相同，當照射同一物體時也會產生不同的亮度。人眼對λ=550nm的光波，亮度感覺最靈敏。

色調是指光的顏色。紅、橙、黃、綠、青、藍、紫分別表示不同的色調。它是彩色最基本的特性。§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM16光電成像原理

色飽和度是指彩色的純度，即顏色摻入白光的程度或指顏色的深淺程度。白光越多色飽和度越低，白光越少色飽和度越高。白光為零時，色飽和度為100%；只有白光，色飽和度為零。通常，把色調與色飽和度通稱為色度，即色度學。2.三基色原理和混色法紅、綠、藍。§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM17光電成像原理3.亮度方程

顯像三基色（電視三基色）要混合成白光，所需光通量之比是由所選用的標準白光和所選三基色的不同而決定的。目前彩色電視中，PAL(Phase

Altern-ationLine相位逐行倒相)制式顯像三基色熒光粉的電視混色亮度方程為：

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數，它們的比值決定了待配彩色的色調。或者把亮度方程可改寫成電壓的形式，即：

EY=0.222ER+0.707EG+0.071EB§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM18光電成像原理4.彩色圖像的分解與重現

§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM19光電成像原理5.黑白、彩色電視的兼容性（1）彩色電視應能接收黑白電視信號并顯示圖像；（2）黑白電視應能接收彩色電視信號并顯示黑白圖像。為了既能實現兼容性而又要有彩色特性，因此彩色電視系統(tǒng)應滿足:(1)必需采用與黑白電視相同的一些基本參數，如掃描方式、掃描行頻、場頻、幀頻、同步信號、圖像載頻、伴音載頻等等。(2)需要將攝像機輸出的三基色信號轉換成一個亮度信號，以及代表色度的兩個色差信號，并將它們組合成一個彩色全電視信號進行傳送。在接收端，彩色電視機將彩色全電視信號重新轉換成三個基色信號，在顯象管上重現發(fā)送端的彩色圖像。§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM20光電成像原理6.色度信號的編碼重要條件之一就是要求彩色全電視信號和黑白電視信號都同樣占有6MHz的帶寬。即：彩色電視一般不直接傳送三個基色信號。因為單從占用頻帶來看，為了保證圖像清晰度，每一基色信號帶寬應與黑白圖像信號相同，則三個基色所占頻帶總和為18MHz，因此，為了達到兼容目的，彩色電視中最好直接含有僅代表亮度信息而不含色度信息的亮度信號，然后再選擇兩種基色信號。§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM21光電成像原理為什么是色差信號而不是三基色信號？對于彩色電視機而言，可將亮度信號與被選的兩種基色信號組合獲得三基色信號送至彩色顯像管。例如，選用Y、R、B三種信號，G是可以通過亮度方程和已知二基色信號的值解得的。但這樣做有個很大的缺點，即亮度信號Y已經代表了被傳送彩色光的全部亮度，而R、B本身也含有亮度，這顯然是多余的，且在傳輸過程中易干擾Y信號。為了克服這一缺點，一般不選基色本身作為色度信號，而是對基色信號進行編碼，而從基色信號中減去亮度信號，編碼后的信號稱為色差信號。例如，R-Y,B-Y,G-Y。§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM22光電成像原理7.色同步信號在接收端，為了重新分離出兩個色差信號R-Y和B-Y，要用同步檢波的方法。在進行同步檢波時，必須首先恢復與發(fā)送端完全同頻同相的彩色副載波，否則將會產生彩色的失真。因此：必須在傳送電視信號的同時再傳送一個附加的信息作為基準信號，這信號即為色同步信號。

色同步信號是由一小串彩色副載波群組成，大約為10個周期。色同步信號的頻率即為彩色副載頻?s；而它的相位，則根據彩色電視的制式不同而不同。色同步信號在發(fā)送端被疊加在行消隱脈沖中，作為彩色全電視信號的一部分傳送。在接收端，用電路的方法從中分離出色同步信號，并作為接收機恢復彩色副載波的頻率和相位的基準信號?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM23光電成像原理8.全電視信號彩色全電視信號是由亮度信號、色差信號、復合同步信號、復合消隱信號及色同步信號共五種信號所組成。

