Главная    |    E-mail    |    25.04.2024
	Главная страница   |   О журнале   |   Авторам   |   Редколлегия   |   Контакты
	Научно-технический интернет-журнал        Свидетельство о регистрации Эл № ФС 77-31314

Содержание Главная страница Обращение редакции Цели и задачи журнала Аспирантам и докторантам     Разделы журнала Общие вопросы техники телевидения и цифровой фотографии Формирователи видеосигнала в телекамерах и цифровых фотоаппаратах Обработка видеосигнала Системы технического зрения Измерительные телевизионные системы Телевизионные системы безопасности Обработка цифровых фотографий     Авторам Требования к статьям Условия публикации     Дополнительно Архив новостей Редколлегия Контакты Партнёры Данные о регистрации

Формирователи видеосигнала в телекамерах и цифровых фотоаппаратах На главную / Все статьи раздела Дата публикации  :  04.06.2009  |  Просмотров  :  974  |  Для печати Автор(ы)  :  Г. И. Вишневский, В. Г. Коссов, В. К. Нестеров, М. В. Четвергов, М. Г. Выдревич, В. Л. Ривкинд, А. А. Жук   Разработки и производство ФПЗС и цифровых камер на их основе. Часть II. Г. И. Вишневский, В. Г. Коссов, В. К. Нестеров, М. В. Четвергов - ЗАО «НПП «ЭЛАР» М. Г. Выдревич, А. А. Жук, В. Л. Ривкинд - ЗАО «НПП «СИЛАР» В настоящей публикации рассмотрены ПЗС-камеры видимого и УФ диапазона, разработанные и выпускаемые группой компаний "СИЛАР". К ним относятся прецизионные малокадровые ПЗС-камеры и высокочувствительные ПЗС-камеры с предварительным усилением яркости изображения. II.1. ПРЕЦИЗИОННЫЕ МАЛОКАДРОВЫЕ ЦИФРОВЫЕ ПЗС КАМЕРЫ Для регистрации изображений в ближнем УФ, видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах разработаны и выпускаются малыми сериями прецизионные малокадровые цифровые ПЗС-камеры моделей S1C, S2C и S3C. Особенностью камер является полностью цифровая обработка видеосигнала. Управление камерой и отображение видеоинформации осуществляется с помощью компьютера. S1С - ПЗС-камера с 14-разрядным АЦП и двухчастотным (1 и 5 МГц) режимом опроса ПЗС. Конструктивно камера выполнена в виде моноблока (100_86_82 мм) с выносным блоком питания и с возможностью комплектации камеры внешним электромеханическим затвором. В таблице 1 приведены основные характеристики камер S1C.           Таблица 1. Основные параметры камер S1C Модель камеры S1C075 S1C077 S1C079 S1C085 Тип ПЗС ELCM1075P ELCM1077P ELCM1079P ELCM1085P Формат ПЗС (Г×В) 1225×1300 1040×1160 578×578 2050×2300 Архитектура ПЗС SFF SFF FT SFF Размеры элемента (Г×В), мкм 14×14 16×16 22×22 8,2×8,2 Зарядовая ёмкость, тыс.эл. 130 190 220 50 Размер изображения, мм 17,15×18,2 16,6×18,6 12,7×12,7 16,8×18,8 Частота кадров (макс.), Гц 3 4 12 1 Частота считывания, МГц быстрый режим точный режим   5,0 1,0 Шум считывания, эл. rms быстрый режим точный режим   20-40 10-15 Неравномерность чувствительности, rms, % 1,5:3 Средний темновой ток @ Тпзс = -35оС, е/эл-т/сек 2:5 S2С - модификация ПЗС-камеры S1C с использованием ПЗС типа ELCM1077PF с волоконно-оптическим входным окном, что позволяет выполнять непосредственное сочленение ПЗС с усилителем яркости изображения. Во избежание механических повреждений ПЗС при сочленении с выходом ЭОПа, фотоприёмник размещается на плавающей подвеске с фиксированным усилием сочленения с электронно-оптическим преобразователем. S3C - ПЗС-камера с двойным 14- и 16-разрядным АЦП, имеет многочастотный программируемый режим опроса ПЗС в диапазоне от 50 кГц до 5 МГц, с возможностью бинирования до 256 крат по горизонтали и вертикали. Камера может быть укомплектована встроенным бескорпусным электромеханическим затвором. Камеры моделей S1C и S3C комплектуются охлаждаемыми ПЗС ELCM1075P, ELCM1077P, ELCM1079P и ELCM1085P производства ЗАО "НПП "ЭЛАР" или зарубежными приборами. Примечания: SFF (split full-frame): односекционный ПЗС с фоточувствительной областью, расщеплённой на две самостоятельные секции, образующие единый фоточувствительный массив (рис. 1а). FT (frame-transfer): двухсекционный ПЗС с кадровым переносом, содержащий секцию накопления и секцию памяти (рис. 1б). Рис. 1а Архитектура SFF ПЗС Рис. 1б Архитектура FT ПЗС На рис. 2а и 2б представлены, соответственно, изображения ПЗС-камеры S1C без внешнего электромеханического затвора и с затвором. Рис. 2а Внешний вид ПЗС-камеры