close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Smirnov 0096AD71DF

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
ек
а
ГУ
А
В. М. Смирнов
П
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
би
бл
ио
т
ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ
НАБЛЮДЕНИЯ
Монография
Санкт-Петербург
2016
УДК681.78
ББК 32.948
С50
П
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Н. Н. Красильников;
доктор технических наук, профессор С. Б. Макаров
ГУ
А
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве монографии
Смирнов, В. М.
С50 Технические средства телевизионных систем наблюдения: монография / В. М. Смирнов. – СПб.: ГУАП, 2016. – 330 с.
ISBN 978-5-8088-1086-0
би
бл
ио
т
ек
а
Рассматриваются принципы работы устройств телевизионных
систем наблюдения, выбор параметров, характеристики и особенности использования, а также основные положения физики оптики
и свойства человека-оператора как получателя информации, на которых базируется построение устройств телевизионных систем наблюдения.
Монография предназначена для широкого круга технических
специалистов, занимающихся проектированием, разработкой и ремонтом оборудования систем телевизионного наблюдения. Может
служить учебным пособием для студентов и слушателей курсов повышения квалификации по специальностям, связанным с разработкой систем обеспечения безопасности объектов, телевизионных
систем и устройств отображения информации.
ISBN 978-5-8088-1086-0
©
©
УДК 681.78
ББК 32.948
Смирнов В. М., 2016
Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2016
ПРЕДИСЛОВИЕ
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
При современных темпах криминализации общества и роста
преступности, сложившейся общественно политической обстановке
в стране необходима охрана периметра и территории, контроль доступа на объект его сотрудников, посетителей и транспорта, ведение
визуального наблюдения за состоянием различных частей объекта.
Охранное телевидение получило развитие с появлением телевизионных систем дистанционного наблюдения. Эти системы позволяли на основе техники вещательного телевидения осуществлять
визуальный контроль за теми или иными процессами, событиями
или явлениями, непосредственное наблюдение за которыми по
каким-либо причинам невозможно, неудобно, неэффективно или
опасно. В начальной стадии развития технические параметры аппаратуры охранного телевидения почти не отличались от систем
вещательного телевидения, так как аппаратура разрабатывалась и
производилась на базе уже известных схемных решений и освоенных в массовом производстве узлов телевизионной аппаратуры.
Специфика работы телевизионных систем в качестве устройств
охраны и наблюдения потребовала выделить их в особый класс.
С первого января 2001 г. в России вступил в действие ГОСТ Р 515582000 «Системы охранные телевизионные. Общие технические требования и методы испытаний» [1].
Охранные телевизионные системы наблюдения – ТВСН (CCTV –
Сlosed Circuit Televisio – система телевидения замкнутого контура) предназначены для обеспечения безопасности на объекте. Они
позволяют оператору следить и обеспечивать физическую безопасность одного или нескольких объектов, находящихся порой на значительном расстоянии как друг от друга, так и от диспетчерского
пульта, как самостоятельно, так и при совместной работе с другими системами безопасности.
Современные телевизионные системы наблюдения позволяют
выполнять и другие не менее важные и более сложные задачи. Например, наблюдение за движением транспортных потоков на оживленных магистралях или в портах. При этом наблюдение должно
производиться и в условиях низкой освещенности. В настоящее
время ТВСН успешно используются в магазинах, банках, на автостоянках. Малокадровые системы для дома или офиса способствуют повышению безопасности и создают дополнительные удобства.
Можно выделить основные преимущества ТВСН перед другими
средствами безопасности. Это автоматическое обнаружение и видеоконтроль событий, мгновенное обнаружение несанкциониро3
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
ванного проникновения на охраняемую территорию, исключение
ложных срабатываний за счет интеллектуальной обработки поступающих информационных потоков, наглядное отображение всей
обрабатываемой информации, возможность тесной интеграции
с другими подсистемами безопасности.
Необходимость написания этой книги, несмотря на большое количество публикаций по ТВСН, вызвана тем, что имеющиеся публикации в основном носят описательный характер. В предлагаемой читателям книге не ставилась задача рассмотрения вопросов проектирования конкретных ТВСН. Основной акцент сделан на принципы
работы и выбор параметров технических средств, входящих в состав
ТВСН, а не простое описание их характеристик. В книге преднамеренно уделено мало внимания преобразованию телевизионных сигналов в цифровую форму и устройствам цифровой обработки телевизионных сигналов. Автор считает это очень важной и большой темой и предполагает посвятить этим вопросам отдельную работу. При
написании этой книги использованы материалы лекций, которые
автор читал и читает в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения, а также материалы
книг и статей, опубликованных в изданиях по безопасности, статей
из научно-технических журналов, учебных изданий.
В первой главе рассматриваются преимущества телевизионных
систем, особенности терминологии в системах охранного телевидения, задачи, решаемые с помощью ТВСН. Дана обобщенная структурная схема ТВСН, включающая ее основные и дополнительные
технические средства. На основе обобщенной структурной схемы
дается краткая характеристика технических средств ТВСН.
Вторая глава посвящена принципам и устройствам преобразования оптического изображения объекта наблюдения в электрический
сигнал – телевизионным камерам (далее – телекамера). Телекамеру
условно можно разбить на два устройства: объектив, представляющий из себя сложную комбинацию различных линз, задачей которого является преобразование оптического потока и получение оптического изображения контролируемого объекта, и непосредственно
преобразователь свет-сигнал, т. е. устройство, преобразующее оптическое изображение в электрический сигнал. Для понятия работы
объектива, правильного выбора его параметров необходимо знание
основных законов оптики. Исходя из этого автор посчитал целесообразным рассмотреть в первой части главы основные законы оптики,
построение изображений системой линз. Большое внимание уделено
специфическим искажениям в оптических системах – аберрациям и
способам их устранения. Далее анализируются основные характери4
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
стики и параметры, которые надо учитывать при выборе объектива
для решения конкретной задачи. К тому же без понимания прохождения света через анизотропные среды невозможно понять принципы работы современных видеомониторов, в частности видеомониторов на жидких кристаллах. Получателем информации в конечном
итоге является человек-оператор, поэтому параметры преобразователей свет-сигнал выбираются и рассчитываются исходя из свойств
зрительной системы человека. Для лучшего понимания вопроса перед рассмотрением конкретных преобразователей рассмотрены некоторые основные характеристики зрительной системы человека в приложении к выбору конкретных параметров телевизионной системы.
В третьей главе описаны устройства передачи полного телевизионного сигнала от выхода телекамеры до диспетчерского пульта
оператора. Рассмотрены принципы, достоинства и недостатки различных линий связи: кабельные, волоконно-оптические и др.
В четвертой главе дано описание физических основ и принципов работы различных преобразователей сигнал-свет, служащих
для преобразования электрического сигнала в вид, удобный для
восприятия человеком – в изображение. Основной акцент сделан
на современные и перспективные технологии, но поскольку еще
достаточно много видеомониторов эксплуатируются на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), то кратко рассмотрен и этот вопрос.
Пятая глава посвящена особенностям использования устройств
обработки и хранения видеоинформации. Рассматриваются основы
записи телевизионных сигналов, анализируются особенности использования аналоговых и цифровых устройств видеорегистрации,
в том числе использование записи на жесткие магнитные диски и
компакт-диски. Большое внимание уделено устройствам мультиэкранного отображения, их основным характеристикам, параметрам и особенностям их применения. Практически все современные
устройства обработки включают в свой состав детекторы движения,
а специальные устройства – определители направления движения.
В шестой главе рассматриваются дополнительные устройства,
предназначенные для защиты телекамер от внешних воздействий,
установочные устройства, устройства управления положением и
подсветки.
Автор выражает благодарность за внимательное прочтение рукописи и полезные замечания Н. Н. Красильникову, П. Н. Петрову
и В. С. Бабенко, а также А. Ф. Крячко за помощь в подготовке рукописи к изданию.
Автор будет признателен за отзывы и замечания, которые можно направлять по электронной почте: kaf 21@aanet.ru.
5
ВВЕДЕНИЕ
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Рынок современных систем видеонаблюдения и охраны переживает сегодня бурный рост, связанный с повышением интереса
к безопасности бизнеса и жилища. Целесообразность применения
ТВСН, в частности систем охранного телевидения (СОТ), для усиления охраны объектов очевидна. Даже демонстративно установленные в торговом зале телекамеры и видеомониторы могут отпугивать потенциальных преступников.
Основная задача ТВСН – обеспечивать передачу визуальной информации о состоянии охраняемых зон, помещений, периметра и
территории объекта в помещение охраны. В этом отношении ТВСН
может способствовать обнаружению начала преступных действий
и предотвращению их дальнейшего развития. В случае получения
извещения о тревоге применение охранного телевидения позволяет определить характер нарушения, место нарушения, направление
движения нарушителя и оптимальные меры противодействия. Часто
важен и последующий этап – использование данных ТВСН при проведении следственных действий и формировании доказательной базы.
Эффективность ТВСН заключается в ее высокой информативности. Известно, что от 80 до 95 % всей информации об окружающем
мире человек получает через органы зрения [2]. Телевизионные системы представляют информацию в виде удобном для зрительного
восприятия, т. е. производят визуализацию информации. Таким
образом, ТВСН может быть эффективной на всех этапах противодействия несанкционированным действиям на объекте или вблизи
него и решать основные задачи системы безопасности.
Используемый в охранном телевидении стандарт на телевизионный сигнал изначально разрабатывался для вещательного телевидения с целью представления наблюдателю на одном экране одного
изображения [1, 3]. Основными требованиями при разработке стандарта являлось создание техническими средствами на экране телевизионного приемника качественного изображения с учетом особенностей человеческого зрения, рационального использования частотного диапазона и совместимости различных систем телевидения.
В ТВСН чаще всего требуется представление оператору одновременно нескольких изображений из различных контролируемых
зон, запись и передача видеосигналов от многих телекамер. Воспроизведение этих изображений в режиме реального времени, т. е.
без потери информации, возможно лишь при параллельной обработке видеосигналов. До последнего времени простота реализации
6
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
и экономические соображения диктовали применение в охранных
телевизионных системах мультиплексирования сигналов. Однако
технический прогресс уже сейчас делает возможной и экономически доступной обработку, например, 16 видеосигналов в режиме
реального времени. Это не только делает более комфортной работу
оператора, но и расширяет возможности ТВСН.
7
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕЛЕВИЗИОННЫХ
СИСТЕМ НАБЛЮДЕНИЯ
1.1. Основные определения
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Строго говоря, системы охранного телевидения – понятие регламентированное, и требования к нему задаются Государственным
стандартом ГОСТ Р 51558-2000 [1]. Этому ГОСТу должны отвечать
все подобные системы, монтируемые на государственных и коммерческих объектах, подлежащих приемке госкомиссией. Этому
же ГОСТу должны подчиняться и все определения и названия используемых устройств.
Так, в отличие от систем вещательного телевидения, рассматриваемые ТВСН называют системами замкнутого телевидения (СЗТВ).
В системах вещательного телевидения сигнал доступен всем без
ограничения или с ограничениями (системы кабельного телевидения, коммерческие каналы), преодолеть которые возможно при
условии абонентской платы любым желающим. Система замкнутого телевидения – это телевизионная система, сигналы которой доступны только ограниченному кругу пользователей, т. е. сосредоточены в некоторой замкнутой цепи или сети.
Система охранного телевидения (СОТ) – это СЗТВ, предназначенная для получения телевизионных изображений (со звуковым
сопровождением или без него), служебной информации и извещений о тревоге с охраняемого объекта.
В ТВСН часто используются термины «видеонаблюдение» и «видеокамера» вместо «телевизионное наблюдение» и «телевизионная
камера», «видеосигнал» вместо «телевизионный сигнал».
Существует два вида действий, связанных с наблюдением, – теленаблюдение (или телевизионное наблюдение) и видеонаблюдение.
Видеонаблюдение – это наблюдение, осуществляемое непосредственно (глазами человека) или с помощью дополнительных
оптических средств (между глазами человека и наблюдаемым объектом), например бинокля [4]. При этом оптический сигнал без
принципиальных преобразований физической формы сигнала от
объекта наблюдения попадает на сетчатку глаза. Для видеокамеры
в терминологическом словаре дается следующее определение: «Видеокамера – оптико-электронное устройство для съемки движущихся объектов и сопровождающих звуков на магнитную ленту»
т. е. комбинация телевизионной передающей камеры и устройства
для видеозаписи [5]. Здесь имеет место именно видеонаблюдение,
8
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
т. е. наблюдение непосредственно через оптическую систему без
передачи видеосигнала на расстояние. Впоследствии термин «видеокамера» практически вытеснил термины «телевизионная камера» и «телекамера». Но видеокамера отнюдь не то же самое, что и
телекамера.
Телевидение (гр. tёle – теле – далеко и лат. video – вижу; от новолат. televisio – дальновидение) – комплекс устройств для передачи
изображения движущегося объекта и звука на расстояние с помощью электрических сигналов, т. е. устройства формирования видеосигнала (телекамера) и устройства воспроизведения изображения
(видеомонитор, видеорегистратор и т. п.) пространственно разнесены.
Таким образом, при телевизионном наблюдении оптический сигнал
преобразуется в электрический (другая физическая форма представления), передается по каким-либо линиям связи и затем преобразуется снова в оптический, воспринимаемый глазом человека.
То же касается и термина «видеосигнал». Видеосигнал – сложный
сигнал, содержащий закодированную информацию о телевизионном
изображении. Видеосигнал – основная составляющая телевизионного сигнала, в состав которого входят еще и служебные сигналы.
Таким образом, некорректно использовать термины «видеонаблюдение», «видеокамера», «система видеонаблюдения», тем более что в Госстандарте [1] используются термины «телевизионная
система», «телевизионная камера».
1.2. Задачи телевизионной системы наблюдения
Главная задача ТВСН – это дистанционное формирование видеосигнала и видеоизображения контролируемых зон, пригодное для
дальнейшей обработки и анализа [4, 6].
Результат этого процесса дает возможность оператору на основе
анализа видеоизображения в ручном, автоматизированном или автоматическом режимах решать следующие основные задачи:
– охрана объекта (обнаружение преступных действий);
– контроль и оценка текущей ситуации в местах наблюдения
(например, в торговом зале магазина), в том числе оценка текущей
ситуации в местах недоступных или опасных для присутствия человека (реакторный зал атомной электростанции);
– выявление нештатных ситуаций, требующих принятия определенных действий для их разрешения (пробки на дорогах, дорожно-транспортные происшествия);
9
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
– обнаружение опасных ситуаций (возгораний, отказа систем жизнеобеспечения зданий), требующих принятия безотлагательных мер;
– оценка степени угрозы при возникновении нештатных или
опасных ситуаций для принятия адекватных мер;
– идентификация объектов (людей, входящих на предприятие,
или въезжающего автотранспорта);
– обнаружение несанкционированных действий;
– осуществление визуальной проверки правильности срабатывания подсистем интегрированной системы безопасности (в частности, систем охранной и пожарной сигнализации);
– архивирование видеоинформации о состоянии контролируемых зон (запись видеосигнала на некоторый носитель – магнитную
ленту, диск персонального компьютера) с обеспечением юридической законности использования этих архивных данных;
– анализ ситуации, которая имела место в прошлом (записанной
на некотором носителе информации);
Часть задач может решаться в ручном или автоматизированном
режимах оператором, часть – в автоматическом программно-аппаратными средствами ТВСН. Анализ видеосигнала и видеоизображения в этих режимах может включать следующие процедуры:
– обнаружение изменений в видеоизображении (в частном случае, обнаружение движения);
– отслеживание движущихся объектов;
– обнаружение подозрительных предметов и объектов (сумки
или автомашины, оставленной террористом);
– идентификация отдельных объектов (личности разыскиваемого преступника);
– распознавание образов (например, считывание номерных знаков автомашин).
С точки зрения условий применения современные средства ТВСН
позволяют визуально контролировать объект в различных условиях:
– при разном уровне освещенности объекта, в том числе в полной темноте для зрения человека (телевизионные камеры инфракрасного диапазона и тепловизоры),
– на разном расстоянии,
– скрытно,
– независимо от погодных условий.
Телевизионная система наблюдения может использоваться автономно или в качестве одной из подсистем комплексной системы
безопасности объектов. В сочетании с системами охранно-пожарной сигнализации, контроля и управления доступом ТВ-системы
10
ек
а
ГУ
А
П
позволяют значительно повысить эффективность всей системы безопасности объекта в целом (например, один оператор может наблюдать за состоянием нескольких контролируемых зон одновременно) и тем самым уменьшить возможный ущерб от последствий несанкционированных действий. Все это обеспечивает такие весьма
важные преимущества ТВСН, как более точная оценка возникшей
ситуации на объекте, более эффективное использование сил службы безопасности, уменьшение времени реакции на экстремальную
ситуацию и обеспечение скорейшего принятия адекватных мер
защиты от возникших угроз. Благодаря использованию ТВСН совместно с системой охранной сигнализации (автоматическое отображение и запись сигналов камер по сигналам от системы охранной сигнализации) можно получать хорошо различимые изображения нападающих, что значительно облегчает их обнаружение и
идентификацию и обеспечивает юридическую легитимность дальнейших действий правоохранительных органов.
Как важную особенность отметим, что все упомянутое в основном базируется на высокой информативности сигнала о состоянии
контролируемых зон, и, как следствие, позволяет использовать
разнообразные и эффективные алгоритмы обработки.
би
бл
ио
т
1.3. Состав аппаратуры телевизионной
системы наблюдения
Телевизионные системы наблюдения являются сложными системами, насчитывающими зачастую десятки тысяч устройств,
выполняющих различные функции. Состав конкретных ТВСН
в значительной степени зависит от многих факторов, таких как
поставленная задача, конфигурация и режим функционирования
контролируемого объекта, условия наблюдения за объектом. Если
говорить о номенклатуре, различных наименованиях и возможностях устройств, то их целесообразно классифицировать в первую
очередь по функциональному назначению.
С общей точки зрения, в ТВСН, как СЗТВ, должны решаться
следующие основные задачи:
– формирование видеосигнала на основе оптического изображения контролируемой зоны;
– формирование телевизионного сигнала и передача его по каналам связи;
– формирование видеоизображения для восприятия человеком;
11
ек
а
ГУ
А
П
– целевая обработка телевизионного сигнала для достижения
конкретного результата (обнаружение движения, идентификация
объекта и т. п.);
– регистрация телевизионного сигнала и видеоизображения.
Для решения этих задач в состав ТВСН и СОТ согласно ГОСТ Р
51558-2000 [1] входят как обязательные устройства:
– телекамеры (устройства формирования телевизионного сигнала);
– видеомониторы (устройства отображения);
– источник электропитания, в том числе резервный;
– линии связи,
а также дополнительные устройства для конкретных СОТ:
– устройство управления и коммутации телевизионных сигналов (устройства обработки);
– обнаружитель движения (детекторы движения);
– видеонакопитель (устройства хранения);
– исполнительные устройства.
Таким образом, обобщенная структурная схема ТВСН включает
(рис. 1.1) устройства формирования телевизионного сигнала (телекамеры), линии связи с передатчиками и приемниками телевизионноУстройства
обработки
би
бл
ио
т
Квадратор
Устройства
отображения
Видеомонитор
Мультиплексор
Телекамеры
Линии связи
Персональный
компьютер
Коммутатор
Аналоговая
камера
IPкамеры
Сотовый
телефон
Устройства
хранения
IP
Источники
электропитания
Видеомагнитофон
Исполнительные
устройства
Цифровой
видеорегистратор
Оповещатели СМСсообщение
Прожектор
Сервер
Рис. 1.1. Структурная схема ТВСН
12
П
Рис. 1.2. Телекамеры
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
го сигнала, устройства отображения (видеомониторы, персональные
компьютеры – ПК, сотовые телефоны) и, при необходимости, устройства обработки, хранения (регистрации) телевизионных сигналов,
управления телевизионной системой и исполнительные устройства.
Рассмотрим основные элементы, входящие в состав ТВСН.
Устройства формирования телевизионного сигнала. Сюда необходимо отнести устройства, решающие собственно задачу преобразования оптического сигнала (изображения объекта) в электрический сигнал, пригодный для дальнейшей обработки, передачи его
по каналам связи и обратного преобразования в видеоизображение.
Эту задачу решают:
– телекамеры, осуществляющие задачу преобразования оптического сигнала в электрический видеосигнал (рис. 1.2). Входящие
в их состав устройства синхронизации замешивают в видеосигнал
дополнительные импульсы для получения полного телевизионного
сигнала;
– объективы, формирующие оптическое изображение контролируемой зоны на преобразователе свет-сигнал. В отличие от видеокамер телекамеры в СОТ могут не комплектоваться объективами;
– светофильтры, ограничивающие спектральный состав оптического сигнала или его интенсивность.
Устройства отображения. Эта группа устройств обеспечивает
преобразование видеосигнала в видеоизображение для непосредственного наблюдения оператором, т. е. отображение видеоинформации.
В первую очередь это – видеомониторы (рис. 1.3), формирующие
требуемое видеоизображение контролируемой зоны. В настоящее
время главным образом используются:
– видеомониторы на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ);
– видеомониторы на жидких кристаллах (жидкокристаллические дисплеи – ЖКД);
– плазменные панели;
– OLED-дисплеи;
– проекционные устройства.
13
П
Рис. 1.3. Видеомониторы
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
Устройства управления режимом отображения. Эта группа
устройств позволяет повысить эффективность восприятия видеоизображения.
К ним относятся:
– последовательные коммутаторы, осуществляющие последовательную смену изображений от различных телекамер на экране
монитора;
– квадраторы, формирующие на одном экране четыре изображения одновременно;
– видеомультиплексоры, устройства формирования мультиэкранного отображения, позволяющие получать одновременно на экране изображение с нескольких телекамер: обычно до 16
(рис. 1.4);
– матричные коммутаторы – устройства обеспечения многопользовательского доступа к изображению (дающие возможность
организовать несколько пунктов наблюдения изображения от одних и тех же источников видеосигнала), а также эффективно записывать телевизионные сигналы от нескольких телекамер на один
носитель информации;
– видеоменеджеры, сочетающие в себе функции предыдущих
устройств, а также ряд дополнительных, например видеорегистрация, управление телекамерами.
Рис. 1.4. 16-канальный мультиплексор
и изображение на видеомониторе
14
П
ГУ
А
Рис. 1.5. 4-канальный видеорегистратор
би
бл
ио
т
ек
а
Устройства регистрации. Эти устройства, служащие для архивирования информации, могут характеризоваться формой представления записываемого сигнала (аналогового или цифрового) и видом
носителя, на который записывается видеоизображение (магнитная
лента, магнитные диски, оптические носители, цифровые запоминающие устройства, бумага). В эту группу устройств можно отнести:
– аналоговые устройства регистрации видеосигнала, например
специализированные видеомагнитофоны (СВМ);
– цифровые видеорегистраторы (рис. 1.5);
– видеопринтеры для печати видеоизображения на твердом носителе;
– устройства формирования дополнительной информации на
видеоизображении (к примеру, генераторы титров).
Линии связи и устройства передачи телевизионных сигналов.
Состав и свойства системы передачи телевизионных сигналов будут
определяться, прежде всего, типом линии связи и необходимостью
использования, например, приемопередатчиков (рис. 1.6). Телевизионный сигнал может передаваться по проводным линиям связи,
в качестве которых можно использовать такие наиболее распространенные линии, как:
– коаксиальный кабель;
– оптоволоконные линии связи;
– витые пары;
– проводные телефонные линии;
– линии связи компьютерных сетей.
К беспроводным каналам следует отнести:
– специализированные радиоканалы;
– каналы радиотелефонии;
Рис. 1.6. Передатчик
– каналы связи беспроводных компьютер- и приемник сигнала
ных сетей.
по витой паре
15
П
Рис. 1.7. Поворотное устройство и клавиатура сервоуправления
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
В некоторых случаях, например, могут потребоваться специальные приемопередатчики видеосигналов при передаче на большие
расстояния.
Установочные и защитные элементы. Эту группу составляют
устройства, обеспечивающие установку и эксплуатацию телекамер
в различных условиях. К ним можно отнести:
– кронштейны для крепления камер на стене, потолке, на специальных стойках;
– защитные корпуса для эксплуатации в различных климатических условиях;
– защитные корпуса, обеспечивающие вандалозащищенность;
– поворотные устройства (рис. 1.7) для изменения положения
телекамеры по углу наклона (угол места) и поворота в горизонтальной плоскости (по азимуту);
– обогреватели,
– вентиляторы,
– стеклоомыватели и стеклоочистители.
Устройства управления. Эти устройства позволяют оператору
вручную или автоматически управлять положением телекамер, параметрами объективов, режимом отображения. Для этой цели обычно используются следующие аппаратные и программные средства:
– специализированные клавиатуры (рис. 1.8);
– устройства приема/передачи телеметрической информации;
Рис. 1.8. PTZ-камера и клавиатура управления PTZ-камерами
16
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
– экранные имитации клавиатур;
– экранные меню.
Два последних обычно формируются программными средствами
на экране видеомонитора.
Средства анализа видеосигнала. Это программные и аппаратные средства, выявляющие те или иные признаки изменения в видеосигнале или выделяющие из видеосигнала определенные объекты. Задачи, решаемые средствами анализа видеосигнала, состоят
в следующем:
– регистрация потери телевизионного сигнала;
– распознавание определенных объектов;
– обнаружение движения.
Последнее время эти функции выполняют не отдельные устройства, а мультиплексоры, видеорегистраторы или другие устройства
обработки видеосигналов с соответствующим программным обеспечением.
Устройства подсветки. Данные устройства обеспечивают освещенность объекта наблюдения, необходимую для формирования
видеосигнала требуемого качества. К ним можно отнести:
– осветительные приборы видимого спектрального диапазона;
– источники инфракрасной (ИК) подсветки, невидимой для человеческого глаза (рис. 1.9);
– фотоэлектронные устройства включения/выключения подсветки.
Вспомогательное оборудование включает в себя различные
устройства, обеспечивающие настройку и нормальное функционирование телевизионной системы, например:
– устройства настройки;
– светофильтры для имитации низкой освещенности;
– бесперебойного питания.
Рис. 1.9. Телекамера с ИК-подсветкой
и ИК-прожектор подсветки
17
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Заметим, что приведенная классификация в ряде случаев является достаточно условной. Например, видеорегистраторы могут
иметь функции обеспечения мультиэкранного отображения и матричного распределения видеосигналов. Однако с точки зрения основных функциональных возможностей она дает достаточное представление о составе ТВСН.
18
2. ТЕЛЕВИЗИОННАЯ КАМЕРА
ек
а
ГУ
А
П
Как уже было сказано, телекамера СОТ в отличие от видеокамеры не комплектуется объективом. Качество изображения, получаемое с помощью телекамеры, определяется не только ее собственными характеристиками, но и характеристиками установленного
на ней объектива. Установка дорогого высококачественного объектива на телекамеру низкого разрешения так же не оправдана, как
и применение плохого объектива в камере высокого разрешения.
В обоих случаях воспроизведенное в конечном итоге изображение
будет низкого качества.
Объектив выбирается в зависимости от решаемой задачи, условий
наблюдения, цены. Выбор объектива с требуемыми характеристиками непосредственно связан с пониманием принципа его работы.
Основным элементом объектива является линза. Для того чтобы
понять принципы работы объектива, его характеристики, необходимо рассмотреть некоторые основные законы оптики. Кроме того
знание природы света, его свойств позволит в дальнейшем понять
принцип работы преобразователей сигнал-свет, т. е. устройств отображения (видеомониторов).
би
бл
ио
т
2.1. Основные законы оптики. Геометрическая оптика
2.1.1. Природа света и основные
светотехнические единицы
Свет представляет собой, с одной стороны, вид лучистой энергии, которая может быть воспринята глазом. Из всего громадного
спектра длин волн лучистой энергии на долю видимого света приходится лишь узкий участок с длинами волн от 380 до 760 нм. Этот
участок длин волн носит название видимого диапазона. Смежными
с видимым диапазоном являются более короткие волны – ультрафиолетовый диапазон, более длинные волны – инфракрасный диапазон. Оба диапазона недоступны для нашего зрения, более того
воздействие излучений в этих диапазонах вредно для глаза.
Поскольку свет – это один из видов электромагнитного излучения, то его можно рассматривать как один из типов волн в категории «световых волн». Световая волна может рассматриваться как
электромагнитная волна, в которой электрическое поле и магнитное поле колеблются под прямыми углами друг к другу перпендикулярно направлению распространения (рис. 2.1). Две характе19
x
E
H
H
z
E
ГУ
А
λ
П
Амплитуда
y
Направление
распространения
Рис. 2.1.
Электромагнитная
волна
би
бл
ио
т
ек
а
ристики световой волны, которые воспринимаются человеческим
глазом, это длина волны и амплитуда. Различия в длине волны
ощущаются как различия в цвете (в видимом диапазоне), а различия в амплитуде ощущаются как различия в яркости (силе света).
Третья характеристика, которую человеческий глаз не воспринимает, это направление колебаний в плоскости, перпендикулярной
направлению распространения световой волны.
Поверхность, проведенная через точки, в которых значение
фазы световой волны одинаково, называется волновым фронтом.
Поперечный характер электромагнитных волн при определенных условиях может привести к появлению эффекта поляризации
света – упорядочению колебаний, в результате которого электрический и магнитный векторы располагаются в определенных плоскостях. В этом случае свет называется поляризованным, а плоскость
в которой расположен вектор электрического поля Е – плоскостью
поляризации (плоскостью колебания)1. Поскольку вектор магнитного поля всегда ортогонален электрическому и волновому, для
полного описания функции поляризации вполне достаточно одного
вектора.
Каждый источник света можно представить в виде большого количества элементарных излучателей. Световой импульс, испускаемый отдельно взятым элементарным излучателем, всегда поляризован полностью. Пространственная ориентации векторов Е (и моменты актов излучения) световых импульсов отдельных частиц
в большинстве случаев распределены хаотически. Поэтому в общем
излучении подавляющего большинства источников направление Е
1 В некоторых учебниках плоскость поляризации связывают с магнитным вектором Н.
20
ек
а
ГУ
А
П
не определено (оно непрерывно и беспорядочно меняется за чрезвычайно малые промежутки времени). Подобное излучение называется неполяризованным, или естественным, светом.
Вектор Е, как и всякий вектор, всегда можно представить в виде
суммы его проекций на два взаимно перпендикулярных направления (выбираемых в плоскости, перпендикулярной направлению
распространения света). В естественном свете разность фаз между
такими проекциями непрерывно и хаотически меняется. В полностью поляризованном свете эта разность фаз строго постоянна, т. е.
взаимно перпендикулярные компоненты Е когерентны. Создав
определённые условия на пути распространения естественного света, можно выделить из него поляризованную (полностью или частично) составляющую.
Полную поляризацию монохроматического света характеризуют проекцией траектории конца вектора Е (рис. 2.2, а) в каждой
точке луча на плоскость (на рис. 2.2, а плоскость N), перпендикулярную направлению распространения света. В самом общем случае
такая проекция эллипс (эллиптическая поляризация, рис. 2.2, б).
Наибольший интерес представляют предельные случаи эллиптической поляризации – линейная поляризация (разность фаз 0), когда
y
a)
x
би
бл
ио
т
Ey
Ey
Ex
Ex
N
Ex
Ey
Направление
распространения
б)
Эллиптически
поляризованный
свет
в)
Линейно
поляризованный
свет
z
г)
Свет с круговой
поляризацией
Рис. 2.2. Виды поляризации света
21
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
эллипс вырождается в отрезок прямой (рис. 2.2, в), и круговая, или
циркулярная, поляризация (разность фаз ±(2k + 1)π/2), при которой эллипс поляризации превращается в окружность (рис. 2.2, г).
Разнообразные действия света обусловлены в первую очередь
наличием определенной световой энергии. Количество световой
энергии, проходящей через площадку за единицу времени, называется потоком лучистой энергии [7, 8]. Для восприятия и использования световой энергии исключительную роль играет глаз. Поэтому наряду с энергетической оценкой света пользуются оценкой,
основанной на непосредственном световом восприятии глаза. Поток лучистой энергии, оцениваемый по зрительному восприятию,
называется световым потоком – F.
Так как чувствительность глаза к свету разной длины волны
различна, то оценки светового потока по зрительному ощущению и
по величине его мощности могут существенно отличаться. Относительная спектральная чувствительность глаза выражается кривой
видности [9, 10], представленной на рис. 2.3. Кривая 1 характеризует дневное зрение и имеет максимум на длине волны λ = 555 нм,
что соответствует желто-зеленому цвету, а кривая 2 – сумеречное
зрение. Явление смещения кривой видности при уменьшении освещенности носит название эффекта Пуркинье.
Полный световой поток характеризует излучение, которое распространяется от источника по всем направлениям. Для практических целей важно знать не полный световой поток, а тот поток,
который идет по определенному направлению или падает на определенную площадку. В соответствии с этим установлены два вспомогательных понятия – сила света I и освещенность E.
Силой света называют величину светового потока F, рассчитанную на телесный угол Ω, равный стерадиану1:
I=
F
.
Ω
(2.1)
Освещенность – величина светового потока F, рассчитанная на
единицу площади S:
E=
F
.
S
(2.2)
1 Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы радиусом r, вырезающему из сферы поверхность площадью r2.
22
0,8
1
0,6
2
П
0,4
0,2
0
400
507 555
500
ГУ
А
Относительная чувствительность
1,0
600
700
λ, нм
Рис. 2.3. Кривые относительной спектральной
чувствительности глаза
L=
F
I
= .
SΩ S
(2.3)
би
бл
ио
т
ек
а
Формулы (2.1) и (2.2) определяют среднюю силу света и среднюю освещенность и относятся к точечному источнику света. В телевизионных системах приходится иметь дело со светящимися поверхностями. Для их характеристики вводится понятие яркости L.
Яркость источника равна световому потоку F, испускаемому с единицы поверхности S источника внутри единичного телесного угла:
В системах световых единиц за исходную величину принята единица силы света [8, 9]. Современная единица силы света – кандела
(кд). Световой поток, испускаемый источником с силой света в 1 кд
внутри единичного телесного угла, носит название люмен (лм). Тогда единица освещенности – световой поток 1 лм на площади 1 м2.
Эта единица носит название люкс (лк). За единицу яркости в международной системе единиц принимается яркость равномерно светящейся плоской поверхности площадью 1 м2, дающей в нормальном к ней направлении силу света в 1 кд. Если в качестве площади
берется 1 см2, то такая единица называется стильбом.
2.1.2. Особенности взаимодействия света с телами
Световой поток, поступающий в глаза человека при непосредственном наблюдении или на ПЗС-матрицу телекамеры, обычно образован
лучами, пришедшими от первичных источников света (естественных
или искусственных) сложным путем в результате многократных от23
Fîòð
F
, kïðîï =
Fïðîï
F
F
, kïîãë = ïîãë . F
ГУ
А
kîòð =
П
ражений и преломлений света различными телами и средами. Величина и спектральный состав этого светового потока непосредственно
зависит от светотехнических свойств тел, т. е. от свойств, определяющих характер их взаимодействия со светом.
Световой поток F, падающий на некоторое тело, в общем случае
делится на три части: отраженную Fотр, прошедшую (пропущенную) Fпроп и поглощенную Fпогл, удельные веса которых определяются соответственно коэффициентами отражения kотр, пропускания kпроп и поглощения kпогл:
(2.4)
би
бл
ио
т
ек
а
Так как F = Fотр + Fпроп + Fпогл, то kотр + kпроп + kпогл = 1.
Соотношение между коэффициентами зависит от типа материала, состояния поверхности, его толщины и т. д. В большинстве случаев преобладает один из коэффициентов: у хорошо отражающих
поверхностей – kотр, у пропускающих – kпроп, у поглощающих –
kпогл. Все коэффициенты зависят от длины волны λ падающего света. Зависимости kотр(λ), kпроп(λ), kпогл(λ) от длины волны называют
спектральными характеристиками отражения, пропускания и поглощения. Если коэффициенты в пределах видимой части спектра
резко изменяются, то такое отражение, пропускание или поглощение называется избирательным. К примеру, все цветные объекты
имеют избирательный характер преобразования падающего на них
светового потока. Спектральные характеристики серых объектов
в пределах видимой части спектра практически равномерны.
Отраженный и пропущенный потоки могут иметь различный
характер распределения в пространстве. Различают направленное,
рассеянное (диффузное), направленно-рассеянное и смешанное отражения. На рис. 2.4 приведены диаграммы сил света для различных видов отражения и пропускания [10, 11].
Направленное (зеркальное) отражение свойственно полированным поверхностям, т. е. поверхностям, шероховатость которых
меньше четверти длины волны. Направление отраженного света
определяется законами отражения. При отражении от поверхностей слабо поглощающих сред (например, стекла) коэффициент
kотр невелик при нормальном падении и существенно возрастает
с увеличением угла падения. Для полированных металлических
поверхностей коэффициент kотр достаточно велик и мало зависит
от угла падения.
24
F
F
Смешанное
Fρ
F
F
Fτ
Направленнорассеянное
Fρ
F
F
F
Fτ
П
Fρ
F
Диффузное
Fρ
ГУ
А
Отражение
Пропускание
Направленное
Fτ
Fτ
Рис. 2.4. Виды отражения и пропускания
би
бл
ио
т
ек
а
Направленным пропусканием обладают однородные слабопоглощающие материалы с полированными плоскостями, при этом
направление распространения света определяется законами преломления.
При диффузном отражении (или пропускании) отраженный
(или пропущенный) световой поток распространяется по всем направлениям пространства независимо от направления падающего
света. Диффузным отражение становится при неровностях поверхности порядка длины волны и более, либо когда среда содержит непрозрачные вкрапления, соизмеримые с длиной волны падающего
света. К диффузно отражающим поверхностям с высоким kотр относятся поверхности, покрытые окисью магния и сернокислым барием, меловая бумага, белое полотно. Диффузно пропускающими
телами являются молочное и опаловое стекло. Следует отметить,
что большинство объектов окружающего мира создает отражение,
близкое к диффузному. Для характеристики отражающих свойств
таких объектов (табл. 2.1) пользуются коэффициентом диффузного
отражения, или альбедо: kотр.д = Fотр.д / F, где Fотр.д – диффузно
отражаемая часть потока. В частности, альбедо бумаги составляет
величину 0,7–0,8, альбедо окиси магния – 0,95, альбедо черного
бархата – 0,01–0,02.
При направленно-рассеянном отражении или пропускании основная часть отраженного или прошедшего светового потока рассеивается в пределах ограниченного телесного угла. Яркость поверхности в большинстве случаев максимальна в направлении
25
Таблица 2.1
Интегральные коэффициенты отражения часто встречающихся
наземных объектов [10]
Лес
0,07–0,09
Луг, степь
Зеленая трава
Желтая трава
Водная поверхность
0,10
0,14
0,22
0,08–0,12
Песок
0,15–0,35
Чернозем сухой
0,03
Материал и состояние
поверхности
Дорога грунтовая,
сухая
Асфальт
Бетон
Кирпич
Штукатурка шероховатая
Крыша железная,
красная
Снежный покров
Коэффициент
отражения
0,20
П
Коэффициент
отражения
0,08–0,15
0,10–0,19
0,10–0,15
0,40–0,45
ГУ
А
Материал и состояние
поверхности
0,13
0,42–0,85
би
бл
ио
т
ек
а
зеркального отражения или пропускания и заметно падает по мере
отклонения от этих направлений.
В некоторых отражающих системах, получивших название катафотных, максимум яркости находится в обратном падающему
свету направлении. Направленно-рассеянным отражением обладают матированные поверхности металлов или поверхности, покрытые металлическим порошком. Материалы с направленно-рассеянным пропусканием – матовое стекло, желатин, бумага и ткани,
пропитанные специальными лаками и составами. При смешанном
отражении (или пропускании) отраженный (или пропущенный)
световой поток состоит из двух частей: направленной и рассеянной.
При этом резкое увеличение яркости отражающей поверхности
в направлении зеркального отражения проявляется в форме бликов.
2.1.3. Законы отражения и преломления
Законы рассмотренных оптических явлений были установлены на основе представления о прямолинейности световых лучей.
Простейший случай изменения направления света наблюдается
при прохождении света через границу раздела двух прозрачных веществ, например воздуха и стекла.
Закон, определяющий направление отраженного луча, был известен еще Евклиду (III в. до н. э.). Отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной из
точки падения, при этом он лежит по другую сторону от нормали
и угол падения i численно равен углу отражения i¢ (рис. 2.5) [7, 8]:
26
ГУ
А
П
Преломление – явление, при котором меняется направление
распространения луча света при переходе из одной прозрачной
среды в другую. По закону преломления преломленный луч лежит
в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, проведенной
из точки падения (см. рис. 2.5), отношение синуса угла падения i
к синусу угла преломления i1 есть величина постоянная для данной
пары веществ:
sin i
(2.5)
= n21. sin i1
би
бл
ио
т
Падающий
луч
ек
а
Величина n21 называется относительным показателем преломления второго вещества по отношению к первому. Впервые этот закон был сформулирован голландцем Виллебродом Снелиусом [7, 8,
10]. Показатель преломления какого-либо вещества по отношению
к вакууму принято называть абсолютным показателем преломления данного вещества n. Физический смысл показателя преломления n – отношение фазовой скорости света с (электромагнитной
волны) в вакууме к скорости света в данной среде v:
c
n= .
v
Угол
падения
i
Угол
отражения
i¢
Отраженный
луч
Воздух n1
Преломленный
луч
Угол
преломления
Стекло n2
i1
Воздух n1
Прошедший луч
Рис. 2.5. Прохождение света через плоскопараллельную
стеклянную пластинку
27
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Слово «абсолютный» обычно опускают, и тогда просто говорят
о показателе преломления данного вещества. Например, скорость
света в воздухе составляет 300 000 км/с, а в стекле скорость уменьшается до 200 000 км/с, таким образом, показатель преломления
стекла n = 1,5.
Различные среды, прозрачные для света, имеют различные показатели преломления. Нетрудно убедиться, что относительный
показатель преломления двух веществ равен отношению их абсолютных показателей преломления.
Учитывая то, что световые лучи обратимы, рассмотрим прохождение луча из более плотной оптической среды в менее плотную
(граница раздела стекло – воздух). Свет при прохождении из вещества с меньшим показателем преломления (оптически менее плотного) в вещество с большим показателем преломления (оптически
более плотное) приближается к нормали. Наоборот, при прохождении из вещества оптически более плотного в вещество оптически
менее плотное, луч отходит от нормали (рис. 2.6). Очевидно, в этом
случае существует такой предельный угол падения iпр, меньший
π/2, при котором угол преломления i1 равен π/2, т. е. преломленный луч становится скользящим. Опыт показывает, что при углах
падения i > iпр преломленного луча не существует: весь падающий
свет целиком отражается. Это явление носит название полного внутреннего отражения. Угол iпр называется предельным углом, или
углом Брюстера. По закону преломления имеем
sin iïð =
n1
,
n2
(2.6)
где n1 и n2 – показатели преломления веществ.
Воздух n 1
i1
i1
i пр
i пр
Стекло n 2
Рис. 2.6. Полное внутреннее отражение
28
Это уравнение имеет решение относительно угла iпр лишь при
условии n1 ≤ n2.
Явление полного внутреннего отражения объясняет тот факт,
что человек, смотрящий из-под воды вверх, видит все небо в виде
круглого пятна под углом:
П
iпр = arcsin (n1 / n2).
ГУ
А
Для воздуха практически n1 = 1, а для воды n2 = 1,33, тогда
iпр = 49.
Для используемого в производстве линз оптического стекла
«легкий крон» iпр = 40°, а для стекла «тяжелый флинт» iпр = 34°.
2.1.4. Прохождение света
через анизотропные вещества
би
бл
ио
т
ек
а
С прохождением света через анизотропные вещества связано
еще одно явление, присущее только кристаллам.
Еще в 1670 г. датский ученый Э. Бартоломинус наблюдал, что
при прохождении через исландский шпат световой луч разбивается
на два (рис. 2.7) [7, 8]. Это явление носит название двойного лучепреломления.
Кристалл исландского шпата легко раскалывается по определенным плоскостям (плоскостям спайности), образуя ромбоэдр.
Узкий луч света, преломляясь в таком кристалле, дает два луча,
идущих по несколько различным направлениям. По выходе из кристалла оба луча имеют направления, параллельные первоначальному, и если лучи достаточно узки, а кристалл достаточно толст, то
они пространственно разделены. При рассматривании через такой
кристалл какого-либо объекта глазом, объект двоится. Например,
если на лист белой бумаги нанести черную точку и рассматривать
ее через кристалл исландского шпата, то видны две точки.
e
o
Рис. 2.7. Явление двулучепреломления
29
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Вырезав каким-либо образом из кристалла плоскопараллельную
пластинку и исследуя направление обоих лучей, возникающих внутри пластинки при двойном лучепреломлении, можно убедиться, что
для одного из них отношение синуса угла падения к синусу угла преломления остается постоянным при изменении угла падения. Этот
луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восставленной к поверхности пластинки в точке падения, т. е. он удовлетворяет закону преломления. Этот луч называется обыкновенным
лучом (о). Второй луч называется необыкновенным (е) (см. рис. 2.7).
Для него закон преломления Снелиуса не выполняется, т. е. отношение синуса угла падения к синусу угла преломления не остается постоянным при изменении угла падения. Даже при нормальном падении света на поверхность пластинки необыкновенный
луч, вообще говоря, отклоняется от первоначального направления.
Необыкновенный луч не лежит, как правило, в плоскости падения, т. е. в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности. Угол преломления необыкновенного
луча, а также угол между ним и плоскостью падения зависят не
только от угла падения исходного луча, но и от ориентации преломляющей поверхности пластины и плоскости падения относительно
оптической оси кристалла. Можно считать, что оба луча, обыкновенный и необыкновенный, полностью поляризованы во взаимно
перпендикулярных плоскостях.
Меняя направление падающего луча, можно найти такие направления внутри кристалла, распространяясь вдоль которых луч
не претерпевает никаких изменений. Прямая, проведенная через
любую точку кристалла в направлении, в котором не происходит
изменений, называется оптической осью. Плоскость, проходящая
через оптическую ось и данный луч, называется главным сечением, или главной плоскостью, кристалла, соответствующей этому
лучу. Очевидно, что через кристалл можно провести бесчисленное
множество оптических осей и бесчисленное множество главных
сечений. Линия пересечения любых двух главных сечений всегда
является оптической осью.
Обыкновенный луч поляризован в плоскости соответствующего ему главного сечения, а необыкновенный – перпендикулярно
к плоскости соответствующего ему главного сечения.
Кристаллы, имеющие лишь одно направление, вдоль которого
не происходит двойного лучепреломления, называются одноосными. Кристаллы, имеющие два направления, вдоль которых не происходит двойного лучепреломления, – называются двуосными.
30
ек
а
ГУ
А
П
В большинстве прозрачных одноосных кристаллов поглощение
обыкновенного и необыкновенного лучей одинаково. Однако существуют кристаллы, в которых один из лучей поглощается сильнее
другого. Такое различие в поглощении называется дихроизмом.
Весьма сильным дихроизмом в видимом диапазоне обладает
кристалл турмалина. В кристалле турмалина толщиной в 1 мм
обыкновенный луч практически полностью поглощается. Это свойство турмалина используется для получения поляризованного света, а сама пластинка кристалла называется поляроидом.
Как видно из рис. 2.7, обыкновенный и необыкновенный лучи
внутри кристалла проходят разные расстояния. Поэтому для обыкновенного и необыкновенного лучей существует понятие оптической разности хода. Оптическая разность хода – это разность оптических длин путей световых волн, имеющих общие начальную
и конечную точки. В кристаллических анизотропных средах оптическая разность хода возникает из-за разных скоростей двух лучей
в направлении, отличном от оптической оси, и обозначается Δ. По
определению
Δ = n 1r1 - n 2r2 ,
би
бл
ио
т
где r1 и r2 – расстояния, которые проходят обыкновенный и необыкновенный лучи в кристалле.
Разность |r1–r2| называют геометрической разностью хода. Оптическая разность хода приводит к возникновению разности фаз
колебаний j1 - j2 :
j1 - j2 =
2πΔ
,
λ
где Δ – оптическая разность хода двух лучей, м; λ – длина волны, м.
Особый интерес представляет прохождение света между двумя
поляроидами, один из которых (первый) называется поляризатором (Р), а второй – анализатором (А). Такая система поляроидов используется в жидкокристаллических матрицах.
В 1809 г. французский инженер Э. Малюс открыл закон, названный впоследствии его именем [7, 12].
Рассмотрим прохождение естественного света последовательно
через два идеальных поляроида Р и А (рис. 2.8), разрешенные направления которых повернуты друг относительно друга на некоторый угол j. Первый поляроид (Р) играет роль поляризатора. Он
превращает естественный свет в линейно поляризованный. Второй
поляроид (А) служит для анализа падающего на него света.
31
y
y
ϕ
1
Iåñò
2
I0 =
ϕ
1
Iåñò cos2 ϕ
2
x
z
x¢
A
ГУ
А
P
I0 =
П
Iест
y¢
y¢
Рис. 2.8. Прохождение естественного света
через два идеальных поляроида
ек
а
В общем случае интенсивность света пропорциональна квадрату
амплитуды электрического вектора Е. Световую волну с амплитудой Е0 разложим на две составляющие (рис. 2.9):
E0 = Ex + Ey .
би
бл
ио
т
Амплитуды векторов Еy и Еx определяются как
Åy = Å0 cos j, Åx = Å0 sin j.
Поскольку составляющая Еy совпадает с направлением поляризации поляроида Р, то она пройдет через поляроид, а Еx не совпадает и поэтому не пройдет.
y
Ey
ϕ
0
E0
Ex
x
Рис. 2.9. Разложение электрического вектора E0
по составляющим
32
Найдем интенсивность света I, прошедшего первый поляроид.
Так как I ~E2 , то без учета поглощения света в поляроиде
I = Ey2 = E02 ños2j = Iåñò ños2j,
ГУ
А
П
где Iест – интенсивность естественного источника света.
В естественном свете все значения j равновероятны и среднее
1
значение cos2 j = , поэтому интенсивность света, прошедшего по2
ляроид Р, уменьшается в два раза:
1
I0 = Iåñò .
2
Интенсивность света при прохождении через второй поляроид
(анализатор) без учета поглощения в поляроиде
1
I = I0 cos2j = Iåñò cos2 j. 2
(2.7)
ек
а
1
При j = 0 I = Imax = Iåñò , а при j = π/2 I = 0. В этом случае го2
ворят, что поляроиды Р и А скрещенные.
2.1.5. Дисперсия света
би
бл
ио
т
Дисперсия света (разложение света) – это явление, обусловленное зависимостью абсолютного показателя преломления вещества
от частоты (длины волны) света (частотная дисперсия), или зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (частоты).
Первый опыт по дисперсии был сделан в 1762 г. молодым
И. Ньютоном. В опыте Ньютона луч света от солнца проходил через малое круглое отверстие в ставне окна и попадал на стеклянную призму. На противоположной стене после преломления в призме круглое изображение отверстия растягивалось в окрашенную
полосу (рис. 2.10). Эту цветную полосу Ньютон назвал спектром.
То, что лучи разных цветов преломляются различно, было известно
и до Ньютона, а то, что в солнечном свете после преломления, как
и в радуге, семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный,
голубой, синий, фиолетовый – в XIV в. предложил считать итальянец Ф. Мавролик. Деление на семь цветов чисто условное, по
аналогии с музыкальной шкалой, в которой семь тонов. На самом
деле полоса спектра возникающего из-за дисперсии распадается на
три основные части – красную, желто-зелёную и сине-фиолетовую.
33
Экран
Призма
Красный
Оранжевый
Желтый
Зеленый
Голубой
Синий
П
Белый
свет
ГУ
А
Фиолетовый
Рис. 2.10. Дисперсия света
би
бл
ио
т
ек
а
Остальные цвета занимают сравнительно узкие области между этими основными.
Заслуга Ньютона в том, что он заложил основы новой области
оптических исследований. Выделив окрашенный луч после первой
призмы, он направил его на вторую призму, и та не развернула его
в спектр, т. е. существование спектра не свойство призмы, а свойство падающего на нее света. Так было открыто явление дисперсии.
Ньютон установил, что синие лучи преломляются в стекле сильнее,
чем красные, т. е. показатель преломления растет с уменьшением
длины волны. В результате своих исследований Ньютон пришёл к
выводу, что все цвета спектра содержатся в самом солнечном свете,
а стеклянная призма лишь разделяет их.
Показатель преломления является одной из характеристик оптических стёкол. Поскольку для разных длин волн он различен,
то сначала использовался показатель преломления жёлтой спектральной D-линии натрия (λ = 589,3 нм) – nD.
Однако на точности измерений сказывалось то, что это не одиночная линия, а пара – так называемый «натриевый дуплет». В качестве показателя преломления n в настоящее время принимают
его значение либо для жёлтой d-линии гелия с λ = 587,56 нм, либо
для жёлто-зелёной e-линии ртути с λ = 546,07 нм. Первый nd используется такими производителями оптического стекла как
Schott, Hoya, Ohara и др., второй ne, в частности, принят в документации российских производителей.
В настоящее время показатели преломления промышленных
оптических стёкол составляют примерно nd = 1,43 – 2,17.
Для характеристики оптических стекол вводится понятие средней дисперсии – как разность показателей преломления nF ¢ для
34
nD -1
.
nF ¢ - nC ¢
ГУ
А
νD =
П
синей линии спектра (F¢) с λ = 480 нм и nC ¢ – красной линии спектра (C¢) с λ = 643,8 нм кадмия [13].
Классификацию оптических стекол проводят по коэффициенту дисперсии ν λ (число Аббе) – задаётся отношением показателя
преломления nλ без единицы к средней дисперсии. Первоначально
число Аббе определялось выражением, включающим показатель
преломления nD для жёлтой спектральной линии натрия:
В настоящее время основными вариантами выражения для коэффициента дисперсии являются либо
νd =
nd -1
ne -1
, либо ν e =
.
nF ¢ - nC ¢
nF ¢ - nC ¢
(2.8)
би
бл
ио
т
ек
а
Для промышленных оптических стёкол в настоящее время значения νd находятся в пределах от 17 до 95 [11].
Связь между химическим составом оптического стекла и его
оптическими постоянными лежит в основе классификации оптических стёкол. До работ Ф. О. Шотта оптические стёкла состояли
почти исключительно из кремнезёма (SiO2). Для понижения температуры плавления к нему добавлялись окислы натрия (Na2O), калия (K2O), для повышения механической и химической стойкости
окись кальция (CaO) и алюминия (Al2O3), для изменения оптических характеристик – окись (BaO) и окись свинца (PbO).
Первоначально были выделены два основных типа оптических
стёкол: кроны и флинты. При этом к группе кронов относились
натриево-силикатные стекла, а к группе флинтов – стёкла, содержащие свинец. Функциональная зависимость между показателем
преломления n и коэффициентом средней дисперсии ν отражается
в диаграмме Аббе (рис. 2.11) [10].
В дальнейшем, в связи с ростом числа оптических стёкол, потребовалось делить диаграмму Аббе на большее число участков, соответствующих новым типам. Так, ГОСТ 3614-94 [14] устанавливает
16 типов бесцветный оптических стекол: кроны (К) – лёгкие (ЛК),
тяжёлые (ТК) и сверхтяжёлые кроны (СТК), а флинты (Ф) – лёгкие (ЛФ), тяжёлые (ТФ) и сверхтяжёлые флинты (СТФ). К тому же
между лёгкими кронами и лёгкими флинтами появилась группа
кронфлинтов (КФ). Новые типы стёкол, как на основе несиликатных стеклообразователей, так и включающие новые компоненты:
35
ne
СТФ
БФ
ТК
1,6
ОК
ФК
БК
К
ЛК
0
70
ОФ
ЛФ
КФ
50
ТФ
Ф
30
νe
ек
а
1,4
ТБФ
ГУ
А
СТК
П
1,8
Рис. 2.11. Диаграмма Аббе
би
бл
ио
т
фосфатный крон (ФК), баритовый крон (БК), особый крон (ОК), соответственно флинты БФ, ТБФ, ОФ.
Кроме того, существуют так называемые «особые» стёкла, или
стёкла с «особым ходом частных дисперсий». Большинство из них
относятся к двум типам, объединённым собирательными терминами «ланг-кроны» и «курц-флинты». Эти наименования, происходящие от немецких слов lang и kurz, весьма условны, и для большинства «особых» стёкол не связаны напрямую с особенностями
химического состава или структуры.
Оптические цветные стекла имеют избирательное поглощение
в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях. Оптические свойства таких стекол определяются химическим составом,
типом и процентным содержанием добавляемых красителей.
2.1.6. Интерференция света
Интерференция света (от лат. inter – между и ferens (ferentis) –
несущий, переносящий) – перераспределение интенсивности света
в результате наложения (суперпозиции) нескольких когерентных
световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной.
36
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Впервые явление интерференции было независимо обнаружено
Р. Бойлем и Р. Гуком. Они наблюдали возникновение разноцветной окраски (интерференционных полос) тонких плёнок, подобных
масляным или бензиновым пятнам на поверхности воды. В 1801 г.
Т. Юнг, введя «принцип суперпозиции», первым объяснил «цветастость» тонких пленок и ввел термин «интерференция».
Пусть на плоскопараллельную прозрачную пластинку с показателем преломления n2 и толщиной d под углом i (рис. 2.12) падает
плоская монохроматическая волна (для простоты рассмотрим один
луч) [7, 8, 12]. На поверхности пластинки в точке О луч разделится на два: частично отразится от верхней поверхности пластинки,
а частично преломится. Преломленный луч, дойдя до точки С, частично преломится в воздух ( n1 = 1 ), а частично отразится и пойдет
к точке В. Здесь он опять частично отразится (этот ход луча в дальнейшем из-за малой интенсивности не рассматривается) и преломится, выходя в воздух под углом i. Вышедшие из пластинки лучи
1 и 2 когерентны, если оптическая разность их хода мала по сравнению с длиной волны. Если на их пути поставить собирающую
линзу, то они сойдутся в одной из точек Р фокальной плоскости
линзы. В результате возникает интерференционная картина, которая определяется оптической разностью хода между интерферирующими лучами.
P
1
i
n1 = 1
2
A
i
i
O
n2
i1 i 1
B
d
i1
n1 = 1
C
Рис. 2.12. Интерференция света при отражении
от плоскопараллельной пластинки
37
Оптическая разность хода, возникающая между двумя интерферирующими лучами от точки О до плоскости АВ,
Δ = n2 (OC + CB) - (OA ± λ0 / 2),
ГУ
А
П
где n1 показатель преломления окружающей пластинку среды принят равным 1, а член ±l0/2 обусловлен потерей полуволны при отражении света от границы раздела. Если n2 > n1, то потеря полуволны произойдет в точке О и вышеупомянутый член будет иметь
знак минус; если же n2 < n1 , то потеря полуволны произойдет
в точке С и l0/2 и будет иметь знак плюс. Согласно рис. 2.12
OC = CB = d / cos i1, OA = OB sin i = 2dtgi1 sin i.
Учитывая закон преломления (2.5) для случая sin i = n sin i1, получим
Δ = 2dn2 cos i1 = 2dn2 1 - sin2 i1 = 2d n22 - sin2 i .
С учетом потери полуволны для оптической разности
ек
а
Δ = 2d n22 - sin2 i - λ0 / 2.
Для случая n2 < n1
Δ = 2d n22 - sin2 i + λ0 / 2.
би
бл
ио
т
В точке Р интерференционный максимум будет, если
Δ = 2d n22 - sin2 i ± λ0 / 2 = mλ0 (m = 0, 1, 2, …),
и минимум, если
(2.9)
Δ = 2d n22 - sin2 i ± λ0 / 2 = (2m + 1)λ0 / 2 (m = 0, 1, 2, …). (2.10)
Практическое применение явления интерференции в ТВСН в использовании дихроических зеркал и просветлении оптики.
Дихроическое зеркало (от гр. dikhroos – двухцветный) взаимодействует с потоком света благодаря интерференции света в тонкослойных покрытиях. Подбором материалов (по коэффициентам
преломления) и толщины покрытия можно получить самые разные фильтрующие функции. В частности, можно создать цветовой
фильтр, отражающий красную R-составляющую белого луча и пропускающий зеленую G и синюю B, либо создать фильтр, который
разделяет последние компоненты на G и B. Примерно по такой схеме строятся цветоделительные элементы для современных телекамер и видеопроекционных устройств.
38
ГУ
А
2.1.7. Дифракция света
П
Просветляющие покрытия (или антиотражающие) предохраняют оптические системы от возможного образования бликов при отражении направленных световых пучков от поверхностей отдельных элементов. Просветляющее покрытие – это интерференционный светофильтр, который пропускает все падающее на него излучение и практически полностью подавляет отражение. Для того
чтобы обеспечить антиотражающие свойства во всем видимом диапазоне, соответствующее покрытие должно быть многослойным.
би
бл
ио
т
ек
а
Дифракция (от лат. diffractus – букв. разломанный, переломанный) – огибание препятствия волнами. Дифракционные явления
не зависят от природы волн. Они одинаково проявляются в световых и звуковых волнах, и даже в волнах на поверхности воды. Для
световых волн в явлениях дифракции, как и в интерференции, на
первый план выступают волновые свойства света. При этом само
явление дифракции можно рассматривать как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн.
Дифракцию можно наблюдать, когда на пути распространения
света находятся препятствия в виде непрозрачных объектов или
когда свет проходит сквозь отверстия в непрозрачных объектах.
Закон геометрической оптики – прямолинейность распространения света – предсказывает существование за объектом области
тени, резко ограниченной от тех мест, куда попадает свет. Однако
исследования и практика показывают, что световые волны попадают в район тени от объекта.
Дифракция выражена тем сильнее, чем меньше размеры затеняющего объекта или отверстия в нем. Особенностью дифракционных явлений в оптике является то, что размеры объектов много больше длины волны, т. е. наблюдать дифракционные явления
можно только на достаточно больших расстояниях от объекта.
Многие вопросы прикладной оптики, в частности объективы,
требующие выхода за рамки геометрической оптики (например,
предельная разрешающая способность объектива) получают свое
решение в теории дифракции.
В случае с объективом экспозиция часто регулируется путем изменения размера диафрагмы объектива (апертуры), чтобы отрегулировать количество света, проходящего через объектив. Дифракция в объективе особенно заметна при малых диафрагмах, когда
лучи света проходят близко к лепесткам диафрагмы, при этом па39
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
раллельный пучок света утрачивает параллельность, т. е. появляется свет, распространяющийся в направлениях, отличных от первоначального. В рамках геометрической оптики их не существует,
они как бы огибают лепестки диафрагмы, что вызывает уменьшение контрастности изображения и разрешающей способности объектива. На самом деле дифракция зависит не только от диаметра
диафрагмы, но и от длины волны
света, фокусного расстояния и свеа)
Фокальная
тосилы объектива.
плоскость
Распределение интенсивности
Линза
соответствует дифракции Фраунϕ
гофера, и найти его можно с помоКруглое
d
щью принципа Гюйгенса – Френеотверстие
ля. Явление дифракции объясняется с помощью принципа Гюйгенса,
согласно которому каждая точка,
Падающий свет
до которой доходит волна, служит
центром вторичных волн, а огибаб)
ющая этих волн задает положение
волнового фронта в следующий момент времени.
Пусть плоская волна нормально
падает на круглое отверстие диаsinϕ
метром d в непрозрачном экране
1,22 λ/d
– 1,22 λ/d
(рис. 2.13, а). Согласно принципу
Гюйгенса каждая точка выделяев)
мого отверстием участка волнового
фронта служит источником вторичных волн (в однородной изотропной
среде они сферические). Построив
огибающую вторичных волн для
некоторого момента времени, получим фронт волны, заходящий в область геометрической тени, т. е.
волна огибает края отверстия.
Принцип
Гюйгенса
решает
Распределение интенсивности
лишь задачу о направлении распроосвещения (центральный максимум
странения волнового фронта, но не
увеличен для выявления слабых
боковых максимумов)
затрагивает вопроса об амплитуде,
а следовательно, и об интенсивРис. 2.13. Дифракция
ности волн, распространяющихся
на круглом отверстии
40
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
по разным направлениям. Френель дополнил принцип Гюйгенса
идеей интерференции вторичных волн.
Согласно принципу Гюйгенса – Френеля возбуждаемая какимлибо источником световая волна может быть представлена как
результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками. Такими источниками могут служить бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности,
охватывающей источник. Обычно в качестве этой поверхности выбирают одну из волновых поверхностей, поэтому все фиктивные
источники действуют синфазно (см. рис. 2.13, а). Таким образом,
волны, распространяющиеся от источника, являются результатом
интерференции всех когерентных вторичных волн. Френель исключил возможность возникновения обратных вторичных волн и
предположил, что если между источником и точкой наблюдения
находится непрозрачный экран с отверстием, то на поверхности
экрана амплитуда вторичных волн равна нулю, а в отверстии – такая же, как при отсутствии экрана.
Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет в каждом конкретном случае найти амплитуду (интенсивность) результирующей
волны в любой точке пространства, т. е. определить закономерности
распространения света. В общем случае расчет интерференции вторичных волн довольно сложный и громоздкий, однако для некоторых случаев нахождение амплитуды результирующего колебания
осуществляется алгебраическим суммированием отдельных волн.
Если взять кольцевые зоны, легко видеть, что для центральной
точки действия всех зон складываются и получается главный максимум (рис. 2.13, б). Относительно косых лучей можно прийти к
выводу, что возникнут попеременно темные и светлые кольца. Вычисления [7, 8, 12] показывают, что первое темное кольцо получается при условии, когда угол j удовлетворяет соотношению
λ
sin j = 1,22 ,
d
где λ – длина волны излучения.
Освещенность в минимумах равна нулю. Между соседними темными кольцами лежат более светлые кольца, однако значительно
более слабые, чем центральное светлое пятно. Если освещенность
в центральном максимуме принять равной единице, то максимальная освещенность в первом светлом кольце равна 0,0174, а во втором – 0,0041. Около 84 % общего количества света, прошедшего
через круглое отверстие, попадает в область центрального светлого
41
где f – фокусное расстояние линзы.
ГУ
А
П
пятна. Общий вид дифракционной картины, которая носит название картины Фраунгофера от круглого отверстия, изображен на
рис. 2.13, в, а на рис. 2.13, б дана кривая распределения освещенности. Впервые такая картина была описана и объяснена Дж. Эйри,
поэтому за ней закрепилось название «картина Эйри», а за ее центральным диском «диск Эйри». Линейный размер диаметра первого темного кольца, диска Эйри, приблизительно равен [7]
λ
δ = 2,44 f, (2.11)
d
2.2. Линзы как оптические элементы
ек
а
Изобретатель линзы (от лат. lens – чечевица) неизвестен. Человек, без сомнения, познакомился с этим оптическим прибором
в седой древности. Возможно, первая линза, которую взял в руки
наш предок, была природным стеклом или прозрачным, но отшлифованным водой монокристаллом кварца, шпата и т. п., имеющим
форму чечевицы или близкую к ней.
2.2.1. Типы линз и основные определения
би
бл
ио
т
Оптической линзой называется тело, изготовленное из однородного прозрачного вещества и ограниченное поверхностями, из
которых по крайней мере одна имеет радиус кривизны, отличный
от нуля [8]. Обычно поверхности, ограничивающие линзу, являются сферическими, при этом применение, за некоторыми исключениями, находят осесимметричные линзы (обе поверхности линзы
имеют общую ось симметрии). Основные типы сферических линз
представлены на рис. 2.14. Формально положительные и отрицательные линзы различаются по толщине в центре и на краю. Толщина положительных линз в центре всегда больше, чем на краю, а
у отрицательных, наоборот – меньше.
Каждая линза характеризуется основными параметрами, но
сначала дадим некоторые определения (рис. 2.15) [8, 9, 15, 16]:
Оптический центр линзы – точка, через которую световые лучи
идут, не преломляясь (на рис. 2.15 – точка О).
Оптическая плоскость – условная поверхность, на которой как
бы преломляется световой пучок, проходящий через линзу. Оптическая плоскость проходит через оптический центр линзы.
42
Положительные:
а – двояковыпуклая,
б – плосковыпуклая,
ГУ
А
Отрицательные:
П
с – мениск положительный
а – двояковогнутая,
б – плосковогнутая,
с – мениск отрицательный
a
б
с
ек
а
Рис. 2.14. Типы линз
би
бл
ио
т
Оптическая ось – всякая прямая, проходящая через оптический
центр. Прямая, проходящая через центры обеих преломляющих
поверхностей линзы, перпендикулярная оптической плоскости, называется главной оптической осью, остальные – побочными осями.
Параллельный пучок лучей – группа световых лучей, распространяющихся параллельно оптической оси из бесконечно удаленной точки. Когда эти лучи проходят через объектив, они сходятся
в форме конуса и образуют точечное изображение.
Параксиальный луч – световой луч, проходящий вблизи оптической оси и наклоненный к ней под очень небольшим углом.
Точка, в которой сходятся параксиальные лучи, называется параксиальной фокальной точкой. Изображение, формируемое монохроматическим параксиальным лучом, практически свободно от
искажений (аберрации).
Основной луч – световой луч, который попадает в объектив не
в точке оптической оси и проходит через центр окна диафрагмы.
Основные световые лучи – это главные световые лучи, используемые для экспозиции изображения при всех диафрагмах, начиная
с максимальной и кончая минимальной.
Лучи света, попадающие на выпуклую линзу параллельно главной оптической оси, в идеальной линзе соберутся в одной точке, из которой они вновь разойдутся веером в форме конуса. Точка, где соединяются все лучи, называется главной фокальной точкой (фокусом).