§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM24光電成像原理四、攝像機1.攝像機的類型按成像器件分：真空管攝像機和固體攝像機(主流)。按用途分：廣播級攝像機、工業(yè)攝像機和家用攝像機。2.攝像機的基本參數電視型光電成像系統(tǒng)的圖像質量很大程度上取決于攝像機的質量指標。§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM25光電成像原理技術參數有：（1）靈敏度。（2）動態(tài)范圍。（3）分辨力。（4）信噪比。（5）灰度等級。把圖像從最亮到最暗分成若干亮度等級，亮度等級稱為灰度。圖像上任一點的亮度應正比于被攝景物的亮度(重現被攝物的灰度比)。電視圖像能重現被攝景物的灰度等級數目越多，系統(tǒng)圖像越逼真,層次越豐富?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM26光電成像原理（6）非線性失真。所謂非線性失真，是指景物經過電視系統(tǒng)成像后所產生的幾何畸變。主要是由于攝像機與顯示器電子偏轉電場的不均勻，行、場掃描電流非線性，光學系統(tǒng)像差等因素造成。（7）惰性?？焖龠\動目標或攝像機快速移動時成像模糊，主要由攝像機的惰性決定。3.攝像物鏡

攝像物鏡將被攝景物的光學圖像成像到攝像機的靶面上，對于微光電視攝像機的應用，需要考慮攝像物鏡的以下方面：（1）相對孔徑§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM27光電成像原理微光電視中盡量選擇大相對孔徑的物鏡，但是相對孔徑大的物鏡像差校正困難，成本也高。實際攝像物鏡上標注相對孔徑的倒數（F數）：1.4、2、2.8、4、5.6等（按21/2的規(guī)律增大），F值越大，相對孔徑越小。（2）成像尺寸與視場角

光電傳感器靶面的有效尺寸決定成像尺寸。對于固體攝像機，當CCD尺寸確定后，物鏡焦距確定系統(tǒng)的觀察視場角。（3）焦距、后截距和最近拍攝距離當物距固定時，焦距決定了像距的大小和像的放大率。§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM28光電成像原理通常，按照焦距的長短把攝像物鏡鏡頭分為長焦距、中焦距和短焦距三類。長焦距鏡頭：焦距大于成像尺寸；中焦距鏡頭：焦距與成像尺寸相當；短焦距鏡頭：焦距小于成像尺寸。

短焦距鏡頭主要用于環(huán)境照明差、拍攝場面大的場合，長焦距鏡頭主要用于要求看清遠處目標細節(jié)的場合；或者是采用焦距連續(xù)可調的變焦鏡頭。

后截距：所謂后截距，是指實際物鏡系統(tǒng)的最后一面與成像面的距離?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM29光電成像原理常用的攝像物鏡標準接口是C-Mount和CS-Mount，其結構和接口參數如圖所示。由于后截距固定，當攝影物距過近時，成像位置后移，透鏡的調焦系統(tǒng)已難以調整使成像面落在傳感器靶面位置，因此實際的攝像物鏡都規(guī)定一個最近物距，該最近物距稱為最近拍攝距離。

如果需要攝取小于最近攝像距離的景物時，可加接適當的近攝接圈來實現?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM30光電成像原理（4）透射比與光譜特性攝像物鏡的透射比是衡量光能量通過光學系統(tǒng)的程度，設計中考慮透鏡片數的使用以及膜系設計。通常，定焦鏡頭透射比大于0.9，而變焦鏡頭僅達到0.8。

攝像物鏡的光譜特性：攝像物鏡也存在光譜分布，但是其光譜透射比的變化在工作波段比較平坦，可以用平均透射比表示。如果工作波段較寬，在一些應用中必須考慮其光譜特性，即不同波段處的光譜透射比?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM31光電成像原理（5）攝像物鏡的分辨力與調制傳遞函數MTF

攝像物鏡的分辨力是表征分辨圖像細節(jié)的能力，通常以人眼看清對比度為1的單位寬度包含的黑白條紋的對數(lp/mm)表示。

攝像物鏡的MTF：表征攝像物鏡分辨細節(jié)能力的更客觀和科學的參數。攝像物鏡的分辨力N=Nv/2h=2Nv/3b（lp/mm

），其中是電視的分辨力（電視線TVL），h、和b是電視圖像的高寬比（h:b=3:4）。通常以400TVL的MTF來衡量電視系統(tǒng)分辨力的好壞。受電視系統(tǒng)分辨力的限制攝像物鏡的分辨力要求不是很高?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM32光電成像原理（6）攝像物鏡的幾何畸變

