Ремонт дома

Совсем недавно в 1970 году одновременно появились микропроцессор и прибор с зарядовой связью (CCD) [1]. Современная жизнь уже немыслима без компьютеров и CCD-камер. Электронная революция продолжается и каждый год поражает нас новинками и небывалым снижением цен. Вряд ли в 70-х кто-то думал, что несколько миниатюрных телекамер можно будет поместить в спичечный коробок, а их стоимость станет меньше, чем у электрических чайников. Все это при отличном качестве изображения и высокой надежности.

Сегодня больше всего камер используется в охранных телевизионных системах. Охранные камеры работают в разных условиях наблюдения. Часто они простые, когда объекты хорошо освещены и нет заметных помех. Но бывают и сложные ситуации, когда телевизионная камера ведет наблюдение при свете солнца и звезд, в условиях дымки, тумана и дождя, под водой, при наличии интенсивных электромагнитных помех, радиации и т. п. В таких условиях обычные CCD-камеры уже не обеспечивают надежного наблюдения. Здесь требуются специальные высокочувствительные матрицы CCD, широкодиапазонные асферические объективы, специальные методы адаптации и обработки сигнала и многое другое. В настоящей статье рассматриваются возможности телевизионного наблюдения в наиболее сложных условиях — на краях диапазона рабочих освещенностей.

1. Способы расширения диапазона рабочих освещенностей.

Изобретатели совершенствуют телекамеры, пытаясь довести их до качества природного глаза. Оказалось, что человеческий глаз — совершенный зрительный прибор. Он имеет много удивительных свойств и одно из них — широчайший диапазон воспринимаемых освещенностей. Днем мы можем наблюдать, чуть прищурясь белый снег под солнцем и облака с освещенностью более 100000 люкс. Ночью мы легко идем по дороге, освещенной светом звезд (примерно 0,0001 люкс). Разделив первое значение на второе, получим 10⁹ — диапазон воспринимаемых глазом освещенностей равный одному миллиарду или 180 дБ!

Ни один электронный датчик сигнала не имеет столь широкого динамического диапазона. Это обусловлено физическими ограничениями — уровнем собственного шума с одной стороны и уровнем насыщения сигнала с другой. Но как выяснилось, не имеют такого диапазона и естественные датчики оптического сигнала: колбочки и палочки человеческого глаза. С натяжкой можно считать, что динамический диапазон как естественных, так и искусственных датчиков света равен 1000 (60 дБ). Откуда же берется один миллиард?

Для достижения диапазона большего, чем динамический диапазон датчика сигнала необходимо построение системы автоматического регулирования или адаптации.

В телевизионных камерах наиболее распространены два способа адаптации.

• В первом способе перед датчиком света устанавливают последовательно включенные: регулируемый ослабитель и усилитель сигнала (управляемая диафрагма объектива и ЭОП соответственно в телекамере).
• Во втором способе сам фоточувствительный датчик делают управляемым и за счет адаптации параметров изменяют его чувствительность.

Рис.1 а, б. Способы расширения диапазона рабочих освещенностей в CCD камерах

 В современных телекамерах используют оба способа адаптации к уровню освещенности, каждый из которых имеет свои плюсы и минусы. Ниже будут рассмотрены возможности и ограничения каждого способа применительно к области сверх высоких и сверх низких освещенностей.

Рис.2 Иллюстрация расширения диапазона рабочих освещенностей
фоточувствительного датчика, работающего в составе
адаптивной фоточувствительной системы.

 2. Наблюдение ночью.

Рекламные манипуляции с чувствительностью.

Каждая фирма, производящая и продающая телекамеры, рекламирует свой товар. В ход идут фразы: «превосходное качество изображения», «DSP — процессор», «Сверхвысокая чувствительность» и так далее. Дело не ограничивается качественными характеристиками. У многих возникает соблазн чуть-чуть преувеличить и количественные параметры телекамер. Например, можно видеть, как солидная фирма SONY для своей камеры SPT-M308CE честно заявляет разрешающую способность 370 телевизионных линий (ТВЛ), в то время как молодой корейский LILIN в модели PIH-752 указывает 420 ТВЛ. Выбирая, какую камеру купить потребитель и не знает, что в обеих камерах использованы одни и те же матрица ПЗС ICX-055BL и микросхемы обрамления. Преувеличиваются и другие технические характеристики телекамер. Но, пожалуй, ни один параметр не подвергался такой рекламной манипуляции, как «чувствительность». Повод к этому дает различная трактовка его разными авторами и фирмами.

Чувствительность характеризует способность телекамеры наблюдать в ночных условиях. Чувствительность — это та минимальная освещенность, выражаемая в люксах, при которой камера еще способна формировать изображение. Если ограничится этими фразами, то возникает неоднозначность, которая и позволяет заявлять для одной и той же камеры цифры чувствительности, отличающиеся более чем в 100 раз. Как же поправить эту ситуацию?