43
Пространство
объекта
Пространство
изображения
Главная
оптическая
плоскость
Фокальная
плоскость
Оптическая ось
(главная)
П
Параллельные лучи света
(параллельные оптической оси)
Фокусное
расстояние (f)
Параллельные лучи света
(непараллельные оптической оси)
Фокальная точка
изображения (задняя)
O
ек
а
Фокальная точка
объекта (передняя)
Задняя
фокальная точка
(задний фокус)
ГУ
А
O
би
бл
ио
т
Выпуклая линза
Фокальная точка
изображения
(мнимый фокус)
O
Фокальная точка
объекта
Вогнутая линза
Рис. 2.15. Ход лучей в линзе
Знакомым примером этого явления может служить увеличительное стекло, которое фокусирует солнечные лучи в маленький
кружок на какой-либо поверхности. Точка, в которой этот кружок
имеет минимальный размер, и является фокальной точкой.
По оптической терминологии, фокальная точка классифицируется как вторая или задняя фокальная точка, если она является
точкой, в которой сходятся световые лучи от объекта на той стороне
объектива, где расположена плоскость изображения (пространство
изображения). Фокальная точка называется первой или передней,
44
A
1
3
2
B
F
ГУ
А
П
если световые лучи, исходящие параллельно оптической оси со стороны пространства изображения, сходятся на той стороне объектива, на которой находится объект съемки (пространство объекта).
Наклонный по отношению к оси пучок сходится в точку вне
главной оптической оси. Поверхность, на которой лежат фокусы
наклонных световых пучков, называют фокальной поверхностью
(плоскостью). Иными словами, фокальная поверхность – геометрическое место фокусов. В идеальных оптических системах фокальная поверхность плоская.
1¢
B¢
F¢
3¢
2¢
ек
а
A¢
би
бл
ио
т
Рис. 2.16. Геометрические построения изображения
в тонкой линзе
A
1
3
2
B
F
1¢
F¢
B¢
3¢
2¢
A¢
Рис. 2.17. Геометрические построения изображения
больших объектов
45
ГУ
А
П
Расстояние между главной оптической и фокальной плоскостями называют главным фокусным расстоянием. Его принято маркировать как f. Принципиальным различием являются знаки фокусных расстояний.
Тонкая линза – это такая линза, для которой расстояние между
ее преломляющими поверхностями мало по сравнению с расстоянием до объекта и до изображения [8]. Можно сказать, тонкая линза – это виртуальный прибор, составленный из двух фокальных
плоскостей, между которыми размещена главная плоскость, обладающая собирающей или рассеивающей способностью.
2.2.2. Геометрическое построение изображений
би
бл
ио
т
ек
а
Каждая точка изображения является местом пересечения всех
лучей, исходящих из сопряженной точки объекта. Для нахождения этого места достаточно построить два луча, и точка их пересечения даст местоположение точки изображения (рис. 2.16). Рассмотрим объект АВ и построим его изображение А¢В¢. Удобнее всего
построить те лучи, ход которых легко проследить. Для линзы такими лучами являются [7, 8, 10, 17]:
– луч, идущий вдоль оптической оси (не претерпевает изменения направления);
– луч 1 параллельный оптической оси (проходит через задний
фокус);
– луч 2, проходящий через передний фокус F (после преломления идет параллельно главной оптической оси);
– луч 3, проходящий через оптический центр линзы (не меняет
своего направления).
При решении задачи о построении изображения внеосевых точек вовсе не обязательно, чтобы выбранные простейшие пары лучей действительно проходили через линзу. Во многих случаях объект значительно больше линзы и лучи 1 и 2 (рис. 2.17) не проходят
через линзу. Тем не менее эти лучи могут быть использованы для
построения изображения. Реальные лучи (заштрихованные конусы) от точки объекта А, участвующие в образовании изображения,
ограничены оправой линзы, но сходятся в той же точке A¢, поскольку доказано [7], что при преломлении в линзе изображением точечного источника является снова точка.
Если построить изображения объектов, находящихся на разном
расстоянии от линзы (рис. 2.18), то точно в фокусе получается изображение только для объектов, бесконечно удаленных от линзы.
46
Фокус F¢ Оптическая ось
Объект 1
Объект 2
2
Объект 3
3
Изображения
объектов
П
Линза
ГУ
А
Рис. 2.18. Проекции изображений объектов, находящихся
на разных расстояниях
би
бл
ио
т
ек
а
Отсюда можно сделать очень важный вывод: для получения
изображения объекта точно в фокусе, необходимо изменять расстояния между линзой и плоскостью изображения. Плоскость изображения совпадает с фокальной плоскостью только в том случае,
когда линза сфокусирована на бесконечно удаленный объект. Во
всех остальных случаях расстояния между линзой и изображением
больше, чем фокусное расстояние.
На практике объектив состоит из нескольких оптических элементов и его можно представить эквивалентной одноэлементной
линзой (рис. 2.19). Такая эквивалентная линза, ее называют толстой линзой, имеет первую и вторую главные точки. Плоскости,
пересекающие эти главные точки и перпендикулярные оптической
оси, называются соответственно первой и второй главными плоскоПервая
главная
плоскость
Объект
Вторая
главная
плоскость
1
3
α
Оптическая ось F
2
Первая
главная
точка
Система
линз
Фокусное
расстояние
1¢
2¢
α
F¢
Изображение
3¢
Вторая
главная
точка
Рис. 2.19. Геометрические построения в толстой линзе
47
ек
а
ГУ
А
П
стями1. Задняя главная плоскость определяется множеством точек
пересечения продолжений лучей 1 (см. рис. 2.19) и лучей 1¢, проходящих в пространстве изображений через задний фокус F¢. Передняя главная плоскость определяется множеством точек пересечения продолжений лучей 3, проходящий в пространстве объектов
через передний фокус F, и лучей, идущих в пространстве изображений параллельно оптической оси.
Главные плоскости обладают следующими свойствами:
– луч 1, падающий на первую главную плоскость параллельно
оптической оси, покинет вторую главную плоскость на той же высоте, распространяясь в направлении точки заднего фокуса F¢;
– луч 2, падающий в направлении первой главной точки, покинет вторую главную точку под тем же углом;
– фокусное расстояние такой линзы принимается равным расстоянию от второй главной плоскости до заднего фокуса.
Пользуясь этими свойствами, можно построить геометрическое
изображение таким же образом, как в случае линзы, состоящей из
одного оптического элемента. Следует отметить, что в случае объективов с маленьким фокусным расстоянием вторая главная точка
может попасть за пределы системы линз.
2.2.3. Формула тонкой линзы
би
бл
ио
т
Для тонкой линзы (рис. 2.20) можно выразить формулами количественные зависимости между линейным размером объекта
(y), линейным размером изображения (y¢), расстоянием объекта от
линзы (а), расстоянием изображения от линзы (а¢) и ее фокусным
расстоянием (f¢).
Пользуясь выше приведенными правилами, построим изображение объекта АВ. Введем следующие обозначения (рис. 2.20):
y – линейный размер плоского объекта (высота или ширина); у¢ –
линейный размер его изображения (высота или ширина). Тогда отy¢
ношение β =
называется линейным, или поперечным, увеличеy
нием [8, 18]. Если объект находится много дальше фокуса, то его
изображение получается уменьшенным и β < 1, если же размер изображения больше размера объекта, то β >1.
Обозначим f¢ – главное фокусное расстояние линзы (заднее); f –
фокусное расстояние линзы (переднее); x – расстояние объекта от
1 Строгое построение и определение главных плоскостей дано в [7, 8].
48
A
N
y
F¢
O
B¢
F
y¢
A¢
M
x¢
f¢
ГУ
А
f
x
П
B
a¢
a
Рис. 2.20. Линейное увеличение линзы
ек
а
переднего фокуса линзы; x¢ – расстояние изображения от заднего
фокуса линзы. Из рис. 2.20 видно, что
а = x + f, а¢ = x¢ + f¢.
би
бл
ио
т
Из подобия треугольников ΔOAB и ΔOA¢B¢; ΔFAB и ΔFMO; ΔF¢ON
и ΔF¢A¢B¢ можно записать следующие отношения:
f x¢ a¢
(2.12)
β = = = .
x
f¢ a
С помощью этих формул решаются все возникающие на практике задачи. Путем простых преобразований получаем
æ
1ö
a = f çç1 + ÷÷÷, a ¢ = f (1 + β). çè
β ÷ø
(2.13)
Формулу (2.13) с учетом (2.12) преобразуем к виду aa ¢ = fa ¢ + fa
и, разделив обе части на произведение aa¢f, получим формулу тонкой линзы [7, 8, 17]
1 1 1
(2.14)
= + .
f a a¢
В формулу линзы входят три величины a, a¢ и f. Если две из них
известны, то третья определяется вычислением по следующим
формулам:
a ¢f
af
aa ¢
a=
; a¢ =
;f=
.
a¢ - f
a-f
a - a¢
49
2.2.4. Искажения объектива
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Изображение, созданное идеальным объективом, должно иметь
следующие характеристики:
1) точка должна быть воспроизведена как точка;
2) плоскость (такая, как стена), перпендикулярная оптической
оси, должна быть воспроизведена как плоскость;
3) изображение объекта, образованное объективом, должно
иметь такую же форму, как и сам объект.
Кроме того, изображение должно иметь истинный цвет воспроизводимого объекта. Практически идеальная работа объектива
возможна только в том случае, если используются лишь лучи света, поступающие в объектив вблизи оптической оси, и если свет
монохроматический (свет только одной конкретной длины волны).
До сих пор мы и ограничивались рассмотрением именно таких
параксиальных лучей, составляющих малые углы α с оптической
осью. В этих случаях точечный объект с достаточно хорошим приближением дает точечное изображение, но при этом освещенность
в пределах изображения мала. Поэтому с практической точки зрения представляет интерес переход к относительно широким телесным углам, т. е. отказ от ограничения лучей условием их параксиальности. Но в результате такого отказа гомоцентрический пучок
лучей после преломления в системе перестает быть гомоцентрическим и изображение объекта конечных размеров приобретает ряд
искажений.
Общий термин для описания искажений – «аберрация» (от
лат. aber – уклонение и ratio – соотношение). В итоге aberratio или
aberrare означает «уклонение, заблуждение». Причин возникновения аберраций много. Прежде всего, реальная линза имеет конечную и, в сравнении с длиной электромагнитной волны оптической
части спектра, значительную толщину. Кроме того, оптические параметры материала линзы не одинаковы по отношению к лучам с
разной длиной волны. Реальные оптические системы, в том числе,
конечно, и оптико-электронные, работают с широкими световыми
пучками заметной расходимости. В итоге точки в пространстве предметов оказываются сопряженными в пространстве изображений не
с точками, как следует из теории идеальных систем, а с размытыми
световыми пятнами, в которые многое добавляет и дифракция света.
В целом аберрации могут делиться на две категории: первая –
хроматические аберрации, имеющие место из-за различий в длинах волн источника света; вторая – монохроматические аберра50
ек
а
ГУ
А
П
ции, имеющие место при одной единственной длине волны. Часто
эти аберрации называют по имени немецкого физика Зайдля [16].
К ним относятся: сферическая аберрация, кома, астигматизм, кривизна поля, дисторсия.
Рассмотрим каждую из аберраций и возможные пути ее устранения.
Хроматическая аберрация. Причиной хроматической аберрации является дисперсия, т. е. зависимость показателя преломления от длины волны светового излучения. Линзу можно представить как совокупность призм. При прохождении через призму
белого света имеет место монотонное возрастание показателя преломления с уменьшением длины волны светового излучения. Положение фокальной точки светового пучка, параллельного главной
оптической оси, будет смещаться на оптической оси в зависимости
от длины волны. В [8] дан строгий вывод формулы для фокусного
расстояния в зависимости от показателя преломления:
1
f¢ =
,
æ 1 1 ö÷
ç
(n -1)çç + ÷÷÷
è r1 r2 ø
би
бл
ио
т
где r1 , r2 – радиусы кривизны поверхностей, ограничивающих
линзу; n – показатель преломления.
Разность показателей преломления для различных длин волн
изменяет положение фокуса: для синего луча фокус будет на главной оптической оси ближе к линзе, а для красного – дальше. Разность фокусных расстояний носит название продольной хроматической аберрации. На реальных изображениях продольная хроматическая аберрация проявляется в виде размытости цвета или засветки (на рис. 2.21 в точке фокуса находится желтый пучок): желтая резкая точка окаймлена нерезкими красным и синим кругами.
Если световые лучи от точки не параллельны главной оптической оси (внеосевая точка объекта на рис. 2.21), то для различных
цветов они пересекутся на разном расстоянии от оптической оси.
Это явление называется хроматической разностью увеличения или
поперечной хроматической аберрацией (поскольку она происходит
поперек оптической оси). Хроматическая разница увеличения проявляется в виде цветовой окантовки (когда по границам контуров
виден цвет). На черно-белом изображении хроматическая аберрация проявляется как уменьшение резкости.
В некоторых пределах уменьшить хроматическую аберрацию
можно соответствующим выбором оптического стекла с низкой
51
Поперечная хроматическая
аберрация
Оптическая ось
Резко
желтый
П
Синий
Желтый
Красный
Нерезко
синий
Параксиальные
лучи света
Нерезко
красный
Внеосевая точка объекта
ГУ
А
Фокус лучей:
синего, красного, желтого
Продольная хроматическая
аберрация
Рис. 2.21. Хроматические аберрации
би
бл
ио
т
ек
а
средней дисперсией (большое значение числа Аббе). К таким стеклам относится стекло UD (стекло с ультранизкой средней дисперсией) или искусственный кристалл флюорит.
Хроматическую аберрацию можно уменьшить, комбинируя положительные и отрицательные линзы, сделанные из стекол различных сортов, обладающих разными относительными дисперсиями [7, 8]. Стекло крон имеет меньшую относительную дисперсию,
а стекло флинт – большую относительную дисперсию. В сложной
системе (рис. 2.22), состоящей из положительной линзы из крона
и отрицательной линзы из флинта, хроматическая аберрация может быть скомпенсирована, в то время как оптическая сила обеих
линз, взятых вместе, останется положительной1. Линзы склеиваются между собой оптическим клеем (например, канадским бальзамом, бальзамином и пр.). Склеивание никак не влияет на ахроматические свойства, однако позволяет уменьшить переотражения от
поверхностей линз, снизить требования к точности изготовления
склеиваемых поверхностей и облегчить последующий монтаж. Такая линза носит название ахроматической, а объектив называется
ахроматом (от гр. achromatos – бесцветный). При этом нет принци-
1 Оптическая
æ1 1ö
сила линзы определяется как Ô = (n -1)ççç - ÷÷÷, где n – показаçè r1 r2 ÷ø
тель преломления; r1, r2 – радиусы кривизны сферических поверхностей. В диоптриях оптическая сила равна единице, деленной на фокусное расстояние в метрах.
52
Флинт
Флинт
Крон
Рис. 2.22. Компенсация
хроматических аберраций
ГУ
А
П
Крон
Крон
Рис. 2.23. Ахромат
Питера Доллонда
би
бл
ио
т
ек
а
пиальной разницы, в каком порядке будут стоять линзы – возможны комбинации, когда рассеивающая линза из флинта стоит перед
собирающей линзой из крона. Возможны и трёхлинзовые комбинации. Например, ахромат Питера Доллонда, где отрицательная линза из флинта заключена между двумя положительными линзами
из крона (рис. 2.23).
В общем случае линзы подбираются так, что для каких-либо двух длин волн света полностью, а для остальных значительно
устранена хроматическая аберрация.
Условием ахроматизации двухлинзового объектива (или компонента) будет равенство отношений оптических сил и коэффициентов дисперсии отдельных линз [7]:
Ô ¢ ν λ¢
= ,
Ô ¢¢ ν λ¢¢
где Ф – оптическая сила в диоптриях; ν λ – коэффициент дисперсии
(число Аббе).
Выбор длин волн, подлежащих ахроматизации, определяется
назначением объектива. Так, для систем визуального наблюдения
«соединяют» красный C (λ = 656,3 нм) и голубой F (λ = 486,1 нм)
лучи. Это так называемая «визуальная» коррекция.
Современные объективы, как правило, ахроматизируют от синей (F) до красной (C) области спектра.
Объектив, который корректирует хроматическую аберрацию для
трех длин световых волн, называется апохроматом. Обычно расчёт апохроматических объективов ведётся для длин волн 434, 546 и
656 нм, однако объективы, предназначенные для инфракрасной и ультрафиолетовой съёмки, могут иметь и другие расчётные точки спектра.
53
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Монохроматические аберрации. В 1856 г. немецкий физик Зайдль, используя прохождение монохроматического света через
объективы, выявил и математически описал пять типов аберраций. Эти аберрации часто называют пятью аберрациями Зайдля.
Исследовать и оценивать монохроматические аберрации можно
волновым и геометрическим методами [10,12]. Геометрический
метод, основанный на анализе геометрического хода лучей в реальной и идеальной оптических системах, получил более широкое распространение. Определенные таким методом монохроматические
аберрации иногда называют геометрическими.
Сферическая аберрация. В определенной мере эта аберрация
присутствует во всех объективах, построенных целиком из сферических элементов. Сферическая аберрация ведет к тому, что
параллельные световые лучи (рис. 2.24), проходящие через край
линзы (лучи 2 и 3), сливаются не в фокальной точке, а ближе к линзе (точки S2 и S3), чем световые лучи, проходящие вблизи центра
линзы (лучи 0 и 1). Величина смещения фокальной точки вдоль
оптической оси, расстояние fs3, называется продольной сферической аберрацией. Степень сферической аберрации имеет тенденцию увеличиваться в объективах с большой апертурой. Точечное
изображение, подвергающееся влиянию сферической аберрации,
резко образуют лучи света возле оптической оси, однако на него
влияет засветка от периферических световых лучей (эта засветка
также называется ореолом, а его диаметр d называют поперечной
сферической аберрацией). В результате этого сферическая аберрация влияет на всю площадь изображения, от центра до его краев,
и получается мягкое низкоконтрастное изображение, будто покрытое тонкой вуалью.
3
2
fS3
fS2
S2
S3
1
0
1
2
S3 S
2
3
f¢
Рис. 2.24. Сферическая аберрация
54
d
h
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
П
0,0
ГУ
А
Рис. 2.25. Компенсация сферической аберрации системой линз
би
бл
ио
т
ек
а
Очень трудно исправить сферическую аберрацию в сферических
объективах. Частично исправление возможно путем сочетания
двух линз – одной выпуклой, для которой продольная сферическая
аберрация отрицательная, и одной вогнутой, для которой продольная сферическая аберрация положительная (рис. 2.25). Существует предел степени коррекции с использованием сферических линз,
поэтому какая-то доля аберрации сохраняется всегда. На рис. 2.25
справа дан график продольной сферической аберрации сложной
линзы для лучей, проходящих через линзу на разных расстояниях h от оптической оси [7]. Для краевых лучей продольная аберрация скомпенсирована полностью, для средних имеется небольшая
остаточная аберрация. Сферическую аберрацию удается скомпенсировать только для определенного расстояния до объекта. Для
телеобъективов таким расстоянием является расстояние до самого
удаленного объекта.
Сферическую аберрацию можно в значительной степени устранить путем диафрагмирования объектива, чтобы сократить поток
периферийного света. Для объектива с максимальной диафрагмой
единственный эффективный способ существенно компенсировать
сферическую аберрацию состоит в использовании асферической
линзы. Асферическими называют линзы, одна или обе поверхности которых не являются сферическими (рис. 2.26). Понятно, что
такую линзу трудно воспроизвести при помощи стандартных полировочных технологий. Оптические компании начали выпускать
литые асферические линзы, однако этот процесс не обеспечивает
стекла высокого качества [17].
Все остальные виды аберраций проявляются лишь при отображении точек объектов, не лежащих на главной оптической оси.
Кома (коматическая аберрация). Кома (от гр. kome – волосы,
хвост кометы), или коматическая аберрация – это явление, види55
П
ГУ
А
Рис. 2.26. Асферическая линза
би
бл
ио
т
ек
а
мое на периферии изображения, которое создается объективом,
скорректированным на сферическую аберрацию, и вызывает сведение световых лучей, поступающих на край объектива под каким-то
углом, в форме кометы, а не в форме желаемой точки, чем и объясняется ее название. Форма кометы ориентирована радиально, причем ее хвост направлен либо к центру, либо от центра изображения
(рис. 2.27). Вызываемая этим размытость по краям изображения
называется коматической засветкой. Кома, которая может иметь
место даже в объективах, точно воспроизводящих точку как точку на оптической оси, вызывается разницей преломления между
световыми лучами из точки, расположенной вне оптической оси,
а
вет
к с й оси
о
уч о
й п еск
ны птич
ь
лел не о
рал в
Па точек
из
Изображение
Оптическая ось
Рис. 2.27. Коматическая аберрация
56
ГУ
А
n1y sin u = n2 y ¢ sin u ¢,
П
и проходящими через края объектива, и главным световым лучом
от той же точки, проходящим через центр объектива. Кома увеличивается по мере увеличения угла главного луча и ведет к снижению контрастности по краям изображения. Определенной степени
улучшения можно добиться диафрагмированием объектива.
Кома отсутствует для объективов с исправленной сферической
аберрацией, если выполняется так называемое условие синусов
Аббе [7], сводящееся к следующему:
би
бл
ио
т
ек
а
где n1, n2 – показатели преломления сред со стороны объекта и
изображения; y, y ¢ – линейный размер объекта и изображения,
перпендикулярный главной оптической оси; u, u ¢ – углы наклона
лучей относительно оптической оси.
Так же как и для сферической аберрации, коррекция комы возможна только для объекта, расположенного на определенном расстоянии. Эта коррекция называется апланатизмом, а объектив,
скорректированный таким образом, называется апланатом (от гр.
префикс отрицания «а» и слова plane – блуждание, отклонение,
ошибка).
Астигматизм. Явление астигматизма (от гр. префикса отрицания «а» и слова stigme – точка, бесточие) наблюдается для лучей,
идущих от точек, расположенных не на оптической оси, т. е. от
тех точек, изображения которых получаются близко к краям. При
этом, чем ближе к краю находится изображение точки, тем в более
сильной степени наблюдается явление астигматизма.
Причина астигматизма – различие в условиях преломления
лучей, проходящих в разных плоскостях. На рис 2.28, а показан
ход лучей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: меридиональной, проходящей через точку М и оптическую ось (плоскость
МCD), и сагиттальной, проходящей через ось пучка и перпендикулярно меридиональной (плоскость МАВ) [10, 12,18]. В меридиональной плоскости лучи сходятся в точке f1, в сагиттальной плоскости – в точке f2.
В фокусе f1 будут резкими вертикальные линии и нерезкими горизонтальные; в фокусе f2 наоборот, резкими будут горизонтальные
линии и нерезкими вертикальные. При перемещении плоскости,
перпендикулярной оптической оси, вдоль этой оси между точками
f1 и f2 изображение будет принимать форму эллипсов (рис. 2.28, б).
примерно посередине между точками f1 и f2 изображение будет
иметь форму кружка – кружка наименьшего рассеяния.
57
f2
c
Резко
a
b
f1
b
кая
ес
тич
C
d
Резко
a
ось
ГУ
А
Нерезко
d
А
ра ст
зн иг
ос ма
ть ти
ф че
ок ск
ус ая
ов
b
П
а) Меридиональная плоскость
Сагиттальная
(азимутальная)
плоскость
c
Нерезко
Оп
б)
O
B
1
2
3
ек
а
A
Линза
M
D
би
бл
ио
т
Рис. 2.28. Астигматизм
Размер астигматизма в значительной степени зависит от удаления точки от оптической оси (пропорционально квадрату удаления)
и в меньшей степени от ширины пучка (пропорционально ширине
пучка). Разность f2 – f1 называется астигматической разностью
фокусов. Расположение меридиональных и сагиттальных фокусов
у собирающих и рассеивающих линз неодинаково. Комбинируя собирающие и рассеивающие линзы, можно значительно уменьшить
аберрацию астигматизма.
Объективы, у которых устранен астигматизм, называются анастигматами. Анастигмат состоит не менее чем из трёх линз (если
он не содержит оптических элементов другого типа и асферических
линз) с соответствующим подбором радиусов кривизны преломляющих поверхностей и их оптических сил. Простейший анастигмат – триплет.
По конструктивному типу различают анастигматы симметричные, несимметричные и полусимметричные. По способу соединения линз анастигматы делятся на склеенные, полусклеенные и
58
ек
а
ГУ
А
П
несклеенные. Склеенными называются анастигматы, у которых
линзы склеены между собой. Полусклеенными называются анастигматы, в которых наряду со склеенными линзами имеются и
несклеенные, разделенные воздушными промежутками. Несклеенными называются анастигматы, состоящие из отдельных линз,
разделенных воздушными промежутками.
Подавляющее большинство выпускаемых сменных объективов – анастигматы.
Кривизна поля изображения. Это явление ведет к тому, что плоскость образования изображения становится изогнутой как внутренняя часть мелкой чаши, мешая объективу формировать плоское изображение плоского объекта (рис. 2.29). Когда центр изображения находится в фокусе, его края находятся не в фокусе, а
когда края в фокусе, центр бывает не в фокусе. На степень кривизны поля изображения в большой мере влияет метод, используемый
для корректировки астигматизма. Поскольку плоскость изображения попадает между сагиттальной и меридиональной плоскостями
Пространство
изображения
би
бл
ио
т
Пространство
объекта
Фокальная
плоскость
Рис. 2.29. Кривизна поля изображения
59
k
1æ 1
å r çççèç n
i
1 ö÷
÷÷ = 0,
ni-1 ÷ø
ек
а
i=1 i
-
ГУ
А
П
изображения, хорошая коррекция астигматизма ведет к небольшому искривлению поля изображения.
Поскольку искривление поля нельзя уменьшить путем диафрагмирования объектива, конструкторы объективов уменьшают его в
максимально возможной степени, прибегая к таким различным методам, как изменение форм отдельных элементов объектива, изменение позиции диафрагмы. При этом необходимо соблюдать одно
непременное условие одновременной корректировки астигматизма
и кривизны поля изображения – условие Петцваля. Условие (правило) Петцваля гласит, что сумма обратных величин произведений
показателей преломления отдельных линз на их фокусное расстояние, вычисленная по всем линзам в системе, должна быть равна
нулю. Эта сумма называется суммой Петцваля [10, 12]. Математически условие Петцваля выражается формулой через радиус кривизны поверхности линзы:
би
бл
ио
т
где ri – радиус кривизны поверхности i-й линзы; ni – показатель
преломления материала i-й линзы; ni–1 – показатель преломления
материала перед i-й линзой; k – количество линз в объективе.
Дисторсия (от лат. distorsio – искривление). Одно из требований
к идеальному объективу состоит в том, что изображение объекта,
образуемое объективом, должно иметь ту же форму, что и сам объект. Дисторсия – это такой тип аберрации, который ведет к тому,
что прямые линии становятся кривыми на изображении, в результате чего нарушается условие ортоскопии, или подобия [10,16,18].
Искажение, растягивающее форму по диагонали, называется подушкообразной (положительной) дисторсией (рис. 2.30, а). Она возникает, когда диафрагма расположена позади линзы. Искажение,
которое сжимает форму по диагонали, называется бочкообразной
(отрицательной) дисторсией (рис. 2.30, б). Эта дисторсия возникает, когда диафрагма располагается перед линзой. Как видно из
рисунков, искривление линий увеличивается от центра к краям.
В редких случаях со сверхширокоугольным объективом эти два
типа искажения могут сосуществовать, в результате чего образуется форма одновременно растянутая и сжатая.
Это искажение невелико в объективах, которым придана симметричная форма по обеим сторонам диафрагмы, но может возникать
в объективах с асимметричными конфигурациями.
60
Подушкообразная
дисторсия (–)
П
Диафрагма
Объект
Диафрагма
ГУ
А
Линза
Объект
ек
а
Линза
Бочкообразная
дисторсия (+)
би
бл
ио
т
Рис. 2.30. Дисторсия
Объективы с переменным фокусным расстоянием имеют тенденцию создавать бочкообразную дисторсию при малом фокусном расстоянии и подушкообразную – при больших.
Из сказанного ясно, что дисторсия тесным образом связана с наличием диафрагмы, и ее последствия нельзя уменьшить диафрагмированием объектива.
Устранение дисторсии достигается комбинацией двух простых
линз, расположенных одна против другой, причем диафрагма
должна находиться между ними. В этом случае получается объектив, как бы состоящий из двух отдельных линз: у одной из них
диафрагма расположена позади, у другой – спереди. Вследствие
противоположного характера действия обеих линз дисторсия взаимно компенсируется.
Изображение, в точности подобное объекту (отсутствует дисторсия), называется ортоскопичным, а свойство объектива давать такое изображение – ортоскопичностью.
61
2.3. Объективы телекамер
ек
а
ГУ
А
П
Объектив – первое звено телевизионного тракта. В нем исходный световой поток претерпевает множество преобразований. Это
звено решающим образом влияет на качество формируемого изображения. Поэтому на этапе проектирования чрезвычайно важно
правильно выбрать объективы для телекамер, иначе эффективность всей системы видеонаблюдения может быть сведена к нулю.
При решении ряда задач наблюдения вполне допускается применение дешевых оптических элементов с заметным уровнем аберраций. В то же время установка высококачественной оптики имеет
смысл при создании ТВСН особо охраняемого объекта. При этом
стоимость ТВСН в целом возрастет незначительно.
Современный телевизионный объектив – очень сложное оптическое устройство, предназначенное для создания адекватного оптического изображения. Обычно объектив состоит из набора линз,
рассчитанных для взаимной компенсации аберраций и собранных
в единую систему внутри оправы.
2.3.1. Светосила объектива. Числа F и Т
би
бл
ио
т
Реальные объективы не могут создавать изображения безграничных пространств, для образования изображения используют
лишь часть светового потока, отраженного от объекта. Это является результатом ограничения хода световых пучков диафрагмой.
Такие диафрагмы называются апертурными. Если в объективе нет
диафрагмы, то ее роль выполняют оправы линз и элементы конструкции объектива. Именно диафрагмами определяется не только часть отображаемого объективом пространства, но и количество
света, захватываемого объективом.
Апертурная диафрагма ограничивает ширину световых пучков, исходящих из точек объекта, расположенных на оптической
оси (рис. 2.31). В телевизионных системах используется диафрагма, расположенная внутри объектива. Изображение апертурной
диафрагмы со стороны пространства объектов называется входным
зрачком объектива и равнозначно по своему смыслу эффективной
апертуре (эффективной диафрагме) – D [7, 10, 17]. Изображение
апертурной диафрагмы со стороны пространства изображений называется выходным зрачком объектива.
Таким образом, из световых лучей, идущих от определенной
точки объекта, эффективные лучи те, которые фактически обра62
Выходной зрачок
Угловая апертура
Входной зрачок
ПЗСматрица
D
Оптическая ось
Окуляр
ГУ
А
Объектив
П
Объект
Диафрагма
Рис. 2.31. Входной и выходной зрачки
би
бл
ио
т
ек
а
зуют изображение, создают конус световых лучей, причем точка
объекта является вершиной конуса, а входной зрачок – его основанием. С другой стороны объектива световые лучи выходят в форме конуса, причем выходной зрачок образует основание конуса, а
вершина конуса находится на плоскости изображения. Входной и
выходной зрачки имеют такую же форму, как апертурная диафрагма. Углы, образованные вершинами конусов, называются угловой
апертурой. Методика измерения входного зрачка дана в [19], а теоретические расчеты его положения относительно главных оптических плоскостей приведены в [7, 10].
Отношение диаметра входного зрачка к фокусному расстоянию
объектива, т. е. D/f, представляет собой относительное отверстие
или светосилу объектива, которая характеризует яркость изображения, создаваемого объективом в фокальной плоскости.
На оправе объектива обычно гравируются характеризующие его
величины, а именно фокусное расстояние f и относительное отверстие D/f. Относительное отверстие дается в форме дроби вида 1: F,
где
F = f / D. (2.15)
Число F показывает, во сколько раз фокусное расстояние больше, чем эффективная апертура, когда последняя равна единице,
т. е. диаметру объектива и носит название относительной диафрагмы, или диафрагменного числа F (F-число, F-number, F-stop).
Диафрагменные числа имеют строго определенные значения.
Чтобы понять последовательность F-чисел, проделаем ряд вычислений. Допустим, 16-мм объектив имеет минимальное F-число,
63
2
ГУ
А
πD2 3,14(11,43)
S1,4 =
=
= 102,5 ìì2 .
4
4
П
равное 1,4. На оправе объектива это записывается как: 16 мм/1,4
или 16 мм 1:1,4. Максимальное эффективное отверстие диафрагмы эквивалентно кругу с диаметром D = 16 / 1,4 = 11,43 мм (эквивалентно потому, что лепестки диафрагмы, в зависимости от их
количества, образуют треугольное, квадратное, пятиугольное или
шестиугольное отверстия).
Найдем площадь полностью открытого отверстия (т. е. при
F = 1,4):
Уменьшим эту площадь вдвое, т. е. Sx = 51,25 мм2, и вычислим
диаметр отверстия диафрагмы Dx:
Sx =
πDx2
,
4
ек
а
тогда
Dx = 2 Sx / π = 2 51,25 / 3,14 = 8 ìì.
би
бл
ио
т
Теперь F-число с 8-мм отверстием будет равно 16 / 8 = 2, т. е.
F = 2. Здесь F = 2 представляет площадь, равную половине площади, соответствующей F = 1,4. Если продолжить вычисления дальше, то получим следующие числа: 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32 и
т. д. Таким образом, чем меньше F-число, тем больше отверстие
диафрагмы и тем больше света проходит через объектив. Часто объективы с малым F-числом (F-stop) называются светосильными объективами, или быстрыми объективами (faster lens).
С увеличением числа F яркость изображения в фокальной плоскости уменьшается, строго говоря, яркость изображения обратно
пропорциональна квадрату числа F, поэтому значения числа F выражаются геометрической прогрессией, начиная с 1, со знаменателем прогрессии, равным 2.
Для объективов с переменным фокусным расстоянием (вариообъективов) приведенные F-числа относятся к отверстию диафрагмы на минимальном фокусном расстоянии вариообъектива. Очевидно, что при этом через объектив будет проходить максимальное
количество света для любого фокусного расстояния. Для вариообъектива при установке наибольшего фокусного расстояния F-число
всегда меньше, чем на минимальном фокусном расстоянии. Но
нельзя предполагать линейную зависимость между F-числом и фо64
10 F
,
ек
а
Ò=
ГУ
А
П
кусным расстоянием. В частности, объектив 8-80 мм/1,4 обеспечивает эффективный диаметр диафрагмы 8/1,4 = 5,7 мм, а для такого
же отверстия на 80 мм F-число будет равно 80/5,7 = 14. Такая зависимость определяется конструкцией вариообъектива. Влияние
диафрагмы может меняться в зависимости от перемещения частей
вариообъектива, подчиняясь нелинейному закону.
Объективно говоря, каждая линза имеет потери, характеризуемые коэффициентом поглощения. Эти потери могут составлять
очень маленький процент от общей световой энергии, но если требуется получить точные характеристики объектива, то их тоже
нужно учитывать. Характеристикой уровня пропускания света
объективом является коэффициент пропускания kпроп, определяемый формулой (2.4), который всегда меньше 100 %.
Для учета потери света в объективе вводится понятие Т-числа.
В определении Т-числа учитывается и F-число, и пропускание объектива:
kïðîï
би
бл
ио
т
где kïðîï – коэффициент пропускания, %.
Поскольку пропускание объектива всегда меньше 100 % (обычно от 95 до 99 %), то очевидно, что Т-число будет несколько больше, чем F-число.
2.3.2. Фильтры нейтральной плотности
Стандартный ряд F-чисел: 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32. Теоретически этот список можно продолжить: 44; 64; 88; 128 и т. д.,
но следует помнить, что чем выше F-число, тем меньше отверстие
диафрагмы.
Для фото- или кинопленки F = 32 довольно большое число. Чувствительность эмульсии пленки такова, что даже в солнечный день
такое F-число в совокупности с доступной скоростью затвора достаточно для компенсации избыточного света.
Чувствительность пленки измеряется в единицах ISO1, и обычно
используемая в повседневных целях фото- или кинопленка имеет
1 ISO (International Organization for Standardization) – Международная организация по стандартизации, занимающаяся выпуском стандартов.
65
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
чувствительность 100 единиц ISO. Чувствительность ПЗС-матрицы
гораздо выше и близка к значению в 100 000 единиц ISO.
Поскольку телекамеры имеют только одно время экспозиции,
1/50 с в PAL и SECAM и 1/60 с в NTSC (не учитывая электронный
затвор ПЗС-матриц), то для уменьшения количества света, попадающего на ПЗС-матрицу, можно манипулировать только F-числом.
Для формирования полного видеосигнала на ПЗС-матрице средней чувствительности требуется освещенность 0,1 лк. Ясный солнечный день или отражение от снега дает освещенность на объекте
больше 100 000 лк. Чтобы снизить эту величину до 0,1 лк требуется
использование F = 1200. Опираясь на основное определение F-числа
(2.15) для среднего объектива 16 мм/1,4, получаем, что F = 1200 соответствует эффективному отверстию диафрагмы 0,013 мм.
Механическими способами такого маленького отверстия с требуемой точностью достичь невозможно, и, кроме того, возникнут
искажения, связанные с дифракцией света, что весьма ухудшит
качество изображения.
Решением проблемы является использование внутренних фильтров нейтральной плотности (neutral density – ND). Это очень
тонкая пленка с круговым покрытием нейтрального цвета, размещаемая посередине объектива, близко к плоскости диафрагмы
(рис. 2.32). Фильтр делается менее прозрачными по направлению
к середине концентрических колец. Нужное F-число, таким образом, достигается путем комбинации средств механической диафрагмы (положение лепестков) и оптического нейтрально-серого
фильтра (оптическое ослабление). Фильтры называются нейтральными, потому что они ослабляют все длины волн (цвета) равномерно, не меняя цветовых соотношений.
Ирисовая
диафрагма
Оптическая ось
Фильтр
нейтральной
плотности
Рис. 2.32. Фильтр нейтральной плотности
66
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Следует отметить, что очень важна оптическая точность таких
тонких пленок, так как при увеличении F-числа должна сохраняться частотно-контрастная характеристика объектива. Теоретически разрешающая способность любого объектива максимальна
в середине диапазона установок механической диафрагмы и уменьшается по мере увеличения или уменьшения F-числа, но нейтрально-серый фильтр может ее еще более снизить. Будет это заметно
либо нет, зависит от общих качеств объектива.
Кроме внутренних фильтров существуют и внешние нейтрально-серые фильтры, которые выполнены более просто. Это полупрозрачные стеклянные пластинки, оптические фильтры, ослабляющие свет в х раз. Ослабление может быть в 10, 100 или 1000 раз.
Можно комбинировать два или три фильтра, так, например, 10 и
1000 вместе дадут фильтр с ослаблением в 10 000 раз.
Иногда и, пожалуй, это более корректно, ослабление внешним
нейтрально-серым фильтром выражается в F-числах. Зная, что
каждое следующее диафрагменное число уменьшит светособирающую силу в два раза (50 % от предыдущего значения), можно построить следующую логическую цепочку: 100-кратный фильтр соответствует середине между 26 и 27 (26 = 64, 27 = 128). Это означает,
что ослабление в 100 раз – это примерно 6,5 F-чисел. Ослабление
в 1000 раз – это примерно 210, или – 10 F-чисел.
Внешние нейтральные фильтры удобно применять при регулировке заднего фокуса или настройке уровня автодиафрагмы в дневное время.
2.3.3. Разрешающая способность
и частотно-контрастная характеристика
Основное, что требуется от объектива, – это создать резкое изображение, свободное от искажений. Реальные объективы создают
изображения точек в виде некоторых фигур (кружков, эллипсов и
т. п.) рассеяния с различным характером распределения яркости.
Поэтому они не могут создавать изображений сколь угодно малых
размеров, т. е. имеют ограниченную разрешающую способность.
В традиционной постановке вопроса под разрешающей способностью объектива подразумевается его способность раздельно воспроизводить изображения мелких, близко расположенных деталей
объекта (точек, линий и т. д.). Разрешающую способность, определяющую по существу лишь предельные возможности, следует
рассматривать как первое, но весьма распространенное и доступное
67
74
37
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
приближение к оценке свойств объективов по воспроизведению
мелкой структуры изображений.
Разрешающая способность объектива определяется: точностью
изготовления и сборки; остаточными аберрациями; дифракционными явлениями. В результате действия этих факторов происходит пространственное перераспределение световой энергии от мелких деталей объекта, тем более существенное, чем выше действие
указанных факторов. Поэтому анализ разрешающей способности
объектива предполагает совместное рассмотрение геометрических
и энергетических соотношений.
Ограничения, накладываемые на разрешающую способность
остаточными аберрациями, точностью изготовления и сборки, могут быть, по крайней мере теоретически, сведены до любого приемлемого минимума. Дифракционные же явления устанавливают
определенный теоретический предел разрешающей способности.
При прохождении света через объектив, имеющий входной зрачок круглой формы, изображение точки из-за дифракции приобретает вид центрального светлого кружка (картина Фраунгофера),
охваченного чередующимися темными и светлыми кольцами (см.
рис. 2.13). Тогда за предел разрешающей способности (согласно
критерию Рэлея) [7, 10] принимается расстояние между изображениями двух близко расположенных точек, при котором максимум
яркости центрального пятна в дифракционной картине одной точки приходится на минимум первого темного кольца второй точки
(рис. 2.33). Пунктирная кривая на рис. 2.33 показывает распределение суммарной интенсивности света. Разрешающая способность
δ
Рис. 2.33. Предел разрешения по Релею, %
68
при этом, оцениваемая числом раздельно воспроизводимых элементов на единицу длины, будет определяться из выражения
D
,
1,22λf
ГУ
А
N=
П
1
N= ,
δ
где N – число воспроизводимых линий на единицу длины; δ – расстояние между максимумами центральных пятен точек (совпадает
с радиусом первого темного кольца).
С учетом выражения (2.15) для δ получим
(2.16)
где D – эффективная апертура; f – фокусное расстояние объектива;
λ – длина волны источника света.
Учитывая (2.15), выражение (2.16) можно записать:
N=
0,82
,
λF
би
бл
ио
т
ек
а
(2.17)
где F – диафрагменное число.
В реальных оптических системах на разрешающую способность
существенное влияние оказывают остаточные аберрации, которые
деформируют и расширяют фигуру рассеяния изображения точки.
При изменении числа F регулировкой диафрагмы разрешающая способность изменяется по закону, отличному от (2.17). При
увеличении относительного отверстия до максимального влияние
дифракционных явлений уменьшается, но увеличивается влияние
аберраций объектива, поэтому разрешающая способность максимальна при некотором промежуточном значении относительного
отверстия [10]. Разрешающая способность непостоянна по полю
изображения – она максимальна в центре и заметно падает к краям
из-за возрастания как дифракционных явлений, так и остаточных
аберраций, в частности астигматизма.
Разрешающая способность не дает полного представления о
свойствах объективов по воспроизведению мелких деталей. Действительно, разрешающая способность характеризует объектив
в той области, где его характеристики уже неудовлетворительны.
О способности объектива изображать детали объекта более крупные, чем предельно разрешаемые, по разрешающей способности
судить нельзя. Поэтому для оценки свойств объективов используют методы, основанные на учете распределения освещенности (светового потока) в изображениях более сложных, чем точки. Мерой
69
ек
а
ГУ
А
П
оценки свойств объектива является степень несоответствия распределения освещенности (светового потока) в изображении распределению яркости (светового потока) по поверхности испытательного
объекта. Эти методы можно рассматривать как второе, более полное приближение оценки свойств объектива по воспроизведению
изображений различной детальности.
Наибольшее распространение получил метод частотно-контрастных характеристик (ЧКХ), которые представляют собой зависимость относительного контраста изображения от пространственной частоты при скачкообразном изменении яркости от черного до
белого, или при синусоидально изменяющейся яркости. Последняя характеристика называется функцией передачи модуляции
(ФПМ) – Modulation Transfer Function (MTF) [10, 16, 17] и особенно
удобна для сравнения объективов, используемых в телевидении,
так как оптический сигнал в этом случае преобразуется в электрический, который легче описывается и оценивается при помощи синусоидальных характеристик.
Принцип построения ЧКХ состоит в вычислении для каждого
значения пространственной частоты коэффициента передачи контраста (КПК) (рис. 2.34) по формуле [20]
ÊÏÊi =
Amax i - Amin i
,
Amax i + Amin , i
би
бл
ио
т
(2.18)
где Amaxi, Amini – соответственно максимальное и минимальное
значения сигнала для данной частоты.
На рис. 2.34 для наглядности даны изображения черно-белых
полос с изменяющейся шириной для тестового объекта и воспроизведенного объективом (расстояние между чёрными и белыми полосами преувеличено для лучшей визуализации).
По вычисленным значениям КПК строится ЧКХ. На рис. 2.35
представлены ЧКХ для разных объективов. Считается, что линии
«еще различимы» при значении КПК = 0,15 [20, 21].
Различные объективы имеют различные ЧКХ в зависимости от
качества стекла, оптической конструкции и назначения. Например, фотографические объективы будут иметь лучшую ЧКХ, чем
объективы для охранного телевидения, поскольку структура фотопленки может регистрировать более 120 лин/мм. Для того чтобы
минимизировать ухудшение картинки при увеличении изображения с пленки до фотографии, требуются объективы более высокого
качества. ПЗС-матрицы, применяемые в ТВСН, имеют меньшую
разрешающую способность, чем та, которую обеспечивает кристал70
a)
Уровень
белого
Уровень
черного
П
Пространственная частота, лин/мм
б)
Уровень
черного
ГУ
А
Уровень
белого
Amini
Amaxi
Пространственная частота, лин/мм
ек
а
Рис. 2.34. Распределение яркости:
а – на объекте; б – на изображении
би
бл
ио
т
лическая структура пленки. С технической точки зрения нет никакой необходимости переходить на производство дорогих объективов намного большего разрешения, чем разрешающая способность
ПЗС-матрицы. Например, ПЗС-матрица черно-белого изображения
формата 1/2″ среднего разрешения имеет примерно 500 пикселей1
(элементов изображения) по горизонтали. Если учесть физическую
ширину ПЗС-матрицы формата 1/2″, равную 6,4 мм, то максимальное возможное число вертикальных линий (черно-белых пар)
равно (500 : 6,4) : 2 = 39 лин/мм. Это разрешение легко достигается
1 Пи́ксель, пи́ксел (pixel — сокращение от pix element) — буквально элемент
изображений, а также [физический] элемент светочувствительной матрицы. Относительно использования термина в форме «пиксел» либо «пиксель» имеются различные мнения. Так, «Русский орфографический словарь РАН» квалифицирует
форму «пиксел» как общеупотребительную, а форму «пиксель» как характерную
для разговорной и профессиональной речи. С другой стороны, действующий ГОСТ
27459-87 предусматривает термин «пиксель» как единственно возможный для использования в области применения указанного стандарта (машинная графика) и который «является обязательным для применения в документации и литературе всех
видов, входящих в сферу действия стандартизации или использующих результаты
этой деятельности.
71
КПК, %
100
3
1
П
2
ГУ
А
Пространственная частота, лин/мм
Рис. 2.35. Частотно-контрастная характеристика
би
бл
ио
т
ек
а
большинством телевизионных объективов. Но для ПЗС-матрицы
формата 1/3″ с той же плотностью в 500 пикселей по горизонтали
число вертикальных линий составит (500 : 4,4) : 2 = 57 лин/мм, что
потребует объектива большего разрешения, чем для телекамеры
с матрицей формата 1/2″.
Вид ЧКХ позволяет выбрать объектив для решения конкретной
задачи. Рассмотрим пример, представленный на рис. 2.35. В случае
объектива с ЧКХ, представленной зависимостью 1 отклик вялый,
контраст быстро падает при увеличении частоты, ЧКХ-объектива 2
распространяется на область высоких пространственных частот, а
это означает, что он может передать более мелкие детали, чем объектив 3. Объектив 3 имеет лучший отклик на низких и средних частотах. Если нужен объектив для получения высокой разрешающей
способности, например, для пленки, то лучше выбрать объектив 2,
а для ТВСН, где ПЗС-матрица не может различить более 50 лин/мм,
лучше обойтись объективом 3, с ним будет выше контраст.
Приведенные на рис. 2.35 зависимости тоже не являются полной характеристикой для сравнения объективов. Обычно более
чем достаточно знать максимальное разрешение, а также КПК при
двух различных пространственных частотах, но иногда требуется
знать, как ЧКХ меняется с удалением от центра изображения.
Для этого обычно измеряют КПК по направлению удаления от
центра изображения к его дальнему углу при фиксированной частоте линий (обычно 20–30 лин/мм). Эти линии (рис. 2.36, а) могут
быть либо параллельны направлению удаления (сагиттальные – 1),
либо перпендикулярные ему (меридианные – 2).
Детали в центре изображения практически всегда будут иметь
наивысшую ЧКХ, и с удалением от центра наблюдается спад ЧКХ,
вызванный, в частности, астигматизмом линзы (рис. 2.36, б).
72
а)
б)
21 мм
(край)
КПК
1,0
1
ЧКХ
0,5
2
5
10
15
20
ГУ
А
0
П
10 мм
Расстояние
от центра, мм
О (центр
изображения)
Рис. 2.36. Зависимость ЧКХ-объектива при удалении от центра
би
бл
ио
т
ек
а
За основу для оценки и сравнения характеристик объективов
и телекамер в ТВСН по степени вносимых искажений взят метод
субъективной визуальной оценки качества телевизионного изображения по ГОСТ 26320-84 [22], принятый в системах телевидения
с применением современных средств вычислительной техники.
В качестве наблюдаемого объекта используют стандартные телевизионные испытательные таблицы EIA RETMA (рис. 2.37, а) либо
таблицы с основными параметрами по ГОСТ 14872-82 [23], специальным образом доработанные для проведения испытаний объективов (рис. 2.37, б).
Эти таблицы содержат штриховые или радиальные миры.
Штриховая мира состоит из групп параллельных темных и света)
б)
Рис. 2.37. Телевизионные испытательные таблицы
73
лых полос различной частоты и ориентации, радиальная мира – из
серии радиальных полос (светлых и темных) переменной ширины.
Разрешающая способность при штриховой мире определяется по
группе самых узких полос, а при радиальной мире – минимальным
радиусом, при котором штрихи видны раздельно.
П
2.3.4. Глубина резкости
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
Теоретически при фокусировке на объект вся плоскость, проходящая через объект и перпендикулярная оптической оси, должна
быть в фокусе.
Практически, предметы, находящиеся немного впереди и позади объекта, тоже будут резкими. На рис. 2.38 объектив наведен на
точку В, и ее изображение находится в фокусе. Изображения точек C и D фокусируются соответственно за фокальной плоскостью
и перед ней. На самой фокальной плоскости они наблюдаются не
как точечный объект, а в виде некоторого кружка, и, несмотря на
это, мы воспринимаем их такими же резкими, как и точку В. Часть
пространства объектов, в пределах которого находятся предметы,
воспроизводимые с заданной степенью резкости, называется резко
изображаемым пространством (РИП), а его протяженность вдоль
оптической оси называется глубиной резко изображаемого пространства (ГРИП). Ширина зоны резкости в пространстве изобраПространство объектов
Расстояние до объекта
Ближняя
граница ГРИП
C
Дальняя
граница
ГРИП
Пространство изображений
Плоскость
Расстояние до изображения
ПЗСматрицы
Передняя глубина
(фокальная
фокуса
плоскость)
A¢
d
Задняя
глубина
фокуса
B
A
Задняя Передняя
ГРИП
ГРИП
ГРИП
Рис.2.38. Глубина резкости
74
B¢
d
C¢
Глубина
фокуса
(глубина
резкости)
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
жений называется глубиной резкости (depth of field) или глубиной
фокуса. Другими словами, ГРИП – расстояние между передней
и задней границами пространства объектов (см. рис. 2.38) вдоль
оптической оси, в пределах которого объекты отображаются в сопряжённой фокальной плоскости субъективно резко. Глубина фокуса – область перед (передняя глубина фокуса) и позади (задняя
глубина фокуса) фокальной плоскости, в которой изображение
может быть воспроизведено как резкое. Глубина фокуса (глубина
резкости), в отличие от передней и задней ГРИП, одинакова по обе
стороны фокальной плоскости (плоскости ПЗС-матрицы).
Оценка ГРИП имеет большое практическое значение и может
производиться визуально по соответствующей шкале на оправе
объектива (если она имеется) или по таблицам, составленным при
расчёте оптической системы.
Большая ГРИП может быть нежелательной характеристикой,
как, например, в фотографии, когда требуется, чтобы фотографируемый объект был отделен от переднего или заднего плана. Это
очень характерно для портретной съемки телеобъективом, у которого глубина резкости невелика.
В ТВСН как можно больше объектов должны быть резкими, независимо от того, на какой объект наведена резкость.
Любой объектив имеет определенные аберрации, поэтому невозможно идеально сводить лучи от точки объекта, чтобы они образовывали истинную точку изображения (т. е. бесконечно малую
точку с минимальной площадью). Другими словами, изображения
образуются из комплекса точек, имеющих определенную площадь
и размеры. Изображение становится менее резким по мере увеличения размеров этих точек, которые называются пятном (кружком)
рассеяния (circle of confusion). Кружок рассеяния – искажённое
изображение точки, образуемое реальной оптической системой.
Для технической документации, а также для справочной и специальной литературы принят термин «кружок нерезкости» [10, 24],
где под ним понимается «нерезкое изображение изолированной
точки, образуемое реальным съёмочным фотографическим объективом и принимаемое за норму при расчётах глубины резкости».
Таким образом, один из факторов, определяющих качество объектива, – это самая малая точка, которую он может образовать, или
его «минимальный кружок нерезкости». Максимально допустимый размер точки на изображении, которая еще воспринимается
резкой, называется «допустимым кружком нерезкости». Определение ГРИП, данное в ГОСТ, следующее: «Расстояние в простран75
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
стве объектов вдоль оптической оси съемочного фотографического
объектива, в пределах которого нерезкость изображений, создаваемых съемочным фотографическим объективом различно удаленных предметов, не превышает допустимого кружка нерезкости».
Строго говоря, минимально возможный размер кружка нерезкости
при устранении влияния аберраций до приемлемого значения определяется дифракцией и равен диаметру диска Эйри – см. ф-лу (2.11).
Практически нет необходимости получать идеально резкие изображения, так как телевизионная система и зрение человека имеют ограниченную разрешающую способность. Если диаметр кружка нерезкости не превышает допустимых пределов, определяемых
разрешающей способностью телевизионной системы и глаза, то
изображение будет казаться одинаково резким (табл. 2.2).
ГРИП и глубина резкости зависят от фокусного расстояния объектива, F-числа и формата объектива.
Объясним увеличение глубины резкости в зависимости от значения F-числа (рис. 2.39). Если диафрагма полностью открыта
(рис. 2.39, а), то все лучи сходятся в фокусе на ПЗС-матрице. Зная
диаметр допустимого кружка нерезкости, можно определить глубину фокуса относительно плоскости ПЗС-матрицы. Если закрыть
диафрагму (увеличить число F), то лучи сойдутся в той же точке
фокуса, но при том же допустимом кружке нерезкости передняя и
задняя глубина фокуса увеличатся и, как следствие, глубина резкости будет больше (рис. 2.39, б). С увеличением диаметра действующего отверстия глубина резкости уменьшается, а при диафрагмировании объектива – увеличивается. При этом надо иметь в виду,
что на глубину резкости влияет не относительное отверстие объектива, а абсолютные размеры действующего отверстия [15, 16]. При
наводке на одну и ту же плоскость двух объективов с различными
фокусными расстояниями, но с одинаковым диаметром действующего отверстия глубина резко изображаемого пространства окажется совершенно одинаковой.
Таким образом, конструкция объектива не влияет на глубину
резкости.
Таблица 2.2
Допустимые значения кружка нерезкости
для объективов различных форматов [25]
Формат объектива, дюйм
Диаметр кружка
нерезкости, мкм
76
1
2/3
1/2
1/3
1/4
30
21
16
11
8
Диафрагма
Допустимый
кружок
нерезкости
f/1,4
б)
Диафрагма
ГУ
А
Глубина фокуса
при максимальной
диафрагме
П
а)
Допустимый
кружок
нерезкости
ек
а
f/5,6
Глубина фокуса
при диафрагме F = 5,6
Рис. 2.39. Влияние диафрагмы на глубину резкости
би
бл
ио
т
Если постепенно фокусировать объектив на дальнее расстояние
до объекта, то в конце концов будет достигнута точка, в которой
дальняя граница ГРИП станет равной «бесконечности». Расстояние до ближней границы ГРИП в этом случае, т. е. когда «бесконечность» попадает в область глубины резкости, называется гиперфокальным расстоянием – Н. Гиперфокальное расстояние можно
определить следующим образом:
H=
f2
,
Fd
(2.19)
где f – фокусное расстояние; F – число F; d – минимальный диаметр
кружка нерезкости.
На практике при монтаже и настройке видеосистем присутствует неприятный момент, связанный с настройкой объектива на
резкость. Обычно эта операция проводится, когда все телекамеры
установлены на своих местах и ориентированы в нужных направлениях. Чтобы навести объектив на резкость, приходится использовать переносной видеомонитор, питаемый от аккумуляторов, а
77
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
иногда использовать радиостанции и настраивать объектив вслепую по команде с диспетчерского пульта. Поскольку работы, как
правило, проводятся в дневное время при хорошей освещенности,
то ГРИП настолько большая, что практически при любой фокусировке изображение на видеомониторе резкое. С наступлением сумерек глубина резкости значительно сокращается и, при неправильной фокусировке резкими могут быть совершенно второстепенные
объекты. Однако если заранее установить объектив на гиперфокальное расстояние, то ГРИП увеличится от расстояния, равного
половине гиперфокального расстояния до бесконечности. Этот метод полезен для предварительной установки большой ГРИП без необходимости регулирования фокуса объектива, в особенности при
использовании широкоугольного объектива.
В большинстве ситуаций ГРИП и соответственно глубина резкости имеют следующие особенности:
– ГРИП большая на маленьких фокусных расстояниях, малая
на больших фокусных расстояниях;
– ГРИП большая при закрытой диафрагме (при больших значениях числа F), малая при открытой диафрагме;
– ГРИП больше при съемке удаленных объектов, чем при съемке близко расположенных объектов;
– чем меньше формат объектива, тем больше ГРИП;
– передняя граница ГРИП меньше задней границы ГРИП.
Используя методы геометрической оптики, можно получить
формулы границ ГРИП в пространстве объектов [10, 15, 16]. Дальняя (задняя) граница ГРИП зависит от диаметра кружка нерезкости d, значения числа F и фокусного расстояния объектива f, а также от расстояния а, на которое сфокусирован объектив (расстояние
от первой главной точки объектива до объекта). Тогда, с учетом
того, что a >> f, для дальней границы ГРИП можно записать
af 2
f 2 - dFa
.
Если знаменатель выражения меньше или равен нулю, то дальняя граница ГРИП соответствует бесконечно удалённым объектам.
Ближняя (передняя) граница ГРИП вычисляется по тем же характеристикам объектива:
af 2
f 2 + dFa
78
.
Если известно гиперфокальное расстояние Н, то с учетом (2.19)
дальняя и ближняя границы ГРИП определяются соответственно
aH
aH
,
.
H -a H + a
ГУ
А
П
Теперь становится понятным, почему некоторые короткофокусные объективы, используемые в телевизионных охранных системах (например, 2,6 или 3,5 мм), вообще не имеют фокусировочного
кольца, а только регулировку диафрагмы. Для таких объективов,
даже при наименьших F-числах F = 1,4, глубина резкости настолько велика, что объектив действительно дает резкие изображения
а)
f = 8 мм, камера 1/3¢¢
Изображение резкое
Резкость отсутствует
7,6 м
ек
а
4м
50 м
8м
96 м
Точка наводки на резкость
Число F
5,6
би
бл
ио
т
1,4
2м
4,8 м
Днем
Вечером
24 м
б)
4м
7,6 м
20 м
50 м
96 м
Точка наводки на резкость
Число F
5,6
2,4 м
1,4
Днем
Вечером
7,5 м
Рис. 2.40. Влияние точки наведения на резкость на ГРИП
79
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
с практически любого расстояния: от нескольких сантиметров до
бесконечности, и необходимости в фокусировке нет.
Прогнозирование ГРИП в дневное и вечернее время для объективов с автоматической диафрагмой имеет очень большое значение. Рассмотрим пример [26] изменения ГРИП в дневное и вечернее время в зависимости от точки наводки на резкость объектива
с автоматической диафрагмой. На рис. 2.40, а изображена телекамера с форматом матрицы 1/3″ и фокусным расстоянием объектива
8 мм, установленная на высоте 4 м. Поле зрения, которое способна
видеть телекамера, простирается от 7,6 до 96 м при угле ее наклона
относительно горизонта 15°. Предположим, что контролируемый
сектор наблюдения расположен от 8 до 50 м. Наведем резкость объектива на расстояние 8 м.
Вычисления показывают, что в дневное время, при хорошей освещенности на объекте (диафрагменное число F = 5,6) ГРИП значительна и располагается от 2,0 м и до бесконечности, т. е. объекты
во всем контролируемом секторе будут резкими. В вечернее время, когда из-за уменьшения освещенности на объекте диафрагма
полностью открыта (диафрагменное число F = 1,4), резко изображаемое пространство на видеомониторе будет составлять от 4,8 до
24 м. Это значит, что территория с 24 до 50 м в вечернее время суток
будет выводиться на видеомонитор нерезкой.
Изменим расстояние наводки на резкость с 8 на 20 м (рис. 2.40, б).
ГРИП в дневное время практически не изменилась, а ГРИП в вечернее время существенно изменилась. Если поместить телекамеру на
удалении от объектов, которые должны быть под постоянным контролем, не ближе 7,5 м, мы получим результат, при котором и днем
и вечером все охраняемое пространство будет резким.
Этот пример наглядно показывает, насколько важно правильно
выбрать точку наводки на резкость.
2.3.5. Угол поля зрения телекамеры
Угол поля зрения объектива (angle of view) – угол между двумя лучами, проходящими через центр входного зрачка объектива
к наиболее удалённым от оптической оси отображаемым точкам
объекта в пространстве объектов [24].
Объектив «видит» объект во всех направлениях под одним и тем
же углом зрения, образуя конус. Следовательно, область изображения в фокальной плоскости имеет форму круга. Теперь можно дать
определение оптического формата объектива (lens formats) – это
80
ек
а
ГУ
А
П
диаметр изображения в фокальной плоскости с заданными размером кружка рассеяния и уровнем аберраций. Оптический формат
объектива измеряется в дюймах (обозначается «″»).
Объектив проецирует изображение на фоточувствительный элемент телекамеры. Фоточувствительная область телекамеры (ПЗСматрица) – прямоугольник внутри круга изображения объектива,
в котором все виды аберраций (или по крайней мере большинство)
исправлены. В ТВСН принято соотношение сторон этого прямоугольника (формат кадра) 4 : 3. Такое соотношение сторон было
принято в качестве стандарта исходя из свойств зрительной системы человека [27, 28]. Таким образом, под форматом ПЗС-матрицы
(табл. 2.3) понимается округленное значение диаметра передающей
трубки, которая дает такое же изображение, как и данная ПЗСматрица. На рис. 2.41 показан формат объектива и ПЗС-матрицы.
Телекамера, оснащенная объективом с фиксированным фокусным расстоянием, «видит» в строго ограниченных углах по горизонтали и вертикали. Таким образом, фокусное расстояние объектива является одним из важнейших параметров, определяющих
угол поля зрения (угол зрения, угол обзора) объектива.
Таблица 2.3
Соотношение форматов ПЗС-матрицы
Формат объектива, дюйм
1/3
1/2
2/3
би
бл
ио
т
ПЗС-матрица
Диагональ, мм
4
6
8
11
1
16
3,2 × 2,4 4,8 × 3,6 6,4 × 4,8 8,8 × 6,6 12,8 × 9,6
Диагональ
матрицы, мм
Формат (поле зрения)
объектива, дюйм
Высота
Высота × ширина, мм
1/4
Ширина
Поле зрения
матрицы, мм
Рис. 2.41. Формат объектива и ПЗС-матрицы
81
ек
а
ГУ
А
П
Довольно часто для оценки угла зрения используется угол по горизонтали, так как, зная его и зная формат кадра телевизионного
изображения 4 : 3, можно приближенно определить и угол зрения
по вертикали. Угол зрения по вертикали актуален для определения размера просматриваемой зоны в глубь контролируемой территории при установке телевизионной камеры на высоте (камера
устанавливается на высоте с тем, чтобы затруднить ее хищение и
избежать теневых зон от близко расположенных объектов).
При анализе угла зрения телевизионной камеры следует учитывать, что:
– чем меньше фокусное расстояние, тем больше угол зрения;
– чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол зрения;
– чем меньше формат ПЗС-матрицы, тем меньше угол зрения
(с тем же объективом).
Исходя из условия восприятия перспективы человеком и свойств
зрения угол зрения объектива в 30° считается стандартным, каким
бы ни был формат изображения [2].
Для определения угла зрения α можно воспользоваться простой
формулой, исходящей из геометрических построений и тригонометрических расчетов (рис. 2.42). Из подобия треугольников Δ АВО и
Δ А¢В¢О следует:
tg
би
бл
ио
т
тогда
α W
c
=
= ,
2 2a 2f
(2.20)
æcö
æW ö
α = 2arctg çç ÷÷÷ = 2arctg çç ÷÷÷, çè 2a ø
èç 2f ø
(2.21)
где α – угол зрения (град); W – ширина объекта (зоны контроля);
а – расстояние до объекта; с – ширина ПЗС-матрицы; f – фокусное
расстояние.
A
W
B
O
a
Рис. 2.42. Угол зрения телекамеры
82
B¢ c
α
A¢
f
Зная параметры объекта и применяемой матрицы, из соотношения (2.20) можно определить требуемое фокусное расстояние объектива в миллиметрах:
f=
c´ a
.
W
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Аналогично определяется угол зрения по вертикали, только
вместо ширины объекта и ПЗС-матрицы ставится высота.
В ТВСН самый большой угол зрения, предлагаемый производителями, составляет около 94°, что достигается при f = 4,8 мм для
2/3″ ПЗС-матрицы, f = 3,5 мм для 1/2″ и f = 2,8 мм для 1/3″ ПЗСматрицы (если специально не оговаривается, то обычно речь идет
об угле зрения по горизонтали).
Объективы по фокусному расстоянию имеют только дискретные
значения, т. е. нельзя заказать любое значение, например 5,8 или
14 мм. Так что полезно знать наиболее распространенные фокусные
расстояния объективов: 2,6; 3,5; 4,8; 6; 8; 12; 16; 25; 50 и 75 мм.
Некоторые производители выпускают объективы 3,7 мм вместо
3,5 мм, или 5,6 мм вместо 6 мм, но значения очень близки и практически нет никакой разницы в углах зрения.
В зависимости от фокусного расстояния и соответственно угла
зрения все объективы можно разбить на основные группы:
– телеобъективы – угол зрения единицы градусов;
– стандартный (нормальный) объектив – угол зрения 30°;
– широкоугольный объектив – угол зрения около 60°;
– сверхширокоугольный объектив – угол зрения более 80°;
– сверхширокоугольные – игольчатое ушко (pinhole) – угол зрения почти 180°.
Сверхширокоугольные объективы, дающие угол зрения почти
180°, получили название объективов типа «рыбий глаз» [24] изза очень специфического изображения на экране (рис. 2.43). Существуют электронные устройства, осуществляющие оцифровку
такого изображения, а затем с помощью корректирующего алгоритма устраняющие искажения до получения изображения с приемлемым качеством. Более того, некоторые подобные приборы позволяют осуществлять электронное сканирование в пределах угла
зрения, представляя собой некий аналог телекамеры на поворотном устройстве, но практически безынерционном [29].
Как следует из расчетов, формат объектива не влияет на угол
зрения. При использовании объектива с форматом, превышающим
формат матрицы, качество изображения практически не меняется,
83
П
ГУ
А
Рис. 2.43. Искажения изображения объективом
«рыбий глаз»
би
бл
ио
т
ек
а
так как в этом случае ПЗС-матрица работает в центральной части
поля зрения объектива. В то же время формат матрицы ПЗС, используемой в телекамере, влияет на угол зрения: чем меньше размер матрицы при одном и том же объективе, тем ýже угол зрения
телекамеры. Таким образом, формат объектива должен быть большим формата ПЗС- матрицы или равным ему.
На рис. 2.44 показаны изображения одного и того же объекта
на видеомониторе для телекамер с одним объективом, но с ПЗСматрицами различных форматов. Видно, что чем меньше размер
матрицы при одном и том же объективе, тем меньше угол зрения
телекамеры.
Вместе с тем применение объективов больших оптических форматов совместно с матрицами малых форматов может привести
1″
2/3″
1/2″
1/3″
Рис. 2.44. Изменение масштаба изображения в зависимости
от формата ПЗС-матрицы
84
600
400
200
100
Диагональный
угол зрения, град
4°10¢
Изображения, мм
6°10¢
12°
400
П
Фокусное
расстояние, мм
24°
34°
70
ГУ
А
100
35
35
63°
28
24
ек
а
75°
84°
28
94°
114°
20
14
14
180°
би
бл
ио
т
«Рыбий глаз»
Рис. 2.45. Зависимость диагонального угла зрения
от фокусного расстояния объектива
к снижению разрешающей способности системы вследствие увеличения радиуса кружка нерезкости объектива [25].
В настоящее время в ТВСН применяются ПЗС-матрицы различных форматов: 2/3″, 1 /2″, 1/3″ и 1/4″ [14, 21]. Телекамеры высокой четкости и некоторые специальные телекамеры могут иметь
матрицы в 1″ и даже больше.
Наибольшее разнообразие объективов по фокусному расстоянию используется в фотографии. На рис. 2.45 показана зависимость диагонального угла зрения в зависимости от фокусного расстояния (угол зрения приведен к размеру фотографического кадра
24 × 36 мм). Справа показано, как меняется изображение, попадающее в кадр.