通常情況，畸變隨視場減小而迅速減小，在廣角物鏡中，畸變比較明顯。在其他參數滿足要求的情況下，畸變應盡量小，一般小于5%。（7）攝像物鏡的雜散光

鏡片表面的菲涅耳反射造成鏡片之間的相互雜亂反射，這些反射光作為非理想成像的光投射到成像面上，形成雜散光。雜散光將降低圖像對比度，應盡量減小鏡片之間的反射?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM33光電成像原理（8）景深、焦深和調焦

通常情況，被攝景物有一定的縱深范圍，為了使目標及其前后景物都能清晰成像，攝像物鏡還應有景深和焦深的要求。攝像物鏡的實際應用中，物距的變動將使成像超出景深范圍而使圖像變模糊，此時需要改變鏡頭的像面位置，使圖像仍然落在焦深以內，這種用調節(jié)像面位置使得不同距離的景物在成像面保持清晰圖像的過程稱為調焦?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM34光電成像原理（9）變焦物鏡

焦距連續(xù)可變的攝像物鏡鏡頭兼容長焦距和短焦距的應用范圍，設計時應滿足如下要求：①焦距變化時，成像面位置固定不變；②各個焦距所對應的像質和照度分布應符合要求。變焦的基本原理：當組成物鏡系統(tǒng)的透鏡間的距離d連續(xù)可變時，物鏡焦距也隨著發(fā)生連續(xù)變化。§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM35光電成像原理三、電視信號的發(fā)送與接收1.

視頻放大器視頻放大器對三基色電信號進行放大并進行必要的校正和補償。由于鏡頭、分光系統(tǒng)(三基色)及攝像器件特性的非理想性，經過光電轉換產生的三基色電信號不僅很弱，且存在圖像細節(jié)弱、黑色不均勻、彩色不自然等缺陷，必須由專門的視頻放大電路加以校正和補償。視頻處理放大器主要包括：①前置放大器。視頻處理的第一級，對光電轉換輸出的微弱電信號進行放大，其質量對攝像機的各項指標都有直接影響，要求具有高增益、寬頻帶和高信噪比.§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM36光電成像原理②增益提升電路。根據攝像機增益選擇，決定放大器的增益的選擇。③增益控制電路。控制R和B路放大器的增益，其中G路放大器增益固定，改變RGB三路信號電平的相對比例，從而實現白平衡。④消除或校正圖像中的黑斑/白斑校正電路。由于多種原因,比如攝像機鏡頭的各區(qū)域亮度不均勻性掃描電子束在靶面邊緣不能垂直上靶等原因,會使重現畫面上出現黑斑效應。⑤彩色校正電路。用電子方法彌補分色棱鏡分光的不足，使攝像機的分光特性盡可能接近理想。⑥輪廓校正。使圖像輪廓鮮明、細節(jié)清晰，提高重現圖像的質量?？钻@效應使圖像信號出現過渡期,使輸出波形輪廓不分明,影響圖像清晰度。

⑦灰度校正電路。校正光電轉換、傳輸和電光轉換過程中非線性現象。⑧直流分量恢復。由于視頻通道部分往往采用交流放大器,它將使圖像信號中的緩慢的低頻分量丟失,因而丟失圖像的背景亮度?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM37光電成像原理2.模擬視頻信號的頻譜及復用

電視系統(tǒng)信號占有0~6MHz的頻帶寬度，在此帶寬內，電視信號的頻譜具有相同的特點(梳妝頻譜)：離散性：電視信號頻譜是線狀頻譜而非連續(xù)頻譜。成群性：整個頻譜由一個個譜線族構成。信號能量沒有占滿整個視頻寬度，至少由三分之一的空隙可以利用?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM38光電成像原理