S1C без внешнего электромеханического затвора Рис. 2б Внешний вид ПЗС-камеры S1C c электромеханическим затвором В камерах используются электромеханические затворы UNIBLITZ производства компании Vinсеnt Associates (США) с апертурой до 40 мм и минимальным временем стробирования до 30 мс. При необходимости работы камеры с меньшими временами экспозиции можно использовать камеру типа S2C со стробируемым ЭОПом, сочленённым с ПЗС. При этом обеспечиваются времена экспозиции до 50-100 нс. На рис. 3 приведён график функции передачи модуляции (MTF) камеры S1C-077Р (ПЗС типа ELCM1077P с кварцевым входным окном). Рис. 3 График функции передачи модуляции (MTF) камеры S1C-077Р (ПЗС типа ELCM1077P с кварцевым входным окном). ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ КАМЕРЫ S1C Программируемые форматы изображений Бинирование по обеим координатам до 8(Г)×32(В) Поддержка алгоритмов очистки датчиков и синхронизации с импульсными осветителями Программируемое время экспозиции: 0,001 с ...3000 с Режим с внешней синхронизацией (триггерный режим) Обработка видеосигнала, 14-разрядный АЦП РЕЖИМЫ РАБОТЫ КАМЕРЫ Непрерывный режим. Камера формирует непрерывный видеопоток; длительность экспонирования задаётся с помощью компьютера Триггерный режим с кадровой синхронизацией Триггерный режим со строчной синхронизацией. Предназначен для использования камеры в режиме "Временная задержка и накопление" (ВЗН) Режим однократного ввода. Камера начинает цикл экспонирования/считывания по команде от компьютера ИНТЕРФЕЙСЫ С КОМПЬЮТЕРОМ Последовательный LVDS через PCI-адаптер (макс. длина кабеля 15 м) Последовательный LVDS через преобразователь к USB2.0 (макс. длина кабеля 15 м) Волоконно-оптический через PCI-адаптер (макс. длина кабеля 300 м) Волоконно-оптический через преобразователь к USB2.0 (макс. длина кабеля 300 м) Кроме перечисленных интерфейсов ПЗС-камеры могут подключаться к локальной сети Ethernet через специально разработанный модуль. ОПТИЧЕСКИЕ ИНТЕРФЕЙСЫ Стандартные переходные кольца под C-mount Переходные кольца под М42 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ Под управлением ОС WindowsR2000/XP/Vista DLL нижнего уровня управления камерой Изменение яркости, контраста и коэффициента гамма-коррекции Изменение режима работы ФПЗС, режима ввода изображений и внешней синхронизации Изменение масштаба изображений Сохранение изображений в файлы стандартных форматов Предварительная обработка изображений: ввод и вычитание темнового сигнала изображения коррекция неравномерности чувствительности цифровое усреднение до 64 кадров коррекция дефектов Построение в реальном времени осциллограмм сечений по вертикали и горизонтали через произвольную точку в пределах окна изображения с вычислением среднего значения сигнала и его дисперсии по заданному сечению Построение в реальном времени осциллограмм полосовых сечений по вертикали и горизонтали с усреднением Построение гистограммы распределения интенсивности сигнала по любому диапазону значений с произвольным шагом и в произвольной прямоугольной зоне изображения Коррекция смаза Расчет в реальном времени максимального, среднего, минимального и суммарного значения сигнала и его дисперсии по заданному фрагменту изображения Математические преобразования Рис. 4 Изображение рабочего экрана камеры S1C на мониторе компьютера Центральная часть рабочего экрана основной программы (Рис. 4) предназначена для вывода изображений, верхняя - основное меню, нижняя - статусная строка, отображающая текущие координаты курсора, среднее значение и среднеквадратическое отклонение сигнала по сечению, значение сигнала под курсором, температуру ПЗС и температуру внутри камеры, среднюю кадровую частоту отображения, значение счётчика кадров при вводе серии. Правая верхняя часть экрана - окно регулировок параметров изображения, правая нижняя часть - окно параметров выбранного фрагмента изображения. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ Основные области применения прецизионных малокадровых ПЗС-камер - регистрация статических и малоподвижных источников излучения при их низкой интенсивности с большими временами экспозиции фотоприёмника. Эти камеры нашли применение в профессиональной и любительской астрономии, физическом эксперименте, экологическом мониторинге, микробиологии (флуоресцентная микроскопия), криминалистике и других областях. На рис. 5 представлено изображение, полученные при помощи ПЗС-камеры S1C077 в Андрушевской Народной обсерватории (Украина) на 60-см телескопе. При времени экспозиции ПЗС 10 мин становятся различимыми звёзды 20-й величины. Изображение, представленное на рис. 6 получено в Астрономической Обсерватории Казанского Государственного Университета. Рис. 5 Звездное скопление М13 в созвездии Геркулеса Рис. 6 Сверхновая SN2005cs в галактике М51 созвездия Гончих Псов Рис. 7 ПЗС-камера S3C, применяемая для изучения метеорных потоков в одной из австрийских обсерваторий в Южных Альпах Изображения, представленные на рис. 8 и 9, демонстрируют возможности использования ПЗС камер S1C для изучения флуоресцентной микроскопии живых клеток (Лаборатория нуклеидных кислот, Институт Кюри, Париж). Рис. 8 Рис. 9 Заказчиками предприятия являются отраслевые и академические научные центры, научно-исследовательские организации и предприятия, занимающиеся прикладной и специальной тематикой в России, странах СНГ и дальнего зарубежья С 1995 по 2009 гг. выполнен ряд контрактов по поставке на внутренний и зарубежный рынки цифровых ПЗС-камер S1C, S2C и S3C, в том числе: Институт Кюри (Франция), фирму S&I GmbH (Германия), ГОИ, Институт солнечно-земной физики СО РАН, Институт общей физики РАН, Институт ядерной физики, Российский Федеральный ядерный Центр (Арзамас-16), НИИ оптико-физических измерений, Главную астрономическую обсерваторию (Пулково), Николаевскую, Казанскую и Киевскую астрономические обсерватории, Шанхайскую астрономическую обсерваторию, МГУ им. Ломоносова, Институт полупроводников СО РАН, НИИ прецизионного приборостроения (Москва) и во многие другие научно-исследовательские центры и отраслевые организации России и СНГ. II.2. ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ПЗС-КАМЕРЫ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ УСИЛЕНИЕМ ЯРКОСТИ ПЗС-камеры с предварительным усилением яркости изображения, в которых ПЗС фотоприёмник считывает изображение с выходного экрана усилителя яркости изображения, применяются в следующих случаях: для регистрации изображений в реальном времени при низких уровнях освещённости, при работе в широком (круглосуточном) диапазоне освещённостей, при использовании усилителя яркости в качестве оптического входного затвора с короткими (до единиц наносекунд) временами экспонирования ПЗС, а также для регистрации источников излучения в ультрафиолетовом спектральном диапазоне при одновременном подавлении чувствительности в видимой области (за счёт использования электронно-оптических преобразователей с "солнечно-слепыми" фотокатодами). В течение ряда лет разработаны и выпускаются несколько моделей ПЗС-камер данного класса - S2X, S3X и S4X - новейшая и наиболее совершенная разработка, обладающая наилучшими характеристиками и наиболее полным набором функциональных возможностей (Рис. 10). Рис. 10 ПЗС-камера S4X с 50-мм объективом В качестве фотоприёмника в камере S4X используется усилитель яркости изображения производства компании Photonis-DEP (Нидерланды), выход которого посредством прямого сочленения связан с волоконно-оптическим входным окном ПЗС типа ELCM1070F. Чувствительность фотокатода и предельное пространственное разрешение определяется типом применяемого усилителя яркости изображения (SuperGen, XD-4 или XR5). Диапазон спектральной чувствительности камеры определяется типом фотокатода. Применяются усилители яркости изображения с фотокатодами типов S25, S20-УФ (широкополосный), "солнечно-слепой" и др.). Ниже приведены спектральные характеристики некоторых фотокатодов. Рис. 11 Спектральные характеристики фотокатодов, используемых в усилителях яркости изображения фирмы Photonis-DEP 1 - S20(UV) на MgF2, 2 - S20(UV) на кварце, 3 - широкополосный на кварце, 4 - солнечно-слепой на кварце, 5 - HOT S20 на кварце, 6 - S20 на ВОП, 7 - Super S25 на стекле На рис. 12 представлен типовой график функции передачи модуляции камеры S4X. Рис. 12 Типовой график функции передачи модуляции камеры S4X Основные характеристики камеры при использовании усилителя яркости изображения типа SuperGen с фотокатодом S25 приведены ниже. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ S4X Формат изображения 512×512 Размер элемента, мкм 22×22 Размер входного изображения, мм 11,3×11,3 (1") Параметры ЭОП (*) тип SuperGen фотокатод S25 диаметр входного окна, мм 18 спектральный диапазон, мкм 0,4...0,86 минимальное время стробирования ЭОП, нс 40 (**) Диапазон рабочей освещенности на входном окне ЭОП, лк 5×10-5...2,5×103(*) Диапазон АРУ 5×107(***) Отношение сигнал/шум при освещённости 5×10-5, лк не менее 3 (*) Глубина модуляции на 15 парах лин./мм, % ≥ 20 (*) Диапазон рабочих температур, ° С -40...+50 Напряжение питания, В 12 ± 10% Потребляемая мощность, Вт £ 6 Исполнение камеры герметичный корпус Габаритные размеры, мм 75× 75×75 Масса, г 900 (*) - Фотоэлектрические параметры могут отличаться от приведенных, и зависят от типа ЭОП (**) - Для применения, например, в системах подводного ТВ с импульсной лазерной подсветкой может быть разработана модификация камеры S4X с временем стробирования 3-5 нс. (***) - Без учёта изменения диафрагмы объектива ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ КАМЕР S4X Автоматическая и "ручная" (от компьютера) регулировка усиления, времени экспозиции и задержки стробирования. Предварительная обработка изображений (коррекция темнового сигнала и неравномерности чувствительности, коррекция дефектов, цифровая фильтрация) Защита ЭОП от пересветок по среднему значению сигнала Защита ЭОП от неподвижных локальных пересветок Формирование аналогового сигнала CCIR (с режимом "стоп-кадр" и телетекстом) Синхронизация с внешним импульсным осветителем РЕЖИМЫ РАБОТЫ КАМЕРЫ Непрерывный полноформатный, частота кадров 25 Гц Непрерывный с размером зоны изображения 512(Г)х80(В), частота кадров 100 Гц Режим с внешней синхронизацией (триггерный режим) Режим с "активной подсветкой" - изменяемая задержка стробирования ЭОП относительно внешней импульсной подсветки ИНТЕРФЕЙСЫ С КОМПЬЮТЕРОМ Последовательный LVDS через PCI-адаптер (макс. длина кабеля 15 м) Подключение к стандартным типам компьютерных интерфейсов (USB2.0, Ethernet) с помощью внешних преобразователей ОПТИЧЕСКИЕ ИНТЕРФЕЙСЫ Переходные кольца под C-mount для объективов с рабочим полем 1" Адаптеры под другие типы объективов, в том числе, с управляемой диафрагмой ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ Под управлением ОС Windows-2000/XP/Vista DLL нижнего уровня управления камерой Изменение яркости, контраста и коэффициента гамма-коррекции Изменение масштаба изображений Отображение в палитрах "градации серого" и "псевдоцвет" Cохранение изображений в файлах стандартных форматов. Предварительная обработка изображений: ввод и вычитание темнового сигнала изображения. коррекция неравномерности чувствительности. цифровая фильтрация. коррекция дефектов. Построение в реальном времени осциллограмм сечений по вертикали и горизонтали через произвольную точку в пределах окна изображения с вычислением среднего значения сигнала и его дисперсии по заданному сечению Построение в реальном времени осциллограмм полосовых сечений по вертикали и горизонтали с усреднением Построение гистограммы распределения интенсивности сигнала ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ Телевизионные системы ночного и круглосуточного наблюдения (охрана периметров, охрана правопорядка, антитеррористические операции и т.п.) Телевизионные системы с импульсной или непрерывной подсветкой Многокамерные системы скоростного телевидения Воздушная разведка и картография с борта летательных аппаратов (в том числе непилотируемых) Астрономические телевизионные системы   В третьей, заключительной части статьи будут рассмотрены инфракрасные камеры среднего и дальнего ИК диапазона.  Скачать статью (RAR -архив, 1200 kb) Автор(ы)  :  Г. И. Вишневский, В. Г. Коссов, В. К. Нестеров, М. В. Четвергов, М. Г. Выдревич, В. Л. Ривкинд, А. А. Жук Добавить комментарий / На главную / Новости / Все статьи раздела Внимание ! Использование любых текстовых или графических материалов(а так-же их фрагментов) с сайта http://www.telephototech.ru возможно с разрешения администрации сайта с обязательным указанием ссылок на первоисточник и авторов статей и публикаций !

Свидетельство о регистрации: Эл № ФС 77-31314 (01.03.2008) Теле Фото Техника Copyright © 2024 E-mail: ysn@telephototech.ru http://www.telephototech.ru