4. Преобразование изображений в электрические сигналы

Целью изучения данной темы является ознакомление с принципами работы передающих телевизионных трубок, твердотельных преобразователей на основе ПЗС, знание конструктивных особенностей современных передающих ТВ камер.

4.1. Передающие телевизионные трубки

На передающей стороне ТВ системы необходимо преобразовать оптическое изображение передаваемого объекта в ТВ сигнал. Подобное преобразование можно осуществлять как с помощью электронно-лучевых (вакуумных), так и твердотельных преобразователей. Вакуумные преобразователи (передающие трубки) по виду используемого в них фотоэффекта классифицируются на две группы: с внешним и внутренним фотоэффектом. В настоящее время в большинстве ТВ камер применяются передающие трубки с внутренним фотоэффектом видиконной конструкции (видикон, плюмбикон, сатикон, кремникон и др.), отличающиеся только составом фотопроводящей мишени, а также твердотельные матрицы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС).Для примера на рисунке 4.1 показано устройство типовой передающей трубки с фотопроводящей мишенью, магнитной фокусировкой и магнитным отклонением.

Рисунок 4.1. Конструкция передающей трубки видикон типа ММ

Рисунок 4.1. Конструкция передающей трубки видикон типа ММ

Объектив 1 проецирует оптически сфокусированное изображение передаваемого объекта на фотопроводящий слой 6, нанесенный на сигнальную пластину 5, которая напылена на планшайбу 7. Сигнальная пластина электрически соединена с кольцевым выводом 8. Электронно-оптическая система передающей трубки состоит из катода 12, модулятора 11, первого анода 10, второго анода 9 и выравнивающей сетки 13.

Электронный луч фокусируется катушкой 2, а отклоняется горизонтальными и вертикальными катушками отклонения 4. Назначение корректирующей катушки 3 сводится в основном к компенсации погрешностей, вносимых магнитной и электронно-оптической системами. Модулятор 11 предназначен для регулировки тока электронного луча, а первый и второй анод - для его формирования. Магнитное поле катушки 2 фокусирует электронный луч в плоскости мишени. Перед мишенью установлена выравнивающая сетка. Между мишенью и сеткой создается однородное тормозящее поле по всей сканируемой площади фоточувствительного слоя, что позволяет сохранить фокусировку луча и равномерность сигнала по полю изображения.

При работе трубки в режиме медленных электронов на сигнальной пластине устанавливается напряжение в пределах от 10 до 30 В по отношению к катоду. На катоде - нулевой потенциал, а на анод подается напряжение около 300 В. Рассмотрим действие трубки при развертке медленным электронным лучем.

В процессе развертки на внутренней поверхности (обращенной к электронному лучу) фотопроводника создается потенциал, близкий к потенциалу катода. Вследствие этого между противоположными поверхностями фотопроводящего слоя устанавливается разность потенциалов. После ухода луча с рассматриваемой точки потенциал внутренней поверхности мишени растет, так как элементарная емкость каждого из участков фотопроводника разряжается через поперечное сопротивление слоя. При проецировании изображения на мишень проводимость различно освещенных участков фотослоя будет не одинаковой. В фотопроводнике возникает рельеф проводимости, соответствующий рельефу яркости передаваемой сцены. Поэтому в течение времени кадра каждая из элементарных емкостей в зависимости от ее освещенности разряжается по разному. В результате к концу кадра на стороне мишени, обращенной к лучу, возникает потенциальный рельеф. При развертке электронный луч, доведя поверхность всех участков мишени до одинакового потенциала, теряет на освещенных участках фотослоя большее количество электронов, чем на затемненных. При этом токи дозаряда элементарных емкостей несут в себе информацию о распределении освещенностей на фотомишени. Протекая через нагрузочное сопротивление они создают напряжение видеосигнала, который содержит информацию о средней яркости изображения.