彩色電視系統(tǒng)利用電視信號頻譜中的空隙安置色度信號，使得亮度、色度信號共用一個頻帶，也便于實現黑白信號與彩色信號兼容。彩色電視的亮度信號與色差信號：亮度信號Y由三基色信號R、G、B組成；色差信號(R-Y)、(G-Y)、(B-Y)是基色信號與亮度信號之差。根據人眼對彩色細節(jié)的分辨力低于黑白細節(jié)的分辨力這一特點，對色差信號進行頻帶壓縮，然后用較窄的頻帶傳送（0~1MHz，PAL制式:1.3MHz），而亮度信號仍是6MHz的頻帶?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM39光電成像原理§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理亮度Y信號頻譜色度信號頻譜彩色視頻信號頻譜12:33PM40光電成像原理傳送白光時，R＝G＝B，色差信號為零，傳送低飽和度彩色時，色差信號也很小。三個色差信號具有下列關系（PAL制式）：0.222(R-Y)+0.707(G-Y)+0.071(B-Y)＝0上式說明：色差信號互不獨立，其中任何一個色差信號都可由上式得到，例如:（G-Y)=[-0.222(R-Y)-0.071(B-Y)]/0.707

由于(G-Y)幅值較小，作為傳輸信號抗干擾能力低，所以選用(R-Y)、(B-Y)作為傳輸信號，到終端再恢復(G-Y)。因此，彩色亮度信號和2個色差信號共用一個黑白電視相同的頻帶—亮/色共用頻帶或亮/色頻分復用?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM41光電成像原理如何將色差信號和亮度信號疊加在同一個頻帶內（頻譜間置或頻譜交錯）？色差信號經過壓縮后的帶寬只有亮度信號帶寬的1/4~1/5，因此可以利用頻譜搬移的方法，將色差信號的頻譜向高頻方向搬移一定距離(色差信號在高頻端)，使色差信號與亮度信號的譜線族正好錯開半個行頻距離。頻譜搬移：色差信號的頻譜搬移通過調幅方式實現：色差信號以調幅方式調制到一個載波上，使色差信號的頻譜能量搬移到此載波頻率的兩側。載波頻率fsc是行頻一半的奇數倍§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM42光電成像原理亮度信號和已調色差信號的頻譜間置示意圖：§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM43光電成像原理由(R-Y)、(B-Y)恢復(G-Y)后，將三個色差信號分別與亮度信號相加，就可以恢復三個基色信號，即

R＝(R-Y)+YG＝(G-Y)+YB＝(B-Y)+Y

由R、G、B形成Y、(R-Y)、(B-Y)的電路稱為編碼矩陣電路。由(R-Y)、(B-Y)形成(G-Y)的電路稱為G-Y矩陣電路；由Y和(R-Y)、(G-Y)、(B-Y)形成R、G、B的電路稱為基色矩陣電路；二者合稱為解碼矩陣電路?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM44光電成像原理3.視頻正交平衡調幅（PAL制式）

對色差信號進行頻譜搬移時采用的調幅方式為正交平衡調幅。

所謂正交平衡調幅，是指將兩個色差信號分別對頻率相同而相位交叉的兩個副載波進行平衡調幅。

平衡調幅就是在普通調幅的基礎上濾去載波成分，其目的是為了減小振幅，減輕副載波對屏幕圖像的干擾。色度信號表示為：§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM45光電成像原理

色差信號采用正交平衡調幅的原因有：采用正交調幅可使兩個已調的色差信號占據有相同的頻帶，在接收端可利用同步檢波技術將兩個色差信號分別解調出來；平衡調幅后色差信號沒有副載波分量，可大大減小色差信號對亮度信號的干擾。色度信號可表示為：式中，sin項是初相位為0度的色副載波，cos項是初相位為90度的色副載波?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM46光電成像原理振幅與載波無關；信號倒相，平衡調幅波也倒相（反相1800）；“正交”：兩色差信號相位相差900。正交平衡調幅波的優(yōu)缺：發(fā)送端抑制了副載波，接收端要自行產生副載波才能解調；為保證重現色調的準確性，要求收發(fā)兩端副載波嚴格同步，相位不準，色調就畸變。正交平衡調幅波的優(yōu)點：§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM47光電成像原理§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理EB-YR-Y平衡調幅器B-Y平衡調幅器加法器900移相副載波發(fā)生器低通濾波器cossctFB-YFR-YsinsctF色度信號ER-Y低通濾波器12:33PM48光電成像原理彩色電視系統(tǒng)編碼過程（發(fā)送端）的技術小結：將三基色電信號編碼為亮度信號和兩個色差信號；對色差信號進行頻帶壓縮；壓縮后的色差信號對一個副載波進行正交平衡調幅，形成色度信號，再與亮度信號相加形成與黑白電視信號兼容的復合彩色電視信號。4.電視信號的傳輸、發(fā)送與接收（1）電視信號的傳輸信號傳輸分為有線和無線傳輸兩大類型?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM49光電成像原理（2）電視信號的調制技術

