CCD摄像机的基础知识(上)

2010-05-24 09:45:00 来源:安防知识网 作者:雷玉堂
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[摘要] 提起CCD,想必大家都不陌生,但究其根源,也许有些人并不十分了解。本文主要为读者介绍CCD摄像机的基础知识,希望大家对CCD有进一步的了解。

安防知识网】提起CCD,想必大家都不陌生,但究其根源,也许有些人并不十分了解。本文主要为读者介绍CCD摄像机的基础知识,希望大家对CCD有进一步的了解。

  什么是CCD

  CCD是一种固体图像传感器,它是电荷耦合器件(Charge coupled device)的英文简称,是1970年美国贝尔实验室的W·B·博伊尔(W·B·Boyle)和G·E·史密斯(G·E·Smith)等人研制出来的。

  CCD是在MOS晶体管的基础上发展起来的,其基本结构是MOS(金属—氧化物—半导体)电容结构(如图1所示)。它是在半导体P型硅(si)作衬底的表面上用氧化的方法生成一层厚度约100nm~150nm的Sio2,再在Sio2表面蒸镀一层金属(如铝),在衬底和金属电极间加上一个偏置电压(称栅电压),就构成了一个MOS电容器。所以,CCD是由一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列构成的。

  

  目前的CCD器件均采用光敏二极管代替过去的MOS电容器,它是在P 型Si衬底上扩散一个N+区域以形成P-N结二极管。将光电二极管反向偏置,就可在光电二极管中产生一个定向电荷区(称之为耗尽区)。在定向电荷区中,光生电子空穴分离,光生电子被收集在空间电荷区中。空间电荷区对带负电的电子而言,是一个势能特别低的区域,因此通常又称之为势阱。投射光产生的光生电荷就储存在这个势阱之中,势阱能够储存的最大电荷量又称之为势阱容量,势阱容量与所加栅压近似成正比。

  光敏二极管和MOS电容器相比,光敏二极管具有灵敏度高,光谱响应宽,蓝光响应好,暗电流小等特点。如果将一系列的MOS电容器或光敏二极管排列起来,并以两相、三相或四相工作方式把相应的电极并联在一起,并在每组电极上加上一定时序的驱动脉冲,这样就具备了CCD图像传感器的基本功能。

  CCD摄像机的组成

  黑白CCD摄像机的组成及原理如图2所示。

  

  由图2看出, CCD黑白摄像机一般由CCD图像传感器、扫描驱动及同步信号产生部分、视频图像处理及放大部分、摄像镜头、电源等5大部分组成。

  而CCD彩色摄像机的组成,是在上述5大部分的基础上增加彩色滤波器阵列、红外截止滤光片与彩色信号的处理电路等。至于网络摄像机的组成,除前面所说的摄像机的基本部分外,至少要增加能实现网络传输的功能,即要增加视频压缩处理与视频服务器等。

  CCD摄像机的正确使用与镜头等的安装调整

  1、安装镜头

  众所周知,摄像机必须配接镜头才可使用,但镜头合适与否,应根据应用现场的实际情况来选配。如有定焦镜头或变焦镜头、手动光圈镜头或自动光圈镜头、标准镜头或广角镜头、长焦镜头以及一些特殊镜头等。此外,还应注意镜头与摄像机的尺寸搭配,以及它们之间的接口是C型还是CS型,要不要加5mm的接圈等。

  实际安装镜头时,首先要去掉摄像机及镜头的保护盖,然后将镜头轻轻旋入摄像机的镜头接口并使之到位。如是自动光圈镜头,还应将镜头的控制线连到摄像机的AI插口。[nextpage]

  2、连接电源线与信号线

  镜头安装好后,就可连接电源线及视频信号线。对12V供电的摄像机来说,应通过220VAC转12VDC的电源适配器,将12V输出插头插入摄像机的电源插座。摄像机的电源插座大多是内嵌式的针型插座,将12V小电源输出小套筒插头插入即可。但有的摄像机是两个接线端子,这就需要旋动接线端子上的螺钉,将12V小电源输出线剪开插入并拧紧螺钉就行。需指出的是,必须注意电源线的极性,以防烧坏摄像机。

