Иследование телевизионной камеры на ПЗС

 

Цель работы: Изучение принципов построения и работы малогабаритных телевизионных камер на ПЗС.

1. Вводная часть

Принципы действия ПЗС

В основе прибора с зарядовой связью (ПЗС) лежат свойства структуры металл- окисел-полупроводник (МОП-структура), способной собирать, накапливать и хранить за­рядовые пакеты неосновных носителей в локализованных потенциальных ямах, обра­зующихся у поверхности полупроводника под действием электрического поля. Зарядовые пакеты возникают под действием светового излучения, а переносятся они путем управ­ляемого перемещения потенциальных ям в требуемом направлении. Таким образом, ПЗС работает как аналоговый сдвиговый регистр, обладающий способностью собирать, накап­ливать и хранить зарядовую информацию. Основным достоинством ПЗС является прин­цип последовательного переноса зарядовой информации от отдельных элементов матри­цы к единственному выходному устройству, преобразующему зарядовые пакеты в сигнал изображения.

Основным элементом ПЗС является конденсатор МОП-структуры, одной из обкла­док которого служит металлический электрод, а второй - полупроводниковая подложка (р- или n- проводимости). Диэлектриком является окисел беспримесного полупроводника, наносимый в виде тонкого слоя на подложку. В изображенном на рис. 1 МОП- конденсаторе в качестве полупроводника использован кремний дырочного (р) типа про­водимости. Диэлектриком служит слой двуокиси кремния толщиной 0,1 мкм.

Рис. 1. Конденсатор МОП-структуры

Рассмотрим кратко физические процессы, протекающие в таком конденсаторе. В по­лупроводнике дырочного (р) типа проводимости основными носителями заряда являются дырки. При приложении к металлическому электроду положительного потенциала основ­ные носители (дырки) в слое кремния, прилегающем к границе с окислом, будут отталки­ваться от электрода и, покинув поверхностный слой, отойдут в толщину полупроводника.

Под электродами образуется область, обедненная основными носителями, - потен­циальная яма, глубина которой зависит от приложенного напряжения (напряжение на за­творе U), степени легирования полупроводника, толщины слоя окисла.

Следовательно, выбирая значения напряжения затвора, плотность примеси и толщи­ну слоя окисла, можно эффективно управлять глубиной потенциальной ямы. Время жиз­ни потенциальной ямы ограничено паразитным процессом термогенерации неосновных носителей, так как в кремнии при данной температуре всегда генерируются пары элек­трон-дырка, которые под действием электрического поля разделяются: основные носите­ли «отгоняются» в толщину, а неосновные - накапливаются, заполняя постепенно потен­циальную яму. Накопление в потенциальных ямах термогенерированных носителей явля­ется паразитным процессом. Время, необходимое для заполнения потенциальной ямы из- за термогенерации, называется временем релаксации. Следовательно, промежуток време­ни, существенно меньший по сравнению со временем релаксации, может быть использо­ван для хранения в потенциальных ямах зарядовых пакетов, несущих информацию о зна­чении полезного сигнала, а МОП-конденсатор может служить элементом, запоминающим информацию, представленную зарядом потенциальной ямы. Таким образом максималь­ное время хранения зарядовой информации, а следовательно, и минимальная частота ра­боты цифровых и аналоговых устройств на ПЗС определяются процессами накопления паразитного заряда в потенциальной яме.

Зарядовый пакет в ПЗС может быть введен электрическим путем или с помощью световой генерации. При световой генерации фотоэлектрические процессы, возникающие в кремнии, приведут к накоплению неосновных носителей в потенциальных ямах. Накоп­ленный заряд пропорционален освещенности и времени накопления. Направленная пере­дача заряда в ПЗС обеспечивается расположением МОП-конденсаторов на столь близком расстоянии друг от друга, что их обедненные области перекрываются и потенциальные ямы соединяются. При этом подвижный заряд неосновных носителей будет накапливать­ся в том месте, где глубже потенциальная яма (рис. 2).