電視信號的傳輸主要有基帶傳輸和頻帶傳輸方式，頻帶傳輸是將電視信號調制后再進行傳輸。電視信號的調制方式主要有：殘留邊帶調幅VSB-AM法、相移鍵控PSK法、正交頻分復用OFDM法等。（3）電視信號的發(fā)射與接收

模擬視頻信號的帶寬是6MHz，射頻帶寬是8MHz（包括圖像和伴音信號）?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM50光電成像原理發(fā)送端原理框圖接收端原理框圖§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM51光電成像原理四、電視的顯示1.CRT顯示器

CRT顯像管由管內的電子槍和熒光屏、管外的偏轉線圈及管殼本體組成。圖像信號調制電子束，電子束的強弱隨圖像信號變化，并在偏轉磁場的控制下，電子束按攝像順序掃描熒光屏，熒光屏的亮度正比于隨圖像信號。在一幀時間內，在熒光屏上完成一幅光學圖像的再現?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM52光電成像原理2.LCD顯示器

LCD顯示器屬于平板顯示器，沒有電子槍和偏轉系統(tǒng)，整體結構緊湊。（1）液晶的發(fā)現

液晶的發(fā)現可追溯到19世紀末，1888年奧地利的植物學家ReinitzerF.在作加熱膽甾醇的苯甲酸脂實驗時發(fā)現：當加熱升溫到一定程度后，結晶的固體開始溶解，但溶化后不是透明的液體而是一種呈混濁態(tài)的粘稠液體，并發(fā)出多彩而美麗的珍珠光澤。再進一步升溫后，才變成透明的液體。在顯微鏡下這種液體具有雙折射特性。德國物理學家LeimannD.將其命名為“液晶（LC）”?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM53光電成像原理（2）液晶是什么？液晶實際上是物質的一種形態(tài)，也有人稱其為物質的第四態(tài)。是一種規(guī)則性排列的有機化合物，介于固體和液體之間的物質。

液晶分為兩大類：溶致液晶和熱致液晶。前者要溶解在水或有機溶劑中才顯示出液晶態(tài)，后者則要在一定的溫度范圍內才呈現出液晶狀態(tài)。作為顯示技術應用的液晶都是熱致液晶。（3）液晶的基本知識a.

互變相變（可逆相變）§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM54光電成像原理b.

單變相變§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM55光電成像原理（4）液晶的分類a.向列型液晶（Nematic）向列型液晶又稱絲狀液晶?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理向列液晶在偏光顯微鏡下的圖12:33PM56光電成像原理向列型液晶由長徑比很大的棒狀分子組成，保持與軸向平行的排列狀態(tài)。因為分子的重心雜亂無序，并容易順著長軸方向自由移動，所以像液體一樣富于流動性。正由于向列型液晶分子的這種一致排列，使得它的光學特性很像單軸晶體，呈正的雙折射性。對外界的電、磁、溫度、應力都比較敏感，是顯示器件上廣泛使用的材料?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM57光電成像原理b.近晶型液晶（Smectic）近晶型液晶又稱層狀液晶。

§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理隧道顯微鏡下的近晶相層狀液晶12:33PM58光電成像原理近晶相液晶按層狀排列，由棒狀或條狀分子呈二維有序排列組成。層內分子長軸相互平行，其方向可以垂直于層面或與層面成傾斜排列。層與層之間的作用較弱，容易滑動，因此具有二維的流動特性。近晶型液晶的粘度與表面張力都較大，用手摸有似肥皂的滑澀感，對外界的電、磁、溫度變化都不敏感。這種液晶光學上顯示正的雙折射性?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM59光電成像原理c.膽甾型液晶（Cholestevic）膽甾型也稱螺旋狀液晶。膽甾型液晶和近晶型一樣具有層狀結構，但層內分子排列則與向列型液晶類似，分子長軸在層內是相互平行的，而在垂直這個平面上，每層分子都會旋轉一個角度；液晶整體呈螺旋結構。螺距的長度是可見光波長的數量級；由于膽甾型液晶的分子排列旋轉方向可以是左旋，也可以是右旋，當螺距與某一波長接近時，會引起這個波長光的布拉格散射，呈某一種色彩；膽甾型液晶具有負的雙折射性質。一定強度的電場、磁場也可使膽甾相液晶轉變?yōu)橄蛄邢嘁壕?。膽甾相液晶易受外力的影響，特別對溫度敏感，由于溫度主要引起螺距的改變，因此膽甾相液晶隨溫度改變顏色。§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM60光電成像原理（5）液晶的光電特性a.液晶的各向異性P型液晶（Δε>0）正介電各向異性液晶；N型液晶（Δε<0）負介電各向異性液晶?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理液晶短軸方向ε⊥液晶短軸方向ε∥12:33PM61光電成像原理b.外場作用下的取向在外電場作用下，分子的排列極易發(fā)生變化，P型液晶分子長軸方向平行于外電場方向，N型液晶分子長軸方向垂直于外電場方向，