85
2.3.6. Автоматическая регулировка диафрагмы
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
По типу диафрагмы (iris), т. е. механизма регулировки проходящего на ПЗС-матрицу светового потока, объективы подразделяются (рис. 2.46) по принципу управления диафрагмой.
Бездиафрагменные, или объективы без регулировки диафрагмы
(without iris), предназначены для использования в помещениях
с постоянным уровнем освещенности, но при наличии у телекамеры электронного затвора.
Объективы с ручным управлением диафрагмой (manual iris –
MI) используются в помещениях с постоянным уровнем освещенности: торговых центрах, подземных гаражах, библиотеках и пр.
Обычно это помещения, где естественный свет не оказывает заметного влияния на основную освещенность контролируемой зоны,
создаваемую искусственным светом. Небольшие случайные вариации освещенности компенсируются автоматической регулировкой
усиления телекамеры.
С появлением телекамер на ПЗС-матрицах с электронным затвором объективы без регулировки диафрагмы используются и в зонах
с переменной освещенностью, так как электронный затвор автоматически выбирает время экспозиции, компенсируя вариации света.
Есть два основных фактора, определяющих F-число объектива
для его оптимального функционирования:
– освещенность,
– глубина резкости.
Эти условия противоречат друг другу, поэтому ручная установка диафрагмы может быть компромиссом. Если делать установку
ОБЪЕКТИВЫ
Бездиафрагменные
ручной
автоматической
Video drive
С диафрагмой
с сервоуправлением
Direct drive
Рис. 2.46. Управление диафрагмой
86
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
в условиях очень низкого уровня освещенности или если телекамера имеет низкую чувствительность, общая тенденция сводится
к максимальному раскрыву отверстия диафрагмы (малое F-число).
Очевидно, что в этом случае глубина резкости и ЧКХ будут минимальны. Как компромиссное решение предлагается устанавливать
F-число на одно или два значения выше наименьшего возможного
(если позволяет минимальная освещенность контролируемой зоны).
При круглосуточном телевизионном наблюдении приходится
сталкиваться с диапазоном изменения освещенности на объекте от
0,1 лк в вечернее и ночное время до 100 000 лк в дневное время. Автоматическая регулировка усиления современных цифровых телекамер позволяет лишь частично компенсировать диапазон изменения освещенности. Поэтому телекамеры оснащаются объективами
с автоматической регулировкой диафрагмы (АРД или AI – auto
iris control).
Объективы с дистанционным управлением диафрагмой известны как объективы с сервоуправлением. В этом случае диафрагма
открывается и закрывается напряжением, подаваемым с пульта
управления оператором.
Такой тип объективов предпочтителен для телекамер с электронным затвором. Причина в том, что электронный затвор и автодиафрагма вместе работают не очень хорошо. Если включены обе
функции, то электронный затвор отрабатывает быстрее и к тому
времени, когда механическая автодиафрагма отреагирует на изменение света, электронный затвор уже уменьшит время экспозиции,
вынуждая автодиафрагму больше раскрыть отверстие. Это приведет к слишком большому отверстию диафрагмы и очень короткому
времени экспозиции. В результате видеосигнал будет иметь требуемый размах, но глубина резкости будет минимальной. Вследствие
этого при использовании объективов с автодиафрагмой электронный затвор рекомендуется отключать.
С другой стороны, электронный затвор отрабатывает быстрее и
более надежен, так как не содержит движущихся частей (только
электронику) и не изменяет глубину резкости. Чтобы воспользоваться преимуществами телекамеры с электронным затвором рекомендуется использовать объективы с диафрагмой, управляемой
сервоприводом. В таких системах оператор может настроить диафрагму в соответствии с уровнем освещенности и требуемой глубиной резкости, используя блок управления диафрагмой, а требуемый уровень сигнала при изменении освещенности на объекте
будет поддерживаться электронным затвором.
87
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
В объективах с автоматической регулировкой диафрагмы (в литературе чаще называют автодиафрагмой) величина относительного
отверстия регулируется автоматически в зависимости от освещенности. Для этого объектив должен быть обязательно снабжен микродвигателем и диафрагмой с приводом. В качестве сигнала управления микродвигателем объектива используется управляющее напряжение, вырабатываемое на основе анализа специального выходного
видеосигнала телекамеры (отличного от сигнала, который поступает на выход телекамеры для передачи и дальнейшей обработки). Общий вид одного из объективов с АРД показан на рис. 2.47.
Сама система управления автодиафрагмой, по сути, является
классической системой автоматического регулирования, поэтому
при резких и кратковременных изменениях освещенности на объекте ей может быть присуща неустойчивость, которая проявляется
в том, что зрачок объектива периодически открывается и закрывается. Для компенсации лишних движений автоматическая регулировка диафрагмы может быть снабжена специальным потенциометром для изменения времени реакции контура регулирования, т. е.
к быстрым изменениям освещенности.
По сигналам управления, приходящим от телекамеры, объективы с автоматической диафрагмой подразделяются:
– на управление диафрагмой в соответствии с изменяющимся
видеосигналом (VD – video drive);
– управление диафрагмой постоянным током (DC – direct current
или DD – direct drive).
Управление диафрагмой по видеосигналу (video drive) означает, что анализ видеосигнала и управление микродвигателем диафрагмы осуществляет специальное устройство, размещенное в объективе.
Управление диафрагмой по постоянному току (direct drive) означает, что схема принятия решения о положении
диафрагмы находится в телекамере, а в объективе имеется только микродвигатель как исполнительное устройство.
Рассмотрим более подробно работу и отличия
объективов с автодиафрагмой, управляемой видеосигналом и напряжением постоянного тока.
Объективы, управляемые видеосигналом,
снабжены встроенной электронной схемой, раРис. 2.47. Объектив ботающей по принципу электронно-оптической
обратной связи. Видеосигнал, как и напряжес АРД
88
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
ние питания микродвигателя управления диафрагмой (обычно 9 В
постоянного тока), подаются через разъем на задней стенке телевизионной камеры. Электроника объектива анализирует уровень
видеосигнала и управляет диафрагмой: если уровень видеосигнала
превышает 0,7 В, диафрагма будет прикрываться до тех пор, пока
уровень видеосигнала не уменьшится до 0,7 В. Если же уровень
сигнала слишком низок, то диафрагма раскрывается, пропуская
больше света на ПЗС-матрицу и тем самым увеличивая уровень
видеосигнала.
Настройка контура управления осуществляется потенциометрами с доступом снаружи (рис. 2.47). Потенциометром «Автомат»
(ALC – auto light control) производится регулировка, подверженная
глобальным колебаниям освещенности. Крайние положения, «пиковое» и «среднее» (peak/average), соответствуют зонам настройки
соответственно на максимальную и среднюю освещенность. В стандартном использовании регулятор оставляется посередине во избежание резких закрытий диафрагмы, например, при солнечных
бликах. Второй потенциометр «Уровень» (level) управляет уровнем
открытия диафрагмы в зависимости от размаха видеосигнала.
Объективы с автодиафрагмой, управляемой сигналом постоянного тока не имеют электронной схемы обработки видеосигнала,
только микродвигатель, который раскрывает и закрывает отверстие диафрагмы. Вся обработка видеосигнала для таких объективов осуществляется в электронной схеме телевизионной камеры.
На выходе этой схемы формируется постоянное напряжение, которое подается на микродвигатель управления диафрагмой и раскрывает или закрывает лепестки диафрагмы в соответствии с уровнем
видеосигнала телевизионной камеры. Регулировки Level и ALC находятся на корпусе самой телекамеры.
Объектив, управляемый сигналом постоянного тока, не может
быть использован с телекамерой, не имеющей соответствующего
выхода, и наоборот. В настоящее время большинство телекамер
имеют переключатель режима работы, что дает им возможность
работать совместно с любым типом объективов с АРД.
Рассмотрим более подробно назначение и работу регулировок
Level и ALC.
Регулировка Level позволяет изменять открытие диафрагмы по
среднему уровню видеосигнала. Регулировку Level еще называют
регулировкой чувствительности, так как на экране видеомонитора она проявляется в виде изменений яркости объекта. После настройки уровня Level следует проверить работу автодиафрагмы
89
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
в дневное и ночное время. Если рабочая точка установлена слишком высоко, изображение может оказаться нормальным днем, но
ночью оно будет слишком темным. Верно и обратное: если рабочая
точка установлена слишком низко, то ночью получится приемлемое изображение, а днем оно будет чрезмерно ярким. Поэтому
рекомендуется проводить регулировку уровня Level во второй половине дня (ближе к вечеру) с использованием дополнительного
осветительного прибора. После установки уровня необходимо убедиться, что при слабом свете изображение получается максимально контрастным, т. е. отверстие диафрагмы раскрыто полностью.
Затем, направив свет на объектив, убедиться в том, что отверстие
диафрагмы достаточно закрывается.
Если тест невозможно провести во второй половине дня, то можно воспользоваться внешними нейтрально-серыми фильтрами. Такой фильтр можно использовать для ослабления дневного света до
уровня, эквивалентного низкому уровню освещенности, которое
обычно составляет несколько люкс. Затем удалить фильтр и посмотреть, как ведет себя автодиафрагма.
ALC – это автоматическая компенсация освещенности. Она
представляет собой фотометрическую регулировку диафрагмы,
и ее следует воспринимать как «автоматическую компенсацию
встречной засветки». Эта часть схемы автодиафрагмы определяет,
на какую долю размаха видеосигнала должна реагировать автодиафрагма. Регулировка ALC позволяет выбрать точку срабатывания
по видеосигналу для функционирования диафрагмы в зависимости от контрастности изображения. В большинстве случаев, когда
видеосигнал «богат» деталями от самых темных до ярких (размах
видеосигнала от 0 до 0,7 В), опорный уровень находится в середине.
Если на изображении появляются очень яркие места, то это приведет к уточнению опорной точки и сужению отверстия диафрагмы
для получения видеосигнала с «полным динамическим» диапазоном. Визуально изображение будет высококонтрастным.
Рассмотрим это на примере [20]. В качестве объекта используем
тест-таблицу градационного клина с шестью градациями яркости
(рис. 2.48, а). На экране видеомонитора тест-таблица будет отображаться в виде шести градаций яркости (рис. 2.48, г). Видеосигнал
от этого изображения представляется в виде шести равномерно расположенных ступенек: первая (нижняя) ступенька соответствует
черной полосе на градационном клине, а шестая (верхняя) – белой
полосе (рис. 2.48, б). Соответствие ступенек градациям яркости показано на рис. 2.48, в.
90
а)
б)
в)
г)
U, В
0,7
0,3
П
t
а)
U, В
б)
Уровень белого
U, В
0,7
0,7
Уровень черного
t
0,3
г)
Уровень белого
Уровень черного
t
ек
а
0,3
в)
ГУ
А
Рис. 2.48. Выбор рабочей точки регулировки ALC
Рис. 2.49. Искажения яркости при неправильной регулировке ALC
би
бл
ио
т
Увеличим уровень яркости белой полосы на тест-таблице. Увеличение яркости на входе телевизионной камеры будет присутствовать
и в видеосигнале (рис. 2.49, а) как существенное увеличение амплитуды белой полосы относительно «уровня белого». Поэтому автодиафрагма сразу же начнет уменьшать отверстие диафрагмы, тем самым уменьшая и амплитуду видеосигнала до такого значения, когда
амплитуда белой полосы вернется к «уровню белого» (рис. 2.49, в).
Но с уменьшением амплитуды видеосигнала белой полосы пропорционально уменьшаются уровни и всех остальных градаций яркости. В результате вместо шести градаций с равномерным изменением яркости на экране практически будут воспроизведены только
четыре градации, причем большая часть экрана становится черной
(рис. 2.49, г).
Такой случай характерен при работе телекамеры в условиях, когда объект наблюдения, находящийся на переднем плане,
представляет темное пятно, а фон – это ярко освещенный задний
план, например, при размещении телекамер в проходах, когда она
«смотрит» сквозь стеклянные двери или против яркого фона. Яркий фон заставляет отверстие диафрагмы закрываться, что делает
темные объекты еще более темными, иногда слишком темными,
чтобы можно было различить детали. Человек или объект против
91
б)
ГУ
А
Рис. 2.50. Влияние регуляторов ALC и Level
на высококонтрастные сюжеты
П
а)
би
бл
ио
т
ек
а
яркой засветки виден как силуэт (рис. 2.50, а). В таком случае необходимо заменить принятую по умолчанию установку ALC на экстремальную и заставить диафрагму не учитывать яркие участки
и раскрыть отверстие больше, чем обычно на одно-два значения
F-числа. Тогда находящиеся в тени объекты будут более различимы (рис. 2.50, б).
Аналогично, ALC может быть настроена и на выполнение противоположной задачи, т. е. можно больше закрыть отверстие диафрагмы для того, чтобы разглядеть детали очень яркого заднего
плана.
Первый пример соответствует установке ALC на Peak, а второй –
установке ALC на Average. Установки по умолчанию обычно находятся в середине этого диапазона.
2.3.7. Типы объективов
В ТВСН используются два основных типа объективов (в отношении их фокусного расстояния) – объективы с фиксированным и
с переменным фокусным расстоянием.
Объективы с фиксированным фокусным расстоянием имеют постоянное фокусное расстояние, т. е. дают только один угол зрения.
Такие объективы обычно изготавливаются с минимальными аберрациями, максимальной разрешающей способностью и содержат
минимальное количество подвижных оптических элементов – перемещается только фокусировочная группа линз.
По типу диафрагмы подразделяются на объективы с ручной
установкой диафрагмы (MI) и автоматической диафрагмой (AI).
Объективы с переменным фокусным расстоянием носят название вариообъективов.
92
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Устройство, обеспечивающее непрерывное изменение фокусного расстояния, называется трансфокатором (zoom, что означает
«взмывать», «набирать высоту», иначе – изменять масштаб изображения, увеличивать изображение). Принцип работы вариообъектива заключается в одновременном перемещении нескольких
групп линз. Внешний вид вариообъектива представлен на рис 2.51.
Показанный объектив имеет предел изменения фокусного расстояния от 3,5 до 8 мм, F = 1,4, формат 1/3″, тип крепления CS.
Оптическая схема вариообъектива представлена на рис. 2.52 [30].
Объектив содержит достаточно большое число линз, объединенных
в следующие функциональные группы:
– 1 – фронтальная группа предназначена для фокусировки объектива. В объективах старого образца фокусировка обеспечивалась
перемещением всей группы линз или ее передней части. В современных объективах для фокусировки перемещают линзы внутри фронтальной группы (внутренняя фокусировка – Inner Focus). Такое решение позволило заметно уменьшить размеры передних линз.
– 2 – вариогруппа обеспечивает режимы работы с переменным
фокусным расстоянием и содержит две подгруппы: подгруппа 2.1
изменяет фокусное расстояние; подгруппа 2.2 является компенсирующей и корректирует сдвиг изображения при изменении фокусировки. Перемещение линз подгруппы 2.1 является линейным,
подгруппы 2.2 – нелинейным.
Непосредственно за вариогруппой размещается ирисовая диафрагма.
– 3 – группа неподвижных
линз (постоянная группа) под- Наведение на резкость
держивает неизменным задний (кольцо фокусировки)
Изменение фокусного
рабочий отрезок объектива во
расстояния
всем интервале изменения фокусного расстояния.
Как видно из оптической схемы объектива, он содержит множество поверхностей раздела
сред с разной оптической плотностью. На этих поверхностях
световые лучи не только преломляются, но и отражаются, что
приводит к появлению бликов,
рассеянных потоков, снижаюРис. 2.51. Вариообъектив
щих контрастность, и т. п. Чтобы
93
2
1
2.2
Ирисовая
диафрагма
ГУ
А
2.1
П
3
Рис. 2.52. Оптическая схема вариообъектива
би
бл
ио
т
ек
а
устранить нежелательные процессы отражения, применяют антиотражающие покрытия – это тонкие многослойные пленки, напыленные на границах разделов.
Изображенное на рис. 2.52 положение линз второй группы соответствует широкому углу зрения. Смещение подгруппы линз 2.1
к подгруппе 2.2 даст узкий угол зрения (режим теле). Смещение
линз группы 2.1 в сторону окуляра и встречное, незначительное
перемещение линз группы 2.2 даст средний угол зрения.
Объективы с трансфокатором характеризуются кратностью
(zoom ratio), или коэффициентом увеличения. Кратность равна отношению фокусного расстояния в режиме «теле» к фокусному расстоянию при настройке на самый широкий угол зрения. Обычно
угол зрения в режиме «теле» ýже, чем стандартный угол зрения,
а в режиме широкоугольной съемки – шире. Поскольку в режиме
«теле» фокусное расстояние всегда больше, чем в широкоугольном
режиме, то и кратность всегда больше единицы.
Вариообъективы также характеризуются относительным отверстием (F-числом или Т-числом). Как уже говорилось, F-число
в вариообъективах относится к минимальному фокусному расстоянию. Например, для объектива (см. рис. 2.51) с фокусным расстоянием от 3,5 до 8 мм/1,4 F = 1,4 относится к фокусному расстоянию
3,5 мм. F-число не постоянно в пределах изменения фокусного расстояния. Обычно при увеличении фокусного расстояния сначала
оно остается постоянным, но после достижения некоторого значения фокусного расстояния происходит увеличение относительного отверстия (так называемый F-drop). Фокусное расстояние, при
котором происходит F-drop, зависит от конструкции объектива. Но
94
ек
а
ГУ
А
П
общее правило таково, что чем меньше входная группа линз, тем
сильнее проявляется F-drop. Поэтому для сведения к минимуму
F-drop эффекта объективы с большим увеличением должны иметь
большие элементы передней группы линз.
Вариообъективы, как и объективы с фиксированным фокусным
расстоянием, могут иметь диафрагму с ручной установкой, автоматическую диафрагму или с сервоприводом.
Вариообъективы с ручной установкой диафрагмы снабжены
кольцом диафрагмы, настраиваемым вручную установщиком или
пользователем. Такой тип объективов редко используется в ТВСН.
Вариообъективы с автоматической ирисовой диафрагмой, или
автодиафрагмой (AI), используются наиболее часто. Как и в случае
объективов с фиксированным фокусным расстоянием, такие объективы в зависимости от типа управления делятся на объективы
с управлением от видеосигнала (video drive) и на управление постоянным напряжением (direct drive). Этот тип объективов имеет возможности регулировки Level и ALC.
У вариообъективов с управлением диафрагмой с сервоприводом
раскрыв диафрагмы контролируется дистанционно и устанавливается оператором в зависимости от уровня освещенности.
2.3.8. Крепление и задний фокус объектива
би
бл
ио
т
В настоящее время существуют два стандарта расстояний от
заднего фланца объектива до плоскости ПЗС-матрицы и соответственно два типа крепления объектива (рис. 2.53):
– С-крепление (C-mount), соответствующее расстояние от заднего фланца 17,5 мм (точнее 17,526 мм). Это стандартное крепление,
разработанное для телекамер с передающими трубками. Крепление
представляет собой металлическое кольцо с резьбой 1,00/32 мм, а
удаление фронтальной поверхности от плоскости изображения равно 17,5 мм.
– CS-крепление (CS-mount), соответствующее расстояние от заднего фланца 12,5 мм. Это новый стандарт, предназначенный для
меньших по размеру телекамер и объективов. Здесь используется
такая же, как и в С-креплении, резьба 1,00/32 мм, но оно почти
на 5 мм ближе к плоскости формирования изображения. Стандарт
отражает тенденцию к сохранению совместимости со старыми объективами с С-креплением (добавлением 5-мм кольца) и стремление
к созданию более дешевых и миниатюрных объективов, соответствующих размерам ПЗС-матриц.
95
12,5
CS
Точка
фокуса
П
C
ГУ
А
Переходное
кольцо C/CS
12,5
17,526
Рис. 2.53. Типы крепления
би
бл
ио
т
ек
а
Поскольку оба стандарта используют резьбовой тип крепления
объектива, то при установке могут возникнуть небольшие вариации в позиции объектива относительно ПЗС-матрицы. Поэтому
возникает необходимость в небольших изменениях этого положения (регулировке заднего фокуса). Под регулировкой заднего фокуса (back-focus) понимается регулировка положения плоскости
ПЗС-матрицы относительно заднего фланца объектива.
В фотографии, например, никогда не говорят о регулировке заднего фокуса, так как, во-первых, большинство марок фотоаппаратов выпускается с байонетным соединителем, который обеспечивает фиксированное положение объектива относительно плоскости
пленки. Во-вторых, наводка на резкость осуществляется в каждом
конкретном случае. Что касается камкордеров (видеокамер), то их
объектив составляет неотъемлемую часть камеры, так что задний
фокус уже настроен и никогда не меняется.
В ТВСН совершенно другая ситуация из-за модульной концепции
комбинации телекамера/объектив и наличия резьбового крепления.
Регулировка заднего фокуса особенно критична при использовании вариообъективов. Чтобы достичь хорошей фокусировки во
всем диапазоне работы трансфокатора, расстояние от заднего фланца объектива до ПЗС-матрицы в вариообъективах должно быть
очень точным.
Очевидно, регулировка заднего фокуса применима и к объективам с фиксированным фокусным расстоянием. Если задний фокус
на зафиксированном объективе настроен корректно, то указатель
96
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
расстояния покажет действительное расстояние между телекамерой и объектом. Однако в большинстве случаев при монтаже системы не обращают внимания на указатель расстояния на объективе,
так как четкость изображения устанавливается по видеомонитору.
Кроме того, на многих объективах нет указателя расстояний.
При настройке заднего фокуса необходимо принимать во внимание еще один важный фактор – эффект глубины резкости. Если
ПЗС-камера устанавливается днем (а чаще всего так и происходит)
и используется объектив с автодиафрагмой, то естественно, что
диафрагма устанавливается на большие значения F-числа, что дает
резкое изображение и большую глубину резкости. Изображение
кажется четким, независимо от того, в какое положение устанавливается фокусировочное кольцо. Однако ночью, при низкой освещенности, отверстие диафрагмы раскрывается полностью и глубина резкости уменьшается. Поэтому регулировку заднего фокуса
надо проводить при малых значениях F-числа.
При этом могут использоваться следующие методы:
– задний фокус настраивается перед установкой телекамеры
при низких уровнях освещенности в помещении;
– задний фокус настраивается поздно вечером на месте;
– задний фокус настраивается в дневное время, на месте, с использованием внешних нейтрально-серых фильтров.
Настройка заднего фокуса для телекамер с электронным затвором может проводиться даже днем, и при этом не будет нарушена глубина резкости и не понадобятся нейтральные фильтры,
поскольку диафрагма может быть полностью раскрыта даже днем,
потому что электронный затвор будет компенсировать сигнал, вызывающий избыточный свет.
Регулировка заднего фокуса. В объективах с фиксированным
фокусным расстоянием на самом объективе нанесена разметка расстояний до объекта. Поэтому, если известно расстояние до объекта,
то, установив фокусировку объектива на это же расстояние по отметке, можно судить о правильности установки заднего фокуса –
изображение на видеомониторе должно быть резким.
Вариообъективы, используемые в ТВСН, не снабжены указателем расстояний. Однако все объективы имеют две характерные
точки – предельные положения фокусировочного кольца: фокусировка на бесконечность (за этой точкой объектив не имеет фокуса)
и фокусировка на минимальное расстояние до объекта. Последнее
различно для различных объективов и дается только в технических
характеристиках, которые могут и не поставляться с объективом.
97
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
В результате остается только одна известная точка фокусировки – бесконечность. Бесконечность – это достаточное большое расстояние, при котором объектив, установленный на отметку «∞»,
дает резкое изображение.
В технических описаниях на телекамеры даются следующие рекомендации [31]:
Для объектива с постоянным фокусным расстоянием (без
трансфокатора):
– наведите телекамеру на объект с контрастными деталями (например, испытательную таблицу), расположенный на расстоянии
более 10 м от камеры, и установите кольцо регулировки фокуса
в положение «бесконечность» (∞);
– с помощью перемещения рычага (винта) регулировки заднего
фокуса добейтесь наилучшего качества изображения объекта;
– затяните стопорный винт рычага регулировки заднего фокуса.
Для объектива с переменным фокусным расстоянием (с трансфокатором):
– наведите телекамеру на объект с контрастными деталями (например, испытательную таблицу), расположенный на расстоянии
от 3 до 5 м от камеры и поверните объектив до упора в положение
tele (телеобъектив); затем с помощью кольца фокусировки добейтесь наилучшего качества изображения объекта;
– поверните объектив до упора в положение wide (широкоугольный объектив), а затем с помощью перемещения рычага регулировки заднего фокуса добейтесь наилучшего качества изображения
объекта;
– повторите описанные выше операции 2-3 раза для того, чтобы
добиться одинаковой фокусировки при установках трансфокатора в положение «телеобъектив» и в положение «широкоугольный
объектив».
Довольно часто при использовании черно-белых телекамер
с инфракрасным светом возникает другой эффект. Из-за того, что
инфракрасный свет имеет бóльшую длину волны (по сравнению
с обычным светом) и меньший показатель преломления, плоскость
сфокусированного изображения размещается немного позади
плоскости ПЗС-матрицы. Если днем изображение за счет ГРИП
резкое, то в ночное время объекты на том же расстоянии будут не
в фокусе. Это довольно заметный и нежелательный эффект. Чтобы
минимизировать его, необходим специальный объектив с компенсацией инфракрасного света. Другим решением проблемы является настройка заднего фокуса объектива телекамеры ночью при ин98
фракрасном свете. Днем глубина резкости увеличит зону резкости
до большего диапазона, компенсируя разницу между фокусом при
инфракрасном и нормальном свете.
2.3.9. Системы автоматической фокусировки
ек
а
ГУ
А
П
Классификация методов фокусировки представлена на рис. 2.54
[32]. Существуют три способа фокусировки: ручная фокусировка
(MF – manual focus), автоматическая фокусировка (AF – auto focus)
и фокусировка с сервоуправлением (motorized zoom).
Под фокусировкой понимается настройка объектива на точное
расстояние до объекта съемки, при этом проекция изображения
объекта осуществляется точно на ПЗС-матрицу, т. е. в фокальную
плоскость. Настройка производится путем перемещения линз (или
группы линз) внутри объектива.
Ручная фокусировка выполняется с помощью кольца фокусировки (см. рис. 2.51), либо установкой объектива на гиперфокальное расстояние, при котором дальняя ГРИП находится в бесконечности, а ближняя – на половине гиперфокального расстояния.
Способы фокусировки
С сервоуправлением
би
бл
ио
т
Ручная
Автоматическая
Активная
Метод излучений
Зональный метод
(тригонометрический)
Частотноконтрастный метод
Пассивная
Фазовый метод
(система TCL)
Рис. 2.54. Способы фокусировки
99
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
В вариообъективах с сервоуправлением управление фокусировкой и масштабом осуществляется подачей оператором соответствующих постоянных напряжений с пульта управления. Максимальная кратность у современных объективов может достигать 34.
Такие объективы могут применяться на объектах, где при видеонаблюдении требуется время от времени дистанционно изменять
размер контролируемой зоны (масштаб контролируемого изображения), сосредоточивая внимание на удаленных предметах или,
наоборот, переходя к панорамному наблюдению. Некоторые из подобных объективов имеют функцию предустановки (presets), которая обеспечивает автоматическую установку по сигналу тревоги на
заранее заданное фокусное расстояние.
При автоматической фокусировке наведение на резкость достигается за счет специальных датчиков и механизма, перемещающего линзы объектива.
Система автоматической фокусировки может быть активной и
пассивной. Активная система, основанная на методе нахождения
дистанции съемки (метод излучений), представляет собой встроенный в переднюю панель корпуса камеры излучатель и приемник –
электронный датчик, воспринимающий интенсивность отраженного луча.
Впервые активную автоматическую фокусировку в 1986 г. применила компания Polaroid. В ее работе используется принцип сонара. Работа сонара основана на отражении звука от предметов, точнее их поверхностей. Сонар посылает направленный звуковой луч
и затем замеряет временной интервал, когда луч возвращаетя. Зная
скорость звука в воздушной среде, даже самая простая электроника
сможет вычислить расстояние до объекта съемки. По результатам
измерения линза объектива передвигается в нужное положение.
В современных устройствах автоматической фокусировки вместо звукового луча используется инфракрасный луч. Замена звука
инфракрасным светом связана с несравнимо большей скоростью
распространения света, а соответственно быстрее работает и фокусировка. Преимущества – более высокая скорость работы и независимость от установленного на камеру объектива. Недостатки – небольшая дистанция действия, поскольку свет с увеличением расстояния рассеивается; невозможность фокусировки через стекло
из-за отражения света. Инфракрасной системой автофокусировки
оснащаются фотоаппараты любительского класса. Особенностью
активной автофокусировки является то, что расстояние определяется до ближайшего объекта, попавшего в поле зрения объектива.
100
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Ультразвуковое излучение применяется в фотоаппаратах для
съемки в экстремальных условиях (например, под водой) и в телекамерах специального назначения, в которых диапазон фокусировки относительно невелик.
В системах активной автофокусировки используется также метод зональной тригонометрии со встроенным дальномером. И здесь
используется инфракрасный пучок лучей. Сведение световых пучков – направленных в сторону объекта съемки и отраженных – происходит в том случае, когда в дальномере будет наблюдаться одно
изображение, а не два, т. е. будет выполнена фокусировка [32].
В пассивных системах автоматической фокусировки сигнал
управления вырабатывается па основе анализа временных переходов в получаемом видеосигнале. В телекамерах в основном применяются два типа пассивных систем автофокусировки, название
которых происходит от названия метода, положенного в их основу
[33]. Это:
– фазовый метод – система TCL (through the camera lens);
– частотно-контрастный метод.
Частотно-контрастный метод подразделяется:
– на пьезоэлектрическую систему;
– цифровую интегральную систему.
Система TCL. Дословный перевод названия системы TCL – действует непосредственно через объектив. Структурная схема системы приведена на рис. 2.55 [33]. В этой системе прошедший через
объектив луч света полупрозрачным зеркалом разделяется на две
составляющие. Одна, основная, направляется на ПСЗ-матрицу,
а вторая – на датчик системы автоматической фокусировки – линейку ПЗС. Микропроцессор анализирует сигнал, считываемый
с линейки ПЗС, и формирует сигнал управления, в соответствии
с которым двигателем фокусировки осуществляется коррекция
положения фокусирующих линз объектива. Высокая точность выполнения системой TCL описанных выше операций обеспечивает
острую фокусировку оптического изображения снимаемого объекта на ПЗС-матрице.
Рассмотрим более подробно принцип построения и функционирования модуля датчика системы TCL. На рис. 2.56 приведена схема
оптической системы, а на рис. 2.57 рассмотрен принцип ее работы.
Прошедший через объектив камеры пучок лучей, образующий
изображение контролируемого объекта, подается на линзы конденсора модуля датчика системы TCL (на рис. 2.55 зеркала оптической
системы камеры не приведены). Далее апертурной маской из него
101
Устройство
сопряжения
Процессор
Сигнал
управления
П
Зеркало полного
отражения
Двигатель
фокусировки
ГУ
А
Датчик
К ПЗСматрице
Падающий
свет
Полупрозрачное
зеркало
ек
а
Объектив
би
бл
ио
т
Рис. 2.55. Структурная схема системы TCL
Апертурная
маска
Линзы
объектива
Модуль датчика
Объект
Эквивалентное
положение
матрицы-ПЗС
Конденсор
Линейка
ПЗС
Разделяющие
линзы
Рис. 2.56. Схема оптической части датчика системы TCL
102
Плоскость
изображения
(ПЗС)
Положение изображений
на ПЗС-линейке
Df
D
Фокусировка
за матрицей
D
f
Точная
фокусировка
ГУ
А
Df
П
f
Df
ек
а
D
f
Фокусировка
перед матрицей
би
бл
ио
т
Рис. 2.57. Принцип управления фокусировкой
выделяются два крайних луча, которые разделяющими линзами
фокусируются в плоскости фоточувствительного датчика, выполненного в виде линейки ПЗС.
Как видно из рис. 2.57, на выходе линейки ПЗС формируются
два сигнала, расстояние между которыми и является измеряемой
величиной, характеризующей качество фокусировки проецируемого на ПЗС-матрицу изображения. Расстояние, соответствующее
нормальной фокусировке изображения объекта в плоскости ПЗСматрицы, является опорным для формирования сигнала расфокусировки и последующей ее коррекции. Значение этого расстояния
измеряется в процессе юстировки оптической системы телекамеры
производителем и записывается в память микропроцессора (см.
рис. 2.55). В случае расфокусировки изображения, например, когда точка острой фокусировки сдвинута и находится перед или за
(см. рис. 2.57) эквивалентной плоскостью матрицы ПЗС, расстояние между сигналами линейки ПЗС, соответственно, увеличива103
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
ется или уменьшается. Микропроцессор системы автоматической
фокусировки измеряет расстояние между сигналами, сравнивает
полученное значение с опорным и вырабатывает соответствующий
сигнал управления двигателем фокусировки для коррекции положения фокусирующих линз объектива.
Недостатком телекамер, оборудованных системой автофокусировки типа TCL, является уменьшение их чувствительности к освещенности снимаемой сцены. Это обусловлено тем, что для осуществления функции автофокусировки отбирается часть падающего от
объекта на ПЗС-матрицу света. В связи с этим в настоящее время
появляются модели телекамер, имеющие свой, независимый от основного, оптический канал фокусировки. Однако реализация этого
конструктивного решения связана с некоторым усложнением схемы объектива и механизма автофокусировки, поэтому для ТВСН
малопригодна.
Пьезоэлектрическая система. Данная система автофокусировки (piezo AF) разработана фирмой Matsushita Electric Corporation.
В основу этой системы положен принцип, основанный на анализе
уровня высокочастотных составляющих сигнала изображения, поступающего с матрицы ПЗС, и последующем перемещении фокусирующей линзы в положение, соответствующее максимальной резкости. Матрица ПЗС устанавливается в центре пьезоэлектрической
пластины, изгибающейся под воздействием низкочастотного электрического сигнала. Этот изгиб пластины эквивалентен смещению
матрицы ПЗС относительно плоскости оптимальной фокусировки
с соответствующим изменением уровня и фазы высокочастотных
(ВЧ) составляющих видеосигнала.
Само перемещение линз обеспечивает специальный шаговый
микродвигатель через червячную передачу. Принцип действия
иллюстрирует рис. 2.58, где на рис. 2.58, а показано соотношение
между условиями фокусировки и уровнем высокочастотных составляющих, на рис. 2.58, б – зависимость последнего от положения
линзы фокусировки и фазовые соотношения в AF. Для определения
правильного направления вращения электродвигателя фокусировки использован специальный алгоритм функционирования при
автоматическом наведении на резкость. Уровень высокочастотных
составляющих в сигнале изображения от снимаемого объекта определяется микропроцессором AF. Если уровень мал, двигатель перемещает фокусирующую линзу в крайнее положение независимо от
того, ухудшается или улучшается фокусировка. Если она ухудшается, поступает команда на реверсирование двигателя.
104
а)
Черное
Белое
Черное
Снимаемый объект
Условие
хорошей
фокусировки
ФВЧ
Uвч
б)
Uвых
ек
а
Uвых
ГУ
А
Условие
плохой
фокусировки
П
ФВЧ
Uвых
х
би
бл
ио
т
Положение линзы
фокусировки «близко»
Положение линзы
фокусировки «бесконечность»
Uг
Uг
Точка
правильной
фокусировки
Рис. 2.58. Зависимость уровня ВЧ-составляющих
от степени фокусировки
В конце перемещения AF заставляет ПЗС-матрицу вибрировать
с частотой 6,25 Гц. Это необходимо для получения правильной
фазы (направления вращения вала двигателя) движения линзы,
определяемого путем сравнения фаз внутреннего модулятора Uг и
сигнала в тракте изображения. Как можно понять, процесс длится
до установки линзы в точку наилучшей резкости (см. пик кривой
на рис. 2.58, б).
105
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
В случае, если уровень ВЧ-составляющих сигнала изображения
в момент начала работы AF высок, двигатель заставляет вибрировать линзу сразу, без перемещения в крайнее положение. Амплитуда вибраций лежит в интервале от +20 до +120 мкм в зависимости
от характеристик снимаемого объекта. Такие вибрации незаметны
глазу, а фокусировка для большинства случаев выполняется очень
точно. Затруднения возникают тогда, когда, например, при съемке отдаленных объектов в поле объектива попадают близко расположенные предметы (листья деревьев и т. п.). Тогда система AF не
«знает», на какой объект ей требуется наводить. В таких случаях
необходима ручная регулировка резкости.
Цифровая интегральная система. Цифровая интегральная система автофокусировки стала возможной после появления новых
процессоров, способных в реальном времени обрабатывать массивы
данных изображения. Информация о видеосигнале с матрицы программно разбивается на определенное количество участков: горизонтальных полос длиной от 10 до 100 пикселей. Микропроцессор
вычисляет абсолютные значения яркости для каждой точки, после
чего происходит сравнение яркости соседних точек. Если объект
съемки расфокусирован, то разница между ними будет минимальна
и механизму перемещения линз подается сигнал занять новое положение. Вся процедура повторяется до тех пор, пока разница не достигнет максимального значения, т. е. телекамера сфокусирована.
Контрастный способ автофокусировки удобен тем, что нет необходимости устанавливать в камеру дополнительные датчики. Задача решается исключительно программным способом, а это позволяет удешевить конструкцию камеры в целом.
Минус этой системы – низкое быстродействие. Микропроцессор
в отдельный момент времени не обладает информацией о том, правильно ли осуществлена фокусировка. Принять решение возможно
только на основании относительных данных, а для этого требуется
выполнить серию сравнений.
2.3.10. Качество объективов
Факторы, определяющие качество объективов, можно разделить на следующие группы [17]:
1. Конструкция объектива:
– число элементов;
– взаимное расположение элементов;
– коррекция аберрации на этапе проектирования.
106
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
2. Производство оптических элементов:
– тип оптического стекла;
– технология и тип стеклопроизводства (нагревание, охлаждение, беспримесность);
– точность шлифовки и полировки (это очень важно);
– просветляющее покрытие стекла.
3. Механическая конструкция объектива:
– фиксация положения объектива и стабильность (к ударам,
температуре и т. д.);
– механические движущиеся части объектива (особенно, трансфокатор, фокусировка, лепестки диафрагмы);
– внутреннее отражение света (черное поглощающее покрытие),
– шестерни для объективов с сервоприводом (пластмасса, металл, точность).
4. Электроника (у автодиафрагмы и объективов с сервоприводом):
– качество электроники автоматической диафрагмы (усиление,
стабильность, точность);
– энергопотребление (для автоматической диафрагмы, как правило, низкое, но некоторые старые модели могут требовать больше,
чем может дать телекамера);
– схема трансфокатора и фокусировки (напряжение: 6, 9 или
12 В, трех- или четырехпроводный кабель управления).
Просветление оптики – это нанесение на поверхность линз, граничащих с воздухом, тончайшей плёнки или нескольких плёнок
одна поверх другой. Это необходимо для увеличения светопропускания оптической системы. Показатель преломления таких плёнок меньше показателя преломления стёкол линз.
Просветляющие плёнки уменьшают светорассеяние и отражение падающего света от поверхности оптического элемента, соответственно улучшая светопропускание системы и контраст оптического изображения.
По методике нанесения и составу просветляющего покрытия
просветление бывает физическим (напыление) и химическим
(травление).
Толщина просветляющего слоя (например, кремниевой кислоты) равняется 1/4 длины световой волны. В этом случае лучи, отражённые от её наружной и внутренней сторон (рис. 2.59), погасятся вследствие интерференции, и их интенсивность станет равной
нулю. Для наилучшего эффекта показатель преломления просветляющей плёнки должен равняться квадратному корню показателя
преломления оптического стекла линзы. Наиболее подходящим
107
ий
щ
аю ет
ад св
П
λ/4
λ
η1 = 1
η2
ГУ
А
ек
а
От
ий
ш
ед
ш ет
ро св
ра
ж
св ен
ет н
ы
й
П
П
η
Рис. 2.59. Принцип работы просветляющего слоя
би
бл
ио
т
материалом для просветляющей пленки является фторид бария,
обладающий весьма низким (n = 1,38) показателем преломления.
Однако фторид бария растворим в воде и требует нанесения защитного покрытия.
Отражательная способность стекла, просветленного таким способом, сильно зависит от длины волны, что является основным недостатком однослойного просветления. Минимум отражательной
способности соответствует длине волны λ = 4dn, где d – толщина
пленки; n – ее показатель преломления [7, 10]. В первых просветлённых объективах добивались понижения коэффициента отражения для лучей зелёного участка спектра (555 нм – область наибольшей чувствительности человеческого глаза), поэтому на отражение
стекла таких объективов имели сине-фиолетовую или голубоватозелёную окраску («голубая оптика»). Напротив, пропускание света
таким объективом максимально на этой длине волны, что приводило к заметному окрашиванию изображения.
В настоящее время однослойное просветление чаще используется для лазерной оптики, рассчитанной на работу в узком спектральном диапазоне. В телевидении используются объективы
с многослойным просветлением.
108
ек
а
ГУ
А
П
Многослойное просветляющее покрытие представляет собой
последовательность чередующихся слоев (их число достигает 15 и
более) из двух (или более) материалов с различными показателями
преломления. Многослойные просветляющие покрытия характеризуются низкими потерями на отражение (узкополосные покрытия
для лазерной оптики с отражательной способностью около 0,3 % и
менее, широкополосные – до 0,5 %). Основное преимущество многослойного просветления применительно к фотографической и наблюдательной оптике – незначительная зависимость отражательной способности от длины волны в пределах видимого спектра.
Просветлённый объектив требует бережного обращения, так
как плёнки, нанесенные на поверхность линз, легко повредить.
Кроме того, тончайшие пленки загрязнений (жир, масло) на поверхности просветляющего покрытия нарушают его работу и резко
увеличивают отражение света от загрязненной поверхности. Следует помнить, что следы пальцев со временем разрушают не только
просветление, но и поверхность самого стекла.
2.4. Датчики телевизионнго сигнала
2.4.1. Типы телекамер
би
бл
ио
т
Телекамеры являются важнейшим элементом, входящим в состав любой ТВСН, и служат для преобразования оптического изображения контролируемого объекта (в видимом или невидимом
инфракрасном диапазонах) в электрический видеосигнал для последующего использования, например, для отображения или дальнейшей обработки.
Современные телекамеры имеют широкие возможности и могут:
– формировать сигналы высококачественного цветного или черно-белого изображения;
– работать в широком диапазоне освещенностей: от солнечного
дня до практически полной (для человеческого глаза) темноты, автоматически адаптируясь к изменяющейся освещенности;
– сохранять работоспособность практически при любых погодных условиях (в широком диапазоне температур, в дождь и т. п.);
– подключатся к ТВСН по различным каналам связи (ТВкабелю, витой паре, по радиоканалу, по компьютерным сетям);
– имеют достаточно высокую степень защиты от механических
воздействий;
109
ек
а
ГУ
А
П
– имеют возможность управления по положению и углу поля
зрения;
– имеют малые габариты (например, видеоглазок);
– имеют внешний вид, вписывающийся в интерьер помещения.
Конструктивное исполнение предполагает следующие возможные варианты конструкции (рис. 2.60) [6]:
– телекамеры в стандартном корпусе (как правило, без объективов);
– уличные телекамеры (как правило, установленные в термокожухи с кронштейном) (рис. 2.60, а);
– миниатюрные телекамеры: «квадраты», цилиндрические, купольные, шары (рис. 2.60, б);
– взрывобезопасные телекамеры (конструкция которых исключает образование электрической искры, что позволяет использовать их в специальных помещениях (рис. 2.60, в);
– телекамеры, входящие в состав мини-видеосистем с инфракрасной подсветкой, микрофоном и громкоговорителем (рис. 2.60, г).
– скоростные поворотные телекамеры (рис. 2.60, д);
– IP-телекамеры (рис. 2.60, е);
б)
би
бл
ио
т
а)
г)
д)
з)
в)
е)
и)
Рис. 2.60. Типы телекамер
110
ж)
ек
а
ГУ
А
П
– бескорпусные телекамеры (рис. 2.60, ж);
– дверные видеоглазки (телекамеры со сверхширокоугольным
объективом без регулировки диафрагмы, устанавливаемые во
входные двери (рис. 2.60, з);
– телекамеры специального дизайна (рис. 2.60, и).
Быстрое развитие телевизионных систем наблюдения в 90-е гг.
прошлого века было обусловлено появлением принципиально новых светочувствительных элементов для телекамер. Прежнее
поколение телекамер использовало электровакуумные передающие телевизионные трубки, обладающие достаточно большими
габаритами и малым сроком службы. Современные телекамеры
используют главным образом ПЗС-матрицы. В последние годы
получают развитие телекамеры с чувствительными элементами,
использующими КМОП-структуры (комплементарная структура
металл-оксид-полупроводник, CMOS – complementary metal-oxidesemiconductor), позволяющие реализовать в одном интегральном
элементе не только матрицу, но и схему обработки.
2.4.2. Принципы телевизионной передачи
изображений
би
бл
ио
т
Телевизионное изображение формируется на экране видеомонитора и предназначено для рассматривания его глазом. Получателем
телевизионного изображения является оператор, поэтому параметры и характеристики ТВСН должны выбираться из условий ее согласования со свойствами и характеристиками зрительной системы человека-оператора.
Задача ТВСН контролировать обстановку на охраняемой территории. Источником сигнала является отраженный от объектов световой поток. В подавляющем большинстве случаев – это диффузное отражение, хотя нередко встречается и зеркальное отражение.
Способность каждого объекта или его деталей различно отражать
световой поток или излучать (самосветящиеся объекты) является
оптическим свойством объекта, а отраженный (излученный) каждой деталью объекта световой поток – источником зрительной информации о нем, воспринимаемой оператором.
Интенсивность и спектральный состав характеризуют воспринимаемые оператором яркость и цвет каждой точки объекта, а направление потока – пространственное расположение той же точки.
В общем случае объект передачи характеризуется следующими
параметрами: яркостью, цветом и пространственным расположе111
ГУ
А
ï
L = fL (x, y, z,t),ü
ï
ï
λ = fλ (x, y, z,t), ï
ý
ï
ï
p = fp (x, y, z,t).ï
ï
ï
þ
П
нием. Так как каждая точка объекта располагается в трехмерном
пространстве, а при движении и изменении освещенности меняется характер распределения яркости и цвета всех точек рассматриваемых объектов, математическая модель объектов передачи является многомерной функцией пространственно-временного распределения яркости L, цветового тона λ и чистоты цвета р, т. е.
би
бл
ио
т
ек
а
где х, у, z – пространственные координаты; t – время.
Главной задачей телевидения и ТВСН, в частности, является
нахождение способов такого преобразования изображения объекта, чтобы его можно было передавать методами электросвязи. При
этом изображение на экране видеомонитора должно как можно более соответствовать объекту передачи.
Одним из основных свойств электрического канала связи является возможность передавать в каждый момент времени только
одно значение сигнала. Следовательно, сигнал должен быть функцией только одной независимой переменной – времени, т. е. электрический сигнал характеризуется одномерной зависимостью напряжения от времени:
u = fu (t).
Преобразование трех многомерных функций передачи непосредственно в одномерный сигнал невозможно, но можно пойти на ряд
упрощений в формировании передаваемого изображения, упрощая
и их математические описания.
При передаче черно-белых плоских движущихся изображений
распределение яркости будет являться функцией трех переменных
L = fL (x, y,t).
Для решения задачи преобразования трехмерного сигнала в одномерный используются два фундаментальных принципа, которые
лежат в основе телевидения, – дискретизация изображения и его
развертка, т. е. в телевидении используется пространственная и
временная дискретизация.
Пространственная дискретизация заключается в разбиении всего поля передаваемого изображения на конечное число дискретных
112
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
элементов, внутри которых яркость и цвет считаются постоянными, т. е. не различимы глазом.
Второй принцип телевидения заключается в поэлементной передаче всего изображения. Процесс последовательной, поочередной
передачи элементов изображения называется разверткой (сканированием) изображения.
Передача движущихся изображений осуществляется так же,
как в кино, методом последовательной передачи большого количества неподвижных изображений в секунду  кадров. Благодаря
быстрой смене кадров, каждый из которых представляет собой
неподвижное изображение, запечатленное с определенной фазой
движения объекта передачи, у оператора создается иллюзия непрерывного движения.
Закон развертки на приемном и передающем преобразователях
должен быть одинаковым. Кроме того, требуется строгая синхронность и синфазность разверток на передающем и приемных устройствах. Если эти условия не будут соблюдаться, то воссоздать на
приемном конце изображение объекта невозможно.
В телевизионном вещании принята линейно-строчная развертка
(слева направо и сверху вниз, что аналогично привычному письму
и чтению), т. е. передача элемента за элементом с постоянным направлением и скоростью вдоль строки и с постоянной скоростью
чередования строк в кадре. После каждой строки и каждого кадра
передаются синхронизирующие сигналы, определяющие начало
разверток по строке и кадру. Точность синхронизации и постоянство скоростей развертки по строке и кадру определяют точность
воспроизведения геометрического соответствия деталей изображения на приеме и передаче.
Линия, по которой перемещается развертывающий элемент по
оси X, называется строкой. Совокупность видимых строк на экране
называется растром. Полный цикл обхода анализирующим и синтезирующим устройством всех элементов изображения называется
кадром.
2.4.3. Зрительный анализатор и его свойства
Основным потребителем телевизионного изображения является
человек, соответственно и все параметры телевизионного разложения и сигнала выбираются исходя из свойств зрительного анализатора человека. Эти же свойства играют очень большую роль в работе оператора ТВСН, поэтому есть необходимость краткого рассмо113
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
трения строения зрительного анализатора и свойств зрительного
восприятия человека.
На рис. 2.61 показано строение глаза [9, 34]. Наружная часть
глаза, называемая склерой, представляет собой упругую оболочку
белого цвета диаметром 24 мм, которая в передней части переходит в прозрачную роговую оболочку диаметром 12 мм. За роговой
оболочкой расположены радужная оболочка, хрусталик, а на противоположной внутренней стороне склеры – сетчатка. Внутренняя
часть глаза наполнена прозрачным стекловидным веществом (стекловидное тело). Перевернутое изображение наблюдаемого объекта фокусируется на сетчатке хрусталиком, который представляет
собой двояковыпуклую линзу. Фокусное расстояние хрусталика
изменяется под воздействием глазных мышц, которые изменяют
кривизну его поверхности таким образом, чтобы сфокусированное
на сетчатке изображение было бы максимально резким. Как и для
большинства одиночных линз, фокусное расстояние хрусталика
зависит от длины волны света, синие лучи фокусируются на более
близком расстоянии, чем зеленые или красные. Радужная оболочка играет роль диафрагмы. Диаметр ее отверстия (диаметр зрачка)
изменяется при изменении освещенности. При низкой освещенности диаметр равен 7,5 мм, при высокой освещенности – 1,8 мм.
Когда зрачок сужается, увеличивается четкость изображения на
сетчатке. Пространство между роговицей и хрусталиком (передняя
камера глаза) заполнено водянистой влагой.
Роговица
Радужная
оболочка
Зрачок
Оптическая
ось глаза
Передняя
камера глаза
Хрусталик
Ресничный
поясок
Склера
Сосудистая
оболочка
Слепое пятно
Зрительный
нерв
Сетчатка
Стекловидное
тело
Рис. 2.61. Строение зрительного анализатора
114
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Сетчатка (фоторецепторное поле) состоит из нескольких слоев,
причем слои, обращенные к хрусталику, прозрачны и не препятствуют прохождению света к слою, образованному фоторецепторами двух видов: палочками и колбочками.
Палочки, в сетчатке их около 130 миллионов, входят в систему
сумеречного (скотопического) зрения. Поскольку палочки реагируют только на яркость, то сумеречное зрение не способно различать цвета и имеет низкое пространственное разрешение, но зато
имеет высокую световую чувствительность. Высокая световая чувствительность обусловлена тем, что сигналы от большой группы
палочек (их насчитывается до 400) объединяются вместе.
Колбочки, в сетчатке их около 6,5 миллионов, представляют
собой фоторецепторы, которые входят в систему дневного (фотопического) зрения, способную различать цвета. Эта способность обусловлена тем, что колбочки реагируют не только на яркость, но
и на длину волны. Сетчатка включает в себя три типа колбочек,
различающихся между собой спектральной чувствительностью1.
Один тип колбочек имеет максимум спектральной чувствительности в области красных излучений, другой – в области зеленых,
а третий – в области синих излучений. Благодаря тому, что в центральной части сетчатки (в центральной ямке) каждая колбочка
передает возбуждение по отдельному волокну зрительного нерва
в последующие отделы зрительной системы, здесь имеет высокое
пространственное разрешение.
Особенностью рецепторного поля является существенная неравномерность расположения рецепторов в нем, особенно колбочек
(рис. 2.62) [2,9].
Наибольшая плотность расположения рецепторов в центре сетчатки, к периферии плотность расположения рецепторов быстро
падает. На периферии сетчатки почти нет колбочек, и в этой области не различаются цвета или различаются очень плохо.
Плотность расположения рецепторов определяет разрешающую
способность зрения (остроту зрения). Центральная часть сетчатки – область фовеа – обладает максимальной разрешающей способностью, а по мере удаления от центра разрешающая способность
1 Первое предположение о трехкомпонентной теории цветового зрения принадлежит М. В. Ломоносову в работе «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющую, в публичном собрании Академии наук июля 1 дня
1756 г., говоренное Михайлом Ломоносовым» [9].
115
Число рецепторов
тыс/мм2
180
Слепое
пятно
160
Колбочки
Колбочки
П
100
80
60
40
20
Палочки
Палочки
ГУ
А
140
120
70 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80
Рис. 2.62. Распределение рецепторов
по поверхности сетчатки
би
бл
ио
т
ек
а
быстро падает. Кроме того, область фовеа обладает и лучшим цветоразличением за счет наибольшего количества колбочек.
Для детального рассмотрения объекта или отдельных его частей
изображение объекта должно быть помещено в область фовеа. Это
достигается движением головы или глаз.
Контрастная чувствительность зрительного анализатора.
Глаз воспринимает световое излучение в очень широком диапазоне
яркостей, который можно характеризовать абсолютными нижним
и верхним порогами.
Нижний абсолютный порог – это минимальная величина светового стимула, которая вызывает едва заметное ощущение света:
Lпор min ≈ 6,7.10–7 кд/м2.
Верхний абсолютный порог – это максимальное значение яркости, которая способна еще вызвать ощущение данного качества.
Величина воздействия выше этого порога нарушает нормальную
работу анализатора и вызывает ощущение боли (болевой порог):
Lпор max ≈ 22.104 кд/м2.
Динамический диапазон пороговых яркостей
Lïîð
max
Lïîð
min
= 3,3 ×1011
очень велик. Столь широкий диапазон перекрывается благодаря
адаптации – изменению чувствительности зрения при изменении
средней яркости изображения, проецируемого на сетчатку. Адаптация осуществляется как за счет изменения диаметра зрачка, так
116
ГУ
А
П
и за счет изменения скорости биохимических реакций в рецепторах и является длительным процессом.
Дифференциальный порог чувствительности, или пороговый
контраст, определяется по минимальному различию между стимулами (раздражителями), которое вызывает едва заметное различие
ощущений. Иными словами, эта безразмерная величина определяет отношение едва заметного изменения яркости объекта к яркости
фона. Само едва заметное изменение яркости объекта зависит от
яркости фона и практически линейно возрастает с ее увеличением.
Отношение
ΔL
= const.
L
ек
а
в широком диапазоне наиболее часто встречающихся яркостей
(от 0,1 до 1000 кд/м2) [9, 27, 34, 35]. Постоянство дифференциального порога в широком диапазоне яркостей получило название
основного психофизического закона, или закона Вебера – Фехнера (рис. 2.63). Это минимально замечаемый контраст при полной
адаптации глаза к яркости фона
ΔL
σ=
= 0,02 – 0,05.
L
би
бл
ио
т
Величина, обратная дифференциальному порогу, носит название контрастной чувствительности глаза.
Разрешающая способность зрительной системы. Разрешающая способность глаза оценивается тем минимальным углом зре∆L/L
0,8
0,6
0,4
0,2
0
–6
–4
–2
0
2
lgL
Рис. 2.63. Закон Вебера – Фехнера
117
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
ния, под которым раздельно видны две рядом расположенные детали изображения, разделенные промежутком, имеющим яркость,
отличную от яркости рассматриваемых деталей (рис. 2.64).
Раздельное наблюдение объектов возможно, если между рецепторами, на которые они проецируются, находится хотя бы один рецептор, возбуждение которого вызывает другое ощущение. При таком определении jmin является углом разрешения. Пределом разрешающей способности считается jmin = 1¢. Это обусловлено размерами палочек и колбочек, диаметр палочек и колбочек 2–7 мкм.
jmin = 1¢ соответствует расстояние между проекциями точек на
сетчатке 5 мкм. Абсолютный предел разрешения (0,3–0,5)¢, но достигается он только при идеальных условиях наблюдения в области фовеа. К тому же явление оптической дифракции уменьшает
jmin до 2¢. Часто разрешающую способность характеризуют другой величиной – остротой зрения. Под остротой зрения понимают
отношение расстояния, с которого наблюдатель различает деталь
объекта, например разрыв в кольце Ландольта, к расстоянию, с которого эта деталь видна под углом в одну угловую минуту. Зависимость остроты зрения от места проекции изображения на сетчатку
представлена на рис. 2.65 [28]. Из сравнения зависимости остроты
зрения с распределением колбочек и палочек по поверхности сетчатки (рис. 2.62) можно сделать следующие выводы.
В области максимального разрешения в центре сетчатки находится круглый, несколько углубленный участок, центральная
ямка, на дне которой располагается область наивысшего разрешения – фовеола. Фовеола имеет диаметр 0,4–0,43 мм (что соответствует углу в пространстве предметов 1,2–1,3°. В пределах
этой области отсутствуют палочки и находятся только колбочки
диаметром 3; 2 и даже 1 мкм при наибольшей их концентрации.
Участок сетчатки, соответствующий остроте зрения 0,7, носит название «желтого пятна» (или macula). Этот участок имеет размеры
2 × 1,4 мм, что соответствует угловым размерам по горизонтали и
вертикали 7 × 5,5°. В пределах желтого пятна встречаются и па-
ϕ
Рис. 2.64. Разрешающая способность зрения
118
1,3°
Острота
зрения
7°
Вертикальное
направление
П
0,6
Желтое пятно
Зона острого зрения
5,5°
Горизонтальное
направление
ГУ
А
0,8
0,4
Зона ясного видения
Слепое
пятно
0,2
40
20
0
13
20
ек
а
60
18°
40 Отклонение
от центра,
град
би
бл
ио
т
Рис. 2.65. Зоны остроты зрения
лочки, но преобладают колбочки диаметром 3–6 мкм. Этот участок
сетчатки называют областью острого зрения.
Граница области ясного видения на сетчатке проходит по уровню 0,3 от максимальной остроты зрения. По форме это также овал
с угловыми размерами aг = 16–20° по горизонтали и aв = 12–15° по
вертикали, что соответствует среднему отношению
aг : aв = 1,3.
(2.22)
Область за пределами зоны ясного видения называется зоной периферийного зрения.
Разрешающая способность зависит от освещенности (яркости),
при уменьшении освещенности (яркости) разрешающая способность падает.
Временные характеристики зрительной системы. Одной из временных характеристик зрительной системы является критическая
частота мельканий (КЧМ). КЧМ – это частота появления светового
сигнала, при которой он как раздражитель воспринимается непре119
ГУ
А
П
рывным (слитным). Пороговое ощущение при воздействии светового раздражителя определяется общим числом квантов света, поглощенных площадью фоторецепторного поля сетчатки и временем
воздействия света. Между моментом воздействия света на сетчатку
и моментом возникновения ощущения проходит некоторое время.
Следует отметить, что при прекращении действия светового раздражителя для исчезновения ощущения также требуется некоторое время, глаз как бы продолжает видеть источник с яркостью,
спадающей по экспоненте. Физически это объясняется конечным
временем протекания фотохимических реакций, конечным временем распространения нервного возбуждения и его регистрации зрительными центрами головного мозга.
Визуально воспринимаемая яркость после прекращения действия раздражающего стимула определяется как
Lâèç (t)= L0 e
-t
t ,
би
бл
ио
т
ек
а
где Lвиз – визуально воспринимаемая яркость; L0 – яркость возбуждения; t = t(L) – постоянная времени, характеризующая инерцию зрения и определяемая как t = t, при котором кажущаяся яркость уменьшается в е раз.
Постоянная времени t является функцией яркости и уменьшается при ее увеличении. Больший интерес представляет не сама величина t, а определяемая ей критическая частота мельканий Fкр.
Экспериментально получено [18]:
Fêð = blg Lñð + c,
где b и c – постоянные коэффициенты определяемые скважностью
световых импульсов, их формой и спектральным составом; Lср –
средняя яркость.
При яркостях, соответствующих телевизионным экранам (50–
150 кд/м2), и скважности, равной двум b ≈ 9,6, c ≈ 30, получим
Fкр = 45–47 Гц.
Визуальная яркость мелькающего источника при частоте повторения, равной или больше критической, определяется законом Тальбота и выражается как средняя яркость за период наблюдения Т:
T
120
Lâèç =
1
L0 (t)dt.
Tò
0
(2.23)
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Хроматическое зрение. Хроматическое, или цветовое, зрение
обеспечивается работой колбочкого аппарата. Основной его характеристикой является чувствительность каждого из трех рецепторов
к соответствующей длине волны светового излучения. При равенстве воздействия энергий, различия в длине волны ощущаются как
различия в цвете источников или поверхностей предметов, которые
его отражают, а суммирование возбуждения всех трех рецепторов
дает ощущение яркости. Ощущение белого цвета соответствует раздражению сетчатки глаза потоком, имеющим непрерывный спектр
в видимом диапазоне длин волн l = 380–770 нм.
Равноэнергетические, но различные по спектральному составу
световые раздражения вызывают различное яркостное восприятие. Зависимость визуальной яркости от длины волны l характеризует спектральную чувствительность глаза и называется относительной спектральной чувствительностью или кривой видности
(см. рис. 2.3).
Цветовой стимул имеет три основные характеристики (измерения): цветовой тон, насыщенность и светлоту. Под цветовым тоном
понимают то свойство цвета, которое позволяет его назвать красным, синим и т. д. Под насыщенностью цвета – степень его разбавленности белым цветом. Светлоту оценивают по эквивалентности
зрительного восприятия интенсивности свечения окрашенной поверхности и соответствующей градации черно-белой шкалы. Названным субъективным характеристикам цвета соответствуют
объективные характеристики: доминирующая длина волны, чистота цвета, яркость.
Настройка зрительной системы. Зрительная система представляет собой систему автоматического регулирования с замкнутой петлей обратной связи. Обратная связь по сигналам мозга
управляет состоянием глазных мышц, которые изменяют светосилу (процесс адаптации), оптические свойства линзы – кривизна
хрусталика (аккомодация), положение оптических осей глаз для
рассматривания интересующих частей объекта бинокулярным зрением (конвергенция, дивергенция). Таким образом, для получения
четкого изображения на поверхности сетчатки глаз должен настроиться, или, как говорят, подготовиться к предметному видению.
Основные настройки – адаптация, аккомодация, конвергенция
(дивергенция).
Адаптация – это автоматическая регулировка чувствительности
зрения по уровню яркости интегрального (усредненного по полю)
воздействия. Глаз оптимально настраивается на существующую ин121
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
тегральную (среднюю) интенсивность светового воздействия, имея
минимум дифференциального порогового контраста лишь для этой
интенсивности, что обеспечивает получение максимума информации в любом участке динамического диапазона яркостей.
Адаптация достигается за счет изменения диаметра зрачка, при
которой изменяется светосила глаза как оптического прибора, и за
счет изменения чувствительности самих рецепторов – изменения
скорости биохимических реакций (процессов). Второй механизм
адаптации имеет очень большую инерционность.
Различают две формы адаптации: темновую – переход от света
к темноте, и световую – переход от темноты к свету. При темновой
адаптации световая чувствительность увеличивается. Переход человека из темноты в зону действия больших уровней яркости ведет
к уменьшению световой чувствительности.
Полная темновая адаптация от средних яркостей может длиться до 60 мин [34, 35]. Скорость адаптации не постоянна, сам процесс адаптации близок к экспоненте, поэтому наиболее интенсивно
адаптация идет в первые 15–20 мин. Полная световая адаптация
проходит быстрее – за 10 мин. При этом наиболее существенное
снижение чувствительности происходит за 2–3 мин.
Работа в условиях частой переадаптации вызывает чувство дискомфорта и быструю утомляемость. Желательно обеспечить постоянную освещенность рабочего места оператора и яркость экрана
(экранов). Важно исключить появление бликов и ярких сигнальных ламп в поле зрения оператора, поскольку глаз как оптический
прибор характеризуется фокусным расстоянием. Но при фиксированном фокусном расстоянии имеется определенный диапазон
расстояний до объекта, в пределах которого изображение объекта
в фокусе проецируется на сетчатку. Изображения объектов вне этого диапазона проецируются несфокусированными и плохо видны.
Для правильного проецирования изображений объектов, находящихся на различных расстояниях от глаза, необходимо изменять
фокусное расстояние глаза путем изменения кривизны его линзы –
хрусталика. Этот процесс называется аккомодацией. Абсолютный
диапазон аккомодации от 15 см до бесконечности по дальности перекрывается изменением оптических свойств хрусталика на 10 диоптрий. Так как аккомодация связана с механическим воздействием на хрусталик, она не может происходить мгновенно. Полная
аккомодация происходит за 1 с.
Для обеспечения бинокулярного зрения с целью получения объемного изображения, оно должно проецироваться на симметрич122
ек
а
ГУ
А
П
ные (корреспондирующие) точки сетчатки глаз [2]. Это достигается
изменением положения оптических осей глаз в зависимости от удаленности объекта с помощью наружных мышц. Наружные мышцы
осуществляют сведение (конвергенцию) оптических осей глаз при
приближении объекта или разведение (дивергенцию) при удалении
объекта. Ближайшая точка при максимальной конвергенции находится на расстоянии 15 см от глаз. Максимальная дивергенция соответствует расстоянию 6 м, когда можно считать оптические оси
глаз параллельными. Время полного диапазона конвергенции составляет 0,3–0,4 с.
Просмотр диспетчерского пульта с большим количеством видеомониторов, расположенных на разных расстояниях от оператора,
увеличивает временные затраты вследствие переаккомодации и
конвергенции. Желательно устанавливать мониторы по радиусу
относительно места положения глаз оператора, чтобы свести к минимуму перестройку зрительной системы, т. е. использовать схему
гороптера [2].
2.4.4. Структурная схема телекамеры
и полный телевизионный сигнал
би
бл
ио
т
Типовая структурная схема аналоговой телекамеры с объективом (рис. 2.66) включает следующие основные элементы [6, 27].
Объектив преобразовывает световой поток, создавая оптическое
изображение контролируемой зоны на светочувствительной поверхности оптико-электронного преобразователя (преобразователь
свет-сигнал) – ПЗС-матрицы. ПЗС-матрица преобразует световую
энергию в электрическую, используя явление фотоэффекта. Для получения телевизионного сигнала используется схема считывания
видеосигнала совместно со схемой управления режимом считывания. В результате на выходе ПЗС-матрицы получается электрический сигнал, несущий информацию об изображении. Сигнал, несущий информацию о распределении яркости на объекте, называется
исходным яркостным сигналом (видеосигналом). Синхрогенератор
вырабатывает сигналы гашения обратных ходов электронных лучей в передающих и приемных устройствах, обеспечивающие запирание передающего и приемного устройств на это время. Эти импульсы носят название строчных и кадровых гасящих интервалов
(СГИ и КГИ). Для синхронной и синфазной работы телекамеры и
видеоконтрольного устройства (ВКУ, видеомонитора), т. е. обеспечения идентичности положения координат точек на передающем
123
124
Устройство
управления
АРД
Объектив
Устройство
управления
АФ
Схема
управления
объективом
Схема
считывания
видеосигнала
ек
а
ГУ
А
Усилительформирователь
полного
ТВ-сигнала
Синхрогенератор
Рис. 2.66. Структурная схема телекамеры
ПЗСматрица
Схема
управления
режимом
считывания
Телевизионная камера
би
бл
ио
т
П
Интерфейс
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
и приемных устройствах, необходимо генерировать и передавать
специальные сигналы синхронизации: строчные синхронизирующие импульсы (ССИ), кадровые синхронизирующие импульсы
(КСИ). Синхронность достигается при равенстве частот разверток
(последовательностей импульсов) на ПЗС-матрице и ВКУ, а синфазность – при точном совпадении фаз. Для выполнения этих условий в телевидении используется принудительная синхронизация.
Сигналы синхронизации вырабатываются в синхрогенераторе и
представляют собой импульсы различной длительности и частоты
(ТССИ, ТСГИ, ТКСИ, ТКГИ). Одни импульсы синхронизации вырабатываются один раз в течение длительности строки, другие – один
раз в течение длительности кадра (поля). Эти импульсы поступают
в схему управления режимом считывания, а также в усилительформирователь, где суммируются с сигналом яркости и передаются по интерфейсу.
Исходный сигнал яркости (видеосигнал) с введенным сигналом
гашения называется телевизионным сигналом. Телевизионный
сигнал с введенными импульсами синхронизации, называется полным телевизионным сигналом (ПТС) [27] (рис. 2.67).
Если весь размах сигнала принять за 100 %, то видеосигнал составляет 70 %, размах синхросигналов составляет 25 %. Гасящие
интервалы лежат на уровне «чернее черного». 5 %-й запас представляет охранную зону для лучшего разделения видеосигнала и
сигналов синхронизации.
При чересстрочной развертке есть различия в полевых гасящих
интервалах четного и нечетного полей (рис. 2.68).
