圖像傳感器應(yīng)用技術(shù) 第4版 課件 第5章 CCD彩色攝像機(jī)概述

第5章CCD彩色攝像機(jī)概述5.l三管CCD彩色電視攝像機(jī)CCD彩色電視攝像機(jī)主要內(nèi)容包括光學(xué)成像系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、CCD驅(qū)動(dòng)器、信號(hào)處理和圖像的重合調(diào)整等幾個(gè)問(wèn)題。5.1.1三管CCD彩色電視攝像機(jī)的基本組成三管CCD彩色電視攝像機(jī)的基本組成原理方框圖如圖5-1所示。圖5-1三管CCD彩色攝像機(jī)原理方框圖成像物鏡三色CCD采樣保持器白電平電路屋脊分光棱鏡信號(hào)處理電路視頻信號(hào)輸出圖像邏輯圖框校正5.1.2光學(xué)系統(tǒng)和CCD攝像機(jī)中的重合調(diào)整l.光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)攝像物鏡和分光系統(tǒng)形成的紅、綠、藍(lán)三幅單色圖像的大小需要調(diào)整到精確的一致。要求三幅圖像尺寸的偏差不大于0.15％。光學(xué)系統(tǒng)的幾何形狀失真，一般小到允許的范圍之內(nèi)。2.重合調(diào)整要求三只面陣CCD是采用一個(gè)基片上刻制的芯片，以便確保它們的幾何尺寸、形狀、對(duì)應(yīng)的像元位置都保持一致。通過(guò)調(diào)整確保中心重合率達(dá)到土2μm，傾斜調(diào)整的精度保持在0.1°以內(nèi)。5.1.3頻譜混疊干擾在R、G、B信號(hào)之間相互抵消CCD的采樣頻率fs確定后，為確保采樣后的信號(hào)不出現(xiàn)如圖5-3所示的頻譜混疊，需要采取相應(yīng)的措施才能避免。采用如圖5-4的方式安排3片CCD像元的相對(duì)位置錯(cuò)開(kāi)1/2L的措施可以避免頻譜混疊。采用干擾頻率相互抵消措施后，可將攝像機(jī)輸出的視頻帶寬從fM＝fs/2提高到fM＝fs。5.2兩管式CCD彩色電視攝像機(jī)圖5-6是兩管CCD彩色電視攝像機(jī)的原理方框圖。分光棱鏡通過(guò)采保獲取單色圖像信號(hào)利用分光鏡、濾光片與采樣保持電路及減法運(yùn)算器獲取單色圖像信息。透明條后的成像單元獲得的圖像信號(hào)為