  摄像机输出的视频信号均由其后面板上的BNC插座引出,用具有BNC插头的75Ω的同轴电缆,一端接入摄像机的视频输出(Video Out)插座,另一端接到监视器的视频输入(Video in)插座上。最后,接通电源并打开监视器,即可看到摄像机摄取的图像。

  有的摄像机有内置拾音器,其后面板上有输出声音的RCA插座,用具有RCA插头的屏蔽电缆,一端接入摄像机的RCA插座,另一端接到监视器的音频输入(Audio in)插座上,就可听到所监控的现场的声音。

  3、镜头光圈与对焦的调整

  在安装好镜头、连接好电源与信号线后,往往得不到理想而清晰的图像,这就需要调整镜头的光圈与对焦。为此,首先关闭摄像机上电子快门及逆光补偿等开关,将摄像机对准欲监视的场景,再调整镜头的光圈与对焦环,使监视器上的图像最佳。如果是在光照度变化较大的场合使用摄像机,最好配接自动光圈镜头并使摄像机的电子快门开关置于OFF。如果选用了手动光圈则应将摄像机的电子快门开关置于ON,并在应用现场最为明亮(环境光照度最大)时,将镜头光圈尽可能开大并仍使图像为最佳(不能使图像过于发白而过载),这时镜头才算调整完毕。这样,当现场照度降低时,电子快门将自动调整为慢速,再配合较大的光圈,仍可使图像达到满意的程度。

  值得说明的是,在调整过程中,若不注意在光线明亮时将镜头的光圈尽可能开大,而是关得比较小,则摄像机的电子快门会自动调在低速,虽然仍可在监视器上形成较好的图像,但光线再变暗时,因镜头的光圈比较小,而电子快门已经处于最慢(1/50s),此时的成像就可能是昏暗一片。

  在镜头的光圈与对焦调整好后,最后装好防护罩并上好支架即可。

  需要指出的是,如果是电动变焦镜头(二可变或三可变),其镜头前部取景镜面与防护罩取景玻璃面之间,必须要充分预留下聚焦动作所需的工作间隔空间(即距离)。否则,镜头在聚焦动作时将会推伸出一部分长度与防护罩的窗口玻璃发生碰撞并顶住,从而可能造成聚焦电机的损坏。但预留的聚焦工作距离不能过长,过长会妨碍镜头的光通量特性而影响成像效果。最好的办法是,手动旋转镜头聚焦取景部位,分别在左右两个方向上轻轻地旋转至底到不可调为止,这时即可精确地找出应预留的工作距离。

  4、镜头后焦距的调整

  所谓后焦距也称背焦距,它指的是安装上标准镜头(标准C/CS接口镜头)时,能使被摄景物的成像恰好在CCD图像传感器的感光面上。一般摄像机在出厂时,对后焦距都作了适当的调整,因此在配接定焦镜头的应用场合,通常都不需要调整摄像机的后焦距。

  但在有些应用场合,可能出现当镜头对焦环调整到极限位置时,仍不能使图像清晰。在这种情况下,首先须确认镜头的接口是否正确,如果确认无误,就需要对摄像机的后焦距进行调整。[nextpage]

  a、定焦镜头后焦距的调整

  ·第一步:将镜头正确安装到摄像机上;

  ·第二步:打开摄像机自动电子快门开关,将镜头光圈开到最大,并把对焦环旋至无限远处;

  ·第三步:对准拍摄一个20m以外的物体;

  ·第四步:将摄像机前端用于固定后焦调节环的内六角螺钉旋松,并旋转后焦调节环(对没有后焦调节环的摄像机则直接旋转镜头而带动其内置的后焦环),直至画面最清晰为止;

  ·第五步:重新旋紧内六角螺钉。

  b、变焦镜头后焦距的调整

  在绝大多数摄像机配接电动变焦镜头的应用场合,往往都需要对摄像机的后焦距进行调整。其后焦距调整的步骤如下:

