НИЗКОУРОВНЕВАЯ ТЕЛЕВИЗИОННАЯ КАМЕРА НАБЛЮДЕНИЯ И ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ НЕЕ
LOW LEVEL SURVEILLANCE TELEVISION CAMERA AND ELECTRO-OPTICAL CONVERTER FOR SAID TELEVISION CAMERA

Предлагаемое изобретение относится к электронной технике, в частности к устройству низкоуровневой телевизионной камеры наблюдения, использующей в качестве усилителя яркости электронно-оптический преобразователь, и к устройству электронно-оптического преобразователя (ЭОП) для нее.
Известны два принципиальных решения конструкции низкоуровневой телевизионной камеры, в которых перенос изображения с ЭОП на цифровой сенсор изображения осуществляется либо оптической системой переноса, либо волоконно-оптической системой переноса.
Использование ЭОП в качестве усилителя яркости перед цифровым сенсором изображения (ПЗС матрицей или КМОП матрицей) камеры наблюдения позволяет на три-четыре порядка увеличить рабочий диапазон освещенностей, обеспечить надежную регистрацию изображения, в том числе в условиях низкого уровня освещенностей.
Согласно первому решению изображение, сформированное люминесцентным экраном, с оптического выхода ЭОП передается линзовой системой переноса или любой другой системой, состоящей из элементов классической оптики, на фоточувствительную зону цифрового сенсора изображения (В.Г.Волков. «Приборы ночной фото и видеосъемки» - «Специальная техника», 2004, №3). Масштабирование передаваемого изображения при этом осуществляется элементами классической оптики системы переноса изображения.
Низкоуровневая телевизионная камера в этом случае состоит из ЭОП, цифрового сенсора изображения, оптической системы, содержащей элементы классической оптики, переноса изображения с оптического входа ЭОП на фоточувствительную зону цифрового сенсора изображения, электронного устройства считывания, обработки, формирования управляющих и выходных сигналов.
Недостатком такой камеры является значительное ослабление яркости изображения при передаче его через оптическую систему переноса. В результате на фоточувствительную зону цифрового сенсора изображения попадает от нескольких процентов до десятых долей процента излучения люминесцентного экрана ЭОП. Это не позволяет получить высокий уровень параметров камеры, вызывает необходимость настройки ЭОП на большую яркость свечения люминесцентного экрана, что приводит к ухудшению контрастных и шумовых характеристик изображения, уменьшению срока службы камеры.
Согласно второму решению конструкции камеры изображение, сформированное люминесцентным экраном, с оптического выхода ЭОП передается на фоточувствительную зону цифрового сенсора изображения волоконно-оптической системой, состоящей из волоконно-оптических элементов (ВОЭ). К классу ВОЭ относятся волоконно-оптические пластины (ВОП), состоящие из светопроводящих волокон с постоянным сечением, и фоконы, состоящие из светопроводящих волокон с переменным сечением. В волоконно-оптической системе переноса функцию масштабирования переносимого изображения выполняет фокон. Камера с волоконно-оптической системой переноса изображения с электронно-оптического преобразователя на цифровой сенсор изображения является наиболее близким аналогом к заявляемой камере (патент США №7.129.462 В2 от 31.10.2006 г, прототип). Камера-прототип содержит ЭОП для усиления принятого изображения, волоконно-оптическое устройство для масштабирования и передачи изображения, принятого от ЭОП, расположенное между оптическим выходом ЭОП и цифровым сенсором изображения, цифровой сенсор изображения для приема и электронного преобразования усиленного электронно-оптическим преобразователем изображения, высоковольтный источник питания, электронное устройство считывания, обработки, формирования управляющих и выходных сигналов.
