Телекамера на основе фотоприемной ПЗС-матрицы

ТЕЛЕКАМЕРА НА ОСНОВЕ ФОТОНРИЕМНОЙ НЗС-МАТРИЦЫ
Полезная модель относится к области формирователей сигналов изображения, чувствительных к видимому и ближнему РЖ-излучению, и может быть использована в системах видеомониторинга и наблюдения, а также в системах прикладного телевидения, предназначенных для работы в условиях изменения освещенности объекта наблюдения в широких пределах.
В настоящее время для адаптации телекамер к условиям изменения освещенности используют либо электронную систему автоматической регулировки экспозиции фотоприемной ПЗС-матрицы, либо систему
автоматической регулировки диафрагмы объектива. При одновременном
I использовании этих систем могут возникнуть автоколебания, приводящие
к мерцанию изображения. Для исключения подобного явления конструкцией телекамеры предусмотрено раздельное использование либо системы автоматической регулировки экспозиции, либо системы автоматической регулировки диафрагмы. Выбор способа адаптации осуществляется оператором с помощью специального переключателя при установке телекамеры 1,2.
Наиболее близким аналогом является телекамера 3 на основе фотоприемной ПЗС-матрицы, используемая в транспортном средстве и обеспечивающая защиту глаз водителя от ослепления за счет антиблюминга, который ограничивает сигнал от встречных фар и устраняет расплывание заряда в ПЗС-матрице. Такая телекамера содержит объектив, расположенную в его фокальной плоскости фотоприемную ПЗС-матрицу с устройством антиблюминга, диафрагму с блоком управления, расположенную между объективом и фотоприемной ПЗС-матрицей, последовательно соединенной с блоком усиления и обработки видеосигнала и видеоконтрольное
2003111308
ИШ1111В1111ШШ11111111111111
,; г о о 3 1 1 1 3 о
МПК  Н 04 N 5/235, 5/335
устройство (ВКУ), а также соединенный с управляющими шинами фотоприемной ПЗС-матрицы блок управления матрицей. Для обеспечения работоспособности в любое время суток при произвольной средней освещенности данная телекамера содержит также блок формирования уровня среднего значения по анализу текущего изображения, вход которого подключен к выходу блока усиления и обработки видеосигнала, а выход - к входу блока управления матрицей и входу блока управления диафрагмой. Данная телекамера для адаптации к условиям изменения освещенности имеет два контура автоматической регулировки: экспозиции и диафрагмы. Контур автоматической регулировки экспозиции состоит из фотоприемной ПЗС-матрицы с устройством антиблюминга, блока усиления и обработки видеосигнала, блока формирования уровня среднего значения по анализу текущего изображения относительно уровня белого и блока управления матрицей. Анализатором потока излучения является фотоприемная ПЗС-матрица. Время реакции контура не более 20 мс. Контур автоматической регулировки диафрагмы состоит из тех же блоков, только вместо блока управления матрицей в его состав входит блок управления диафрагмой, представляющий собой высокоточное электромеханическое устройство, предназначенное для линейного изменения размера диафрагмы. Анализатором потока излучения является фотоприемная ПЗС-матрица. Время реакции контура десятые доли секунды. Контур автоматической регулировки экспозиции и контур автоматической регулировки диафрагмы связаны между собой по управляющему сигналу - выходной сигнал блока усиления и обработки видеосигнала, и по анализатору потока излучения фотоприемная ПЗС-матрица, что при определенных условиях может привести к возникновению в системе автоколебаний, приводящих к мерцанию изображения. Система автоматического регулирования диафрагмы является линейной системой автоматического регулирования и требует для своей реализации применения высокоточного электромеханического привода, что делает подобные системы достаточно дорогостоящими и требовательными к условиям эксплуатации, особенно
Ж€ ///Щ
тельными к условиям эксплуатации, особенно при работе в диапазоне температур ниже минус 10°С.
Задачей полезной модели является создание телекамеры на основе фотоприемной ПЗС-матрицы с улучшенными эксплуатационными характеристиками, без применения электромеханических элементов регулировки потока излучения.
Технический результат - упрощение конструкции, повышение надежности работы в широком диапазоне условий эксплуатации и снижение стоимости телекамеры достигается за счет замены высокоточного линейного электромеханического привода диафрагмы на более простой, дешевый и менее критичный к условиям эксплуатации оптический фильтр переменной плотности, обратимо изменяющий пропускание в зависимости от освещенности и длительности облучения.
Это достигается тем, что в состав известной телекамеры на основе фотоприемной ПЗС-матрицы, включающей последовательно расположенные объектив, апертурную диафрагму, последовательно соединенные между собой фотоприемную ПЗС-матрицу с устройством антиблюминга, расположенную в фокальной плоскости объектива, а также блок усиления и обработки видеосигнала и блок управления фотоприемной ПЗСматрицей, выход которого соединен с управляющими шинами ПЗСматрицы, перед объективом дополнительно установлен оптический фильтр переменной плотности.
Кроме того, этот оптический фильтр одновременно является защитным стеклом.
Изобретение поясняется чертежом, где представлена блок-схема предлагаемой телекамеры с оптическим фильтром.
Телекамера содержит объектив 1, в фокальной плоскости которого расположена фотоприемная ПЗС-матрица 2 с устройством антиблюминга. К выходу фотоприемной ПЗС-матрицы 2 подключен блок усиления и обработки видеосигнала 3, а к выходу блока 3 - вход блока управления матрицей 4, выход которого подключен к управляющим шинам фотоприемной ПЗС-матрицы 2. Перед объективом 1 расположен оптический фильтр переменной плотности 5, изменяющий коэффициент пропускания в зависимости от интенсивности падающего на него потока излучения в силу происходящих в нем физических процессов.