主要應用P型液晶；使液晶分子排列發(fā)生變化的臨界電場強度為式中Kii為彈性常數，d為液晶盒的厚度。當液晶分子沿液晶玻璃表面排列時，Kii=K11；當液晶分子垂直于玻璃表面時，Kii=K33

；而當液晶分子扭曲排列時，Kii=K11+(K33-2K22)/4。換算為電壓為Vth=EC·d?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM62光電成像原理c.液晶的雙折射以P型為例，長軸為光軸ne=n//，no=n┴，向列液晶有n//>n┴

，所以Δn>0，即向列液晶一般都呈現正單軸晶體的光學性質；膽甾型液晶具有負單軸晶體的光學性質。d.液晶器件所基于的三種光學特性

由于液晶具有單軸晶體的光學各向異性，所以具有以下三種光學特性：能使入射光沿液晶分子偶極矩的方向偏轉；使入射的偏振光狀態(tài)及偏振光光軸方向發(fā)生變化；使入射的左旋及右旋偏振光產生對應的透過或反射。§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM63光電成像原理（6）液晶的電光特性液晶的電光效應：液晶材料在施加電場（電流）時，其光學性質會發(fā)生變化。液晶的電光效應在液晶顯示器的設計中被廣泛采用。目前發(fā)現的電光效應種類很多，產生電光效應的機理也較為復雜，但就其本質都是液晶分子在電場作用下改變其分子排列或造成分子變形的結果?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM64光電成像原理（7）液晶顯示器的工作原理

以向列型液晶為例，說明LCD顯示器的基本工作原理。向列型液晶分子被放置在一個內部刻有溝槽的容器中時，液晶分子會自動按溝槽方向排列，如果在液晶材料上施加電場，則液晶分子的排列將與電場方向平行。因為液晶分子的排列能夠改變光的偏振方向，利用偏振光就可實現圖像的顯示。§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM65光電成像原理

液晶被灌在兩個制作精良的平面之間構成液晶層，這兩個平面上列有許多溝槽，單獨平面上的溝槽都是平行的，但是這兩個平行的平面上的溝槽卻是互相垂直的。位于兩個平面間液晶分子的排列會形成一個90度的逐漸扭曲狀態(tài)，背光光源的光線通過后層會被液晶扭曲，從而能夠通過前層平面。如果給液晶層加電壓將會產生一個電場，液晶分子就會重新排列，光線無法扭轉從而不能通過前層平面。

§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM66光電成像原理

液晶板的下表面有一個0度的偏振器，上表面有一個90度的偏振器。背光光源的光線經下表面的偏振器后稱為偏振方向為0度的偏振光，該偏振光通過液晶層時偏振方向被旋轉90度，正好穿過上表面的偏振器。如果給液晶板施加一個與表面垂直的電場，液晶分子將順著電場排列，破壞扭轉效應，偏振光無法通過上表面的偏振器。

§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM67光電成像原理

液晶顯示器上的電極是透明電極，分為行和列電極，通過對行電極和列電極上的電壓控制來實現單個像素的控制（被動陣列LCD結構）。通過對行電極和列電極施加相應的脈沖電壓，可依次對各個像素進行選定，脈沖幅度經圖像信號調制后控制每個像素的透光率。但是這種結構的LCD響應速度較慢，影響運動圖像的顯示。

