Передающая телевизионная камера Советский патент 1993 года по МПК H04N5/30 H04N5/20 

Недостатком данного устройства являтся необходимость создания при формироании и запоминании сигналов коррекции авномерно освещенного поля в пространтве объектов, что усложняет процесс каибровки и затрудняет его автоматизацию.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению являтся передающая ТВ-камера, содержащая объектив, оптически связанный с фотозатвором, источником равномерной засветки и датчиком видеосигнала, блок коррекции и блок синхронизации и управления, причем выход датчика видеосигнала соединен с

первым входом блока коррекции, второй вход которого соединен с перзым выходоги блока синхронизации и управления, второй выход блока синхронизации и управления соединен со входом датчика видеосигнала, a rpef ий и четвертый его выходы соединены соответственно с фотозатвордм и неточна ком равномерной засветки.

В данном устройстве источник равномерной засветки (ИРЗ) расположен в пространстве объектов объектива на расстоянии, позволяющем осуа ествлять фокусировку на излучающую поверхность ИРЗ, и имеет достаточно большие размеры вследствие необходимости перекрытия всего поля зрения камеры в режиме калибров

ей, .-. -

Основным недостатком камеры является недостаточная точность формирования видеосигнала. Это обусловлено наличием погрешности коррекции неравномерности чувствительности датчика видеосигнала ЩВС) вследствие технической сложности создания достаточно протяжённой излучак щей поверхности с высокой равномерностью яркости при относительно небольших габаритах ИРЗ и возможно меньшем энергопотреблении, допускающих его встраивание внутрь корпуса устройства. Причем оценить и учесть в процессе измерения возможную неравномерность яркости практически невозможно, и кроме этого характер неравномерности может изменяться с течением времени вследствие старения материалов и влияния окружающей среды Другим недостатком устройства является повышенная инерционность I/IPS , что может удлинить процесс калибровки и дополнительно снижать ее точность.

Целью изобретения является повышение точности формирования видеосигнала

- путем уменьшения влияния неравномерности чувствительности датчика видеосигна- ла.

Цель достигается тем. что в известной передающей ТВ-камере, содержащей объектив, оптически связанный с фотозатвором, источником равномерной засветки и датчиком видеосигнала, выход которого соединен с первым входом блока коррекции,

блок синхронизации и управления, первый выход которого соединен со вторым входом блока коррекции, второй выход - со входом датчика видеосигнала, третий выход соединен с фотозатвором, а четвертый выход-с

источником равномерной засветки, источник равномерной засветки расположен в передней фокальной плоскости обьектива. а фотозатвор - перед источником равномерной засветки.....

5 Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что источник равномерной засветки расположен в передней фокальной плоскости объектива, а фотозатвор находится непосредственно перед источником

0 равномерной засветки. Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения новизна. ......Известны передающие (осветительные) оптические системы, построенные по схеме

5 коллиматора, или прожектора, в которых источник света расположен в фокусе конденсора. Коллиматоры используют для освещения объектов, находящихся на большом расстоянии. Поэтому главным тре0 бованием к ним является обеспечение параллельности выходящих лучей. Анализ показывает, что отличительные признаки заявляемого устройства имеют свойства, не совпадающие со свойствами известных кол-5 лиматорных систем. Во-первых, освещаемый объект (фоточувствительная мишень) находится на небольшом расстоянии от объектива, которое сравнимо с фокусным рас- стоянием последнего. Во-вторых, главным

0 требованием к потоку, засвечивающему мишень, является не параллельность лучей, как в коллиматоре, а высокая равномерность засветки. В-третьих, а заявляемом изобретении объектив выполняет одновре5 менно две функции: функцию приемной оптической системы - формирование изображения наблюдаемого объекта на фоточувствительной мишени датчика видеосигнала, и функцию передающей оп0 тической системы - освещение фоточувствительной мишени. Поэтому можно сделать вывод, что отличительные признаки предлагаемого устройства отвечают критерию изобретения Существенные отличия.