Первым практически разработанным преобразователем свет-сигнал с внутренним фотоэффектом была малогабаритная передающая трубка видикон, в которой применена фотопроводящая мишень, изготовленная из стибнита (трехсернистая сурьма Sb2S3).

Применение в видиконе светочувствительного фотодиодного слоя, представляющего собой pin - структуру на основе пористой пленки моноокиси свинца, позволило создать передающую трубку плюмбикон. Трубку данного типа иногда еще называют леддиконом, глетиконом. По сравнению с видиконом плюмбикон имеет следующие особенности: меньшая инерционность сигнала (остаточный сигнал составляет не более 5% основного сигнала через 60 мс после прекращения освещения); темновой ток примерно в 100 раз меньше тока сигнала, что позволяет обеспечивать хорошую равномерность сигнала по всему полю изображения; высокая стабильность световой характеристики при достаточно хорошей ее линейности.

Видиконную конструкцию имеет передающая трубка кремникон, мишень которой дискретна и представляет собой упорядоченную фотодиодную матрицу, выполненную по планарной технологии. Кремниконы в сравнении с плюмбиконами имеют более высокую чувствительность, больший световой динамический диапазон, требуемую спектральную характеристику чувствительности и повышенную температурную стойкость мишени. Фотопроводящий слой кремникона представляет собой аморфную среду в виде халькогенидного стекла, состоящего из селена, легированного мышьяком и теллуром. Применяемый фотопроводник имеет структуру, которую называют гетеропереходом, благодаря которой обеспечивается высокое разрешение. Спектральная характеристика сатикона позволяет использовать его в цветных передающих камерах без каких-либо ограничений.

В настоящее время в большинстве конструкций вещательных телекамер в основном используются передающие трубки типа плюмбикон и сатикон, в телекамерах прикладного и бытового назначения – плюмбикон, видикон, кремникон.

Рисунок 4.2. Конструкция твердотельных матричных преобразователей ПЗС типа

Рисунок 4.2. Конструкция твердотельных матричных преобразователей ПЗС типа

а) устройство с кадровым переносом зарядов

б) устройство со строчно-кадровым переносом зарядов

1- секция накопления; 2- регистры памяти; 3- выходной регистр

4.2. Твердотельные преобразователи на основе ПЗС

Матричные твердотельные преобразователи свет-сигнал обеспечивают электронную развертку по обеим осям. Они представляют собой двумерную матрицу светочувствительных элементов, в которых накапливаются и переносятся заряды.

ПЗС матрицы можно классифицировать на приборы с кадровым переносом зарядов (рисунок 4.2 а), приборы со строчным переносом зарядов и приборы со строчно-кадровым переносом зарядов (рисунок 4.2 б). Приборы с кадровым переносом зарядов состоят из секций накопления и хранения и выходного регистра. При подаче напряжений в определенных фазах под электродами в светочувствительной секции накапливаются заряды, пропорциональные падающему световому потоку. В течение длительности КГИ при подаче импульсов переноса все накопленные заряды быстро сдвигаются из секции накопления в экранированную от света секцию памяти, откуда построчно выводятся в выходной регистр во время действия СГИ, а затем последовательно считываются во время активной части строки. В ПЗС с кадровым переносом зарядов может применяться двух-, трех- или четырехфазная системы электродов. Благодаря чересстрочной организации считывания удается удвоить число строк на изображении по сравнению с числом элементов по вертикали. Для осуществления чересстрочной развертки наиболее удобны двух- и четырехфазные системы электродов. Серьезным недостатком ПЗС с кадровым переносом является довольно сильный эффект смаза – появление вертикальных светлых столбов от ярких участков на изображении. Чтобы исключить смаз, следует перекрыть световой поток в интервале КГИ, когда заряды переносятся в секцию хранения. Для этого в телекамерах, где применяется ПЗС с кадровым переносом, устанавливается механический обтюратор.

