Глава 6 (Учебник - информационные системы), страница 6

Чувствительность телекамеры S (рис. 6.20) характеризуется величиной минимальной освещенности , при которой обеспечивается заданное качество изображения (разрешающая способность или число передаваемых градаций яркости). Заданное качество должно достигаться в достаточно широком динамическом диапазоне освещенностей D = _max/_min. Телекамера считается хорошей, если этот диапазон составляет 2 … 3 порядка.

Характеристики минимальной освещенности для различных камер выбираются исходя из условий конкретной съемки (табл. 6.6).

Таблица 6.6. Уровни минимальной освещенности телекамер

Отечественным стандартом установлено, что ток сигнала в режиме максимальной чувствительности S_max не должен быть меньше 0,1 мкА при освещенности 1 лк.

Д ля цветных телекамер характерна существенно меньшая чувствительность (в 5 …10 раз) и разрешающая способность (в 1,5 … 2 раза) по сравнению с черно-белыми камерами. Однако в высокопрофессиональных цветных телекамерах иногда отдельно указывается цветовая чувствительность, определяемая в области максимальной чувствительности. Она определяется как изменение компоненты сигнала цветности при изменении длины волны цвета. У человека эта характеристика весьма высока - в сине-зеленой части спектре глаз фиксирует изменение длины волны в пределах 1 нм.

Телекамеры высокой чувствительности называемые «ночными» обладают чувствительностью в диапазоне 0,005 …0,00004 лк.

Спектральная характеристика телекамеры (рис. 6.21) определяется материалом ее мишени. Промышленно выпускаются телекамеры видимого света, так и рентгеновского, УФ и ИК излучений.

Фирма Sony в 1998 г. разработала портативную камеру специального назначения NightShot, работающую в инфракрасном диапазоне и предназначенную для съемок в кромешной темноте (looking throw camera). Телекамеры подобного типа, оснащенные специальными фильтрами, отсека­ющими часть диапазона видимого спектра, после известных событий 11 сентября установлены в таможенных терминалах США.

Рассмотрение принципов построения телевизионных камер начнем с вакуумных передающих трубок. Вакуумные электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) относятся к преобразователям изображения сканирующего типа (в отличие от несканирующих, типа жидкокристаллических, магнитооптических и люминофорных). По способу съема сигнала и типу мишени их принято разделять на следующие классы: диссекторы; суперортиконы (изоконы); видиконы (в том числе плюмбиконы и кремниконы), а также производные от них супервидиконы (секоны) и пировидиконы.

Рассмотрим некоторые популярные вакуумные датчики СТЗ, основанные на различном типе фотоэффекта. К ним, в первую очередь, относятся диссекторы, суперортиконы и видиконы.

Диссектор, схема которого разработана американцем Ф. Фарнсуортом в 1931 г., обладает наивысшей среди всех ЭЛТ разрешающей способностью и чувствительностью. В так называемом режиме «сче­та электронов» возможна регистрация оптических сигна­лов от объектов, освещенность  которых не превышает 10^-7 лк. (Для сравнения:1 лк приблизительно соответствует освещенности от свечи на расстоянии 1 м). Принцип действия диссектора основан на внешнем фотоэффекте. Его важной особенностью является отсутствие накопления зарядов на фотокатоде, что приводит, в свою очередь, к отсутствию «смазы­вания» изображений движущихся объектов. Благодаря этому диссектор называется «трубкой мгновенного действия». Другое его преимущество связано с возможностью формирования различных траекторий развертки. К недостаткам диссектора относятся сравнительно боль­шие габариты.

Схема суперортикона была предложена в 1938 г. советским физиком Г. Браузе. Прибор представляет собой высо­ко­чув­ствительную ЭЛТ с несколькими каскадами усиления и работает по принципу накопления зарядов. Изображение пе­ре­но­сится с фотокатода на двухстороннюю мишень, считывается с нее медленными электронами и усиливается фотоэлектронным умножителем. Ко­эффициент уси­ления суперортикона достигает 10⁴, что обеспечивает отношение сиг­нал/шум около 100 при освещенности фотокатода  0,1 лк. Суперортиконы, также как и диссекторы, способны работать практически в полной темноте. Их основные недостатки связаны со значительными размерами, малой контрастной чувствительностью и сравнительно невысоким динамическим диапазоном. В настоящее время суперортиконы используются во многих телевизионных системах.

Самый распространенный телевизионный датчик видикон представляет собой малогабаритную ЭЛТ с накоплением заряда, действие которой основано на внутреннем фотоэффекте. Проект видикона был разработан в 1925 г. А. Чернышевым, первая промышленный прибор изготовлен в 1950 г . Сейчас выпускаются несколько типов видиконов, отличающихся характеристиками мишени, системы отклонения луча и др. Известные модели видикона - плюм­бикон и кремникон, отличаются надежностью, высокими фотоэлектрическими параметрами, малыми габаритами и массой, что позволяет их широко использовать в сис­темах цветного телевидения. Луч­шие из видиконов обеспечивают разрешение до 10000 линий. К недостаткам видиконов по сравнению с суперортиконами, относятся меньшая чувствительность и большая инер­ционность.