Рис. 2. Перенос зарядовых пакетов путем переключения потенциалов электродовдвух рядом расположенных МОП-конденсаторов

 

На металлические электроды расположенных рядом двух конденсаторов поданы по­ложительные потенциалы Uiи U₂. В начальный момент потенциал Ui= U₂. В образовав­шуюся глубокую потенциальную яму левого конденсатора может быть помещена зарядо­вая информация (рис. 2,а). Затем потенциал левого электрода уменьшим, а потенциал правого - увеличим. Тогда под правым электродом образуется глубокая потенциальная яма, в которую перетечет зарядовый пакет, помещенный ранее в потенциальную яму ле­вого конденсатора (рис. 2,б).

Следовательно, изменяя определенным образом потенциалы на электродах близко расположенных конденсаторов, можно направленно перемещать зарядовую информацию.

Динамику перемещения зарядовых пакетов можно проследить на примере трехкрат­ного сдвигового регистра - устройства, состоящего из цепочки МОП-конденсаторов. Сдвиговым регистром управляют по трехтактной схеме. Каждый электрод прибора под­ключен к одной из трех тактовых шин с фазами Ф₁, Ф₂, Ф₃, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Перенос зарядовой информации

Один элемент сдвигового регистра состоит из трех ячеек МОП-конденсаторов. В те­чение первого такта работы (момент ti) на электроды фазы Ф1 подано положительное на­пряжение. Под этими электродами образуются потенциальные ямы, в которых могут на­капливаться и храниться заряды, образованные неосновными носителями. Заряды в по­тенциальных ямах могут накапливаться как в результате воздействия светового излучения - тогда заряды будут носителями полезной информации, так и быть следствием паразит­ного процесса термогенерации. При этом термогенерированные заряды составляют пара­зитную добавку к информационному заряду и являются источником темнового тока сиг­нала изображения. Время хранения зарядов t^ равно времени действия напряжения U₂, а режим работы ячейки под электродами фазы Ф₁ в это время называется режимом хране­ния. В момент t₂(второй такт) на электроды фазы Ф₂ подается напряжение U₃, значение которого превышает в 1,5...2 раза напряжение U₂. Это напряжение называется напряже­нием записи. Оно вызывает появление под электродами фазы Ф2 более глубоких потенци­альных ям, в которые и перетекают электроны из-под электродов фазы Ф₁. Режим, при котором электроны перетекают из одних потенциальных ям в другие, называется режи­мом записи. В момент t₃(третий такт) напряжение на электродах фазы Ф₂ уменьшится до значения U₂, соответствующего режиму хранения, а напряжение на электродах фазы Ф₁ уменьшится от значения U₂до U₁, что предотвращает возврат зарядового пакета под элек­троды фазы Ф₁. Из рис. 3,а видно, что перенос зарядовых пакетов произойдет слева на­право, так как под электродами фазы Ф3 потенциал остается низким, равным U1.

Такой направленный перенос зарядовых пакетов является одним из достоинств трех­тактных регистров. В регистрах, работающих по двухтактной схеме, направленный пере­нос зарядов приходится обеспечивать путем усложнения структуры ПЗС.

Последовательность смены потенциалов на тактовых группах показана на тактовой диаграмме (рис. 3,б), на которой форма управляющих напряжений для трехтактной схемы идеальна. Однако, для повышения эффективности переноса зарядов тактовые импульсы, подаваемые на электрод, должны перекрываться и иметь пологий фронт, что задерживает уменьшение глубины (схлопывания) потенциальной ямы. Поэтому практически для управления используют импульсы трапецеидальной формы (рис. 3,в).

При этом остатки заряда (последние носители) успевают перетечь в соседнюю по­тенциальную яму, и в результате повысится эффективность переноса заряда.