В матрицах со строчным переносом зарядов секция хранения зарядов размещена внутри секции накопления так, что столбцы светочувствительных элементов разделены столбцами вертикальных регистров сдвига. Поэтому заряды из секции светочувствительных элементов попадают в регистр сдвига за очень короткое время. В итоге эффект смаза в матрицах со строчным переносом оказывается существенно меньшим, чем в матрицах с кадровым переносом. В телекамерах бытового и прикладного назначения такой уровень смаза приемлем, поэтому ПЗС матрицы со строчным переносом используются в подобных устройствах. Для ТВ вещания уровень смаза, характерный для матриц со строчным переносом, в ряде случаев неприемлем, если не принять меры по их снижению.

Компромисс был найден – к матрице со строчным переносом была добавлена секция хранения, подобная используемой в матрицах с кадровым переносом. В этих матрицах эффект смаза снижен до тысячной доли процента и практически незаметен.

В ПЗС со строчно-кадровым переносом зарядов (рисунок 4.2 б) светочувствительные ячейки секции накопления примыкают в каждом столбце к вертикальному регистру сдвига, закрытому непрозрачным экраном. Заряды, накопленные в светочувствительных ячейках, при подаче отпирающего напряжения на фотозатвор в течение части КГИ быстро сдвигаются (четные строчки в первом поле, нечетные – во втором) в вертикальные регистры и затем во время обратного хода строчной развертки периодически перемещаются вдоль вертикального регистра на один такт, попадая в горизонтальный регистр, который выполнен так же, как и в ПЗС с кадровым переносом зарядов.

Преимуществом матриц со строчно-кадровым переносом зарядов (рисунок 4.2 б) по сравнению с матрицами с кадровым переносом (рисунок 4.2 а) является отсутствие секции памяти, более высокая разрешающая способность по вертикали, более точная чересстрочность развертки, а также более простое устройство стока избыточных зарядов. В то же время конструкция ПЗС со строчно-кадровым переносом, как правило, сложнее, чем ПЗС с кадровым переносом, а светочувствительная поверхность у них меньше, так как вертикальные регистры, находящиеся в поле изображения, экранируются для предотвращения попадания света. По этой причине в ПЗС с кадровым переносом удается разместить по горизонтали в 1,5-2 раза большее число элементов, чем в ПЗС со строчно-кадровым переносом.

Для получения видеосигналов трех основных цветов в современных цветных передающих камерах, как правило, используются три однотипные трубки или твердотельные матрицы с цветоделительной системой, которая из многоцветного изображения объекта формирует три одноцветных изображения.

4.3. Общие принципы построения передающих телевизионных камер

Теоретической основой построения камер цветного телевидения является теория трехкомпонентного цветного зрения. Поэтому в большинстве конструкций ТВ камер применяется несколько передающих трубок. Причем обобщенная функциональная схема передающих камер независимо от их назначения является единой (рисунок 4.3).

Система управления 1 обеспечивает формирование в автоматическом режиме или преобразование в ручном режиме команд и управляющих сигналов для:

  • регулирования параметров отдельных систем камеры в процессе передачи по желанию оператора или при изменении условий передачи, например, диафрагмирование при изменении освещенности;
  • поддержания параметров передающей камеры при ее работе в пределах установленных допусков;
  • настройки камеры и диагностики неисправностей.

Оптическая система 2 предназначена для преобразования светового потока, поступающего от объекта наблюдения, который освещен естественным или искусственным источником света, в один или несколько световых потоков для формирования одного или нескольких цветотделенных изображений на светочувствительных поверхностях преобразователей свет-сигнал. Кроме того, оптическая система позволяет производить дистанционное масштабирование изображений, их фокусировку и диафрагмирование. В оптическую систему встроен специальный диапроектор, с помощью которого осуществляется настройка передающей камеры перед началом ее работы. Оптическая система снабжена также механизмом смены нейтральных светофильтров, управляемым дистанционно.

