Материал: 516_Mamchev, G. V. Televidenie Vysokoj Chetkosti

ние оказывала освещенность заднего плана, то в современных камерах управление диафрагмой осуществляется на основе измерения освещенности различных участков проецируемого на матрицу ПЗС изображения.

На практике автоматическая установка диафрагмы плохо реагирует на внезапные резкие изменения яркости или контрастности получаемого изображения. Это происходит при быстрой трансфокации («наезде») вариообъективом или при резком включении внешнего источника света. Предвидя возможность подобных моментов, следует заранее установить регулятор в положение ручной настройки диафрагмы.

4.4. Конструктивные особенности светоделительных систем современных телекамер

В передающих камерах цветного телевидения необходимо одновременно проецировать цветоделенные изображения на светочувствительные поверхности одной или нескольких ФПМ. Благодаря применению в современных теле- и видеокамерах малогабаритных преобразователей свет-сигнал, а также разработке вариообъективов с удлиненным задним отрезком стало возможным в качестве светоделительной системы использовать призменные блоки в совокупности с дихроическими зеркалами и коррекционными фильтрами.

Оптическая схема трехматричной телекамеры с призменным светоделительным блоком представлена на рис. 4.10 [46]. Работа такой оптической системы отличается простотой и состоит в следующем. Свет, выходящий из вариообъектива 1, пройдя через общий нейтральный или приводной светофильтр (который ставится в случае избытка света), падает на светоделительные слои 4, нанесенные на грани призм 3 в местах расщепления светового луча, и вследствие избирательного отражения и пропускания образует цветоделенные изображения на светочувствительных поверхностях ФПМ 6. Коррекционные светофильтры 5 нанесены на грани призм в непосредственной близости от ФПМ.

Рис. 4.10. Схема оптической системы трехматричной телекамеры

спризменным светоделительным блоком:

1– вариообъектив; 2 – приводной (нейтральный) светофильтр; 3 – призмы; 4 – светоделительные слои; 5 – коррекционные светофильтры; 6 – ФПМ

Основными преимуществами светоделительных систем в заднем рабочем отрезке вариообъектива являются их относительно небольшие габариты и масса, высокие четкость и контраст изображения (так как в них меньше аберрационные искажения и светорассеяние), больший коэффициент пропускания (за счет меньших поглощения света в стекле и вредного отражения от поверхностей призм).

При выборе структуры призменного светоделительного блока принимается во внимание ряд условий: а) в каждом световом канале призмы должны действовать как плоскопараллельная пластинка; б) должна допускаться возможность нанесения многослойных пленок дихроических зеркал при соответствующей их ориентации; в) проходящие через светоделительный блок световые пучки не должны виньетироваться.

Дихроические (интерференционные) зеркала, применяемые в телекамерах, представляют собой многослойные пленки (от 7 до 20 слоев) со слоями различной толщины и разными показателями преломления, нанесенные на грани стеклянных призм, функционирующих как плоскопараллельные пластинки. Толщина каждого слоя равна части длины волны светового излучения. Световой поток белого цвета J1, попадая на дихроическое зеркало, частично отражается (лучи J2 и J3), а частично проходит через него (J4) (рис. 4.11). В зависимости от толщины пленки, коэффициентов преломления стекла n1 и пленки n2 лучи, отраженные от границы стекло-пленка (J2) и пленка-воздух (J3), могут в зависимости от длины волны, то есть цвета, оказаться либо в фазе, либо в противофазе или промежуточном состоянии. Это означает, что их энергия может либо складываться, либо частично или полностью взаимно компенсироваться. Следовательно, интенсивность отраженного света зависит от его длины волны . Типичные графики зависимости коэффициента отражения = (J2 + J3)/J1 и коэффициента пропускания = J4/J1 представлены на рис. 4.12 [47]. Из анализа данных графических зависимостей следует, что сумма прошедшего и отраженного света примерно равна падающему на зеркало световому потоку: + = 1.

Для лучшей цветовой избирательности дихроического зеркала нанесенная на него пленка делается многослойной. Подбором коэффициентов преломления в этих пленках, их толщины и порядка расположения удается добиться значи-

Рис. 4.11. Устройство дихроического зеркала с одной пленкой

Рис. 4.12. Зависимости коэффициентов пропускания и отражения от длины волны света

тельно лучшей зависимости коэффициентов отражения и пропускания от длины волны, то есть большей крутизны среза на участке bc и лучшей равномерности характеристики на участках пропускания ab и отражения cd (см. рис. 4.12). Выбор нужной толщины интерференционных слоев позволяет получить красноотражающее и синеотражающее покрытия, предназначенные для разделения общего светового потока на три составляющие – красную R, зеленую G и синию B.

Интерференционный характер процессов в дихроических зеркалах является причиной существенной зависимости их спектральных характеристик от угла наклона и поляризации входящих лучей. Так, для наиболее распространенного варианта конструкции светоделительной системы телекамеры (угол падения осевого луча центрального пучка лучей составляет 38 ) сдвиг характеристики спектрального отражения в сторону коротковолновой области спектра относительно характеристики отражения при нормальном падении луча на дихроическое зеркало (под углом 90 ) составляет вдоль оси длин волн 75 нм для синеотражающего и 30 нм для красноотражающего зеркал. Это может приводить к появлению искажений цветности по полю объекта передачи. Основная мера борьбы с такими искажениями – уменьшение отклонения световых лучей от номинального направления, для чего дихроические зеркала помещают в параллельные или слабо сходящиеся (или расходящиеся) световые пучки. Для ослабления искажений, вызываемых частичной поляризацией света на поверхности воды, стекла, перед вариообъективом устанавливается специальный электрически управляемый поляризующий жидкокристаллический фильтр.