  ·第一、二、三步同定焦镜头的调整;

  ·第四步:用镜头控制器调整镜头的变焦,将景物推至最远,即望远状态;

  ·第五步:用镜头控制器调整镜头的变焦,将景物拉至最近,即广角状态;

  ·第六步:将摄像机前端用于固定后焦调节环的内六角螺钉旋松,并旋转后焦调节环(对没有后焦调节环的摄像机则直接旋转镜头而带动其内置的后焦环)直至画面最清晰为止;

  ·第七步:重新将镜头推至望远状态,看第四步拍摄的物体是否仍清晰,如不清晰再重更第四、五、六步骤,直至景物在镜头变焦过程中始终清晰为止;

  ·第八步:最后旋紧内六角螺钉。

  彩色CCD摄像机的调整

  彩色CCD摄像机主要有白、黑平衡以及相应调整和色温调整等,下面分别介绍。

  白平衡(White Balance)的调整

  由光源的色温概念中知,同一光源在不同的色温下,或不同的光源在同一色温下,人眼感觉其照射的白色物体的颜色会有差异。如同一房间内同时开启日光灯及白炽灯照明,人眼会感觉日光灯照射的白色墙壁偏蓝,而白炽灯照射的白色墙壁偏红。由此可知,彩色摄像机在不同的环境色温下,对白色墙壁应正确地重现白色,因此需要进行白平衡调整。所以,白平衡直接影响重现图像的彩色效果。当摄像机的白平衡设置不当时,重现图像就会出现偏色现象,特别是会使原本不带色彩的景物(如白色的墙壁等)也着上了颜色。

  1、什么是白平衡?

  由于彩色摄像机需输出有“彩色”的视频信号,而这个“彩色”是用亮度、色调、饱和度来描述的,其中亮度用来表示某彩色光的明亮程度,色调反映颜色的种类,饱和度是指颜色的纯度或颜色的深浅程度。一般把色调和饱和度通称为色度,因此色度表示颜色的类别与深浅程度,它与亮度一起描述“彩色”。

  自然界中常见的各种颜色光,都可由红、绿、蓝三种颜色光按不同比例相配而成,而绝大多数颜色光也可以分解成红、绿、蓝三种色光。在理想情况下, 彩色CCD摄像机的红、绿、蓝三条等效光路得到的光能量是相等的,所以摄像机输出的红、绿、蓝信号电压也是相等的,从而使标准彩色监视器能重现彩色摄像机所摄的纯白色的景物。因此,人们把拍摄白色物体时摄像机输出的红、绿、蓝三基色信号电压相等(即UR=UG=UB)的现象,称为白平衡。[nextpage]

  由于显像管只有得到三个幅度相同的基色电压时,才能显示出标准白色。因此,在拍摄同一白色景物的情况下,当光源的色温变化时必须设法保持摄像机输出的三个基色信号电压幅度相等。通常,在光源色温变化时,人们用调节红、绿、蓝三路增益的方法来维持UR=UG=UB的关系。这种调节就叫做白平衡调节或白平衡调整。

  一般,白平衡的调整是在一定范围内进行的,当光源色温的变化范围较大时,单靠调整基色信号的增益可能仍达不到理想的效果。在这种情况下,就要通过使用色温校正片来改变一下入射到CCD图像传感器的光的光谱特性。广播级的彩色摄像机一般都配有高中低三档色温校正片,而在电视监控系统中所用的摄像机一般都不配备色温校正片。

  值得指出的是,摄像机的白平衡性能表现为被摄景物在监视器上的色彩还原,因此监视器本身不能偏色,否则就无法判定摄像机偏色。为此,可使用视频信号测试光碟,向监视器输出一个白场信号,再观察荧屏的白色是否偏色。