Недостатком данной камеры является то, что ЭОП и волоконно-оптическое устройство передачи изображения с оптического выхода ЭОП на фоточувствительную зону цифрового сенсора изображения - это два самостоятельных конструктивно и функционально выделенных узла камеры, каждый из которых несет свою функциональную нагрузку и может работать вне зависимости от другого. При такой конструкции камеры всегда будет иметь место промежуточный оптический переход между ЭОП и волоконно-оптическим устройством переноса изображения. За счет этого промежуточного оптического перехода происходит ослабление яркости передаваемого изображения. Если выходное окно ЭОП выполнено в виде стеклянной пластины с люминесцентным экраном на поверхности, обращенной в вакуумный объем ЭОП, то кроме ослабления яркости будет происходить расфокусировка изображения на входе волоконно-оптического устройства переноса. Если выходное окно выполнено в виде газонепроницаемой ВОП с люминесцентным экраном на торце, обращенном в вакуумный объем ЭОП, то кроме ослабления яркости будет происходить искажение мелких элементов передаваемого изображения. Это искажение на промежутке ВОП→волоконно-оптическое устройство происходит из-за несоосности светопроводящих волокон двух волоконно-оптических элементов, каковыми являются ВОП электронно-оптического преобразователя и волоконно-оптическое устройство в целом.
-7
-6
Известен ЭОП-прототип электронно-оптического преобразователя, предлагаемого для использования в низкоуровневой телевизионной камере наблюдения (www.katodnv.ru). ЭОП содержит металлокерамический корпус, объем которого вакуумирован до давления 1·10…1·10 Па, входное окно, выходное окно, микроканальную пластину (МКП). Входное окно выполнено в виде фотокатодного узла с фотокатодом на его поверхности, обращенной в вакуумный объем ЭОП. Выходное окно выполнено в виде газонепроницаемой ВОП. На торец ВОП нанесен люминесцентный экран, торец ВОП с люминесцентным экраном расположен в вакуумном объеме ЭОП. Оптическим выходом ЭОП является торец газонепроницаемой ВОП, противоположный торцу с люминесцентным экраном. Между фотокатодом и люминесцентным экраном расположена МКП, выполняющая функцию усиления потока фотоэлектронов. Так как ВОП изготовлена из светопроводящих волокон с постоянным сечением, то масштаб переноса изображения как ВОП, так и всего ЭОП в целом 1:1.
Недостатком данного ЭОП при использовании его в низкоуровневой телевизионной камере является отсутствие масштабирования усиливаемого изображения. Для использования в камере всей фоточувствительной зоны фотокатода ЭОП или зоны, большей по размерам, чем фоточувствительная зона цифрового сенсора изображения, опять необходимо применение дополнительного согласующего элемента - устройства масштабирования и переноса изображения с оптического выхода ЭОП на фоточувствительную зону цифрового сенсора изображения.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в повышении качества изображения, передаваемого с люминесцентного экрана ЭОП низкоуровневой телевизионной камеры наблюдения на фоточувствительную зону цифрового сенсора изображения, в уменьшении световых потерь и искажений передаваемого изображения при сохранении масштабирования усиливаемого изображения без дополнительного устройства переноса и масштабирования.
Необходимость масштабирования при переносе изображения объясняется несогласованностью рабочего диаметра оптического выхода известного ЭОП, равного рабочему диаметру фотокатода на входном окне ЭОП, и размера фоточувствительной зоны цифрового сенсора изображения. Например, диагональ серийно выпускаемых цифровых сенсоров изображения может быть от 3,5 мм до 16 мм, а стандартный рабочий диаметр оптического выхода ЭОП 18 мм. Без масштабирования при таких соотношениях размеров на фоточувствительную зону цифрового сенсора изображения всегда будет спроецирована только часть той сцены, которая полностью спроецирована на входное окно ЭОП. Масштабируемый перенос обеспечивает использование всей фоточувствительной зоны фотокатода ЭОП или зоны, большей по размерам, чем фоточувствительная зона цифрового сенсора изображения.