Практически ввиду сложности технологии нанесения многослойных светоделительных пленок и ограниченного количества, пригодных для этих целей материалов не всегда удается получить желаемую форму их спектральных характеристик. Поэтому точная доводка спектральных характеристик цветовых каналов до требуемой в светоделительной системе телекамеры производится с помощью цветных коррекционных светофильтров 5 (см. рис. 4.10), установленных в выходных окнах призменных компонентов.

В большинстве случаев коррекционные светофильтры изготавливаются из цветного стекла или стекла с интерференционным покрытием, реже из окрашенной желатины или пластмассы. Наличие у коррекционного светофильтра

Рис. 4.13. Структура мозаичного растра

определенной (полученной из расчета) спектральной характеристики пропускания достигается за счет выбора марки и толщины цветного оптического стекла (или типа и концентрации красителя в фильтрах из желатины или пластмассы).

Для формирования цветоделенных изображений в одноматричных (однотрубочных) телекамерах на все элементы большеразмерной, например, однодюймовой ФПМ наносится мозаичный растр Байера (Bayer pattern), состоящий из оптических фильтров первичных цветов R, G, B (Primary Color Filters), структура которого изображена на рис. 4.13 [48]. Причем каждый элемент мозаичного растра может соответствовать нескольким пикселям на светочувствительной поверхности ФПМ. Как видно из рис. 4.13, половина элементов растра Байера чувствительна к зеленому цвету, а к красному или синему цвету – только четверть элементов (мозаика полимерных светофильтров по схеме RGGB). Данный алгоритм размещения элементов мозаичного растра хорошо согласуется с цветовой чувствительностью реального глаза, описываемой соотношением:

Y = 0,3R + 0,59G + 0,11B.

Видеосигналы, соответствующие пропущенным элементам основных цветов R, G, B, восстанавливаются способом интерполяции, причем обычно применяются адаптивные интерполяционные алгоритмы, позволяющие избежать появления интенсивных муаров и зубчатости наклонных границ. Интерполяция может производиться как внутри телекамеры, так и вне ее в процессе компоновки программы.

Применение мозаичного растра в телекамере позволило обойтись без достаточно сложного, а, следовательно, и дорогого призменного светоделительного блока.

Конечно, телевизионные камеры с тремя ФПМ и тремя оптическими фильтрами RGB-типа перед ними потенциально обеспечивают получение цветных изображений более высокого качества, но это – достаточно дорогие бытовые и профессиональные устройства.

4.5. Системы стабилизации изображений на фотоприемной матрице

В сложных динамичных условиях работы телевизионного оператора (например, в автомобиле, на палубе корабля, при съемке с вертолета и т.д., или когда телекамера находится в руках движущегося оператора), возникают нежелательные колебания камеры, и как следствие, смещение воспринимаемых изображений, которые всегда отрицательно влияют на качество съемки. Фактически снижение качественных показателей получаемого видеоматериала, в первую очередь, обусловлено ухудшением четкости. Все это необходимо учитывать, особенно в передающих камерах ТВЧ-типа.

Известно три способа стабилизации воспринимаемого изображения в передающих камерах: механический, электронный и оптический. Установка передающей камеры на штатив или стабилизационную платформу, использование системы Steadicam (буквально «устойчивая камера», «стабильная камера») (специальное устройство для стабилизации и балансировки съемочной камеры во время съемок в движении) относится к категории механической стабилизации. В принципе, это правильный подход при видеосъемках в любых условиях. Однако механическая стабилизация во многих случаях не обеспечивает требуемой оперативности и мобильности. Электронная стабилизация основана на резервировании светочувствительных элементов ФПМ под возможное смещение изображения (зарезервированные пиксели «подхватывают» участок проецируемого изображения, переходящий с соседнего элемента, и тем самым обеспечивает неподвижность воспринимаемого изображения). Такая схема стабилизации эффективна только в ограниченном диапазоне частот колебаний и при небольших смещениях передающей камеры.

Наиболее распространенным способом получения стабильности изображения, особенно при постоянной вибрации видеокамеры, является оптическая стабилизация изображения, впервые разработанная японской фирмой Canon. В этом случае для регистрации и устранения колебаний изображения используется перемещение специальных элементов оптики. В целом, такой стабилизатор не влияет на качество изображения, проецируемого на светочувствительную поверхность матрицы и эффективен в широком диапазоне увеличений, но относительно дорог, а также увеличивает энергопотребление видеокамеры и ее габариты.

Для регистрации перемещений объектива в оптической системе стабилизации используются миниатюрные гироскопы. Стабилизатор изображения сдвигает группу линз объектива в параллельной к светочувствительной поверхности ФПМ плоскости [36].

Когда объектив перемещается из-за сотрясения, световые лучи от объекта съемки, формирующие его изображение, сдвигаются относительно оптической оси, вызывая появление смазанного изображения. Сдвигая группу линз стабилизации в плоскости, перпендикулярной ФПМ, в необходимых пределах для компенсации перемещения объектива, можно добиться эффекта, когда лучи, достигающие светочувствительной поверхности матрицы, фактически остаются