主動陣列LCD結構：每個像素后面都集成有一個位于液晶板底部玻璃上的晶體管開關，這些開關可獨立尋址且開關速度很快，由它們控制像素上的電壓，使得LCD的響應速度和對比度得到很好的改善。§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM68光電成像原理（8）液晶顯示器的背光源液晶顯示器是被動顯示器件，本身不會發(fā)光，通常工作在透光模式下。因此，為了了獲得高對比度與全色顯示，需要采用背光源照明；由于背照光源的功率是整個器件的90%以上，因此體積和功率是首先要考此的因素。目前采用的背照光源主要有：熱電致發(fā)光板（EL）；平板熒光燈（VFD）；冷陰極熒光燈（CCF）；平板場發(fā)射（FED）；有機電致發(fā)光（OEL）等。照明方式又分為邊光式與背光式背光式兩種。§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM69光電成像原理3.PDP顯示器

PDP顯示器屬于平板顯示器，沒有電子槍和偏轉系統(tǒng)，整體結構比較緊湊。利用惰性氣體放電產生的紫外輻射來實現電光轉換。PDP顯示的基本原理：

兩層玻璃板之間夾雜一層惰性氣體混合物，玻璃板內表面上分布的電極陣列對惰性氣體施加電場，在一對垂直和水平電極的交匯處發(fā)生氣體放電，同時由于激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間的能量躍遷輻射出紫外輻射。紫外輻射誘發(fā)熒光粉發(fā)出可見光，產生一個亮點?！?.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM70光電成像原理4.OLED顯示器

OLED顯示器超薄、可卷曲的主動發(fā)光型器件。（1）OLED是什么？

OLED是有機電致發(fā)光顯示器（OrganicElectro-luminescenceDisplay，OELD

）或者叫做有機電致發(fā)光二極管（OrganicLightEmittingDiode，OLED

）。

由于同時具備自發(fā)光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構造及制程較簡單等優(yōu)異之特性，是下一代的平板顯示器新興應用技術。

§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM71光電成像原理（2）OLED的發(fā)光原理有機發(fā)光顯示技術由非常薄的有機材料涂層和玻璃基板構成。當有電荷通過時這些有機材料就會發(fā)光。OLED發(fā)光的顏色取決于有機發(fā)光層的材料，廠商可由改變發(fā)光層的材料而得到所需之顏色。有源陣列有機發(fā)光顯示屏具有內置的電子電路系統(tǒng)，因此每個像素都由一個對應的電路獨立驅動。

§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM72光電成像原理（3）OLED的特點顯示方面：主動發(fā)光、視角范圍大；響應速度快，圖像穩(wěn)定；亮度高、色彩豐富、分辨率高。工作條件：驅動電壓低、能耗低，可與太陽能電池、集成電路等相匹配。適應性廣：采用玻璃襯底可實現大面積平板顯示；如用柔性材料做襯底，能制成可折疊的顯示器。由于OLED是全固態(tài)、非真空器件，具有抗震蕩、耐低溫（-40℃）等特性，在軍事方面也有十分重要的應用，如用作坦克、飛機等現代化武器的顯示終端。

§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM73光電成像原理OLED組件是使用熒光性有機化合物的，分為小分子組件(Molecule-basedDevice)：由美國柯達伊士曼公司(Kodak-Easton)于1987年首次發(fā)表；高分子組件(Polymer-basedDevice)：由英國劍橋顯示器技術公司(CDT)于1990年正式對外發(fā)表。有機電機發(fā)光組件具備有發(fā)光二極管的整流及發(fā)光特性小分子材料有機電致發(fā)光組件稱為OLED

(OrganicLightEmittingDevice)高分子材料有機電致發(fā)光組件稱為PLED

(PolymerLightEmittingDevice)§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM74光電成像原理12:33PM75光電成像原理§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理陰極由金屬或合金組成，Ag、Al、Mg、In、Li、Ca都可做陰極材料。新型陰極：LiF、MgF2、LiOx與Al組成。陽極表面的不平度被認為是導致OLED缺陷的一個重要因素。陰極陽極透明基板12:33PM76光電成像原理（4）OLED的技術應用§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM77光電成像原理（5）OLED的發(fā)現

1979年的一天晚上，在柯達公司從事科學研究工作的華裔科學家鄧青云博士（Dr.C.W.Tang）在回家的路上忽然想起有東西忘記在實驗室?；氐綄嶒炇?，他發(fā)現黑暗中有個亮的東西。打開燈，原來是一塊做實驗的有機蓄電池在發(fā)光。這是怎么回事？OLED研究就由此開始。鄧博士也因此被稱為“OLED之父”。