M＝R+B+N黃濾色條后的成像單元獲得的圖像信號(hào)為M與R′進(jìn)行減法運(yùn)算后

由于CCD對(duì)紅光的靈敏度要比對(duì)藍(lán)光靈敏度高幾倍，即B信號(hào)比較弱。因此對(duì)B信號(hào)信噪比的改善有顯著的效果。紅色信號(hào)比較強(qiáng)，可以直接將R′作為R信號(hào)給處理單元。從R/B—CCD管中讀出的M、R′信號(hào)是由時(shí)鐘脈沖控制的，所以只需要一個(gè)與時(shí)鐘脈沖同步的模擬開(kāi)關(guān)電路就可以準(zhǔn)確無(wú)誤地將M和R′分離出來(lái)。5.3單管CCD彩色攝像機(jī)單管CCD彩色攝像機(jī)已廣泛用于電視監(jiān)控等圖像處理設(shè)備。其中的關(guān)鍵技術(shù)是采用了各種形式的綠色片。1.濾色器結(jié)構(gòu)如圖5-8所示的棋盤(pán)格式濾色器。這種濾色片每行都含有R、G、B顏色。信號(hào)重復(fù)頻率低。圖5-9(a)稱為Bayer濾色器，在這種濾色器的每一行上只有兩種濾色單元，或者是G、R，或者是G、B。2.兩種基本方案(1)僅利用基帶色信號(hào)的單管機(jī)方案圖5-10為具有一定代表性的單管CCD彩色攝像機(jī)的簡(jiǎn)化原理方框圖。采用Bayer濾色器與CCD像元的相對(duì)位置如圖5-11所示。由于CCD輸出信號(hào)與時(shí)鐘脈沖有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此很容易利用采樣保持器控制，將R、G、B基色信號(hào)分離出來(lái)。由圖5-12可見(jiàn)，綠色圖像的分辨率（重復(fù)頻率）是紅色及藍(lán)色的二倍。與人眼對(duì)3色圖像分辨率相符。(2)頻率分離型CCD單管攝像機(jī)圖5-13是用來(lái)實(shí)現(xiàn)頻譜交錯(cuò)的濾色器的原理結(jié)構(gòu)圖。圖中W、G、Y和C分別表示全透射、透射綠光、透射紅光和綠光以及透射藍(lán)光與綠光的濾色器，即W＝R十G十BY＝R十GC＝G十B被采樣R信號(hào)的相位是相同的；被采樣的B信號(hào)逐行倒換相位為180o。采樣信號(hào)的基波頻率為fc，根據(jù)分析脈沖調(diào)幅信號(hào)頻譜的基本理論，可得到以下結(jié)論：(1)調(diào)制在采樣脈沖基波分量fc(色載頻)上的R信號(hào)和B信號(hào)的頻譜是以半行頻(f/2)為間距交錯(cuò)間置的，若將采樣后的R和B與PAL制系統(tǒng)中的色差信號(hào)u和v相比較時(shí)，則可以看出二者之間的頻譜方式完全相同；(2)R和B各有1／2的能量留在基帶內(nèi)，G信號(hào)未經(jīng)采樣，100％為基帶信號(hào)，那么基帶信號(hào)Y(嚴(yán)格地講應(yīng)為Yb)為如果用fM表示Y信號(hào)的上限頻率，那么這一設(shè)計(jì)方案中，CCD攝像管讀出的信號(hào)頻譜分布如圖5-15所示。假定CCD攝像管在水平方向上有N個(gè)像元，則色載頻fc與N之間的關(guān)系為

在采用頻率分離方式的CCD單管攝像機(jī)中所選取的色載頻fc的數(shù)值，在編碼器中用來(lái)對(duì)色差信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。圖5-16所示為用頻譜交錯(cuò)原理構(gòu)成的CCD單管彩色攝像機(jī)的原理方框圖。圖中Y信號(hào)由低通濾波器取出，R和B信號(hào)用帶通濾波器取出調(diào)制在fc上，并由梳狀濾波器將它們分離開(kāi)來(lái)。

5.4典型單片彩色CCD5.4.1Bayer濾色器單片彩色CCDTCD5243D為Bayer濾色器的彩色面陣CCD的外形圖與管腳定義如圖5-17所示。圖5-17TCD5243D外形圖545(H)×497(V)像元構(gòu)成，有效像元為514(H)×490(V)，尺寸為9.6μm(H)×5.5μm(V)，尺寸為4.9mm(H)×3.7mm(V)。圖5-18為T(mén)CD5243D像元陣列圖。圖5-18TCD5243D濾色器與像元特性參數(shù)符號(hào)測(cè)試條件最小值典型值最大值單位光電靈敏度（R）R（R）F1.4,25.5cd/m295157