Конструкция типовой телекамеры с объективом и дополнительными устройствами, обеспечивающими ее работу, представлена
на рис. 2.69. Для наглядности камера представлена без части защитного герметизирующего кожуха, который защищает камеру и
все устройства от воздействия окружающей среды. Элементами защитного кожуха являются также козырек, защищающий камеру
от прямого попадания солнечных лучей, дождя, снега, и смотровое
стекло в качестве защиты от налипания снега и обледенения. Камеры видеонаблюдения могут запитываться от напряжения 12 В или
непосредственно от напряжения промышленной сети переменного
тока 220 В. Тогда в ней предусматривается блок питания, который
также используется для обогрева кожуха, с целью поддержания
внутри постоянной температуры в холодное время. В зависимости
от типа передачи видеосигнала используются различные передатчики, связанные с камерой через устройство грозозащиты. Для
125
а)
Полный ТВ-сигнал
Uс
Уровень белого
TСГИ
12 мкс
70 %
5%
П
Уровень черного
Уровень гашения
(чернее черного)
25 %
100 %
Сигнал яркости
64 мкс
TССИ
4,7 мкс
Врезки
Строки
Уровень
t синхронизации
Сигнал синхронизации
ГУ
А
Тс (длительность строки Н)
ТКГИ 1,6 мс
ек
а
б)
Тп (поля)
ССИ
Уравнивающие 312,5 строк
20 мс
импульсы
би
бл
ио
т
TКСИ 192 мкс
Рис. 2.67. Полный телевизионный сигнал
Половина строки
Начало нечетного полукадра (поля)
Врезки
622
Тс
623
311
309
310
Активные Уравнивающие
строки
импульсы
(5 шт.)
Полевой
синхроимпульс
335
Уравнивающие
импульсы
(5 шт.)
336
Строчные
синхроимпульсы
Рис. 2.68. Кадровый гасящий интервал
126
23
22
5
6
4
3
1
2
Начало четного полукадра (поля)
314 315 316 317 319
312 313
624 625
12
1
10
3
2
8
9
5
4
7
ГУ
А
11
П
6
ек
а
Рис. 2.69. Телекамера: 1 – телекамера; 2 – объектив; 3 – блок питания
камеры и обогрева кожуха; 4 – усилитель с гальванической развязкой
входа выхода; 5 – передатчик видеосигнала по витой паре
(коаксиальному кабелю); 6 – автоматический подогрев; 7 – клемное
соединение; 8 – устройство грозозащиты; 9 – защитный кожух;
10 – защитный козырек; 11 – защита от налипания снега и обледенения
(смотровое стекло); 12 – кабельный ввод
удобства подключений используются клеммные колодки, а кабель
и подводящие провода вводятся в кожух через кабельный ввод.
би
бл
ио
т
2.4.5. Выбор параметров телевизионного разложения
Формат кадра. Размер телевизионного изображения должен удовлетворять условиям оптимального его рассматривания. Опыт кино и
фотографии показывает, что наилучшим условием рассматривания
плоского изображения является удаление его от глаз на расстояние
l = (5–6) h – высот экрана. Это совпадает с условием вписывания рассматриваемого изображения в зону ясного видения зрения.
Для однозначного определения размера изображения необходимо задать не только высоту экрана, но и его ширину. Отношение
ширины экрана к его высоте называется форматом кадра. Учитывая тот факт, что изображение должно вписываться в зону ясного
видения, размер кадра должен совпадать с размером этой зоны, а
формат кадра соответствовать соотношению (2.22). В стандарте за
формат кадра телевизионного изображения принято отношение
4 : 3. В системах вещательного телевидения осуществляется переход к формату 16 : 9 [28]. Но в ТВСН основным форматом пока остается формат 4 : 3.
127
ек
а
ГУ
А
П
Детальность телевизионного изображения. Данный параметр
в общем случае определяется минимальным элементом, внутри
которого яркость и цвет считаются постоянными. При заданной
высоте экрана детальность может быть определена числом элементов в поле зрения или числом элементов на высоту растра – числом
строк разложения Z. Число строк разложения в растре принято
считать номинальной четкостью телевизионного изображения.
Четкость не может быть определена безотносительно к другим
параметрам изображения и условий рассматривания и имеет непосредственную связь с разрешающей способностью зрения.
Зная разрешающую способность, можно определить требуемое
число строк разложения в кадре телевизионного изображения или
на экране видеомонитора. Основное требование, которое при этом
предъявляется – это незаметность строчной структуры. Обратимся к рис. 2.70 и воспользуемся формулой для угла зрения объектива (2.21)
h
α = 2 arctg ,
2l
би
бл
ио
т
где α – угол, под которым видна высота экрана; h – высота экрана;
l – расстояние наблюдения.
Минимальная деталь изображения определяется шириной строки, поэтому две соседние строки изображения должны быть видимы
под углом jmin = 1¢ – пределом разрешающей способности зрения.
h
ϕmin
α
l
Рис. 2.70. К определению числа строк разложения
128
Тогда искомое число строк разложения Z определится как
α
Z=
.
jmin
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Для принятых в нашей стране стандартов расстояния наблюдения l = (5–6)h получаем a = 11°, тогда Z = 660. В нашем стандарте
принятое число строк разложения Z = 625.
Число кадров, передаваемых и воспроизводимых в единицу
времени. Требования к числу передаваемых и воспроизводимых
кадров в единицу времени в общем случае разные. Необходимое
число передаваемых за секунду кадров определяется из условий
допустимой частоты дискретизации изображения во времени. При
передаче движущихся изображений таким условием является обеспечение слитности фаз движения, зафиксированных в соседних
кадрах. Начиная с определенной частоты кадров, фрагментарность
движения (прерывистость) перестает замечаться глазом, движение кажется слитным, что связано с инерционностью зрительной
системы по слитности движения. Частота, при которой начинает
замечаться прерывистость движения по аналогии с мельканиями
может быть названа критической частотой по слитности движения Fкр.сл. Из многолетнего опыта кино известно, что Fкр.сл существенно меньше КЧМ, составляет 12–18 Гц и зависит от яркости,
но в меньшей степени, чем КЧМ.
Число кадров, воспроизводимых в единицу времени при визуальном наблюдении, определяется из условия отсутствия мерцаний изображения, т. е. КЧМ, которая должна быть не меньше
50 Гц. Кроме того, в силу ряда технических причин, в частности
заметности сетевой помехи, частоту кадров привязывали к частоте
сети. Поэтому в ряде стран частота кадров равна 60 Гц.
Из-за искусственного увеличения частоты кадров для устранения
видности мельканий приходится передавать большое количество избыточной информации. В телевидении для сокращения количества
передаваемой информации или уменьшения полосы частот, занимаемой телевизионным сигналом, применяют чесстрочную развертку. Полный кадр передается за два поля. В первом поле передаются
нечетные строки, во втором – четные. При этом частота мельканий
больших поверхностей определяется КЧМ, т. е. 50 (60 Гц), частота
кадров, определяющая частоту смены сюжетов и фаз движения, выбирается в два раза ниже 25–30 Гц, но выше чем Fкр.сл.
Контраст. Число градаций яркости. При наблюдении объектов
или их изображений существенную роль играет диапазон измене129
ния яркости от минимальной Lmin до максимальной Lmax. Его принято характеризовать контрастом К:
Ê=
Lmax
.
Lmin
ГУ
А
П
Однако глаз не способен обнаружить сколь угодно малые изменения яркости. Контрастная разрешающая способность глаза дискретна. Как и разрешающая способность, она ограничена квантовыми флюктуациями света и собственными шумами зрительной
системы.
Знание закона Вебера – Фехнера позволяет определить количество градаций яркости, которое оператор может различить при
заданном контрасте. Эта величина необходима при расчете числа
уровней квантования при переходе к цифровым методам обработки
телевизионного сигнала. Максимально различимое число градаций яркости при заданном контрасте вычисляется как
ln Ê
.
ln (1 + σ)
ек
а
m=
Разлагая ln(1 + σ) в ряд и ограничиваясь первым членом этого
ряда, получим1
2,3
lg Ê.
σ
би
бл
ио
т
m@
Для К = 100, подставляя значение σ, получим m = 92–232. Поэтому в цифровых телевизионных системах сигналы квантуются
на 256 = 28 уровней квантования.
2.4.6. Полоса частот и спектр телевизионного сигнала
При выборе многих устройств обработки телевизионного сигнала, особенно линий связи, необходимо знать полосу частот, которую занимает полный телевизионный сигнал. Поскольку все параметры разложения телевизионного изображения теперь известны,
можно получить численные значения для полосы частот телевизионного сигнала.
Нижняя граница частоты спектра телевизионного сигнала fн
при известном времени передачи кадра (прогрессивная развертка)
1 Подробный вывод приведен в [27].
130
ГУ
А
П
или времени передачи поля Тп (чересстрочная развертка) определяется как
fн = 1 / Tп.
Выражение справедливо для любого сложного изображения и
определяется условиями покадровой передачи.
Высокие частоты определяют тонкую структуру сигнала, т. е.
передачу контуров и мелких деталей изображения. Верхняя граничная частота видеосигнала fв зависит как от скорости развертки,
так и от прозрачности развертывающего пятна (апертуры). За время установления tуст сигнала с черно-белой границей принимается
время развертки одного элемента tэ:
1
tóñò = tý =
.
2fâ
Тогда
1
.
2tý
ек
а
fâ =
Число элементов разложения в кадре N = Nz Z = k Z2, где Nс –
число элементов в строке; k – формат кадра; Z – число строк разложения.
Число элементов разложения, передаваемое за одну секунду:
би
бл
ио
т
N0 = Nn = kZ2n,
где n – число передаваемых кадров (полей) в секунду, тогда
tý =
1
1
1 kZ2n
=
; fâ = =
.
N0 kZ2n
tý
2
Разрешение мелких деталей по вертикали за счет дискретности растра несколько снижается. Еще в 1933 г. Раймонд Д. Келл
и его коллеги обнаружили в ходе экспериментов, что при вычислении «реального» вертикального разрешения следует применять
поправочный коэффициент, равный 0,75–0,85. Он известен как
коэффициент Келла (или Келл-фактор) и является общепринятым
способом аппроксимации реального разрешения. Таким образом,
при условии равенства четкости по горизонтали и вертикали можно уменьшить fв в р = 0,75–0,85 раз:
fâ = p
kZ2n
.
2
131
Это для идеализированной развертки, когда время обратного
хода по строке и кадру (гасящие интервалы) равно нулю. Активная
часть строки составляет с учетом гасящего интервала (см. рис. 2.64)
(1 – g)Tñ , ãäå g =
TÑÃÈ
.
Tc
tý.ð =
ГУ
А
П
Для кадровой развертки время обратного хода (кадровый гасящий интервал) в отечественном стандарте составляет 50 строк.
T
Учет обратного хода кадровой развертки β = ÊÃÈ влечет уменьшеTk
ние четкости по вертикали, а не времени развертки, поэтому
Tñ (1 - g) (1 - g)
f
=
= tý (1 - g); f⢠= â .
2
Nñ
1- g
kZ n
ек
а
При условии сохранения одинаковой четкости по горизонтали
и вертикали верхняя граничная частота может быть искусственно
уменьшена, тогда
fmax = p
kZ2n(1 - β)
.
2(1 - g)
(2.24)
би
бл
ио
т
Для отечественного стандарта при p = 0,8; g = 0,18; b = 0,08 fв max =
= 6 ·106 Гц.
Формула (2.24) определяет ширину спектра телевизионного сигнала, но ничего не говорит о форме спектра.
Функция распределения яркости в поле плоского изображения
может быть разложена по пространственным координатам x и y
в двойной интеграл Фурье [27, 35]. В телевидении пространственные координаты x и y благодаря развертке преобразовываются во
временные с периодичностью строчной Тс и кадровой Тк разверток,
а яркость Lxy в уровень u(t) видеосигнала. С достаточной для практики точностью видеосигнал можно считать периодическим (по
крайней мере для неподвижных изображений), и тогда его можно
разложить в ряд Фурье по периодам Тс и Тк:
æt t ö
u ççç , ÷÷÷ =
èç Tc Tê ø÷
¥
¥
æ 2πmt
å å um,l cosçççèç
m=0 l=0
Tc
ö
æ 2πlt
ö
- jm ÷÷÷cosççç
- jl ÷÷÷,
÷ø çè Tê
÷ø
где m,l – целое число длин волн пространственных косинусоид, укладывающихся соответственно на длине и высоте экрана;
jm , jl – фазовые сдвиги.
132
После преобразований, получим1
¥
æt t ö
uççç , ÷÷÷ = å
çè Tc Tê ÷ø
m=0
¥
å
l=-¥
um,l
2
cos éë(mfc - lfê ) - (jm + jl )ùû . (2.25)
Из (2.25) видно, что частотный спектр телевизионного сигнала
дискретен и содержит спектральные линии с частотами
П
fm,l = mfc ± lfê .
ек
а
ГУ
А
Коэффициенты ряда Фурье um,l, определяющие амплитуды соответствующих спектральных составляющих, для реальных сигналов с увеличением порядковых номеров m и l быстро убывают.
Таким образом, спектр телевизионного сигнала содержит постоянную составляющую и спектральные линии, образованные гармониками строчной частоты с боковыми полосами по обе стороны от этих
линий, образованные гармониками кадровой частоты (рис. 2.71)
При этом в районе частот, кратных нечетному числу полупериодов
строчной частоты:
fc
(2.26)
(2m + 1), 2
би
бл
ио
т
где m = 0, 1, 2,... в спектре телевизионного сигнала, наблюдаются
глубокие провалы.
При передаче подвижных изображений, если задаться максимальной скоростью движения изображения объекта, спектральные
линии будут смещаться в пределах 2–3 Гц [27, 35].
fc
u
l
m
{
fк
0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3
–6 –5 –4 –3 –2 –1 –6 –5 –4 –3 –2 –1 –6 –5 –4 –3 –2 –1
0
1
2
3
f
Рис. 2.71. Спектр телевизионного сигнала
1 Подробный вывод формулы приведен в [37].
133
Частота цветовой
поднесущей, МГц:
PAL 4,43
NTSC 3,58
SECAM 4,250
4,406
П
Спектр сигнала яркости, МГц:
PAL 5
NTSC 4,2
SECAM 6
Частота звуковой
поднесущей, МГц:
PAL 5,5
6,5
NTSC 4,5
SECAM 6,5
Спектр
сигнала
цветности
0
fц.п
ГУ
А
u
fв
f
ек
а
Рис. 2.72. Частотный спектр полного цветового
телевизионного сигнала
би
бл
ио
т
Дискретность спектра телевизионного сигнала используется
при передаче сигналов цветного телевидения.
В системах цветного телевидения в качестве опорного равносигнального цвета выбран стандартный источник белого С, так как он
больше соответствует условиям реального освещения. Яркостное
уравнение для источника С имеет вид
Ly = 0,3LR + 0,59LG + 0,11LB .
Из четырех сигналов, входящих в это уравнение, необходимо
передавать только три: яркостный сигнал и два сигнала цвета (или
цветоразностные сигналы). Учитывая, что в мелких деталях глаз
цвета не различает, они как бы выцветают и различаются только
по яркости, цветоразностные сигналы можно передавать в сокращенной (примерно в четыре раза) полосе частот. Наличие провалов
в спектре сигнала яркости позволяет уплотнить его и передавать
сигналы цветности вместе с сигналом яркости. Для этого сигналы
цветности передаются на цветовой поднесущей, частота которой
fц.п выбирается из условия (2.26):
fö.ï =
fc
(2m + 1), m = 0,1,2,...
2
При этом спектр модулированной цветовой поднесущей оказывается вложенным в спектр яркостного сигнала (рис. 2.72).
134
2.4.7. Датчики телевизионного сигнала
на приборах с зарядовой связью
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Основным элементом современных телекамер является преобразователь свет-сигнал – ПЗС-матрица. Именно они во многом определяют параметры и характеристики телекамер.
ПЗС – это трехслойная структура «металл – окисел – полупроводник» (МОП) или «металл – диэлектрик – полупроводник» (МДП).
Так как окисел выполняет роль диэлектрика, то можно говорить
о конденсаторе, где один из электродов заменен плохим проводником (полупроводник), а другой (металл) остается хорошим.
В случае полупроводника р-типа основными носителями являются
дырки, неосновными – электроны. При подаче положительного потенциала на электрод (рис. 2.73) дырки, имеющие положительный
заряд уйдут в глубь полупроводника, а электроны устремятся в сторону положительного потенциала (металлический электрод), но их
в полупроводнике р-типа относительно мало. Инжекции электронов из металлического электрода препятствует слой окисла – изолятора. Таким образом, появляется некоторая обедненная область
с относительно слабым электрическим полем, но достаточным, чтобы удерживать появляющиеся заряды. Эту область часто называют
потенциальной ямой. Так как все электрические процессы линейны, то объем обедненной области и ее способность накапливать и
удерживать заряды пропорциональны положительному потенциалу металлического электрода.
+U
1
2
3
–
– –
+ + +
4
Р
5
Рис. 2.73. Ячейка ПЗС: 1 – электрод; 2 – слой окиси кремния;
3 – полупроводник; 4 – обедненная область;
5 – заземляющая шина
135
Uсм
1
2
3
4
Uхр
би
бл
ио
т
Uсм
6
7
8
9
ек
а
Uсм
5
ГУ
А
П
Если создать несколько ПЗС-ячеек на одной подложке, вытянутых в одну линию, то образуется ПЗС-линейка. При этом расстояние между электродами настолько мало, что обедненные области
при подаче на электрод положительного потенциала простираются
практически до соседних электродов. С помощью такой линейки
можно создать регистр сдвига на МОП-структурах с трехфазным
переносом зарядов.
Принцип действия ПЗС-линейки, управляемой трёхфазной
(трёхтактной ) схемой, иллюстрируется на рис. 2.74 [36, 37]. В течение фазы I (накопление и хранение информации) к фазным электродам 1, 4, 7 прикладывается напряжение хранения Uxp, оттесняющее
основные носители – дырки в случае кремния р-типа – в глубь полупроводника и образующее обеднённые слои глубиной 0,5–2 мкм –
p
I
p
II
p
III
Uс
Uхр
Uсм
Uхр
Uсм
Рис. 2.74. Схема трехтактного переноса
136
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
потенциальные ямы – для электронов. Освещение поверхности
ПЗС-линейки порождает в объёме кремния избыточные электронно-дырочные пары, при этом электроны стягиваются в потенциальные ямы, локализуются в тонком (∼0,01 мкм) приповерхностном
слое под электродами 1, 4, 7, образуя сигнальные зарядовые пакеты.
Величина заряда в каждом пакете пропорциональна освещенности поверхности вблизи данного электрода. В хорошо сформированных МОП-структурах образующиеся заряды вблизи электродов могут относительно долго сохраняться, однако постепенно, вследствие
генерации носителей заряда примесными центрами, дефектами
в объёме или на границе раздела (темновой ток) за счет термогенерации, эти заряды будут накапливаться в потенциальных ямах, пока
не превысят сигнальные заряды и полностью не заполнят ямы.
Во время фазы II (перенос зарядов) к фазным электродам 2, 5, 8
и т. д. прикладывается напряжение считывания, Uс более высокое,
чем напряжение хранения Uхр. Поэтому под электродами 2, 5 и 8
возникают более глубокие потенциальные ямы, чем под электродами 1, 4 и 7, и вследствие близости электродов 1 и 2, 4 и 5, 7 и 8
барьеры между ними исчезают и электроны перетекают в соседние,
более глубокие потенциальные ямы.
Во время фазы III напряжение на фазных электродах 2, 5, 8 снижается до Uхр, а с фазных электродов 1, 4, 7 снимается.
Таким образом, осуществляется перенос всех зарядовых пакетов вдоль строки ПЗС-линейки вправо на один шаг, равный расстоянию между соседними электродами.
В течение всего времени работы на электродах, непосредственно не подключённых к потенциалам Uхр или Uс, поддерживается
небольшое напряжение смещения Uсм = 1–3 В, обеспечивающее
обеднение носителями заряда всей поверхности полупроводника и
ослабление на ней рекомбинационных эффектов.
Повторяя процесс коммутации напряжений многократно, через
крайний p-n-переход последовательно выводят все зарядовые пакеты, возбуждённые светом в линейке. При этом в выходной цепи
возникают импульсы напряжения, пропорциональные величине заряда данного пакета. Таким образом, картина освещённости
трансформируется в поверхностный зарядовый рельеф, который
после продвижения вдоль всей линейки преобразуется в последовательность электрических импульсов.
Основная техническая сложность заключается в том, что освещать нужно со стороны металлических электродов, а они непрозрачны. Часть светового потока, проходящая между электродами,
137
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
оказывается небольшой, и чувствительность такого преобразователя свет-сигнал очень низкая.
В течение 70–80-х гг. были предприняты попытки технологического плана с целью поднять чувствительность, обеспечить равномерность чувствительности во всем видимом диапазоне и по полю
или по ячейкам в пределах линейки. В конце концов пришли к следующему решению: вместо металлического электрода был использован тонкий слой поликремния [37]. Этот материал обладает достаточно хорошей проводимостью и имеет относительно равномерную прозрачность в видимой части спектра. Другие проблемы (равномерность, чувствительность по линейке или полю) были решены
усовершенствованием технологии изготовления ПЗС-структур,
особенно преуспела в этом направлении фирма Sony.
В процессе считывания информации переносить зарядовые пакеты по освещенной линейке нельзя, так как к переносимым зарядовым пакетам будут добавляться зарядовые пакеты, генерируемые в момент переноса с других ячеек. Перенос заряда должен происходить в темноте, т. е. линейка на время переноса должна закрываться от света специальным обтюратором. Так как для получения
телевизионного сигнала заряд должен считываться в реальном времени, то считывание должно идти во время активной части строки
(52 мкс), а накопление (экспозиция) за время гасящего интервала
(10–12 мкс). При этом эффективность накопления оказывается
низкой, что ведет к уменьшению чувствительности.
Выходом из положения явилось создание линейки с двумя параллельными цепочками МОП-конденсаторов. Одна используется
в качестве фотодатчика (накопление заряда) и открыта для света
в течение всего времени накопления (Тнак = Тстр – То.х = 52 мкс), а
другая всегда закрыта от света и используется как регистр сдвига
(рис. 2.75).
Перенос зарядовых пакетов из фотодатчика в ячейки регистра
сдвига осуществляется параллельно на гасящем интервале и может
быть выполнено очень быстро (за доли микросекунды). Считывание информации осуществляется через затемненные ячейки регистра в течение всей активной части следующей строки. На каждую
светоячейку регистр имеет три ячейки, что необходимо для обеспечения направленного перемещения зарядовых пакетов.
Реальная конструкция существенно сложнее, особенно в части
фотодатчика (рис. 2.76) [36]. В фотодатчиках необходимо устранить растекание зарядов между соседними потенциальными ямами в процессе накопления, иначе границы изображения будут рас138
Светочувствительные
ячейки
Затвор
переноса
П
Выходное
устройство
ГУ
А
Регистр сдвига
Ф III
ФII
ФI
Рис. 2.75. ПЗС-линейка
1
2
ек
а
3
4
5
6
би
бл
ио
т
Рис. 2.76. Конструкция линейки с регистром сдвига:
1 – отводящий сток; 2 – селектор пересвета;
3 – светочувствительная ячейка; 4 – канальный ограничитель;
5 – считывающий селектор (затвор переноса);
6 – регистр сдвига (горизонтальный регистр)
плывчатыми (плохая апертурная характеристика). Для этого между отдельными светочувствительными ячейками ПЗС-линейки
3 ставят специальные заслонки – канальные ограничители, разделяющие соседние ячейки между собой. Канальные ограничители 4 отделяют пиксели друг от друга. Они выполнены как р-nпереходы.
Регистр сдвига 6 закрыт от света непрозрачной пленкой алюминия, при этом свет не изменяет зарядовые пакеты при их перемещении к выходному (считывающему) терминалу.
Между фотодатчиками и элементами регистра сдвига размещаются считывающие селекторы 5: это та же обедненная зона, но она
препятствует связи ячеек активной зоны и регистра сдвига. Считывающие селекторы выполняются в виде управляемого p-n-перехода
139
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
и при подаче импульса сброса становятся каналом проводимости,
обеспечивающим быструю эвакуацию зарядовых пакетов.
По другую сторону от фотодатчиков размещен селектор пересвета 2. По функциям это диод, который запирает канал сброса
зарядов в подложку и отпирается при определенном потенциале.
Когда уровень освещенности превышает некоторое критическое
значение, а, следовательно, накопленный заряд определенную величину, диод открывается и избыточная часть заряда сбрасывается в отводящий сток 1. Заметим, что такая функция невозможна
в электровакуумной передающей телевизионной трубке и является
одним из достоинств ПЗС. В телевизионной передающей трубке от
ярких точек потенциальный рельеф растекается, приводя к увеличению их размеров (ухудшению апертурной характеристики).
Такая конструкция обеспечивает хорошую эффективность накопления (100 % вместо 15–20 %), хорошую апертурную характеристику за счет разделения ячеек фотодатчика между собой.
Но и у ПЗС-линеек существует недостаток, связанный с образованием тянучек от слишком ярких элементов. Причина тянучек
в том, что часть фотонов проникает в глубь полупроводника и там
взаимодействует с атомами. При этом возникающие электроны не
попадают в обедненную зону (потенциальную яму), но могут попасть в ячейку регистра сдвига, «засвечивая» их. При относительно
медленном считывании зарядов эти электроны добавляются к зарядовым пакетам всех элементов, расположенных влево от яркого,
создавая «тянучки». Число таких электронов невелико (значительно меньше величины зарядовых пакетов нормально освещенных
ячеек), но для затемненных элементов оно сравнимо с их зарядовыми пакетами, что снижает контраст изображения. Монокристаллический кремний полупроводника более прозрачен в красной части
диапазона, поэтому тянучки особенно заметны от красных деталей
и существенно меньше от зеленых и синих. В преобразователях
свет-сигнал, предназначенных для цветного телевидения, тянучки
имеют красную, а от особенно ярких деталей – розовую окраску.
ПЗС-матрицы с покадровым переносом. Исторически первыми были разработаны матричные ПЗС с кадровым переносом
(рис. 2.77). Этот прибор содержит светочувствительную секцию накопления, состоящую из вертикальных ПЗС-регистров, образующих столбцы и отделенных друг от друга областями стоп-каналов.
Непосредственно к секции накопления примыкает секция памяти,
имеющая ту же структуру и то же число элементов, что и секция
накопления [25, 27, 37]. В конце секции памяти расположен гори140
1
3
ГУ
А
4
П
2
ек
а
Рис. 2.77. ПЗС-матрица с кадровым переносом: 1 – секция
светочувствительных ячеек (накопления); 2 – секция хранения;
3 – выходной (горизонтальный) регистр; 4 – выходной терминал
би
бл
ио
т
зонтальный (выходной) ПЗС-регистр, заканчивающийся выходным устройством – считывающим терминалом. Секция памяти,
выходной горизонтальный регистр и выходное устройство экранируются от падающего света напылением алюминиевого слоя.
В течение времени накопления время прямого хода по кадру
(полю) на соответствующие электроды секции накопления подается положительный потенциал, образующий двухмерный массив
обедненных областей. Генерируемые падающим светом носители
заряда собираются в близлежащих обедненных областях, причем
до переполнения потенциальной ямы их количество линейно зависит от экспозиции.
По окончании времени накопления во время обратного хода по
кадру на фазные электроды секции накопления и секции памяти
подаются импульсы переноса. Накопленный двухмерный массив
зарядовых пакетов за время переноса последовательно сдвигается
из секции накопления в секцию памяти. Так как число ячеек в секции памяти равно числу ячеек в секции накопления, то каждый
накопленный в секции накопления зарядовый пакет займет соответствующее место в секции памяти. После того как все зарядовые
пакеты перенесены в секцию памяти, возобновляется процесс накопления зарядовых пакетов следующего кадра (поля).
141
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Одновременно с этим в секции памяти во время обратного хода
по строке зарядовые пакеты построчно переносятся в горизонтальный выходной регистр. Для этого на один из электродов горизонтального регистра подается положительный потенциал, соответствующий образованию под ним потенциальной ямы, а на
электроды секции памяти подаются импульсы, соответствующие
параллельному сдвигу массива зарядовых пакетов на один такт по
направлению к горизонтальному регистру. В результате строка зарядовых пакетов оказывается в горизонтальном регистре, а следующая за ней – располагается в той строке секции памяти, которая
непосредственно прилегает к регистру.
Далее, во время прямого хода по строке, зарядовые пакеты считываются из горизонтального регистра через выходной терминал,
для чего на электроды этого регистра подаются импульсы переноса. По окончании считывания строки зарядовых пакетов из секции
памяти сдвигается следующая строка и процесс повторяется. После того как будут считаны все строки из секции памяти, в нее возможен перенос массива зарядовых пакетов, накопленного в секции
накопления. Для реализации чересстрочной развёртки накопление
в различных полукадрах (полях) реализуется под различными фазными электродами секции накопления.
К достоинствам матричных ПЗС с кадровым переносом следует отнести возможность реализации освещения со стороны подложки и полное использование светочувствительной секции, что
в совокупности обеспечивает рекордный квантовый выход – до
98 %. Благодаря непосредственному облучению светом поверхности кремния эти матрицы обладают высокой чувствительностью
в ближней ИК-области спектра. Это обусловливает широкое применение телекамер на базе матриц с кадровым переносом для задач
ночного наблюдения, в том числе с ИК-подсветкой.
Существенными недостатком матриц ПЗС с кадровым переносом является вертикальный смаз от ярких деталей изображения.
Во время переноса массива зарядовых пакетов из секции накопления в секцию памяти световой поток продолжает генерировать
фотоэлектроны. Так как каждый зарядовый пакет проходит весь
столбец светочувствительной секции, он неминуемо захватит некоторое количество зарядов от всех точек изображения, лежащих на
данном столбце. Уровень вертикального смаза прямо пропорционален освещённости и площади яркой детали изображения, а также
длительности переноса зарядов из секции накопления в секцию памяти и может превышать порог зрительного восприятия. Эффект
142
П
ГУ
А
Рис.2.78. Образование вертикальных столбов
би
бл
ио
т
ек
а
вертикального смаза в этих матрицах может быть устранен только
перекрытием светового потока на время переноса при помощи механического затвора (обтюратора).
В реальных изображениях встречаются области, освещённость
которых во много раз превышает средний уровень освещённости наблюдаемой сцены (свет фары автомобиля). Наличие этих областей
в матрице также приводит к образованию светлого вертикального
столбца, являющегося продолжением яркой детали (рис. 2.78) [38].
Матричный ПЗС со строчным переносом. В ТВСН наибольшее
распространение получили ПЗС-матрицы со строчным переносом.
Для накопления зарядовых пакетов в качестве светочувствительных ячеек используются столбцы обратносмещенных фотодиодов
р-типа (hole-accumulation diode – HAD). В непосредственной близости от каждого столбца фотодиодов находится не чувствительный
к свету вертикальный ПЗС-регистр, отделенный от фотодиодов
фотозатвором считывающим селектором. В первых матрицах ПЗС
со сточным переносом роль фотозатвора выполнял отдельный поликремниевый электрод. В настоящее время его роль выполняет
часть затвора вертикального ПЗС-регистра, выступающая за край
скрытого канала переноса зарядов. В конце вертикальных ПЗСрегистров расположен горизонтальный ПЗС-регистр с выходным
терминалом (рис. 2.79). Все регистры ПЗС – вертикальные и горизонтальный – выполняются экранированными от падающего света.
Во время накопления зарядовых пакетов в фотодиодах (прямой
ход по кадру) на фотозатвор подается низкий потенциал, обеспечивающий потенциальный барьер между фотодиодами и вертикальным ПЗС-регистром. По окончании накопления на фотозатвор кратковременно подается положительный потенциал, разрешающий
перенос зарядовых пакетов из фотодиодов в потенциальные ямы,
143
1
П
2
ГУ
А
3
4
ек
а
Рис. 2.79. ПЗС-матрица со строчным переносом: 1 – регистр сдвига
(секция хранения); 2 – секция светочувствительных ячеек
(накопления); ; 3 – выходной (горизонтальный) регистр;
4 – выходной терминал
би
бл
ио
т
образованные в вертикальных ПЗС-регистрах. Затем с фотозатвора
снимается положительное смещение и накопление зарядовых пакетов в фотодиодах возобновляется.
Зарядовые пакеты из вертикальных ПЗС-регистров во время
прямого хода следующего кадра и обратного хода по строке построчно переносятся в горизонтальный ПЗС-регистр, из которого
во время прямого хода по строке поэлементно считываются через
выходной терминал. После того как все строки зарядовых пакетов
будут считаны, возможен перенос следующего двумерного массива
зарядовых пакетов из фотодиодов секции накопления.
Достоинством матричных ПЗС со строчным переносом является
малый уровень смаза, связанный с тем, что перенос всех зарядовых
пакетов в защищенные от света вертикальные ПЗС-регистры происходит в течение короткого промежутка времени параллельно.
Основной недостаток матричных ПЗС со строчным переносом – неполное использование светового потока вследствие наличия нечувствительных вертикальных регистров.
Матрицы со строчно-кадровым переносом. Это более сложные и
дорогие матрицы для студийных камер, где цена не является главным критерием. Они используют достоинства ПЗС-матриц с кадровым и строчным принципами переноса, но требуют большего количества ячеек в матрице.
144
ГУ
А
П
Накопление зарядовых пакетов осуществляется в течение активной части кадра (поля) в секции накопления (рис. 2.80), а их
эвакуация в регистр сдвига на гасящем интервале кадра (поля)
параллельно, а затем в регистры секции хранения (в течение 1–2
строк гасящего интервала). Считывание информации из секции
хранения через выходной (горизонтальный) регистр ведется в течение следующего кадра (поля). Быстрый перенос зарядов из секции
накопления в секцию хранения через регистры сдвига позволяет
избавиться от «светлых столбов», так как заряды находятся в регистрах сдвига, подверженных паразитной засветке, очень короткие
интервалы времени (70–100 нс), а остальное время они находятся
в защищенной от света секции хранения. Кроме того, использова1
би
бл
ио
т
ек
а
2
3
4
5
6
7
Рис. 2.80. ПЗС-матрица со строчно-кадровым переносом: 1 – регистр
сдвига; 2 – секция светочувствительных ячеек (накопления); 3 – секция
накопления; регистр; 4 – регистры секции хранения; 5 – секция
хранения; 6 – выходной (горизонтальный) регистр;
7 – выходной терминал
145
П
ГУ
А
Микролинзы
Световой поток
ек
а
Рабочая
зона
Нерабочая
зона
Область переноса
Фотозатвор
Область переноса
би
бл
ио
т
Рис. 2.81. ПЗС-матрица с микролинзами
ние строчного переноса позволяет избавиться от обтюратора, так
как заряды не перемещаются по светочувствительным ячейкам.
Такая гибридная матрица была впервые разработана фирмой
Sony для студийных и профессиональных переносных телекамер.
Основной недостаток матричных ПЗС со строчным и строчнокадровым переносом – неполное использование светового потока
вследствие наличия нечувствительных вертикальных регистров.
Для преодоления этого недостатка была реализована технология нанесения на поверхность кристалла микролинз (рис. 2.81).
При использовании этой технологии над каждым элементом
матрицы ПЗС расположена микролинза, собирающая на элемент
световой поток, падающий на не чувствительные к свету регистры
переноса заряда [25]. В развитие этого метода фирма Sony разработала технологию hyper-HAD, позволяющую повысить чувствительность матриц ПЗС за счет увеличения размера микролинз.
146
2.4.8. Матричный ПЗС
с разделением цветовых сигналов
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Для получения информации о цвете необходимо обеспечить раздельное формирование сигналов различных цветов телекамеры могут строиться на трех, двух или на одной ПЗС-матрицах.
Впервые оптическое цветоделение на три монохромных изображения было применено для получения цветных фотографий
в конце XIX в. Одновременное экспонирование трех черно-белых
фотопластинок за тремя цветными светофильтрами позволяло получить три цветоделенных негатива, с которых получалось цветное изображение. Подобное устройство для телевизионной передающей камеры применялось с самых первых дней существования
цветного телевидения.
В трехматричной системе цветное изображение поступает на
цветоделительный блок (призму), который осуществляет спектральное и пространственное разделение изображения на красную
R, зеленую G, синюю В составляющие. Процесс спектрального разложения поясняется на рис. 2.82. Световой поток через объектив
попадает на призму I и проходит до задней поверхности призмы,
которая представляет из себя дихроичное зеркало с коэффициентом отражения-пропускания kотр1 (рис 2.83) [10]. Синяя составляющая выделяется дихроичным зеркалом ДЗ1 и после полного отражения от стенки призмы I попадает на ПЗС-матрицу синего – В.
Аналогичным образом формируется красная составляющая, выR
R
B
ДЗ2
II
G
G
III
I
B
ДЗ1
Рис. 2.82. Цветоделительный блок
147
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
деленная вторым дихроичным зеркалом ДЗ2, с коэффициентом
отражения-пропускания kотр 2 (рис. 2.83), и отраженная от стенки
призмы II попадает на ПЗС-матрицу красного – R. Зеленая составляющая, не испытывая отражения, проходит на ПЗС-матрицу зеленого – G. Матричные ПЗС формируют выходные сигналы RGB.
Достоинством трехматричной системы являются максимальная
четкость в каждом из цветовых каналов и возможность увеличения разрешающей способности при определенном пространственном сдвиге матриц друг относительно друга. Недостатком является
сложность цветоделительного блока и трудности пространственного проецирования трех составляющих изображения.
В одноматричных ПЗС-матрицах для выделения информации
о цвете наблюдаемых объектов на светочувствительную поверхность
ПЗС-матрицы наносят мозаику из кодирующих светофильтров.
В настоящее время используются два метода фильтрации:
– фильтр полос RGB, где три вертикальные пиксельные колонки (полоски) располагаются рядом друг с другом (рис. 2.84);
– комплементарный мозаичный цветовой фильтр, где пиксели
ПЗС-матрицы чувствительны к дополнительным (комплементарным) цветам (рис. 2.85).
Первый тип одноматричной цветной ПЗС-камеры дает очень хорошее цветовоспроизведение, однако при этом имеет очень низкую
разрешающую способность по горизонтали, обычно около 50 % от
общего числа пикселей в горизонтальном направлении.
Наибольшее распространение в настоящее время получил комплементарный мозаичный фильтр (CFA – Color Filter Array) из че-
R
G
B
R
G
B
R
G
B
R
G
B
R
G
B
R
G
B
R
G
B
R
G
B
R
G
B
R
G
B
R
G
B
R
G
B
R
G
B
R
G
B
R
G
B
Линия В
Cy
Ye
Cy
Ye
G
Mg
G
Mg
Cy
Ye
Cy
Ye
Mg
G
Mg
G
Линия
А1
Линия
А2
Горизонтальный регистр считывания
Рис. 2.84. Фильтр полос RGB
148
Горизонтальный регистр
Рис. 2.85. Комплементарный
мозаичный цветовой фильтр
К (λ)
Ye
0,8
Cy
G
0,6
П
0,4
Mg
0,0
400
450
500
550
ГУ
А
0,2
600
650
700
Длина волны λ, нм
Рис. 2.86. Спектральные характеристики фильтра
би
бл
ио
т
ек
а
тырёх цветов: жёлтого Ye = G + R, голубого Cy = G + B, пурпурного
Mg = R + B и зелёного G. Пространственное расположение и спектральные характеристики коэффициентов пропускания элементов
мозаики приведены на рис 2.85 и 2.86 соответственно [17, 25, 39].
Такая комбинация цветов уступает по точности цветопередачи
классической триаде «красный-зелёный-синий» (RGB), но обеспечивает лучшую чувствительность телекамеры и разрешающую способность.
Для обеспечения высокой чувствительности цветной телекамеры обычно в ней используется режим накопления поля. В результате из горизонтального регистра матрицы ПЗС для каждого элемента изображения попарно следуют отсчёты смеси цветов, например,
для нечётных строк линии А:
(Mg + Cy), (G + Ye), (Mg + Cy), (G + Ye)
и т. д., и для чётных строк линии В:
(G + Cy), (Mg + Ye), (G + Cy), (Mg + Ye)
и т. д. В дальнейшем выделяется яркостный (Y) и цветоразностные
сигналы. Для получения яркостного сигнала для нечётных строк
(линия А1) производится следующая операция:
Y = 1/2[(G + Ye) + (Mg + Cy)] = 1/2(2B + 3G + 2R).
Аналогичный алгоритм обработки, заключающийся в задержке
во времени и попарном суммировании отсчётов, применяется и для
чётных строк (линия В):
149
Y = 1/2[(G + Сy) + (Mg + Ye)] = 1/2(2B + 3G + 2R).
При получении цветоразностного сигнала для нечётных строк
(линия А1) производится следующая операция:
П
(B – Y) = [(G + Ye) – (Mg + Cy)] = – [2B – G].
Для чётных строк алгоритм обработки также заключается в задержке и вычитании попарных отсчётов (линия А2):
ГУ
А
R – Y = [(Mg + Ye) – (G + Cy)] = [2R – G].
Приведённые выражения для чётных и нечётных строк матриц
ПЗС показывают, что в видеосигнале каждой чётной строки матрицы содержится информация о цветах R и G, а в каждой нечётной –
B и G. Поэтому при половинной частоте выборки можно отделить
один цвет от другого. Эта операция производится в аналоговой форме с помощью отдельной схемы выборки-хранения либо в цифровой форме в видеопроцессоре. Из сигналов яркости и цветности затем получают композитный сигнал в системе PAL.
ек
а
2.4.9. Технические параметры телекамер
би
бл
ио
т
Поскольку ПЗС-матрица является одним из основных элементов телекамеры, то ее характеристики определяют и характеристики самой камеры.
В соответствии с рекомендацией Р 78.36.002-99 [40] и ГОСТ Р
51558-2000 [1] основными техническими параметрами (характеристиками) для телекамер, используемых в ТВСН, являются:
– световая характеристика,
– спектральная характеристика,
– чувствительность,
– отношение сигнал/шум.
– разрешающая способность,
– динамический диапазон.
Световая характеристика – это зависимость тока сигнала на
выходе преобразователя свет-сигнал от освещенности его светочувствительной поверхности. Она позволяет судить об интервале освещенности, в котором способен работать данный преобразователь
свет-сигнал.
Световая характеристика ПЗС-матрицы представлена на рис. 2.88
[27]. В рабочем диапазоне освещенностей световая характеристика
линейна. Точка 1 соответствует выходному сигналу в отсутствие освещенности и определяет темновой ток, обусловленный в большой
степени термогенерацией неосновных носителей. Точка 2 характе150
1,0
Uc, В
1,0
0,8
2
0,8
ICX279AL
0,6
0,6
0,4
0,2
ICX429ALL
П
0,4
0,2
2
4
6
8
ICX227AL
Е, лк
400
500
Рис. 2.87. Световая
характеристика
ПЗС-матриц
ГУ
А
1
600
700
800
900
Длина волны λ, нм
Рис. 2.88. Спектральные
характеристики
ПЗС-матриц
би
бл
ио
т
ек
а
ризует режим насыщения элемента матрицы, т. е. полное заполнение потенциальной ямы неосновными носителями, при этом срабатывает селектор пересвета.
Спектральная характеристика или спектральная чувствительность телекамеры характеризует возможность её работы с источниками излучения различных длин волн. Спектральную характеристику черно-белых телекамер всегда стараются сделать близкой к спектральной характеристике зрения (см. кривую видности
на рис. 2.3). Однако рабочий диапазон длин волн у кремниевых
ПЗС-матриц значительно шире и охватывает диапазон от ближнего
УФ до ближнего ИК. Для более длинных волн кремний прозрачен и
поглощение квантов света в нём не происходит. Этим объясняется
подъем в длинноволновой части спектра и спад в области длин волн
0,4–0,5 мкм, который обусловлен к тому же сильным поглощением
на этом участке спектра нанесенными на полупроводник поликремниевыми электродами. Для повышения чувствительности в этой
области спектра в поликремниевых электродах вскрыты окна, что
несколько расширяет спектральную характеристику в области коротких длин волн. На рис. 2.88 представлены спектральные характеристики ПЗС-матриц фирмы Sony.
Чувствительность телекамер – это важнейшая характеристика телекамеры, характеризующая её способность преобразовывать
кванты света в электрический сигнал и являющаяся нижней границей рабочего диапазона освещённостей. В ТВСН она определяется в виде параметра, доступного для измерения пользователем:
151
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
чувствительность – это минимальная освещённость на объекте,
при которой обеспечивается заданное качество изображения. Измерение чувствительности телекамеры производится при известном контрасте испытательной таблицы (примерно 90 %), цветовой
температуре источника света, светосиле объектива, при максимальном усилении видеотракта (включённой автоматической регулировке усиления) и заданном уровне шума. Как правило, производители телекамер под чувствительностью понимают минимальную
освещённость тест-таблицы, при которой амплитуда полного телевизионного сигнала составляет 1 В (рис. 2.89).
Иногда для уточнения понятия минимальной освещённости используют так называемую «шкалу IRE» (аббревиатура от названия
Institute of Radio Engineers). В этой шкале максимальный размах
видеосигнала 0,7 В принимается за 100 единиц IRE. Различные
производители указывают чувствительность телекамер для разных
значений по шкале IRE от 20 до 50. При таком уменьшении амплитуды видеосигнала качество изображения снижается до приемлемого (usable picture).
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
Размах полного
ТВ-сигнала 1 В
Размах
видеосигнала 0,7 В
Уровень
черного
–0,1
–0,2
–0,3
Рис. 2.89. Тест-таблица и осциллограмма напряжения строки
(верхней части таблицы) полного телевизионного сигнала
152
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Другим широко используемым параметром является крутизна
световой характеристики – выходное напряжение, нормированное
на экспозицию. Размерность этой характеристики В/(лк · с) отражает взаимозависимость освещённости и времени накопления. Выходной сигнал определяется общим числом фотонов, накопленных
в светочувствительных элементах, в то время как освещённость
(число фотонов в секунду) и время накопления могут быть разными. При этом чем больше крутизна, тем больше чувствительность
при выбранном пороге.
Отношение сигнал/шум является фактором, ограничивающим
чувствительность телекамеры, шум которой складывается из шума
квантовой структуры света и собственных шумов.
Шум квантовой структуры света обусловлен рассеянием и отражением света в объективе. Часть фотонов света, попадающих во
входной зрачок объектива, рассеивается, отражается и создаёт дополнительный шумовой фон.
Шум телекамеры обусловлен шумами ПЗС-матриц и схем усиления и формирования видеосигнала. Во время переноса зарядового пакета по элементам ПЗС-матрицы некоторая часть электронов
теряется, она захватывается на дефектах и примесях, присутствующих в полупроводнике – это шум переноса. Когда сигнал, накопленный в элементе ПЗС-матрицы, преобразуется в напряжение
и усиливается, появляется дополнительный шум, называемый
шумом считывания. Свою долю вносит эффект термогенерации.
Электроника, используемая в телекамере, вносит дополнительные шумы.
Отношение сигнал/шум основано на измерении отношения амплитуды сигнала к среднеквадратичному значению шума на выходе
телекамеры. Различия в форме записи отношения сигнал/шум связаны с использованием линейной ψ либо логарифмической ψдБ шкалы. Два способа задания этого параметра связаны соотношением
U
Ψ äÁ = 20 lg Ψ = 20 lg c ,
Uø
где под Uс понимается амплитуда сигнала; Uш – среднеквадратичное значение шума. Именно отношение сигнала к среднеквадратичному значению шума при номинальной амплитуде видеосигнала
(0,7 В или 100 IRE) и приводится в спецификациях на телекамеры.
Причем, чтобы получить реальное отношение сигнал/шум камеры,
все внутренние цепи (так или иначе влияющие на сигнал) должны
быть отключены, включая гамма-коррекцию, автоматическую ре153
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
гулировку усиления (АРУ), электронный затвор и схему компенсации встречной засветки. Температура должна быть на уровне
комнатной. Для ПЗС-камеры в ТВСН отношение сигнал/шум 48 дБ
считается хорошим.
Разрешающая способность телекамеры. Когда речь идет о разрешающей способности ТВСН (телекамера – линия связи – устройство
записи – видеомонитор), то основной частью системы является телекамера (т. е. в большинстве случаев разрешающая способность системы будет во многом определяться ее разрешающей способностью).
Основное влияние на разрешающую способность телекамеры
оказывает апертурная характеристика ПЗС-матрицы. Апертурная
характеристика определяется числом элементов накопления в матрице ПЗС. Увеличению числа элементов препятствуют технологические трудности, а также ухудшение параметров сигнала изображения, связанное с неэффективностью переноса зарядовых пакетов.
Существует разрешающая способность по вертикали и по горизонтали.
Разрешающая способность по вертикали – это максимальное
число горизонтальных линий, которое способна передать телекамера. Это число ограничено стандартом CCIR/PAL до 625 горизонтальных строк и стандартом EIA/NTSC до 525 строк. Реальное вертикальное разрешение (в обоих случаях) далеко от этих значений.
Если принимать во внимание кадровые (полевые) гасящие интервалы, то максимальная разрешающая способность по вертикали оказывается равной 575 строк в CCIR/PAL и 470 строк в EIA/
NTSC. С учетом фактора Келла, равного 0,75–0,85, максимальное
действительное вертикальное разрешение составит 450 строк для
CCIR/PAL. Аналогичное для сигнала EIA/NTSC максимальное
действительное вертикальное разрешение 400 строк.
Разрешающая способность по горизонтали – это максимальное
число вертикальных линий, которые способна передать телекамера. В настоящее время существуют телекамеры на ПЗС-матрицах
с разрешающей способностью по горизонтали более 600 телевизионных линий (ТВЛ).
Горизонтальное разрешение телекамер обычно равно 75 % горизонтальных пикселей ПЗС-матрицы, это результат формата кадра 4 : 3. В частности, подсчитывая вертикальные линии в целях
определения горизонтального разрешения, считают только горизонтальную ширину, эквивалентную высоте видеомонитора по
вертикали. Это позволяет получить линии равной толщины как по
вертикали, так и по горизонтали.
154
б)
ГУ
А
П
а)
Рис. 2.90. Испытательные таблицы:
а – УЭИТ; б – таблица по рекомендации IEEE–2008
би
бл
ио
т
ек
а
Для оценки разрешения телекамеры существует ряд тестовых
таблиц. Наиболее популярна таблица EIA RETMA (см. рис. 2.37), но
можно использовать и другие таблицы (рис. 2.90). При измерении
разрешающей способности объектив телекамеры настраивается на
наилучшую фокусировку (обычно при среднем значении F-числа:
5,6 или 8), при этом таблица должна полностью находиться в поле
зрения. Также должны быть отключены все внутренние корректирующие цепи (АРУ, гамма-коррекция, электронный затвор).
Для более точных измерений следует анализировать только яркостный сигнал. Обычно это достигается путем отключения цветности.
Разрешающая способность оценивается по штриховой мире
(рис. 2.90, а), либо по сходящемуся клину линии на изображении испытательной таблицы (рис. 2.90, б). Разрешающая способность соответствует положению, когда линии перестают быть различимыми.
Погрешность визуальной оценки составляет около 10 %, что
значительно затрудняет сравнение телекамер с близкой разрешающей способностью.
Для более точного измерения следует воспользоваться осциллографом с возможностью выбора ТВ-строки (рис. 2.91). Глубина модуляции выражается формулой, аналогичной (2.18):
m=
A-B
100 %,
A+B
где А – максимальное значение, а В – минимальное значение величины напряжения штриховой миры (клина) в измеряемой строке.
Приемлемым считается строка с глубиной модуляции не менее 5 %.
155
m
A
0,7 В
B
ГУ
А
Рис. 2.91. Определение глубины модуляции
П
0,3 В
би
бл
ио
т
ек
а
Поскольку оптика (объектив) вносит свой вклад в разрешающую способность телекамеры, то следует использовать только качественную оптику, так как объективы среднего качества имеют
более высокое оптическое разрешение в центре, чем по краям, поэтому с такими объективами результаты измерения разрешающей
способности телекамеры будут выше в центре, чем по краям.
Динамический диапазон редко упоминается в технических характеристиках телекамер. Однако это очень важный параметр, характеризующий эффективность камеры.
Динамический диапазон телекамеры (ПЗС-матрицы) определяется как максимальный сигнал накопления (насыщенная экспозиция), деленный на общее среднеквадратическое значение шума эквивалентной экспозиции. Динамический диапазон аналогичен отношению сигнал/шум, но относится только к динамике ПЗС-матрицы
при обработке темных и ярких объектов в пределах одной сцены.
При достижении уровня насыщения ПЗС-матрицы (при времени накопления 1/50) может проявиться эффект «заплывания»
(blooming), когда избыточный свет насыщает не только элементы
ПЗС-матрицы, на которые он падает, но и соседние (рис. 2.92, а).
В результате у телекамеры снижается разрешающая способность и
теряется информация об объекте в ярких зонах. Чтобы решить эту
проблему, во многих ПЗС-матрицах была разработана специальная
секция (anti-blooming). Эта секция ограничивает количество зарядов, которые могут собираться в каждой ячейке. При правильно
выбранном селекторе пересвета ни одна ячейка не может аккумулировать больший заряд, чем могут передать сдвиговые регистры.
Тогда, даже при ограничении динамического диапазона такого
сигнала, детали в ярких областях изображения не теряются. Это
может оказаться чрезвычайно важным в сложных условиях освещения: если телекамера «смотрит» на свет фар автомобиля или ведется наблюдение в коридорах на фоне яркого света [17, 20].
156
б)
ГУ
А
Рис. 2.92. Эффект заплывания
П
а)
би
бл
ио
т
ек
а
Некоторые изготовители телекамер разработали специальную
схему, которая блокирует перенасыщенные зоны на этапе цифровой обработки сигнала. Схема АРУ видеосигнала «не замечает»
слишком ярких зон и не использует их в качестве белых пиковых
опорных точек, вместо этого берутся более низкие значения, благодаря чему детали в темных зонах становятся более различимы
(рис. 2.92, б).
Другие фирмы, вроде Panasonic, запатентовали новые методы
работы ПЗС-матриц: вместо экспозиции одного поля в каждый
период (1/50 с в PAL и 1/60 с в NTSC) за этот период проводятся
две экспозиции: одна – очень короткое время, обычно порядка
1/1000 с, другая – нормальное время, которое зависит от количества света. Затем две экспозиции комбинируются в одно поле, так
что яркие зоны экспонируются более короткое время и дают детали
в ярком, а более темные области экспонируются дольше, что позволяет получить детали в темной части изображения, суммарный
эффект – увеличение, по утверждению фирмы Panasonic, динамического диапазона телекамеры в 40 раз.
Кроме конструкции самой ПЗС-матрицы важную роль для ее динамического диапазона, как и для отношения сигнал/шум, играет
температура. Более низкие температуры дают меньший уровень
шума в любом электронном устройстве, так что динамический диапазон увеличится.
2.4.10. Регулировки телекамер
ТВСН объектов в системах безопасности характеризуется сложными условиями наблюдения. Поэтому возникает необходимость
управления процессами накопления и усиления сигналов в телекамерах. Для избавления оператора системы безопасности от рутинной работы по регулировке телекамеры её адаптация к постоянно
157
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
изменяющимся условиям наблюдения должна выполняться автоматически. В телекамерах на ПЗС, благодаря широкому использованию микропроцессорной техники, удалось реализовать ряд
методов адаптации, обеспечивших автоматическую работу камер
в условиях большой неопределённости объекта наблюдения. Это
привело к созданию устройств, в которых автоматически регулируются (адаптируются) параметры оптической части, фотоприёмника, а также аналогового и цифрового видеотрактов [25, 41].
Автоматическая регулировка усиления (АРУ). Является исторически первым методом адаптации телевизионного оборудования
к изменению внешних условий наблюдения. Единственная цель
АРУ – стабилизация амплитуды видеосигнала на выходе телекамеры. При малых освещённостях усиление автоматически увеличивается, при больших – автоматически уменьшается. Диапазон изменения коэффициента усиления измеряется в децибелах и носит
название «глубины АРУ». В современных телекамерах этот параметр лежит в пределах 12–30 дБ.
Изменение коэффициента усиления отражается на результирующей световой характеристике телекамеры: чем больше усиление,
тем круче её наклон и, следовательно, больше амплитуда видеосигнала на выходе (см. рис. 2.88). Поэтому чувствительность телекамеры измеряется и специфицируется большинством производителей при максимальном усилении видеотракта (включённой АРУ).
Увеличение коэффициента усиления видеотракта приводит не
только к возрастанию сигнала, но и к росту шума в выходном сигнале. Поэтому для увеличения отношения сигнал/шум необходимо
максимально использовать возможности оптики и освещения. Так,
в телекамерах, предназначенных для наблюдения внутри помещения, АРУ обычно выключается, а паспортное отношение сигнал/
шум достигается за счёт увеличения светосилы объектива.
В телекамерах, размещаемых вне помещений, из-за большого
диапазона изменения освещённости функция АРУ всегда активизируется. При этом необходимо учитывать конечную скорость изменения усиления: постоянная времени цепи АРУ составляет, как
правило, 1–2 с.
Регулировка экспозиции. Работа телекамеры характеризуется
очень широким диапазоном изменения освещённости. На широте Санкт-Петербурга в безоблачный солнечный день освещённость
объекта может достигать 100 000 лк. Белые ночи соответствуют
освещённости 0,1 лк. В тёмную облачную ночь естественная освещённость объектов может уменьшаться до тысячных долей люкса.
158
ГУ
А
П
Таким образом, диапазон изменения освещённости в естественных
условиях близок к 106. Фотоэлектрические преобразователи не могут обеспечить такой широкий динамический диапазон, поэтому
необходима адаптация телекамеры к изменению освещенности на
объекте. Такая адаптация основана на взаимосвязи освещённости и
времени накопления и реализуется двумя способами. В первом способе перед ПЗС устанавливают объектив с автоматически регулируемой диафрагмой, но система АРД не может перекрыть весь диапазон изменения освещенности. Во втором способе автоматически регулируют время накопления в ПЗС-матрице – электронном затворе.
Достоинствами электронного затвора являются его простота,
надёжность, уменьшение искажений, вызванных смазом от быстро
движущихся объектов.
Временные диаграммы, иллюстрирующие работу электронного
затвора в режиме нормальной экспозиции и в режиме большой освещенности объектов, приведены на рис. 2.93 [33].
ек
а
ТКСИ
Длительность поля Тп
а)
Поле
(n – 1)
Поле
(n + 1)
Поле n
Накопленный
заряд
би
бл
ио
т
б)
в)
Р1
г)
Выходной
видеосигнал
ПЗС
Ненужный
заряд
д)
Накопленный
заряд
Р1
е)
Импульс сброса
в вертикальный
регистр Р2
Р1
Р1
Ненужный
заряд
Накопленный
заряд
Импульс сброса
Р1
в вертикальный Р1
регистр Р
2
ж)
Рис. 2.93. Временные диаграммы работы электронного затвора
159
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
В режиме нормальной экспозиции накопление заряда в фоточувствительной ячейке ПЗС-матрицы длится в течение длительности поля (1/50) с (рис. 2.80 а, б). По истечении этого времени фронтом импульса Р1 накопленные в секции накопления матрицы зарядовые пакеты переносятся в вертикальные сдвиговые регистры
(рис. 2.80, в) и далее, уже в процессе нового цикла накопления,
через секцию хранения – в выходной (горизонтальный) сдвиговый
регистр и на выход преобразователя (рис. 2.80, г).
В режиме очень большой освещенности используется высокоскоростной затвор, например, со скоростью 1/1000, с. В этом режиме, так же, как в режиме нормальной экспозиции, зарядовые
пакеты накапливаются в фоточувствительной ячейке за время длительности поля 1/50 с. Однако через 1/1000 с поступает импульс
сдвига Р2 (рис. 2.80, е), осуществляющий перенос накопленных
зарядовых пакетов в вертикальный регистр ПЗС-матрицы. Зарядовые пакеты, накопленные за оставшееся время цикла, не используются и сбрасываются фронтом импульса Р1. Сдвиг зарядовых
пакетов в секцию хранения, в выходной горизонтальный регистр
и формирование видеосигнала осуществляется обычным способом.
Реализованный к настоящему времени в серийных телекамерах
диапазон перестройки времени накопления не позволяет перекрыть
возможный диапазон изменения освещённости при наружном наблюдении. Поэтому автоматическое управление чувствительностью ПЗС-матриц используется, как правило, при размещении телекамер в помещении. При наружном наблюдении обычно работают
с временем накопления 1/50 с, а адаптация к уровню освещённости
осуществляется с помощью автоматической регулировки диафрагмы объектива. Исключением из этого правила являются системы
для регистрации номеров движущихся автомобилей – для решения
этой задачи необходимо время накопления не более 1/1000 с.
Специальные методы регулировки экспозиции. В условиях низкой освещенности для расширения динамического диапазона телекамеры используется принцип накопления энергии сигнала путём
увеличения времени накопления или перестройки размеров зоны
накопления по полю фотоприёмника.
Одной из первых камер с увеличенным временем накопления
сигнала выпустила фирма Matsushita Electric (торговая марка
«Panasonic»). Режим получил название «Electronic sensitivity
enhancer» и обеспечивал увеличение времени накопления от 1 до
32 телевизионных полей, т. е. с 1/50 до 0,64 с, что привело к улучшению чувствительности в 32 раза. В настоящее время камеры с ре160
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
жимом «Electronic sensitivity enhancer» выпускают практически
все ведущие производители телевизионного оборудования. В таких
камерах при использовании ПЗС-матриц с технологией EXview
HAD и асферических объективов достигается чувствительность
до 0.0002 лк при отношении сигнал/шум 20 дБ. Несмотря на отличные характеристики, камеры с режимом «Electronic sensitivity
enhancer» имеют два серьезных недостатка. Во-первых, при увеличении времени накопления происходит смаз изображения движущихся объектов. Второй недостаток – высокая стоимость, так как
в состав телекамеры для обеспечения визуализации на экране видеомонитора включается преобразователь стандартов. Это связано
с несоответствием частоты кадров телекамеры и видеомонитора.
Вторым вариантом адаптивного накопления сигнала является
суммирование зарядов с соседних элементов ПЗС-матрицы. Изменяя режимы развёртки изображения, можно обеспечить сложение
зарядов соседних элементов и соседних строк на затворе транзистора выходного терминала. В этом случае также происходит сложение сигнала до воздействия шума, а группирование сигналов,
например, соседних десяти элементов приводит к десятикратному
улучшению чувствительности. В то же время рост площади эффективной апертуры приводит к снижению разрешающей способности
телекамеры.
Третьим вариантом адаптивного накопления сигналов является
суммирование сигналов всех каналов в цветных телекамерах при
снижении освещённости сцены ниже определённого порога. Этим
достигается примерно четырёхкратное повышение чувствительности ценой потери информации о цвете объектов. Выигрыш в чувствительности цветных телекамер при переходе в ночной чёрно-белый режим может составлять около десяти раз при исключении из
оптической схемы отрезающего ИК-фильтра. Однако цветопередача в дневных условиях при этом ухудшается.
Автоматический баланс белого. Зрительное восприятие цвета
объекта зависит от того освещения, при котором его рассматривают. Глаз человека, в известных пределах, обладает способностью
компенсировать различие спектрального состава освещения и правильно распознавать цветовой тон объекта независимо от того, освещен ли он солнечным светом или светом лампы накаливания. Это
свойство зрительного восприятия называется константностью [2].
Телекамеры не имеют такой способности. Следовательно, освещение будет оказывать влияние на цветность воспроизводимого
изображения, придавая ему голубоватую или красноватую окраску.
161
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Для правильного воспроизведения цвета объекта съемки необходимо, чтобы основные цвета, формируемые на выходе преобразователя свет-сигнал, в зависимости от условий освещения смешивались в правильном соотношении. Для этого телекамеры оборудованы системой баланса белого (WB – white balance) или автоматический баланс белого (АББ, AWB – automatic white balance),
основным элементом которой является датчик цветовой температуры. В качестве датчика обычно используется инфракрасный
фоточувствительиый элемент (фотодиод). На основании показаний
датчика цветовой температуры происходит корректировка сигналов основных цветов, поступающих с матрицы ПЗС (рис. 2.94) [33].
Спектральный состав дневного света от восхода до захода солнца подвержен сильным колебаниям. В ранние утренние и предвечерние часы в составе солнечного света содержится значительно
больше оранжевых и красных спектральных составляющих, чем
в середине дня. Такие колебания находятся также в зависимости
от атмосферных условий, времени года и географической широты
места наблюдения.
Искусственные источники света (например, лампы накаливания) также изменяют спектральный состав излучаемого света в за-
Объектив
Датчик цветовой
температуры
Автоматический
баланс белого
Матрица
ПЗС
R
G
B
Усилительформирователь
полного
ТВ-сигнала
Усилитель
Синхрогенератор
Рис. 2.94. Упрощенная структурная схема системы АББ
162
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
висимости от температуры накала нити. Разница не всегда уловима
глазом, но ПЗС-матрица не имеет свойства константности восприятия и, если спектральный состав света одной лампы отличается от
спектрального состава другой, это может проявиться при формировании сигналов цветности.
Спектральный состав источника света (например, настольной
лампы) принято характеризовать цветовой температурой, которая
определяет спектральный состав света, полученного путем температурного излучения.
Цветовая температура – это температура, при которой абсолютно черное тело излучает свет такого же спектрального состава, как рассматриваемый. Она указывает только на спектральное
распределение энергии излучения, а не на температуру источника
света. Так, свет голубого неба соответствует цветовой температуре
12 000–25 000 К, т. е. гораздо выше температуры Солнца.
Термин «цветовая температура» можно применить только в отношении источников, излучение которых образует непрерывный
спектр. Электрические лампы накаливания, дуговые лампы, а
также солнце излучают световую энергию, дающую непрерывный
спектр, поэтому и можно сравнивать их цветовую температуру.
К лампам тлеющего разряда, так называемым газосветным
(ртутным, неоновым, аргоновым и др.), имеющим характерный
линейчатый спектр, термин «цветовая температура» не применим.
На рис. 2.95 приведена цветовая температура различных источников света и пиктограммы, обозначающие каждый из них (температура по оси абсцисс дана в тысячах градусов).
Несоответствие установки баланса белого телекамеры при одной
цветовой температуре и съемке при другой приведет к искажению
цветопередачи. Так, если телекамера (с помощью ручной регулировки баланса белого) сбалансирована для дневного освещения, то
при съемке в свете лампы накаливания в изображении будут преобладать оранжево-красные тона. Лица людей будут неестественно
красными, а синие и зеленые тона – приглушенными. Таким образом, для получения изображения с правильным воспроизведением
цветов придется использовать специальные фильтры, приводящие
спектральный состав света, которым в данный момент освещается
объект, к тому распределению энергии в спектре, для которого сбалансирована телекамера.
Функция регулировки баланса белого – настройка телекамеры
на чисто белый цвет при различных источниках освещения. После
установки белого цвета система WB корректирует вклад каждого
163
Диапазон, контролируемый АББ
Пламя спички
Пламя свечи
ГУ
А
П
Прямые солнечные
лучи при восходе
и заходе солнца
Лампа накаливания
60 Вт
Проекционные лампы
накаливания 500 Вт
Дуговая лампа
интенсивного горения
би
бл
ио
т
Солнечный свет
в полдень летом
ек
а
Фотографические лампы
накаливания 500 Вт
Прямой солнечный свет
через час после восхода
солнца
Прямой солнечный свет
ранним утром
и в предвечернее время
Лампы накаливания
с йодным циклом
Рассеянный солнечный
свет в тени летом
Рассеянный дневной свет
в пасмурную погоду
Свет голубого неба
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Цветовая температура × 1000 К
9
10
Рис. 2.95. Цветовая температура различных источников света
из основных цветов в общий спектр освещения. А так как белый
цвет является основой всех цветов, в случае, если регулировка
выполнена правильно, возможно наблюдение сцен с натуральной
цветностью практически при любых условиях освещения.
Обычно датчик цветовой температуры представляет собой систему, состоящую из двух фоточувствительных элементов, перед
которыми расположены красный и синий светофильтры. Таким образом, на выходе датчика формируются два сигнала (R и В), харак164
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
теризующие уровень красной и синей спектральных составляющих
освещения контролируемого объекта. Выбор данных спектральных
составляющих цвета не случаен. Так как диапазоны длин волн этих
составляющих находятся на краях видимой части спектра, то это
позволяет оценить характер всего спектра освещения контролируемого объекта. На рис. 2.96 показано относительное спектральное
распределение энергии в излучении различных источников света
[35]. Измерив отношение уровней спектральных составляющих на
краях видимого диапазона длин волн, можно получить параметр
tWB, значение которого характеризует спектр излучения (цветовую
температуру) данного источника света. Например, отношение R1
к В1 (рис. 2.96) определяет спектр излучения солнечного света, а отношение R2 к В2 – спектр излучения лампы накаливания.
В некоторых телекамерах в качестве датчика цветовой температуры используется только один фоточувствительный элемент, воспринимающий свет в красном или инфракрасном диапазоне длин
волн. Уровень синей спектральной составляющей измеряется по
сигналу синего (В), формируемому на выходе ПЗС-матрицы.
В простых и дешевых телекамерах датчик цветовой температуры, как таковой, отсутствует вообще. Значение параметра tWB получают из отношения сигналов R и В, формируемых на выходе матрицы ПЗС. Однако в этом случае система автоматического баланса
белого корректно будет работать лишь в ограниченном диапазоне
цветовых температур.
100 %
1
2
R2
R1
B1
50 %
B2
0%
400
3
4
500
600
700 λ, нм
Рис. 2.96. Относительное спектральное распределение энергии
источников света: 1 – Солнце; 2 – дневной рассеянный свет;
3 – электрическая дуга; 4 – лампа накаливания
165
ГУ
А
П
В условиях, не предусмотренных производителем телекамеры,
функция автоматического баланса белого не работает с удовлетворительной точностью.
В таких случаях следует использовать режим ручной регулировки баланса белого. При ручной регулировке баланса белого
осуществляют настройку телекамеры на воспроизведение чисто
белого цвета при различных источниках освещения. Для этого на
объектив одевается специальный белый колпачок и нажимается
кнопка баланса белого. Система WB определяет, насколько белый
цвет колпачка при данном освещении отличается от чисто белого, коэффициенты, характеризующие который хранятся в памяти
процессора. Вместо колпачка можно использовать белый плоский
объект (чистый лист бумаги).