• Во-первых, нужно указывать: где измеряется освещенность: на матрице CCD или на объекте. Например, при объективе c относительным отверстием F1,4 при коэффициенте отражения объекта 0,75 освещенность на матрице будет в 10 раз меньше, чем на объекте.
• Во-вторых, при измерении освещенности на объекте, следует указывать относительное отверстие объектива. Например, чувствительность одной и той же камеры с асферическим объективом F0,8 будет в 10 раз лучше, чем с малогабаритным объективом F2,0.
• В-третьих, необходимо указывать: какое отношение сигнал/шум принимается за пороговое при измерении чувствительности. Например, раньше под минимальной освещенностью понималась такая, при которой сохраняется полная разрешающая способность камеры, то есть отношение сигнал/шум примерно 34 — 36 дБ. Сейчас минимальная освещенность трактуется как такая, при которой можно различить только крупные детали изображения, то есть отношение сигнал/шум 20 — 24 дБ. В космической и военной технике часто под пороговой чувствительностью понимается такая, когда размах сигнала равен размаху шумовой дорожки, то есть отношение сигнал/шум 5 — 6 дБ и кроме шума на изображении практически ничего не видно. В этом случае также для одной и той же камеры можно указывать значения чувствительности, отличающиеся в 10 раз.

Характерным примером рекламных манипуляций последних двух лет является заявленная японской фирмой Watec чувствительность для камеры WAT-902H. В 1999 году специалисты были поражены значением чувствительности 0,0003 люкса при F1,4 в положении переключателя AGC «Hi». Это в 100 раз лучше, чем для стандартных CCD камер! Многие даже поверили этой цифре, тем более, что камера оказалась действительно неплохой. В WAT-902H впервые была применена матрица SONY ICX249AL нового поколения EXWAVEHAD с улучшенной в 4 раза чувствительностью. Но всего лишь в четыре, а не в сто. После того, как камеру купили и разобрали на мелкие части, выяснилось, что ничего особенного, кроме новой матрицы SONY в этой камере нет, а положение «Hi» — это увеличение в 4 раза коэффициента усиления, которое увеличивает только шумы, но не чувствительность. Сейчас все спохватились и указывают для WAT-902H уже только 0,002 люкс, как, например, в последнем английском каталоге «NORBAIN» [4], хотя и эта цифра завышена и следовало бы указать 0,005 люкс, что соответствует измерениям на объекте при отношении сигнал/шум 20дБ и F1,4.

Способы улучшения чувствительности.

Существуют следующие способы улучшения чувствительности телевизионных CCD-камер:

• Применение высокочувствительных CCD-матриц и светосильных объективов.
• Применение электронно-оптических усилителей яркости изображения ЭОП.
• Введение адаптивных режимов накопления и считывания заряда в CCD.

Применение высокочувствительных CCD-матриц и светосильных объективов.

Сначала перечислим факторы, ограничивающие чувствительность в современных CCD камерах и возможности их улучшения путем применения новых CCD и объективов.

Рис 3. Иллюстрация различных факторов ограничения чувствительности в телекамере на матрице CCD.

1. Потери света в объективе. Не все фотоны света, попадающие на входную линзу, проходят к CCD-матрице. Часть из них рассеивается, а часть поглощается материалом линз. Нужно сказать, что современные асферические объективы с относительным отверстием 0,8 — 0,75 — имеют очень высокие характеристики и в ближайшем будущем трудно ожидать заметных улучшений их параметров.
2. Потери из-за малой относительной площади фоточувствительных элементов к полной площади фоточувствительной секции. Фоточувствительные ячейки, особенно в матрицах малых форматов 1/3 дюйма и менее занимают менее 10% площади чувствительной поверхности. Остальная площадь используется под каналы переноса заряда и систему антиблюминга. 10 лет назад это было одним из главных ограничений чувствительность. Фирма SONY изобрела и применила прозрачные микролинзы на поверхности CCD, которые концентрируют свет со всей поверхности на маленькие фоточувствительные ячейки. Год назад SONY усовершенствовала эти линзы и выпустила новую серию CCD-матриц под маркой EXWAWEHAD ССD, что позволило дополнительно в 3 — 4 раза поднять чувствительность телекамер. В настоящее время параметры микролинзового массива близки к теоретическому пределу, и здесь также трудно ожидать существенных улучшений.
3. Потери при преобразовании фотон/электрон. Квантовый выход лучших CCD приближается к 0,5 в диапазоне видимых длин волн и ближнем ИК-диапазоне. Освоение новых материалов и дальнейшая оптимизации структуры приборов в будущем могла бы позволить увеличить это значение, особенно в области синего и ближней ультрафиолетовой, что могло бы улучшить чувствительность камер. Однако серьезных сдвигов здесь также трудно ожидать.
4. Ограничение чувствительности из-за шума считывания выходного устройства CCD. В настоящий момент шум считывания — главный фактор, ограничивающий чувствительность телекамер. Его значение 20 — 30 электронов/пиксел теоретически можно было бы быть снизить в 10 раз. Ограничением здесь является площадь затвора первого выходного транзистора. Чем меньше площадь, тем меньше шум, но затвор с малой площадью не в состоянии вместить заряд пиксела в случае, когда света много, что приведет к ограничению сигнала в дневных условиях. Есть патенты, в которых предлагается ра