Зарядовая информация на выходе ПЗС должна быть преобразована в электрические сигналы, для чего в конце цепочки ПЗС предусмотрено специальное устройство. Одним из оптимальных считывающих устройств с точки зрения получения наилучшего соотно­шения сигнал-шум является устройство с плавающей диффузионной областью, располо­женной рядом с выходным затвором, отделяющим ее от последнего электрода сдвигового регистра. Фотоэлектрические преобразователи изображения на ПЗС делятся на два класса: линейные (одномерные) и матричные (двумерные). В линейных ФЭП фоточувствительные элементы расположены вдоль одной линии, обычно строки, и формируют одномерное изображение объекта. Такие однострочные ФЭП могут быть использованы при контроле за технологическими процессами производства, при специальном анализе и анализе оптической плотности макро- и микрообъек­тов. Однострочные ФЭП могут быть использованы и для получения двумерного изображения. В этом случае необходимо перемещение ФЭП или объекта в направ­лении, перпендикулярном направлению строчной развертки. Твердотельным анало­гом передающей трубки с электронным сканированием по строке и кадру является мат­ричный формирователь сигнала изображения. Он представляет собой двухкоординатный массив светочувствительных элементов, осуществляющих электронное сканирование по координатам х и у. При проектировании такой двухкоординатной матрицы решается во­прос организации ее считывания. Существует несколько способов организации считыва­ния матричных формирователей. Наиболее предпочтительна организация с кадровым пе­реносом (рис. 4). Характерной ее особенностью является наличие секции хранения или памяти 2, которая защищена от света и равна по площади секции накопления 1 - фото­приемной секции. Накопленные заряды фотоприемной секции за время обратного хода по кадру последовательно сдвигаются в секцию хранения. Во время накопления в фотопри­емной секции следующего кадра информация из секции хранения построчно передается в секцию переноса заряда - сдвиговый регистр 3. Сдвиг строк в секцию переноса осущест­вляется во время обратного хода горизонтальной развертки. Затем зарядовые пакеты строки поэлементно выводятся сдвиговым регистром к выходному устройству, преобразующему заряды в сигнал изображения. После считывания всей видеоин­формации из секции хранения начинается перенос следующего кадра. Одним из ос­новных достоинств покадрового считывания является устранение эффекта смазывания изображения, так как зарядовая информация считывается из защищенной от света секции хранения и дополнительной засветки при сканировании не происходит.

При покадровой организации просто осуществляется чересстрочное разложение изображения, проста также электродная структура, что позволяет компактно расположить ячейки матрицы. Принцип покадрового переноса удобен для освещения матрицы со сто­роны подложек, что позволяет удвоить квантовую эффективность прибора и получить бо­лее равномерную характеристику спектральной чувствительности.

Рис. 4. Способ организации покадрового считывания

 

Матрица с покадровым переносом позволяет легко реализовать чересстрочное раз­ложение изображения. Для этого в течение длительностей нечетных полей накопление производится под электродами Ф_ьа в течение длительностей четных - под электродами фазы Ф₂. Во время обратного хода по полям зарядовая информация нечетного поля пере­носится в секцию хранения (памяти). В период следующего четного поля в режим накоп­ления переводятся электроды фазы Ф₂, и в секции накопления начинается новый цикл ра­боты. В то же время из секции хранения последовательно, строка за строкой переносятся все строки нечетного поля в выходной (сдвиговый регистр), который сдвигает элементы строки один за другим к выходному устройству. Перенос зарядов отдельных строк из секции памяти в сдвиговый регистр осуществляется во время обратного хода строчной развертки, а вывод зарядов строки из регистра в выходное устройство - за время прямого хода строчной развертки.

Таким образом, в матрице с покадровым считыванием перенос зарядовых пакетов к выходному устройству осуществляется в три приема: 1) перенос из секции накопления в секцию памяти; 2) перенос из секции памяти в сдвиговый регистр; 3) перенос из сдвиго­вого регистра в выходное устройство. Нетрудно видеть, что число переносов для разных элементов кадра будет различным. Максимальным оно будет для первого элемента верх­ней строки и минимальным для последнего элемента нижней. Максимальное число пере­носов для одного зарядового пакета нетрудно подсчитать. Для покадровой организации считывания по трехтактной схеме сдвига число переносов

Nmax= 2·3z+ 3n,

где z- число строк; n- число элементов в строке. В приведенном равенстве первый член учитывает число переносов по кадру, а второй - число переносов вдоль строки.

Следует иметь в виду, что зарядовые пакеты переносятся не полностью, так как, во- первых, часть заряда теряется в ловушках, существующих на границе кремния с окислом, а во-вторых, при определенной скорости переноса часть заряда может отстать от пакета и появиться в следующем. Неэффективность переноса заряда е накладывает определенные ограничения на скорость работы ПЗС и полное число переносов, которое можно совер­шить без существенного разрушения сигнала; Ɛ - относительная величина и характеризу­ет часть заряда, отставшую от пакета на один перенос.

