668_Mamchev_G.V._Tekhnicheskie_sredstva_TV_vehhanija_

Рис. 2.10. Схема оптической системы трехматричной телекамеры

спризменным светоделительным блоком:

1– вариообъектив; 2 – приводной (нейтральный) светофильтр; 3 – призмы; 4 – светоделительные слои; 5 – коррекционные светофильтры; 6 – ФПМ

Основными преимуществами светоделительных систем в заднем рабочем отрезке вариообъектива являются их относительно небольшие габариты и масса, высокие четкость и контраст изображения (так как в них меньше аберрационные искажения и светорассеяние), больший коэффициент пропускания (за счет меньших поглощения света в стекле и вредного отражения от поверхностей призм).

При выборе структуры призменного светоделительного блока принимается во внимание ряд условий: а) в каждом световом канале призмы должны действовать как плоскопараллельная пластинка; б) должна допускаться возможность нанесения многослойных пленок дихроических зеркал при соответствующей их ориентации; в) проходящие через светоделительный блок световые пучки не должны виньетироваться.

Дихроические (интерференционные) зеркала, применяемые в телекамерах, представляют собой многослойные пленки (от 7 до 20 слоев) со слоями различной толщины и разными показателями преломления, нанесенные на грани стеклянных призм, функционирующих как плоскопараллельные пластинки. Толщина каждого слоя равна части длины волны светового излучения. Световой поток белого цвета J1, попадая на дихроическое зеркало, частично отражается (лучи J2 и J3), а частично проходит через него (J4) (рис. 2.11). В зависимости от толщины пленки, коэффициентов преломления стекла n1 и пленки n2 лучи, отраженные от границы стекло-пленка (J2) и пленка-воздух (J3), могут в зависимости от длины волны, то есть цвета, оказаться либо в фазе, либо в противофазе или промежуточном состоянии. Это означает, что их энергия может либо складываться, либо частично или полностью взаимно компенсироваться. Следовательно, интенсивность отраженного света зависит от его длины волны . Типичные графики зависимости коэффициента отражения = (J2 + J3)/J1 и коэффициента пропускания = J4/J1 представлены на рис. 2.12 [13]. Из анализа данных графических зависимостей следует, что сумма прошедшего и отраженного света примерно равна падающему на зеркало световому потоку: + = 1.

Рис. 2.11. Устройство дихроического зеркала с одной пленкой

Для лучшей цветовой избирательности дихроического зеркала нанесенная на него пленка делается многослойной. Подбором коэффициентов преломления в этих пленках, их толщины и порядка расположения удается добиться значительно лучшей зависимости коэффициентов отражения и пропускания от длины волны, то есть большей крутизны среза на участке bc и лучшей равномерности характеристики на участках пропускания ab и отражения cd (см. рис. 2.12). Выбор нужной толщины интерференционных слоев позволяет получить красноотражающее и синеотражающее покрытия, предназначенные для разделения общего светового потока на три составляющие – красную R, зеленую G и синию B.

Интерференционный характер процессов в дихроических зеркалах является причиной существенной зависимости их спектральных характеристик от угла наклона и поляризации входящих лучей. Так, для наиболее распространенного варианта конструкции светоделительной системы телекамеры (угол падения осевого луча центрального пучка лучей составляет 38 ) сдвиг характеристики спектрального отражения в сторону коротковолновой области спектра относительно характеристики отражения при нормальном падении луча на дихроическое зеркало (под углом 90 ) составляет вдоль оси длин волн 75 нм для синеотражающего и 30 нм для красноотражающего зеркал. Это может приво-

Рис. 2.12. Зависимости коэффициентов пропускания и отражения от длины волны света

дить к появлению искажений цветности по полю объекта передачи. Основная мера борьбы с такими искажениями – уменьшение отклонения световых лучей от номинального направления, для чего дихроические зеркала помещают в параллельные или слабо сходящиеся (или расходящиеся) световые пучки. Для ослабления искажений, вызываемых частичной поляризацией света на поверхности воды, стекла, перед вариообъективом устанавливается специальный электрически управляемый поляризующий жидкокристаллический фильтр.

Практически ввиду сложности технологии нанесения многослойных светоделительных пленок и ограниченного количества, пригодных для этих целей материалов не всегда удается получить желаемую форму их спектральных характеристик. Поэтому точная доводка спектральных характеристик цветовых каналов до требуемой в светоделительной системе телекамеры производится с помощью цветных коррекционных светофильтров 5 (см. рис. 2.10), установленных в выходных окнах призменных компонентов.

В большинстве случаев коррекционные светофильтры изготавливаются из цветного стекла или стекла с интерференционным покрытием, реже из окрашенной желатины или пластмассы. Наличие у коррекционного светофильтра определенной (полученной из расчета) спектральной характеристики пропускания достигается за счет выбора марки и толщины цветного оптического стекла (или типа и концентрации красителя в фильтрах из желатины или пластмассы).