5 При расположении ИРЗ в передней фокальной плоскости объектива возникает возмо жность с помощью простого малогабаритного (даже точечного) источника спета обеспечить высокую равномерность засветки фоточувствнтельнсй мишени длтчикэ ЕМдеосигнала. Это вытекает из того,, что изображение объекта, расположенного в фокальной плоскости объектива, находится в бесконечности и увеличено в бесконечное число раз. Иначе говоря, точечный источник света, установленный в фокальной плоскости объектива, порождает на его выходе параллельный расфокусированный пучок световых лучей. Причем, как показывают расчеты, неоднородность по сечению такого пучка в пределах площади, которую имеют фоточувствительные мишени распростра-1 ненных датчиков видеосигнала, незначительна и кроме того, может быть легко рассчитана и учтена при формировании сиг- налов коррекции. Поэтому источник равномерной засветки может иметь малые размеры излучающей поверхности и простую конструкцию.

. В простейшем варианте ИРЗ может быть выполнен в виде точечного источника света, расположенного в переднем фокусе объектива.

Возможно выполнение ИРЗ в виде нескольких точечных источников света, разне- сенных по передней фокальной плоскости объектива (в пределах диаметра входного зрачка объектива). Это дополнительно улучшает равномерность засветки, а также увеличивает ее интенсивность.

ИРЗ может быть установлен в передней фокальной плоскости неподвижно, например, с помощью узких перемычек или путем крепления к прозрачной пластине, параллельной фокальной плоскости объектива. Такой вариант целесообразно использовать тогда, когда объектив имеет достаточно большой диаметр входного зрачка и постоянное нахождение в фокальной плоскости ИРЗ не приводит к существенному умень- шению (из-за экранирования части входного зрачка) принимаемого от объекта потока излучения.

ИРЗ может быть установлен в передней фокальной плоскости объектива путем креп- ления на внутренней поверхности затвора, который выполнен в аиде подвижной непрозрачной заслонки или шторки. Данный вариант предпочтителен в том случае, если объектив имеет сравнительно небольшой диаметр входного зрачка и постоянное присутствие в фокальной плоскости ИРЗ приведет к недопустимому уменьшению попадающего в объектив потока излучения от объекта. В данном варианте полностью ис- ключается экранирование входного зрачка объектива источником равномерной засветки, т.к. он устанавливается перед объективом только на время калибровки (время формирования массива корректирующих

коэффициентов), которая происходит при закрытом фотоззтворе.

На фиг.1 показана структурная схема передающей ТВ-камеры; на фиг. 2-4 - варианты выполнения и установки ИРЗ,

Передающая ТВ-камера содержит фо- тозатеор 1, источник 2 равномерной засветки, расположенный в передней фокальной плоскости F объектива 3 позади фотозатвора 1, датчик 4 видеосигнала, блок коррекции и блок 6 синхронизации и управления. Выход датчика видеосигнала связан с первым входом блока коррекции, первый, второй, третий и четвертый выходы блока синхронизации и управления соединены соответственно со вторым входом блока коррекции, входом датчика видеосигнала, фотозатвором и источником равномерно засветки. Выходом устройства служит выход блока коррекции.

. Фотозатвор 1 предназначен для закры- ва ния оптического входа камеры и по принципу действия может быть электронным или электромеханическим. Примером электронного фотозатвора может служить жидкокристаллическая ячейка, имеющая плоскую конструкцию и изменяющая свою прозрачность под действием прикладываемого электрического напряжения. В электромеханическом фотозатворе перекрытие оптического канала осуществляется путем перемещения с помощью электромагнита или электродвигателя подвижного непрозрачного элемента - заслонки, шторки, лепестков и т.п.

Источник 2 равномерной засветки предназначен для создания на фоточувствительной мишени датчика видеосигнала равномерно освещенного поля. Основными требованиями к нему являются меньшее экранирование входного зрачка объектива и высокая однородность излучаемого потока в плоскости входного зрачка объектива. ИРЗ содержит один или несколько разнесенных по фокальной плоскости точечных источников света В качестве последних целесообразно использовать миниатюрные лампочки накаливания, размеры которых могут не превышать 2-5 мм, а яркость практически не зависит от направления.