Умножив Ɛ на число переносов в приборе N, получим результирующую неэффектив­ность переноса N Ɛ всего прибора. Приемлемым считается значение Ɛ = 1-10^-4 - 1-10^-5.

Как видим, принцип последовательного переноса, являющийся одним из основных достоинств ПЗС и обеспечивший им на определенном этапе преимущества перед двухкоординатными матрицами в таком важном параметре, как существенное повышение отно­шения сигнал-шум и улучшение однородности изображения, тормозит дальнейшее уве­личение качества матрицы. Кроме этого, используемое в ПЗС самосканирование требует бездефектности всех элементов матрицы. Неисправность одного элемента вызывает поте­рю информации всего передающего столбца или строки.

1. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Структурная схема лабораторной установки представлена на рис. 6. Рис. 6. Структурная схема лабораторной установки

 

В лабораторной работе используются следующая аппаратура и принадлежности:

- телевизионная камера системы наблюдения VCB-7312Pна основе ПЗС, смонтиро­ванная в корпусе с объективом;

- видеомонитор;

- осциллограф;

- блок питания с выходным напряжением 12 В для питания камеры;

- испытательная таблица (набор трафаретов);

- соединительные кабели и другие принадлежности.

 

2. Домашнее задание

1. Изучить принципы построения телевизионных передающих камер на основе ПЗС.

2. Рассчитать и зарисовать во временном масштабе осциллограммы строк следую­щих изображений:

- экран поделен на два равных поля: левая часть экрана черная, правая - белая;

- на экране - 10 черных и 10 белых чередующихся вертикальных полос одинаковой ширины.

3. Ознакомиться с информацией, приведенной в приложениях.

4. Подготовиться к ответам на контрольные вопросы.

3. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

1. Включить приборы и оборудование.

2. Перемещая видеокамеру в различных направлениях (как по горизонтали, так и по вертикали) навести ее на различные предметы отстоящие на разном расстоянии от видеокамеры и находящиеся при различном освещение. На основе визуального наблюдения сделать вывод о качестве изображения при различных условиях освещенности и расстоянии до предмета.

3. Установите на подставку трафарет №1(вертикальные черное и белое поле). На экране видеомонитора получите четкое изображение испытательного трафарета №1используя регулировки объектива. Далее путем необходимых регулировок осциллографа добиться устойчивого отображения развертки одной строки. Зарисовать полученный сигнал, затем с помощью осциллографа определить длительность одной строки.

4. Установите трафарет №2(вертикальные черно-белые полосы). Повторить для трафарета №2 пункт 3.

5. Установите трафарет №3(горизонтальные черное и белое поле). Далее путем необходимых регулировок осциллографа добиться устойчивого отображения развертки кадра. Зарисовать полученный сигнал, затем с помощью осциллографа определить длительность кадра.

6. Установите трафарет №4(шахматное поле). Определить величины и вид нелинейных или геометрических искажений.

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Цель работы.

2. Структурная схема лабораторного макета.

3. Результаты выполнения домашнего задания.

4. Осциллограммы и данные, полученные в результате выполнения работы.

5. Выводы по результатам выполнения каждого пункта лабораторной работы.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое ПЗС-структура?

2. Каким образом осуществляется преобразование световой информации в электри­ческий сигнал?

3. Что такое время релаксации в МОП-структурах?

4. Как происходит направленная передача зарядовых пакетов?

5. Поясните термины «режим хранения, «режим записи», «напряжение записи».

6. Почему для управления процессом переноса зарядов в ПЗС-структурах использу­ют импульсы трапецеидальной формы?

7. В чем отличия между линейными и матричными ПЗС?

8. Области применения линейных и матричных ПЗС.

9. Объясните принцип организации покадрового считывания видеоинформации в режимах прогрессивной и чересстрочной развертки.

10. Что такое неэффективность переноса заряда?

11. Чем определяется разрешающая способность ПЗС-датчика?

12. Объясните ход и результаты выполнения лабораторного задания.

13. Назначение и параметры телевизионных камер систем телевизионного наблюде­ния.