Устройство работает следующим образом. Излучение, прошедшее оптический фильтр 5, фокусируется объективом 1, который образует изображение на фотоприемной ПЗС-матрице 2. В каждой из ячеек фотоприемной ПЗС-матрицы 2 генерируются заряды, пропорциональные интенсивности излучения и времени накопления, определяемого блоком управления матрицей 4. Заряды от мощного ослепляющего источника переполняют емкость накопителя ячейки, избыточный заряд сливается в антиблюминг, что приводит к ограничению сигнального заряда, оставшегося в накопителе ячейки. Выхрдной сигнал фотоприемной ПЗС-матрицы 2 (видеосигнал) после его ограничения антиблюмингом линейно усиливается блоком усиления и обработки видеосигнала 3, формируется в стандартный видеосигнал в соответствии с ГОСТ 7845-92 или в стандартах CCIR, PAL, EIA, NTSC и через стандартный выходной разъем телекамеры транслируется на стандартные устройства отображения и документирования видеоинформации (видеоконтрольное устройство, видеомагнитофон и пр.). Одновременно видеосигнал с выхода блока усиления и обработки видеосигнала 3 поступает на вход блока управления матрицей 4, который регулирует экспозицию за счет изменения времени накопления заряда в ячейках фотоприемной ПЗС-матрицы 2. При увеличении освещенности в плоскости фотоприемной ПЗС-матрицы 2 время экспозиции уменьшается, при уменьшении - увеличивается. Максимальное время экспозиции То определяется стандартом формирования видеосигнала, в котором работает телекамера. Для телекамер, работающих в стандарте ГОСТ 7845-92 , CCIR, PAL  с; для телекамер, работающих в стандарте EIA, NTSC  с. Замкнутый контур,
состоящий из блоков 2,3 и 4 представляет собой систему автоматической регулировки экспозиции за счет времепи накопления заряда в ячейках фотоприемной ПЗС-матрицы 2 и является контуром точной адаптации. Постоянная времени системы автоматической регулировки экспозиции не превышает времени одного поля телевизионного сигнала (20 мс).
Однако, динамического диапазона системы автоматической регулировки экспозиции недостаточно для обеспечения работы телекамеры в диапазоне освещенностей от минимального значения, определяемого характеристиками фотоприемной ПЗС-матрицы 2, системы обработки видеосигнала и светосилой объектива 1, до максимально возможного значения естественной освещенности на местности 100000 лк, поэтому перед объективом 1 расположен оптический фильтр переменной плотности 5, обратимо изменяющий пропускание в зависимости от освещенности и длительности облученря.
Под действием активного излучения в светочувствительной фазе оптического фильтра переменной плотности 5 происходят конкурирующие процессы: с одной стороны образование центров окраски, а с другой - термическое и оптическое разрущение центров окраски, результирующая которых определяет скорость и степень потемнения оптического фильтра переменной плотности 5. После прекращения действия излучения сохраняется только процесс термического разрушения центров окраски, вызывающий обесцвечивание оптического фильтра переменной плотности (релаксацию).
В качестве оптического фильтра переменной плотности 5, обратимо изменяющего пропускание в зависимости от освещенности и длительности облучения, может быть использован фильтр, выполненный из серийно выпускаемого фотохромного стекла марки ФХС4 или ФХС7. Время срабатывания оптического фильтра переменной плотности определяется временем релаксации материала, из которого он выполнен. Для фотохромного стекла
ФХС4 или ФХС7 время релаксации из прозрачного в затемненное состояние и наоборот составляет от 150 до 180 с.
Для современных фотоприемных ПЗС-матриц с системой автоматической регулировки экспозиции максимальное значение рабочей освещенности на местности при относительном отверстии объектива  :2,0 составляет от 20000.. .70000 лк. в зависимости от типа и чувствительности фотоприемной ПЗС-матрицы. Проведенные оценки показывают, что коэффициент ослабления светового потока в полностью затемненном состоянии для оптического фильтра переменной плотности, выполненного из одного стандартного фотохромного стекла марки ФХС4 толщиной 5 мм составляет 3,2 раза, и 10,5 раза для фильтра, выполненного из двух стандартных фотохромных стекол ФХС4 толщиной 5 мм. Для фильтра выполненного из стекла марки ФХС7 коэффициент ослабления светового потока соответственно состав тяет 1,3...2,6 раза для одного стекла толщиной 2,5 мм и 1,7.. .6,7 раза для двух стекол. Кроме того, фильтр переменной плотности из стекла марки ФХС4 способствует защите телекамеры от случайного или преднамеренного воздействия энергии импульсного источника излучения.
Таким образом, предложенное техническое решение телекамеры на основе фотоприемной ПЗС-матрицы обеспечило получение технического результата, то есть введение оптического фильтра переменной плотности перед объективом обеспечило устойчивую работу телекамеры в диапазоне освещенностей от минимально возможных значений, определяемых чувствительностью фотоприемной ПЗС-матрицы и светосилой объектива до максимально возможных значений естественной освещенности на местности (100000 лк). При этом устраняется возможность возникновения в системе автоколебаний, приводящих к мерцанию изображения, и телекамера при соответствующем выборе электрорадиоэлементов работоспособна при температуре до минус 60°С. 6
Источники информации.
1.Универсальные внутренние камеры с креплением объектива С, CSMount серии VBC, VNC, VCC. Руководство по эксплуатации. ЗАО ЭВС, г. Санкт-Петербург., 2002 г., с 7 -12.
2.Black and white CCD camera BW-410 EA/410CA// Instraction manual. Samsung Electronics, p. 7-9, 15, 16
3.Патент России JVb 2129337C1, МПК H04N 5/335, публ. 1999 г. 1
Начальник сектора патентования г- Леушина Т.М.