Система преобразования свет-сигнал 3 преобразует оптические изображения, спроецированные на светочувствительные поверхности, в видеосигналы в процессе развертки и осуществляет их предварительное усиление. В систему преобразования свет-сигнал входят также генераторы строчной и кадровой разверток, обеспечивающие получение пилообразных отклоняющих токов в отклоняющих катушках фокусирующе-отклоняющих систем (ФОС). Кроме того, в данную систему входит устройство коррекции нелинейностей отклонения кадровой и строчной разверток. Здесь же формируются строчные центрирующие токи электромагнитных систем ФОС.

Система обработки видеосигналов 4 предназначена для:

  • коррекции искажений, вносимых оптической системой и системой преобразования свет-сигнал, вследствие отклонения их характеристик от идеальных;
  • преобразования сигналов с целью изменения визуального восприятия или выделения определенных деталей и участков изображения, например, для повышения контрастов объектов, компенсации цветовой температуры источника света;
  • преобразования сигналов с целью обеспечения возможности их использования в коммутаторах, видеомагнитофонах, передачи по линиям связи, например, кодирование по одной из систем цветного телевидения.

Рисунок 4.3. Функциональная схема типовой передающей ТВ камеры

Рисунок 4.3. Функциональная схема типовой передающей ТВ камеры

Система синхронизации 5 обеспечивает временное согласование функционирования всех систем и блоков телекамеры путем обмена синхросигналами, командами, а также при работе камеры совместно с внешними устройствами, в том числе при одновременной работе нескольких телекамер.

Система контроля и индикации 6 предназначена для обеспечения визуального и осциллографического контроля состояния камеры и параметров формируемых ею видеосигналов, а также настройки камеры и диагностики неисправностей. В состав данной системы входят электронный видоискатель, предназначенный для технического контроля изображения в процессе настройки, а также для выбора оператором передаваемого сюжета и плана его показа, осуществления оперативной фокусировки объектива в процессе эксплуатации камеры.

Система электропитания 8 обеспечивает формирование разных стабилизированных напряжений, необходимых для отдельных систем передающей ТВ камеры, из напряжения сети переменного тока или автономного источника постоянного тока.

Система звукового сопровождения и служебной связи 10 совместно с микрофоном 7, установленном непосредственно на камере, и микротелефонной трубкой оператора 9 обеспечивает следующие функции:

  • двустороннюю речевую и командную связь оператора камеры с другими творческими и техническими работниками, участвующими в передаче;
  • формирование сигналов звукового сопровождения;
  • прослушивание оператором сигнала звукового сопровождения транслируемой передачи.

4.4. Основные требования, предъявляемые к передающим камерам

Параметры ТВ камер подразделяются на две основные группы: оптико-электрические и эксплуатационные. Оптико-электрические параметры характеризуют передачу градаций яркости, мелких деталей, цветопередачу, искажения передаваемого изображения (геометрические, нелинейные и др.) паразитные составляющие сигналов, в том числе шумы и помехи. Эксплуатационные параметры характеризуют режимы работы камеры, ее массу, размеры, потребляемую мощность, чувствительность, от которой зависит требуемая освещенность объекта, сохранение оптико-электрических параметров при изменении условий окружающей среды (температуры, влажности и т.д.).

Некоторые типы камер обладают специфическими параметрами, например телекинокамеры и камеры прикладного телевидения, - оптико-механическими (характеризующими системы протяжки кинопленки и узлы наведения соответственно), вещательные телекамеры - акустоэлектрическими (неравномерность частотных характеристик трактов звукового сопровождения и служебной связи, уровень акустических помех и т.д.).