  2、自动白平衡(Auto White Balance简称AWB)调整

  白平衡的调整是在摄像机中的处理放大器中进行的,因而可通过调整红、蓝路信号放大器的增益,使红、绿、蓝三路信号满足UR=UG=UB的关系,即可完成白平衡的调整。其调整要求是:在任何光源下,在拍摄图像之前,首先要拍摄一个标准的白色目标(通常为标准白平衡测试卡),再调节各路放大器增益使之达到白平衡标准,然后才能正式拍摄其他图像。因此,当照射光源的色温变化时,必须重新调整白平衡。

  在实际的电视监控系统的应用中,摄像机通常都是长时间地工作,甚至是24h连续工作,光源色温及电路参数(尤其是在室外应用时)都会发生一定的变化,因而要多次进行手动白平衡的调整是不现实的。所以,现行彩色摄像机几乎百分之百地应用了自动白平衡调整技术。

  自动白平衡调整通常有两种处理方法:

  a、将处理放大器输出的红、绿、蓝三基色信号送入白平衡电路,分别经白平衡窗口(也称为白平衡门)脉冲取样后加以整流,以得到平均直流电平,再将红路和蓝路的平均电平分别与绿路的平均电平进行比较。以绿路电平为基准,将所得的误差电压放大后送回处理放大器的增益控制级,从而改变红、蓝两路的增益,使其输出信号电平与绿路信号电平相等,以实现白平衡。这种处理方法的原理如图3所示。

  

  当白平衡调整完毕,自动白平衡电路应断开。此时的误差电压应保持不变,并控制着增益控制级以维持白平衡。

  误差电压的保持方式分为模拟和数字两种:

  误差电压的模拟保持方式是,将误差电压存储在电容器上(图1中的电容器C)。这个电容器的绝缘电阻应当尽可能地高,其4h内记忆电平的变化要小于1%,因此与电容C并联的等效电阻至少要大于105MΩ。这就要求C后面的运算放大器应是高输入阻抗型的,其差模输入电阻应大于106MΩ以上。[nextpage]

  误差电压的数字保持方式是,将误差电压先转变成数字信号存储起来,然后再变成模拟电压送到增益控制级,只要计数器的电源不断开,数字信号就维持不变,误差电压也就不变。

  b、将色差信号R-Y和B-Y送入自动白平衡电路,经R、C网络积分后,与零电平进行比较。当拍摄白色景物并达到白平衡时,两个色差信号都应当是零。因此,通过将色差信号与零电平进行比较,即可实现白平衡调整。如当R-Y>0时,则比较器输出电压就加到红路增益控制级,使其增益减小,直到R-Y=0;当R-Y<0时,则红路增益应当增大。其中蓝路增益的控制,则由B-Y信号控制,具体控制方法与红路相同。

  黑平衡(Black Balance)的调整

  黑平衡也是彩色摄像机的一个参数,一般广播级摄像机都有黑平衡调整电路。但是,在电视监控系统的实际应用中,多为中低档CCD彩色摄像机,因此一般都不设黑平衡调整电路,其原因是因为由于黑平衡对人眼视觉的影响远不如白平衡对人眼视觉影响那样强烈之故。

  1、什么是黑平衡?

  黑平衡是摄像机在拍摄黑色景物或者盖上镜头盖时,输出的三个基色电平也应相等,这时在监视器的屏幕上才能重现出纯黑色,这种现象叫做黑平衡。若黑平衡调整不好,在监视器的屏幕上就会出现黑里透红或黑里透绿等色调。

  根据前面的分析可知,正确重现黑白图像是正确重现彩色的前提和基础,因此,彩色摄像机的黑、白平衡的调整对正确重现彩色是十分重要的。

  2、自动黑平衡(Auto Black Balance 简称ABB)调整

  自动黑平衡与自动白平衡的处理方法基本相似,但引起黑电平的变化不平衡的因素,要比白电平多。从电路结构上看,黑电平的调整和白电平的调整会互相影响。因此,在彩色摄像机的处理放大器中,在增益控制级的前面,要加暗电流和背景光补偿以及杂散光校正等电路,以使黑电平既不随增益变化,也不随杂散光变化。这样,调整白平衡时,就不致影响黑平衡。

  自动黑平衡的处理也有两种方式:

