第四章电视摄像与发射系统

您现在的位置是：网络教程-第四章第四章电视摄象与发送技术4.1广播电视系统的组成4.2电视摄像机4.3摄象器件4.4电视图像信号的处理4.5同步信号的形成4.6PAL全电视信号的形成4.7电视信号的发送在学完前三章关于黑白与彩色电视传象的基本原理后，从本章至第五章将要介绍电视摄象、发送、接收技术的一般原理。本章着重介绍电视信号的摄取、处理和发送等技术；第五章则介绍电视信号的接收技术。§4.1广播电视系统的组成电视可分为广播电视与应用电视两类，其中广播电视发展得很早、最成熟和最完备。为了学习的方便，本章与第五章以广播电视系统为例，来介绍电视发送和接收技术的基本原理，毫无疑问，这些原理对应用电视也是普遍适用的。图4.1-1示广播电视的发送和接收系统方框。发送系统主要包括各种电视信号源、信号处理与发射设备，接收系统主要包括天线和接收机。大多数应用电视系统不需要发射设备，直接通过电缆将电视信号传送给终端显示设备。电视信号源主要有三种：①电视摄象机，它能将活动图象直接转变为电视图信号。②飞点扫描器，它能将文字、图文（包括透明和不透明的幻灯片）以及活动电影片转变成电视图信号，它可以用来插送字幕、静止图象和放映电视电影。③利用电子合成技术产生电视信号、例如电视测试信号发生器、此外，录象机，现场实况转播车，转发卫星，城市间、国际间的微波中继线路也能提供各种节目的电视信号。将上述各种电视信号送到导演台，节目导演通过视频信号切换开关选出所需要的一种或几种电视信号，送到线路放大器进行放大和处理后，再由图象发射机将电视图象信号进行调制与放大，形成高频电视信号送到电视发射天线，以电磁波的形式发射到各地的电视接收天线上。电视接收机再将天线感应的高频电视信号，进行一系列与发送系统相反的信号处理与变换，使之变成R、G、B三基色信号，在显象器件上重现出电视图象。§4.2电视摄象机电视摄象机是一种景物图象变换成电视信号的装置。它是电视系统中的关键设备，其性能之优劣，直接影响最终电视图象的质量。摄象机采用的摄象器件分为两类：摄象管理和固体摄象器件。它们都是利用某一种光电效应，使图象的光信号转换成电荷，构成相应的象素并在微小电容中暂时存贮。摄象管利用电子束对象素进行扫描，读取电荷形成电视图象信号；而固体摄象器件采用固体扫描方式读取象素的中电荷。按摄象机的功能，可分为黑白摄象机和彩色摄象机两类。彩色摄象机又分为单管（片）、两管（片）、三管（片）三种形式。单管式彩色摄象机有频率分离式、相应分离式、三电极式和阶梯能量式等多种方式。广播电视普遍采用三管（片）式摄象机；由于单管（片）彩色摄象机具有体积小、重量轻、价廉、调整方便等优点，故在应用电视中得到迅速的发展和应用。下面着重介绍三管（片）式彩色摄象机的工作原理。4.2.1三管（片）式彩色摄象机图4.2-1为三管式彩色摄象机组成方框图，它主要分为三部分：①机头部分；②视频图象信号处理；③编码器，彩色同步机和彩条发生器。过去这三部分是分开的，机头部分自成一体，并放置在活动的三脚云台上，由摄象员操作拍摄；后两部分设置在固定在机柜内。随着小型化的发展，当前的便携式摄象机上已能将这三部分合成一体了，其重量与体积都不超过原来的摄象机头。摄象机头主要由摄象机的光学系统，摄象管及其附属电路，寻象器等组成。彩色景物的光象由变焦距镜头摄取，通过中性滤光片（为得到适宜的光通量）和色温滤光片（将不同的照明光源的色温转换为摄象机所要求的色温）后进入色棱镜，被分为解为三个基色光象，并分别投摄到相应摄象管的靶面而转换成电图象。管内电子束在偏转与聚焦系统作用下，实现良好的聚焦与扫描，从而获得符合一定扫描标准的随时间而变化的电信号。然后，三路微弱的电信号经各自预放器放大，再送到视频信号处理电路进行加工与处理。视频信号处理电路主要包括输入放大、增益调整、电缆校正、黑斑校正、彩色校正（线性矩阵电路）、轮廓校正、黑电平控制及杂散光补偿、γ校正、消隐混合等各级电路。