Объектив 3 выполнен в виде набора преломляющих компонентов и может содержать другие оптические элементы. например диафрагмы.Основная функция объектива 3 - формирование изображения наблюдаемых объектов на фоточуоствитель- ной мишени датчика видеосигнала. Кроме этого он вместе с ИРЗ обеспечивает Формирование однородного потока для засвегки фотомишени.

В датчике 4 видеосигнала может быть использован любой известный приемник изображения с электронным сканированием. Например, это может быть видикон вместе с фокусирующе-отклонягощей системой или твердотельный формирователь видеосигнала на основе ПЗС. ДВС содержит также необходимые электронные схемы для предварительного усиления сигнала и управления работой приемника изображения.

Блок 5 коррекции предназначен для коррекции видеосигнала с целью компенсации неравномерности чувствительности по полю ДВС. Этот блок содержит ЗУ для хранения сигналов коррекции, а также электродные схемы, обеспечивающие запись сигналов коррекции в ЗУ и выполнение непосредственно операции коррекции видеосигнала. Внутренняя организация и принцип действия блока коррекции могут быть такие же, как у известных устройств.

Блок 6 синхронизации и управления предназначен для формирования синхроимпульсов строчной и кадровой частоты, тактирующих и управляющих сигналов, которые поступают на блоки устройства и. обеспечивают их правильное функционирование. Этот блок имеет необходимые органы управления для установки оператором режимов работы устройства, а также может содержать микропроцессор или даже мик- роЭВМ для автоматического управления по заданному алгоритму.

Устройство работает следующим образом.

Сначала устанавливается режим калибровки. При этом под действием управляющего сигнала с блока 6 синхронизации и управления закрывается фотозатвор 1, и на выходе датчика 4 видеосигнала формируется темновой сигнал, который записывается в одно из ЗУ блока 5 коррекции. Затем включается источник 2 равномерной засветки, на фоточувствительной мишени датчика 4 видеосигнал создается равномерно освещенное поле, а на его выходе появляется видеосигнал, из которого в блоке 5 коррекции формируется и запоминается so втором ЗУ сигнал коррекции, характеризующий распределение чувствительности по полю растра.

После этого камера переводится в режим наблюдения. В этом режиме фотрзат- вор 1 находится в открытом состоянии, источник 2 равномерной засветки выключен и объективом 3 Формируется изображение наблюдаемого объекта на фоточувствятель- ной мишени датчика 4 видеосигнала, на выходе которого появляется видеосигнал.

характеризующий распределение яркости на объекте. Однако этот видеосигнал имеет паразитную модуляцию вследствие неравномерности чувствительности фотомишени

5 и содержит неравномерную составляющую темнового сигнала. В блоке 5 коррекции выполняется коррекция поступающего на его вход видеосигнала с целью выделения только полезной составляющей, которая посту10 лает на выход камеры, Операция коррекции в простейшем случае выполняется путем вычитания из исходного видеосигнала темнового сигнала, находящегося в одном из ЗУ блока 5 коррекции, и последующего деле15 ния (или умножения) на сигнал коррекции, хранящийся в другом ЗУ. В частном случае, когда величина неравномерности темнового сигнала незначительна, его запоминание на этапе калибровки и вычитание в

20 режиме наблюдения могут не производиться, что непринципиально для предлагаемого изобретения. Таким образом, на выходе устройства будет формироваться видеосигнал, свободный от влияния неравно25 мерности чувствительности датчика 4 видеосигнала.

Возможны различные варианты выполнения ИРЗ, в зависимости от количества входящих в него отдельных источников све30 та и способа их установки.

На фиг.2, 3 показаны варианты выполнения источника 2 равномерной засветки в виде одного точечного источника света, установленного в переднем фокусе объектива

35 неподвижно с помощью узких перемычек 7 (фиг.2) или путем крепления к прозрачной пластине 8 (фиг.З).