Оптическая схема телевизионной камеры с четырьмя датчиками видеосигналов представлена на рис. 2.13. В подобных камерах для создания яркостного сигнала используется отдельный преобразователь свет-сигнал, в то время как три светочувствительных датчика формируют видеосигналы основных цветов ER, EG, EB соответственно. Поскольку только яркостный сигнал содержит информацию о мелких деталях передаваемой сцены, разрешающая способность телевизионной камеры в целом определяется каналом сигнала яркости (оптической системой и светочувствительным датчиком этого канала). Качество цветопередачи в телевизионной камере с четырьмя светочувствительными датчиками приближается к качеству, получаемому в камере с тремя датчиками, при условии правильного выбора спектральных характеристик чувствительности не только каналов цветности, но и канала сигнала яркости.

Для формирования цветоделенных изображений в одноматричных (однотрубочных) телекамерах на все элементы большеразмерной, например, однодюймовой ФПМ наносится мозаичный растр Байера (Bayer pattern), состоящий из оптических фильтров первичных цветов R, G, B (Primary Color Filters), структура которого изображена на рис. 2.14 [14]. Причем каждый элемент мозаичного растра может соответствовать нескольким пикселям на светочувствительной поверхности ФПМ. Как видно из рис. 2.14, половина элементов растра Байера чувствительна к зеленому цвету, а к красному или синему цвету – только четверть элементов (мозаика полимерных светофильтров по схеме RGGB). Данный алгоритм размещения элементов мозаичного растра хорошо согласуется с цветовой чувствительностью реального глаза, описываемой соотношением:

Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B.

Рис. 2.13. Светоделительная система телевизионной камеры с четырьмя светочувствительными датчиками

Рис. 2.14. Структура мозаичного растра Байера

Видеосигналы, соответствующие пропущенным элементам основных цветов R, G, B, восстанавливаются способом интерполяции, причем обычно применяются адаптивные интерполяционные алгоритмы, позволяющие избежать появления интенсивных муаров и зубчатости наклонных границ. Интерполяция может производиться как внутри телекамеры, так и вне ее в процессе компоновки программы.

2.5. Устройства стабилизации изображений на фотоприемной матрице

В сложных динамичных условиях работы телевизионного оператора (например, в автомобиле, на палубе корабля, при съемке с вертолета и т.д., или когда телекамера находится в руках движущегося оператора), возникают нежелательные колебания камеры, и как следствие, смещение воспринимаемых изображений, которые всегда отрицательно влияют на качество съемки. Фактически снижение качественных показателей получаемого видеоматериала, в первую очередь, обусловлено ухудшением четкости. Все это необходимо учитывать, особенно в передающих камерах ТВЧ-типа.

Известно три способа стабилизации воспринимаемого изображения в передающих камерах: механический, электронный и оптический. Установка передающей камеры на штатив или стабилизационную платформу, использование системы Steadicam (буквально «устойчивая камера», «стабильная камера») (специальное устройство для стабилизации и балансировки съемочной камеры во время съемок в движении) относится к категории механической стабилизации. В принципе, это правильный подход при видеосъемках в любых условиях. Однако, механическая стабилизация во многих случаях не обеспечивает требуемой оперативности и мобильности. Электронная стабилизация основана на резервировании светочувствительных элементов ФПМ под возможное смещение изображения (зарезервированные пиксели «подхватывают» участок проецируемого изображения, переходящий с соседнего элемента, и тем самым обеспечивает неподвижность воспринимаемого изображения). Такая схема стабилизации эффективна только в ограниченном диапазоне частот колебаний и при небольших смещениях передающей камеры.

Наиболее распространенным способом получения стабильности изображения, особенно при постоянной вибрации видеокамеры, является оптическая стабилизация изображения, впервые разработанная японской фирмой Canon. В этом случае для регистрации и устранения колебаний изображения используется перемещение специальных элементов оптики. В целом, такой стабилизатор не влияет на качество изображения, проецируемого на светочувствительную поверхность матрицы и эффективен в широком диапазоне увеличений, но относительно дорог, а также увеличивает энергопотребление видеокамеры и ее габариты.

Для регистрации перемещений объектива в оптической системе стабилизации используются миниатюрные гироскопы. Стабилизатор изображения сдвигает группу линз объектива в параллельной к светочувствительной поверхности ФПМ плоскости [1].