Видиконы дали рождение другим телевизионным трубкам супервидикону и пировидикону. Первые появились в 60-х годах ХХ века и представляли собой своего рода гибрид видикона с суперотиконом. Они также содержат секцию переноса заряда, что позволяет обеспечить коэффициент усиления свыше 10³, уступая в этом только суперортикону, но превосходя его по массогабаритным показателям. Пировидиконы используются в системах тепловидения.

Некоторые параметры рассмотренных вакуумных трубок приведены в табл. 6.7.

Таблица 6.7. Сравнительная характеристика некоторых типов вакуумных телекамер

6.3.1. Видикон

Рассмотрим самую распространенную вакуумную телекамеру - видикон (В). В представляет собой вакуумную колбу, в которой находится фоточувствительная мишень ФМ, прожектор и электронно-оптическая система развертки луча (рис. 6.22). ФМ нанесена на торцевую поверхность оболочки В и содержит сигнальную пластину СП (прозрачный электрод, имеющий вывод наружу). Каждый элемент ФМ, материалом которой служат тонкие - около 5 мкм слои полупроводника (аморфного селена, трёхсернистой сурьмы, окиси свинца и ряда других, включая германий и кремний) изменяет свое сопротивление при внутреннем фотоэффекте. От толщины и свойств материала фотопроводника зависят чувствительность, спектральная характеристика и инерционные параметры прибора.

Р аботает В следующим образом. Развертывающий электронный луч термокатода ТК, уско­ряясь анодами А₁ и А₂, проходит через сеточный анод А₃ и достигает поверхности ФМ, в результате чего на внутренней поверхности фотопроводника в некоторой его точке создается по­тенциал, близкий к потенциалу катода, а между противоположными поверхностями фотопроводника устанавливается разность потенциалов. Далее луч (толщина которого составляет  30 мкм) уходит с этой точки ФМ и освещает следующую точку и т.д. Если на ФМ проецируется изображение, то проводимость различно ос­вещенных участков слоя будет нео­динаковой - возникает рельеф проводи­мости, соответствующий рельефу яр­ко­сти объ­екта. В течение некоторого промежутка времени , определяющего ине­рционность В, каждая из элементарных емкостей (точек экрана) разряжается до оп­ределенного значения, зависящего от ее освещенности - возникает по­тенциальный рельеф. Электронный луч при развертке доводит поверхность всех участков ФМ до одинакового потенциала. При этом, выравнивая потенциалы, луч оставляет на более освещенных участках слоя большее количество эле­ктронов. Таким образом, ток доза­рядки элементарных емкостей несет в себе информацию о распреде­лении освещенности на ФМ. Про­текая, через нагрузочное сопротивление R_н, он создает напряжение видеосигнала. Формирование луча осуществляется прожектором, включающим ТК (эмиттер электронов), модулятор М, управляющий величиной тока (вплоть до запирания прожектора) и двух анодов А₁ и А₂. Анод А₃ представляет собой мелкоструктурную сетку, находящуюся под напряжением, в 1,5 …1,7 раза превышающим напряжения анодов прожектора, что обеспечивает перпендикулярный подход электронов луча по всей поверхности ФМ. Развертка луча осуществляется фокусирующе-отклоняющей системой ФОС, состоящей из системы катушек ФК, КК (корректирующей) и ОК. В зависимости от способа фокусировки и отклонения промышленно выпускаются В с магнитным и электростатическим управлением лучом. (Примерами являются отечественные модели ЛИ 427 и ЛИ 420 соответственно). В робототехнике перспективно использование электростатических ФОС, позволяющих увеличивать скорость развертки при сохранении высокой линейности отклонения луча и реализовывать нестандартные виды развертки (спи­ральную, радиальную).

Характеристики некоторых моделей В представлены в табл. 6.8. Обозначено: _ном и _max номинальная и максимальная освещенности, I_с - ток сигнала,  - рабочий диапазон длин волн. Под инерционностью понимается уровень остаточного сигнала I_{с ост} по истечении 40 мс после прекращения освещения мишени. (Например, для ЛИ-421 это означает, что I_{с ост} = 0,04 мкА).

Таблица 6.8. Примеры промышленных В

Примечания.

1. В типе ФОС обозначено:

Е - электрическая напряженность поля, Н - магнитная. Например, Ф-Е - фокусировка луча - электростатическая, О-Н -отклонение луча - магнитное.

1. Модель ВКБ-102 - охранная система.

В и их разновидности до настоящего времени широко используются для получения высококачественных изображений. Их достоинства: высокая чувствительность и разрешающая способность, широкий температурный диапазон (-80 … +1200С), радиационная стойкость. К недостаткам В необходимо отнести инерционность изображения, значительные габариты и хрупкость. Для современных систем промышленного телевидения разработаны малоинерционные В - кремниконы, в которых на мишени не образуется зарядовый рельеф и развертывающий луч «считывает» лишь сопротивление ее отдельных участков. В широко используются в машиностроении, металлургии, медицине, криминалистике и т.д. в задачах автоматизации операций контроля процессов прецизионной сборки, экспертизы документов, контроля температурных режимов и пр.

Испытания на радиационную стойкость показали надежную работу В при максимальной дозе до 10⁵ рад.