经上述电路放大处理后输出的红、绿、蓝三基色信号还必须送入编码器，编制成需电视制式的彩色全电视信号。绝大部分彩色摄象机都配置了彩色同步信号发生器，由它产生基准副载波和各种同步信号，供机头、视频处理与编码器三部分使用，这样使摄象机单独使用（配彩色摄象机）特别方便。若要与其他摄象机中信号源在整个电视系统中联合使用，还必须附加专门的外同步锁相电路，使本机同步信号发生器与外同步信号（系统统一供给）锁相。另外，在摄象机内还附设彩条发生器和专用测试信号发生器，供调整与维修使用。为了取景并随时掌握摄象机工作状态，每台摄象机上还附加一台寻象器。寻象器分光学型与电子型两类。光学型寻象器类似照相机上的取景器；而电子型寻象器实质上是一台小型的电视图象监视器，它利用摄象机本身输出之信号，在寻象器的显象管荧光屏上显示出图象，这样既作为取景器用，同时也监视了摄象机电路的工作状态，并随时加以调整。目前常用的显象管屏幕的尺寸有1.5、3、5英寸等三种规格。图4.2-2示出由固体摄象器件组成的三片式彩色摄象机的方框图。它与三管式彩色摄象机相比，具有大体相同的结构形式。它主要由摄象机的光学系统，固体摄象（CCD）器件，视频信号处理电路和编码器等部分组成。4.2.2摄象机的光学系统摄象机的光学系统变焦距镜头、分色棱镜、中性滤光片和色温滤光片组成。它的主要作用是把被摄景物的彩色光，分成红、绿、蓝基色光，并成象在相应的摄象管靶面上。对于两管和单管彩色摄象机而言，色分解主要是由封装在摄象管靶面前的滤色条及有关电路来完成。一、变焦距镜头变焦镜头是一种能任意改变焦距而成象面位置固定不变的镜头。由于焦距变化使放大率或视场角改变，这样在拍摄过程中，对景物图象取景大小可任意连续变化，增强了艺术效果。变焦镜头是由许多单透镜所组成。如图4.2－3所示，即为最简单的由两个凸透镜形成的组合透镜。设透镜1和透镜2的焦距分别为f1和f2，相互间的距离为d，则组合透镜的焦距为f，其大小取决于f1、f2和d，相互关系式为：由上式可知，只要改变d的大小，就能使f相应变化。现在再举一个简单的例子，若一个凸透镜（f1＝+1）与一个凹透镜（f2＝－1）形成组合透镜，则按式（4.2－1）可知，该组合透镜的焦距f＝1/d，焦距直接与d成反比，故只要改变两透镜的相对位置，就能很容易地改变焦距。这就是变焦距镜头的最基本的原理。设计时把一个单元透固定，另一个单元透镜相对前一个单元透镜移动，以改为d。这样做的结果，虽然f发生变化，但成象面的位置也相应的有所变化。为了固定成象面位置，还必须再增加第三单元透镜并相应一起移动。因此，实际使用的变焦镜头至少要有三组单元透镜，即调焦组、变焦组和象面补傍组。若要增长后截距，还需要增加第四组－物镜组。二、分色棱镜1.分色棱镜图4.2－5所示的分色棱镜由（A）、（B）和（C）三部分粘合组成，其中在Mr和Mb面上分别蒸涂上不同厚度的干涉薄膜。当光线F投射到Mr面上时，能把红光R反射出来而让其它光透过。反射出来的红光投射到界面（1）上，因入射角较小，超过临界角而发生反射，于是R光经Fr射入R摄象管。透过Mr面上光到达Fb面时能把蓝光B反射出来而让余下的G光透过，反射出来的B光在界面（2）上全反射后穿过Fb而到达B摄象管。透过的G光经（C）部分穿过Fg到达G摄象管。光线在介质中所走的路程与介质折射率的乘积称为光程，R、G、B三路的光程应严格一致。Fr、Fb、Fg来进一步校正。2.分色原理干涉膜Mr和Mb所以会射出某些波长的光而透射其他波长的光，其原理可由图4.2－6说明。图中折射率为n0、厚度为d的干涉膜涂在折射率为n2的玻璃了。入射光从折射率为n1的空气中进入干涉膜的第一界面（1）时反射光为F1；透过的光在第二个界面（2）上又受到第二反射，该反射光透第（1）界面（也有一部分反射）进入空气的光为F2；如从C点向F1作垂线交于D点，并以C、D两点为基准。光束F1所走的光程n1.AD，显然比光束F2所走的光程n0.（AB＋BC）短，其光程差（4.2－2）经过几何变换并在》条件下，可得到（4.2－3）式中，α为光线进入薄膜的入射角。