Формирователи видеосигнала в телекамерах и цифровых фотоаппаратах
Дата публикации : 04.06.2009 | Просмотров : 1072 |
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).
![](foto_stat/040609/040609_1a.jpg)
Рис. 1а Архитектура SFF ПЗС
|
![](foto_stat/040609/040609_1b.jpg)
Рис. 1б Архитектура FT ПЗС
|
На рис. 2а и 2б представлены, соответственно, изображения ПЗС-камеры S1C без внешнего электромеханического затвора и с затвором.
![](foto_stat/040609/040609_2a.jpg)
Рис. 2а Внешний вид ПЗС-камеры S1C без внешнего электромеханического затвора
|
![](foto_stat/040609/040609_2b.jpg)
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).
![](foto_stat/040609/040609_3.jpg)
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
![](foto_stat/040609/040609_4.jpg)
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.
![](foto_stat/040609/040609_5.jpg)
Рис. 5 Звездное скопление М13 в созвездии Геркулеса
|
![](foto_stat/040609/040609_6.jpg)
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).
![](foto_stat/040609/040609_8.jpg)
Рис. 8
|
![](foto_stat/040609/040609_9.jpg)
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).
![](foto_stat/040609/040609_10.jpg)
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.
![](foto_stat/040609/040609_11.jpg)
Рис. 11 Спектральные характеристики фотокатодов, используемых в усилителях
яркости изображения фирмы Photonis-DEP
1 - S20(UV) на MgF
2, 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.
![](foto_stat/040609/040609_12.jpg)
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
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 !