  · 红、绿、蓝三路处理放大器黑电平由一个公共的基准黑电平来决定,当盖上镜头盖时,就自动地使每一路信号在混消隐以前保持黑电平与消隐电平一致。这样,最后输出的三路视频信号的黑电平也必定是一致的;

  · 以绿路为基准,将红路黑电平与蓝路黑电平分别与绿路黑电平相比较,用所得误差电压分别控制红路与蓝路的黑电平,使它们与绿路黑电平相等。

  有关电路的原理与前述自动白平衡调整电路的原理类似,这里就不再赘述。

  其他性能参数的调整

  除了白、黑平衡外,彩色摄像机还有其他性能参数,其中水平与垂直相位调整可保证 图像的色彩及稳定性,而外同步输入端口则可保证大系统中的多支摄像机保持同步调整锁定状态。

  1、水平相位(Horizontal Phase简称HP)调整

  水平相位也称作行相位,它与彩色副载波(PAL制彩色副载波频率为fs = 4.43361875MHZ)具有严格的锁定关系。一旦相位失锁,就会造成在监视器屏幕上重现的图像无彩色,或是出现彩色失真,如红旗变成了绿旗,人脸的颜色也变成青绿色等。[nextpage]

  水平相位与副载波相位的锁定关系,是在摄像机的同步信号产生电路中完成的。通常,电路设计可使这一锁定关系具有很宽的锁相跟踪范围,因而一般不需调整。正因为如此,大多数中、低档CCD彩色摄像机,一般不设有此外置HP调整的功能。

  一般,对中、高档彩色摄像机,要求其功能及适应的环境更为多些。因此,往往在摄像机的背面板或侧面板上,增加一个HP调整旋钮。一旦出现彩色失真,可以通过调整此HP旋钮而加以消除。

  2、垂直相位(Vertical Phase简称VP)调整

  垂直相位也称作场相位,它与行相位也具有严格的锁定关系,主要用于保证正确的电视扫描规律。当监视器屏幕上的图像出现垂直流动时,调整VP旋钮即可消除画面的滚动。

  3、外同步输入(SYNC)

  一般,在大多数中、高档CCD彩色摄像机的后面板上,除了有BNC连接器的视频输出端口(标有VIDEO字样)外,还有一个标有SYNC字样的同样形状的端口,并在其附近设有一个拔动开关,这个BNC端口就是外同步输入端口。当单独使用一个摄像机时,这个端口一般无需连接,只需将视频输出端口通过视频电缆连接到监视器或录像机等视频设备上,即可获得稳定的图像。而当同时使用多个摄像机并共用后端视频设备(如多画面分割器)时,有时就会出现多个画面不同步的现象,这时就需要用到SYNC端口。

  由前面的分析可知,为保证正确的电视扫描关系,摄像机内部必须有同步信号产生电路。这种同步信号产生电路为摄像机的各部分电路提供了所需的同步信号,人们称此时摄像机工作在内同步方式。当多个摄像机同时用后端视频设备时,由于各摄像机的内同步彼此是独立的,后端设备便无法确定去跟踪哪一个摄像机的同步信息,因而造成各显示画面的不同步。顺便指出,现行的多画面分割器大都采用了具有较强的同步跟踪能力的锁相电路,因而在大多数应用场合,不会出现上述各显示画面不同步的现象。

  通过SYNC拔动开关将摄像机置于外同步方式,并将各摄像机的外同步输入端口连接到一个外接同步信号发生器上,则各摄像机即关断了各自的内同步产生电路,而是从外同步输入端口中获取并分离出各部分所需的同步信息。由于此时各摄像机的同步信息是来自同一个同步信号发生器,因而保证了各摄像机画面的同步关系。一般,外同步方式连接示意如图4所示。

  

  顺便指出,在某些特殊应用中(如用多台摄像机进行图像测量等),摄像机必须使用这种外同步工作的方式(未完待续)。

【相关阅读】

CCD摄像机的基础知识(中)

CCD摄像机的基础知识(下)

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[责任编辑:曹雪芹]

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