Решение поставленной задачи обеспечивается исключением в предлагаемой низкоуровневой телевизионной камере наблюдения промежуточного оптического перехода между ЭОП и волоконно-оптическим устройством переноса изображения. Это достигается тем, что в низкоуровневой телевизионной камере наблюдения, содержащей объектив, ЭОП, волоконно-оптическое устройство для масштабирования и переноса изображения от люминесцентного экрана ЭОП на фоточувствительную зону цифрового сенсора изображения, цифровой сенсор изображения, высоковольтный источник питания, электронное устройство считывания, обработки, формирования управляющих и выходных сигналов, ЭОП и волоконно-оптическое устройство для масштабирования и переноса изображения выполнены неделимым без потери работоспособности конструктивно и функционально единым устройством в виде ЭОП, выходным окном которого является волоконно-оптическое устройство для масштабирования и переноса изображения с люминесцентного экрана электронно-оптического преобразователя на фоточувствительную зону цифрового сенсора изображения. В конструкции такой камеры сформированное люминесцентным экраном изображение электронно-оптический преобразователь масштабирует и переносит непосредственно на цифровой сенсор изображения. При этом отпадает необходимость в самостоятельном функционально и конструктивно выделенном волоконно-оптическом устройстве масштабирования и переноса изображения, и тем самым исключается промежуточный оптический переход.
-7
-6
В ЭОП для предлагаемой камеры, содержащем металлокерамический корпус, объем которого вакуумирован до давления 1·10…1·10 Па, фотокатодный узел с фотокатодом, микроканальную пластину, выходное окно в виде газонепроницаемого ВОЭ с люминесцентным экраном на торце, расположенном в вакуумном объеме ЭОП, выходное окно выполнено в виде газонепроницаемого фокона с люминесцентным экраном на торце, расположенном в вакуумном объеме ЭОП. Оптическим выходом ЭОП является торец газонепроницаемого фокона, противоположный торцу с люминесцентным экраном. Вследствие переменного сечения светопроводящих волокон фокона выполнение выходного окна ЭОП в виде газонепроницаемого фокона позволяет не только переносить с люминесцентного экрана на оптический выход ЭОП, но и масштабировать усиливаемое изображение. Масштабирование осуществляется без использования дополнительного устройства. Коэффициент масштабирования ЭОП равен коэффициенту масштабирования фокона, т.е. отношению линейных размеров изображения на выходном и входном торце фокона.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена схема низкоуровневой телевизионной камеры наблюдения.
На фиг.2 изображен общий вид ЭОП для низкоуровневой телевизионной камеры наблюдения.
В соответствии с настоящим изобретением низкоуровневая телевизионная камера наблюдения содержит ЭОП 1, выходным окном которого является устройство масштабирования и переноса изображения, выполненное в виде газонепроницаемого фокона 2, один из торцов которого является оптическим выходом 3 ЭОП, а на другой нанесен люминесцентный экран 4 ЭОП, цифровой сенсор изображения 5, узел 6 жесткой пространственной фиксации оптического выхода 3 ЭОПа относительно фоточувствительной зоны цифрового сенсора изображения 5, электронное устройство 7 считывания, обработки, формирования управляющих и выходных сигналов, высоковольтный источник питания 8, объектив 9.
ЭОП 1 для низкоуровневой камеры содержит фотокатодный узел 10 с фотокатодом 11, выходное окно в виде газонепроницаемого фокона 2, один из торцов которого является оптическим выходом 3 ЭОП, а на другой нанесен люминесцентный экран 4 ЭОП, МКП 12, металлокерамический корпус 13 с внешними выводами. Вакуумный объем ЭОП ограничен металлокерамическим корпусом 13, герметично соединяющим фотокатодный узел 10 и газонепроницаемый фокон 2.