14. Оптические параметры телевизионных камер и их влияние на качество и инфор­мативность передаваемого изображения.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Телевидение: Учебник для ВУЗов / В.Е. Джакония, А.А. Гоголь, Я.В. Друзин и др.; Под ред. В.Е. Джаконии. — М.: Горячая линия — Телеком, 2007.— 616 с.

2. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. М.: Радио и связь,1991.264 с.

3. Приборы с зарядовой связью: Пер. с англ. / Под ред. Д.Ф. Барба. М.: Мир, 1982. 240 с.

4. Быков Р.Е. и др. Телевидение: Учебник для вузов / Р.Е. Быков, В.М. Сигалов, Г.А. Эйсенгардт; Под ред. Р.Е. Быкова. М.: Высшая школа, 1988.

5. Кривошеев М.И. Основы телевизионных измерений. М.: Радио и связь, 1989. 536 с.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

СИСТЕМЫТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ

1. Общие сведения

Системы телевизионного наблюдения предназначены для обеспечения безопасности на ох­раняемом объекте. Они позволяют одному или нескольким наблюдателям одновременно следить за одним или многими объектами, находящимися порой на значительном расстоянии как друг от друга, так и от места наблюдения.

Наиболее простая система телевизионного наблюдения включает телевизионную камеру и монитор (видеоконтрольное устройство - ВКУ). Камера может быть подключена непосредствен­но к телевизору или монитору.

Система телевизионного наблюдения может содержать дополнительные сервисные удобст­ва, к которым можно отнести детекторы движения, анализирующие изменения изображения, на­пример перемещения любого предмета в поле зрения камеры, и сигнализирующие оператору об этом.

Для дистанционного управления камерами используются поворотные устройства. Они по­зволяют увеличить обзор камеры посредством ее поворота в двух плоскостях. Управление пово­ротными устройствами может осуществляться джойстиком.

Для одновременного получения нескольких изображений (до 16) на экране одного монито­ра используются квадраторы ("делители экрана"). Квадраторы преобразуют сигналы от несколь­ких видеокамер в изображение, которое отображается на одном мониторе. При этом изображение от любой камеры можно оперативно развернуть на весь экран. Квадраторы получили свое назва­ние из-за того, что первые модели делили экран на 4 окна и в каждом отображалась одна из ка­мер.

Для последовательного вывода на экран изображения от нескольких камер в системах теле­визионного наблюдения используются мультиплексоры (коммутаторы). В режиме просмотра они последовательно подключают камеры к монитору. На крупных объектах число камер может со­ставлять несколько десятков. Для повышения эффективности работы оператора используют мат­ричные коммутаторы. Они позволяют создать гибкую и наращиваемую систему безопасности, в которую могут входить не только компоненты телевизионных систем, но и системы сигнализа­ции и контроля доступа.

Запись видеоизображения может осуществляться на специализированные видеомагнитофо­ны в традиционных системах или в цифровой форме при помощи компьютера.

Специализированные видеомагнитофоны позволяют записывать изображение через не­сколько кадров (стартстопный режим). В результате время записи увеличивается. На обычной кассете VHS(180 минут) продолжительность записи может составлять до 960 часов.

Управление системами телевизионного наблюдения в зависимости от их сложности и об­становки на объекте может быть автоматическим (с помощью компьютера) или ручным.

2. Параметры телевизионных камер систем телевизионного наблюдения

Качество изображения системы телевизионного наблюдения определяется, прежде всего, телевизионной камерой. Она представляет собой законченное устройство, которое будучи под­ключенным к видеовходу монитора или телевизора позволяет наблюдать изображение на экране на значительном расстоянии от объекта съемки.

В настоящее время выпускаются видеокамеры для систем телевизионного наблюдения (включая модификации), отличающиеся:

- характером изображения (черно-белое или цветное);

- четкостью изображения;

- светочувствительностью (минимальной рабочей освещенностью объекта съемки);

- возможностью цифровой обработки видеосигнала;

- допустимыми климатическими условиями работы;

- напряжением питания;

- конструкцией и способом установки.

К основным параметрам видеокамер следует отнести:

- формат - относительный размер матрицы в дюймах (1", 2/3", 1/2",1/3", 1/4"), чем он боль­ше, тем больше угол обзора. Угол обзора зависит также от фокусного расстояния объектива (чем меньше фокусное расстояние, тем больше угол обзора);

- разрешение - число ТВ-линий, которое видеокамера может передать, с увеличением этого параметра достигается большая четкость передаваемого изображения;

- чувствительность - минимальная освещенность на объекте, при которой можно вести на­блюдение.