Одними из основных параметров изображения, характеризующих его качество, являются яркость, контрастность и число различных градаций яркости. Максимальные значения яркости и контрастности изображения определяются только светотехническими параметрами преобразователей сигнал-свет и условиями наблюдения воспроизводимых изображений. Число различных градаций яркости изображения и их соответствие уровням яркости рассматриваемого объекта зависит как от параметров воспроизводящего ТВ устройства, так и от способов построения трактов обработки видеосигналов в ТВ камерах и характеристик самих телекамер. Проведенные исследования показали, что число различных градаций яркости для ТВ изображения с контрастностью 40 и с максимальной яркостью белого 120 кд/м2 при отсутствии посторонних засветок экрана кинескопа составляет приблизительно 100. При увеличении контрастности ТВ изображения до 100 и более, что обеспечивается современными кинескопами, это число может быть и большим.

На субъективную оценку качества воспроизводимого ТВ изображения влияет форма амплитудной характеристики ТВ тракта. Например, исследования, проведенные для цветной ТВ системы с учетом реальных условий наблюдения воспроизводимого изображения, показали, что качество изображения оценивается выше, если амплитудная характеристика от света до света отлична от линейной и соответствует степенной функции с показателем степени γ больше единицы (γ =1,2... 1,4). Получение необходимой амплитудной характеристики тракта обусловливается правильным выбором светотехнических и электрических параметров ТВ камеры (освещенностей мишеней преобразователей свет-сигнал, коэффициентов усиления различных узлов камеры, уровней ограничения сигналов) и наличием как ручных, так и автоматических регулировок этих параметров.

Четкость воспроизводимого на экране кинескопа ТВ изображения во многом определяется характеристиками камеры. Оптические и электроннооптические блоки камеры осуществляют линейную пространственную фильтрацию изображения, характеризуемую двумерной функцией k(fx,fy), где fx,fy – пространственные частоты, отсчитываемые по осям координат. Данная функция называется функцией передачи модуляции. Когда идет речь о границе заметности, т.е. о пороговом значении контраста мелких деталей, приблизительно равном 0,1, то соответствующее значение пространственной частоты называют разрешающей способностью телекамеры, В телевидении принято измерять значения пространственных частот в ТВ линиях.

Разрешающая способность передающих камер должна быть согласована с характеристиками ТВ системы в целом. Практически, в первую очередь, необходимо учитывать полосу пропускания канала связи.

Точность воспроизведения цвета (цветопередача) в телевидении определяется характеристиками преобразователей свет-сигнал, сигнал-свет, а также параметрами тракта обработки видеосигналов и особенностями восприятия цвета наблюдателями. Цветопередача передающих камер во многом определяется правильным выбором спектральных характеристик чувствительности красного (R), зеленого (G) и синего (В) каналов.

В общем случае передающие камеры вносят определенные искажения в воспроизводимые ТВ изображения. По визуальному восприятию различают геометрические искажения, рассовмещение цветоделенных изображений, неравномерность яркости и цветности по полю изображения, инерционность, линейные и нелинейные искажения. Необходимо отметить, что у современных вещательных телекамер, работающих в нормальных условиях, значения всех рассматриваемых искажений не превышают порогов субъективной заметности.

Геометрические искажения проявляются в виде нарушения формы передаваемых объектов и вызываются погрешностями оптической системы (прежде всего, дисторсией объектива), отклонением формата растра от номинального и неравномерного движения электронного луча по мишени передающей трубки. Эти искажения часто обозначают по видоизменению формы растра, подушка, бочка, трапеция, ромб. Для оценки геометрических искажений обычно измеряют смещение изображения точечного объекта от правильного положения и выражают его в процентах от высоты растра. Например, в вещательных ТВ камерах эти искажения не превышают 0,05% в центре и 0,4% по границам растра.

Воспроизведение цветного ТВ изображения возможно лишь в том случае, когда все точки изображений, образуемых каждым из цветовых сигналов ER EG EB совпадают на экране цветного кинескопа. Указанное совпадение возможно, если импульсы сигналов с трех передающих трубок поступают на кинескоп в одинаковые моменты времени. Это требование выполняется лишь при тщательной настройке оптических и электронных элементов цветной передающей камеры.