Цифровой сенсор изображения 5 может быть выполнен в виде ПЗС матрицы или в виде КМОП матрицы. Высоковольтный источник питания 8 может быть конструктивно самостоятельным узлом камеры либо может быть конструктивно встроенным элементом конструкции ЭОП, то есть может быть так называемым встроенным высоковольтным источником питания. Высоковольтный источник питания 8 может быть также импульсным или стробируемым. Объектив 9, применяемый в камере, может быть выполнен в виде объектива с регулируемой диафрагмой. Коэффициент масштабирования газонепроницаемого фокона 2 подобран по отношению к размеру фоточувствительной зоны цифрового сенсора изображения 5 таким образом, что в зависимости от конкретной задачи на цифровой сенсор изображения 5 будет перенесено изображение либо всей сцены, спроецированной на входное окно ЭОП, либо часть этой сцены, большая, чем размер фоточувствительной зоны цифрового сенсора изображения 5. Присоединительный размер оптического выхода 3 ЭОП соответствует присоединительному размеру используемой в камере матрицы цифрового сенсора изображения 5, что позволяет провести совмещение ЭОП 1 непосредственно с цифровым сенсором изображения 5. Совмещение оптического выхода 3 ЭОП и фоточувствительной зоны цифрового сенсора 5 проводится в рабочих режимах обоих устройств по изображению, или с помощью методов оптической юстировки, или любым другим способом, позволяющим обеспечить точность совмещения в несколько микрометров. Крепление оптического выхода 3 ЭОП к цифровому сенсору изображения 5 осуществляется при помощи узла 6 жесткой пространственной фиксации приклеиванием или любым другим механическим способом, обеспечивающим жесткую фиксацию.
Камера работает следующим образом.
Световой поток от наблюдаемой сцены через объектив 9 попадает на фотокатод 11 ЭОП 1. Усиленное изображение наблюдаемой сцены формируется на люминесцентном экране 4 ЭОП 1. Перенос и масштабирование изображения, полученного на люминесцентном экране 4, нанесенном на расположенный в вакуумном объеме ЭОП 1 торец газонепроницаемого фокона 2, осуществляется газонепроницаемым фоконом 2 непосредственно на фоточувствительную зону цифрового сенсора изображения 5. В цифровом сенсоре изображения 5 происходит преобразование светового изображения в электронную информацию. Далее электронное устройство 7 считывает электронную информацию с цифрового сенсора изображения 5 и обрабатывает полученную электронную информацию. На ее основе формирует выходной видеосигнал в цифровом или в аналоговом формате, а также формирует управляющие сигналы. Управляющие сигналы синхронизируют и регулируют работу цифрового сенсора изображения 5, высоковольтного источника питания 8 и объектива 9, если он выполнен в виде объектива с регулируемой диафрагмой. Управляющие сигналы обеспечивают также регулировку и синхронность работ этих узлов камеры в условиях изменения освещенностей.
ЭОП работает следующим образом.
Световой поток от наблюдаемой сцены попадает на фотокатодный узел 10 и вызывает эмиссию фотоэлектронов из фотокатода 11. Эмитированные фотоэлектроны ускоряются приложенным напряжением в направлении МКП 12. Попавшие на МКП 12 фотоэлектроны вызывают лавинное размножение вторичных электронов в канале МКП 12. Таким образом, происходит усиление электронного потока. Усиленный электронный поток ускоряется приложенным напряжением в направлении люминесцентного экрана 4 и вызывает его свечение. При этом распределение яркости свечения люминесцентного экрана 4 соответствует распределению плотности облучения в изображении наблюдаемой сцены на фотокатоде 11. Свечение люминесцентного экрана 4 передается через газонепроницаемый фокон 2 на оптический выход 3 ЭОП. Коэффициент масштабирования ЭОП, то есть соотношение линейных размеров изображения, проецируемого на фотокатод 11 и получаемого на оптическом выходе 3 ЭОП, соответствует коэффициенту масштабирования применяемого газонепроницаемого фокона 2.
Использование описываемой конструкции низкоуровневой телевизионной камеры наблюдения и ЭОП для нее по сравнению с известными конструкциями обеспечивает следующие преимущества:
- уменьшение световых потерь при переносе изображения с люминесцентного экрана ЭОП на фоточувствительную зону цифрового сенсора изображения;
- уменьшение искажений изображения при его переносе с люминесцентного экрана ЭОП на фоточувствительную зону цифрового сенсора изображения;
- использование в камере всей фоточувствительной зоны ЭОП или его части, большей размеров фоточувствительной зоны цифрового сенсора изображения, путем подбора фокона ЭОП с соответствующим коэффициентом масштабирования;
- масштабирование изображения, переносимого с входного окна ЭОП на оптический выход ЭОП, без применения дополнительного функционально и конструктивно выделенного устройства.