Видеокамеры делятся по исполнению на:

- бескорпусные модульные;

- миникамеры;

- цилиндрические камеры;

- ССТУ-камеры (CCTV- ClosedCircuitTelevision- камера системы телевизионного на­блюдения).

Первые три типа камер могут быть выполнены в виде камер скрытой установки - Pin-Hole(объектив с точечным отверстием).

С целью обеспечения качественной работы в условиях переменной яркости изображения и различных уровней фоновых засветок современные телекамеры для систем телевизионного на­блюдения оснащаются подсистемами компенсации этих воздействий. Камеры с ручной регули­ровкой или вообще без соответствующей подсистемы выпускаются в основном для научных приложений. В целях увеличения сектора обзора, телевизионные камеры устанавливают на пово­ротные устройства с горизонтальным или с горизонтальным и вертикальным сканированием.

Вторым важным элементом систем видеонаблюдения является видеомонитор. Он должен обеспечивать высокую разрешающую способность (по горизонтали - не менее 600 телевизион­ных линий), высокую долговременную стабильность и не требовать регулярной калибровки. На­дежность системы также зависит от того, насколько оптимальны схемные решения, прочна и удобна механическая конструкция.

В дополнение к основным устройствам обработки широко применяются различные вспомо­гательные устройства:

- кабельные усилители - для компенсации потерь в кабеле при передаче видеосигнала на расстояние до 2 км;

- разветвители, позволяющие к одной телекамере подключать несколько мониторов, ви­деомагнитофонов и т.п.;

- генераторы вспомогательной текстовой информации (даты, времени, номера или иденти­фикатора камеры и т.п.).

Технические характеристики наиболее широко используемых в системах телевизионного наблюдения малогабаритных видеокамер приведены ниже.

Матрица - формат 1/3", черно-белая

Разрешение по горизонтали - 380 - 420 - 600 ТВ-линий

Количество элементов изображения - 320000 - 470000

Минимальная освещенность (чувствительность) - 0,1...0,2 люкс

Система синхронизации - внутренняя

Развертка - 2:1 (чересстрочная)

Видеовыход - 1 В 75 Ом

Отношение сигнал/шум - более 50 dB

Автоматический электронный затвор - 1/50 - 1/100000 Коэффициент гамма-коррекции - r= 0,45

Регулировка усиления - автоматическая

Фокусное расстояние - f= 2,1...12,0 мм

Наработка на отказ - 80000 часов

Аудио - есть/нет

Питание DC 12B(9В-15В)

Потребляемый ток - 100 мА

Рабочая температура - от -10 до +50 °С

Вес - 20 - 300 г.

3. Функциональное устройство видеокамеры

В конструкции видеокамеры можно выделить следующие основные функциональные узлы:

- преобразователь свет-сигнал;

- синхронизации;

- автоматической регулировки усиления;

- электронный затвор;

- автоматической установки баланса черного;

- гамма-коррекции;

- съемки при низких уровнях освещенности;

- объектив с автоматической диафрагмой.

Функция съемки при низких уровнях освещенности (LOLUX) замечательна тем, что позво­ляет снимать почти без освещения. При этом можно получить прекрасное изображение с хоро­шим цветовым балансом без увеличения уровня шума.

Преобразователи "свет-сигнал"

Важнейшим элементом конструкции видеокамеры является преобразователь "свет-сигнал", обеспечивающий кодирование снимаемого изображения в форме электрических сигналов.

Преобразователи свет-сигнал представляют собой либо передающие электронно-лучевые ТВ-трубки (ЭЛТ), либо твердотельные матрицы - так называемые "приборы с зарядовой связью" (ПЗС).

Передающими ТВ-трубками оснащены устаревшие модели видеокамер либо видеокамеры специального назначения. В современных видеокамерах, как правило, применяются матрицы ПЗС, обеспечивающие большую надежность работы при достаточно высоких параметрах. Число строк матрицы принимает значения от 380 до 900.