2.4.11. Объективный контроль параметров телекамер
би
бл
ио
т
ек
а
Качество изображения ТВСН, в основном, определяется характеристиками элементов, составляющих телевизионный тракт:
объектив – телекамера – линия передачи – устройство воспроизведения. Результирующее качество телевизионного изображения,
должно соответствовать требованиям ГОСТ Р 51558-2000. Системы
охранные телевизионные [1].
Результирующая ЧКХ телевизионного тракта является результатом перемножения ее и его составных частей. Поэтому для получения на выходе системы изображения требуемого качества камера и объектив, входящие в ее состав, должны иметь разрешающую
способность с некоторым запасом, а ширина полосы пропускания
каждой из составляющих тракта передачи должна обеспечивать
его передачу без потерь с минимальными искажениями.
Для того чтобы внести некоторую объективность при оценке контраста и четкости видеоизображения, существуют методики, позволяющие перейти от субъективной оценки качества телевизионного
изображения к его числовым характеристикам, на основании которых можно проводить сравнительный анализ качества объективов,
камер, трактов обработки и линий передачи телевизионного сигнала, т. е. делать подбор оборудования под поставленные задачи.
Одна из методик, предназначенная для оценки и сравнения характеристик объективов и телекамер, а также для оценки и сравнения характеристик трактов обработки и линий передачи телевизионного сигнала в ТВСН по степени вносимых искажений в телевизионное изображение, приведена в [42, 43].
166
П
ГУ
А
Рис. 2.97. Испытательный стенд для проверки характеристик
объективов и телекамер
би
бл
ио
т
ек
а
За основу взят метод субъективной визуальной оценки качества
телевизионного изображения по ГОСТ 26320-84 [22], принятый
в системах телевидения с применением современных средств вычислительной техники. В качестве наблюдаемого объекта используется стандартная телевизионная испытательная таблица с основными параметрами по ГОСТ 14872-82 [27], специальным образом
доработанная для проведения испытаний объективов.
С помощью программного обеспечения компьютера, выполняющего функции осциллографа с блоком выделения строки, определяется контраст полученного изображения штриховых мир для
фиксированных значений пространственных частот путем измерения глубины модуляции видеосигнала. Штриховые миры расположены на испытательной таблице от центра к краю по диагонали.
На основании полученных результатов измерений строятся графики зависимости контраста штриховой миры по полю изображения
(от центра к краю) для различных значений пространственных частот относительно размаха черно-белого перепада в центре.
Испытательный стенд для проведения испытаний объективов и
телекамер представляет собой трансформированную оптическую
скамью (рис. 2.97) [42].
167
3. ЛИНИИ СВЯЗИ
3.1. Основные характеристики линий связи
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Как следует из структурной схемы ТВСН (см. рис. 1.1) телекамеры и помещение оператора (пост наблюдения), в котором находятся
видеомониторы, устройства обработки и хранения и др., разнесены
в пространстве. Электрический сигнал от телекамеры необходимо
передать на большие расстояния с высокой достоверностью, поскольку от этого во многом зависит качество получаемого телевизионного изображения. Передача сигнала осуществляется по каналу
электросвязи, который представляет собой комплекс физических
устройств и среду, при помощи которых передаются электрические сигналы. Если распространение электромагнитной энергии
(электрического сигнала) происходит в свободном пространстве,
то канал (линию) связи называют беспроводным. Если канал связи
предполагает наличие границы раздела сред, вдоль которых передается электромагнитная энергия, то ее называют проводным каналом. Проводные каналы создаются с помощью направляющих
систем (линий связи). В качестве линий связи для передачи телевизионного сигнала может использоваться:
– коаксиальный кабель,
– кабель типа «витая пара»,
– волоконно-оптический кабель,
– телефонная линия связи,
– компьютерная сеть,
– беспроводные линии связи (эфир).
Беспроводные линии связи в свою очередь подразделяются:
– на радиочастотную передачу,
– микроволновую связь,
– передачу с помощью ИК-излучения.
Правильный выбор линии связи определяется [43]:
– длиной линии связи. При распространении сигнала по линии
связи с увеличением длины линии растет затухание сигнала. Кроме того, сама величина затухания определяется качеством и характеристиками применяемых материалов. Увеличение затухания
телевизионного сигнала приводит к потере четкости изображения
и уменьшению яркости;
– частотой передаваемого сигнала. При передаче сигнала по
линии связи с увеличением частоты сигнала увеличивается влияние емкости кабеля, что ведет к потере высокочастотных составля168
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
ющих сигнала, а следовательно, к ухудшению четкости и детализации изображения;
– внешними наводками. В общем случае линия связи представляет из себя проводник, который при прохождении по нему сигнала может работать как приемная антенна. Недостаточная экранировка линии связи ведет к увеличению влияния на телевизионный
сигнал внешних электромагнитных наводок. Это приводит к ухудшению качества изображения вплоть до невозможности просмотра
из-за срыва синхронизации;
– межсигнальными помехами. Линия связи в основном прокладывается совместно с кабелями электропитания и другими линиями и
при недостаточном экранировании возникают межсигнальные помехи;
– диапазоном температуры. Выбор температурной стабильности параметров линии связи, которая в конечном итоге влияет на
качество получаемого изображения, определяется температурными условиями эксплуатации. Линия связи должна быть рассчитана на применение в заданном диапазоне температур;
– групповой задержкой сигнала. Эта характеристика имеет значение в основном для кабеля типа «витая пара». При передаче нескольких сигналов по витым парам время распространения по ним
должно быть одинаковым или отличаться на допустимую величину. Достигается это применением одинаковой длины проводников
витой пары с одинаковым шагом скручивания. Передача телевизионного сигнала по витым парам с разным временем задержки может привести к искажениям цвета и срыву синхронизации.
Основной линией связи для передачи телевизионного сигнала до
настоящего времени является коаксиальный кабель. Для передачи
телевизионного сигнала на большие расстояния все большую популярность приобретает передача по волоконно-оптическому кабелю
(волоконно-оптическая линия связи – ВОЛС), которая практически
свободна от многих недостатков, присущих коаксиальному кабелю.
Строгое решение задач распространения электромагнитной
энергии по направляющим системам (кабели, волноводы, оптическое волокно и т. д.) требует применения классической теории
электродинамики и уравнений Максвелла. В рамках классической
физики уравнения Максвелла дают возможность решить практически любую электродинамическую задачу, включая передачу сигналов по различным направляющим средам в разных диапазонах
частот, излучение, поглощение, влияние экранирования.
Однако во многих случаях крайне сложно, а подчас и нецелесообразно искать точные решения на базе электродинамики, поэтому
169
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
были разработаны приближенные методы решения задач различных классов [44].
Такими наиболее характерными методами, которые можно считать предельными для электродинамики, являются методы теории
электрических цепей и геометрической (лучевой) оптики. В зависимости от соотношения длины волны λ и поперечных геометрических размеров направляющей системы D, можно выделить три
режима передачи:
– в первом, при λ >> D (квазистационарный режим), совершается переход от волновых электродинамических процессов к колебательным. Это соответствует области сравнительно низких частот
(метровые волны до 108 Гц, λ →∞). Волновые уравнения электромагнитного поля вырождаются в уравнения электромагнитостатики и решаются с помощью законов Ома, Кирхгофа и обычных телеграфных уравнений теории цепей.
– во втором, при λ << D (квазиоптический режим), действуют
законы геометрической (лучевой) и волновой оптики. Это относится к лазерным системам, диэлектрическим волноводам, волоконно-оптическим линиям связи, работающим в оптическом диапазоне 1013–1015 Гц (микронные волны, λ → 0). Здесь применимы уравнения Гюйгенса – Френеля.
– в третьем режиме, при λ ≈ D (сантиметровый и миллиметровый
диапазоны), электродинамический (резонансный) режим соответствует волновым процессам, описываемым полными уравнениями
электродинамики – уравнениями Максвелла. В качестве направляющих систем используются волноводы, линии поверхностной волны, а также коаксиальные кабели при передаче на сверхвысоких
частотах (1010–1012 Гц, сантиметровый и миллиметровый диапазоны). Этот режим наиболее сложен для исследования, так как здесь
имеют место резонансные процессы.
При описании работы и расчетах линий связи, используемых
в ТВСН, применяются первые два режима.
3.2. Передача телевизионного сигнала
по коаксиальному кабелю
3.2.1. Конструкция коаксиального кабеля
Конструкция коаксиального кабеля и материалы, применяемые
для его изготовления, определяют параметры кабеля. Коаксиальный кабель состоит из центрального проводника диаметром d, вну170
Изолятор
из вспененного
полиэтилена
Центральный
проводник
Экран
в виде фольги
ГУ
А
Внешняя
изоляция
П
Экран в виде
оплетки
Рис. 3.1. Структура коаксиального кабеля
би
бл
ио
т
ек
а
треннего диэлектрика диаметром D, экрана и внешней защитной
оболочки (рис. 3.1). При выборе кабеля особое внимание уделяется
электрическим параметрам используемых проводников и изоляционных материалов.
Центральный проводник коаксиального кабеля должен хорошо
проводить электрический ток. В основном используется медь, которая по своим электрическим, механическим и стоимостным параметрам наиболее подходит для этих целей. В ТВСН для уменьшения
стоимости может использоваться кабель с центральной жилой из
алюминия. При передаче по коаксиальному кабелю высокочастотных сигналов переменные токи благодаря скин-эффекту сосредоточены в тонком слое металла (единицы микрон). Толщина этого
слоя уменьшается с увеличением частоты сигнала. С учетом скинэффекта центральный проводник высокочастотных кабелей делают
из омедненной стали. Тонкий слой меди обладает хорошей проводимостью, а стальная жила дает механическую прочность. К тому же
такой кабель дешевле. Но для телевизионного сигнала, имеющего
полосу частот практически от 0 до 6 МГц, лучше использовать кабель с медным или алюминиевым центральным проводником.
Центральный проводник может быть как одножильным, так
и многожильным. Одножильный проводник выполняется в виде
одного прямого провода. Он хорошо формуется, но не отличается
хорошей гибкостью. Поэтому кабели с одножильным проводником
обычно используются в стационарных инсталляциях.
Многожильный центральный проводник состоит из множества
тонких проводов, свитых вместе. Кабели с многожильным центральным проводником более гибкие и легкие. Их применяют в мо171
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
бильных инсталляциях. По своим электрическим характеристикам такой кабель хуже кабеля с одножильным проводником такого
же типоразмера.
Характеристики внутреннего диэлектрика (внутреннего изолятора кабеля) играют в коаксиальных кабелях важную роль. В первую
очередь, это материал, который изолирует центральный проводник
от экрана. Кроме того, его физические характеристики и геометрические размеры определяют емкость и, соответственно, волновое сопротивление кабеля. Обычно в кабелях общего назначения используют полиэтилен. Для негорючих кабелей в качестве материала для
внутреннего диэлектрика применяют фторсодержащие полимеры.
Для получения лучших характеристик коаксиального кабеля применяются вспененные диэлектрики. Различают физически
вспененный диэлектрик (gas injected foam polyethylene) и химически вспененный диэлектрик.
Физически вспененный диэлектрик обеспечивает лучшие характеристики кабеля за счет содержания до 60 % воздушных пузырьков. Это приводит к уменьшению затухания высокочастотных
составляющих сигнала. Прочность физически вспененного полиэтилена не отличается от обычного твердого полиэтилена, обеспечивая необходимую гибкость и устойчивость к механическим воздействиям. Стабильность параметров кабеля и его длительную эксплуатацию обеспечивает высокая стойкость физически вспененного
диэлектрика к температурным колебаниям и влажности.
Химически вспененный диэлектрик дает низкоплотный полиэтиленовый компаунд, который подвержен механическим повреждениям и нестабильности характеристик от воздействия температуры и влажности окружающей среды.
Экран выполняет две важные функции. Во-первых, он работает
как второй проводник, подключенный к общему проводу оборудования, и, во-вторых, экранирует центральный проводник от внешних наводок. Причем ток сигнала протекает по внутренней поверхности экрана (оплетки), а токи, создаваемые внешними источниками (помехами), протекают по наружной поверхности экрана.
Методы экранирования кабелей зависят от выполняемой задачи.
Экран может быть сплошным, выполненным из фольги, плетеным,
комбинированным – из фольги и оплетки (см. рис. 3.1).
При инсталляции коаксиального кабеля необходимо принимать
во внимание возможные наводки от проходящих рядом кабелей
электропитания и других линий связи. Кабель с экраном из фольги
не защищает центральный проводник от низкочастотных помех,
172
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
поэтому не рекомендуется к использованию в ТВСН. Кабели с таким экраном находят применение при передаче сигнала на поднесущих частотах и используются в сетях кабельного телевидения.
Плетеный экран (оплетка) изготавливается из большого количества тонких проводников, сплетенных в виде сетки, охватывающей
внутренний диэлектрик с центральным проводником. Оплетка
обычно обладает меньшим сопротивлением, поэтому в ТВСН рекомендуется использовать коаксиальный кабель с оплеткой, который
устойчив к внешним помехам в полосе частот, занимаемой телевизионным сигналом (50 Гц–6 МГц).
При подключении передающей и приемной аппаратуры к разным
фазам сетевого электропитания или к разным точкам заземления
возможно появление паразитных земляных токов по экрану кабеля. Эти токи создают помехи, которые не только вносят искажения
в изображение в виде чередующихся черных и белых горизонтальных полос, движущихся по экрану, но и могут привести к срыву синхронизации изображения (рис. 3.2) [43]. Подобные помехи возникают при отсутствии единого контура заземления для всей ТВСН. За
счет разности потенциалов между различными точками заземления
оборудования возникают паразитные токи сетевой частоты 50 Гц,
называемые «земляными петлями». Напряжение в месте подключения приемного оборудования может достигать нескольких десятков
вольт, что может привести к выходу его из строя.
Для защиты центрального проводника от воздействия наводок
от сети, соседних линий связи, внешних электромагнитных полей
оплетка может сочетаться с экраном из медной или алюминиевой
фольги. Фольга в сочетании с оплеткой позволяет обеспечить экранирование до 100 %.
Рис. 3.2. Влияние сетевой помехи
173
Коэффициент экранирования (выраженный в децибелах) определяется как отношение мощностей
P
Ký = 20lg ý ,
Pâí
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
где Рэ – мощность внешней электромагнитной помехи, прошедшей
в линию связи; Рвн – полная мощность внешней электромагнитной
помехи, воздействующей на линию связи.
Как уже было отмечено, сам коаксиальный кабель может работать в качестве передающей антенны. Поэтому, кроме защиты кабеля от внешних помех, эффективность экранирования определяет относительный уровень мощности, излучаемой кабелем в эфир.
В соответствии с физическим принципом обратимости коэффициент экранирования можно рассматривать и как коэффициент,
определяющий способность коаксиального кабеля создавать помеху для внешней среды.
Внешняя оболочка обеспечивает защиту внутренних компонентов кабеля от механического, климатического, химического воздействия и предохраняет от воздействия солнечного света. Коаксиальные кабели по типу оболочки делятся на стандартные и специального исполнения.
Внешняя оболочка стандартного кабеля выполняется чаще всего из поливинилхлорида. Она защищает кабель от механических
воздействий и влаги, а также играет роль электрической изоляции.
Стандартная инсталляция через стены и потолки предполагает
укладку кабеля в кабель-каналах.
Возможное возгорание внутри здания предъявляет особые требования к оболочке кабеля. Кабели специального назначения имеют огнестойкую оболочку, в состав которой входят специальные
компаунды. Одним из таких типов кабелей является кабель типа
Plenum (заполненный). Внешняя оболочка такого кабеля обеспечивает низкую горючесть и выделение дыма при воздействии высокой температуры или открытого огня. Кабель специального исполнения может быть проложен без использования кабель-канала.
3.2.2. Основные параметры кабеля
Электрические параметры коаксиального кабеля, такие как погонная емкость (C0), погонная индуктивность (L0), погонное активное сопротивление (R0) определяются геометрическими размерами
и применяемыми при изготовлении материалами. Эти параметры
174
ек
а
ГУ
А
П
являются исходными для расчета других характеристик коаксиального кабеля: волнового сопротивления, затухания, коэффициента возвратных потерь, скорости распространения волны [44, 45].
Волновое сопротивление (импеданс1) является основной характеристикой коаксиального кабеля, определяющей возможность передачи энергии сигнала по кабелю между источником и приемником без искажений. Передача сигнала по коаксиальному кабелю от
источника до приемника осуществляется с наибольшей эффективностью при условии реализации в кабеле режима бегущей волны.
Для этого все элементы, устройства, участвующие в передаче сигнала, разъемы и сам кабель должны иметь одинаковый импеданс.
Отклонение от режима бегущей волны приводит к внутренним отражениям в коаксиальном кабеле. На изображении это проявляется в виде двойных контуров. Самой частой причиной нарушения
режима бегущей волны являются некачественные разъемы или их
неправильная установка, а также применение разъемов и кабелей
с разным импедансом.
Волновое сопротивление коаксиального кабеля Zc может быть
определено по формуле:
Zc =
L0 60 æç D ö÷
ln ç ÷, Îì,
=
C0
ε çè d ÷ø
би
бл
ио
т
где D – диаметр внутреннего диэлектрика (внутренний диаметр
оплетки); d – диаметр центрального проводника; ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика.
Формула дает хороший результат при длине кабеля до 200 м,
когда потерями на сопротивлении центрального проводника можно пренебречь.
Обычно элементы высокочастотного тракта имеют входной импеданс 50 или 75 Ом. Стандартное волновое сопротивление (импеданс)
кабелей для передачи телевизионных сигналов составляет 75 Ом.
Затухание определяет потери энергии сигнала внутри коаксиального кабеля. Обычно затухание нормируется на частоте 100 МГц
при длине кабеля 100 м. Каждый коаксиальный кабель имеет свои
частотные свойства, зависящие от геометрических размеров и материалов, поэтому и затухание (ослабление) сигнала на разных частотах тоже разное: чем выше частота, тем ослабление больше.
1 Импеданс (англ. impedance от лат. impedio – препятствую) – комплексное сопротивление, полное сопротивление двухполюсника для гармонического сигнала.
175
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Затухание в коаксиальном кабеле складывается из потерь в центральном проводнике, экране, во внутреннем диэлектрике и потерь на излучение. Потери на излучение зависят от эффективности
экранирования.
Потери в центральном проводнике зависят от частоты сигнала.
Увеличение затухания с увеличением частоты сигнала объясняется уменьшением толщины скин-слоя, что ведет к уменьшению проводимости. Использование в кабеле центрального проводника из
высококачественной меди или покрытия центрального проводника
слоем меди снижает общее затухание в кабеле.
От частоты сигнала зависят и потери во внутреннем диэлектрике. Мощность потерь в диэлектрике объясняется расходом энергии
сигнала на переориентацию молекул внутреннего диэлектрика
в высокочастотном поле. Мощность потерь растет с увеличением
диэлектрической проницаемости материала диэлектрика. Снизить
величину потерь в диэлектрике можно применением физически
вспененного полиэтилена. Конструкция коаксиального кабеля рассчитывается исходя из оптимального соотношения диаметров центрального проводника и диаметра внутреннего диэлектрика (внутреннего диаметра экрана).
Величина затухания кабеля длиной 100 м может быть определена как
P
à = 10 lg âõ , äÁ/100 ì,
Pâûõ
где Г – затухание кабеля; Pвх – мощность сигнала на входе кабеля;
Pвых – мощность сигнала на выходе кабеля.
На рис. 3.3 приведены зависимости затухания кабеля от частоты для двух типов отечественного кабеля разной длины [44].
Увеличение затухания кабеля с увеличением частоты передаваемого сигнала влияет на качество переданного изображения. Видеосигнал может быть представлен преобразованием Фурье (2.25),
при этом доказано, что до 80 % энергии видеосигнала, представляющего передачу одного растрового элемента (пикселя), заключено в первых трех гармониках, которые определяют амплитуду,
крутизну фронта и спада видеосигнала, образуя четкие границы
пикселя (рис. 3.4, а). Влияние других гармоник на формирование
фронта и спада импульса незначительно [46].
При прохождении сигнала по коаксиальному кабелю высокочастотные гармоники затухают быстрее. Поэтому видеосигнал, соответствующий передаче импульса в один пиксель, прошедший через
176
Г, дБ
16
П
12
4
0
1
2
3
ГУ
А
8
4
5
f, МГц
Рис. 3.3. Затухание в коаксиальном кабеле: –РК-75-4-16 (500 м);
–РК-75-2-11 (500 м); –РК-75-4-16 (600 м);
–РК-75-2-11 (600 м)
би
бл
ио
т
ек
а
кабель, будет иметь меньшую амплитуду и меньшую крутизну фронтов нарастания и спада видеоимпульса, что проявится на изображении в уменьшении яркости и в размытости пикселя (рис. 3.4, б).
Таким образом, при превышении определенной длины кабеля
потери в нем приводят в основном к уменьшению четкости передачи мелких деталей изображения, т. е. к ухудшению разрешающей
способности всей ТВСН.
Коэффициент возвратных потерь. На участках, содержащих
неоднородности, волновое сопротивление кабеля отличается от его
а)
б)
Отдельный
пиксель
Группа
пикселей
Смазанная
область
Медленный спад
и нарастание
импульса
Рис. 3.4. Осциллограммы видеосигнала: а –до прохождения по кабелю;
б – после прохождения по кабелю
177
ГУ
А
U + U2
ÊÑÂ = 1
,
U1 - U2
П
значения в остальной части высокочастотного тракта. Это приводит
к возникновению отражений и при распределении амплитуды сигнала вдоль линии возникает интерференция прямого и отраженного сигналов. Возвратные потери характеризуются коэффициентом
возвратных потерь R, выраженным в децибелах. Он характеризует
уровень энергии отраженного сигнала в кабеле и может быть определен через коэффициент стоячей волны в линии (KCB). Коэффициент стоячей волны по напряжению вычисляется по формуле
где U1 и U2 – соответственно амплитуды волн прямого и отражённого сигналов. Тогда коэффициент возвратных потерь R выразится
как
æ KCB + 1ö÷
R = 20 lg çç
, äÁ.
çè KCB -1 ÷ø÷
би
бл
ио
т
ек
а
Скорость распространения волны в кабеле. В рабочем диапазоне частот коаксиального кабеля в нем распространяется поперечная электромагнитная волна. Скорость ее распространения определяется из соотношения
1
ν=
.
L0 C0
Производители коаксиальных кабелей указывают относительную скорость распространения волны в кабеле, которая показывает, насколько последняя отличается от скорости распространения
электромагнитной волны в свободном пространстве. Эта характеристика называется номинальной скоростью распространения
(NVP – nominal velocity of propagation). Обычно NVP в кабеле составляет 60–90 % и может быть определена как
NVP = 100
ε
, %,
где ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика кабеля.
3.2.3. Обозначения российских кабелей
По ГОСТ 11326.0-78 марки кабелей должны состоять из букв,
означающих тип кабеля, и трех чисел (разделенных дефисами), например РК 75-4-37 [45].
178
ек
а
ГУ
А
П
Первое число означает значение номинального волнового сопротивления.
Второе число означает – для коаксиальных кабелей – значение
номинального диаметра по изоляции, округленное до ближайшего
меньшего целого числа для диаметров более 2 мм (за исключением
диаметра 2,95 мм, который должен быть округлен до 3 мм, и диаметра 3,7 мм, который округлять не следует).
Третье – двух- или трехзначное число – означает: первая цифра – группу изоляции и категорию теплостойкости кабеля, а последующие цифры – порядковый номер разработки. Кабелям соответствующей теплостойкости присвоено следующее цифровое обозначение:
– 1 – обычная теплостойкость со сплошной изоляцией;
– 2 – повышенная теплостойкость со сплошной изоляцией;
– 3 – обычная теплостойкость с полувоздушной изоляцией;
– 4 – повышенная теплостойкость с полувоздушной изоляцией;
– 5 – обычная теплостойкость с воздушной изоляцией;
– 6 – повышенная теплостойкость с воздушной изоляцией;
– 7 – высокая теплостойкость.
К марке кабелей повышенной однородности или повышенной
стабильности параметров в конце через тире добавляют букву С.
би
бл
ио
т
3.2.4. Выбор и монтаж разъемов
Для подключения кабеля к оборудованию используются различные разъемы. К потере качества изображения всей системы может привести одно некачественное разъемное соединение. Плохой
обжим или пайка, наличие в кабеле неоднородностей, возникших
в процессе его транспортировки, хранения, инсталляции или эксплуатации, проявляются в виде отражения, а на экране видеомонитора – в виде повторов.
Основными типами разъемов для подключения телевизионных
сигналов в ТВСН можно считать BNC (отечественные разъемы
CP-75, СР-50), RCA (название разъема произошло от названия компании Radio Corporation of America). Общий вид разъема показан
на рис. 3.5.
Выбор типоразмера разъема определяется внешним диаметром
кабеля.
Все типы разъемов можно разделить на три группы в зависимости от типа монтажа: под пайку (например, отечественные СР-5074-ПВ), под обжим и навинчивающиеся (twist-on).
179
П
Рис. 3.5. Разъемы: BNC, RCA
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
Первый тип имеет большую надежность, долговечнее и даже
дешевле остальных. Но требует большего времени установки, инструмента и высокой квалификации монтажников.
Вариант с использованием обжима наиболее распространен.
Главный недостаток такого типа разъемов – одноразовое использование. В случае повреждения соединения разъем отрезается вместе
с частью кабеля и устанавливается новый. Для обжима требуется
специальный инструмент.
Навинчивающие разъемы относительно не надежны, характеризуются пропаданием контакта. Достоинство – легкость монтажа
даже в полевых условиях, многоразовое использование.
Разъёмы RCA (в просторечии часто именуются «тюльпанами»,
«колокольчиками») в большинстве случаев используются для создания коротких межблочных соединений.
3.3. Передача телевизионного сигнала по витой паре
3.3.1. Конструкция кабеля «витая пара»
Неэкранированная витая пара (UTP – unshielded twisted pair) –
технология, позволяющая передавать электрический сигнал от источника к потребителю по витой паре.
Первое применение кабеля UTP было для передачи цифровой
информации в компьютерных сетях, в дальнейшем он стал использоваться для передачи аналоговых телевизионных сигналов, при
этом к характеристикам и конструкции кабеля стали предъявляться дополнительные требования. На сегодняшний день, благодаря
низкой стоимости, лёгкости монтажа, является самым распространённым решением для построения локальных сетей.
По конструкции витая пара представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой с небольшим числом витков на единицу длины и покрытых изолирующей оболочкой.
180
ГУ
А
Витая пара Solid
П
Внешняя
оболочка
Рис. 3.6. Конструкция кабеля витой пары
би
бл
ио
т
ек
а
Разновидности типов кабеля «витая пара» определяют в зависимости от наличия экрана из медной оплетки или алюминиевой
фольги вокруг скрученных пар1 [47]:
– UTP (unshielded twisted pair) – неэкранированная витая пара;
– FTP (foiled twisted pair) – кабель из неэкранированных витых
пар с общим экраном из фольги вокруг них;
– STP (shielded twisted pair) – кабель с отдельным экраном из
фольги для каждой пары;
– S/FTP (shielded foiled twisted pair) – кабель с двумя общими
экранами (из фольги и медной оплетки);
– SSTP (screened shielded twisted pair) – кабель с отдельным
экраном из фольги для каждой пары и общим экраном.
В зависимости от эффективно пропускаемого частотного диапазона существует несколько категорий кабеля «витая пара», которые нумеруются от Cat 1 до Cat 7. Кабель более высокой категории
обычно содержит больше пар проводов, и каждая пара имеет больше витков на единицу длины.
На рис. 3.6 показана конструкция простейшего кабеля UTP. Кабель состоит из нескольких (чаще всего четырех) витых пар в общей пластиковой оболочке.
Вследствие особенностей конструкции (отсутствие экрана) кабель UTP подвержен наводкам значительно больше, чем коаксиальный кабель. Помехи от работающих электродвигателей, транс1 Сокращения указаны в соответствии с ISO/IEC 11801.
181
ек
а
ГУ
А
П
форматоров, люминесцентных ламп и других электроприборов наводятся на неэкранированную витую пару. Кроме того, возможны
взаимные наводки между соседними парами в кабеле. Устранение
влияния таких наводок требует использования специального типа
сигнала – парафазного (его иногда называют дифференциальным,
балансным или симметричным) с использованием специальных
приемника и передатчика сигнала.
Принцип передачи сигнала по витой паре состоит в следующем.
Поступающий от источника (телекамеры) униполярный полный
телевизионный сигнал преобразуется в передатчике в парафазный
(пара сигналов – прямой и инверсный). Оба сигнала передаются по
витой паре к приемнику (рис. 3.7, а). В приемнике сигналы поступают на входы дифференциального усилителя. Поскольку сигналы
поступают на входы в противофазе, выходной сигнал удваивается
по амплитуде (рис. 3.7, б). Внешние помехи наводятся на оба проводника витой пары с одинаковой амплитудой и фазой и также
подаются на входы дифференциального усилителя. В результате
действие помехи на оба проводника на выходе дифференциального
усилителя компенсируется (рис. 3.7, в) и на выходе остается только
телевизионный сигнал (см. рис. 3.7, а).
а)
би
бл
ио
т
Помехи
+
_
Вход
Воздействие помехи
б)
Выход
Дифференциальный
сигнал
+Uc
2Uc
+
–Uc _
в)
+Uп
+Uп
Сигнал помехи
+
Uп = 0
_
Рис. 3.7. Принцип передачи и приема сигнала по витой паре
182
ек
а
ГУ
А
П
Такой способ передачи телевизионного сигнала имеет свои преимущества перед обычным способом передачи по коаксиальному кабелю:
– улучшается помехозащищенность линии связи;
– применяется более дешевый
кабель.
К недостаткам следует отнести
необходимость применения специальных передатчиков и приРис. 3.8. Передатчик сигнала
емников по витой паре. Внешний
по витой паре
вид одного из таких передатчиков
приведен на рис. 3.8.
Для передачи телевизионного сигнала, как правило, рекомендуется кабель UTP Сat 5, Сat 5e (полоса частот 125 МГц), UTP Сat 6
(полоса частот 250 МГц) или специальный UTP.
3.3.2. Основные характеристики кабеля «витая пара»
би
бл
ио
т
Волновое сопротивление (импеданс), в отличие от коаксиального кабеля (50, 75 Ом), составляет 100 Ом. Соответственно выходной
и входной импедансы передатчика и приемника сигнала должны
быть равны 100 Ом.
Затухание (ослабление) сигнала, так же как и в коаксиальном
кабеле, увеличивается с увеличением длины кабеля и частоты сигнала. Поэтому допустимая длина кабеля UTP тоже определяется
потерями сигнала.
Задержка определяется скоростью распространения сигнала
в кабеле и численно равна времени, которое затрачивает сигнал
на прохождение всей длины кабеля. Для витой пары, в отличие от
коаксиального кабеля, где характеристикой задержки является
NVP, вводится разностная задержка (delay skew) как разница между временем прохождения сигнала по самой длинной паре кабеля и
временем прохождения сигнала по самой короткой паре, измеряемая в наносекундах на 100 м (нс/100 м).
Для компьютерных информационных сетей разностная задержка допускается до 45 нс, что неприемлемо для аналоговых RGBсигналов в телевидении. Различие во времени прихода сигналов
RGB в ТВСН может привести к искаженному воспроизведению
цветов. Для правильного формирования цветного изображения
183
ек
а
ГУ
А
П
сигнала должны приходить одновременно, т. е. время разностной
задержки должно быть меньше допустимого.
Возвратные потери. Некачественная инсталляция кабеля, например, резкие перегибы и вытягивания кабеля, влияет на его волновое сопротивление, а это приводит к возникновению отражения
сигнала. Визуально возвратные потери могут приводить к появлению на экране блеклых повторов изображения.
Кроме того, при резких перегибах проводники витой пары разъединяются и внешняя помеха будет наводиться на проводники под
разными углами, т. е. иметь разную амплитуду. Разница в амплитуде будет выделена дифференциальным приемником (неполная
компенсация помехи) и отображена на экране.
UTP-технология очень привлекательна для передачи на большие расстояния видео- и звуковых сигналов. Кроме передатчиков
для формирования симметричного сигнала и дифференциальных
приемников для обработки сигналов витой пары используются
разветвители, коммутаторы, различные комбинированные устройства, промежуточные усилители, согласующие устройства.
3.4. Волоконно-оптические линии связи
би
бл
ио
т
В силу целого ряда преимуществ ВОЛС оказываются предпочтительнее для многих применений. Для ТВСН наиболее важными являются следующие [44, 48, 49]:
– низкие потери при передаче. ВОЛС, имея малые потери, позволяют передавать телевизионные сигналы на большие расстояния без использования промежуточных усилителей. Это особенно
удобно в ТВСН за железной дорогой или автострадами, где расстояние от объекта наблюдения до пульта оператора или диспетчера
достигает до 20 км;
– широкополосная передача сигнала. Широкая полоса передачи ВОЛС позволяет одновременно передавать по одному волоконно-оптическому кабелю большое количество сигналов, к примеру
телевизионные сигналы от нескольких телевизионных камер;
– устойчивость к воздействию внешних помех и наводок. Переносчиком сигнала является свет, следовательно, волоконно-оптический кабель нечувствителен к внешним электрическим и магнитным помехам и наводкам. Это обеспечивает устойчивую работу
ВОЛС даже в тех случаях, когда расположению близлежащих сетей питания не уделено достаточно внимания.
184
ГУ
А
П
– электрическая изоляция. Отсутствие электропроводности для
волоконно-оптического кабеля означает отсутствие проблем, связанных с изменениями потенциала земли, характерных, например, для электростанций или железных дорог. Это же их свойство
устраняет опасность повреждения оборудования, вызванного бросками тока от молний и т. п.;
– лёгкие и компактные кабели. Например, один коаксиальный
кабель занимает столько же места, сколько и 24 волоконно-оптических кабелей, каждый их которых предположительно может одновременно передавать до 64 телевизионных и звуковых сигналов.
3.4.1. Оптическое волокно
би
бл
ио
т
ек
а
Оптическое волокно состоит из центральной части – сердцевины
с высоким показателем преломления, которая окружена оболочкой, выполненной из материала с низким показателем преломления, как показано на рис. 3.9. Одной из технических характеристик оптического волокна является отношение диаметра сердцевины к диаметру оболочки, например 50/125 означает оптическое
волокно с диаметром сердцевины 50 мкм и внешним диаметром
оболочки 125 мкм.
Распространение света по сердцевине волокна происходит за
счёт последовательных полных внутренних отражений на границе
раздела сердцевина/оболочка. Распространение света в данном случае аналогично распространению света внутри трубы с зеркальной
внутренней поверхностью. Но если отражение в зеркале неэффективно, то полное внутреннее отражение по существу близко к идеЗащитное
покрытие
Сердцевина
с высоким
показателем
преломления
Диаметр
сердцевины
Диаметр
оболочки
Оболочка
с низким
показателем
преломления
Рис. 3.9. Структура оптического волокна
185
(3.1)
ГУ
А
n0 sin imax = n1 sin i1 = n1 cos ic , П
альному, поэтому свет распространяется вдоль волокна на большие
расстояния с минимальными потерями.
Полное внутреннее отражение возникает при условии, когда
угол ic, угол между направлением луча в точке раздела двух сред и
нормалью к этой точке (рис. 3.10), больше предельного (угла Брюстера).
Если imax – наибольший угол падения лучей, испытывающих
полное внутреннее отражение, то как следует из рисунка и закона
преломления (2.5) можно записать:
где n0 – показатель преломления окружающей среды; n1 – показатель преломления сердцевины.
Предельный угол определяется выражением (2.6 )
n
sin ic = 2 , n1
(3.2)
ек
а
где n2 – показатель преломления оболочки.
Используя выражения (3.1), (3.2) и равенство
cos2 ic = 1 - sin2 ic ,
би
бл
ио
т
получим
n0 sin imax = n12 - n22 .
Величина n0 sin imax называется числовой апертурой (numerical
aperture – NA) и определяет световой поток, который реально можно ввести в волокно [48]. То есть для достижения эффективного
ввода волокно необходимо освещать источником с числовой апертурой, не превышающей числовую апертуру волокна. Для воздуш-
NA
imax
n0
i1
n1
n2
ic
Сердцевина
Оболочка
Защитное покрытие
Рис. 3.10. Ход лучей в оптическом волокне
186
n
Показатель
преломления
сердцевины n1
g=¥
g =2
g =1
ГУ
А
П
Показатель
преломления
оболочки n2
0
–а
+а
r
Рис. 3.11. Зависимости показателя преломления
оптического волокна
би
бл
ио
т
ек
а
ной среды n0 = 1. В некоторых случаях волокно соединяется с источником света клеем с показателем преломления n0 ≠ 1, но близким к показателю преломления сердцевины n1.
На рис. 3.11 представлены наиболее часто используемые зависимости показателя преломления сердцевины относительно показателя преломления оболочки. Волокно, у которого показатели преломления сердцевины и оболочки имеют разные, но постоянные
значения, носит название оптического волокна со ступенчатым
профилем показателя преломления.
Как видно из рисунка, изменение показателя преломления от
центра сердцевины к оболочке может быть не только ступенчатым.
Согласно ГОСТ Р МЭК 793-1 [50] нормализованный профиль показателя преломления
δ( x ) =
n(x) - n1
n2 - n1
описывается законом
δ( x ) = 1 - x g , x =
r
(0 £ r £ a),
a
где r – расстояние от центра; а – радиус сердцевины; n(x) – показатель преломления в точке x.
Характеристическое число профиля g определяет аппроксимирующую функцию δ(x) [48, 50]. Так, при g = ∞ как бы имитируется
187
ГУ
А
П
прямоугольная функция, при g = 1 – треугольная. На практике часто используется квадратическая зависимость (парабола), которой
соответствует число g = 2 (см. рис. 3.11).
Прежде чем рассматривать различные типы оптического волокна, дадим определения некоторым характеристикам. ВОЛС можно рассматривать как линейную систему с ограниченной полосой
пропускания. Такая линия характеризуется полосой пропускания
и коэффициентом широкополосности. Полоса пропускания представляет собой область частот, в которой значение амплитудно-частотной характеристики оптического волокна составляет не менее
половины ее максимального значения, что соответствует снижению уровня оптической мощности на 3 дБ. Коэффициент широкополосности определяется по формуле
K = ΔFL,
ек
а
где ΔF – ширина полосы пропускания, МГц; L – длина волокна, км.
Коэффициент широкополосности, МГц · км, равен полосе пропускания оптического волокна длиной 1 км.
Полоса пропускания ограничивает максимальную верхнюю частоту сигналов, передаваемых по оптическому волокну ограниченной длины.
Практически ширина полосы пропускания определяется следующим выражением:
би
бл
ио
т
ΔF = 0,44 / t,
где τ – величина расширения импульсов:
2
2
t = tâûõ
- tâõ
,
где tвх, tвых, нс – длительность входного и выходного импульсов по
уровню 0,5.
3.4.2. Типы оптических волокон
В оптическом волокне со ступенчатым профилем показателя
преломления для распространения луча света существует много
возможных путей, или мод1. Такое волокно называют многомодовым (рис. 3.12, а).
1 Точное определение моды – «разрешенные световые волны, которые могут распространяться в оптическом волокне».
188
Показатель
преломления
r
n
125 мкм
50–100
мкм
в)
t
t
Стекловолокно
со ступенчатым профилем
П
r
125 мкм
10 мкм
б)
Выходной
импульс
n
t
t
ГУ
А
380 мкм
200 мкм
а)
Входной
импульс
Одномодовое стекловолокно
r
n
t
t
Многомодовое стекловолокно
ек
а
Рис. 3.12. Типы оптического волокна
би
бл
ио
т
Множество мод при ступенчатом изменении показателя преломления приводит к дисперсии (расширению) выходного импульса (см. рис. 3.12, а). Каждая мода проходит в волокне различный
оптический путь, поэтому разные моды имеют разное время распространения от входа оптического волокна до выхода. В результате на выходе они суммируются с разными фазовыми сдвигами,
что приводит к расширению выходного импульса, а следовательно,
к ограничению максимальной частоты, которую можно эффективно передавать при данной длине оптического волокна. Увеличение
частоты сигнала, или длины оптического волокна сверх предельных значений, приводит к слиянию следующих друг за другом импульсов, и их различение становится невозможным. Для типового
многомодового волокна этот предел равен ≈ 15 МГц · км. Это означает, что телевизионный сигнал с полосой, например, 5 МГц может быть передан на максимальное расстояние 3 км (5 МГц · 3 км =
= 15 МГц · км). Попытка передать сигнал на бóльшее расстояние
приведёт к прогрессирующей потере высоких частот.
Для многих применений это недопустимо. Один из способов устранения – уменьшение диаметра сердцевины оптического волокна до
значений 8–9 мкм, при котором становится возможным распространение только одной моды. Такие оптические волокна называют одномодовыми (рис. 3.12, б) [17, 44, 50]. Они весьма эффективно снижают
дисперсию, и результирующая полоса (во много ГГц · км) делает их
189
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
идеальными для сетей кабельного телевидения. Однако оптическое
волокно столь малого диаметра требует применения мощного, прецизионно совмещённого с волокном, а поэтому сравнительно дорогого лазерного излучателя, что снижает целесообразность их применений для ТВСН с малой протяжённостью линии связи.
Компромиссным решением оптического волокна, у которого полоса пропускания того же порядка, что и одномодового волокна, а
конструктивные размеры, т. е. диаметр сердцевины как у многомодового, является использование многомодового волокна с градиентным изменением показателя преломления (рис. 3.12, в). Такое
оптическое волокно называют селфоком. Показатель преломления
его сердцевины неоднороден: он плавно изменяется от максимального значения в центре до меньших значений около оболочки (зависимость показателя преломления для g = 2 приведена на рис. 3.11).
При градиентном изменении показателя преломления свет распространяется по слегка изгибающемуся пути, и, во-вторых, что
более важно, различия в задержке распространения разных мод
минимальны. Объясняется это тем, что высокие моды, входящие
в волокно под бóльшим углом и проходящие бóльший путь, на самом деле начинают распространяться с большей скоростью по мере
того, как они удаляются от центра к оболочке, где показатель преломления снижается, и движутся быстрее, чем моды низших порядков, остающиеся вблизи оси оптического волокна, в области высокого показателя преломления. Разность скоростей распространения компенсирует разность оптических путей.
Многомодовые оптические волокна с градиентным показателем
преломления не являются идеальными, но тем не менее они имеют
приемлемые значения коэффициента широкополосности. Поэтому
в большинстве ТВСН малой и средней протяжённости выбор такого
типа оптического волокна оказывается предпочтительным. Кроме
того, этот тип оптического волокна допускает применение в качестве излучателя светоизлучающих диодов.
При распространении по волокну оптические сигналы теряют
свою мощность. Это происходит из-за действия двух причин: поглощения света, рассеяния света.
Поглощение света связано со свойствами материала и с рабочей
длиной волны. Поглощение света происходит при возбуждении
в материале электронных переходов и резонансов, которые преобразуют часть энергии света в теплоту. Поскольку такие явления связаны с частотой (или длиной волны) света, то и поглощение также
зависит от длины волны света. В зависимости от длины волны раз190
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
личают поглощение в ультрафиолетовом диапазоне и поглощение
в инфракрасном диапазоне. Инфракрасное поглощение становится
значительным на длинах волн свыше 1,5 мкм, а ультрафиолетовое – на длинах волн до 1,4 мкм. Кроме этого в оптическом волокне
существует также поглощение, определяемое примесями в материале сердцевины волокна. Наибольший вклад в величину затухания
дают примеси гидроксильной группы OH. На рис. 3.13 приведена
зависимость потерь в оптическом волокне от длины волны для диапазонов длин волн, которые используются в телекоммуникациях
[49, 50]. Эти диапазоны получили название «окон прозрачности»
из-за минимального в них затухания: 850, 1310 и 1550 нм.
Для многомодовых систем окно на длине волны в 850 нм (I на рис.
3.13) – первое и наиболее часто используемое (наименьшая цена). На
этой длине волны градиентное многомодовое оптическое волокно хорошего качества показывает затухание примерно 3 дБ/км, что делает
возможной реализацию связи в ТВСН на расстояниях свыше 3 км.
На длине волны 1310 нм (II на рис. 3.13) то же самое оптическое
волокно показывает ещё меньшее затухание – 0,7 дБ/км, позволяя
тем самым пропорционально увеличить дальность связи примерно
до 12 км. 1310 нм – это также первое рабочее окно для одномодовых
оптических волокон, затухание при этом составляет около 0,5 дБ/км,
что в сочетании с излучателями на лазерных диодах позволяет
создавать ВОЛС длиной свыше 50 км. Третье окно прозрачности –
1550 нм (III на рис. 3.13) – используется для создания ещё более
длинных ВОЛС (затухание оптического волокна менее 0,2 дБ/км).
Ультрафиолетовое
поглощение
Пики
Потери,
поглощения
дБ/км
на ОН
3,0
I
Инфракрасное
поглощение
2,0
1,0
0
II
Кривая
рассеяния
0,8
1,0
1,2
III
1,4
окна прозрачности
1,6
Кривая
поглощения
Длина
волны, мкм
Рис. 3.13. Зависимость потерь в волокне от длины волны
191
ГУ
А
П
Рассеяние света частично происходит из-за свойств материала,
но в основном определяется нарушениями геометрической формы
оптического волокна. Оно происходит тогда, когда мода распространения света изменится таким образом, что часть оптической
энергии покинет сердцевину волокна. При этом не происходит никаких преобразований энергии излучения в другие виды энергии.
Рассеянию также способствуют дефекты и микроскопические неоднородности в материале в сердцевине волокна.
На коротких ВОЛС большой вклад в общие потери оптической
энергии вносят потери в пассивных устройствах и потери на соединениях, существенны также потери на изгибах. Поглощение и рассеяние влияют на сигнал при прохождении его по длинным ВОЛС.
3.4.3. Передатчики для волоконно-оптической
линии связи
би
бл
ио
т
ек
а
Наиболее важным компонентом волоконно-оптического передатчика является источник света – излучатель. Обычно в качестве излучателя используются полупроводниковый лазер или светодиод. Оба
служат одной и той же цели – генерации светового пучка, который
можно с высоким КПД ввести в волокно и с высокой частотой модулировать (изменять интенсивность излучения) передаваемым сигналом.
Светоизлучающие диоды генерируют свет за счет рекомбинации
основных и неосновных носителей в полупроводнике. Длина волны
излучения зависит от ширины запрещенной зоны ΔЕ (потенциального барьера), возникающей на границе p – n перехода и определяется как [51]:
hC 1238
λ=
=
,
ΔE
ΔE
где h – постоянная Планка, равная 6,63 ·10–34 Дж; С – скорость света, 300·106 м/с.
В зависимости от величины ΔЕ излучение может быть как в видимой части диапазона, так и в инфракрасной. В отличие от лазерного излучателя, имеющего узкий спектр излучения, полученная
длина волны носит название доминирующей, поскольку спектр генерируемого излучения достаточно широк (рис. 3.14, а).
Диаграммы направленности излучения для светоизлучающего диода и лазерного излучателя также сильно различаются
(рис. 3.14, б). Для одномодового оптоволокна ввод излучения осуществляется узким лучом точно вдоль оси сердечника оптического
волокна. В качестве источника излучения здесь применим только
192
а)
Светодиодный излучатель
%
100
0
810
860 λ, мкм
П
30
в)
б)
40
мкм
Лазерный излучатель
ГУ
А
4 мкм
%
100
30
0
1540
1550 λ, мкм
ек
а
Рис. 3.14. Характеристики светодиодного и лазерного излучателей:
а – спектр излучения; б – диаграмма направленности;
в – дисперсия излучения
би
бл
ио
т
лазерный излучатель (рис. 3.14). Для многомодовых волокон может использоваться и более дешевый светодиодный излучатель.
Лазеры обеспечивают бóльшую интенсивность пучка, чем светодиоды, и допускают более высокую частоту модуляции; поэтому
они часто используются для широкополосных ВОЛС большой протяжённости. С другой стороны, светодиоды – более дешёвые и более стойкие приборы, к тому же вполне подходящие для большинства систем небольшой или средней протяжённости, и поэтому они
широко используются в ТВСН.
Спектральная
характеристика
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
972
0,6 нм
974 976 978
Длина волны, нм
Диаграмма
направленности
1,0
Нормированная
интенсивность
б)
Нормированная
интенсивность
а)
9,5
0,5
14,6
1/е
NA∼0,13°
–20 –10
0
10 20
Угол, град
Рис. 3.15. Лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным
резонатором (VCSEL): а – внешний вид; б – характеристики
193
П
Возможно применение и новых дешевых излучателей, имеющих более узкую диаграмму направленности с большой интенсивностью излучения [52]. Таким источником оптического излучения
является VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) – лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором
(рис. 3.15, а), работающий на длинах волн 850 и 1300 нм, т. е. второе и третье окна прозрачности. На рис. 3.15 приведены характеристики VCSEL – лазера FU-980-0.5-TO46-01 [53, 54].
ГУ
А
3.4.4. Приёмники для волоконно-оптической
линии связи
би
бл
ио
т
ек
а
Приёмники ВОЛС решают жизненно важную задачу – детектирование чрезвычайно слабого оптического излучения, испускаемого из конца оптического волокна, и усиление полученного электрического сигнала до требуемого уровня с минимальными искажениями и шумами. Минимальный уровень излучения, требующийся
приёмнику для того, чтобы обеспечить приемлемое качество выходного сигнала, определяет чувствительность. Разница между
чувствительностью приёмника и выходной мощностью передатчика определяет максимально допустимые потери в системе в децибелах. Для большинства ТВСН со светодиодным передатчиком типовым является значение в 10–15 дБ.
В идеале приёмник должен нормально работать при изменении
входного сигнала в широких пределах, поскольку обычно невозможно предсказать, какова будет степень затухания в линии связи (т. е. длина линии, число стыков и т. п.). Во многих простых
конструкциях приёмников для достижения требуемого уровня
выходного сигнала используется ручная регулировка усиления,
производимая при монтаже системы. Это нежелательно, поскольку неизбежны изменения в величине затухания линии, вызванные
старением или изменением температуры и т. п., что диктует необходимость периодически подстраивать усиление.
Применение автоматической регулировки усиления, которая
отслеживает средний уровень входного оптического сигнала и соответственно изменяет коэффициент усиления приёмника, решает
эту задачу.
3.4.5. Конструкция волоконно-оптических кабелей
Оптоволоконные кабели могут быть одноволоконные, двуволоконные, многоволоконные и композитные (рис. 3.16).
194
195
Внешняя оболочка
Медный кабель
Металлический экран
Внутренняя оболочка
Центральная силовая
конструкция
в)
ек
а
Оптическое волокно
Гель
Стержень с пазами
б)
ГУ
А
П
Полиамидная оболочка
Центральная силовая
конструкция
Наполнители (вкладыши)
Оболочка стержня
Внешняя оболочка
Оптическое волокно
Водоблокирующий гель
Трубки
Внешняя оболочка
Центральная силовая
конструкция
Кордная оболочка
Кордная (каркасная)
силовая конструкция
Оптическое волокно
Рис. 3.16. Конструкции волоконно-оптических кабелей: а – поперечное сечение волоконно-оптического кабеля;
б – четырехволоконный кабель с силовой конструкцией; в – типовой волоконный кабель с силовыми
конструкциями и наполнителем; г – композитный оптико-металлический кабель
г)
Оптическое волокно
Вторичное покрытие
оптического волокна
Силовая конструкция
(арамидная нить)
Оболочка
а)
би
бл
ио
т
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Одноволоконный и двуволоконный кабели обычно включают
волокнистую силовую конструкцию (арамидную нить), покрывающую вторичную оболочку. Этот слой защищен пластиковой внешней оболочкой [17, 44].
Многоволоконный кабель может иметь множество конфигураций.
Самая простая – это группа нескольких одноволоконных кабелей с центральной силовой конструкцией внутри внешней оболочки. В качестве центральной силовой конструкции может использоваться эластичный стальной провод или укрепленная стекловолокном пластиковая жила. Такие кабели могут включать от двух
до двенадцати и более коммуникационных оптических волокон.
Кабель, не содержащий металла, т. е. когда в качестве центральной силовой конструкции используется пластиковая жила, предназначен для установки внутри зданий. Кабель годится для многих
типов систем, включая ТВСН, системы безопасности, компьютерные линии и др. Мощные (предназначенные для работы в тяжелом
режиме) кабели делаются жесткими, со стальной центральной жилой, чтобы их можно было протягивать через кабельные каналы.
Композитный оптико-металлический кабель представляет собой комбинацию оптического волокна и изолированного медного
провода и предназначен как для внутренней, так и для внешней
прокладки. Кабель может быть заполнен водозадерживающим веществом для защиты оптического волокна от влаги, что необходимо, например, при прокладке кабеля под землей.
Несмотря на защитную оболочку при прокладке оптического
кабеля следует учитывать рекомендуемые производителем требования по максимальному растяжению, нагрузкам, максимальному
радиусу изгиба и т. д. [55].
3.4.6. Разъемы и соединение волоконнооптических кабелей
При всех достоинствах оптических волокон для монтажа сетей
их необходимо соединять. Именно сложность этого процесса является основным сдерживающим фактором волоконно-оптической
технологии.
Сварка электрическим разрядом в сравнительно небольших сетях основной на сегодня способ соединения оптического волокна.
Такое соединение надежно, долговечно и вносит ничтожно малое затухание в оптический тракт. Но для сварки нужно весьма дорогосто196
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
ящее оборудование и сравнительно высокая квалификация оператора. Связано это необходимостью высокоточного совмещения концов
оптических волокон перед сваркой и соблюдения стабильных параметров электрической дуги. Кроме этого нужно обеспечить ровные,
перпендикулярные оси волокна торцы свариваемых волокон, что
само по себе является достаточно сложной задачей [56, 57].
Такой способ часто используется для оконечивания кабелей путем сварки волокон кабеля с небольшими отрезками гибких кабелей
с уже установленными разъемами – пигтейлами, или монтажными
оптическими шнурами (от англ. pig tаil, букв. – поросячий хвост).
В последнее время все большее распространение вместо сварки
получают клеевые соединения.
Механические соединения оптических волокон используют специальное устройство – сплайс (splice). Назначение этой технологии – быстрое временное соединение, используемое для восстановления работоспособности линии в случае разрыва. Сплайс состоит
(рис. 3.17) из корпуса, в который через специальные каналы и направляющие вводятся сколотые концы волокон. Направляющие
служат для прецизионной стыковки торцов в камере, заполненной
иммерсионным гелем, необходимым для сведения к минимуму
переходного затухания и герметичности соединения. Показатель
преломления геля близок к показателю преломления сердцевины
оптического волокна, что позволяет свести к минимуму обратное
отражение. Сверху корпус закрывается крышкой.
Разъемные соединения. В ВОЛС вносимые разъемами дополнительные потери должны быть достаточно малы, затухание около
0, 2–0, 3 дБ (или несколько процентов).
Основные требования к разъемам следующие:
– внесение минимального затухания и обратного отражения
сигнала;
– минимальные габариты и масса при высокой прочности;
Корпус
Оптоволокно
Крышка
Гель
Направляющие
Оптоволокно
Рис. 3.17. Механическое соединение
197
Наконечник
(2,5 мм)
Сердечник
(50 мкм)
Хвостовик
ST-разъем
П
Оптическое
волокно
в буфере
ГУ
А
Оптическое
волокно
со снятым
буфером
Соединитель
ST-разъем
Рис. 3.18. Разъем контактного типа
би
бл
ио
т
ек
а
– долговременная работа без ухудшения параметров;
– простота установки на оптическое волокно;
– простота подключения и отключения.
Основной трудностью конструкции является необходимость
точного совмещения осей соединяемых оптических волокон и плотного прижатия их торцов друг к другу (создание контакта).
Соединения делаются в основном по симметричной схеме, когда для соединения разъемов используется специальный элемент
соединитель – (coupler) (рис. 3.18). Сначала оптическое волокно
закрепляется и центрируется в наконечнике разъема, а затем уже
сами наконечники разъемов центрируются в соединителе.
Наибольшее распространение получили два типа разъемов – ST
и SC (рис. 3.19):
– ST – от англ. straight tip connector (прямой разъем), или неофициально stick-and-Twist (вставь и поверни). Конструкция основана на керамическом наконечнике (феруле) диаметром 2,5 мм
с выпуклой торцевой поверхностью. Фиксация вилки на гнезде
выполняется подпружиненным байонетным элементом (подобно
разъемам BNC, используемым для коаксиального кабеля). Это самый дешевый и распространенный тип. Основными недостатками
являются: сложность маркировки, трудоемкость подключения и
невозможность создания дуплексной вилки.
– SC – от англ. subscriber connector (абонентский разъем), а иногда
используется неофициальная расшифровка stick-and-click (вставь и
защелкни). Был разработан японской компанией NTT с использова198
SC
ГУ
А
Рис. 3.19. Типы разъемов
П
ST
би
бл
ио
т
ек
а
нием такого же, как в ST, керамического наконечника диаметром
2,5 мм. Но основная идея заключается в легком пластмассовом корпусе, хорошо защищающем наконечник и обеспечивающим плавное
подключение и отключение одним линейным движением.
Такая конструкция позволяет достичь большой плотности монтажа и легко адаптируется к удобным сдвоенным разъемам. Поэтому разъемы SC рекомендованы для создания новых систем и постепенно вытесняют ST.
Дополнительно нужно отметить еще два типа разъемов: FC –
очень похож на ST, но с резьбовой фиксацией; LC – новый «миниатюрный» разъем, конструктивно идентичный SC.
3.5. Беспроводное телевизионное наблюдение
На сегодняшний день широкое распространение получили беспроводные сети передачи данных, буквально – в каждом доме есть
Wi-Fi-роутер1. Неудивительно, что подобные системы передачи информации используются и в системах телевизионного наблюдения.
Основы Wi-Fi были заложены в конце 90-х гг. Термин «Wi-Fi»
(wireless fidelity – беспроводная точность) изначально был придуман как игра слов для привлечения внимания потребителя c намёком на Hi-Fi (high fidelity – высокая точность). На данный момент
«Wi-Fi» никак не расшифровывается.
1 Wi-Fi-роутер – это беспроводной маршрутизатор с внешней или внутренней
Wi-Fi-антенной (или несколькими антеннами). Устройства в локальной сети (телефоны, планшеты, ноутбуки, компьютеры) подключаются к нему через Wi-Fi и выходят в интернет.
199
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Под технологией Wi-Fi подразумеваются все стандарты семейства IEEE 802.11, определенные организацией Wi-Fi Alliance.
В процессе развития технологии появились несколько вариантов
стандарта [58]:
– 802.11b. Принят в 1999 г. Работа в диапазоне 2,4 ГГц. Обеспечивает скорость передачи данных до 11 Мбит/с. Радиус действия
передатчика – до 300 м.
– 802.11a. Принят в 1999 г., однако устройства с поддержкой
стандарта появились на рынке приблизительно через 2 года. Для
работы используется частота 5 ГГц, при скорости передачи данных
до 54 Мбит/с. Радиус действия передатчика – до 100 м.
– 802.11g. Принят в 2003 г. Рабочая частота – 2,4 ГГц. Скорость
передачи данных – 54 Мбит/с. Радиус действия передатчика – до
100 м в помещениях и до 300 м – на открытой местности. Совместимость со всеми стандартами семейства 802.11.
– 802.11n. Принят в 2009 г. Дальнейшее развитие стандарта
ориентировано на передачу мультимедийных потоков данных. Используются диапазоны 2,4–2,5 или 5 ГГц. Имеется совместимость
с ранними стандартами 802.11a/b/g. Главное отличие – возросшая
скорость передачи данных до 600 Мбит/с.
Другие версии стандарта не получили особого распространения.
Как правило, беспроводные устройства могут поддерживать несколько стандартов 802.11.
Wi-Fi телевизионное наблюдение – это разновидность IPсистемы телевизионного наблюдения, в которой в качестве среды
для передачи телевизионного сигнала используется радиочастотная – беспроводная сеть, а каждая телекамера (IP-камера) имеет
свой IP-адрес. IP – Internet Protocol – дословный перевод «межсетевой протокол») – маршрутизируемый протокол сетевого уровня,
который объединил отдельные компьютерные сети во всемирную
сеть Интернет. Благодаря этому, IP-камера может передавать сигнал на IP-видеосервер, которым может являться ноутбук, видеомагнитофон или стационарный компьютер. Для объединения всех
устройств системы наблюдения в единую сеть применяется либо
роутер, либо точка доступа1. Выбор конкретного устройства и схе-
1 Беспроводная точка доступа (англ. Wireless Access Point – WAP) — это беспроводная базовая станция, предназначенная для обеспечения беспроводного доступа
к уже существующей сети (беспроводной или проводной) или создания новой беспроводной сети.
200
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
мы подключения элементов осуществляется после анализа особенностей зон наблюдения.
Типовая схема беспроводного телевизионного наблюдения дана
на рис. 3.20.
Основные режимы работы IP-камеры включают:
– видео по запросу. Обращение к интернет-камере происходит
через интернет с указанием ее адреса и введения имени пользователя и пароля (IP-камера может хранить до нескольких десятков
имен пользователей и их паролей, а также индивидуальный профиль доступа для каждого из них). В случае корректной авторизации обеспечивается передача изображения с IP-камеры на рабочее
место оператора.
– видеопоток. Специализированный, «профессиональный» режим работы IP-камеры в составе охранной системы видеонаблюдения. Просмотр видеопотока на рабочем месте, как правило, производится с помощью специализированной программы, реализующей так называемый триплексный режим – просмотр видеопотока
в реальном масштабе времени, запись видеоданных в упорядоченный архив, просмотр выбранных данных из видеоархива.
– видео по событию. Такой режим используется в случае, если
IP-камера является элементом системы безопасности и контроля.
IP-камера способна передавать видеоданные:
– при срабатывании внешних датчиков, подключенных непосредственно к IP-камере через специальные разъемы;
Wi-Fi-роутер
(точка доступа)
Беспроводная
телекамера
наблюдения
Интернет
Рис. 3.20. Типовая схема Wi-Fi телевизионного наблюдения
201
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
– при срабатывании встроенного программного датчика движения, который реагирует на изменение «картинки»;
– камера сама «проявляет инициативу» по отправке видеоданных на адрес (адреса), который в ней запрограммирован. Продолжительность отправляемых видеоматериалов определяется настройками камеры. Наличие у IP-камеры встроенной памяти позволяет формировать видеопоследовательность не только в момент
срабатывания датчиков, но и за несколько секунд до этого момента.
Так как IP-камера имеет встроенные часы, то отправляемые видеоданные могут маркироваться датой и временем события.
– видео по расписанию. IP-камера позволяет организовать периодическую по времени отправку видеороликов заданной продолжительности. Для этого задаются дни недели, время и продолжительность видеопоследовательности.
К преимуществам подобной системы следует отнести простоту
монтажа вследствие отсутствия необходимости прокладки кабелей, монтаж беспроводной системы телевизионного наблюдения не
нарушает интерьер.
Но у Wi-Fi-систем есть и ряд существенных недостатков, например небольшая дальность работы. Большинство систем имеют
заявленную дальность между приемником и передатчиком – в помещении несколько десятков метров, на улице при использовании
специальных антенн от 200 до 600 м. Известно, что дальность работы радиоустройства зависит от многих факторов, и в реальных
условиях всегда меньше паспортного значения, которое отражает
случай расположения приемника и передатчика в прямой видимости. Если же на объекте возникает проблема с прохождением радиосигнала, то используют ретранслятор.
Кроме того, для нормальной работы системы можно подключить не более трёх-четырёх беспроводных телекамер в зоне прямой
видимости друг друга. В связи с тем, что диапазон Wi-Fi 2,4 ГГц
является открытым и в нём работает огромное количество точек
доступа, использование этих же частот для передачи изображения
с телекамер может оказаться затруднительным и снизить максимальное количество камер до одной-двух.
Исходя из вышеперечисленных недостатков, можно сделать вывод, что использование Wi-Fi-систем телевизионного наблюдения
особенно в условиях городской застройки является достаточно проблематичным.
Поскольку в состав аппаратуры Wi-Fi входит передатчик, то
в соответствии с установленным порядком радиоэлектронные сред202
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
ства подлежат регистрации в Роскомнадзоре [59]. Однако, в соответствии c Постановлением Правительства Российской Федерации
от 13 октября 2011 г. № 837 «О внесении изменений в Постановление Правительства Российской Федерации от 12 октября 2004 г.
№ 539», не подлежат регистрации (пп. 13, 23, 24 приложения) [59]:
1. Пользовательское (оконечное) оборудование передающее,
включающее в себя приемное устройство, малого радиуса действия стандартов IEEE 802.11, IEEE 802.11.b, IEEE 802.11.g,
IEEE 802.11.n (Wi-Fi), работающее в полосе радиочастот 2400–
2483,5 МГц, с допустимой мощностью излучения передатчика не
более 100 мВт, в том числе встроенное либо входящее в состав других устройств.
2. Пользовательское (оконечное) оборудование, передающее,
включающее в себя приемное устройство, малого радиуса действия
стандартов IEEE 802.11а, IEEE 802.11.n (Wi-Fi), работающее в полосах радиочастот 5150–5350 МГц и 5650–6425 МГц, с допустимой
мощностью излучения передатчика не более 100 мВт, в том числе
встроенное либо входящее в состав других устройств.
3. Устройства малого радиуса действия, используемые внутри
закрытых помещений, в полосе радиочастот 5150–5250 МГц с максимальной эквивалентной изотропно излучаемой мощностью передатчика не более 200 мВт.
4. Устройства малого радиуса действия в сетях беспроводной
передачи данных внутри закрытых помещений в полосе радиочастот 2400–2483,5 МГц с максимальной эквивалентной излучаемой
мощностью передатчика не более 100 мВт при использовании псевдослучайной перестройки рабочей частоты.
203
4. ВИДЕОМОНИТОРЫ
4.1. Типы видеомониторов
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Видеомонитор (от лат. monitor – предостерегающий) – конечное
звено в цепи системы видеонаблюдения1. Его задача преобразовать
электрический сигнал в оптическое изображение (преобразователь
сигнал-свет). Требования к качеству видеомонитора очень высокие,
он должен работать без сбоев круглые сутки, поэтому видеомониторы не могут быть заменены обычными телевизионными приемниками, хотя с точки зрения технической реализации видеомонитор
– это телевизор, лишенный высокочастотной части. В отличие от
телевизионных приемников в видеомониторы могут быть встроены
коммутаторы, позволяющие принимать видеосигналы от нескольких телекамер. Для защиты от внешних электромагнитных полей
и уменьшения пожароопасности, видеомониторы, в отличие от
телевизионных приемников, выпускаются в металлических корпусах. Видеомонитору необходима более высокая разрешающая
способность и, как правило, не нужен звуковой канал.
Еще одна особенность видеомонитора – наличие сквозной петли,
или так называемого сквозного видеопрохода (through loop). Большинство систем видеонаблюдения комплектуется из отдельных
устройств, которые должны обладать совместимостью в части входных/выходных видеосигналов (полный телевизионный сигнал размахом 1В на нагрузке 75 Ом). Когда на входе каждого из параллельно включенных устройств имеется согласующий резистор 75 Ом,
общее согласование нарушится и изображение на видеомониторе
будет с помехами. Поэтому в видеомониторах имеется возможность
отключения нагрузки на входе. Для этого на задней панели размещается специальный переключатель, а для обеспечения сквозного
видеопрохода – два параллельно соединенных высокочастотных
разъема «IN» и «OUT». Благодаря этому при последовательном соединении нескольких видеомониторов можно создать многопостовую систему видеонаблюдения (когда на экраны нескольких видеомониторов одновременно выводятся одинаковые изображения).
1 Надо сказать, что очень часто название «видеомонитор» заменяют на просто
монитор. Это не совсем правильно, поскольку этим словом называют, например,
мелкосидящий бронированный военный корабль с мощной артиллерией, установку, выбрасывающую под высоким давлением струю воды, акустические системы
тоже называют мониторами. «Монитор» и «мониторинг» – часто используемые термины в технике безопасности, в метеорологии.
204
б)
би
бл
ио
т
а)
ек
а
ГУ
А
П
При выборе видеомонитора исходят из принципа обеспечения
наилучших условий работы оператора и адекватности восприятия.
Так, при одновременном отображении на одном экране четырех изображений размер экрана по диагонали должен быть не менее 31 см,
а при мультиплексированном изображении, когда на экран выводится до 16 изображений, нужен экран с диагональю не менее 51 см.
С другой стороны, критерием выбора размера экрана видеомонитора
является соотношение расстояния от оператора до видеомонитора
по отношению к высоте экрана. В этом случае стандартной рекомендацией является расстояние наблюдения примерно в 4–5 раз больше высоты экрана [27, 35]. Этот критерий исходит из требования согласования разрешающей способности глаза (1 угл. мин) с разрешающей способностью видеомонитора по вертикали. С одной стороны,
оператор не должен различать структуру растра, с другой – возможности человеческого зрения не должны ограничивать возможности
системы. Экран видеомонитора должен вписываться в зону ясного
видения зрительного анализатора оператора [28].
Разрешающая способность видеомонитора – весьма важный
параметр, позволяющий оценивать способность четко воспроизводить на экране мелкие детали. Количественно она оценивается
г)
д)
в)
е)
Рис. 4.1. Типы мониторов
205
ек
а
ГУ
А
П
в ТВЛ (телевизионных линиях), т. е. в количестве различимых вертикальных штрихов.
У видеомониторов с малым размером экрана разрешающая способность меньше. Но и у видеомониторов с большим экраном разрешающая способность ограничена предельным числом рабочих
строк разложения растра (575 активных строк). Цветные видеомониторы, хотя и обладают более высокой информативностью, имеют
разрешающую способность ниже, чем черно-белые.