mV光電靈敏度（G）R（G）F1.4,25.5cd/m2180260

mV光電靈敏度（B）R（B）F1.4,25.5cd/m23065

mV飽和電壓Usat綠像元輸出300

mV暗信號(hào)電壓Udak環(huán)境溫度Tc=60℃1.53.0mV圖像彌散度SMRF5.6

0.0150.03%輸出阻抗ZO

500?輸出電流IOD

6.010mA彌散容限BLM綠像元輸出1000

倍表5-1TCD5243D的特性參數(shù)可見(jiàn)，藍(lán)色濾光片下的像元響應(yīng)最低，相當(dāng)于綠色濾光片下像元的l/6；紅色像元的響應(yīng)為藍(lán)色的三倍。5.4.2復(fù)合濾色器(或補(bǔ)色濾光片)型的彩色CCDTCD5511AD為典型帶通濾色片型的彩色CCD，適用于PAL／SECAM電視制式的單管彩色CCD攝像機(jī)。它有效像元598(水平)×679(垂直)，像敏區(qū)相當(dāng)于1/3吋典型光學(xué)系統(tǒng)。圖5-19為T(mén)CD5511AD的外形與管腳定義圖。圖5-19TCD5511AD外形與管腳定義TCD5511AD的彩色濾色器直接做在像元表面保護(hù)玻璃上，減小彌散。濾色器由符合色構(gòu)成，分別為Cy＝B十GYe＝G十RMg＝R十B如圖5-20所示。圖5-20TCD5511AD像元結(jié)構(gòu)5.5彩色數(shù)碼照相機(jī)簡(jiǎn)介1.數(shù)碼照相機(jī)的基本組成原理數(shù)碼照相機(jī)的基本組成原理方框圖如圖5-23所示。2.數(shù)碼照相機(jī)的主要性能（1）數(shù)碼照相機(jī)的分辨率或解像力（2）色彩深度色彩深度取決于數(shù)碼照相機(jī)中所用面陣CCD的動(dòng)態(tài)范圍與A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，即A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率。（3）焦距大多數(shù)的數(shù)碼照相機(jī)采用變焦距鏡頭，可變范圍一般在3~6倍，例如富士MX-1700ZOOM數(shù)碼照相機(jī)的鏡頭為38~114mm的3倍光學(xué)變焦鏡頭。（4）光圈與快門(mén)光圈與快門(mén)的功能與一般膠片式相機(jī)類似，快門(mén)的曝光時(shí)間在1/500~16s，有手動(dòng)設(shè)置。廣角鏡頭的光圈在f/2.5~f/16范圍內(nèi)可調(diào)，長(zhǎng)焦鏡頭光圈在f/3.8~f/24范圍內(nèi)可調(diào)。（5）圖像存儲(chǔ)目前，數(shù)碼相機(jī)存儲(chǔ)圖像的功能發(fā)展非常迅速，很多數(shù)碼相機(jī)的機(jī)內(nèi)內(nèi)存容量以達(dá)到數(shù)百Gb，同時(shí)，增加了USB總線接口，基本滿足各類用戶對(duì)圖像存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移的需求。（6）取景器取景器也是較膠片相機(jī)有重大發(fā)展的部件，膠片相機(jī)的取影器只能在拍照前觀看所攝景物是否合適，不能觀看拍攝完后的效果。（7）接口功能數(shù)碼相機(jī)與計(jì)算機(jī)的通信接口技術(shù)與半導(dǎo)體集成電路及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)密切相關(guān)。（8）其他功能數(shù)碼照相機(jī)同樣自動(dòng)測(cè)光、自動(dòng)調(diào)焦、自動(dòng)閃光和自拍等功能。5.6本章小結(jié)CCD彩色攝像機(jī)經(jīng)歷了由復(fù)雜到簡(jiǎn)單的發(fā)展過(guò)程，三管彩色攝像機(jī)是最先問(wèn)世的，然后經(jīng)歷了兩管、單管的過(guò)程，中間反應(yīng)了CCD芯片制造技術(shù)與工藝的提高及濾光片的發(fā)展。1.三管CCD彩色電視攝像機(jī)注重：①系統(tǒng)光學(xué)成像的調(diào)整；②芯片中心與傾斜的調(diào)整；③抑制R、G、B信號(hào)見(jiàn)的頻率混疊干擾。2.兩管式CCD彩色電視攝像機(jī)引入綠色器3.單管CCD彩色攝像機(jī)關(guān)鍵技術(shù)：①綠色器的種類與特點(diǎn)；②像元與綠色器的匹配；③利用復(fù)合綠色器實(shí)現(xiàn)頻率的分離方法。思考題與習(xí)題5解題思路5.1題，從三管彩色CCD攝像機(jī)的調(diào)整工藝要求考慮