Когда объектив перемещается из-за сотрясения, световые лучи от объекта съемки, формирующие его изображение, сдвигаются относительно оптической оси, вызывая появление смазанного изображения. Сдвигая группу линз стабилизации в плоскости, перпендикулярной ФПМ, в необходимых пределах для компенсации перемещения объектива, можно добиться эффекта, когда лучи,

достигающие светочувствительной поверхности матрицы, фактически остаются неподвижными. На рис.2.15 показано, как механически происходит исправление хода лучей в случае, когда объектив смещается вниз. Так как паразитические движения камеры происходят как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, группа линз блока стабилизации может сдвигаться и в вертикальном, и в горизонтальном направлениях в плоскости, перпендикулярной оптической оси объектива и параллельной плоскости ФПМ.

Перемещения видеокамеры улавливаются двумя гироскопическими сенсорами. Сенсоры определяют направление (угол) и скорость перемещения (дрожания) видеокамеры с объективом. Для предохранения гиросенсоров от ошибок, они заключены в специальные защитные блоки.

Группа линз блока стабилизации имеет прямой привод от сердечников соленоида. Данное устройство имеет малые габариты, небольшой вес, потребляет достаточно умеренное количество электроэнергии, отличается малым временем отклика, то есть быстрой реакцией на команды. Стабилизатор изображения позволяет эффективно компенсировать вибрации с частотой от 0,5 до 20 Гц. Позиция блока стабилизации определяется с помощью инфракрасных светоди- одов-излучателей (IREDs – Infrared Emitting Diodes), установленных на оправе блока и устройства оценки положения (PSD – Position Sending Device), расположенного на плате электроники блока. Таким образом, изначально устройство стабилизации имеет обратную связь для точного позиционирования. Стабилизатор изображения имеет также блокиратор, который устанавливает группу линз стабилизации в центральную нейтральную позицию в случае, когда устройство стабилизации изображения выключено.

Поэтапно устройство оптической стабилизации изображения работает следующим образом:

1.При нажатии кнопки спуска группа линз стабилизации разблокируется и активизируются гироскопические сенсоры для детекции перемещения видеокамеры.

2.Гиросенсоры определяют угол и скорость перемещения камеры и посылают информацию об этом в микрокомпьютер.

3.Микрокомпьютер преобразует, полученные сигналы в команды управления устройством стабилизации и передает их в устройство стабилизации.

4.В соответствии с полученными командами устройство стабилизации смещает группу линз стабилизации перпендикулярно оптической оси.

5.При осуществлении сдвига датчики положения группы линз стабилизации обрабатывают информацию о смещении и передают полученные данные в микрокомпьютер.

6.Микрокомпьютер сравнивает сигналы управления, переданные в течение третьего этапа, с сигналами устройства детекции положения группы линз стабилизации и тем самым осуществляет контроль с помощью данной обратной связи. Это повышает точность в управлении группой линз стабилизации изображения.

Рис. 2.15. Схема оптической стабилизации изображений:

а) объектив в исходном (неподвижном) состоянии; б) схема оптической проекции при отклонении объектива вниз;

в) компенсация смещения изображения с помощью группы линз стабилизации

Система оптической стабилизации изображения видеокамеры может быть настроена на устранение характерных вибраций, например, при видеосъемке с вертолета. В некоторых случаях система стабилизации изображения приводит к отставанию в слежении за колебаниями видеокамеры, создавая при этом нежелательный плавающий эффект.

Электронный стабилизатор основан на резервировании светочувствительных элементов ФПМ под возможное смещение изображения, тем самым обеспечивается неподвижность «картинки». Такая схема стабилизации относительно дешевая и экономичная, но эффективна в ограниченном диапазоне частот и при небольших смещениях. В недорогих видеокамерах при включении стабилизатора часть активных элементов матрицы оказывается в резерве и четкость изображения ухудшается. В дорогих компактных моделях используется электронный «суперстабилизатор», в котором задействуются пассивные элементы

матрицы, обычно не принимающие участие в формировании видеосигнала, при этом четкость остается на первоначальном уровне.

2.6. Особенности применения анаморфотной оптики

На основе психофизиологических исследований установлено, что в пределах зоны ясного видения угол поля зрения человека гораздо шире по горизонтали (14…16°), чем по вертикали (10…12°). Вследствие этого в современных телевизионных системах возобладал формат кадра 16:9 (широкоформатное телевидение), когда ширина экрана в 1,78 раза превосходит его высоту. Для получения телевизионного изображения такого формата существуют два способа – либо обрезать изображение, полученное сферической оптикой на светочувствительной поверхности (на сенсоре) видеокамеры, сверху и снизу, либо применять анаморфотную оптику.

Конструктивная особенность анаморфотного оптического преобразователя, будь то полноценный объектив или всего лишь насадка, заключается в совместном использовании в оптической схеме сферических и цилиндрических линз. Например, добавление анаморфотной оптической системы (насадки) с коэффициентом сжатия, то есть анаморфирования, по вертикали х1,33 к стандартному объективу, снимающему в формате 4:3, обеспечивает формирование кадра формата 16:9, получившего название Letterbox.