В настоящее время используются главным образом следующие
типы видеомониторов:
– видеомониторы на ЭЛТ (рис. 4.1, а);
– видеомониторы (дисплеи) на жидких кристаллах (рис. 4.1, б);
– плазменные панели (рис. 4.1, в);
– видеомониторы (дисплеи) OLED (рис. 4.1, г);
– видеомониторы с автоэлектронной эмиссией (рис. 4.1, д);
– электронные чернила (рис. 4.1, е).
4.2. Видеомониторы на ЭЛТ
би
бл
ио
т
Видеомониторы на ЭЛТ (CRT – cathode ray tube) – до недавнего
времени самый распространенный тип видеомониторов.
Используемая в этом типе видеомониторов технология была
создана много лет назад первоначально в качестве специального
инструментария для осциллографа. ЭЛТ для видеомониторов (кинескоп) естественно уже утратил свое первенство и повсеместно
заменяется на другие типы преобразователей сигнал-свет. Но поскольку видеомониторов этого типа еще много в эксплуатации, то
рассмотрим кратко основные принципы его работы.
Основу видеомониторов на ЭЛТ составляет кинескоп (рис. 4.2, а) –
стеклянная колба, внутри которой вакуум. С фронтальной стороны
внутренняя часть стекла колбы покрыта люминофором. В ЭЛТ черно-белого изображения люминофор покрывает всю поверхность.
Задача люминофора – испускать свет при бомбардировке его заряженными частицами.
Для формирования электронного пучка в кинескопе (рис. 4.2, б)
используется система электродов: термокатод, модулятор, фокусирующий электрод, ускоряющий электрод (первый анод) и второй
анод [27]. Эта система носит название электронного прожектора.
Сформированный электронным прожектором электронный луч
модулируется по интенсивности видеосигналом, подаваемым на
206
б)
а)
1
3
2
1 2
3
4
5
6
{
5
8
П
4
6
7
ГУ
А
Рис. 4.2. Конструкция кинескопа и электронного прожектора:
а – 1 – термокатод; 2 – электронный прожектор; 3 – отклоняющие
катушки; 4 – второй анод; 5 – вывод второго анода; 6 – алюминивая
пленка; 7 – люминофор; 8 – стеклянная колба; б – 1 –подогреватель;
2 – катод; 3 – модулятор; 4 – ускоряющий электрод;
5 – фокусирующий электрод; 6 – второй анод
би
бл
ио
т
ек
а
модулятор. Задачей системы электродов катод – модулятор – ускоряющий электрод – фокусирующий электрод создать минимальное сечение электронного луча точно на поверхности люминофора.
В ускоряющем поле второго анода электроны приобретают большую энергию, часть из которой расходуется на свечение люминофора. Как правило, в цветном видеомониторе используются три
электронных прожектора, в отличие от одного, применяемого в монохромных видеомониторах.
Прежде чем попасть на люминофор, поток электронов (электронный луч) отклоняется в вертикальной и горизонтальной плоскостях, что обеспечивает последовательное попадание его на все
точки экрана. В кинескопах применяется отклонение электронного луча магнитным полем в двух взаимно перпендикулярных направлениях, для чего на две пары отклоняющих катушек подаются
пилообразные токи строчной и кадровой частот.
Излучение света кристаллами люминофора происходит при
бомбардировке его электронным лучом, при этом луч переводит
электроны люминофора из нормальной энергетической зоны в зону
проводимости, а их обратный переход создает испускание люминофором световой энергии.
В цветных кинескопах слой люминофора, покрывающий внутреннюю фронтальную часть ЭЛТ, состоит из очень маленьких
элементов (точек). Эти люминофорные точки при возбуждении излучают основные цвета RGB (отсюда и название группы из люминофорных точек – триады). В качестве люминофоров для цветных
207
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
ЭЛТ используются довольно сложные составы на основе редкоземельных металлов – иттрия, тербия и т. п.
Понятно, что электронный луч, предназначенный для красных
люминофорных точек, не должен попадать на люминофор зеленого
или синего цвета. Для достижения этого используется специальная
маска, структура которой зависит от типа кинескопа. Кинескопы
можно разбить на два класса – с дельтаобразным расположением
электронных прожекторов (shadow mask) и с планарным расположением электронных прожекторов (slot mask). В этих кинескопах
соответственно применяются теневые и щелевые маски, хотя правильнее сказать, что они все теневые.
Теневая маска (shadow mask) – это самый распространенный тип
масок. Поверхность экрана у кинескопов с теневой маской имеет
сложную геометрическую форму (выпуклую) для того, чтобы электронный луч в центре экрана и по краям имел приблизительно одинаковый диаметр (фокусировку).
Теневая маска состоит из металлической пластины с круглыми
отверстиями, которые занимают примерно 25 % площади маски
(рис. 4.3). Находится маска перед слоем люминофора. Как правило, большинство современных теневых масок изготавливают из инвара (invar) – магнитный сплав 64 %-го железа с 36 % никеля. Этот
материал имеет предельно низкий коэффициент теплового расширения, поэтому, несмотря на то, что электронные лучи нагревают
маску, она не оказывает отрицательного влияния на чистоту цвета
изображения. Отверстия в маске работают как «прицел», в котором пересекаются три электронных луча. Затем они расходятся и
именно этим обеспечивается их попадание только на соответствующие люминофорные точки и только в определенных областях. Таким образом, пиксель изображения представляет собой три светящиеся точки основных цветов – зеленого, красного и синего, кото«Синий»
луч
«Красный»
луч
Люминофорные
точки
«Зеленый»
луч
Рис. 4.3. Теневая маска
208
R
G
B
R
Ш
точ аг
ки
B
G
R
G
R
B
R
0,14 мм
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
рые светятся с различной интенсивностью под воздействием лучей
электронных прожекторов. Изменением плотности тока каждого
из трех электронных лучей можно добиться произвольного цвета
пикселя (элемента изображения), образуемого триадой точек.
Минимальное расстояние между люминофорными точками одинакового цвета называется шагом точки (dot pitch) и является индексом качества кинескопа (рис. 4.4). Шаг точки обычно измеряется в миллиметрах. Чем меньше значение шага точки, тем выше качество изображения, воспроизводимого на видеомониторе. Теневая
маска применяется в большинстве современных видеомониторов
для компьютеров.
Второй тип маски – щелевая маска (slot mask). Кинескопы с использованием щелевой маски еще называют кинескопами с компланарным расположением электронных прожекторов, поскольку
оси трех электронных прожекторов находятся в одной (горизонтальной) плоскости (рис. 4.5). Ось «зеленого» прожектора совпадает с осью кинескопа, а оси двух других прожекторов повернуты
к оси кинескопа на угол 1,5°. Люминофорное покрытие экрана имеет линейчатую структуру. Отверстия в щелевой маске имеют вид
вертикальных прорезей. Минимальное расстояние между двумя
прорезями называется щелевым шагом (slot pitch). Чем меньше его
значение, тем выше качество изображения на видеомониторе.
Преимущества кинескопа с компланарным расположением прожекторов по сравнению с дельтовидным расположением в следующем:
– повышается яркость свечения экрана кинескопа, так как щелевая маска обладает более высокой прозрачностью;
0, 24 мм
Рис. 4.4. Шаг теневой маски
209
Ш
B
«Красный» луч
«Зеленый» луч
(по оси трубки)
Экран
с люминофором
ГУ
А
«Синий» луч
Щелевая маска
Электронные
прожекторы
G R
П
аг
щ
ма еле
ск во
и
й
Рис. 4.5. Щелевая маска
би
бл
ио
т
ек
а
– улучшается чистота цвета, так как электронный луч на соседнюю полосу люминофора может попасть только в одном (горизонтальном) направлении;
– расположение электронных прожекторов в одной плоскости
делает аберрации при отклонении симметричными, что упрощает
механизм динамического сведения лучей;
– появляется возможность создать кинескопы с самосведением
лучей, что исключает применение сложных устройств динамического и статического сведения лучей.
4.3. Матричные видеомониторы
До сих пор принцип формирования изображения на экране подразумевал наличие развертки, отклоняющей электронный луч
в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Дальнейшие
технологии отказались от классического способа получения изображения. В плазменных панелях, видеомониторах на жидких
кристаллах и других используется матричный принцип, т. е. основным элементом таких устройств является матрица. Матрица
представляет из себя две линейки проводников в двух взаимно
перпендикулярных направлениях, между которыми находится
вещество, способное излучать свет или изменять характеристики
внешнего источника света. При таком способе формирования изображения циклическая адресация элементов с помощью развертки заменяется на XY-адресацию, при которой адресуемый элемент
210
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
находится на пересечении строки с номером Y и столбца с номером
X. Активной делается сразу вся строка, а информация управления
яркостью каждого элемента подается на соответствующий столбец.
Такая жесткая привязка отображаемого элемента к соответствующим строкам и столбцам имеет свои преимущества и недостатки
по сравнению с циклической адресацией с помощью развертки.
Поскольку положение элемента отображения постоянно и не зависит ни от скорости развертки, ни от закона изменения токов в отклоняющих катушках, то исчезает проблема геометрических искажений, присущая видеомониторам на ЭЛТ. При воспроизведении цветного изображения отсутствует проблема сведения и чистоты цвета.
Матричные экраны являются принципиально плоскими по конструкции. Это значит, что все проблемы, присущие кинескопу изза кривизны экрана, – фокусировка, нелинейные искажения (искажения яркости в зависимости от положения луча на экране) – отсутствуют. Габариты матричного видеомонитора, особенно по глубине, намного меньше.
Недостатком матричного видеомонитора является фиксированное число строк разложения и элементов в строке, т. е. использование видеомонитора желательно на рабочем для данной матрицы
разрешении экрана. При использовании на другом разрешении появляется либо черная окантовка, либо интерполяция недостающих
элементов, что ведет к потере четкости. Попытка просто отобразить
изображение на всем экране приведет к потере части изображения
или к геометрическим искажениям.
4.3.1. Плазменные панели
Работа плазменной панели основана на явлении свечения люминофора под воздействием ультрафиолетовых лучей, возникающих
при электрическом разряде в ионизированном газе (в плазме).
Газы становятся электропроводными в результате ионизации.
Различают несамостоятельный (ионизация за счет внешних воздействий) и самостоятельный (ионизация за счет собственного
тока) разряды. Типичным прибором, в котором применяется самостоятельный разряд, являются газоразрядные неоновые или лампы дневного света.
На рис. 4.6 показаны простейший газоразрядный прибор и типовая вольт-амперная характеристика разряда в газе [61, 62]. Любой
газоразрядный прибор представляет собой заполненную инертным
газом, либо их смесями, изолированную от внешней среды ячейку,
211
а)
б)
U
UАК
Uз
I
II
III
IV
V
ГУ
А
Uг
П
R
I
Рис. 4.6. Вольт-амперная характеристика разряда в газе
би
бл
ио
т
ек
а
внутри которой на близком расстоянии друг от друга находятся
электроды. При отсутствии напряжения между электродами UАК
разряд отсутствует, газовый промежуток обладает большим электрическим сопротивлением. Увеличение напряжения U приводит
к возникновению процесса ионизации (зона I, несамостоятельный
разряд). При достижении определенного уровня напряжения между анодом и катодом (потенциал зажигания Uз) процесс ионизации
принимает лавинообразный характер, поскольку обладающие высокой энергией электроны, соударяясь с молекулами газа, ионизируют их, освобождают новые электроны и ионы, которые включаются в процесс ионизации. Ток быстро возрастает (зона II), а напряжение между электродами падает. Развитие этого процесса приводит к возникновению самостоятельного разряда в газе (пробой или
поджиг газового промежутка), который поддерживается при напряжении (потенциал горения Uг) меньшем, чем потенциал зажигания (зона III) и сопровождается появлением видимого свечения.
Этому участку вольт-амперной характеристики соответствует так
называемый нормальный тлеющий разряд. Характерной особенностью нормального тлеющего разряда является постоянство плотности тока, при этом напряжение горения Uг остается практически
постоянным. Когда при определенном разрядном токе вся площадь
катода оказывается занятой разрядом, дальнейший рост тока приводит к увеличению падения напряжения на газовом промежутке
и нормальный тлеющий разряд переходит в аномальный (зона IV).
При дальнейшем увеличении напряжения ток резко возрастает и
возникает дуговой разряд (зона V).
212
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
В плазменных панелях используется участок нормального тлеющего разряда с частичным заходом в область аномального разряда.
Интенсивность излучения в чистом инертном газе невелика, поэтому с целью увеличения интенсивности свечения к основному
газу (обычно He, Ne) добавляют небольшое количество (не более
1 %) примесного газа (Ar, Kr, Xe). Полученная смесь называется
смесью Пеннинга.
Потенциал зажигания газового разряда зависит от общего числа атомов газа в промежутке между электродами, и, согласно закону Пашена (рис. 4.7), от произведения давления газа на расстояние между электродами [62]. Характерные значения давления
газа в плазменных панелях лежат в диапазоне 10–300 мм рт. ст., а
межэлектродные расстояния – в диапазоне 0,1–0,5 мм. Снижению
потенциала зажигания способствует использование смесей Пеннинга, если потенциал ионизации примесного газа ниже энергии
возбуждения основного газа.
Видимое излучение тлеющего разряда инертных газов лежит,
как правило, в желто-оранжевой части спектра видимого диапазона. Использование специальных смесей газов дает сильное ультрафиолетовое излучение. К примеру, при переходе в нейтральное
состояние возбужденные атомы ксенона дают ультрафиолетовое
излучение с длиной волны 147–180 нм.
Для получения свечения в области зеленого, синего и красного
используется преобразование энергии ультрафиолетового излучения с помощью люминофоров в излучение видимого диапазона.
U, В
Воздух
10 4
Н2
10 3
10 2
10 –1
10 0
10 1
Ne
Ar
10 2 pd, мм рт. ст·мм
Рис. 4.7. Закон Пашена
213
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Плазменная панель разбита на ячейки прямоугольной формы
[61]. Каждая ячейка плазменной панели – миниатюрный газоразрядный прибор (рис. 4.8). Сотовая структура ячеек размещена
между двумя пластинами. Одна является задней стенкой панели,
другая – выходной и потому должна быть прозрачной для излучения в видимой части спектра.
Для создания больших экранов используются плазменные панели переменного тока, поэтому диэлектрические слои отделяют электроды от камер, заполненных газовой смесью. Нижний
(рис. 4.9) электрод (электрод данных – Data) примыкает к задней
глухой стенке, поэтому он металлический. В матричной конструкции эти электроды являются столбцами. Электроды со стороны
выходной пластины являются электродами строк. В плазменных
панелях на каждую строку приходится два электрода: сканирующий (scan) и поддерживающий разряд (sustain). Поскольку излучение должно проходить через эти электроды, они изготовлены из
прозрачного токопроводящего материала. Таким материалом, обладающим достаточно хорошей проводимостью и прозрачностью,
является окись олова SnO2 или окись индия InO2. Защитный слой,
стеклянная выходная пластина и другие «прозрачные» элементы
конструкции ультрафиолетовое излучение не пропускают, т. е.
препятствуют проникновению ультрафиолетового излучения «во
внешний мир». Люминофор покрывает заднюю и частично боковые стенки камеры ячейки. Естественно, используются люминофо-
Передняя
панель
Прозрачные
электроды
Диэлектричекий
слой
Защитный
слой
Диэлектричекий
слой
Перегородки
Люминофор
красного
свечения
Люминофор
зеленого
свечения
Люминофор
синего
свечения
Электрод
данных
(Data)
Задняя
панель
Рис. 4.8. Конструкция плазменной панели
214
Прозрачные
электроды
(Scan Sustain)
Плазменный
разряд
Передняя панель
Защитный
слой
П
Диэлектрические
слои
Перегородка
Люминофор
красного
свечения
Люминофор
зеленого
свечения
ГУ
А
Люминофор
синего
свечения
Электрод
данных
(Data)
Задняя панель
Рис. 4.9. Принцип работы ячейки плазменной панели
би
бл
ио
т
ек
а
ры трех разных составов, переизлучающие основные цвета: красный, зеленый, синий.
Основной плазменный разряд возникает между электродами
Scan и Sustain. Плазма – это высокая температура, поэтому для защиты электродов вводится защитный слой, а проблема эффективного отделения зоны плазмы от люминофора до конца не решена.
Для управления ячейками плазменных панелей переменного
тока разработана специальная технология, позволяющая высвечивать ячейки не друг за другом, а большими блоками. Именно с этой
целью в ячейке предусмотрен электрод данных Data. Полный цикл
состоит из нескольких стадий и поясняется на рис. 4.10.
1 Scan
Sustain
2
3
4
Data
5
6
7
8
Рис. 4.10. Цикл состояний ячейки плазменной панели
215
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
1. Исходное состояние. Все электроды находятся под условно
нулевым потенциалом.
2. Начальный разряд. Между электродами Skan и Sustain подается незначительный потенциал, соответствующий нижнему
потенциалу нормального разряда. Возникает тлеющий разряд, но
излучение практически отсутствует. На этой стадии создается первичная ионизация газа, обеспечивающая для следующей стадии
возникновение разряда без поджига (несамостоятельного разряда).
3. Запись данных. Электрод Sustain отключается. На электроды
Scan и Data подаются короткие импульсы с размахом, соответственно, –180 и +70 В. Разряд формируется в зоне между электродами Scan
и Data. Элементарные конденсаторы, образованные на пересечении
этих электродов, заряжаются до суммарного напряжения 250 В.
Коммутация ячеек выполняется в обычном режиме вдоль строк и
прогрессивно по вертикали. Время коммутации строки – 3 мкс.
4. Сохранение данных. Все электроды отключены. На электродах
Scan и Data сохраняются электрические заряды в тех ячейках, на
которые были поданы напряжения при записи данных. Эти заряды
создают поле с потенциалом 250 В, поддерживающее ионизацию.
5. Первая часть основного разряда. На электрод Scan подается потенциал +40 В, на электрод Sustain – –180 В. Этим инициируется равновесный тлеющий разряд с общим потенциалом
250 + 220 = 470 В, достаточным для образования плазмы с интенсивным ультрафиолетовым излучением, при этом происходит перезаряд элементарного конденсатора. После заряда конденсатора
разряд в плазме прекращается.
6. Вторая часть основного разряда. Осуществляется режим поддержки плазменного разряда. Для этого через каждые 2,5 мкс переключается полярность импульсного напряжения, подаваемого
на электроды Scan и Sustain. Размах импульсов 220 В в сумме с напряжением на конденсаторе составляет 470 В. Возникает плазменный разряд с интенсивным ультрафиолетовым излучением.
7. Гашение разряда. На электродах Scan и Sustain снижаются
потенциалы до уровня, использованного на стадии начального разряда. Ультрафиолетовое излучение прекращается, и все конденсаторы разряжаются до нулевого потенциала.
8. Ячейка в исходном состоянии. Электроды Scan и Sustain замкнуты, ионизация прекращается.
Таким образом, сначала необходимо активировать ячейки по
электродам данных и только потом одновременно получить плазменный разряд с интенсивным ультрафиолетовым излучением, ко216
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
торое преобразуется люминофором в излучение видимого диапазона. Само излучение носит импульсный характер с частотой, равной
частоте следования импульсов поддержания горения.
Особенностью работы всех газоразрядных приборов является
практически невозможное управление яркостью. Характерными
состояниями являются излучение и отсутствие излучения. Это значит, что цветная плазменная панель имеет возможность отобразить
только восемь цветов (23 = 8): черный, белый и шесть промежуточных цветов, т. е. не передается шкала серого.
Для получения полутоновых изображений необходимо управлять яркостью отдельных ячеек плазменной панели. Из нескольких возможных путей управления яркостью (по току, длительности, числу импульсов) распространение получило управление яркостью по числу импульсов.
Для получения качественного изображения во всех современных плазменных панелях для управления яркостью используется
эффект памяти [63]. Кадр изображения разбивается на 8 субкадров
(SF – sub fields). Каждый субкадр состоит из двух временных интервалов: периода записи и периода поддержки (рис. 4.11). Длительность периода записи одинаковая во всех субкадрах. Длительность периода поддержки в субкадрах различна и меняется по закону 2n–1 (n – номер субкадра). В период записи напряжение подается
на электроды Data и Skan, если в данном субкадре есть необходимость (см. стадия 3 на рис. 4.10). В период поддержки горения подаются импульсы между электродами Scan и Sustain (см. стадии 5 и
6 на рис. 4.10), причем импульсы подаются всегда, но одной их амплитуды недостаточно для получения плазменного разряда. К примеру, если требуется получить яркость, соответствующую 161 градации, то в период записи напряжение на электроды Data и Skan
будет подано во 2, 5, 7-м субкадрах. Это соответствует возбуждению
ячейки в течение кадра 161 раз и с учетом свойства зрения (закон
Длительность кадра (15,26 мс)
1 2
1
2
3
4
Период записи
4
8
5
16
Номер субкадра
6
7
8
Период
поддержки
32
64
128
Относительная длительность поддержки
Рис. 4.11. Управление яркостью плазменной панели
217
ГУ
А
П
Тальбота) результирующая визуальная яркость свечения в кадре
составит
L = 21 + 25 + 27 = 161 градацию.
Сравним процесс формирования максимальной (рис. 4.12, а) и
некоторой средней (рис. 4.12, б) яркости в плазменной панели и
в обычном видеомониторе на кинескопе.
Из рис. 4.12 видно [64], что пиксель плазменной панели имеет большую яркость, чем пиксель ЭЛТ, благодаря большему числу вспышек. Для получения максимальной яркости Lmax (см.
рис. 4.12, а) число импульсов составит:
ек
а
20 + 21 + 22 + 23 + 24 + 25 + 26 + 27 = 255 импульсов,
в то время как пиксель ЭЛТ имеет только одну вспышку за время
одного поля (процесс послесвечения здесь не учтен). Поэтому плазменная панель имеет очень большой контраст. На рис. 4.12, б приведены осциллограммы, соответствующие яркости 161 градации.
Однако в плазменной панели есть специфический процесс, значительно снижающий контраст формируемого изображения. Дело
в том, что для нормальной работы плазменной панели необходима
так называемая «пилотная подсветка» – предварительный (инициализирующий) разряд, создающий условия для возникновения основного разряда (стадия 2 на рис. 4.10).
LЭЛТ/LЭЛТmax
0
Тк = 20 мс
t, мс
{
{
{
{
1
Плазменная панель
LПП /LППmax
1 2 4 8 16 32 64 128
1
0
{
{
би
бл
ио
т
а)
Электронно лучевая трубка
t, мс
Тк = 20 мс
б)
0
Тк = 20 мс
t, мс
0
32
128
{
1
LПП /LППmax
1
1
{
LЭЛТ/LЭЛТmax
Тк = 20 мс
Рис. 4.12. Сравнение яркости ЭЛТ и ПП:
а – максимальная яркость; б – средняя яркость
218
t, мс
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Такой разряд появляется в каждом субкадре непосредственно
перед началом интервала отображения, т. е. за одно телевизионное
поле (20 мс) происходит восемь пилотных разрядов. В результате
такого предварительного разряда все же возникает тусклое свечение, являющееся причиной снижения контраста изображения.
Для уменьшения влияния паразитной засветки, вызванной пилотным разрядом, переднее стекло плазменной панели покрывается особой задерживающей свет пленкой, которая сильно снижает
интенсивность излучения, вызванного пилотной подсветкой, и позволяет сделать черные участки изображения более темными. Но
в этом случае снижается и интенсивность полезного излучения.
Следует учесть, что в плазменном разряде присутствует не только ультрафиолетовое излучение, но и незначительное излучение
в видимой части диапазона. Для того чтобы отсечь излучение плазмы в видимой части спектра, используются специальные фильтры.
Второй причиной снижения контраста изображения плазменной
панели является наличие специального хорошо отражающего свет
слоя, расположенного непосредственно под люминофорами. Задача этого слоя отражать излучение люминофора в сторону передней
панели. Но этот слой отражает и внешний свет, что снижает общий
контраст. Бороться с этим эффектом помогает та же специальная
затемняющая пленка, покрывающая переднее стекло. В этом случае излученный люминофором свет проходит через пленку только
один раз, а внешний свет – два раза, затухая сильнее. Кроме того,
на верхние части ребер, отделяющих ячейки друг от друга, наносится черный светопоглощающий материал, снижающий общую
площадь отражающей поверхности панели.
Недостатком плазменных панелей является низкая разрешающая способность, связанная с чисто механическими трудностями
создания панелей с большим числом пикселей. Кроме того, увеличение числа пикселей ведет к уменьшению их размеров, а значит,
объема плазмы, т. е. к уменьшению яркости пикселей.
Еще один недостаток – довольно высокая потребляемая мощность, возрастающая при увеличении диагонали плазменной панели. Светоотдача современных плазменных панелей находится на
уровне 0,5–1,0 лм/Вт.
4.3.2. Дисплеи с автоэлектронной эмиссией
Одним из технологических направлений в области создания видеомониторов, которое совмещает в себе особенности технологии
219
П
Рис. 4.13. Катоды Спиндта
(катоды даны с сильным увеличением)
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
ЭЛТ, но имеет принципиально плоский экран, является технология дисплеев с автоэлектронной эмиссией (FED – Field Emission
Display).
В основе FED дисплея лежит автоэлектронная эмиссия, или полевая эмиссия электронов (field emission), которая возникает на границе проводящего материала и вакуума при большой разности потенциалов между катодом и вытягивающим электродом (затвором –
gate) [65, 66]. Автоэлектронная эмиссия возникает под действием
сильного электрического поля напряженностью E = 107–108 В/см.
Напряженность электрического поля значительно усиливается,
если поверхность эмитирующего катода шероховатая или представляет собой острие с малым радиусом закругления. В конце прошлого столетия были изучены два варианта холодных катодов:
– острийный (катоды Спиндта1), представляющий собой сформированную на проводящей подложке систему, состоящую из
большого количества молибденовых конусов диаметром менее
1 мкм и вытягивающего электрода, расположенного на расстоянии
нескольких десятых долей микрона от острия конусов (рис. 4.13);
– лезвийный – пленочный электрод, с обеих сторон которого
сформированы вытягивающие электроды. Электроны испускает
край пленки, подобный лезвию бритвы.
Видеомониторы FED основаны на процессе, который немного похож на тот, что применяется в видеомониторах на ЭЛТ, так
как в обоих методах применяется люминофор, светящийся под
воздействием электронного луча. Главное отличие между ЭЛТ- и
FED-видеомониторами состоит в том, что видеомониторы на ЭЛТ
имеют три электронных прожектора, которые испускают три электронных луча, последовательно сканирующих экран, покрытый
люминофорным слоем, а в FED-видеомониторе каждый пиксель
1 Ч. Спиндт впервые изучил процесс холодной эмиссии электронов молибдена
в вакууме.
220
Стекло
Uf
Ua
ГУ
А
Управляющий
электрод
Поток
электронов
П
Люминофор
Анод
Катод
Стеклянная подложка
ек
а
Наноконусы
(катоды Спиндта)
Рис. 4.14. Структура ячейки FED
би
бл
ио
т
изображения формируется излучением электронов с нескольких
тысяч субмикрометровых остроконечных (лезвийных) элементов
поверхности (рис. 4.14) [67]. Благодаря этому не требуется высоковольтная эмиссия и рабочее напряжение устройства может
быть снижено. Оно во многом зависит от материала эмитирующей
поверхности. Например, технология LETI позволяет с помощью
фотолитографии помещать в заранее заготовленных углублениях
микрочастицы молибдена в виде конусов высотой в несколько микрон1. В этом случае, учитывая малые расстояния между электродами, на управляющие электроды достаточно подать Uf = 12–15 В.
Но, несмотря на привлекательность низковольтной эмиссии, оказалось, что для эффективного облучения люминофора все же требуется разогнать электроны в высоковольтном поле (ускоряющее
напряжение до Ua = 10 кВ).
Другая проблема FED-дисплеев – поддержание вакуума в экранах большого размера. Дело в том, что сверхмалые расстояния
между электродами приводят к тому, что катод может быть легко
1 Разработка французской компании Laboratorie dI’Electronique de Technologie
et dI’Instrumentation – LETI.
221
П
ГУ
А
Рис. 4.15. Каркасные структуры
углеродных нанотрубок
би
бл
ио
т
ек
а
поврежден ионами, оставшимися в ячейке. Появление молекул
внутри устройства может быть спровоцировано интенсивной бомбардировкой люминофора электронами. Чтобы избежать этого,
в технологии FED необходимо снижать рабочее напряжение и создавать вакуум более высокой степени разрежения, чем в технологии ЭЛТ. Для ЭЛТ достаточно, если средняя величина свободного пробега электрона выше физических размеров самой трубки.
В FED каждая молекула – потенциальный источник иона, приводящего к разрушению катода. Но при высоком вакууме конструкция должна быть достаточно прочной, чтобы противостоять сжимающему атмосферному давлению.
FED-дисплеи обеспечивают высокую яркость изображения
(600–800 кд/м2) и угол обзора 160° во всех направлениях, фокусировка обеспечивает размеры пикселя меньше 100 мкм. Кроме того,
такие дисплеи имеют очень малое время отклика, потребляют мало
электроэнергии, могут работать в широком диапазоне температур,
по конструкции легкие и тонкие.
Но, к сожалению, еще не решена главная проблема FED-дисплеев –
малый срок работы. Дело в том, что металлические катоды со временем «тупели» и ток автоэлектронной эмиссии заметно падал.
Для решения этой проблемы предлагается в качестве материала катода использовать различные формы углерода (углеродные
нанотрубки, углеродные волокна и др.). Эта технология получила
название CNT (carbon nanotubes). Нанотрубки – это большие молекулы, состоящие из атомов углерода, образующих каркасные
структуры – замкнутые, пустотелые, одно- и многослойные оболочки (рис. 4.15). В настоящее время максимальная длина нанотрубок
составляет десятые доли миллиметров, но уже получены лабораторные образцы нанотрубок длиной 2 мм.
Промышленного варианта дисплеев такого типа в настоящее
время пока не существует.
222
4.4. Жидкие кристаллы и их свойства
4.4.1. История открытия и применения
жидких кристаллов
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Жидкий кристалл (ЖК) – это специфическое агрегатное состояние вещества, в котором оно проявляет одновременно свойства
жидкости (текучесть и вязкость) и кристалла (анизотропию). Сразу надо оговориться, что далеко не все вещества могут находиться
в жидкокристаллическом состоянии. Большинство веществ может
находиться только в одном из трех, всем хорошо известных агрегатных состояний: твердом или кристаллическом, жидком и газообразном. Оказывается, некоторые органические вещества, обладающие сложными молекулами, кроме трех названных состояний,
могут образовывать четвертое агрегатное состояние – жидкокристаллическое. Это состояние достигается плавлением кристаллов
некоторых веществ, в результате которого образуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта
фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла
до некоторой более высокой температуры, при нагреве выше которой ЖК переходит в обычную жидкость.
Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы в 1888 г., был австрийский ученый-ботаник Ф. Рейнитцер [68]. Исследуя новое синтезированное им вещество холестерилбензоат (cholesteyl benzoate),
он установил, что при температуре 145 °С кристаллы этого вещества
плавятся, образуя мутную, сильно рассеивающую свет жидкость.
При продолжении нагрева до температуры ≈179 °С жидкость
просветляется и начинает вести себя в оптическом отношении, как
обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоата обнаруживал в мутной фазе. Рассматривая эту фазу под
поляризационным микроскопом, Рейнитцер обнаружил, что она обладает двулучепреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е. скорость света в этой фазе, зависит от поляризации.
Как известно, этим свойством обладают только кристаллы.
Более детальные исследования, к которым Рейнитцер привлек известного немецкого физика О. Лемана, показали, что мутная жидкость не является двухфазной системой, т. е. не содержит
в обычной жидкости кристаллических включений, а является новым агрегатным состоянием вещества. Этому агрегатному состоянию Леман дал название «жидкого кристалла» в связи с одновременным проявлением им свойств жидкости и кристалла.
223
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
В конце XIX – начале XX в. многие очень авторитетные ученые
весьма скептически относились к открытию Рейнитцера и Лемана. Дело не только в том, что описанные противоречивые свойства
ЖК представлялись многим весьма сомнительными, но и в том, что
проявляемые свойства были очень различными. Так, одни ЖК обладали очень большой вязкостью, у других вязкость была невелика. Одни жидкие кристаллы проявляли с изменением температуры резкое изменение окраски, так что их цвет пробегал все цвета
радуги, другие такого резкого изменения окраски не проявляли.
Наконец текстура различных ЖК при рассматривании их под микроскопом оказывалась совсем различной. В одном случае в поле
поляризационного микроскопа могли быть видны образования, похожие на нити, в другом наблюдались изображения, похожие на
горный рельеф, а в третьем картина напоминала отпечатки пальцев. К тому же жидкокристаллическая фаза наблюдается при плавлении только некоторых веществ.
В начале XX в. немецкий химик Д. Форлендер в университетском
городе Галле совместно со своими учениками изучал химию ЖК. Он
пытался ответить на вопрос, какими свойствами должны обладать
молекулы вещества, чтобы оно имело жидкокристаллическую фазу.
Форлендер нашел большое количество новых соединений, обладающих жидкокристаллической фазой, и внимательно исследовал
свойства молекул соответствующих соединений. В результате его
работ стало ясно, что ЖК образуют вещества, молекулы которых
имеют удлиненную форму.
Заслуга в создании основ современной классификации ЖК принадлежит французскому ученому Ж. Фриделю. В 20-е гг. Фридель
предложил общий термин для жидких кристаллов – «мезоморфная
фаза». Этот термин происходит от греческого слова «мезос» (промежуточный), и, вводя его, Фридель хотел подчеркнуть, что ЖК
занимают промежуточное положение между истинными кристаллами и жидкостями как по температуре существования, так и по
своим физическим свойствам.
Долгое время, кроме физиков и химиков, ЖК никто не интересовался. Только в 1930 г. исследователи из британской корпорации
Marconi получили патент на их промышленное применение.
Впервые широкие массы столкнулись с загадочным термином
«жидкие кристаллы» в середине прошлого столетия. Тогда необычной популярностью в США пользовалась новинка ювелирного производства, получившая название «перстень настроения». Он обладал
совершенно мистическим свойством – реагировать на настроение его
224
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
владельца. Реакция состояла в том, что цвет камешка перстня следовал за настроением владельца, пробегая все цвета радуги от красного до фиолетового. На самом деле камешек состоял из двух «стекляшек», между которыми был тонкий слой холестерического ЖК.
Первый настоящий прорыв в использовании ЖК для устройств
отображения информации совершили ученые Дж. Фергесон и Р. Вильямс из корпорации RCA (Radio Corporation of America). Один из
них создал на базе ЖК термодатчик, используя их избирательный
отражательный эффект, другой изучал воздействие электрического
поля на нематические кристаллы. В конце 1966 г. корпорация RCA
продемонстрировала прототип ЖК-видеомонитора – цифровые часы.
Значительную роль в развитии ЖК-технологии сыграла компания Sharp Electronics. Она и до сих пор находится в числе технологических лидеров. Первый в мире калькулятор CS10A был произведен в 1968 г. именно этой корпорацией. В октябре 1975 г. уже по
технологии Twisted Nematic LCD (TN LCD) были изготовлены первые компактные цифровые часы. Во второй половине 70-х начался переход от семисегментных ЖК-индикаторов к производству
матриц с XY-адресацией каждой точки. Так, в 1976 г. компания
Sharp Electronics выпустила черно-белый телевизор с диагональю
экрана 5,5 дюйма, выполненного на базе ЖК-матрицы разрешением 160 × 120 пикселей. С этого времени начинается интенсивное
развитие новых технологий в производстве ЖК-дисплеев, разработка новых материалов и исследование их физических свойств.
В нашей стране также велись успешные работы по изучению и
применению ЖК. Широкую известность и признание получили
выполненные еще в 30-е гг. в Ленинграде работы В. К. Фредерикса и В. Н. Цветкова. Об успехах отечественной промышленности
в освоении выпуска продукции, в которой существенным элементом являются ЖК, говорит присуждение в 1983 г. Государственной
премии СССР большой группе работников науки и техники за разработку и внедрение в народное хозяйство индикаторных устройств
с использованием ЖК.
4.4.2. Физические свойства жидких кристаллов
Необходимое, но недостаточное условие существования ЖК заключается в том, что молекулы, входящие в их состав, должны
иметь сравнительно большую длину и относительно малую ширину.
Ориентация каждой отдельной молекулы в ЖК непрерывно
подвергается воздействию тепловых флюктуаций. Тем не менее
225
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
в любой точке объема такой жидкости можно выделить некую среднюю ориентацию молекул, называемую «директором» и представляемую единичным вектором. Принцип действия устройств на ЖК
можно описать в рамках теории, оперирующей понятием «директор», т. е. макроскопической характеристикой, а не осями индивидуальных молекул.
Жидкокристаллические вещества можно разделить по степени
упорядоченности молекул [68, 69]. Впервые такое разделение предложил Фридель, который разделил все ЖК на две большие группы. Одну группу ЖК он назвал нематическими, другую – смектическими. Нематические ЖК в классификации Фриделя включали
холестерические ЖК как подкласс. В смектических ЖК сильно
вытянутые молекулы своими длинными осями расположены параллельно, образуя слои одинаковой толщины, близкой к длине
молекул. Эти слои лежат один над другим на равном расстоянии
(рис. 4.16, а). В нематических ЖК оси молекул тоже параллельны,
однако не образуют отдельных слоев. Длинные оси молекул лежат
вдоль преимущественного направления, а их центры размещены
хаотично (рис. 4.16, б). В холестерических ЖК молекулы расположены в слоях, как в смектических, однако длинные оси молекул
параллельны плоскости слоев, а направление их преимущественной ориентации монотонно меняется от слоя к слою, поворачиваясь
на некоторый угол (рис. 4.16, в).
Свойства жидкости. Для жидкости характерны ближний порядок в расположении частиц (молекул, атомов) и малое различие
в кинетической энергии теплового движения молекул и их потенциальной энергии взаимодействия. Тепловое движение молекул
жидкости состоит из колебаний около положений равновесия и
сравнительно редких перескоков из одного равновесного положения в другое – с этим связана текучесть жидкости.
а)Смектический
порядок
б) Нематический
порядок
в)
Холестерический
порядок
Рис. 4.16. Типы упорядоченности ЖК
226
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Текучесть ЖК позволяет переориентировать его молекулы и
создать упорядоченные структуры. Упорядоченные структуры создаются относительно ориентирующей поверхности (подложки).
Однородную ориентацию молекул ЖК длинными осями параллельно направляющей поверхности принято называть планарной,
или гомогенной, текстурой (рис. 4.17, а), а в случае осей молекул,
перпендикулярных поверхностям, – гомеотропной текстурой
(рис. 4.17, б). Пока что неявно предполагалось, что обе ограничивающие ЖК-поверхности задают одинаковую ориентацию молекул.
Но это совсем не обязательно. И более того, широкое практическое
применение получили закрученные слои ЖК (рис. 4.17, в).
Если поместить ЖК-вещество между двумя ориентирующими поверхностями таким образом, чтобы ориентация, создаваемая нижней поверхностью, была перпендикулярна ориентации
верхней поверхности, то продольные оси молекул самого верхнего
слоя будут расположены под прямым углом по отношению к осям
молекул из нижнего слоя. Между этими двумя крайними положениями образуется своеобразная молекулярная спираль из промежуточных ориентаций (рис. 4.17, в), которая и дала название
технологии Twisted Nematic (TN – закрученные нематические). На
рис. 4.17, в для иллюстрации твистированной ориентации показана проекция длинной оси молекулы на плоскость чертежа.
Исторически первый и не утративший своего значения и в наше
время способ получения упорядоченной ориентации молекул ЖК
состоит в специальной обработке поверхностей, ограничивающих
ЖК. Поскольку ясно, что ориентирующее влияние поверхности на
молекулы тем сильнее, чем менее молекулы удалены от поверхности, то следует заранее ожидать, что однородной ориентации молекул ЖК легче всего добиться в тонких слоях. Практика показывает, что полной однородности структуры можно добиться, поместив
ЖК между двумя поверхностями, зазор между которыми не более
10–100 мкм.
а)
б)
в)
Рис. 4.17. Виды ориентации молекул ЖК
227
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
В качестве поверхностей, ограничивающих ЖК, используют,
как правило, прозрачные материалы: стекло, полимеры, токопроводящее прозрачное соединение – окись олова (SnO2) и т. д. Обработка поверхности пластин в простейшем случае состоит в их направленной полировке. Такая обработка может состоять также
в направленном, косом напылении на поверхность молекулярных
слоев или нанесении молекул специальных веществ – ориентантов.
В первом случае длинные оси молекул ЖК всюду на поверхности
пластин оказываются ориентированными одинаково и параллельно поверхностям пластин (рис. 4.17, а), задавая, таким образом,
ориентацию молекул и в объеме. При наличии на поверхности молекул специальных веществ – ориентантов – молекулы ЖК могут
быть ориентированы перпендикулярно пластинам (рис. 4.17, б),
что индуцирует такую же ориентацию молекул ЖК во всем объеме
зазора между пластинами.
Придать ориентацию молекулам можно с помощью прозрачной
пластины (или полимерной пленки – ориентирующей подложки)
с множеством микроскопических параллельных углублений – бороздок. Узкие и длинные молекулы нижнего слоя ЖК, попадая
в углубления, вынуждены придерживаться заданной ориентации.
А все последующие слои молекул будут выстраиваться им «в затылок» вследствие межмолекулярного взаимодействия.
Второе свойство жидкости – вязкость – характеризуется количественно коэффициентом вязкости ηв, который показывает, как
сильно трение между соседними слоями текущей жидкости и насколько интенсивно передается движение жидкости от одной ее
точки к другой. Для ЖК коэффициент вязкости определяется по
формуле
ηâ = ηâ0 exp(Wa / kT ), (4.1)
где ηв0 – коэффициент вязкости при комнатной температуре; Wа –
энергия активации, лежит в диапазоне (5÷8) ⋅ 10–20Дж; k = 1,38 ·
10–23 Дж/К – константа Больцмана; Т – температура по Кельвину.
Вязкость препятствует процессу переориентации молекул. Из
формулы видна сильная зависимость коэффициента вязкости от
температуры. С понижением температуры коэффициент вязкости
резко возрастает. Этим объясняется потеря ЖК свойств жидкости
при низких температурах.
Свойства кристалла. Характерными особенностями кристалла являются анизотропия электрических и оптических свойств,
в частности анизотропия электропроводности, диэлектрической
228
ГУ
А
П
проницаемости, оптическая анизотропия и оптическое двулучепреломление. Рассмотрим только те свойства, которые используются при создании современных ЖК-дисплеев.
Анизотропия диэлектрической проницаемости.
Анизотропия формы молекул ЖК приводит к анизотропии их электрических свойств. В частности, электрическая поляризуемость
молекул вдоль длинной оси отличается от ее поляризуемости в поперечном направлении. Следствием этих свойств индивидуальных
молекул и является анизотропия диэлектрической проницаемости
нематика Δε, выражающаяся в том, что диэлектрическая проницаемость для поля, направленного вдоль директора ε||, отличается от
диэлектрической проницаемости для поля, направленного поперек
директора ε⊥:
Δε = ε - ε^ .
би
бл
ио
т
ек
а
Для различных ЖК соотношение ε|| и ε⊥ может быть различным,
т. е. Δε < 0 и Δε > 0. Во внешнем электрическом поле минимуму
энергии нематика соответствует такая его ориентация, при которой
направление, отвечающее максимальному значению диэлектрической проницаемости, совпадает с направлением поля. Это значит,
что если, например, диэлектрическая анизотропия нематического
ЖК Δε положительна, т. е. диэлектрическая проницаемость вдоль
директора ε|| больше поперечной диэлектрической проницаемости ε⊥, то в электрическом поле на ЖК будет действовать сила,
стремящаяся совместить направление директора с направлением
приложенного поля.
Характер влияния внешнего поля на нематический ЖК зависит
не только от знака диэлектрической анизотропии Δε, но и от деформационных модулей упругости нематического ЖК (нематический
ЖК подобно кристаллу и в отличие от жидкости обладает отличными от нуля деформационными модулями упругости), от характера сцепления молекул нематического ЖК с направляющими
поверхностями.
Вопрос об изменении структуры нематического ЖК во внешнем
поле впервые, еще в 30-е гг., исследовал советский физик В. К. Фредерикс [68, 69, 70]. Само же изменение структуры нематического
ЖК во внешнем поле получило название «перехода Фредерикса».
Фредерикс показал, что изменение структуры под действием внешнего электрического поля является пороговым (по напряженности
поля). Это означает, что при напряженности поля меньше критической изменения структуры нематического ЖК не происходит.
229
И только по достижении критической величины поля структура
нематического ЖК начинает претерпевать изменения. Величина
критической напряженности электрического поля выражается
формулой
π 4π K
,
L Δε
П
Eêð =
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
где L – толщина слоя ЖК; K – модуль упругости нематического ЖК.
Из формулы видно, что величина напряжения, прикладываемого к жидкокристаллическому слою, должна быть больше, чем
ЕкрL (произведение напряженности поля на толщину зазора дает
напряжение). Таким образом, напряжение, способное изменить
структуру нематического ЖК в ячейке, оказывается независимым
от толщины слоя.
Типичное значение порогового напряжения оказывается порядка единиц вольт. При снятии приложенного напряжения структура нематического ЖК возвращается к исходной.
Описанный выше переход Фредерикса, в котором в отсутствие поля нематик с Δε > 0 образует планарную текстуру, а при
приложении поля переходит в гомеотропную, принято называть
S-эффектом. Выделяют еще так называемый В-эффект и T-эффект.
В B-эффекте исходная текстура гомеотропная, а поле переводит
ее в планарную. Для осуществления такого перехода Фредерикса
Е
Екр
Рис. 4.18. Переориентация молекул ЖК
в электрическом поле
230
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
требуется нематический ЖК с отрицательной диэлектрической
анизотропией Δε. Для T-эффекта исходная текстура является закрученной, так как в этом случае используется ячейка, в которой
ориентация молекул на одной из поверхностей ячейки составляет
угол 90° относительно ориентации на другой поверхности. Приложенное поле, как и в случае S-эффекта, переводит текстуру в гомеотропную, так как в этом случае используются нематические ЖК
с Δε > 0 (рис. 4.18).
О п т и ч е с к а я а н и з о т р о п и я . Жидкий кристалл эквивалентен оптически одноосному кристаллу, т. е. кристаллу, в котором существует только одно направление, называемое оптической
осью, при распространении света вдоль которого оптические характеристики не зависят от поляризации световой волны.
Для гомеотропной текстуры свет распространяется вдоль направления директора, поэтому, как во всяком одноосном кристалле, в этом случае оптические характеристики слоя оказываются не
зависящими от поляризации света.
Для планарной текстуры направление распространения света перпендикулярно длинной оси молекулы, поэтому показатель
преломления различен для света, плоскость поляризации которого перпендикулярна направлению директора в слое n⊥ (nо – обыкновенный луч) и показателя преломления с поляризацией, параллельной директору n|| (nе – необыкновенный луч). Различие показателей преломления для названных поляризаций света называют
оптической анизотропией нематика:
Δn = n - n^ .
Знак оптической анизотропии Δn для различных нематических ЖК может быть как положительным, так и отрицательным.
В первом случае говорят о нематическом ЖК с положительной оптической анизотропией, что соответствует большей фазовой скорости для света, поляризованного перпендикулярно направлению
директора; во втором случае – о нематическом ЖК с отрицательной оптической анизотропией. При этом фазовая скорость света,
поляризованного перпендикулярно направлению директора, оказывается меньше скорости света, поляризованного в направлении
директора.
Таким образом, поляризация света не меняется при прохождении ячейки только в том случае, если свет поляризован перпендикулярно. Свет же любой другой поляризации изменяет свою поляризацию, проходя через ячейку.
231
ГУ
А
4.4.3. ЖК-дисплеи на твист-эффекте
П
Д в у л у ч е п р е л о м л е н и е . Спонтанная ориентация молекул
в ЖК и оптическая анизотропия приводят к возникновению эффекта двулучепреломления: падающий на ЖК луч разделяется на два,
причем обыкновенный луч отклоняется сравнительно слабо, а необыкновенный – сильно. Если учесть, что направление директора
может существенно изменяться при приложении к ЖК-веществу
электрического поля, то отсюда вытекают широкие возможности
электрооптического управления цветом.
Напряжение
видеосигнала
би
бл
ио
т
ек
а
В ЖК-дисплеях на твист-эффекте используются нематические
жидкие кристаллы с исходной твистированной ориентацией молекул. Конструктивно ЖК-дисплей, как и любую матрицу, можно
представить в виде большого количества отдельных ЖК-ячеек, выполненных на одной подложке. В телевидении используются матрицы, работающие на просвет, т. е. источник света и наблюдатель
находятся по разные стороны матрицы. Конструкция части ЖКдисплея показана на рис. 4.19.
В основании располагается система подсветки. Свет направляется на поляризационный фильтр (первый поляроид). Далее следует стеклянная пластина, на которую нанесены полупрозрачные
электроды из окислов индия или олова, формирующие пиксели
изображения.
Затем идет ориентирующая подложка, задающая исходную ориентацию молекул ЖК. За слоем ЖК вторая ориентирующая подложка с направлением ориентирующих бороздок перпендикулярно первой подложке для создания твистированной ориентации молекул.
Слой
ЖК
Поляроид (анализатор)
Цветовой фильтр
Электроды
Ориентирующие
подложки
Электроды
Поляроид
Лампа подсветки
Рис. 4.19. Конструкция ЖК-дисплея
232
а)
ек
а
ГУ
А
П
Далее следует стеклянная пластина, на которую нанесены полупрозрачные электроды, ориентированные перпендикулярно
относительно предыдущих. На перекрестии этих электродов формируются пиксели изображения. Для устранения неоднородности
по толщине ЖК-вещества между двумя ориентирующими подложками инжектируют специальные буферные шарики диаметром 6–8 мкм. Индивидуальное управление каждым пикселем осуществляют управляющие интегральные схемы (driver integrated
circuits). Они обычно расположены по краям «сандвича», что и обусловливает наличие широкой окантовки вокруг ЖК-дисплеев.
Работа отдельной ячейки состоит в следующем [51]. При отсутствии электрического поля исходная ориентация молекул ЖК
твистированная (рис. 4.20, а). Источник света излучает неполяризованный (естественный) свет. Первый поляроид пропускает только ту составляющую света, которая совпадает с направлением его
поляризации. Это направление совпадает с направлением директора ЖК у первой подложки. По мере прохождения света вдоль
молекулярной спирали плоскости согласно свойству оптической
анизотропии происходит вращение вектора поляризации, следующего за ориентацией длинной оси молекул ЖК. Тогда у второго
б)
би
бл
ио
т
Световой поток
(неполяризованный свет)
Молекулы
ЖК
Молекулы
ЖК
Поляроид
Электроды
Ориентирующие
подложки
U
Электроды
Поляроид
(анализатор)
Рис. 4.20. Работа ЖК-ячейки на твист-эффекте
233
Прозрачность, %
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
поляроида свет будет иметь направление поляризации, повернутое
на угол 90°, что совпадает с направлением поляризации второго поляроида (анализатора). Свет будет проходить, формируя светящиеся пиксели. При приложении электрического поля (рис. 4.20, б)
с напряженностью, превышающей значение перехода Фредерикса,
молекулы ЖК с положительной анизотропией диэлектрической
проницаемости (Δε > 0) ориентируются вдоль линий напряженности электрического поля. Направление поляризации света после
первого поляроида теперь перпендикулярно длинной оси молекулы. Это эквивалентно распространению света вдоль оптической оси
кристалла. Свет распространяется без изменения плоскости поляризации. Для такого света второй поляроид является скрещенным.
Так формируются инверсные (в данном случае темные) пиксели.
Описанный принцип работы дает только два состояния: прохождение света или его полное поглощение. Для ЖК-дисплея необходимо воспроизвести 256 градаций яркости от черного до белого.
Градациями, или уровнями яркости, пикселей, можно управлять с помощью величины приложенного напряжения, определяющей напряженность электрического поля. Напряженность электрического поля определяет угол разворота молекул ЖК. Согласно
закону Малюса (см. раздел оптики) вектор поляризации света можно разложить на две составляющие: одна совпадает с направлением
длинной оси молекул, другая перпендикулярна ей. Составляющая
поляризации света, совпадающая с направлением длинной оси мо1
Уровень
белого
2
3
50
40
30
50 %
TN
Градации
серого
10 %
20
STN
10
0
1
2
Уровень
черного
4
3
Напряжение, В
Рис. 4.21. Зависимость прозрачности ячейки
от приложенного напряжения
234
Lñ
,
Lò
ек
а
Ê=
ГУ
А
П
лекул, будет вращаться вместе с поворотом молекул, а перпендикулярная ей – нет. Свет будет проходить частично.
При постепенном увеличении напряжения молекулярная
спираль проходит через три этапа (три зоны) своего состояния
(рис. 4.21). Зона 1 соответствует максимуму пропускания света
(максимальному повороту поляризации) или уровню белого видеосигнала, зона 3 – минимальному пропусканию света (уровню черного), зона 2 соответствует градациям серого. Диапазон изменения
напряжения в области градаций серого составляет от 1 до 1,5 В.
Для пассивных матриц с высоким разрешением обеспечить точное
регулирование напряжения оказалось очень сложной задачей.
Кроме того, проявляется еще ряд особенностей, присущих используемому принципу формирования изображения: уменьшение
контраста, сокращение угла обзора, увеличение времени отклика.
Контраст, определяемый как
би
бл
ио
т
где Lс и Lт – яркость самого светлого (уровень белого) и темного
(уровень черного) участков изображения соответственно.
Пусть яркость подсветки равна L, тогда уровень белого цвета
будет равен Lñ = kïðîï.á L, где kïðîï.á – коэффициент пропускания
(прозрачности) открытого пикселя (он чуть меньше единицы, так
как часть света при прохождении через кристаллы и поляризаторы
теряется), а уровень черного цвета, соответственно, Lò = kïðîï.÷ L,
где kïðîï.÷ – коэффициент пропускания (прозрачности) закрытого
пикселя (он немногим больше нуля). Соответственно
Ê=
kïðîï.á
kïðîï.÷
.
Коэффициенты пропускания открытого и закрытого пикселей
зависят только от характеристик самой матрицы, но не зависят от
яркости подсветки, т. е. контраст определяется только свойствами
матрицы.
Максимальный угол обзора как по вертикали, так и по горизонтали определяется как угол, при обзоре с которого контраст изображения не менее 10 : 1, т. е. яркость изображения падает в 10 раз.
Наличие угла обзора объясняется зависимостью результирующей интенсивности прошедшего через ЖК света от угла между нор235
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
малью к фронту световой волны и направлением директора молекул
ЖК, как квадрат синуса этого угла. Это означает, что в полностью
включенном состоянии при значениях угла до 30° интенсивность
прошедшего света изменяется не более чем на 25 %, в то время как
при уровне серого, когда угол между директором и нормалью к поверхности экрана составляет 45°, интенсивность прошедшего света
уменьшается на 50 %, что ведет к серьезным искажениям градаций
яркости и цвета.
Молекулы ЖК должны без запаздывания реагировать на изменение электрического поля. На самом деле задержка составляет от
200 до 250 мс, и лишь особые смеси из различных разновидностей
ЖК дают улучшение до 150 мс. Для характеристики инерционности ЖК вводится понятие «время отклика» (response time). Время
реакции, или время отклика, пикселя определяется промежутком
времени, за который изменяется пространственная ориентация молекул ЖК. При этом необходимо различать время включения (реакции) и время выключения (релаксации) пикселя. Под временем
включения пикселя понимается промежуток времени, необходимый для полного открытия ЖК-ячейки (часто говорят о «времени
отклика BTW» – black to white, рис. 4.22, а), а под временем выключения – промежуток времени, необходимый для полного закрытия ЖК-ячейки (WTB – white to black) [71]. Оба времени рассчитываются при изменении сигнала между уровнями 0,1 и 0,9.
Когда говорят о времени реакции пикселя – времени отклика, то
под этим подразумевается суммарное время включения и выключения пикселя (стандарт ISO 13406-2, ГОСТ Р 52324-2005). При этом
следует учитывать, что в зависимости от технологии один из переходов осуществляется под действием электрического поля, т. е. достаточно быстро, а второй – под действием межмолекулярных сил
взаимодействия, т. е. значительно медленнее (см. рис. 4.22).
В последнее время все чаще приводится более объективный показатель инерционности, называемый «временем отклика от серого
до серого – GTG (gray to gray). Измерение времени реакции пикселя
производится при смене изображения с одной градации серого к другой при всех возможных комбинациях (см. рис. 4.22, б). При этом изменение напряженности электрического поля, в котором движутся
молекулы ЖК, меньше. Следовательно, скорость движения ниже,
т. е. инерционность больше. После чего вычисляется среднее арифметическое по всем переходам. К сожалению, на данный момент не
существует официального стандарта на измерение GTG. В большинстве случаев приводится среднее значение серии измерений для раз236
а)
U
Umax
Видеосигнал
0,9
Яркость свечения
субпикселя
0,1
б)
U
Umax
Видеосигнал
0,7
0,4
t (GTG)
t
t (WTB)
ГУ
А
t (BTW)
П
0,5
Яркость свечения
субпикселя
t
Рис. 4.22. Способы измерения времени отклика
би
бл
ио
т
ек
а
ных градаций серого. При этом, как правило, измерения проводятся
на меньшем из фронтов (переднем или заднем) изменения яркости.
Одной из главных причин медленной перестройки молекул является вязкость ЖК. В соответствии с формулой (4.1) коэффициент
вязкости является функцией температуры. Поэтому для ЖК обычно указывают температурный диапазон работы, который снизу
ограничивается быстрым ростом времени реакции и релаксации, а
сверху – потерей свойств кристалла. Этот диапазон зависит от конкретного ЖК-вещества, но в большинстве случаев лежит в пределах от 0 до 50 °С.
Традиционные видеомониторы на ЭЛТ принято характеризовать размером экрана по диагонали, поскольку само разрешение
в них меняется достаточно гибко. ЖК-дисплеи, так же как и плазменные панели, имеют фиксированный набор физических пикселей. Именно поэтому они рассчитаны на работу только с одним разрешением, называемым рабочим. Изображение в другом, отличном
от рабочего, разрешении выводится благодаря интерполяции, при
этом теряется четкость изображения.
По всем рассмотренным параметрам технология TN имеет низкие показатели, поэтому все последующие технологии предназначены для улучшения, по крайней мере, одного из параметров.
Для увеличения контрастности используется STN (super twisted
nematic) и DSTN (double STN). Уменьшение времени отклика достигается применением активных матриц на базе тонкопленоч237
ек
а
ГУ
А
П
ных транзисторов (tft – thin film transistors). Для увеличения угла
обзора используются технологии: TN + Film TFT (twisted nematic
+ film), Super TFT или IPS (in-plane switching), ASM (axially
symmetric aligned micro-cell mode), MVA (multi-domain vertical
alignment). Для увеличения разрешающей способности применяется низкотемпературная поликремниевая технология – LTPS (low
temperature poly silicium).
Еще одной очень важной особенностью ЖК является необходимость возбуждения ЖК-слоя переменным напряжением с частотой
от 30 до 1000 Гц. Дело в том, что наличие постоянной составляющей вызывает направленный характер электрохимических процессов (электролитический эффект), что приводит к значительному сокращению срока службы. Поэтому постоянная составляющая
не должна превышать 1 % от эффективного значения приложенного напряжения.
Для управления ячейками-пикселями в видеомониторах каждый новый кадр сопровождается изменением полярности управляющего напряжения на противоположную.
4.4.4. Современные технологии дисплеев
на жидких кристаллах
би
бл
ио
т
Технология STN и DSTN. Одна из причин малого контраста дисплеев на ЖД – ориентация не всех молекул, а большей части. Когда говорят об ориентации, то подразумевается ориентация директора. Молекулы, которые не переориентированы, могут увеличивать или уменьшать интенсивность прошедшего света, тем самым
уменьшать результирующий контраст изображения.
В STN-дисплеях ориентационные бороздки верхней и нижней
пластин повернуты друг относительно друга более чем на 200° [72,
73], что приводит к увеличению количества ориентированных молекул. Особенностью STN является необычная кривая пропускания полученных ячеек: при закручивании молекул ЖК на 270°
небольшого увеличения напряжения достаточно, чтобы перевести
пиксель из полностью пропускающего в полностью не пропускающее состояние (см. рис. 4.21), что не позволяет получать градации
серого. Поэтому некоторые производители используют поворот на
210° как компромиссный вариант. При этом зона 2 практически не
изменяется, а контраст увеличивается.
Однако за счет двулучепреломления такие дисплеи придают
прошедшему свету желтую или голубую окраску. Чтобы исправить
этот недостаток, специалисты корпорации Sharp изобрели кон238
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
струкцию под названием Double STN. Они склеили две стеклянные
ячейки: одна с электродами и поляризаторами находится ближе
к лампам подсветки (рабочая ячейка), другая – просто пассивная
емкость с ЖК, в которой молекулярная спираль нематических ЖК
закручена в противоположную сторону. Ее задача сводится к компенсации эффекта окрашивания. DSTN-дисплеи оказались на редкость тяжелыми и сложными в производстве, требующими более
мощные лампы подсветки.
Для компенсации эффекта двулучепреломления использовались полимерные пленки, которые в зависимости от толщины изменяется оптическая разность хода. Технология получила название film compensated STN (FCSTN).
STN-ячейки используются также в режиме TSTN (triple super
twisted nematic), когда два тонких слоя полимерной пленки добавляются для улучшения цветопередачи цветных дисплеев или для
обеспечения хорошего качества монохромных видеомониторов.
Активная матрица. В рассмотренных пассивных матрицах
управляющие микросхемы вынуждены пересылать сигналы вдоль
длинных, с точки зрения микроэлектроники, металлизированных
адресных линий – строк и столбцов. Чем большего разрешения необходимо достичь, тем больше требуется линий и больше длина
управляющих электродов, а значит, тем больше требуемое управляющее напряжение. Управляющий сигнал подается на столбец,
имеющий пересечение со всеми электродами строк, то же относится и к электроду строк. На каждом пересечении электродов образуется элементарный конденсатор (рис. 4.23, а). При подаче управляющего напряжения на i-й элемент j-строки происходит заряд не
только конденсатора Сji, но и всех остальных. Эквивалентная схеа)
б)
m
i
1
C
C
C
C
C
C
C
C
C
1
j
∼ U
∼ U
n
Zji
Z1
Zm–1
Z1
Z (m–1)(n–1)
Z1
Z(n–1)
Рис. 4.23. Эквивалентная схема пассивной матрицы
239
ГУ
А
П
ма ЖК-матрицы представлена на рис. 4.23, б, где через Z обозначены комплексные сопротивления.
Коммутируемая строка связана через (m – 1) емкость конденсаторов с (m – 1) столбцом. Одна обкладка конденсаторов общая, а
потенциал второй одинаков. Их можно объединить и представить
в виде эквивалентной точки. Можно утверждать, что все (m – 1)
конденсаторы соединены параллельно. Выбранный столбец, кроме
выбранного элемента, связан (n – 1) конденсатором с (n – 1) строкой.
Аналогично потенциал столбцов будет представлен на эквивалентной схеме точкой. Кроме того, суммарная емкость, связывающая
(m – 1) столбец с (n – 1) строкой:
CΣ = (m -1)(n -1)C.
Из эквивалентной схемы видно, что напряжения на этих конденсаторах будут определяться делителем напряжения:
n -1
m -1
1
, UZn = U
, UZmn = U
.
m + n -1
m + n -1
m + n -1
ек
а
UZm = U
би
бл
ио
т
Эти напряжения влияют на соседние ячейки, частично включая
их и тем самым снижая контраст изображения.
На заряд суммарной емкости требуется дополнительное время,
что приводит к увеличению времени отклика. Возникает угроза появления в ячейках постоянных электрических зарядов, что недопустимо. Управляющий сигнал, распространяясь по электродам,
имеющим активное сопротивление, уменьшается по амплитуде.
Для устранения влияния элементов друг на друга применяются активные матрицы на базе тонкопленочных транзисторов (TFT)
[51, 73, 74].
На стеклянную подложку наносится слой аморфного кремния,
на котором формируются транзисторы – по одному на каждый пиксель (рис. 4.24).
Транзисторы выполняют роль посредника между системой адресации и ЖК-ячейками. Затворы транзисторов подключены к соответствующим электродам строк, а истоки – к электродам столбцов.
Само ЖК-вещество находится между стоком транзистора и общим
электродом. При подаче управляющего напряжения на строку открываются все транзисторы этой строки, управление каждой ячейкой (пикселем) осуществляется по столбцам. Заряд конденсатора,
образованного стоком транзистора и общим электродом, осуществляется через открытый транзистор, имеющий малое сопротивление. Заряд конденсаторов соседних строк практически не происхо240
Столбец
Столбец
Строка
VT
VT
C
ЖК
П
ЖК
C
VT
ГУ
А
Строка
VT
C
ЖК
ек
а
ЖК
C
Рис. 4.24. Активная TFT-матрица
би
бл
ио
т
дит, поскольку сопротивление полевых транзисторов в закрытом
состоянии очень большое. Таким образом, в активных матрицах
исключается влияние процесса адресации на соседние ячейки,
каждый пиксель изолирован. В конце каждого периода строки напряжение с затворов данной строки снимается и передается на следующую строку, а напряжение управления элементами следующей
строки подается на столбцы (истоки транзисторов) и т. д.
Благодаря этому задержки при «переключении» ЖК-ячеек удается сократить до единиц микросекунд, что уже позволяет дисплеям с активной матрицей соперничать с CRT-видеомониторами.
Другим достоинством активной матрицы является сохранение
управления ячейкой в течение всего кадра. Конденсатор С заряжается в течение активной строки. При переходе управления к следующей строке полевые транзисторы закрываются, сопротивление
закрытого полевого транзистора очень большое, сопротивление
ЖК-ячейки тоже большое. Таким образом, конденсатор почти не
разряжается, а накопленное на нем напряжение является управляющим для ЖК-ячейки в течение всего кадра.
Чтобы избежать неоднородности изображения (уменьшить разряд конденсатора) в активной матрице к каждой ячейке подключают дополнительный конденсатор С, который «подпитывает» ее
241
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
на протяжении цикла сканирования. Таким образом, при каждом
новом обращении к ячейке происходит перезаряд С, т. е. информация просто обновляется, что приводит к отсутствию мельканий,
вызванных сменой кадров.
В первом приближении заряд и разряд конденсаторов носит экспоненциальный характер, и успешная работа требует выполнения
следующих условий:
1. Сопротивление канала полевого транзистора в состоянии
«включено» Rвкл должно быть достаточно низким, чтобы за время
действия каждого импульса Tс мог произойти заряд емкости С. Это
требует выполнения условия Rвкл С < Tс.
2. Сопротивление канала полевого транзистора в состоянии «выключено» Rвыкл должно быть достаточно высоким, чтобы заряд неадресованных ЖК-элементов был бы пренебрежительно мал, а также чтобы не допустить за время кадра существенной утечки заряда
с выбранного элемента, т. е. RвыклС > Tк.
3. Паразитные емкости между затвором и стоком должны быть
малы по сравнению с емкостью С.
4. Время включения и выключения полевого транзистора должно быть значительно меньше импульса Tс.
Удовлетворение этих условий зависит от отношения сопротивлений полевого транзистора в закрытом и открытом состоянии:
Rвыкл/Rвкл.
Серьезным недостатком TFT-матриц является возможность появления «битых» пикселей. В соответствии с принципом работы
матрицы TN TFT выход из строя транзистора проявляется в виде
светящихся пикселей на экране. Типы «битых» пикселей и возможное их количество регламентировано в стандарте ISO 13406-2
и ГОСТ Р 52324-2005.
IPS-технология. Зависимость яркости, следовательно, и цвета, от угла обзора для TN-матрицы показана на рис. 4.25. Как
было отмечено, результирующая интенсивность прошедшего света
определяется углом между нормалью к фронту световой волны и
направлением директора молекул ЖК, как квадрат синуса этого
угла. В приведенном примере больше всего от угла обзора зависит
яркость зеленого субпикселя.
Технология IPS, или SFT, была разработана компаниями Hitachi
и NEC в 1996 г. [71, 73, 75]. В переводе IPS означает «плоскостное
переключение».
IPS представляет собой своеобразный компромисс, когда за счет
снижения одних характеристик ЖК-панелей оказалось возмож242
Обзор
слева
Обзор
по центру
Обзор
справа
Цвет пикселя
Цвет
субпикселей
R
G
B
Светофильтры
П
Второй поляризатор
(анализатор)
Общий электрод
Направление
вращения
молекул
ГУ
А
Направляющие
подложки
Индивидуальные
электроды
Поляризатор
E
E = max
2
E = Emax
Источник света
(неполяризованный свет)
ек
а
E=0
Рис. 4.25. Углы обзора TN-матрицы
би
бл
ио
т
ным расширить угол обзора. Суть технологии IPS состоит в том,
что электроды располагаются не в разных плоскостях, как в TNматрице, а в одной, нижней, части каждой ячейки (рис. 4.26). При
отсутствии электрического поля молекулы ЖК за счет ориентирующего действия направляющих подложек выстроены параллельно
друг другу и их длинные оси перпендикулярны направлению поляризации первого поляроида. Проходящий через них свет не изменяет направления поляризации, и второй поляроид является для него
скрещенным. Таким образом, свет, идущий через выключенный
транзистор, полностью поглощается вторым фильтром. Создаваемое
электродами поле поворачивает молекулы ЖК на 90° относительно
позиции покоя около электродов. По мере удаления от электродов
напряженность электрического поля ослабевает, угол закрутки молекул уменьшается и создается наведенная твистированная ориентация, которая меняет поляризацию проходящего света. Световой
поток пройдет второй поляризующий фильтр без помех.
Большой угол обзора, достигающий 170°, объясняется тем, что,
в отличие от TN, в матрицах IPS молекулы ЖК не скручены в спираль, а расположены параллельно полотну монитора и поворачиваются все одновременно.