§8.1

電視系統(tǒng)的組成與工作原理12:33PM78光電成像原理所謂微光電視系統(tǒng)（低照度電視系統(tǒng)），是指用于夜天或其他低照度條件下視頻形式的夜視系統(tǒng)。有些情況下，為了增加作用距離或細節(jié)分辨能力，微光電視系統(tǒng)也采用附加照明方式，輔助光源通常采用人眼不可見的近紅外激光光源或大功率LED等。微光電視系統(tǒng)相對于廣播/工業(yè)電視系統(tǒng)具有較高的靈敏度，可在較低的照度下獲得高質量的圖像，攝像管靶面照度在1lx以下。通常情況，環(huán)境照度在經過景物反射和光學系統(tǒng)后，靶面照度比環(huán)境照度低一個數量級左右，黎明或黃昏的環(huán)境照度為10lx?！?.2

電視型微光成像系統(tǒng)(微光電視)12:33PM79光電成像原理相對于直視型微光成像系統(tǒng)，微光電視系統(tǒng)具有以下特點：圖像信號轉換成一維的電信號后，可對信號進行頻率特性補償、校正，另外還可利用數字圖像處理技術改善顯示圖像的質量，增加圖像的信息量；可實現圖像的遠距離傳送，并可遙控攝像；改善了觀察條件，可多人、多地點同時觀察；可對被觀察景物的圖像信息長時間錄像存儲，便于進一步分析研究。微光電視系統(tǒng)在體積、質量、功耗、操作維修以及圖像分辨力等方面要遜色于直視型器件?！?.2

電視型微光成像系統(tǒng)(微光電視)12:33PM80光電成像原理一、微光攝像器件及其性能

CCD型微光攝像器件：1.高靈敏度CCD成像器件

CCD攝像機通常不具備微光工作性能，必須對CCD/CMOS芯片及其處理能力加以改善：通過CCD/CMOS模擬信號的疊加處理，使弱光產生的微弱信號通過信號積分提高圖像信噪比，系統(tǒng)成像幀頻通常為8~12Hz或更低(保證足夠的信號積累)；通過TE制冷技術使探測器在大約零下12度工作，擴大動態(tài)范圍；采用高靈敏度的CCD芯片，提高其靈敏度?！?.2

電視型微光成像系統(tǒng)(微光電視)12:33PM81光電成像原理2.背照明CCD(BCCD)成像器件原理同普通CCD基本相同。對CCD探測器背面進行減薄使入射輻射進入Si，經過光電轉換產生的光電子可以通過擴散進入CCD勢阱，提高靈敏度和擴展光譜響應范圍。比前照式CCD具有更高的量子效率，靈敏度適合于非常微弱的信號探測，但是成本大大提高。3.微光ICCD成像器件

通過微光像增強器（技術分代）進行光信號的預放大，大大提高ICCD的靈敏度，并通過選通電壓的控制實現快速的選通成像。4.EBCCD成像器件（電子轟擊背照明減薄CCD）可以在10-5lx以下的照度環(huán)境工作，具有很高的靈敏度，但壽命較短，影響其廣泛應用?！?.2

電視型微光成像系統(tǒng)(微光電視)12:33PM82光電成像原理5.EBCCD與ICCD的信噪比、MTF和分辨力的比較低照度下的信噪比特性實測MTF曲線§8.2

電視型微光成像系統(tǒng)(微光電視)12:33PM83光電成像原理6.TDI工作方式（積分延時工作方式）非TDI工作方式：線陣CCD攝取二維平面圖像時，攝像機和被攝景物之間必須有相對運動。運動方向上最小可分辨尺寸由物體運動速度和攝像機積分時間決定：輸出信號正比于輸入照度E和積分時間：因此，攝像陣列的幾何分辨力和輸出信號均與積分時間ti有關，可通過降低ti提高幾何分辨力，但此時輸出信號將會減小?！?.2

電視型微光成像系統(tǒng)(微光電視)12:33PM84光電成像原理TDI工作方式：采用面陣CCD完成非TDI的工作任務，則可在不降低分辨力的情況下增加靈敏度，通過延時-積分提高信號響應。設面陣CCD為M行N列，二維攝像陣列沿列的方向同景物相對運動，運動速度為v0。保持延遲時間與掃描速度一致，則可以把M行從同一景物單元接收到像敏元的信號積累起來，因此，對一列的每個像敏元信號電荷量都增大了M倍（即靈敏度提高了M倍）：