Фотокамеры и видеокамеры

Развитие технологий, основанных на применении полупроводниковых материалов, позволило снизить энергопотребление, вес и габариты видеокамер, повысить качество формируемых с их участием изображений. Цифровые фотокамеры фиксируют результаты съемки в ОЗУ или на магнитном носителе для последующей обработки на ЭВМ. В настоящее время, решены технические проблемы использования этих приборов в качестве периферийных устройств ЭВМ.

Фотокамеры и видеокамеры имеют много общего в построении систем автоматизации и управления, поэтому в дальнейшем рассматриваются видеокамеры. Видеокамеры оснащаются автоматическими системами фокусировки, управления диафрагмой, стабилизации изображения, электронного монтажа, синтеза титров и звукового сопровождения. Структурная схема видеокамеры приведена на рис.9.2.

Рис.9.2. Структурная схема видеокамеры.

Изображение проецируется оптической системой на матрицу фоточувствительных приборов с зарядовой связью ФПЗС, преобразуется в цифровой формат в АЦП, обрабатывается средствами контроллера видеокамеры (ВК) и фиксируется в накопителе информации на магнитной ленте НИМЛ. В зависимости от режима работы ВК информация может либо в процессе съемки, либо при воспроизведении подаваться на видео выход через ЦАП в телевизионном формате. Следует отметить, что преобразование в цифровой формат не является обязательным, то есть АЦП и ЦАП могут отсутствовать в некоторых моделях, но это ограничивает функциональные возможности ВК. Строчные и кадровые импульсы формируются из прецизионных частот генератора опорных частот ГОЧ. Автоматическая фокусировка и регулировка размера отверстия диафрагмы обеспечивается механизмами перемещения линзы МПЛ и изменения диафрагмы МИД. Качество и поле обзора контролируется оператором с помощью дисплея видоискателя ДВИ.

Оптическое изображение в современных видеокамерах и цифровых фотокамерах преобразуется в электрические сигналы с помощью приборов с зарядовой связью, расположенных на одном полупроводниковом кристалле в виде матрицы. Приборы с зарядовой связью (ПЗС) - это совокупность МДП структур (металл-диэлектрик-полупроводник), сформированных на общей подложке. На основе из монокристаллического кремния, покрытой диэлектрическим слоем окисла SiO₂ толщиной 0.1-0.15 мкм, формируется линейка алюминиевых электродов, имеющих ширину 3-7 мкм с зазором 0.2-3 мкм. Такие приборы имеют линейную или матричную регулярную структуру. Применяются ПЗС для преобразования оптических изображений в последовательность электрических импульсов.

Работа ПЗС основывается на особенности их структуры: области пространственного заряда соседних элементов перекрываются за счет малого расстояния между их электродами, что позволяет перемещать зарядовые пакеты от электрода к электроду в изолированном слое полупроводника. В начальной стадии зарядовый пакет сконцентрирован в области электрода, на который подано управляющее напряжение. На второй стадии подается управляющее напряжение на соседний электрод и часть зарядового пакета перетекает в область его влияния. Третья стадия состоит в снятии управляющего напряжения с первого электрода и окончательном перетекании зарядового пакета в область второго электрода. Таким образом, коммутация управляющих напряжений на линейке электродов, позволяет перемещать группы зарядовых пакетов в заданном направлении.

Фотоэлектрический ввод зарядовых пакетов в ФПЗС осуществляется путем освещения ее с тыльной стороны. Общий вид матрицы фоточувствительной ПЗС, показан на рис.9.3.

Рис. 9.3. Матрица ПЗС со строчно-кадровой организацией.

Изображение проецируется на фоточувствительное поле размером 8х7,7мм, состоящее и нескольких сот тысяч фотоэлементов. Каждый фотоэлемент осуществляет накопление заряда в области коллектора со скоростью, пропорциональной средней освещенности данного элемента. Схема сброса формирует два импульса: импульс сброса и импульс переноса в вертикальный регистр. Эти импульсы определяют границы временного интервала экспозиции. Во время обратного хода кадровой развертки происходит перенос зарядов в вертикальные сдвигающие регистры. Во время обратного хода строчной развертки заряды сдвигаются в секцию хранения. Во время прямого хода строчной развертки заряды поступают в горизонтальный сдвиговый регистр, из которого они передаются на выход матрицы.

Принцип работы электронного затвора иллюстрирует рис.9.4.

Рис.9.4. Эпюры сигналов, формируемых электронным затвором.

Электронный затвор предназначен для управления длительностью времени экспозиции в зависимости от уровня яркости изображения. Импульс сброса обнуляет накопленный фотоприемником заряд, начиная тем самым очередной цикл накопления фотоприемником заряда. Импульс переноса инициирует фиксацию накопленной величины заряда посредством переноса заряда в вертикальный сдвигающий регистр.

Четкость изображений обеспечивает система автоматической фокусировки. Управляющий сигнал формируется с помощью дискриминационной характеристики, получаемой на выходе фильтра высоких частот ФВЧ. На рис.9.5. изображена эта характеристика.

Рис.9.5. Формирование сигналов в пьезоэлектрической системе

автоматической фокусировки.

На вход фильтра подается видеосигнал, поэтому выходной сигнал отображает уровень высоких частот изображения. Если ФПЗС находится в положении острой фокусировки Х_о, то уровень высокочастотных гармоник максимален, то есть максимальна и дискриминационная характеристика. Пьезоэлектрическая пластина ПЭП совершает периодические перемещения ФПЗС вдоль оптической оси, поэтому выходной сигнал ФВЧ тоже будет синхронно изменяться. Фаза и амплитуда этих колебаний зависит от направления и величины среднего смещения ФПЗС так, как показано на рисунке. Контроллер видеокамеры на основе анализа этой информации вырабатывает управляющие сигналы для перемещения фокусирующей линзы. Типичные параметры колебаний ПЭП: амплитуда - 20-120 мкм, частота - 6.25 Гц.

Цветовые сигналы могут формироваться различными способами:

· растровой фильтрацией светового потока, проецируемого на ФПЗС,

· разделением светового потока на две или три цветовые составляющие с помощью призм и дихроичных пленок.

Растровый фильтр представляет собой цветную мозаику, нанесенную на фронтальную поверхность ФПЗС так, что на каждый фотоэлемент матрицы наносится цветная пленка строго определенного цвета. Пример типичной схемы растрового четырехцветного фильтра показан на рис.9.6. Иногда применяются трехцветные фильтры, использующие красный, синий и зеленый цвета. В этом случае ячейки зеленого цвета занимают 50% площади ФПЗС, чтобы наиболее точно передать яркостную компоненту изображения.

Рис.9.6. Растровый фильтр ФПЗС.

Дихроичные системы разделяют световой поток на две или три составляющие, спектрально и пространственно. Трехматричная дихроичная система показана на рис.9.7.

Рис.9.7. Трехматричная дихроичная система видеокамеры.

Система состоит из трех призм и двух дихроичных пленок, разделяющих эти призмы. Используется свойство дихроичных пленок отражать свет определенного спектрального диапазона, пропуская остальную часть светового потока без существенных потерь. Данный способ обеспечивает высокую разрешающую способность и четкость, но требует сложной юстировки для обеспечения совмещения изображений, проецируемых на три ФПЗС.

Информация, полученная видеокамерой, поступает в ЭВМ либо через специальную видео плату, либо через видеовход мультимедийной платы. Цифровые фотокамеры, обычно, подсоединяются к ЭВМ для информационного обмена через последовательный порт или через порт USB.

Дата добавления: 2014-11-18