243
R
G
B
Светофильтры
Второй поляризатор
(анализатор)
Направляющие
подложки
П
Направление
вращения
молекул
Молекулы ЖК
ГУ
А
Линии напряженности
электрического поля
Прозрачные
электроды
Поляризатор
E=0
E
E = max
2
E = Emax
Источник света
(неполяризованный свет)
ек
а
Рис. 4.26. Устройство и работа ячейки IPS
би
бл
ио
т
Среди плюсов технологии IPS можно отметить четкий черный
цвет. Кроме того, «битые» пиксели теперь выглядят черными, а потому они малозаметны.
Расположенные в одной плоскости, по паре на субпиксель
электроды не закрывают собой часть проходящего света, в результате чего увеличивается контрастность. Главный недостаток IPSматриц состоит в том, что создание электрического поля в подобной
системе требует больших затрат энергии и занимает больше времени, что ведет к увеличению времени отклика.
Дальнейшее совершенствование технологии IPS породило целое семейство технологий: S-IPS (super IPS), SFT (super fine TFT),
A-SFT (advanced SFT), SA-SFT (super a-SFT).
Технология MVA. Наиболее перспективная на сегодняшний день
технология (MVA – многодоменное вертикальное размещение) разработана компанией Fujitsu. Эта технология является дальнейшим
развитием технологии VA (vertical alignment), разработанной еще
в 1996 г. [76, 77, 78]. Дисплеи, созданные на основе этой технологии, отличаются большим углом обзора – до 160° и малым временем отклика.
Принцип работы технологии MVA заключается в следующем:
для расширения угла обзора все субпиксели панели разбиты на
ячейки (или зоны), образуемые выступами на внутренней поверх244
ек
а
ГУ
А
П
ности электродов (рис. 4.27). Поляризационные фильтры сделаны направленными. Цель такой конструкции – дать возможность
молекулам ЖК двигаться в ячейках независимо от своих соседей
в противоположных направлениях. Это позволяет наблюдателю,
вне зависимости от угла обзора, видеть один и тот же оттенок цвета
(отсутствие такой возможности было главным недостатком технологии VA). В выключенном положении молекулы ЖК ориентированы перпендикулярно (гомеотропная ориентация) второму электроду (каждому его выступу), что на выходе дает точку черного
цвета. Для обеспечения этого режима используется нематический
жидкий кристалл с Δε < 0 и специальные молекулы-ориентанты.
При слабом электрическом поле молекулы немного поворачиваются, образуя на выходе точку половинной интенсивности серого цвета. Следует отметить, что интенсивность света для наблюдателя не
зависит от угла обзора, поскольку более яркие ячейки, попавшие
в поле зрения, будут компенсироваться находящимися рядом более
темными. В полном электрическом поле молекулы выстроятся так,
чтобы при разных углах наблюдения на выходе была видна точка
максимальной интенсивности.
Обзор слева
би
бл
ио
т
Расположение
ЖК молекул
соседних доменов
по отношению
к наблюдателю
Обзор
по центру Обзор справа
Выступ
направляющего
слоя
Суммарная
яркость ячейки
Яркость соседних
доменов
Домен
R
E=0
G
E
E = max
2
B
Направление
вращения
молекул
Направление
напряженности
электрического
поля
E = Emax
Источник света
(неполяризованный) свет
Рис. 4.27. Структура и работа ячейки MVA
245
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Дисплеи, созданные на основе этой технологии, отличаются
большим углом обзора до 160° и малым временем отклика – менее 25 мс.
Для получения большого угла обзора в вертикальной плоскости
количество доменов увеличивается до четырех.
К основным недостаткам технологии MVA можно отнести пропадание многих тёмных оттенков при взгляде точно перпендикулярно
экрану и зависимость цветового баланса изображения от угла наблюдения. Устранение этого недостатка осуществляется в технологии AMVA (advanced MVA). Суть технологии заключается в нанесении на ЖК-панель направляющей полимерной плёнки. В процессе
производства в молекулы ЖК добавляют некоторое количество мономеров, после этого на ячейку подаётся напряжение, которое задаёт угол наклона молекул ЖК рядом с полиамидной областью. Затем
ячейка подвергается воздействию УФ-излучения, которое фиксирует угол наклона, завершает процесс стабилизации полимеров и тем
самым завершает процесс ориентирования ЖК [79].
Используя достижения технологии MVA, некоторые производители создали свои технологии производства ЖК-матриц.
Так, компания Samsung во всех своих последних разработках использует технологию PVA (patterned vertical alignment – микроструктурное вертикальное размещение). Принцип действия PVA
заключается в выстраивании молекул ЖК под прямым вертикальным углом по отношению к управляющим электродам и формировании картинки за счет их малых отклонений от указанного
положения, гораздо меньших, чем в традиционных ЖК-дисплеях
(рис. 4.28). Для разворота молекул ЖК в разные стороны используются специальные электроды, расположенные на внутренних
поверхностях подложек в шахматном порядке. Благодаря такому расположению линии электрического поля пронизывают объем ячейки не перпендикулярно поверхности экрана, а под углом,
причем в двух разных направлениях. Поэтому одни молекулы
ЖК закручиваются по часовой стрелке, другие против. Это, как
отмечают специалисты компании Samsung, позволяет снизить
инерционность и обеспечивает широкий конический угол обзора
(170°), высокий уровень контраста (500:1) и улучшенное качество
цветопередачи.
Потенциал технологии MVA и ее разновидностей значителен.
Один из главных ее плюсов – сокращенное время отклика. Кроме
этого, можно отметить и такое преимущество MVA, как очень хороший черный цвет. Однако сложное устройство панели не только
246
G
ГУ
А
П
B
ек
а
E
E = max
2
Рис. 4.28. Устройство ячейки PVA
би
бл
ио
т
серьезно увеличивает стоимость готового ЖК-дисплея на ее основе, но и не позволяет производителю в полной мере реализовать все
возможности MVA-технологии.
Для дальнейшего снижения инерционности матриц, в частности,
типов MVA и PVA, разработаны специальные алгоритмы, называемые RTC (response time compensation). Одним из таких алгоритмов
является over drive [71]. Суть алгоритма иллюстрирует рис. 4.29.
Как уже говорилось, при переходе с одной градации серого к другой электрическое поле, пронизывающее ячейки ЖК заданного
субпикселя, изменяется на меньшую величину, чем при переходе
от черного к белому. Следовательно, молекулы переориентируются медленнее. Для ускорения переориентации при использовании
алгоритма over drive видеосигнал подвергается специальным искажениям. Для уменьшения времени нарастания яркости значение
видеосигнала на короткий промежуток времени увеличивается на
некоторую величину ΔU относительно заданного значения, а затем,
когда молекулы выстраиваются в нужном направлении, видеосигнал уменьшается на ΔU, чтобы предотвратить дальнейшее движение молекул по инерции. Алгоритм, в котором описанный принцип
применяется не только при нарастании, но и спаде видеосигнала,
называют «double over drive».
247
Видеосигнал
Umax
Яркость свечения
субпикселя
t
ГУ
А
Без over drive
П
Umin
Umax
Umin
ек
а
С применением
алгоритма over drive
t
Рис. 4.29. Применение алгоритма «double overdrive»
би
бл
ио
т
Технология ASV. Компания Sharp разработала тип матриц, который является дальнейшим развитием технологии VA. Технология получила название ASV (advanced super view) [79].
В ASV-технологии в каждом субпикселе располагаются два
электрода – один в виде подложки в нижней части субпикселя, а
второй, точечный, – в верхней части. При включении электрического поля, жидкие кристаллы выстраиваются вдоль него, а поскольку оно имеет ярко выраженный наклонный компонент, то
в итоге кристаллы выстраиваются в форму, напоминающую цветок. Такое ориентирование кристаллов в пространстве (рис. 4.30)
получило название «continuous pinwheel alignment» (CPA). Из-за
кругового вращения вектора направления ориентации кристаллов
(директора) образуется очень симметричный конус обзора и, как
следствие, очень широкие углы обзора.
Другой способ получения специфической «цветочной» ориентации ЖК заключается в формировании на светофильтре специальных выступающих стенок, покрытых ориентирующей полимерной
плёнкой. Они образуют индивидуальные ЖК-ячейки с требуемой
ориентацией кристаллов. Стенки, ограничивающие ЖК-ячейки,
получаются в результате внедрения в состав ЖК молекул полиме248
Молекулы ЖК
ГУ
А
П
Электроды
E=0
E = Emax
Рис. 4.30. Работа ячейки ASV
би
бл
ио
т
ек
а
ризованной смолы и облучения полученной смеси УФ-излучением
после фазового разделения.
Технология LTPS TFT. В первых TFT-дисплеях, появившихся
в 1972 г., для изготовления матриц транзисторов использовался
селенид кадмия, обладающий высокой подвижностью электронов
и поддерживающий высокую плотность тока, но со временем был
осуществлен переход на аморфный кремний. Для формирования
тонкопленочных транзисторов на поверхность стеклянной подложки наносят тонкий полупрозрачный слой аморфного кремния (технология a-Si). Очень заманчивой выглядит идея разместить там и
управляющие схемы. К сожалению, в аморфной фазе кремний не
обладает необходимыми качествами для формирования сложных
логических схем, но зато нанесение слоя аморфного кремния – это
низкотемпературный процесс, что позволяет использовать более
дешевые сорта стекла для подложки. В матрицах с высоким разрешением используется поликристаллический кремний (технология p-Si). Однако образование поликристаллического кремния из
множества мелких кристаллов производится путем химического
осаждения при низком давлении из газообразной формы (технология LPCVD – low pressure chemical vapor deposition), а затем производится отжиг при температуре более 900 °C (кристаллизация твердой фазы). Такой метод не удается применить при производстве
матричных панелей, поскольку температура плавления стекла
650 °C. В начале 90-х гг. была создана технология активно-матричных панелей, изготовленных с применением низкотемпературного
поликристаллического кремния (LTPS TFT – low-temperature p-Si).
249
ек
а
ГУ
А
П
В этой технологии [51, 75] в качестве источника энергии используется эксимерный лазер. Он нагревает и расплавляет a-Si (аморфный кремний) с низким содержанием водорода, после чего кремний повторно кристаллизуется в виде p-Si (поликристаллической
пленки). Это позволяет производить кристаллизацию кремниевой
пленки до температуры менее 400 ° C.
В результате технология LTPS приобретает следующие основные преимущества перед технологией a-Si:
1) подвижность электронов в тонкопленочных транзисторах на
два порядка выше, а это позволяет увеличить степень интеграции
формируемой на подложке интегральной схемы (т. е. сформировать в едином цикле непосредственно на подложке интегральные
схемы драйверов) и уменьшить размеры самого транзистора;
2) уменьшение площади транзистора ведет к улучшению апертурной характеристики (апертурного коэффициента как отношение полезной площади ячейки к ее полной площади);
3) за счет уменьшения площади транзистора возрастает яркость
свечения LTPS-ячейки.
4.4.5. ЖК-матрицы для цветного телевидения
би
бл
ио
т
Поскольку ЖК-вещество не излучает свет, а лишь изменяет коэффициент прохождения внешнего (белого) источника света, то
для получения цветного изображения каждый пиксель разбит на
три части, над каждой находится свой светофильтр – соответственно красный, зеленый и синий. За счет поворота на определенный
угол ЖК-молекул в каждом из цветовых субпикселей можно получать не только открытое и закрытое состояния ЖК-ячейки, но и
промежуточные состояния, формирующие цветовой оттенок. Теоретически угол поворота ЖК-молекул можно сделать любым в пределах от минимального до максимального. Однако на практике
есть температурные флуктуации, которые препятствуют точному
заданию угла поворота. Кроме того, для формирования произвольного напряжения потребуется использование схем ЦАП с большой
разрядностью, что крайне дорого. Поэтому в современных ЖКвидеомониторах чаще всего применяют 18-битные ЦАП и реже –
24-битные. При использовании 18-битного ЦАП на каждый цветовой канал приходится по 6 бит.
Это позволяет сформировать 64 (26 = 64) различных уровня напряжения и соответственно задать 64 различные ориентации ЖКмолекул, что, в свою очередь, приводит к формированию 64 цвето250
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
вых оттенков в одном цветовом канале. Всего же, смешивая цветовые оттенки разных каналов, возможно получить 262 144 цветовых оттенка.
При использовании 24-битной матрицы (24-битная схема ЦАП)
на каждый канал приходится по 8 бит, что позволяет сформировать
уже 256 (28 = 256) цветовых оттенков в каждом канале, а всего такая матрица воспроизводит 16 777 216 цветовых оттенков.
В то же время для многих 18-битных матриц в паспорте указывается, что они воспроизводят 16,2 млн цветовых оттенков. Различные технологии позволяют в 18-битных матрицах увеличить
количество цветовых оттенков до воспроизводимых настоящими
24-битными матрицами. Для экстраполяции цветовых оттенков
в 18-битных матрицах используются две технологии (и их комбинации): dithering (дизеринг) и FRC (frame rate control) [80].
Суть технологии Dithering заключается в том, что недостающие
цветовые оттенки получают за счет смешивания ближайших цветовых оттенков соседних субпикселей. Рассмотрим простой пример.
Предположим, что субпиксель может находиться только в двух
состояниях – открытом и закрытом, причем закрытое состояние
субпикселя формирует черный цвет, а открытое – красный. Если
вместо одного пикселя рассмотреть группу из двух субпикселей,
то, кроме черного и красного цветов, можно получить еще и промежуточный цвет и тем самым осуществить экстраполяцию от
двухцветного режима к трехцветному. В результате, если первоначально такой видеомонитор мог генерировать шесть цветов (по два
на каждый канал), то после такого дизеринга видеомонитор будет
воспроизводить уже 27 цветов.
Если же рассмотреть группу не из двух, а из четырех субпикселей, то использование дизеринга позволит получить дополнительно еще по три цветовых оттенка в каждом канале, и видеомонитор
из 8-цветного превратится в 125-цветный. Соответственно, группа
из 9 субпикселей позволит получить дополнительно семь цветовых
оттенков, и видеомонитор станет уже 729-цветным.
Схема дизеринга имеет один существенный недостаток: увеличение цветовых оттенков достигается за счет уменьшения разрешения. Фактически при этом увеличивается размер пикселя, что
может негативно сказаться при прорисовке деталей изображения.
Кроме технологии дизеринга используется и технология FRC,
представляющая собой способ манипуляции яркостью отдельных
субпикселей с помощью их дополнительного включения/выключения. Как и в предыдущем примере, будем считать, что субпиксель
251
а)
б)
R G B R G B R G B
R G B R G B R G B
B R G B R G B R G
R G B R G B R G B
R G B R G B R G B
Strip
Mosaic
R
G
G
G
R
G
B
R
B
R
B
G
G
B
G
B
B
G
R
G
R
B
R
ГУ
А
в)
П
R G B R G B R
B
R
G
ек
а
Delta
Рис. 4.31. Варианты расположения субпикселей
при отображении цвета
би
бл
ио
т
может быть либо черным (выключен), либо красным (включен).
Напомним, что каждый субпиксель получает команду на включение с частотой кадровой развертки, т. е. при частоте кадровой развертки 50 Гц каждый субпиксель получает команду на включение
50 раз в секунду, что позволяет генерировать красный цвет. Если
же принудительно заставлять включаться субпиксель не 50 раз
в секунду, а только 40 (на каждом 10-м такте производить не включение, а выключение субпикселя), то в результате яркость субпикселя составит 83 % от максимальной, что позволит сформировать
промежуточный цветовой оттенок красного.
Недостатком данного метода является возможное мерцание
экрана и некоторое увеличение времени реакции.
По расположению субпикселей возможны три варианта: полосковый (Strip), мозаичный (Mosaic) и дельтовидный (Delta), соответственно представленные на рис. 4.31, а, б, в. Первый случай
отличается простотой управления, изготовления пикселей и нанесения светофильтров [71]. Однако качество отображения мелких
цветных деталей при этом получается низким. Во втором случае
качество изображения выше, однако усложняются процессы нанесения светофильтров и управления, так как одна и та же верти252
П
кальная шина управляет яркостью субпикселей трех разных цветов. Такие матрицы дороже и встречаются реже. Самым лучшим
вариантом с точки зрения качества изображения является третий.
При этом процессы нанесения светофильтров и изготовления пикселей значительно усложняются, так как субпиксели располагаются не строго друг за другом, а со смещением на половину ширины.
Такие матрицы встречаются довольно редко.
4.4.6. Способы подсветки
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
Неотъемлемой частью видеомониторов на ЖК является модуль
задней подсветки. Для реализации подсветки используется несколько технологий [51, 79, 81].
Флуоресцентная подсветка лампами с холодным катодом
(CCFT – cold-cathode fluorescent tube) обеспечивает белый свет высокой интенсивности. Равномерное освещение по всей площади
экрана обеспечивается диффузорами (рис. 4.32). Большим достоинством CCFL является возможность получения бумажно-белого
цвета, что очень важно для цветных дисплеев.
Основной недостаток подсветки на CCFL-лампах состоит в том,
что через некоторое время яркость ламп несколько падает, поэтому
экран видеомонитора с возрастом становится более темным, а краски менее яркими. При использовании видеомониторов с большой
диагональю для получения равномерной подсветки по всей площади экрана используется несколько ламп, распределенных по площади экрана.
С созданием светодиодов белого свечения появилась возможность использовать их в качестве элемента подсветки. Подсветка
на основе светоизлучающих диодов (LED) устраняет недостаток
ЖК панель
Корпус
Соединитель
Рассеиватель
БИС-драйверы
КатодоМодуль
подсветки
люминесцентная
лампа (CCFL)
Рис. 4.32. Флуоресцентная подсветка
253
П
Рис. 4.33. Матричная подсветка светодиодами
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
старения, поскольку гарантированный срок службы до 50 % потери яркости составляет 50 000 ч, и позволяет получить некоторые
дополнительные преимущества. Экран с LED-подсветкой не будет
со временем тускнеть, и, в отличие от CCFL, LED, подсветка более
стабильна. После включения экрана для достижения уровня полной яркости CCFL-лампам необходимо некоторое время для «разогрева», LED-экран моментально становится ярким. LED-подсветка
отличается также более низким энергопотреблением.
Так же как и при подсветке CCFL, существуют две разновидности LED-подсветки. Боковая LED-подсветка, как явствует из названия, использует расположенные сбоку (по краям экрана) светодиодные источники света. А подсветка в виде массива располагаемых
за экраном светодиодов может использовать дополнительный эффект (рис. 4.33). Она позволяет выключать часть источников подсветки, находящихся по ту сторону темных зон экрана, увеличивая, таким образом, контрастность дисплея. Этот способ известен,
как технология местного затемнения (local-area dimming).
В последнее время в качестве элементов подсветки стали применяться OLED-материалы (organic light emitting device), речь о которых пойдет ниже.
Используемый источник подсветки наряду с используемыми
светофильтрами оказывает сильное влияние на цветовой охват
ЖК-монитора.
Под цветовым охватом поднимается количество оттенков цвета,
которые монитор может воспроизвести. При оценке воспользуемся диаграммой цветности МКО 1931 г. (CIE 1931) (рис. 4.34) [27,
35]. Богатство цветов, которое может воспроизвести трехцветная
телевизионная система, зависит от выбора трех основных цветов
RGB, образующих некоторый треугольник. Чем большую площадь
занимает треугольник, тем больший диапазон цветностей может
быть воспроизведен. В мире принято несколько стандартов цветового охвата. Один из таких мировых стандартов – NTSC (national
254
y
1,0
0,8
NTSC
0,6
CCFL
Enhanced CCFL
0,4
OLED
0,2
0
ГУ
А
LED
П
Цветовой график
МКО
0,2
0,4
0,6
0,8
x
Рис. 4.34. Цветовой охват
би
бл
ио
т
ек
а
television system commitee), который был утверждён ещё во времена ЭЛТ-видеомониторов, поэтому сравнение цветового охвата
при различных способах подсветки производится с треугольником
NTSC. На рис. 4.34 показаны треугольники цветовых охватов.
Мониторы с подсветкой CCFL дают большое количество синих
оттенков, но уступают ЭЛТ по красным и зелёным оттенкам, поэтому и цветовой охват существенно сокращается.
Улучшенные лампы (Enhanced CCFL) позволили заметно улучшить цветовой охват. Но мониторы с такими лампами стоят дороже.
Подсветка из цветных светодиодов (RGB) позволила получить
более полный цветовой охват NTSC.
Самые лучшие результаты дает OLED-подсветка.
4.4.7. Конструкция ЖК-матрицы
В заключение рассмотрим укрупненную структурную схему
управления матрицей ЖК-дисплея (рис. 4.35) [74, 82, 83].
Видеосигнал в цифровой форме, или после аналого-цифрового
преобразования, поступает на специализированную интегральную
схему – scaler, где преобразуется в массив в соответствии с физическим разрешением матрицы (n строк, m элементов в строке). С выхода N-разрядный (обычно N = 8 бит) видеосигнал n-й строки поступает на Nm-разрядный сдвиговый регистр, который управляется тактовыми синхроимпульсами (ТСИ). Частота следования ТСИ равна
частоте следования элементов изображения, умноженная на N.
255
I2C
Видеосигнал
I2C
ППЗУ
ППЗУ
Scaler
АЦП
DVI VGA
Передатчик
LVDS
ЦП
I2C
Сигнал
управления
Счетчик-адресатор
n
1
8
TFT
У
m
Сигнал управления
RG
ЦАП
ГУ
А
Сдвиговый регистр
ек
а
П
Видеоданные
Приемник
LVDS
N-разрядный
видеосигнал
Регистр хранения
Дешифратор
Усилитель
Шина строки
Шина данных
Индивидуальный
электрод
субпикселя
Конденсатор
Общий прозрачный
электрод
Рис. 4.35. Структурная схема управления ЖК-матрицей
24
ТСИ
ССИ
КСИ
Управление
полярностью
общего
электрода
1
би
бл
ио
т
Синхронизатор
256
{
Рассеиватель
Входной
поляризатор
Стекло
Горизонтальные
электроды
Конденсатор
ГУ
А
Вертикальные
электроды
Тонкопленочный
транзистор
П
Свет
Стекло
Выходной
поляризатор
(анализатор)
Рассеиватель
Цветной фильтр
Слой ЖК
Прозрачный
электрод
ек
а
Ориентирующие Общий
подложки
прозрачный
электрод
Рис. 4.36. Конструкция TFT ЖК-матрицы
би
бл
ио
т
При появлении каждого импульса цифровая последовательность
в сдвиговом регистре смещается на один разряд. Когда количество
поступивших импульсов равно горизонтальному разрешению матрицы, цифровые данные яркостей пикселей оказываются на соответствующих выходах сдвигового регистра. В этот момент по переднему фронту строчного синхроимпульса производится запись цифровых N-разрядных кодов в N-разрядные параллельные регистры
хранения, а состояние счетчика-адресатора увеличивается на единицу. На шину n-й строки подается положительное напряжение.
Данные с регистров хранения преобразовываются с помощью ЦАП
в аналоговые сигналы, которые поступают на истоки транзисторов m столбцов и перезаряжают емкости, подключенные к стокам.
Одновременно с процессом перезаряда емкостей ячеек n-й строки
в сдвиговом регистре накапливаются данные следующей строки.
Для уменьшения габаритов дисплея функции сдвигового регистра, регистра хранения, ЦАП и усилителей объединены в специализированных интегральных схемах – дешифраторах. Из-за высокой плотности выводов (5–8 выводов на 1 мм) дешифраторы располагаются непосредственно на гибких шлейфах, соединяющих
257
ГУ
А
4.5. OLED-дисплеи
П
основную плату с матрицей. Передача данных от Scaler к дешифраторам осуществляется с использованием интерфейса LVDS (low
voltage differential signaling).
Для устранения электролитического эффекта, возникающего изза наличия постоянной составляющей в управляющем сигнале, от
кадра к кадру происходит изменение полярности общего электрода.
Конструкция самой ЖК-матрицы представлена на рис. 4.36 [71].
би
бл
ио
т
ек
а
Сравнительно недавно появились дисплеи нового, отличного
от LCD, типа, так называемые OLED-дисплеи. История развития
OLED-технологии составляет более 30 лет и берет свое начало от
непреднамеренного открытия исследователями компании Eastman
Kodak эффекта излучения света органическим веществом при прохождении через него электрического тока.
Дисплей OLED представляет собой устройство, выполненное
путем размещения ряда тонких органических пленок между проводниками. При подключении источника питания к выбранным
элементам дисплея последние излучают яркий свет. Технология
OLED идеально подходит для изготовления дисплеев, используемых в портативных устройствах, позволяя создавать легкие, надежные и малопотребляющие дисплеи.
Для получения OLED-дисплеев требуется меньшее число производственных этапов и более дешевые материалы по сравнению
с LCD. Технология OLED может заменить существующие технологии создания дисплеев во многих областях за счет следующих преимуществ перед LCD [84, 85]:
– более высокой яркости;
– более высокого быстродействия, улучшающего качество отображения;
– отсутствия зависимости яркости от угла обзора.
Столь впечатляющие характеристики OLED-дисплеев достигаются благодаря разработке особого семейства высокоэффективных
OLED-материалов. Работа OLED-ячейки происходит следующим
образом. При подаче на анод положительного относительно катода напряжения, анод забирает электроны из слоя испускания
дырок, генерируя положительно заряженные частицы – дырки,
а катод отдает электроны и в слое испускания электронов генерируются электроны (рис. 4.37) [86]. Под действием электрического
258
Катод
−
−
−
−
+
+
Слой эмитирующего материала
(излучение света)
+
+
+
+
+
Слой блокировки электронов
Слой переноса дырок
Слой испускания дырок
Анод
Стеклянная
(прозрачная) подложка
Излучаемый
свет
П
−
−
+
+
Слой испускания электронов
Слой переноса электронов
Слой блокировки дырок
−
−
−
ГУ
А
−
Рис. 4.37. Конструкция OLED-ячейки
би
бл
ио
т
ек
а
поля электроны и дырки движутся навстречу друг к другу в слоях
переноса дырок и электронов. В эмитирующем слое ближе к катоду, поскольку в органических полупроводниках дырки обладают
большей подвижностью, чем электроны, электроны и дырки встречаются и рекомбинируют. При рекомбинации происходит понижение энергии электрона, которое сопровождается испусканием
(эмиссией) электромагнитного излучения в области видимого света. В качестве материала для катодов используются металлы Ca,
Mg, Al, Mg, легированный серебром, или литий, легированный
алюминием (Mg : Ag, Li : Al), так как они обладают низкой работой
выхода, способствующей инжекции электронов в слой испускания
электронов. Аноды изготавливаются из проводящего материала –
оксида индия легированного оловом (InO2 : Sn). Он прозрачный для
видимого света и имеет высокую работу выхода, которая способствует инжекции дырок в слой испускания дырок.
OLED-дисплеи могут быть выполнены на основе пассивной или
активной матрицы [87]. В OLED-дисплее каждый пиксель является органическим светодиодом, образованным на пересечении каждой линии строки и столбца (рис. 4.38). Первые OLED, так же как
и первые LCD, адресовались как пассивные матрицы. Это означает,
что для активизации пикселя необходимо приложить напряжение
к линиям строки и столбца, на пересечении которых находится выбранный пиксель (тип дисплея PMOLED – passive matrix OLED).
Чем больший ток протекает через каждый пиксель, тем больше яркость наблюдаемого свечения.
259
П
ГУ
А
Рис. 4.38. Пассивная и активная OLED-матрицы
би
бл
ио
т
ек
а
В дисплее с активной матрицей (AMOLED – active matrix OLED)
каждый пиксель состоит из органического светодиода, включенного
последовательно с тонкопленочным транзистором, выполняющим
функцию коммутатора и регулирующего уровень тока через OLED.
Для создания цветных OLED-дисплеев существуют три варианта схем [85, 87]:
– схема с раздельными цветными эмиттерами;
– схема WOLOD + CF (белые эмиттеры + цветные фильтры);
– схема с конверсией коротковолнового излучения.
Самый простой и привычный вариант – обычная трехцветная
модель, которая в технологии OLED называется моделью с раздельными эмиттерами. Три органических материала излучают свет
базовых цветов – R, G и B. Этот вариант самый эффективный с позиции использования энергии, однако на практике оказалось довольно сложно подобрать материалы, которые будут излучать свет
с нужной длиной волны, да еще с одинаковой яркостью.
Второй вариант реализуется гораздо проще. Он использует три
одинаковых белых эмиттера, которые излучают через цветные
фильтры, однако он значительно проигрывает по эффективности
использования энергии первому варианту, поскольку значительная часть излученного света теряется в фильтрах.
В третьем варианте (CCM – color changing media) применяются
голубые эмиттеры и специально подобранные люминесцентные
материалы для преобразования коротковолнового голубого излучения в более длинноволновые – красный и зеленый. Голубой эмиттер, естественно, излучает «напрямую».
Ведущий производитель OLED-дисплеев компания Universal
Display (UDC предлагает несколько разновидностей дисплеев [51, 86]:
– PHOLED (phosphorescent OLED) – фосфоресцирующие OLED;
260
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
– TOLED (transparent OLED) – прозрачные органические светоизлучающие устройства;
– FOLED (flexible OLED) – гибкие органические светоизлучающие устройства;
– SOLED (stacked OLED) – сложенные органические светоизлучающие устройства.
В традиционных OLED-дисплеях излучение света основано на
флюоресценции. В соответствии с теоретическими и экспериментальными оценками максимальная эффективность OLED с добавлением флуоресцентных материалов может составить около 25 %.
Это ограничение практически снимается при использовании в качестве добавок электрофосфоресцентных материалов, которым
присуще как одиночное, так и тройное возбужденное состояние.
Технология получила название PHOLED (phosphorescent OLED).
Ее ключевой особенностью является использование для излучения
света процесса электрофосфоресценции. Эффективность этих материалов приближается к 100 %, что позволяет оптимизировать такие характеристики дисплея, как чистоту цвета, надежность функционирования и механическую прочность.
В дисплеях TOLED используется прозрачная основа, что позволяет создавать дисплеи с излучением только вверх, только вниз или
в оба направления. Технология TOLED позволяет получать большой контраст, что улучшает восприятие изображения при ярком
солнечном свете. Поскольку TOLED имеет 70 %-ю прозрачность
в выключенном состоянии, он может быть интегрирован, к примеру, в автостекла в качестве указателей. Прозрачность дисплеев
TOLED дает возможность использовать их с подложками из металла и других непрозрачных материалов. За счет использования поглотителя с низким коэффициентом отражения (черный фон) позади поверхности TOLED контрастное отношение может быть значительно улучшено по сравнению с LCD-дисплеями. Это особенно
важно в условиях работы при дневном свете.
Плоские отображающие панели традиционно выпускаются на
стеклянной основе вследствие структурных ограничений или ограничений технологического процесса. Гибкие материалы обладают существенными преимуществами в сравнении со стеклянной
основой. Встраивая органическую пленку в гибкую поверхность,
получают исключительные по своим качествам гибкие дисплеи –
FOLED. Эти материалы позволяют изгибать и скручивать дисплеи,
приспосабливая их к любой поверхности. Использование тонких
пластиковых подложек также существенно уменьшает вес тон261
ек
а
ГУ
А
П
ких отображающих панелей в сотовых телефонах, портативных
компьютерах.
Дисплеи FOLED обладают повышенной стойкостью к изломам,
устойчивостью к внешним воздействиям и более длительным сроком службы по сравнению с аналогами на стеклянной основе. На
рис. 4.39 показан FOLED-дисплей в авторучке.
Дальнейшее развитие OLED-дисплеев привело к появлению
так называемых «сложенных OLED» (SOLED). В них используется
принципиально новая архитектура организации пикселя, разработанная компанией UDC (Universal Display Corp.) [86]. В дисплеях
SOLED пиксель представляет собой вертикальную структуру расположенных друг над другом красного, зеленого и синего субпикселей (рис. 4.40), что отличается от расположения субпикселей
би
бл
ио
т
Рис. 4.39. FOLED-дисплей
Al
Катоды
Оксид
лития
Al
Эмиттер R
Аноды
InO2
Эмиттер G
Al
Al
Эмиттер B
B G
Стеклянная
подложка
R
Рис. 4.40. Конструкция SOLED-ячейки
262
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
в одной плоскости один возле другого, как в обычных дисплеях на
основе ЭЛТ или LCD. Это улучшает разрешающую способность дисплея в три раза и повышает качество цветопередачи.
Для раздельной регулировки цвета и яркости каждый красный,
зеленый и синий (RGB) субпиксели управляются индивидуально.
Задание цвета выполняется за счет регулировки уровня тока. Регулировка яркости осуществляется путем изменения общего тока
через катод ячейки. Получение градаций серого выполняется за
счет широтно-импульсной модуляции сигналов, подаваемых на
субпиксели. Технология SOLED компании UDC является первой
демонстрацией вертикально-интегрированной структуры, в которой цвет, яркость и шкала серого могут настраиваться независимо,
обеспечивая полноцветное изображение с высоким разрешением.
Важной особенностью SOLED является очень высокий коэффициент заполнения, достигающий 100 %. Например, когда у классического полноцветного дисплея устанавливается зеленый цвет,
красный и синий субпиксели отключаются. У структуры SOLED
при тех же условиях, напротив, все пиксели станут зелеными. Это
означает, что архитектура SOLED обеспечивает лучшую цветопередачу и качество изображения. Еще одной особенностью SOLED
является равномерность цветопередачи при увеличении размера
пикселя. Это важно для больших дисплеев, в которых пиксели
имеют достаточные размеры, чтобы их можно было увидеть с малого расстояния. В традиционных ЭЛТ- и LCD-дисплеях глаз с близкого расстояния может увидеть раздельные красный, зеленый и
синий цвета вместо эквивалентной смеси. У SOLED-дисплеев каждый пиксель излучает желаемый цвет, и поэтому цвет пикселя правильно воспринимается независимо от его размера и расстояния,
с которого он наблюдается.
4.6. Электронные чернила
В 1997 г. ученые из Массачусетского технологического института заявили о создании уникальной технологии формирования изображения.
Первым воплощением технологии стала демонстрация в конце
2000 г. прототипа монохромного дисплея. А летом 2001 г. в некоторых магазинах Нью-Джерси начали появляться необычные ценники. Несмотря на внешнее сходство со своими бумажными аналогами, они представляли собой электронные дисплеи и допускали дис263
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
танционное (беспроводное) изменение выводимой на них информации. Габариты 35 × 27 см позволяли отображать на них цену товара
и несколько строк сопроводительного текста.
Практически одновременно были представлены и первые прототипы дисплея, ориентированные на применение в сотовых телефонах и карманных компьютерах.
Главным компонентом электронных чернил являются миллионы маленьких микрокапсул (рис. 4.41) диаметром в несколько микрон [88, 89, 90]. Микрокапсула заполнена прозрачной жидкостью,
в которой «плавает» множество частиц, половина из которых заряжена положительно и окрашена в белый цвет, другая половина, напротив, имеет черный цвет и обладает отрицательным зарядом.
Принцип работы дисплея на электронных чернилах (технологии Е-Рареr) состоит в том, что черные и белые частицы по-разному
реагируют на электрическое поле: положительно заряженные белые частицы притягиваются к отрицательно заряженным электродам, а отрицательно заряженные черные – к электродам, имеющим
положительный заряд.
В нейтральном состоянии положительно заряженные белые и
отрицательно заряженные черные частицы пигмента находятся
внутри микрокапсул в произвольном положении. При подаче положительного потенциала на оба нижних электрода все черные
частицы, имеющие отрицательный заряд, переместятся к этим
электродам, а белые частицы с положительным зарядом, наоборот,
Верхний
прозрачный
электрод
Положительно
заряженный
черный пигмент
Субпиксели
высокого
разрешения
(градации серого)
Отрицательно
заряженный
белый
пигмент
Прозрачная
жидкость
Прозрачные
капсулы
Нижние
электроды
Рис. 4.41. Конструкция и работа ячейки электронных чернил
264
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
сгруппируются у верхнего электрода. В результате отраженный от
белых частиц внешний свет даст белое поле. Аналогично при подаче на оба нижних электрода отрицательного потенциала относительно верхнего электрода произойдет изменение положения частиц на противоположное. Внешний свет полностью поглощается,
и оператор видит черный экран. При подаче на нижние электроды
разнополярных напряжений и различной величины можно получить градации серого.
Микрокапсулы помещаются в буферную жидкость, которая
«разливается» по подложке. Жидкость высыхает, а подложка
с капсулами помещается над матрицей электродов (например,
подобно используемой в ЖК-дисплеях). Таким образом создается электронно-чернильный экран, на котором можно отображать
большие и сложные изображения.
Достоинства Е-Рареr. В первую очередь, следует отметить возможность создания дисплеев на основе электронных чернил с очень
высоким разрешением: по сути, разрешающая способность дисплея определяется не диаметром микрокапсул, а физическим разрешением «электронной сетки».
Дисплей может иметь самые немыслимые формы и размеры, поскольку его создание заключается в нанесении слоя электронных
чернил (плюс слой управляющих элементов и схем) на подложку.
Материал поверхности особой роли не играет, можно использовать стекло, пластмассу, ткань, металл и даже бумагу. Поэтому
рассматриваемую технологию еще иногда называют технологией
«электронной бумаги». Гибкость таких дисплеев является немаловажным преимуществом.
Следующее достоинство электронных чернил заключается в том,
что они представляют собой разновидность отражающего дисплея.
Изображение на ней можно будет прочитать при тех же условиях,
при которых вы можете читать его с обычного листа бумаги.
Мизерная потребляемая мощность является огромным преимуществом по сравнению с любыми современными дисплеями, энергия требуется только при смене изображения.
Недостатки Е-Рареr. Во-первых, такие дисплеи (по крайней
мере, их гибкие варианты) достаточно серьезно «боятся» статического электричества. Нахождение вблизи дисплея наэлектризованного
предмета фактически разрушает изображение. Использование в качестве верхнего слоя специального стекла устраняет этот недостаток.
Во-вторых, возникают сложности с отображением динамической информации.
265
ГУ
А
П
В-третьих, полученный таким образом дисплей способен отображать ограниченное число градаций серого (полутонов).
Принцип действия многоцветной электронной бумаги состоит
в использовании светофильтров. Обычно цветная электронная бумага состоит из тонких окрашенных оптических фильтров, которые
добавляются к монохромному дисплею, описанному выше. Множество точек разбиты на триады, как правило, состоящие из трёх
стандартных цветов CMY: циановый, пурпурный и жёлтый. В отличие от дисплеев с подсветкой, где применяются RGB-цвета и сложение цветов, в Е-ink цвета формируются методом вычитания, как и
в полиграфии. Общий вид такого дисплея был показан на рис. 4.1, е.
4.7. Видеопреобразователи
би
бл
ио
т
ек
а
Созданием мощных проекторов с модуляцией отражаемого светового потока начали заниматься вслед за появлением телевидения.
Среди первых разработок, основой которых являлись проекционные
кинескопы, следует назвать зеркально-линзовые телевизионные проекционные системы (система Шмидта). В них ярко светящееся изображение, образованное на экране проекционного кинескопа, путем
увеличения мощности электронного луча и высокого ускоряющего
напряжения (в СССР яркость доходила до 60 000 кд/м2 при U = 80 кВ,
I = 2 мА, срок службы кинескопа 150 ч), оптически проецировалось
на большой экран. В дальнейшем наибольшую известность получили светоклапанные проекторы Light Value. Основу устройств составлял световой клапан, управляющий слой которого при воздействии
на него электрической энергией позволяет сформировать оптическое
изображение. Подводимая к этому слою электрическая энергия изменяет оптические свойства слоя (показатель преломления, поляризующие свойства, коэффициент поглощения) и тем самым меняет
светопропускание пропорционально величине подведенного телевизионного сигнала. В 50-х гг. прошлого столетия широкое распространение получили проекторы системы Эйдофор (Eidophor), в основу
работы которых положено физическое явление деформации тонкого
поверхностного слоя прозрачной вязкой жидкости (масла) под влиянием попадающего на него электронного пучка. При воздействии
электронного пучка, промодулированного телевизионным сигналом,
в тонком слое жидкости образуется рельефный растр, который играет роль дифракционной решетки, модулирующей световой поток от
мощного источника света. Очевидные и многие практические не266
П
достатки этих проекторов побудили искать другие технологии проекции телевизионных изображений на большой экран, но основной
принцип, заложенный в светоклапанных устройствах, остался.
В настоящее время наиболее распространенными типами видеопреобразователей (проекторов) являются жидкокристаллические
(LCD) и микрозеркальные (DMD – digital micromirror device). Основное различие между этими двумя типами проекторов заключается в самом принципе формирования изображения на экране.
ГУ
А
4.7.1. Видеопроекторы на жидких кристаллах
Простые
зеркала
би
бл
ио
т
B
G
R
ек
а
Большинство видеопроекторов выпускается по ЖК-технологии.
По принципу действия такие видеопроекторы напоминают обычные диапроекторы. Но если в диапроекторах в качестве формирователя изображения задействован слайд, то в LCD-проекторах в этой
роли выступает ЖК-матрица просветного типа [91, 92].
Принцип действия проектора поясняет рис. 4.42. Световой поток
от проекционной лампы, пройдя оптический компенсатор (конден-
Экран
R
R G B
Дихроичные
зеркала
B
R
Проекционный
объектив
Конденсорные
линзы
G
B
РСВ
Конденсорные
линзы
Проекционная
лампа
ЖКматрицы
G
Дихроичная
призма
Простые
зеркала
Рис. 4.42. Оптическая схема ЖК-проектора
267
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
сорные линзы) естественного спада светового потока от центра кадра к его периферии, разделяется с помощью простых и дихроичных
зеркал на три составляющие RGB. Эти составляющие посредством
зеркал и конденсорной оптики направляются каждая на свой ЖКмодуль – входной линейный поляризатор и активные LCD-матрицы,
выполненные по TFT-технологии. Управление матрицами осуществляется соответствующими телевизионными сигналами RGB.
Далее модулированные по интенсивности цветовые составляющие светового потока поступают на сложную дихроичную призму,
где собираются вместе и направляются в проекционный объектив.
Основная задача конденсорной оптики проекторов – собрать возможно больший световой поток, создаваемый лампой, и с высокой равномерностью и минимальными потерями направить его на
LCD-матрицы. Чем меньше размеры последних, тем успешнее она
решается, но тем термоустойчивее должны быть сами матрицы и
производительнее система вентиляции проектора. В оптических
системах с конструктивами типа «матрица на призме» задача теплоотвода решается эффективнее.
Из основного принципа работы ЖК-матрицы вытекает 50 %-я
потеря света на входных поляризаторах, пропускающих только
полезную Р-составляющую линейно поляризованного светового
потока и поглощающих (превращающих в тепло) ортогональную
S-составляющую. Поэтому в высокоэффективных проекторах
применяются конверторы поляризации, например в проекторах
Sanyo – polarized beam splitter (PBS), принцип работы которого иллюстрируется на рис. 4.43. Неполяризованный (естественный) свет
попадает на призму, расщепляющую его на две поляризованные составляющие P и S. Составляющая Р поляризации непосредственно
Р-поляризованный
свет
Расщепляющая
призма
Р-поляризованный
свет
S-поляризованный
свет
Фазосдвигающая
пластина
Конвертор
Входной световой поток
(неполяризованный свет)
Рис. 4.43. Принцип работы конвертора PCB
268
проходит дальше, а отраженная составляющая с S-поляризацией
поступает на фазосдвигающую пластинку, где ее поляризация меняется на Р-поляризацию. Таким образом, удается использовать
практически весь световой поток от проекционной лампы.
4.7.2. Микрозеркальная технология
ек
а
ГУ
А
П
Микрозеркальные проекторы с тремя DMD. Весной 1996 г.
Texas Instruments представила первый цифровой проекционный
блок DLP – digital light processing, содержащий DМD, электронику
управления и оптическую систему с источником света. На рис. 4.44
показана схема проектора с тремя чипами DMD. В первых проекторах чип DMD содержал по 848 × 600 микрозеркал. Световой поток,
создаваемый проекционной лампой, пройдя конденсорную систему
с тепловым ИК-фильтром, зеркалами и призму полного внутреннего отражения, поступает на комбинированные цветоделительные
призмы. У комбинированной цветоделительной призмы одна грань
является полупрозрачным зеркалом, а вторая – дихроичным зеркалом с определенной зависимостью коэффициента пропускания-отражения. Выделенные составляющие первичных RGB-цветов направляются на поверхности микрозеркальных чипов DMD соответ-
би
бл
ио
т
Зеркало
с позолоченным
покрытием
Тепловой
фильтр
Конденсорная
линза
Микрозеркальный
чип R
Дихроичные
зеркала
Зеркало
Призма полного
внутреннего
отражения Экран
Микрозеркальный
чип G
Проекционная
лампа
Проекционный
объектив
Комбинированные Микрозеркальный
призмы
чип B
Рис. 4.44. Проектор с тремя DMD
269
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
ствующих каналов. Отраженные чипами, модулированные составляющие цветов объединяются комбинированной призмой в общий
световой поток, поступающий в проекционный объектив.
Чип DMD представляет собой световой модулятор, состоящий
из матрицы поворотных алюминиевых зеркал, количество которых соответствует разрешающей способности проектора. Зеркала
размером 16 × 16 мкм крепятся на подложке с помощью механических подпружиненных подвесов, позволяющих им поворачиваться
в пределах ±10° (рис. 4.45). На каждый микрозеркальный пиксель
подведены управляющий и пара адресных электродов. Комбинация
управляющего и адресного напряжений может отклонять зеркало к одному из крайних положений, соответствующих состояниям
«включено» и «выключено». В первом случае отраженный микрозеркалом свет попадает в оптическую систему проекционного объектива, а во втором – рассеивается и поглощается. Время механического переключения состояний микрозеркал не превышает 10 мкс
с учетом затухания переходных процессов. Управление положением
зеркал осуществляется методом цифровой широтно-импульсной модуляции с частотой полей, а уровень цветовых составляющих светового потока по каждому пикселю определяется относительным
временем нахождения его микрозеркала во включенном положении
на временном интервале каждого телевизионного поля. Продолжительность последнего (20 мс для телевизионных систем 625 строк, 50
полей/с, около 17 мс для видимой на экране части растра) подвергается 10-разрядной дискретизации электроникой DLР-проектора, которая обеспечивает 1024 уровня светового потока каждому пикселю
в каналах первичных цветов. Остальное базируется на физиологической способности зрения усреднять пульсирующие мгновенные
Зеркало
Зеркало
Подвеска
Основание
матрицы
Поворотная
пластина
Рис. 4.45. Микрозеркальный ЧИП
270
ек
а
ГУ
А
П
яркости и цветовые оттенки всех пикселей экранного изображения
(закон Тальбота). Для улучшения волсприятия применяется увеличение частоты коммутации пикселей путем преобразования длинных импульсов включения пикселей в совокупность более коротких
той же суммарной продолжительности в пределах каждого поля.
Микрозеркальные проекторы с одним DMD. Для формирования
цветного изображения в DLP-проекторах с одним DMD используется
способ последовательного формирования пикселей основных цветов
с применением чередующихся светофильтров (рис. 4.46). Сначала на
экране формируются все пиксели красного цвета, затем все пиксели
синего цвета, и наконец – все пиксели зеленого цвета. Частота смены
изображений красного, зеленого и синего цветов составляет 150 Гц,
т. е. так быстро, что человеческий глаз не способен уловить чередование и воспринимает усредненное полноцветное изображение.
Для быстрой смены светофильтров используется вращающийся
диск, разделенный на три цветовых сектора. Свет от мощной лампы освещает этот диск. Пройдя сквозь светофильтр, световой поток
фокусируется через линзу и поступает на матрицу микрозеркального чипа DMD. В зависимости от управления свет отражается либо
в объектив, либо на светопоглотитель.
би
бл
ио
т
Светопоглотитель
Экран
Микрозеркальный
чип
Конденсорные
линзы
Вращающийся
светофильтр
с цветными
секторами
Проекционный
объектив
Конденсорные
линзы
Проекционная
лампа
Рис. 4.46. Проектор с одним DMD
271
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Для увеличения контрастности и насыщенности цветов применяются светофильтры, разделенные не на три сектора, а на четыре.
Четвертый сектор является прозрачным или белым.
Изображения, получаемые с помощью DMD-проекторов, имеют
более высокий контраст, яркость и четкость по сравнению с изображениями, полученными с помощью LCD-проекторов. Это объясняется следующим:
– яркость световых потоков не снижается, поскольку не существует фильтра в виде LCD-матрицы;
– LCD-матрица имеет заведомо бóльшие расстояния между
пикселями, чем между микрозеркалами в микрозеркальном чипе
DMD, а значит, изображение получается более четким.
272
5. УСТРОЙСТВА ОБРАБОТКИ ВИДЕОСИГНАЛОВ
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Одной из проблем создания современных ТВСН является обеспечение отображения состояния объектов, расположенных на больших территориях, и создания оператору условий для принятия
оптимальных решений. Для наблюдения за протяженными объектами или объектами, расположенными на больших территориях,
используются многокамерные ТВСН, в которых каждая камера
следит за определенной зоной. Простая концепция «одна телекамера – один видеомонитор» используется только в небольших ТВСН.
Решением проблемы является использование специальной обработки сигналов от телекамер с целью получения изображения
от них на одном или нескольких мониторах либо последовательно,
либо в мультиэкранном режиме.
В последнее время для отображения объекта наблюдения, размеры которого значительно больше поля зрения телекамеры, применяют панорамирование [29].
С целью увеличения зоны охвата телекамеры в ТВСН используют камеры на поворотных устройствах. Управление поворотным
устройством может осуществляться как вручную, так и автоматически, при этом телекамера сканирует пространство либо просматривает несколько заранее выбранных точек (режим круиз).
Термин «устройство обработки телевизионных сигналов» относится к любому электронному устройству, выполняющему обработку телевизионного сигнала: последовательное переключение
нескольких телекамер на один видеомонитор, мультиплексирование сигналов нескольких камер для просмотра на одном видеомониторе, определение движения, регистрация видеосигнала и др.
5.1. Параллельная система представления изображений
Простейшая ТВСН состоит из одной телекамеры и одного видеомонитора. При наличии в ТВСН нескольких телекамер должна
быть решена задача представления изображения от них оператору.
Идеальным является случай, когда сигналы от неограниченного
числа телекамер поступают к оператору без потери информации.
Для реализации этой концепции используется несколько видеомониторов, каждый из которых воспроизводит изображение от одной
телекамеры, т. е. образуются независимые параллельные каналы
(рис. 5.1). По сути, это не что иное, как несколько параллельно работающих простейших ТВСН.
273
Камера N
ГУ
А
П
Камера 1
ек
а
Рис. 5.1. Концепция «телекамера – видеомонитор»
би
бл
ио
т
Кроме простоты решения такая концепция «телекамера – видеомонитор» имеет ряд достоинств:
– простота реализации;
– отсутствие потери информации;
– высокая надежность системы: выход из строя одного из каналов ТВСН не приводит к потере работоспособности системы в целом;
– упрощенная диагностика неисправности и восстановление работоспособности методом замены.
Кроме недостатка, связанного с использованием большого количества видеомониторов, есть недостатки, связанные с возможностями оператора. К ним следует отнести:
– количество видеомониторов (а значит, и каналов) не должно
существенно превышать 6–8 (для одного оператора), поскольку
увеличение числа видеомониторов приводит к увеличению занимаемой площади и распыляет внимание оператора. Для просмотра
изображений разных зон охраняемого объекта приходится каждый
раз переводить взор с одного видеомонитора на другой. Это приводит в конечном итоге к быстрой утомляемости оператора;
– невозможность осуществления видеозаписи по всем каналам
одновременно с помощью одного видеорегистратора;
– отсутствие привлечения внимания оператора при наличии
сигналов тревоги.
274
Таким образом, в общем случае в ТВСН должна решаться задача
представления информации от нескольких телекамер на видеомониторы, число которых, как правило, существенно меньше числа
телекамер. Эта задача решается в ТВСН с помощью устройств обработки телевизионных сигналов.
П
5.2. Коммутаторы телевизионных сигналов
ГУ
А
5.2.1. Последовательные коммутаторы
телевизионных сигналов
би
бл
ио
т
ек
а
В технической литературе такие устройства называют видеокоммутаторами (switchers). Название устройств определяет принцип работы – коммутация телевизионных сигналов от нескольких
телекамер последовательно с достаточно низкой частотой на один
видеомонитор (рис. 5.2). Данный тип коммутаторов является простейшим и самым экономичным устройством обработки телевизионных сигналов.
Последовательные коммутаторы различаются количеством коммутируемых входов от самых простейших 4-входовых коммутаторов, далее 6, 8, 12, 16 и даже 20-входовых коммутаторов. Следует
заметить, что нецелесообразно использовать большое число входов.
Одним из основных недостатков последовательных коммутаторов является так называемое неконтролируемое время (рис. 5.3).
Неконтролируемое время зависит от числа телекамер на объекте
и может быть весьма существенным. Из свойств зрительного восприятия известно, что минимальное время наблюдения изображения на
Камера 2
Камера N
Последовательный
коммутатор
Камера 1
Рис. 5.2. Структурная схема последовательного коммутатора
275
Камера 1
Камера 1
Неконтролируемое время
Камера 2
Неконтролируемое время
П
Камера 2
Камера N
Камера N
ГУ
А
Неконтролируемое время
Рис. 5.3. Неконтролируемое время последовательного коммутатора
би
бл
ио
т
ек
а
экране видеомонитора для оценки ситуации на объекте должно составлять не менее 3–5 с [2]. Таким образом, если время наблюдения
по каждой из телекамер установлено 5 с, то при последовательном
переключении, например, 12 входов коммутатора неконтролируемое
время составит 55 с, т. е. следующее отображение ситуации в первой
контролируемой зоне произойдет только через 55 с. Как видно из
рис. 5.3, за такой длительный неконтролируемый промежуток времени ситуация на объекте может значительно измениться.
Кроме того, изображения с каждой телекамеры различны как
по содержанию, так и по яркости. Изменение яркости изображений не что иное, как мелькания, и зрительная система оператора
будет находиться в условиях постоянной переадаптации, что приведет к утомлению зрительной системы оператора.
Некоторые типы последовательных коммутаторов имеют опцию
индивидуальной установки времени наблюдения по каждому входу для установки приоритетов наблюдения контролируемых зон, а
также для создания «рваного ритма» переключений, чтобы оператор меньше утомлялся. Последнее утверждение вызывает большие
сомнения.
В отличие от концепции «телекамера – видеомонитор», последовательные коммутаторы могут иметь входы тревог. Это означает,
что при поступлении сигнала «тревога» можно остановить последовательное переключение телекамер и отобразить на экране видеомонитора изображение зоны тревоги. Для привлечения внимания
к появлению тревоги может включаться звуковой сигнал.
При одновременном поступлении нескольких сигналов тревоги тревожные зоны отображаются последовательно в соответствии
с установленным временем отображения.
276
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
В качестве источников сигнала тревоги могут служить различные устройства тревожной сигнализации: инфракрасные (тепловые) датчики, датчики движения и т. д. [93].
Последовательные коммутаторы без входов тревоги имеют только один выход телевизионного сигнала. Последовательные коммутаторы с входами тревоги могут иметь два выхода, один – для вывода изображений в режиме последовательного переключения телевизионных камер, другой – для вывода изображения по сигналу
тревоги от телекамеры, контролирующей тревожную зону. Второй
выход носит название «тревожный», или «spot».
Таким образом, к достоинствам последовательных коммутаторов следует отнести:
– простоту обслуживания,
– отсутствие потери качества изображения,
– возможность использования видеомониторов с малой диагональю.
В качестве недостатков следует отметить:
– наличие неконтролируемого времени,
– утомление оператора,
– невозможность осуществления видеозаписи по всем каналам
одновременно с помощью одного устройства регистрации.
Говоря о последовательном выводе изображений от нескольких
телекамер без потери качества, предполагалось, что все они работают синхронно.
5.2.2. Синхронизация телекамер
Каждая отдельная телекамера, расположенная на охраняемом
объекте, имеет свой собственный генератор синхронизирующих
импульсов. Полученные строчные и кадровые импульсы обратного
хода (гасящие интервалы) и строчные и кадровые синхронизирующие импульсы замешиваются в видеосигнал для получения полного телевизионного сигнала, соответствующего принятому телевизионному стандарту [27, 35]. Однако временное положение синхронизирующих импульсов каждой телекамеры по отношению друг
к другу случайное. Таким образом, полученные полные телевизионные сигналы являются несинхронными, точнее несинфазными.
При подаче несинфазных сигналов через последовательный
коммутатор на видеомонитор, вследствие разного временного положения кадровых синхронизирующих импульсов, изображение
на экране видеомонитора медленно перемещается по вертикали
277
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
(рис. 5.4), что приводит к раздражающему глаз эффекту, который
возникает каждый раз при переключении с одной телекамеры на
другую. Этот эффект становится еще более неприемлем при записи
выходного сигнала коммутатора на видеомагнитофон, поскольку
кадровые синхронизирующие импульсы являются основой для работы систем автоматического регулирования.
Многие телекамеры имеют специальный вход внешней синхронизации. При использовании таких телекамер синхронизация осуществляется от внешнего генератора синхроимпульсов [17]. Такой
принцип синхронизации может быть реализован без специального
генератора синхронизирующих импульсов. Этот способ получил
название по принципу ведущий-ведомый (master-slave). Соединяя
все телекамеры в цепочку, можно получить синхронизированную
систему, где одна телекамера будет ведущей (master), а все остальные – ведомыми (slave). Недостаток метода в том, что все телекамеры должны быть соединены по входам внешней синхронизации дополнительным коаксиальным кабелем, кроме кабеля для передачи
полного телевизионного сигнала, а генератор синхронизирующих
импульсов должен иметь столько же выходов, сколько телекамер
в системе. Это достаточно дорого и требует специального оборудования.
Входы внешней синхронизации могут быть различными в зависимости от используемого сигнала синхронизации. Наиболее распространенными сигналами синхронизации являются:
– строчные синхронизирующие импульсы (ССИ);
– кадровые синхронизирующие импульсы (КСИ);
– импульсы полной синхронизирующей смеси (ССИ и КСИ в одном сигнале).
Рис. 5.4. Изображение при отсутствии
кадровой синхронизации
278
ек
а
ГУ
А
П
Другой способ борьбы со срывом кадровой синхронизации – это
использование телекамер с синхронизацией от сети (line-locked).
Электропитание этих телекамер должно осуществляться от сети
переменного тока. Как было указано ранее, частота полей при чересстрочной развертке выбиралась исходя из свойств зрительного
анализатора (незаметность мельканий) и исходя из минимальной
заметности сетевой помехи. Линейные источники питания при
плохой фильтрации давали сетевую помеху. Чтобы эта помеха была
менее заметна, частота полей бралась равной частоте сети 50 Гц или
стандарту NTSC – 60 Гц. В телекамерах с синхронизацией от сети
специальный блок телекамеры вырабатывает импульс при пересечении нуля синусоидой сетевого напряжения питания и по нему
фазирует кадровую синхронизацию. Таким образом, все телекамеры будут синхронизированы между собой. Некоторая трудность состоит в том, что все телекамеры системы должны быть подключены
к одной фазе источника электропитания.
Этот метод самый дешевый, хотя из-за сильных промышленных
нагрузок, включаемых и выключаемых непредсказуемым образом, может давать некоторую нестабильность фазы.
5.2.3. Матричные коммутаторы
би
бл
ио
т
В больших ТВСН применяются матричные коммутаторы (video
matrix switcher – VMS). Если расположить на схеме телевизионные входы и выходы, как показано на рис. 5.5, то получим матрицу – отсюда и название «матричный». Довольно часто матричные
коммутаторы называют узловыми (cross-point). Узлы (или точки
пересечения) – это электронные переключатели, которые в любой
момент могут подключить любой вход к любому выходу, сохраняя
при этом режим согласования нагрузки. Так, один телевизионный
сигнал может быть подан одновременно более чем на один выход.
Матричные коммутаторы могут состоять из наращиваемых модулей, образуя систему, например, из 512 телевизионных входов и
64 выходов, коммутируемых произвольным образом от нескольких
клавиатур, расположенных на разных диспетчерских пунктах.
Основное преимущество подобных устройств – исключительная
гибкость конфигурации. Другое преимущество матричного коммутатора – размещение его на удаленном объекте и дистанционное управление коммутацией (при этом телевизионные сигналы
с удаленного коммутатора на основной коммутатор передаются по
одному коаксиальному кабелю). Матричные коммутаторы, как и
279
П
большинство устройств обработки, имеют входы тревоги. Для визуального определения, какая телекамера подключена в данный
момент к видеомонитору, имеется встроенный генератор экранных
надписей. Предусмотрен режим работы с компьютером и коммутация звукового сигнала. На рис. 5.6 показан внешний вид передней
и задней панелей одной из моделей коммутатора. Проблема несинхронности телевизионных сигналов здесь не так ощутима, по-
ГУ
А
Камера 1
Камера 2
би
бл
ио
т
Камера 16
ек
а
Камера 3
Видеомониторы
Рис. 5.5. Принцип матричного коммутатора 16 × 4
Рис. 5.6. Общий вид матричного коммутатора 16 × 4
280
5.3. Цифровые устройства
обработки телевизионных сигналов
ГУ
А
5.3.1. Видеомультиплексоры
П
скольку переключения происходят не так часто, и система быстро
входит в синхронизм. Из-за несинхронности пропадает несколько
первых после переключения кадров. Хотя, с позиции инженерной
психологии, это тоже нежелательно.
Мультиплексор 4 в 1
би
бл
ио
т
ек
а
Видеомультиплексоры (videomultiplexer) представляют собой
устройства воспроизведения изображений на экране видеомонитора и записи телевизионных сигналов на видеомагнитофон от нескольких (до 16) телекамер (рис. 5.7).
Видеомультиплексор формирует на выходе мультиплексированный телевизионный сигнал, получаемый переключением сигналов от телекамер с частотой полей. В обычном режиме записи
на каждую дорожку в видеомагнитофоне записывается одно поле
телевизионного изображения (рис. 5.8, а). При записи через мультиплексор на каждую дорожку также записывается одно поле телевизионного изображения, но последовательно от каждой подключенной телекамеры (рис. 58, б). При этом на экран изображения
выводятся не в полном формате, а в соответствии с выбранным форматом мультиплексирования [17].
Рис. 5.7. Структурная схема 4-канального симплексного мультиплексора
с датчиками тревоги и устройством регистрации
281
П
а)
ГУ
А
б)
ек
а
Рис. 5.8. Запись телевизионных сигналов с мультиплексора:
а – от одной камеры; б – от четырех камер
би
бл
ио
т
Понятно, что чем больше входов у видеомультиплексора, тем
больше время между обращениями к каждой телекамере, а значит,
тем сильнее проявляется «строб-эффект». Например, при подключении 16 телекамер время между обращениями к каждой камере
равно 0,3 с, при этом движущееся изображение воспринимается
уже не как слитное, а как дискретное.
На самом деле реальное время коммутации в видеомультиплексорах существенно больше указанного. Причина та же, что и в последовательных коммутаторах: телевизионные сигналы от разных камер
могут приходить несинхронными, поэтому во избежание искажений
в большинстве видеомультиплексоров закладывается пауза в дватри поля (на гарантированное завершение предыдущего поля).
При заданном числе мультиплексируемых телевизионных входов повышение информативности изображений от отдельных телекамер может достигаться только за счет уменьшения информативности оставшихся камер, т. е. перераспределением потоков видеоинформации. Практически для ускорения обновления изображений изменяется порядок коммутации телевизионных сигналов.
Переход на такой режим отображения осуществляется либо по сигналу тревоги от внешнего датчика, либо по сигналу от встроенного
детектора движений. Причем возможны два режима отображения
– приоритетный и эксклюзивный. На рис. 5.9 показана запись для
16-канального мультиплексора [6]:
282
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
– обычный режим отображения: переключение телевизионных
сигналов от камер осуществляется по порядку (рис. 5.9, а);
– приоритетный: переключение телевизионных сигналов происходит не по порядку (рис. 5.9, б);
– эксклюзивный: сразу после срабатывания датчика тревоги
отображаются только изображения от телекамеры этой зоны.
Некоторые модели видеомультиплексоров даже при отсутствии
сигналов от внешних датчиков тревоги позволяют изменять порядок переключения телевизионных сигналов, при этом часть телекамер может быть отнесена к разряду приоритетных и обращение
к ним осуществляется чаще.
Кроме воспроизведения изображений с телекамер в мозаичном
режиме видеомультиплексор может отобразить изображение от
любой телекамеры на полном экране.
Учитывая принцип записи телевизионного сигнала на видеомагнитофон через мультиплексор понятно, что непосредственно
подать сигнал с видеомагнитофона на видеомонитор нельзя. Сначала его надо подать на мультиплексор для декодирования, а с выхода мультиплексора на видеомонитор. При работе в режиме воспроизведения мультиплексор не может работать на запись. Видеомультиплексоры, которые в конкретный момент времени могут
выполнять только одну задачу, называются симплексными. Кроме
симплексных видеомультиплексоров существуют еще дуплексные
и триплексные видеомультиплексоры.
а)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516 1
б)
1 2 3 4 5 6 7 5 8 5 9 5 10 5 11 5 12 5 13 5 14 5 15 5 16 5 1 5 5 2 5 3 5
в)
Тревога в зоне 5
камеры
1 2 3 4 5 6 7 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Тревога в зоне 5
камеры
Рис. 5.9. Режимы записи: а – обычный; б – приоритетный;
в – эксклюзивный
283
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Дуплексные видеомультиплексоры фактически представляют
собой два видеомультиплексора в одном корпусе: один для записи,
другой для воспроизведения. Дуплексные видеомультиплексоры
позволяют одновременно производить запись и воспроизведение,
но при этом требуется два видеомагнитофона: один для записи и
один для воспроизведения.
Триплексные видеомультиплексоры, обладая теми же функциями, что и дуплексные, позволяют воспроизводить на одном видеомониторе комбинацию из наблюдаемых в данный момент и воспроизводимых с видеомагнитофона изображений.
Стандартный ряд видеомультиплексоров имеет 4, 8, 9, 10 и 16
входов. Кроме обычного аналогового выхода на видеомонитор современные мультиплексоры могут иметь цифровой выход. Управление мультиплексоров может осуществляться с удаленного пульта оператора по интерфейсу RS-232 или RS-485.
Видеомультиплексоры могут работать с сигналами как от камер
цветного изображения, так и черно-белого. Основными параметрами, характеризующими мультиплексоры, являются следующие
[6, 17]:
– формат мультиплексированного изображения: например, 2 × 2
(рис. 5.7), 3 × 3, 4 × 4, кадр в кадре, полноэкранное изображение и др.;
– разрешение экрана (720 × 576, 512 × 512);
– запоминание последнего (перед пропаданием) изображения;
– возможность последовательного автоматического переключения (режим, аналогичный работе последовательного коммутатора);
– звуковой сигнал тревоги при пропадании входного телевизионного сигнала;
– выход контактов реле для подключения внешних оповещателей (срабатывание от встроенного детектора движения);
– встроенный текстовый генератор для отображения меню настроек;
– блокировка несанкционированного доступа;
– запрет на вывод изображения на экран от одной из телекамер
(например, для конфиденциальной записи действий охраны).
Чаще всего видеомультиплексоры снабжены сквозным видеопроходом (или видеопетлей), позволяющим организовывать параллельное подключение к телекамере нескольких устройств обработки.
Дополнение мультиплексора встроенной функцией детектора
движений значительно расширяет возможности и круг решаемых
задач. Выбор зоны детектора движения осуществляется с помощью
экранного меню.
284
5.3.2. Видеоквадратор
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Видеоквадратор (чаще называют разделителем экрана) разделяет экран видеомонитора на четыре прямоугольные области и выводит изображение от четырех телекамер, каждое в свою область.
Поскольку такое разделение пространства называют делением на
квадранты, отсюда происходит и название устройства квадратор
(quad). Структура формируемого изображения аналогична представленному на рис. 5.7.
Отличительной особенностью видеоквадратора от мультиплексора формата 2 × 2 является то, что изображения от всех телекамер отображаются на экране видеомонитора одновременно, т. е. нет
характерного для мультиплексора мелькания изображения и дискретности при отображении движущихся объектов.
Для решения этой задачи видеосигнал вначале должен быть
оцифрован, а затем сжат до размера соответствующего квадранта
(отсюда еще одно название прибора – quad compressor).
Видеоквадратор – это прибор с аналоговыми входом и выходом,
выполняющий преобразование изображения между ними в цифровой форме. Такая обработка стала возможной при соответствующем
развитии элементной базы, т. е. когда возможно создать память на
телевизионный кадр. Синхронизация телевизионных сигналов от
нескольких несинхронных телекамер осуществляется преобразованием аналоговых видеосигналов в цифровые коды с промежуточным запоминанием их в буферной памяти на кадр [94]. Причем
запись осуществляется по строчным и кадровым синхронизирующим импульсам каждой телекамеры, а перезапись в буферную
память по синхронизирующим импульсам общего генератора с последующей выборкой этих кодов в заданной последовательности и
с заданной частотой для цифроаналогового преобразования. Таким
образом, в каждом поле сформированного телевизионного сигнала
содержится информация о четырех входных изображениях.
Как и большинство устройств подобного типа, видеоквадраторы
имеют входы тревоги, подключаемые к внешним датчикам тревоги. При установке соответствующей опции получение сигнала тревоги переводит видеоквадратор в режим полноэкранного показа и
на экране видеомонитора отображается изображение с телекамеры
тревожной зоны. Обычно это режим реального времени, т. е. телевизионный сигнал не сжимается, а соответствующее ему изображение просто отображается на экране. Переключение по тревоге
в полноэкранный режим особенно важно в режиме видеозаписи.
285
П
Рис. 5.10. Общий вид видеоквадратора
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
Так же как и в мультиплексорах, режим тревоги может определяться встроенным детектором движения. Выбор зоны определения движения осуществляется с помощью экранного меню в настройках видеоквадратора.