Компания Panasonic для видеокамер своей конструкции разработала анаморфотную насадку AG-LA7200G. Установка подобной насадки на переднюю часть объектива, снимающего в формате 4:3, обеспечивает формирование кадра формата 16:9. В комплекте насадки имеются три переходника, позволяющие крепить ее на объективы с передним резьбовым кольцом диаметрами 49, 52 и 58 мм, но оптимальным считается установка на дискретный объектив с передним элементом не более 50 мм в диаметре.

Поскольку наведение на резкость выполняется на самом объективе, насадка очень удобна для выполнения дополнительной фокусировки. Ее можно устанавливать и на вариобъективы с функцией автофокуса (AF).

Анаморфотным первенцем фирмы Angenieux является легкий и компактный вариобъектив Optimo Anamorphic 56…152 мм 2S (2-кратное сжатие по вертикали), характеризующийся малыми искажениями.

3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СВЕТ-СИГНАЛ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПЕРЕДАЮЩИХ КАМЕРАХ

3.1. Основные требования к преобразователям свет-сигнал

В телевидении преобразователи свет-сигнал (ПЗС-, КМОП-матрицы) в основном определяют параметры и качество воспроизводимого телевизионного изображения. От типа преобразователя зависят принцип построения передающей камеры, наличие отдельных вспомогательных узлов. Поэтому важнейшим вопросом при построении передающих камер ТВЧ-типа является правильный выбор устройства, преобразующего оптические изображения в видеосигнал.

Специфика построения камер ТВЧ, в которых чаще всего применяются несколько преобразователей свет-сигнал, предъявляет к последним достаточно высокие требования. Рассмотрим более подробно эти требования.

–Высокая идентичность характеристик преобразователей свет-сигнал и независимость этих характеристик от передаваемого сигнала. При различии данного параметра более чем на 2% не удается обеспечить в камере цветного телевидения динамический баланс белого.

–Возможность получения высокой точности совмещения растров и их эксплуатационной стабильности. Точность совмещения должна быть не хуже долей элемента разложения по всему полю изображения.

–Отсутствие паразитных сигналов и высокая однородность чувствительности по полю растра.

–Высокая чувствительность во всем видимом спектре, что необходимо изза больших потерь света в оптической системе камеры цветного телевидения.

–Малая инерционность сигнала и ее идентичность для всех преобразователей, применяемых в передающей камере. Различие в инерционности сигналов, при которой остаточный сигнал в преобразователях отличается более чем на 2%, приводит к разноцветным тянущимся продолжениям в изображении, что резко снижает его качество.

–Способность работать в широком диапазоне освещенностей передаваемых сцен.

–Высокая разрешающая способность.

–Малый уровень собственных шумов в сигнале на выходе, причем структура шумового рисунка должна быть малозаметной, то есть мелкой.

–Малые габариты и простота управления.

3.2.Физические принципы работы приборов

сзарядовой связью

ВПЗС реализуется принцип самосканирования, то есть направленного перемещения накопленных зарядов вдоль цепочки элементарных накопителей зарядов.

Основой ПЗС является конденсатор со структурой металл-оксид- полупроводник (МОП-конденсатор) [15]. Именно МОП-конденсатор является элементом, способным хранить информационные пакеты зарядов, сформированные под воздействием света или путем инжекции через p-n переход. Цепочка из МОП-конденсаторов, связанных особым образом друг с другом, обладает способностью передавать зарядовые пакеты под воздействием управляющих напряжений от одного элемента структуры к другому до выхода, где зарядовые пакеты преобразуются в потенциал или ток.

К достоинствам ПЗС-структур следует отнести:

возможность непосредственного преобразования светового потока в зарядовые пакеты и способность хранить зарядовую информацию;

способность направленной передачи зарядовой информации и преобразования ее в видеосигнал при достаточно точном построении геометрии точечного растра (координаты элементов фиксируются с точностью до 0,5 мкм);

высокое быстродействие;

возможность реализации обработки информации непосредственно на матрице;

высокую степень интеграции, малые потребляемую мощность и габаритные размеры;

высокую механическую прочность, стойкость к вибрациям и электромагнитным воздействиям, надежность и большой срок службы.

На рис. 3.1 показана структура МОП-конденсатора, включающая в качестве

основы подложку из p-кремния. Путем термического окисления на ее поверхности формируется слой оксида, на который наносится проводящий электрод. Если между электродом и подложкой приложить положительное напряжение U э , то под действием электрического поля под проводящим электродом будет образо-

Рис. 3.1. Конструкция МОП-конденсатора:

1 – подложка из p-кремния; 2 – оксид; 3 – проводящий электрод; 4 – область стоп-диффузии