Фиг. 4 поясняет другой вариант выполнения источника 2 равномерной засветки,

40 согласно которому он содержит несколько точечных источников света, разнесенных по фокальной плоскости объектива и укрепленных на задней поверхности заслонки или шторки фотозатвора.

45 Подобные варианты позволяют в ряде случаев упростить конструкцию устройства и расширить область возможного его применения. Выбор оптимального варианта зависит от множества факторов: диаметра

50 входного зрачка объектива, требований на габариты устройства, диапазона яркости наблюдаемых объектов и др.

Техническая эффективность предлагаемого изобретения подтверждается прове55 денными теоретическими расчетами и экспериментальными исследованиями.

Используя закономерности геометрической оптики, несложно получить формулу для расчета относительной неравномерности освещенности в передней главной плоскости:

(Er-Ej/Eo-W + r2), где Ег - освещенность в точке с радиус-вектором г;5

Ео - освещенность в точке с г - О, т.е. вточке пересечения оптической оси объектива с главной плоскостью. Относительное распределение освещенности в .передней главной плоскости передается на рзсполо- 10 женный за объективом ДВС параллельным пучком практически без изменений с точностью, зависящей от степени совершенства объектива, а общее физическое ослабление излучения в материале линз в данном слу- 15 чае не имеет значения.

Возможность получения высокой равномерности засветки подтверждают расчеты. Так, например, при использовании объектива с фокусным расстоянием мм 20 уменьшение освещенности на краях растра стандартных размеров 9.7x12,6 мм (на мишени) составит 1,5-2,2%. Это значительно меньше типовых -значений неравномерности чувствительности широко доступных 25 датчиков видеосигнала (20-40%) и часто находиться на уровне погрешности используемых в таких устройствах аналого-цифро- вых преобразователей. Более того, имеющаяся в данном случае относительная не- 30 равномерность засветки мишени ДВС посто- янна во времени, описывается математически и поэтому может быть учтена на стадии калибровки камеры путем введения

., -, -, -- -,.- -.,,- v: .; : 35

соответствующих поправочных коэффициентов в сигналы коррекции, записываемые в запоминающее устройство блока коррекции.. .

При расположении в фокальной плоскости не одного точечного источника света, а нескольких или источника с размерами, которыми нельзя пренебречь, освещенность мишени создается совокупностью параллельных пучков, формируемых от каждой точки. При этом будет происходить уменьшение неравномерности засветки за счет перекрытия пучков, а остаточная неравномерность при необходимости также может быть рассчитана и учтена.. ,

Предлагаемое изобретение использовано в передающей камере тепловизионной пирометрической системы с электронным сканированием. Датчиком видеосигнала служил видикон, работающий в стандартном режиме разложения, с активной частью растра 9x9 мм. В качестве фотозатвора использовался ирисовый затвор, имеющий электромагнитный привод. I/IP3 был выполнен в виде миниатюрной лампочки накаливания с размерами колбы примерно 3x6 мм, которая устанавливалась в переднем фокусе объектива неподвижно с помощью узких перемычек.Остаточная погрешность формирования видеосигнала вследствие неравномерности чувствительности ДВС составила не более ±0,5%.

. Ф о рмул а и з о б р ете н и я .. 1. Передающая телевизионная камера, содержащая объектив, оптически связанный с фотозатБОром, источником равномерной засветки и датчиком видеосигнала, выход которого соединен с первым входом блока коррекции, блок синхронизации и управления, первый выход которого соединен с вторым входом блока коррекции, второй выход-с входом датчика видеосигнала, третий выход соединен с фотозатвором, а четвертый выход - с источником равномерной засветки, отличаю щ а-я с я тем, что, с целью повышения точности формирования видеосигнала путем уменьшения влияния

неравномерности чувствительности датчика видеосигнала, источник равномерной засветки расположен в передней фокальной плоскости объектива, з фотозатвор - перед источником равномерной засветки.

3. Камера по пп. 1и 2, отличающаяся тем, что источник равномерной засветки укреплен на внутренней поверхности фотозатвора, который выполнен в виде подвижной непрозрачной заслонки или шторки.