Кроме одновременного отображения четырех изображений разделители экрана позволяют последовательно отображать на видеомониторе полноэкранные изображения от каждой камеры. Режим
задается вручную или автоматически. Это вариант использования
квадратора в режиме последовательного коммутатора.
Для отображения на экране видеомонитора изображения от более чем четырех телекамер с помощью одного видеоквадратора может использоваться так называемый двухстраничный разделитель
экрана (8 телевизионных входов, коммутируемые группами по 4
последовательно). Однако в этом случае появляется неконтролируемое время для телекамер, информация с которых в данный момент не выведена на экран.
Лучшие результаты в этом случае может дать использование
двух видеоквадраторов и двух видеомониторов.
Общий вид видеоквадратора показан на рис. 5.10.
5.3.3. Видеодетекторы движения
Видеодетекторы движения (VMD – video motion detector) –
устройства, анализирующие поступающие на вход видеосигналы и
определяющие наличие изменений в видеосигналах, разделенных
определенным промежутком времени [29]. В случае появления
изменений активируется сигнал тревоги. В названии устройства
очень часто опускают «видео», называя такие устройства просто
детекторами движения.
По алгоритму работы различают режимы обнаружения активности и обнаружения вторжения (движения).
Обнаружение активности (activity) решает задачу определения
изменения распределения освещенности на объекте в пределах
286
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
выбранной зоны (на экране видеомонитора это проявляется в изменении яркости на выбранных участках изображения). При этом
под изменениями освещенности (яркости на изображении) подразумевается не общее изменение, а, например, изменение, вызванное
оставленным темным портфелем у белой колонны. Если эти изменения превышают допустимый порог, то детектор интерпретирует
их как активность.
Общие изменения в освещенности объекта (туча закрыла солнце) или вибрация телекамеры также могут быть истолкованы как
активность (ложная тревога). Данный метод используется в детекторах движения, применяемых в большинстве видеомультиплексоров. Он приемлем для контролируемых зон, где ложное обнаружение не имеет значения и активность не трактуется как результат
вторжения, а перемещение людей здесь является обычным и ожидаемым явлением. По сигналу детектора движения видеозапись и
отображение зоны с активностью происходит с приоритетом.
Режим обнаружения вторжения (intrusion) имеет целью поиск
реального движения в зоне наблюдения и активизацию тревоги
в случае его обнаружения. Данный режим используется для наблюдения за зонами, где не разрешено или не предполагается перемещение людей, когда движение обнаруживается, наиболее вероятно, что оно было вызвано вторжением. Движение может быть
разрешено, но при этом оно должно обязательно фиксироваться.
Здесь очень важно, чтобы детекторы вторжения не реагировали на
изменения освещенности, вибрации телекамер, на случайные отражения света в зоне наблюдения.
Детекторы движения могут быть аналоговыми и цифровыми.
Аналоговые детекторы движения имеют достаточно простые
функции и экономически эффективны. При помощи двух потенциометров позиционирования, расположенных на передней панели
детектора движения, на изображении, полученном от выбранной
телекамеры, позиционируются маленькие метки в виде точек или
крестиков. Число меток обычно не более четырех. Эти метки указывают зоны чувствительности, а уровень видеосигнала определяется электроникой детектора движений. При появлении в отмеченной зоне нового объекта происходит изменение уровня яркости,
что ведет к изменению уровня видеосигнала (становится больше
или меньше). Это интерпретируется как тревога. Чувствительность
определяется величиной допустимого изменения уровня яркости,
вызывающего состояние тревоги (обычно 10 % или более от максимального размаха видеосигнала).
287
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Для повышения секретности работы устройства отображение
меток на экране видеомонитора может быть отключено.
Недостаток аналоговых детекторов движения в трудности создания надежного критерия, по которому детекторы должны выдавать тревогу. Даже небольшое изменение освещенности в помещении, вызванное, например, тенью или облачностью, может дать
ложные срабатывания.
Цифровые детекторы движения позволяют определить изменения в сигнале или обнаружить наличие движения с высокой точностью (малой вероятностью ложной тревоги) за счет того, что:
– осуществляется отстройка от ложных тревог, вызванных облаками, падающей листвой, снегом, качанием видеокамеры и пр.;
– производится селекция контролируемых целей по размеру,
скорости и направлению перемещения.
Основой для определения изменений является анализ межкадровой разности [29, 95]. Поступающий в данный момент времени
с телекамеры кадр детектор сравнивает с предыдущим, который
хранится в его памяти. Результатом сравнения в общем случае является межкадровая разность. Анализ межкадровой разности проводится на основе параметров, которые определяются оператором.
В результате анализа принимается решение о выдаче сигнала тревоги. При этом текущий кадр записывается в память, и детектор
ждет сигнала от следующего кадра и т. д.
В подавляющем большинстве цифровых детекторов формируются одна или несколько зон наблюдения и задаются параметры.
Для удобства пользования установка параметров видеодетекторов
движения осуществляется через экранное меню. Основными параметрами, определяющими работу видеодетекторов движения,
являются: область наблюдения, чувствительность, направление
движения, размер объекта. Кроме этих параметров видеодетектор
движения может иметь дополнительные установки: перспектива,
трассировка пути, режим день/ночь, музейный режим.
Область наблюдения. Имеет два режима – «выбрать все» и « выбор». В первом режиме определение наличия движения осуществляется во всей зоне поля зрения телекамеры. Во втором режиме
оператор сам задает конфигурацию области изображения (соответствующей области зоны контроля), где будет фиксироваться
наличие движущихся объектов наблюдения (рис. 5.11). При этом
следует учитывать, что при попадании в выделенную область, например окна или витрины в магазине, видимое движение на улице
приведет к ложным срабатываниям. Аналогичный эффект возни288
П
ГУ
А
Рис. 5.11. Выбор зон детектора движения
би
бл
ио
т
ек
а
кает в детекторах движения уличного применения, когда ложные
срабатывания могут быть вызваны качающимися деревьями или
травой. Для устранения этого нежелательного эффекта часть экрана, занимаемую окном или витриной, необходимо исключить из
выделенной области, равно как и деревья.
Для удобства выделения при выбранном режиме «детектор движения» изображение на экране разбивается на прямоугольные или
квадратные ячейки. Их количество может быть достаточно большим (на рис. 5.11 27 × 27, итого 629 ячеек, из которых формируется область наблюдения). Выделенные ячейки могут быть отражены
на экране видеомонитора другим цветом или обозначены каким
либо символом. В случае конфиденциальности выделение может не
отображаться на экране.
Чувствительность. Чувствительность – один из основных параметров, позволяющий обнаружить несанкционированное появление в контролируемой зоне от изменения фона. При установке
очень высокой чувствительности ложные срабатывания могут происходить из-за попадания в поле зрения телекамеры, например,
тени от предметов.
При очень низкой чувствительности контраст между нарушителем и задним планом будет меньше установленного порога и
детектор просто не сработает. Для камер наружного наблюдения
особенно важно правильно установить уровень чувствительности,
соответствующий условиям эксплуатации.
289
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Размер объекта. Ложную тревогу могут вызвать мелкие животные, часто находящиеся на охраняемом объекте, или птицы, поэтому детекторы движения имеют такую опцию, как установка размера предполагаемого нарушителя. Задается определенное минимальное число ячеек, которые может занимать объект вторжения,
и только при условии, что объект вторжения занимает число ячеек
больше минимально установленного, выдается сигнал тревоги. Таким образом, если датчик движения запрограммирован на срабатывание при перемещении человека, то он не среагирует на появление кошки, собаки или птицы. Зато на появление в охраняемой
зоне более крупного, чем человек, объекта, например автомобиля,
детектор сработает и выдаст сигнал тревоги.
Направление движения. Часто, например, на автостоянках требуется фиксировать только выезжающие автомобили и не обращать внимания на въезжающие. Может быть и обратная ситуация,
когда интерес представляют въезжающие автомобили, поскольку
совместно с программой определения номера автомобиля можно
организовать приоритетный въезд. Для этих целей необходимо задействовать опцию, если она имеется, определения направления
движения. Видеодетекторы движения различают перемещения
«сверху вниз», «снизу вверх», «справа налево» и «слева направо»,
«по диагонали» (рис. 5.12). Из всех движений выбираются только
те, направление которых совпадает с заданным. К сигнальному выходу детектора может быть подключен видеомагнитофон, тогда по
Рис. 5.12. Выбор направления движения
290
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
сигналу тревоги записываются изображение и номера всех машин,
двигающихся в заданном направлении.
Перспектива. Эффект линейной перспективы приводит к тому,
что небольшой объект на переднем плане может казаться бόльшим,
чем нарушитель на заднем плане [2]. Поэтому при установке размера объекта вторжения и чувствительности следует учитывать, что
и размер изображения объекта на экране, и скорость его перемещения по экрану зависят от расстояния телекамеры до объекта. Чем
дальше объект, тем он кажется меньше и движущимся медленнее.
Для компенсации искажений, вносимых линейной перспективой,
весь экран делится на области с разными параметрами срабатывания. Для областей более глубокого плана задается меньший размер
объекта и более высокая чувствительность.
Трассировка пути. Оператор может включить в детекторе режим трассировки, при этом ячейки, в которых произошло движение, будут помечаться на мониторе белыми точками. Если в области
обнаружения перемещается какой-нибудь объект, то при включенной трассировке за ним будет двигаться белый шлейф, показывающий траекторию движения и привлекающий внимание оператора.
Режим день/ночь. На контролируемом объекте в большинстве
случаев ночью и днем требуется задать разный набор параметров
обнаружения. Поэтому в детекторах движения задаются два переключаемых режима работы: дневной и ночной.
«Музейный» режим. Этот режим (режим активности) очень удобен для применения в музеях, от этого происходит и его название.
В «музейном» режиме на детектор движения не влияет появление
и перемещение новых объектов (например, посетителей), но когда в области контроля изменится положение одного из объектов,
взятых под охрану, детектор среагирует и выдаст тревогу. Зоны наблюдения в «музейном» режиме формируются под размеры картин
и других экспонатов.
5.4. Устройства хранения
Устройства хранения можно классифицировать по следующим
признакам:
– способу хранения информации: магнитоэлектрические, оптические, магнитооптические;
– виду носителя информации: устройства хранения на магнитной ленте, гибких и жестких магнитных дисках, оптических и магнитооптических дисках, твердотельные элементы памяти;
291
ГУ
А
5.4.1. Видеомагнитофоны.
Магнитная запись видеосигнала
П
– типу устройства хранения информации – встраиваемые (внутренние), внешние, автономные, мобильные (носимые) и др.
Большая часть устройств хранения, используемых в настоящее
время, создана на базе магнитных носителей. К устройствам хранения (регистрации) относятся видеомагнитофоны, накопители
на жестких магнитных дисках (НЖМД, HDD – Hard Disk Drive),
устройства оптической записи на CD- или DVD-дисках, твердотельные накопители SSD, серверы.
би
бл
ио
т
ек
а
До недавнего времени практически основным устройством хранения (регистрации) видеосигналов в ТВСН были видеомагнитофоны (VCR – video cassette recorder). В настоящее время все большее
применение находят цифровые устройства видеозаписи (так называемые видеорегистраторы). Однако некоторые фирмы до сих
пор выпускают охранные видеомагнитофоны для использования
в малобюджетных ТВСН. Кроме того, охранные видеомагнитофоны будут продолжать эксплуатироваться в видеосистемах, реализованных в течение последних лет.
Магнитная лента представляет из себя немагнитную основу (чаще
используются полиэтилентелефталатная, поливинилхлоридная и
триацетатная плёнки), которая покрыта тонким рабочим слоем магнитожесткого материала, для которого характерно явление гистерезиса [33, 35, 96], отражающего соотношение между намагниченностью материала и напряженностью приложенного магнитного поля
(рис. 5.13). При увеличении напряженности магнитного поля Н растет и намагниченность материала М до величины Мmax (рис. 5.13,
кривая 1). При уменьшении напряженности магнитного поля H
намагниченность M рабочего слоя магнитной ленты уменьшается
по закону, существенно отличающемуся от закона изменения намагниченности при увеличении напряженности поля (рис. 5.13,
кривая 2). Когда напряженность магнитного поля уменьшается до
нуля, магнитный (рабочий) слой ленты сохраняет некоторую остаточную намагниченность MR. Для размагничивания рабочего слоя
до нуля необходимо приложить магнитное поле противоположного
направления величиной Hs (эта напряженность называется коэрцитивной силой). Обычно значение Hmax в 4–5 раз больше Hs.
В качестве магнитожесткого материала используются порошки
гамма-окиси железа (g-Fe2O3), двуокиси хрома (CrO2) и гамма-оки292
M
2
+MR
–Hmax
1
–Hs 0
+Hs
+Hmax H
ГУ
А
–MR
П
+Mmax
–Mmax
Рис. 5.13. Процесс намагничивания
ферромагнитного материала
би
бл
ио
т
ек
а
си железа, модифицированной кобальтом. Рабочий слой наносится на основу в виде магнитного лака, состоящего из магнитного
порошка, связующего вещества, растворителя, пластификатора и
различных добавок, улучшающих качество магнитной ленты.
Записывающим элементом является магнитная видеоголовка,
создающая магнитное поле при протекании по обмотке электрического тока. В процессе записи рабочий слой магнитной ленты,
перемещаемой мимо записывающей видеоголовки, представляющей собой сердечник из магнитомягкого материала с намотанными на него обмотками, – электромагнит. Сердечник имеет разрыв – рабочий зазор, в котором возникает локальное магнитное
поле, величина которого пропорциональна записываемому сигналу. Это поле пронизывает рабочий слой движущейся магнитной
ленты и намагничивает его, создавая дорожку в виде магнитного
следа – сигналограммы. При воспроизведении магнитная лента
перемещается мимо видеоголовки воспроизведения, преобразующей остаточную намагниченность рабочего слоя магнитной ленты
в электрический сигнал. Чаще всего функции записи и воспроизведения выполняет одна видеоголовка, которая называется универсальной.
Как видно из графика петли гистерезиса, зависимость остаточной намагниченности рабочего слоя магнитной ленты от напряженности приложенного магнитного поля (тока магнитной головки)
является нелинейной. Для борьбы с нелинейными искажениями
в видеозаписи используется частотная модуляция.
293
Длина волны записи, т. е. размер элементарной зоны намагниченности на ленте, определяется выражением
l = v / f,
ГУ
А
П
где v – относительная скорость между магнитной головкой и лентой; f – частота записываемого сигнала.
Эффективный рабочий зазор головки g не должен превышать
половины наименьшей длины волны записи, тогда относительная
скорость между магнитной головкой и лентой определится как
v = 2fmax g,
би
бл
ио
т
ек
а
где fmax – максимальная частота записываемого сигнала.
Для увеличения скорости движения магнитной ленты относительно видеоголовки используется строчная запись вращающимися головками [27, 33, 96]. Ленте придается форма витка винтовой
спирали, внутри которого вращается барабан с видеоголовками (все
вместе носит названия блок вращающихся головок – БВГ). В результате вращения БВГ достигается большая скорость смещения
видеоголовки относительно магнитной ленты, что необходимо для
записи высокочастотного сигнала. Поскольку при движущихся видеоголовках не может быть получена непрерывная дорожка записи, дорожка делится на отрезки, называемые строчками, которые
идут под углом к оси магнитной ленты. Такая запись называется
наклонно-строчной. В результате магнитная лента смещается относительно БВГ медленно, строчки записи заполняют практически
всю площадь ленты.
Наибольшее распространение получили видеомагнитофоны, использующие формат записи VHS (video home system) [27]. В них
применяется магнитная лента шириной 12,65 мм, помещенная
в кассету. Видеосигнал записывается двумя вращающимися видеоголовками, расположенными под углом 180° на диске диаметром
62 мм. Частота вращения БВГ составляет 1500 об/мин. На рис. 5.14
приведен общий вид БВГ с двумя вращающимися головками и схема заправки магнитной ленты.
Каждая видеоголовка записывает одно поле телеизображения,
а угол охвата диска видеоголовок лентой немного превышает 180°.
Это создает перекрытие во времени сигналов, воспроизводимых
видеоголовками, примерно на три телевизионные строки. Видеоголовки коммутируются сигналом датчика оборотов диска с частотой
25 Гц примерно за 5–8 строк до начала полевого синхронизирую294
б)
П
а)
1
ГУ
А
Рис. 5.14. Блок вращающихся головок: а – внешний вид;
б – заправка ленты
Vл
2
Vг
3
4
ек
а
θ
Рис. 5.15. Расположение дорожек записи в формате VHS
би
бл
ио
т
щего импульса. Кроме наклонных строчек записи видеосигнала на
магнитной ленте располагаются продольные магнитные дорожки,
как показано на рис. 5.15. В данном случае продольные магнитные
дорожки 1, 2 служат для записи двух звуковых сигналов, т. е. возможна стереофоническая запись звукового сопровождения. Продольная дорожка 4 используется для записи сигналов управления.
Магнитные строчки записи видеосигнала 3 наклонены по отношению к продольному краю ленты на угол θ, приблизительно равный
5° 58¢. Линейная скорость движения ленты составляет 2,34 см/с.
Видеомагнитофоны с прерывистой записью (TL – time lapse) –
это особая категория видеомагнитофонов, которые были разработаны специально для ТВСН (рис. 5.16).
Отличительными особенностями TL-видеомагнитофонов формата VHS от бытовых видеомагнитофонов являются следующие [17]:
– значительно увеличена продолжительность записи. На стандартную трехчасовую видеокассету. Продолжительность записи
может достигать 960 ч в зависимости от выбранного режима. Это
достигается перемещением магнитной ленты с дискретным шагом (в отличие от бытового видеомагнитофона, где магнитная лен295
П
Рис. 5.16. TL-видеомагнитофон VHS
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
та перемещается непрерывно), в то время как блок видеоголовок
вращается непрерывно. Дискретное перемещение ленты обеспечивается шаговым двигателем. Увеличение дискретности перемещения приводит к увеличению времени между последовательно
записываемыми кадрами. Типичные промежутки времени показаны в табл. 5.1. Следует отметить, что до режима 12-часовой записи
магнитная лента перемещается с постоянной скоростью, и только
начиная с режима «24 часа», она движется дискретно.
Из таблицы следует, что при записи в TL-режиме изменения ситуации на объекте не записываются в режиме реального времени,
поскольку число полей, записываемых каждую секунду с увеличением времени записи уменьшается. Работа в режиме «воспроизведение» напоминает воспроизведение в режиме паузы, когда
изображение стоит на экране определенное время, а потом резко
меняется. В первую очередь это проявляется в отсутствии плавности движения и возникновения, хотя и незначительного, много
меньше, чем в последовательных коммутаторах, неконтролируеТаблица 5.1
PAL
PAL
Время
Время
Время
Число полей
Время
Число полей
записи, ч
записи, ч
в секунду
обновления, с
в секунду
обновления, с
3
12
50,0
12,5
0,02
0,08
168
240
0,89
0,625
1,12
1,6
18
8,33
0,12
360
0,416
2,4
24
6,25
0,16
480
0,3125
3,2
48
3,125
0,32
600
0,25
4,0
72
2,083
0,48
720
0,208
4,8
120
1,25
0,8
960
0,156
6,4
296
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
мого времени. TL-видеомагнитофоны могут записывать и воспроизводить запись в любом режиме независимо от того, в каком режиме она была сделана, в том числе и в режиме реального времени.
В режиме стоп-кадра изображение имеет исключительно высокое
качество. Это достигается применением специального режима автотрекинга (tracking) – системы автоматического регулирования
видеомагнитофона, цель которой поддержание точного следования
видеоголовки по записанной на магнитной ленте дорожке при воспроизведении видеосигнала, что имеет огромное значение в случае
верификации записи.
– отсутствие высокочастотных тюнеров, т. е. прием сигналов
телевизионного вещания невозможен;
– наличие входа внешнего сигнала тревоги, по которому может
происходить быстрое переключение видеомагнитофона из режима
TL в режим реального времени на заранее заданную продолжительность (15; 30 с; 1; 3 мин) или до окончания действия сигнала внешний тревоги. При пропадании сигнала внешней тревоги видеомагнитофон переходит в режим TL;
– возможность программирования на повторную запись. Используется в случае невозможности своевременно заменить кассету, или она заканчивается раньше расчетного времени, что является очень полезным в том случае, если лента вдруг оказалась короче,
чем ожидалось, и рядом не оказалось оператора, чтобы ее заменить;
– увеличено среднее время безотказной работы видеоголовки.
Оно составляет около 10 000 ч, что эквивалентно почти одному году
непрерывной работы в режиме записи/воспроизведения. Выработанный ресурс видеоголовки отражается либо на ртутном индикаторе, либо с помощью электроники в режиме меню;
– имеется возможность выбора записи между сигналами чернобелого изображения и цветного.
TL-видеомагнитофоны, как и бытовые видеомагнитофоны, имеют установку записи по таймеру. Это означает, что они могут быть
запрограммированы на запись в определенное время и в определенные дни.
5.4.2. Накопители на жестких магнитных дисках
В настоящее время накопители на жестких магнитных дисках являются частью цифровых видеорегистраторов. Накопители
на жестких магнитных дисках или, используемое историческое
название винчестер (winchester), содержит набор пластин, пред297
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
ставляющих чаще всего металлические диски, покрытые магнитным материалом – платтером (гамма-феррит-оксид, феррит бария,
окись хрома) и соединенные между собой при помощи шпинделя
(вала, оси). Сами диски, толщиной примерно 2 мм, изготавливаются из алюминия, латуни, керамики или стекла. Количество дисков
зависит от емкости накопителя.
Для записи используются обе поверхности дисков. Шпиндель, а
вместе с ним и диски, вращается с высокой постоянной скоростью
(3600–7200 об/мин). Данные записываются или считываются с помощью головок записи/чтения по одной на каждую поверхность
диска, т. е. количество головок равно количеству рабочих поверхностей всех дисков. Головки закреплены на специальных держателях и могут перемещаться от центра до края диска. Вращение
дисков и радикальное перемещение головок осуществляется с помощью двух электродвигателей. Движение головок в сочетании
с большой скоростью вращения дисков обеспечивает головкам доступ ко всем областям дисков. Управление позиционированием головок осуществляется электроникой накопителя.
Запись информации на диск (рис. 5.17) ведется по строго определенным местам – концентрическим дорожкам (трекам). Дорожки
имеют номера, начиная с нулевой дорожки, расположенной ближе к краю диска. Дорожки, находящиеся на равном расстоянии
от шпинделя на всех сторонах дисков, объединяются в цилиндр.
Дорожка N
Дорожка 0
Ось
шпинделя
Сторона 0
шпинделя
Дорожка 1023
Сектор
(блок)
Диск 2
Диск 1
Дорожки, Головка 2
объединенные
в цилиндр
Головка 1
Рис. 5.17. Структура жесткого диска
298
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Дорожки делятся на секторы, используемые для хранения фиксированного объема данных. В одном секторе 512 байт информации.
Обмен данными между оперативной памятью и НЖМД осуществляется последовательно целым числом (кластером). Специальный
двигатель перемещает головку в радиальном направлении, позиционирует ее для чтения/записи над заданной дорожкой. Очевидно,
что все головки перемещаются одновременно и считывают информацию с одинаковых дорожек разных дисков, т. е. данные организованы цилиндрами. Это позволяет значительно сократить время
доступа к информации.
Поскольку в магнитных носителях информации цифровая запись производится на магниточувствительный материал, то сам
процесс записи/считывания практически не отличается от аналогичных процессов записи/считывания на магнитную ленту видеомагнитофона. Магнитное покрытие имеет толщину в несколько
микрон, доменную структуру микроскопических, однородно намагниченных областей в ферромагнитном материале, отделенных
от соседних областей тонкими переходными слоями (доменными
границами). При записи информации магнитной головкой создается внешнее магнитное поле. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с направлением магнитных силовых линий этого поля.
После прекращения воздействия внешнего поля в области домена
образуются зоны остаточной намагниченности. Благодаря этому
свойству на магнитном носителе сохраняется информация о действовавшем магнитном поле. В процессе считывания информации
зоны остаточной намагниченности, оказавшись напротив головки,
наводят в ней ЭДС. Изменение направления ЭДС в течение некоторого промежутка времени отождествляется с двоичной единицей,
а отсутствие этого изменения – с нулем. Указанный промежуток
времени называется битовым элементом.
Таким образом, поверхность магнитного носителя можно рассматривать как последовательность точечных позиций, каждая из
которых ассоциируется с битом информации. Поскольку расположение этих позиций определяется неточно, для записи требуются
заранее нанесенные метки, которые помогают находить необходимые позиции записи. Для нанесения таких синхронизирующих
меток должно быть произведено разбиение диска на дорожки и секторы, т. е. произведено его форматирование. Обычно эта операция
для НЖМД, встраиваемых в видеорегистраторы, выполняется на
заводе-изготовителе.
299
5.4.3. Твердотельные накопители
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Твердотельный накопитель SSD (solid state drive, или solid
state disk) – энергонезависимое, перезаписываемое запоминающее устройство с использованием флэш-памяти. Преимущество
SSD-дисков по сравнению с традиционными НЖМД проявляется
в высокой механической надёжности вследствие отсутствия движущихся частей, высокой скорости чтения/записи, малом весе,
значительно меньшем энергопотреблении.
Ближайшим устройством, близким по принципу работы, является USB флэш-память (flash memory). По сути SSD – это большая флэш-память (рис. 5.18). Но, в связи со спецификой работы и
для увеличения скорости обмена данными между контроллером и
интерфейсом SATA, в SSD используется микросхема DDR DRAM
(double data rate dynamic random access memory – динамическая память с произвольным доступом и с удвоенной скоростью передачи
данных) кеш-памяти – тип энергозависимой полупроводниковой
памяти с произвольным доступом.
Главной задачей контроллера является обеспечение операций
чтения/записи и управление структурой размещения данных. Основываясь на матрице размещения блоков, в какие ячейки уже
проводилась запись, а в какие еще нет, контроллер должен оптимизировать скорость записи и обеспечить максимально длительный
срок службы SSD-диска.
В SSD, как и в USB Flash, используются три типа памяти NAND
(логическая операция И – НЕ – No AND): SLC (single level cell), MLC
(multi level cell) и TLC (three level cell). Отличие только в том, что
SLC позволяет хранить в каждой ячейке только один бит информации, MLC – два, а TLC – три (использование разных уровней элек-
Рис. 5.18. Плата SSD-накопителя
300
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
трического заряда на плавающем затворе транзистора), что делает
память MLC и TLC более дешёвой относительно ёмкости.
Высокая скорость чтения обеспечивается в различных принципах работы накопителей НЖМД и SSD. Для чтения блока данных
в НЖМД необходимо в первую очередь вычислить его местонахождение, затем переместить блок магнитных головок на нужную дорожку, дождаться, когда нужный сектор окажется под головкой,
и только тогда произвести считывание. Информация может быть
записана в разных областях жесткого диска, в результате НЖМД
вынужден постоянно перемещать головки по всей поверхности диска, а это еще больше увеличивает время доступа. В SSD сразу после
вычисления адреса нужного блока возможен доступ к нему и операция чтения/записи. Скорость доступа определяется быстродействием флэш-памяти, контроллера и внешнего интерфейса.
Проблемы возникают при изменении/стирании данных в SSDнакопителе. Микросхемы NAND флэш-памяти оптимизированы
для секторного выполнения операций, работать с каждой ячейкой отдельно нельзя. Ячейки объединены в страницы объемом по
4 Кбайт, и записать информацию можно, только полностью заняв
страницу, т. е. минимальный размер записываемой информации не
может быть меньше 4 Кбайт. Стирать данные можно по блокам, которые равны 512 Кбайт.
Следовательно, чем больше блоков на SSD содержит полезные
данные, тем чаще приходится прибегать к процедуре чтение →
модификация → очистка → запись, вместо прямой записи. Такая
процедура заметно снижает быстродействие диска по мере его заполнения файлами, поскольку накопителю просто не хватает заранее стёртых блоков. Для уменьшения времени перезаписи в интерфейсе должна быть специальная команда Data Set Management,
более известная как Trim. По этой команде в периоды простоя SSD
самостоятельно осуществляет очистку и дефрагментацию блоков,
отмеченных как удаленные. Контроллер перемещает данные так,
чтобы получить больше предварительно стертых ячеек памяти, освобождая место для последующей записи.
Следует заметить, что в настоящее время из-за высокой стоимости SSD-дисков и небольших объёмов памяти использовать их для
хранения данных нецелесообразно.
5.4.4. Оптическая запись видеосигнала
Идея использовать для видеозаписей технологию записи грампластинок принадлежит фирме Philips.
301
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Подход Philips был почти сразу подхвачен многими фирмами.
Особенно энергично за дело взялась компания Sony. Она впервые
предложила лазерную технологию для записи и воспроизведения видео, эффективную систему сжатия видеоинформации. CD
(compact disk – компакт-диск) – стандартный оптический носитель
также был разработан фирмой Sony.
Лазерный диск представляет из себя многослойную структуру.
Ее основные элементы – прозрачная основа (подложка), информационный или рабочий слой, отражающий слой и непрозрачный
защитный слой (рис. 5.19). В первых дисках в качестве основы
использовали закаленное стекло, в настоящее время используется прозрачная пластмасса (например, поликарбонат). Материалом рабочего слоя сначала служила металлическая пленка, позже
в качестве материала для информационного слоя CD-дисков стали
использовать цианин – органический краситель синего цвета, который отличается повышенной чувствительностью к солнечному
свету. В современном производстве дисков все чаще применяются
металлорганические соединения, например фталоцианины.
При изготовлении диск форматируют, для чего в основе методом
тиснения формируют канавку, свернутую в спираль, и только затем покрывают сначала рабочим слоем, затем наносят защитный
слой. Нанесенная при форматировании канавка служит направляющим элементом при записи и воспроизведении.
Оптическая запись выполняется с помощью импульсов лазера,
который выжигает в рабочем слое диска (поверхность рабочего
слоя называется лэнд (land)) углубления, или питы (pit – канава,
углубление). Цифровая информация представляется в виде нолей
и единиц – нуль может быть представлен на диске как в виде пита,
так и в виде лэнда. Логическая единица представляется в виде пеа)
Поверхностный
слой
б)
1,2 мм
Защитный слой
Отражающий слой
Информационный
слой
Подложка
1,6 мкм
Рис. 5.19. Компакт-диск: а – структура диска; б – дорожка записи
302
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
рехода между ними. При цифровой записи используется позиционный принцип, при котором каждому 8-разрядному кодовому слову
(байту) отводится участок дорожки строго определенной длины.
На этом участке можно записать до восьми питов одинаковой минимальной длины. Отсчитывая тактовые импульсы записи, можно
сопоставить каждый пит соответствующему разряду кодового слова. Размещение дорожек записи на диске и питовая структура записи показаны на рис. 5.19.
Для записи и воспроизведения стандартного CD используются
полупроводниковые гетеролазеры с длиной волны излучения 0,6–
0,65 мкм [97, 98, 99]. Дифракционный предел разрешения оптических дисководов с такими лазерами составляет около 0,33 мкм и
не может быть меньше половины длины волны излучения. В стандартных оптических дисководах геометрические размеры пита и
ширины дорожки примерно в 1,5 раза превышают длину волны
света. Основные параметры формата оптической записи стандартного компакт-диска с информационной емкостью 700 Мбайт (при
8-разрядном кодировании) следующие: ширина пита – 0,8 мкм,
ширина дорожки равна 0,4 мкм, шаг дорожки – 1,6 мкм. В случае
цифровой записи кодовое слово (1 байт = 8 бит) занимает вместе
с межбайтовыми интервалами 12,4 мкм, а средняя длина широтно-модулированного пита – около 1 мкм. Общая длина спиральной
дорожки на компакт-диске – приблизительно 5,6 км.
Дифракционные ограничения не распространяются на глубину
пита, которая определяется толщиной рабочего слоя и обычно составляет около 0,1 мкм. Тонкий рабочий слой особенно важен, если
запись ведется за счет его теплового разрушения при лазерном подогреве и от толщины слоя будут зависеть энергетические затраты.
Но, с другой стороны, рабочий слой должен быть достаточно толстым, чтобы он не повреждался при считывании информации.
Сигналограмма записи на диске размещается на непрерывной
дорожке, свернутой в спираль от центра к краю. Поверхность CDдиска, в соответствии со стандартом ISO 9660, разбита на три области [100]. Область ближе к центру называется входной директорией (lead-in). Именно она считывается первой. Ширина этой области равна 4 мм. На ней записано оглавление диска ТОС (table of
contents), таблица адресов всех записей, а также метка диска и некоторая другая информация. Основная информация, т. е. сама файловая система, записана в средней области диска шириной 33 мм.
И выходная директория (Lead-Out), которая содержит лишь метку
конца диска, образует завершающее, третье кольцо CD-диска.
303
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
Основными элементами CD-привода являются (рис. 5.20): электродвигатель (на рис. не показан), лазерный излучатель, блок оптических линз, фотоэлектрический приемник и электронная схема, выполненная на базе микропроцессора.
Принцип работы состоит в следующем: электродвигатель раскручивает диск, лазерный излучатель посылает световой пучок,
который, проходя через оптическую систему привода, фокусируется на отражающей поверхности диска. При записи он прожигает
рабочую поверхность диска. При воспроизведении лазерный луч,
отражаясь от отражающего слоя диска, проходит через призму, после чего улавливается фотоэлектрическим приемником, который
преобразует его в электрический сигнал.
Принцип записи стирания основан на фазовых переходах между
различными состояниями вещества, которые всегда сопровождаются изменением физических параметров среды.
Луч лазера вызывает кристаллографические изменения в рабочем слое оптического диска. В результате облучения вещество меняет свое состояние с кристаллического на аморфное и наоборот.
Режим записи/стирания показан на рис. 5.21. Короткий лазерный импульс высокой мощности расплавляет материал рабочего
Фотоэлектрический
приемник
Диск
Линзы
Призма
Лазерный
излучатель
Рис. 5.20. Конструкция CD-привода
304
Т, °С
Тпл
б)
Нагрев Охлаждение
t кр
t ост
Т, °С
Нагрев
Тпл
Ткр
Ткр
t
Импульс
лазера
t
ГУ
А
Импульс
лазера
Охлаждение
П
а)
Рис. 5.21. Режим записи/стирания данных: а – аморфное состояние;
б – кристаллическое состояние
би
бл
ио
т
ек
а
слоя (температура нагрева превышает температуру плавления материала, T > Tпл). Затем следует охлаждение ниже температуры
кристаллизации (Tкр).
Результат охлаждения – предотвращение образования центров
кристаллизации. Таким образом, роста кристаллической фазы не
происходит и вещество остается в аморфном состоянии.
Механизм стирания данных иллюстрируется на рис. 5.21, б.
Для стирания надо вернуть вещество в кристаллическое состояние.
С помощью лазера аморфное вещество нагревают до температуры
Т, которая меньше температуры плавления, но больше температуры кристаллизации (Ткр < Т < Тпл). Нагрев (а точнее, отжиг) продолжается в течение времени (tотж), достаточного для восстановления кристаллического состояния вещества. Это время должно быть
больше, чем так называемое время кристаллизации (tкр < tотж).
Первые диски были только с возможностью чтения – CD-ROM
(Read Only Memory). Затем появились диски с возможностью многократной перезаписи CD-RW (ReWritable – перезаписываемые).
DVD-диски. Изначально DVD разрабатывался как альтернатива
морально устаревшим видеокассетам для хранения видеоинформации и поэтому назывался «digital video disc» (цифровой видеодиск). Но носители этого вида отлично подошли и для записи других типов данных. Аббревиатуру DVD при этом начали трактовать
как digital versatile disc – цифровой многоцелевой диск. Но официальной такая расшифровка не является.
Геометрические параметры CD- и DVD-дисков, определенные
международными стандартами, совпадают. DVD использует более
плотную рабочую поверхность. За счет «миниатюрной» структу305
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
ры дорожки и более тонкого красного лазера с длиной волны всего 650 нм DVD способен хранить в несколько раз больше данных,
чем CD.
Перспективы оптической дисковой записи во многом связаны
с достижением максимальной информационной плотности записи
на единицу площади. Один из вариантов – двусторонняя запись.
В сущности, это два диска, склеенные титульными сторонами. Недостаток такого решения – две оптические головки на один диск или,
что хуже, система переворачивания диска, а преимущество – удвоение емкости (9,4 Гбайт). Другое, более приемлемое решение – два
рабочих слоя на одной стороне диска. Разделение записей осуществляется за счет фокусировки: при настройке на один слой другой
окажется расфокусирован и не будет оказывать влияние на считываемую информацию. Емкость такого диска составляет 8,5 Гбайт.
DVD, как и CD, бывают для одноразовой записи или же могут перезаписываться многократно (соответственно обозначаются R и RW).
Следующее поколение формата оптических дисков blu-ray disc,
или сокращённо BD (от англ. blue ray – голубой луч и disc – диск).
Оптический привод BR оснащен сверхтонким синим лазером
с очень короткой длиной волны (405 нм), благодаря чему ширина
дорожки на диске сужена до 0,32 мкм, что вдвое меньше, чем на
DVD. При этом увеличивается не только объем хранимых данных,
но и скорость их считывания. Современные технологии позволяют
записывать на один BD несколько слоев, каждый из которых может содержать 23,3 Гбайт данных. Распространенными являются
диски с количеством слоев до 4. Хотя, уже созданы прототипы емкостью до 500 Гбайт, содержащие 15–20 слоев.
Blu-ray-носители продолжают развиваться и совершенствоваться. Существуют диски для одноразовой и многократной записи. Разработана технология, позволяющая наносить на один диск
слои, предназначенные для записи DVD и blu-ray.
306
6. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМЫ
ОХРАННОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ
ГУ
А
П
Большое значение при создании ТВСН имеет дополнительное
оборудование, которое позволяет смонтировать конкретное оборудование в определенных условиях и обеспечивает его дальнейшее
эффективное функционирование. К дополнительному оборудованию относятся кожухи, кронштейны, поворотные устройства, источники питания, устройства коммутации, монтажные адаптеры,
а также устройства защиты линии связи от грозовых разрядов и
высоковольтных импульсных помех.
6.1. Кожухи для телевизионных камер
би
бл
ио
т
ек
а
Одними из основных аксессуаров для оборудования ТВСН являются кожухи (housing) и кронштейны (brackets) для телекамер.
Большинство телекамер попросту не рассчитаны на установку
без специального приспособления и имеют на корпусе несколько
крепежных отверстий для установки на кронштейн. В зависимости
от места установки для каждой телекамеры индивидуально подбирается кронштейн, рассчитанный на условия окружающей среды,
и место монтажа.
В ситуации, когда возникает необходимость использования
телекамеры в условиях низких температур или в условиях повышенной влажности, на которые она, согласно техническим характеристикам, не рассчитана, наиболее верным решением является
заключения телекамеры в защитный термокожух, который может
являться и кронштейном одновременно.
Кроме основной функции защиты от погодных условий кожухи
защищают телекамеры от пыли, а в ряде случаев – от падающего
с крыш льда и проявлений вандализма, поскольку часто сами камеры являются объектом хищения.
От правильного выбора конструкции термокожуха во многом
зависит получение визуальной информации об объекте наблюдения. Все многообразие кожухов можно разделить на две основные
группы: гермокожухи и термокожухи. Принципиальное отличие
этих двух типов друг от друга заключается в том, что термокожухи
оснащаются системами обогрева, позволяющими им обеспечить работоспособность телекамер в условиях низких температур, а гермокожухи имеют высокий уровень влаго- и пылезащищенности. Об307
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
ласть применения термокожухов гораздо более широкая, поскольку они объединяют в себе обе функции.
Параметром, характеризующим влаго- и пылезащищенность
можно считать класс защиты от неблагоприятных воздействий
окружающей среды по IP (Ingress Protection Rating — система
классификации степеней защиты оболочки электрооборудования
от проникновения твёрдых предметов и воды в соответствии с международным стандартом IEC 60529). Согласно этой классификации
чем выше этот показатель, тем более высоким качеством обладает
гермокожух и тем шире область его примнения. Однако в соответствии с шестым разделом ГОСТ 14254-96 [101] оболочки изделий
с кодами IP-67 и IP-68 имеют ограниченное использование и «непригодны для выдерживания воздействий струй воды». На улице
такие изделия могут вести себя хуже, чем оборудование с кодами
IP-66 и даже IP-65. Оптимальным для условий наружного видеонаблюдения является значение IP-66, что, в соответствии с ГОСТ
14254-96, означает полную защиту от пыли и сильных водяных
струй с любых направлений.
Главная задача термокожуха – поддержание работоспособности
видеокамеры в условиях низких температур. Она может быть реализована следующими способами:
– обогрев монтажной пластины термокожуха, на которую устанавливается камера;
– использование нагревателя резисторного типа, расположенного вблизи смотрового стекла;
– распределение мощности нагревателя вблизи смотрового стекла;
– непосредственный обогрев стекла по периметру;
– прямой обогрев корпуса камеры.
Возможны и комбинации перечисленных способов поддержания температуры внутреннего объема термокожуха, необходимой
для функционирования камеры.
Огромное значение имеет тип, мощность и расположение нагревателей внутри термокожуха. В «классической» схеме обогрева линейный нагреватель или нагреватель со слабовыраженной положительной температурной зависимостью использует для отвода тепла
металлическую пластину. Недостаток этого решения заключается
в том, что монтажная пластина механически соединена с внешними элементами корпуса термокожуха, в результате чего значительная часть тепла уходит в окружающую среду.
Другой принцип непосредственного обогрева корпуса телекамеры заключается в использовании нагревателя малой мощности для
308
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
локального обогрева. В этом случае блок нагревателей крепится
к изолированному от металлических частей термокожуха корпусу
камеры. Использование этого принципа обеспечивает работу телекамеры в условиях низких температур окружающей среды и при
незначительном потреблении электроэнергии.
Другое воздействие низких температур – выпадение конденсата
на смотровом стекле. Одним из традиционных способов является
пакетик силикагеля, более эффективные пути борьбы с запотеванием – распределение мощности нагревателя вблизи смотрового
стекла или непосредственный обогрев стекла по периметру. Также
возможно использование вентилятора, обеспечивающего движение воздуха в замкнутом пространстве термокожуха. Использование вентилятора для борьбы с запотеванием возможно, если корпус
телекамеры занимает незначительную часть поперечного сечения
полезного объема. В противном случае его применение не является
оправданным.
На рис. 6.1 показан общий вид телекамеры в термокожухе и ее
размещение внутри кожуха.
Термокожухи, как правило, поставляются с защитным выдвижным козырьком, который позволяет исключить прямую засветку
объектива солнечными лучами. Кроме того, в теплое время года козырек предохраняет телекамеру от перегрева.
Очень важной характеристикой термокожуха является наличие
встроенного источника питания для телекамеры. В соответствии
с принципами построения ТВСН телекамера должна быть запитана от стабилизированного источника с гальванической развязкой.
Такой источник может быть встроен в саму камеру (например, с напряжением питания ~220 В) или должен находиться внутри тер-
Рис. 6.1. Телекамера в термокожухе
309
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
мокожуха. Помимо стабилизированного напряжения питания для
телекамеры, источник питания с гальванической развязкой обеспечивает отсутствие электрической связи между заземляющим
проводом (или «минусовым» проводом кабеля питания напряжением постоянного тока) и экраном линии связи, а также защиту
телекамеры от повреждения высоковольтными импульсными помехами по линии питания. Для защиты телекамеры со стороны линии связи используются специальные устройства, которые называют устройствами «грозозащиты».
Покрытие термокожуха должно быть стойким к внешним воздействиям и иметь привлекательный вид. В качестве материала для
термокожуха может использоваться пластмасса, гарантирующая
устойчивость к отрицательным температурам и малое старение материала. Более дешевые полимеры (например, поликарбонат) при
низких температурах имеют недостаточную механическую прочность. Термокожухи из пластмассы не обеспечивают защиту от
электромагнитных помех и хуже отводят тепло, что в летних условиях может привести к перегреву телекамеры. Лучшим материалом для изготовления термокожухов в настоящее время являются
алюминиевые сплавы. Термокожухи из алюминиевых сплавов обеспечивают высокую стойкость к механическим воздействиям в широком диапазоне температур, защиту встраиваемого оборудования
от электромагнитных помех, а в сочетании с порошковым покрытием – и высокую коррозийную стойкость.
Существуют специальные виды кожухов, предназначенных для
работы в экстремальных условиях:
– гермокожухи для работы в химически активных средах;
– термокожухи с жидкостным охлаждением для работы при высоких температурах;
– взрывобезопасные термокожухи.
6.2. Кронштейны
Кронштейны служат для крепления камер и видеомониторов
к стенам, панелям и другим несущим конструкциям и позволяют
точно ориентировать поле зрения камеры в нужном направлении.
Различают кронштейны для горизонтальной поверхности, для
вертикальной поверхности, телескопические и т. п. Исполнение
кронштейнов определяется, главным образом, эстетическими требованиями и нагрузкой. По нагрузочной способности кронштейны
310
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
можно разделить на два основных типа: кронштейны для телекамер и кронштейны для кожухов.
Кронштейны для телекамер (как и сами камеры, установленные в помещении) зачастую находятся в поле зрения посетителей.
Они оказывают влияние на интерьер помещений, поэтому главное
требование к ним – это привлекательный дизайн. Для выбора положения телекамеры в пространстве в кронштейне имеется шарнир,
фиксируемый стопорным винтом или цанговым зажимом.
Существенной механической нагрузки подобные кронштейны
не несут (масса телекамер составляет десятки или сотни граммов),
они изготавливаются из металла или армированной пластмассы.
Некоторые миниатюрные телекамеры поставляются с собственным кронштейном.
Кронштейны для термокожухов, как правило, служат для установки их вне помещений, поэтому наряду с повышенной нагрузочной способностью (от 20 до 40 кг) они должны иметь хорошее покрытие, стойкое к воздействию перепадов температур, влажности и
пр. Немаловажным является и материал, используемый для кронштейнов: стальные кронштейны более прочные, чем силуминовые,
которые могут раскалываться при механическом воздействии. Для
предотвращения коррозии стальные кронштейны должны иметь
качественное покрытие.
Дополнительным преимуществом некоторых кронштейнов является их специальное антивандальное крепление, например, за
счет использования болтов с головкой под специальный ключ. Пустотелые кронштейны позволяют прокладывать кабели внутри них
непосредственно в пространство термокожуха, что, кроме антиван-
Рис. 6.2. Кронштейны телекамер и видеомониторов
311
ГУ
А
6.3. Поворотные устройства
П
дальной защиты, защищает кабели от неблагоприятных атмосферных воздействий.
Кроме крепления на стену (с помощью специального фланца
с отверстиями) иногда бывает необходимо осуществить крепление
кронштейна на потолок – для этого существуют специальные кронштейны. Различные типы кронштейнов представлены на рис. 6.2.
би
бл
ио
т
ек
а
При неподвижном (фиксированном) положении телекамеры
осуществляется контроль за определенным участком территории.
В ТВСН часто требуется наблюдение (видеорегистрация) в нескольких точках пространства. Сканирование охраняемого пространства может осуществляться путем коммутации фиксировано установленных телекамер, а также изменением их положения
в пространстве. Как правило, изменение положения телекамер осуществляется путем их поворота в горизонтальной и вертикальной
плоскостях.
Таким образом, поворотные устройства служат для изменения
положения телекамер в пространстве. Поворотное устройство состоит из исполнительного механизма поворотного устройства и
устройства управления.
Поворотные устройства могут быть выполнены для эксплуатации как внутри, так и вне помещений. В первом случае их используют только для изменения положения телекамеры, поэтому они
не очень мощные. Во втором случае они управляют ориентацией
камеры, установленной в термокожух, поэтому являются достаточно мощными (способны нести нагрузку до 40 кг).
Поворотные устройства могут быть как с боковым расположением (рис. 6.3, а, б) телекамеры (в этом случае углы поворота в обеих плоскостях около 360°), так и с верхним размещением (рис.
6.3, в, г, при этом в горизонтальной плоскости угол поворота равен
а)
б)
в)
г)
Рис. 6.3. Поворотные устройства
312
д)
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
около 360°, в вертикальной около 60° и даже меньше). Поворотное
устройство (рис. 6.3, д) обеспечивает поворот в горизонтальной
плоскости почти 360 и 180° в вертикальной плоскости. Существуют также поворотные устройства (scanners), обеспечивающие поворот только по горизонтали.
Поворотные устройства могут быть выполнены во взрывобезопасном исполнении, для работы в агрессивных средах, при пониженной температуре (с дополнительным подогревом).
Простейшим устройством для управления поворотным устройством является пульт управления, который вырабатывает напряжения управления двигателями поворотного устройства (например, 220, 24, 12 В в зависимости от модификации). За счет соответствующей установки концевых датчиков поворотного устройства
устанавливаются предельные положения поворотной платформы,
что позволяет исключить повреждение конструкции в реальных
условиях эксплуатации. Кроме того, можно реализовать режим
автоматического сканирования телекамеры по горизонтали в пределах задаваемого сектора наблюдения. Как правило, подобный
пульт позволяет осуществлять и ручное управление варио-объективом телекамеры (рис. 6.4) – приближение-удаление (zoom), фокусировку изображения, управление диафрагмой. Максимальное
расстояние между пультом управления и поворотным устройством
определяется потерями в соединительных проводах и, как правило, не превышает сотни метров.
Более сложная и современная – скоростная поворотная видеокамера в светопропускающем кожухе в виде купола или шара (см.
рис. 6.3, д). Это логически законченный блок, который состоит из
следующих частей: кожух, легкая бескорпусная телекамера, объектив, поворотное устройство, процессор управления режимами,
коммутационный модуль и блок питания. Примером таких камер
являются поворотные PTZ-камеры (pan/tilt/zoom), которые позволяют осуществлять визуальное патрулирование области виде-
Рис. 6.4. Пульт управления и клавиатура
313
ГУ
А
П
онаблюдения. Оператор по нескольким точкам намечает путь, по
которому будет проходить обзор с возможностью приближения и
удаления изображения объекта. Процесс может быть автоматизированным, когда необходимо осуществить наблюдение по заданному алгоритму. Управление PTZ-камерой осуществляется клавиатурой (рис. 6.4). Такая клавиатура может управлять до 255 телекамер, каждая из которых имеет свой идентификационный номер.
В клавиатуре предусмотрены режимы ручной и автоматической регулировки фокусировки, трансфокации, изменения обзора в двух
плоскостях. Кроме указанных функций с такой клавиатуры можно
управлять режимами работы цифрового регистратора.
6.4. Инфракрасная подсветка
би
бл
ио
т
ек
а
Искусство освещения очень высоко ценится на съемочных площадках киностудий, в телевизионных студиях, театральных сценах. Подсветка объекта в пределах кадра должна быть равномерной,
в противном случае будут плохо проработаны малоконтрастные детали изображения объекта. Особенно опасно это в ночных условиях,
когда в поле зрения телекамеры могут попасть неосвещенные участки
объекта. Это обстоятельство приведет к тому, что значительная часть
динамического диапазона по контрасту будет «съедена» неинформативным перепадом между освещенным и неосвещенным участками
изображения на видеомониторе, при этом малоконтрастные детали
на упомянутых участках будут практически неразличимы. В связи с этим устройства ИК-подсветки стали неотъемлемой
частью современных ТВСН [102]. В условиях малой освещенности
объекта наблюдения, в частности в ночное время, можно использовать черно-белые телекамеры совместно с ИК-подсветкой. Дело
в том, что черно-белые ПЗС-матрицы обладают очень высокой
чувствительностью в инфракрасной области спектра. Кроме того,
в последнее время все более актуальным становится использование систем скрытого телевизионного наблюдения за охраняемыми
объектами. Традиционные светодиоды, расположенные в один ряд
вокруг телекамеры — это конструктивное решение стало началом
существующего сейчас серийного ряда (рис. 6.5, а, б). Применение ИК-подсветки, как и любых других высокотехнологичных
устройств, требует знания целого ряда деталей и тонкостей.
Угол подсветки того или иного устройства должен соответствовать углу обзора телекамеры, причем при выборе подсветки лучше
314
а)
б)
в)
П
Рис. 6.5. Камеры с ИК-подсветкой и ИК-прожектор
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
выбирать угол подсвета немного меньше угла обзора камеры. Эта
рекомендация основана на том, что обычно на видеомониторе часть
изображения выходит за пределы видимой части экрана. Следует
учитывать, что устройство ИК-подсветки при одинаковой мощности излучения, но с более узким углом, светит дальше. Применяя
ИК-осветители, достаточно сложно определить необходимую мощность подсветки для создания требуемой освещенности на объекте
наблюдения. Производитель, как правило, нормирует потребляемую мощность, дальность подсветки и диаграмму направленности
ИК-осветителя. При этом приводимая дальность подсветки предполагает одновременное указание чувствительности телекамеры,
разрешения и отношения сигнал/шум получаемого при этом изображения. Отсутствие данных о мощности излучения не позволяет
определить плотность мощности на объекте, а прямое измерение
мощности ИК-излучения затруднительно ввиду малой доступности
измерителей оптической мощности.
Использование защитных кожухов для телекамер влияет на количество инфракрасного света, попадающего на ПЗС-матрицу, изза различных качеств смотрового стекла кожуха.
Другой тип ИК-подсветки – применение ИК-прожекторов
(рис. 6.5, в). ИК-прожекторы различаются по типу излучающего
элемента. Они могут быть ламповые и на основе светоизлучающих
диодов. Ламповые также делятся на две категории: с лампами, излучающими непосредственно инфракрасный свет, и с обычными
лампами, но с применением специальных фильтров, пропускающих только инфракрасный свет не ниже заданной длины волны.
При использовании всех ламповых прожекторов надо помнить,
что они опасны для сетчатки глаза, так как мощность ламповых прожекторов очень высока. Глаз человека нечувствителен к инфракрасному излучению, поэтому не срабатывает защитный механизм глаза,
прикрывающий веки при наблюдении яркого света, а воздействие
ИК-излучения вредно из-за поглощения в жидких средах глаза.
315
ГУ
А
П
В современных ИК-осветителях используются светодиоды
с длиной волны генерации 870–880 и 940–950 нм. Учитывая характеристику спектральной чувствительности типовых ПЗС-матриц
(см. рис. 2.88), наиболее эффективно использовать излучатели
с минимальной длиной волны. В этом случае снижение эквивалентной чувствительности телекамеры минимально, что позволяет
увеличить дальность подсветки. Однако отчетливое свечение светоизлучающих диодов светло-красного цвета может свести на нет все
меры по скрытости наблюдения. Смещение линии генерации в область 940–950 нм приводит к снижению интенсивности видимого
свечения излучателей с одновременным смещением цвета свечения
к темно-вишневому.
6.5. Устройства грозозащиты
би
бл
ио
т
ек
а
Одним из элементов, обеспечивающим безопасность системы
видеонаблюдения, являются устройства грозозащиты. Задача данных устройств защитить видеокамеру, блок питания, компьютервидеосервер или видеорегистратор от электромагнитных импульсов, перенапряжения, которое может возникнуть в цепях питания,
линиях связи вследствие неисправности оборудования либо последствий, вызванных ударом молнии. Надо сразу оговориться, что
от прямого попадания молнии в линию или аппаратуру никакое защитное устройство не спасет.
Само понятие грозозащиты не может быть сведено до уровня
какого-то отдельного устройства, а являет собой сложный комплекс технических мероприятий, включающий грамотную прокладку линий связи, многоступенчатую установку аппаратуры
защиты, устройство громоотводов, специальное экранирование,
корректное защитное и сигнальное заземления, необходимую гальваническую развязку устройств в линии и т. п. Эти вопросы регламентированы в ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010. Защита от молний. Ч. 1.
Общие принципы [103]. Здесь ограничимся рассмотрением только
устройств защиты линий связи и подключенных к ним устройств
от наведенных опасных напряжений (рис. 6.6).
Основными источниками опасных напряжений могут являться:
– высоковольтные линии передачи, расположенные параллельно линиям связи;
– контактные сети электрифицированных железных дорог;
– сети городского электротранспорта;
316
а)
б)
П
Рис. 6.6. Устройства грозозащиты: а – для защиты линии
и цепей питания; б – для защиты только линии
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
– электросварочные установки;
– близко расположенные радиотехнические передающие, локационные и другие установки;
– атмосферные (грозовые) разряды.
Не вдаваясь в подробности внутренней схемотехники, можно сказать, что принцип работы всех устройств одинаков. При появлении
опасного напряжения в проводной линии (как информационной,
так и силовой) эти устройства понижают наведенное напряжение до
уровня, допустимого для аппаратуры линии, тем самым снижая вероятность выгорания устройств, подключенных к этой линии. При
этом передача основного сигнала не прекращается, т. е. для полезного сигнала система защиты должна как бы отсутствовать.
317
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
За последние несколько лет было издано много книг, посвященных телевизионным системам наблюдения и системам охранного
телевидения [4, 6, 17, 21 и др.]. В этих книгах основной упор сделан
на описание устройств, используемых в ТВСН, и очень мало внимания уделено физическим принципам работы этих устройств. Однако практика применения телевизионной аппаратуры для решения
конкретных задач требует знания принципов работы, тем более что
современные ТВСН – динамично развивающееся научно-техническое направление. Развитие ТВСН диктуется, с одной стороны, расширением областей их применения, с другой – обогащением технических возможностей благодаря внедрению микропроцессорной
техники и компьютерной обработки, совершенствованию технологии производства радиоэлектронной аппаратуры, освоения новых
принципов преобразования электрического сигнала в оптическое
изображение. Можно с уверенностью сказать, что без ТВСН не обходится практически ни одна система охраны, начиная от маленького офиса до всемирно известного музея или промышленного комплекса. Многие из предлагаемых в настоящее время средств СОТ
и программных продуктов обладают высокой универсальностью,
возможностью программирования различных характеристик и параметров, сервисными функциями, имеют многочисленные дополнительные характеристики и возможности.
Цифровые методы обработки сигналов изображения, фотоэлектрические преобразователи на ПЗС-матрицах, устройства кадровой
памяти, статистические методы кодирования и передачи сигналов
изображения открывают широкие возможности для создания быстродействующих комплексов анализа и обработки изображений
для построения систем наблюдения и контроля. В связи с этим
можно предположить, что перспектива развития СОТ наряду с совершенствованием качественных и функциональных характеристик предполагает построение новых, существенно более простых
в использовании устройств и программных продуктов, имеющих
понятный для пользователя интерфейс.
К таким новым устройствам можно отнести системы тепловидения – одни из самых перспективных наукоемких технологий
XXI в. Наряду с видеонаблюдением тепловизионное наблюдение
также является бесконтактным методом и в перспективе будет
иметь более широкое распространение, чем предыдущее поколение, ориентированное на видимый диапазон. Тепловидение пред318
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
ставляет собой способ измерения и визуализации теплового, инфракрасного излучения, испускаемого всеми нагретыми телами.
Человеческое тело, являясь источником теплового излучения, имеет неоднородное поверхностное распределение температуры, которое видоизменяется при наличии патологий (вирусных инфекций),
что позволяет наряду с идентификацией человека определить состояние его здоровья и тем самым предотвратить распространение
вирусных заболеваний.
Объединение беспроводных телекамер (IP-камер) с технологией
беспроводной локальной сети (wireless local area networks – WLAN)
позволяет вести наблюдение за объектом из любой точки, где есть
Internet.
Приведенные здесь примеры лишь иллюстрируют практически
безграничные перспективы развития ТВСН и расширение сферы
их применения, показывают, что роль ТВСН в охранных системах
постоянно возрастает.
319
Библиографический список
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
1. ГОСТ Р 51588-2000. Системы охранные телевизионные. Общие технические требования и методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 2000.
2. Шиффман Х. К. Ощущение и восприятие. Сер. Мастера психологии. СПб.: Питер, 2003. 928 с.
3. ГОСТ 21879-88. Телевизионное вещание. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1990.
4. Волхонский В. В.Телевизионные системы наблюдения: учеб.
пособие. СПб.: Экополис и культура, 2005. 167 с.
5. Новскова Е. Г., Петракова А. В., Рабовский С. В. Бизнес, безопасность, телекоммуникации: терминологический словарь. М.:
Радио и связь, 2001. 304 с.
6. Гедзберг Ю. М. Охранное телевидение. М.: Горячая линия –
Телеком, 2005. 312 с.
7. Тиморева А. В., Фриш С. Э. Курс общей физики. Т. III: Оптика,
атомная физика. Л.: Физматгиз, 1982. 644 с.
8. Элементарный учебник физики. Т. III: Колебания, волны, оптика, строение атома / под ред. акад. Г. С. Ландсберга, М.: Наука,
1964. 532 с.
9. Красильников Н. Н. Цифровая обработка изображений. М.:
Вуз. книга, 2001. 319 с.
10. Бабенко В. С. Оптика телевизионных устройств. М.: Радио и
связь, 1982. 256 с.
11. Прядко А. Светотехнические материалы // Информационнотехнический журнал 625. 2005. № 2. С. 91–93.
12. Борн М., Вольф Э. Основы оптики / пер. с англ. под ред.
Г. П. Мотулевич. М.: Наука, 1973. 720 с.
13. ГОСТ 23136-93. Материалы Оптические – Параметры. М.:
Изд-во стандартов, 1994.
14. ГОСТ 3514-94. Стекло Оптическое Бесцветное – Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1997.
15. Чирков Л. Оптика. Линзы и объективы // Информационнотехнический журнал 625. 2003. № 4. С. 86–91.
16. http://software.canon-europe.com/files/documents/ EF_Lens_
Work_Book_10_RU.pdf. Оптическая терминология. 2006 (сентябрь).
17. Дамьяновски В. CCTV. Библия охранного телевидения: пер.
с англ. М.: Ай-Эс-Эс Пресс, 2003. 344 с.
18. Яштолд-Говорко В. А. Фотосъёмка и обработка. Съёмка,
формулы, термины, рецепты. М.: Искусство, 1977. 455 с.
320
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
19. ГОСТ 20829-81. Объективы. Методы измерения диаметра
входного зрачка. М.: Изд-во стандартов, 1982.
20. ГОСТ 21815.18-90. Преобразователи электронно-оптические. Метод измерения пространственной частотно-контрастной
характеристики. М.: Изд-во стандартов, 1991.
21. Гонта А. Практическое пособие по CCTV. М.: Пресс, 2006.
480 с.
22. ГОСТ 26320-84. Оборудование телевизионное студийное и
внестудийное. Методы субъективной оценки качества цветных телевизионных изображений. М.: Изд-во стандартов, 1984.
23. ГОСТ 14872-82. Таблицы испытательные оптические телевизионные. Типы, размеры и технические требования. М.: Изд-во
стандартов, 1984.
24. ГОСТ 25205-82. Фотоаппараты и съемочные фотографические объективы. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов,
1983.
25. Никитин В. В., Цыцулин А. К. Телевидение в системах физической защиты: учеб. пособие. СПб.: ЛЭТИ, 2001. 134 с.
26. Гонта А. С. Глубина резкости в системах охранного телевидения //Алгоритм Безопасности. 2005. № 1.
27. Телевидение: учеб. для вузов / под ред. В. Е. Джаконии. М.:
Радио и связь, 2007. 640 с.
28. Бессмельцева О., Косарский Ю. Формат кадра и восприятие телевизионного изображения // Информационно-технический
журнал 625. 2004. № 4. С. 90–97.
29. Обработка изображений в прикладных телевизионных системах: моногр. / под ред. проф. Б. С. Тимофеева. СПб.: ГУАП,
2012. 272 с.
30. Савоскин В., Чирков Л. Телевизионная оптика // Информационно-технический журнал 625. 1998. № 10. С. 5–34.
31. Черно-белая камера высокого разрешения STS-1000/0. Руководство по эксплуатации. URL: http://www.smartec-cctv.ru
32. Березенцева Л. Савоскин В. Новый метод фокусировки объективов ТВЧ // Информационно-технический журнал 625. 2005.
№ 8. С. 76–81.
33. Как выбрать видеокамеру? / И. В. Шишигин, М. Г. Шульман, О. В. Колесниченко, С. А. Золотарев. СПб.: Лань, 1996. 512 с.
34. Пэдхем Ч. Сондерс Дж. Восприятие света и цвета / пер. с
англ. Р. Л. Бирновой, М. А. Островского. М.: Мир, 1978. 256 с.
35. Быков Р. Е. Основы телевидения и видеотехники: учеб. М.:
Горячая Линия-Телеком, 2006. 402 с.
321
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
36. Чирков Л. Матрицы CCD – еще одна революция в телевидении // Информационно-технический журнал 625. 1995. № 6.
С. 34–37.
37. Физико-оптические приборы для телевидения и компьютеров: фотопреобразователи и источники света // Информационнотехнический журнал 625. 2004. № 2. С. 76–85.
38. Куликов А. Н. Телевизионное наблюдение при ярком солнечном свете // Специальная техника. 2001. № 1. С. 11–20.
39. Петропавловский Ю. Особенности применения ПЗС-матриц
с межстрочным переносом // Компоненты и технология. 2009. № 5.
С. 17–24.
40. Рекомендации Р 78.36.002-99. Выбор и применение телевизионных систем видеоконтроля. М., 1999.
41. Бочаров Б. Г., Потемкин А. В. Объективный контроль качества изображений объектов наблюдения в охранных телевизионных системах // Грани безопасности. 2005. № 4 (34). С. 24–26.
42. Устройство для оценки и сравнения характеристик элементов оптических, фото- и телевизионных систем. Патент РФ
№ 54216 (2006.06.10).
43. Беляев В. Способы и средства передачи телевизионного сигнала в системах видеонаблюдения // Алгоритм безопасности. 2005.
№ 4. С.
44. Гроднев И. И., Верник С. М. Линии связи: учеб. для вузов.
М.: Радио и связь, 1988. 544 с.
45. ГОСТ 11326.0-78. Кабели радиочастотные. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 2003.
46. Долгов О. Критерий выбора видеокабеля // Информационнотехнический журнал 625. 2004. № 7. С. 82–89.
47. ГОСТ Р 53245-2008. Информационные технологии. Системы
кабельные структурированные. М.: Изд-во стандартов, 2008.
48. Чирков Л. Волоконная оптика // Информационно-технический журнал 625. 2001. № 3. С. 88–93.
49. Никонов Н. В., Сидоров А. И. Материалы и технологии волоконной оптики: специальные оптические волокна: учеб. пособие.
СПб.: СПбГУИТМО, 2009. 130 с.
50. ГОСТ Р МЭК 793-1. Оптические волокна. Общие технические требования. М.: Изд-во стандартов, 1994.
51. Смирнов В. М. Устройства отображения информации: учеб.
пособие. СПб.: ГУАП, 2007. 91 с.
52. Давиденко Ю. Высокоэффективные современные светодиоды // Современная электроника. 2004. № 10. С. 36–43.
322
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
53. Miller M. et al (2000). Large-area high-power VCSEL //
Proc. IEEE 17th International Semiconductor Laser Conference.
P. 63–64.
54. The VCSEL Advantage Increased Power, Efficiency Bring New
Applications L. Arthur D’Asaro, Jean-Francois Saurian and James
D. Wynn, Princeton Optronics, Inc.
55. ГОСТ Р МЭК 794-1. Оптические кабели. Общие технические
условия. М.: Изд-во стандартов, 1994.
56. Разъемы и соединения оптоволокна для домашней сети.
URL: http//www. AVER.RU
57. Конгдон Х. Технологии оконцевания оптоволокна // Сети и
системы связи. 2004. № 7.
58. IEEE Standard for Information technology – Telecommunications and information exchange between systems. Local and metropolitan area networks. Specific requirements. P. 11: Wireless LAN
Medium Access Control and Physical Layer (PHY) Specifications.
59. Постановление Правительства РФ от 12 октября 2004 г.
№ 539 «О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств». М., 2004.
60. Постановление Правительства РФ от 13 октября 2011 г.
№ 837 «О внесении изменений в Постановление Правительства
Российской Федерации от 12 октября 2004 г. № 539». М., 2011.
61. Ивин Л., Чирков Л. Устройства отображения для телевизионного производства // Информационно-технический журнал 625.
2002. № 9. С. 5–43.
62. Райзен Ю. П. Физика газового разряда. М.: Интеллект, 2009.
736 с.
63. Воронов А. А., Дедов В. П. Принципы построения и проблемы
совершенствования плазменных дисплеев // Оптический журнал.
1999. Т. 66. № 6.
64. Мухин И. А. Принципы развертки изображения и модуляция яркости свечения плазменной панели // Тр. учеб. заведений
связи. СПб.: СПбГУТ, 2002. № 168. С. 134–140.
65. Ламанов А. Экраны на основе автоэлектронной эмиссии –
перспективные устройства отображения информации / А. Ламанов,
М. Ламанов, Е. Шешин, А. Щука. URL: http://www.сhip news.ru
66. Абаньшин Н., Жуков Н., Кузнечихин А. Дисплеи с наноразмерными структурами // Электроника. Наука. Технология. Бизнес. 2007. № 5. С. 32–37.
67. Усанов Д. А., Яфаров Р. К. Исследование автоэлектронной
эмиссии из наноуглеродных материалов: учеб. пособие для студ.
323
би
бл
ио
т
ек
а
ГУ
А
П
фак. нано- и биомедицинских технологий. Саратов: Изд-во Сарат.
ун-та, 2006. 23 с.
68. Беляков В. А. Жидкие кристаллы. М.: Знание, 1986. 160 с.
69. Де Жен П. Физика жидких кристаллов. М.: Мир, 1977.
400 с.
70. Романов В. П. Пороговые эффекты в жидких кристаллах //
Соровский образовательный журнал. 2007. Т. 7. № 1. С. 96–101.
71. Мухин И. А. Развитие жидкокристаллических мониторов //
BROADCASTING Телевидение и радиовещание: Ч. 1. 2005. № 2(46)
март. С. 55–56; Ч. 2. 2005. № 4(48) июнь-июль. С.71–73.
72. Митилино С. Обзор технологий дисплеев на жидких кристаллах // Компьютерное обозрение. 2000. № 11.
73. Гаврилюк Д. Перспективные технологии тонких дисплеев