彩色CCD摄像机原理及参数

彩色CCD摄像机

 为了能输出彩色电视信号，摄像机电路中要处理红(R)、绿(G)、蓝(B)3种基色信号。因此，首先要对景物的光学图像进行分光(色)，把一帧图像分解为三个基色分量图像。仿照早期的3个摄像管式的摄像机工作原理，最初的彩色CCD摄像机都是由三片CCD图像传感器配合彩色分光棱镜及彩色编码器等部分组成。随着技术的不断进步，通过在CCD靶面前覆盖特定的彩色滤光材料，用两片甚至单片CCD图像传感器也可以输出红、绿、蓝三种基色信号，

从而构成两片式或单片式彩色CCD摄像机。目前的三片式彩色CCD摄像机属于高档产品，几乎全部用于广播电视系统及高档民用系统，而应用于视频安防监控系统中的彩色摄像机则绝大多数都是单片式的。

 (1)三片式彩色CCD摄像机

 被摄物体的光线从镜头进入摄像机后被分色棱镜分为红、绿、蓝三路光线投射到三片CCD传感器上，分别进行光电转换后变为三路电信号R、G、B。该信号经预先放大和补偿后送入A／D变换器，变换成相应的三路数字信号，再送入数字处理器进行各种校正、补偿等处理，最后输出三路数字信号】，、JR—y、B．】，(】，为亮度信号)。为了使数字摄像机适应其他模拟设备，经D／A变换后输出的三路模拟分量信号，最后经彩色编码后输出一路PAL，制式全电视信号。由于每种基色光都有一片CCD传感器，因此可以得到较高的分辨率。    (2)单片式彩色CCD摄像机

   在应用电视中所用的彩色摄像机都是单片式彩色CCD摄像机。由于一片CCD传感器要对三种基色光感光，因而单片式彩色CCD摄像机的分辨率较低，但成本也降低了许多。

   单片彩色CCD摄像机用一个CCD传感器产生R、G、B三种颜色的信号，必须用彩色滤色器阵列(CFA)将光进行分色。

   从物理结构上看，CFA相当于在CCD晶片表面覆盖数十万个像素般大小的三基色滤色片，而这些微小的滤色片是按一定的规律排列的。图3．17列出了拜尔提出的CFA结构，图中标出R、G、B的小方块分别表示红、绿、蓝三基色滤色片。由该结构可以看出，绿色的滤色片占了全部滤色片的一半，而红色和蓝色滤色片分别占全部滤色片的l／4，这是因为人眼对于绿色的敏感度要比对红、蓝色的敏感度高。

   从各小滤色片的空间分布上看，拜尔CFA结构中各小滤色片的分布还是比较均匀的，但用在隔行扫描的电视摄像系统中就会出现问题。当奇数场到来时，只有奇数行的各像素被依次读出，即仅有红色和绿色信号的行被读出，画面呈黄色；当偶数场到来时，只有偶数行的各像素被依次读出，即仅有蓝色和绿色信号的行被读出，画面呈青色。因而从时间上看，画面一会儿为黄色，一会儿为青色，产生了半场频的黄青色闪烁。

   实际应用中多采用图3一18所示的行间排列方式的CFA结构。在这种结构中，绿色小滤色片的排列方式不变，而红、蓝色小滤色片被安排成每行都有，因而无论是奇场还是偶场，红、蓝信号都被均匀读出，消除了半场频的黄青色闪烁。

单片CCD传感器输出信号为红、绿、蓝混合信号，必须通过彩色信号分离电路分解出红、绿、蓝基色信号。由于CCD传感器的输出信号是由时钟驱动脉冲控制的，与时钟脉冲有严格的对应关系，因而在取样保持电路中采用由时钟驱动脉冲形成的相位与时钟脉冲一致的脉冲取样，可分离出相应的基色信号。

   对于这种结构的摄像器件，进行隔行扫描时，光敏单元和滤色器的排列关系。在垂直方向上每一个滤色器对应两个光敏单元，在水平方向上，每一个滤色器对应一个光敏单元。而且，奇数场由各滤色器单元的上部像素承担，偶数场由各滤色器单元的下部像素承担，两个扫描合起来就可得到对应于行问排列的电信号。