根据光的波动理论，当两束光相位相反时，迭加后相互换消，故合成幅度最小；而相位相同时，合成幅度最大。因此，当式（4.2－3）中δ＝λ2时，F1和F2相互抵消，反射光为零，即几乎全部透过；当δ＝λ时，F1和F2加强，反射光幅最大，透射光几乎为零。这样，如n1、n0和α等均固定，则只要选择适当的膜厚d即可达到所需要反射光的要求。三、色温校正和中性滤色摄象机的光谱性曲线的设计和白色平衡的调整，都是对一定色温的照明而言的。目前摄象机都是按3200K照明色温设计的，它的白色平衡是按D65白色要求调整的。因此，在摄象机光学镜头中，都加有把3200K转换到6500K的D白色的色温转换。但在实际工作中，照明光源是变化的。如室外自然光照在早、中、晚，阴、晴天时，色温都不一样。这时，如用摄象机去拍摄任意色温照明时的景物，会产生严重的彩色失真。为了使摄象机在不同色温光照时，摄取的景物与3200K光照、平衡于D65白色时一样，必须对由于色温不同而引起的光谱能量分布的变化进行补偿。通常在摄象光学系统中加入色温校正滤色片，它具有一定的光谱特性。它刚好能补偿色温变化引起的光谱特性误差，把不同温的照射光源，转换到3200K色温光源。例如，把4800K的照射光转到3200K的滤色片呈浅桔色。一般摄象机都有几片色温滤色片，以适应不同光照时的色温转换要求。当摄象管在强光下工作时，应减少光圈。但有时为了达到一定艺术效果，不允许减少光圈，这就需要在光路中加入减少光量的衰减器，即中性滤色片。其常用的透光率有100％、25％、10％、1.5％数种；而光谱响应特性应当平直。§4.3摄象器件摄象器件主要分为摄象管和固体摄象器两类。它们都是利用某种光电效应，使输入的光转换成电荷，构成相应的象素，并在其微小的电容中暂时存贮和用扫描方式读取存贮在象素中的电荷而形成电视图象信号。但不同的是摄象管采用电子扫描方式，固体摄象器件采用固体扫描方式。在物质中，使外照光产生电效应的现象称为光电效应。它又分为外光电效应和内光电效应两种。外光电效应是指当光入射到光电面上，则在真空中发射出光电子的现象，超正析象管中就是利用此效应。内光电效应是指经光照射后在固体内部产生电的现象，在光电导型摄象管中就是利用由于光的作用而使用固体（靶面）电导率变化的所谓光电导现象摄象器件品种繁多，但可进行如下分类：摄象管固体摄象器件限于篇幅，本书主要介绍有关彩色摄象机所使用的光电导型摄象管和固体摄象器件。光电导型摄象管也有好多种，按靶面光电导材料的不同常用的光电导管有硫化锑光导管（Sb2S3作靶面，称为Vidicon，即视象管），氧化铅光导管（PbO作靶面，称Plubicon或Leddicon）、硅靶光导管（Si二极管阵列作靶面，称Sidicon）硒化镉光导管（CdSe作靶面，称Chalnicon）等。但就工作原理而言，它们都是利用光电导现象工作的。下面以视象管和氧化铅管为例说明光电导摄象管的工作原事理。4.3.1视象管一、结构视象管是空器件，它主要包括光电靶和电子枪两大部分。管外套有偏转、聚焦和校正线圈，利用它们产生的磁场来实现管中电子束的偏转、聚焦和方向校正。其剖面原理图如图电子枪包括灯丝、阴极、控制栅极、加速极（第一阳极）和聚焦极。阴极被灯丝加热，发射出电子束。由阴极，控制栅极、加速极和聚焦极组成电子透镜，能起辅助聚焦作用，使电子束会聚成细束。聚焦线圈能起主聚焦作用，使电子束按螺旋形轨迹前进，从而使电子束聚焦于靶上的一小点。聚焦线圈具有足够的长度。以便保证聚焦磁力线和靶面垂直，有利于电子束垂直上靶。在靶前有一个抑制栅网（一般与聚焦极相连），由于靶电子低于栅网电压，在靶前形成一个均匀的减速电场，有利于电子束垂直上靶，提高摄象管的清晰度；但靶面边缘部部清晰度仍较低，信号电流也较弱，影响图象的均匀性。把抑制栅网与聚焦极会开，并使其电压比聚焦极电压提高60％，这样不仅克服了上述两个缺点，而且分离网结构的摄象管总的清晰度比不