Пространственное статическое рассовмещение цветоделенных изображений проявляется в виде резких цветных окантовок вблизи яркостных границ. Оно может вызываться погрешностями оптической системы (хроматическими аберрациями объектива или нестабильностью параметров цветоделительного блока), смещением передающих трубок в арматуре крепления вследствие температурных изменений, вибраций. Нестабильность развертывающих, фокусирующих и корректирующих магнитных полей (изменение тока в соответствующих катушках) приводит к изменению размеров, повороту и смещению цветоделенных растров, т.е. в конечном счете к рассовмещению. При этом следует иметь в виду, что ошибки рассовмещения наиболее заметны в центральной части изображения, где обычно располагают сюжетно важные элементы объектов наблюдения. Ошибки рассовмещения нормируют аналогично геометрическим искажениям – в процентах от высоты растра, обычно раздельно для центральной и периферийной зон изображения. Требуемая точность совмещения цветоделенных изображений зависит от конструкции телекамеры.

Кроме рассмотренного выше статического рассовмещения, иногда наблюдается динамическое рассовмещение, обусловленное изменением положения развертывающего луча при наклонном его падении на участки мишени с повышенным контрастом потенциального рельефа, т.е. с сильными локальными электрическими полями.

Возникающая неравномерность уровня белого в пределах растра обусловлена мультипликативным искажением в виде затемнения периферийных участков изображения, создаваемого оптическими узлами камеры, Неравномерность уровня белого существенно возрастает при открывании диафрагмы объектива, при этом она может достигать 20...40%. Частичная компенсация этого искажения обеспечивается при использовании специальных электронных корректоров.

Камерам на передающих трубках с накоплением зарядов, особенно не снабженным специальными узлами подсветки, свойственна повышенная инерционность, проявляющаяся в виде плавно спадающих тянущихся продолжений по траектории движения в изображении контрастных (ярких или темных) объектов. При разной инерционности трубок в цветоделенных каналах эти продолжения имеют окраску. Инерционность трубок возрастает в процессе эксплуатации, поэтому такие искажения особенно заметны при превышении гарантированного срока службы передающих трубок. После длительной передачи изображения какого-либо неподвижного объекта, например, испытательной таблицы, могут наблюдаться искажения типа впечатывания, когда на текущее изображение наложено в виде малоконтрастного фона изображение ранее рассматриваемого объекта. Инерционность и впечатывание становятся более заметными по мере увеличения чувствительности камеры (снижения входного светового потока и повышения усиления электронных блоков).

В электрическом тракте передающей камеры важно сохранить неискаженной форму видеосигналов. Для цветного телевидения большое значение имеет идентичность формы трех цветоделенных сигналов ER, EG, ЕВ. Искажения сигналов, вызываемые неравномерностью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) отдельных блоков, называются линейными, так как они линейно связаны с размахом искаженного сигнала. Различают низко-, средне- и высокочастотные линейные искажения, проявляющиеся соответственно в области больших (миллисекунды), средних (несколько микросекунд) и малых (доли микросекунды) интервалов времени. Низкочастотные искажения проявляются на изображении в виде изменения средней яркости фона по обе стороны контрастных объектов, вызываются нарушением работы устройств гашения и фиксации уровня, используемых в электронных узлах камер. Если это нарушение затрагивает все три R, G, В канала, то искажение проявляется как черно-белое; если затронуты один или два канала, то искажение становится цветным. Среднечастотные искажения в виде коротких горизонтальных тянущихся продолжений вызываются неточной настройкой предварительных видеоусилителей. Неидентичность настройки усилителей трех каналов приводит к окрашиванию тянущихся продолжении. При избыточном усилении сигнала средних частот возникают негативные тянущиеся продолжения (черные после белого, белые после черного), которые называют пластикой. Избыток усиления сигналов высоких частот приводит к появлению выбросов на переходной характеристике, т.е. повторов и окантовок справа от контуров наблюдения объектов. Недостаток усиления верхних частот приводит к потере четкости по горизонтали, четкость по вертикали при этом сохраняется.