Внедрению камер на ПЗС способствовали их несомненные преимущества. Отсутствие гро­моздких отклоняющих катушек и других, присущих ЭЛТ элементов конструкции, позволило в значительной степени снизить размеры и массу камер на ПЗС по сравнению со своими предше­ственниками. Кроме того, заметно упростилась вся схемотехника ТВ-камер и, как следствие, примерно наполовину снизилась потребляемая от источника питания мощность.

Одновременно примерно вдвое повысилась чувствительность ТВ-камер. Их работа стала стабильнее, на нее перестали влиять типичные для камер на ЭЛТ сбои в работе, связанные с та­кими внешними факторами, как сотрясения, вибрации, уход параметров в процессе эксплуатации и при изменениях температуры.

Для камер на ПЗС, в отличие от трубочных аналогов, характерно также отсутствие послеи- зображений (инерционности мишени), тянущихся продолжений за движущимися объектами в изображении, не говоря уже о прожигании фотопроводящего слоя мишени. Причем указанные параметры не зависят от срока эксплуатации матриц ПЗС. В обычной ТВ-камере электроннолу­чевая трубка в рабочем режиме удерживает на мишени значительное количество света. Это про­исходит, когда она направлена на сильно освещенные объекты (солнце, окно или осветительный прибор).

В случае использования твердотельной передающей камеры, все перечисленные факторы становятся совершенно несущественными, что особенно важно, если у оператора нет достаточно­го опыта или условий для проведения съемки.

В видеокамерах применяются 2/3", 1/2", 1/3", 1/4" и 1/6" приборы с зарядовой связью (ПЗС). Число пикселов (пиксел - один элемент ПЗС) в ПЗС может быть от 300 тыс. до 1,5 млн. и более. Количе­ство элементов матрицы обеспечивает горизонтальное разрешение изображения в зависимости от модели 300...800 телевизионных линий (ТВЛ).

Устройства синхронизации

Устройство синхронизации обеспечивает временное согласование работы всех систем и блоков камеры. Синхронизация видеокамер может осуществляться от внутреннего или внешнего генератора. Внешняя синхронизация используется в многокамерных системах для получения не­мигающего переключения.

При совместном использовании камер с внутренней синхронизацией они коммутируются устройствами, содержащими память на кадр.

Первые формирователи изображения на ПЗС использовали принцип покадрового переноса зарядов, который является самым простым, а поэтому наиболее удобным при производстве и эксплуатации матриц. Этот принцип был заложен в первую в мире вещательную ТВ камеру CCD- lпроизводства фирмы RCA.

Чтобы не использовать механический затвор, был разработан принцип построчного перено­са зарядов в ПЗС, в котором роль светочувствительных и накопительных датчиков играют (оди­наковые) отдельные чередующиеся элементы.

Для повышения качества формируемого изображения в приборах с зарядовой связью был разработан альтернативный способ переноса зарядов. Его назвали принципом строчно-кадрового (гибридного) переноса. Такие приборы впервые были использованы в передающей ТВ-камере фирмы Sony. Указанный принцип, как явствует из его названия, объединил в себе особенности двух предыдущих методов - построчного и покадрового переноса зарядов.

При работе с матрицами ПЗС с построчным переносом зарядов могут возникать искажения в виде тянущихся продолжений за объектами. Иначе их называют смазом или просто "тянучка­ми". Они выглядят на изображении в виде вертикальных линий, тянущихся за ярко освещенными или блестящими объектами. Однако следует отметить, что возникают эти искажения при величи­не экспозиции, много превышающей нормальное значение.

В этих условиях камера с ЭЛТ уже испытывала бы мощное воздействие искажений в виде " хвоста кометы" и тянучек, типичных для передающих камер на ЭЛТ и крайне нежелательных в ряде критических ситуаций, например при перемещении камеры поворотным устройством. В пе­редающих ТВ-камерах на ПЗС со строчно-кадровым переносом зарядов практически полностью отсутствует вертикальный смаз изображения.

Третье поколение матриц ПЗС (HyperHAD) включило в себя целый ряд новых электронных приемов, что значительно улучшило качественные показатели формируемого изображения.

Матрица HyperHADиспользует оригинальный и простой метод, заключающийся в уста­новке миниатюрной прецизионной собирательной линзы точно на каждый светочувствительный элемент, что позволяет сконцентрировать световой поток без лишнего его рассеивания. В резуль­тате резко (примерно вдвое) возрастает чувствительность матрицы.

Объективы видеокамер

Объективы к камерам отличаются величиной фокусного расстояния, светосилой, характе­ром создаваемого оптического изображения. При съемке с одной и той же точки объективами с различными фокусными расстояниями масштаб изображения изменяется прямо пропорциональ­но величине фокусного расстояния. Короткофокусный объектив даже при небольшом диафраг­мировании обладает большой глубиной резкости. Длиннофокусный объектив даже при съемке удаленных объектов имеет ограниченную глубину резкости. При съемке геометрически строгих объектов даже незначительный наклон оптической оси объектива от горизонтального положения приводит к появлению в изображении нежелательных перспективных искажений. Это явление особенно заметно при использовании короткофокусных объективов.

Объектив камеры выбирается в соответствии с назначением камеры. Для максимального обзора выбирают широкоугольные объективы с фокусным расстоянием порядка 3,5 мм. При этом угол зрения камеры будет около 90°.

Длиннофокусные объективы с фокусным расстоянием 12 мм и углом зрения 30° использу­ют при наблюдении периметра объекта. Для использования в условиях искусственного освеще­ния необходима возможность отключения электронного затвора и автоматической регулировки усиления камеры.

Объектив с переменным фокусным расстоянием

Для обеспечения эффекта увеличения изображения используются объективы с трансфока­тором, специальные телекамеры с электронным трансфокатором или цифровую аппаратуру уве­личения/уменьшения изображения (видеопроцессоры).

Объективы видеокамер, имеющие переменное фокусное расстояние, называются вариобъ- ективами. Они позволяют осуществить плавное изменение масштаба изображения (совершать "наезд"). Масштаб изменяется вручную либо посредством электропривода. При этом сохраняется фокусировка изображения.

Применение трансфокаторов ("zoom") позволяет "приблизить" изображение от 5 до 50 раз, что позволяет рассмотреть даже сильно удаленные объекты. Использование трансфокатора наи­более удобно совместно с поворотным устройством. Это позволяет не только следить за переме­щением объекта наблюдения в широком секторе обзора, но и рассмотреть подробно детали (лицо человека, номер автомобиля).

Объектив с автоматической диафрагмой

Объектив с автоматической диафрагмой устанавливает размер отверстия диафрагмы, обес­печивающий оптимальную интенсивность светового потока, проходящего через объектив и по­падающего на мишень преобразователя "свет-сигнал". Использование объективов с автоматиче­ской диафрагмой позволяет получать качественное изображение как при ярком солнце, так и при лунном свете. Применение объективов без диафрагмы в камерах, имеющих электронный затвор, упростит и удешевит всю систему телевизионного наблюдения.

Камеры с автоматической диафрагмой плохо реагируют на внезапные резкие изменения яр­кости или контрастности изображения, например при трансфокации или резком включении ис­точника света. Такие изменения быстрее отрабатывает электронный затвор камеры. Поэтому ре­комендуется использовать объектив с автоматической диафрагмой в камерах с электронным за­твором.

4. Дополнительные возможности и сервисные устройства видеокамер

Автоматическая регулировка усиления

Режим автоматической регулировки усиления позволяет производить непрерывную съемку при всех уровнях освещенности без необходимости переключать усиление или применять соот­ветствующие фильтры и обладает также таким замечательным свойством, как приоритетность апертуры. Она заключается в том, что после того, как вручную установлена диафрагма, для полу­чения желаемой глубины резкости система АРУ автоматически устанавливает требуемый уро­вень видеосигнала.

Например, когда снимаются темные объекты, после того как диафрагма полностью откры­лась, усиление будет увеличено автоматически, чтобы достичь требуемого уровня видеосигнала.

Автоматическая регулировка усиления позволяет повысить резкость изображения в случае большой освещенности сцен, причем в совокупности с функцией автоматической диафрагмы это дает возможность расширить динамический диапазон без ограничения сигнала. Благодаря режи­му АРУ имеется возможность осуществлять непрерывную автоматическую съемку от темных до ярких планов без прерывания изображений.

Электронный затвор

Структура матрицы типа HADпозволила применить электронный затвор с функцией пере­менн