При передаче границ насыщенных цветных объектов возникают нелинейные искажения, наблюдаемые в виде цветных тянущихся продолжений. Для их снижения устанавливаются специальные корректоры.

ТВ камеры являются источниками нормируемых электрических и акустических помех. В частности, мощными источниками помех являются электродвигатели и редукторы приводов объективов. Создаваемые телекамерами помехи опасны прежде всего для ее предварительных видеоусилителей и для микрофонов (радиомикрофонов), располагаемых на камере или вблизи нее.

Особым видом внутренних помех телекамер являются флуктуационные помехи (шумы). В камерах на передающих трубках основными источниками шумов являются входные каскады предварительных видеоусилителей, в камерах других типов источниками шумов-преобразователи свет-сигнал (твердотельные преобразователи). Во всех камерах исходные шумы, подвергаясь той же обработке, что и видеосигналы, существенно изменяют свой спектральный состав и амплитудное распределение. Кроме того, в процессе обработки видеосигналов появляется сильная зависимость уровня шумов от локальных свойств изображения: например, шумы усиливаются на темных участках изображения при коррекции контраста и на участках с мелкими деталями при коррекции четкости. Цветокоррекция приводит к перераспределению шумов между цветоделенными сигналами ER, EG, EB и общему увеличению зашумленности изображения. Порогом субъективной заметности невзвешенного шума с треугольным спектральным распределением обычно считается уровень -48...-50 дБ.

Важнейшим эксплуатационным параметром передающих камер является чувствительность, т.е. ее способность обеспечивать оптимальное качество изображения при заданной освещенности объекта. Наиболее распространено определение номинальной чувствительности камер посредством указания значения освещенности эталонного объекта белого цвета с коэффициентом отражения, равном 0,6, источником света с цветовой температурой 3200 К при относительном отверстии объектива O = 1:4.

Из параметров окружающей среды на работу передающих камер сильнее всего влияет температура. Обычно нормируется диапазон рабочих температур, в котором гарантируется функционирование всех систем и блоков камеры. Для большинства телекамер диапазон рабочих температур ограничивается значениями: -30...+40°С.

При работе во внестудийных условиях большое значение имеет максимальная длина камерного кабеля, которая определяет наибольшее удаление телекамеры от передвижной станции. Существует три основных типа кабелей – многожильный, триаксиальный и волоконно-оптический. В некоторых случаях используется обычный коаксиальный кабель. Максимальная длина многожильного коаксиального кабеля обычно находится в пределах 300...800 м. Триаксиальный кабель (с двумя коаксиальными оплетками) диаметром 9 мм обеспечивает удаление передающей камеры до 800 м, диаметром 13 мм - до 1500 м, диаметром 16 мм - 2500 м. Наибольшее удаление (до 4000 м) обеспечивают волоконно-оптические кабели, основными достоинствами которых являются малая масса и высокая помехозащищенность.

4.5. Способы построения передающих телевизионных камер

Важнейшим признаком передающих камер цветного телевидения является получение нескольких видеосигналов, необходимых для формирования полного цветного ТВ сигнала на выходе кодирующего устройства. Из основного колориметрического уравнения EY=0,3ER,59EG+0,11EB следует, что в передающей камере не обязательно формировать все четыре сигнала, четвертый может быть получен матрицированием. Поэтому на практике широко применяются трехтрубочные камеры. Имеется два варианта их построения:

1) в телекамере формируются сигналы ER, EG и ЕB, при этом сигнал EY получается матрицированием;

2) формируются сигналы ER, ЕG и ЕB, а сигнал EG получается матрицированием.

При применении ТВ передающей камеры типа RGB широкополосный сигнал EY создается матрицированием, поэтому видеосигналы ER, EG и ЕB должны формироваться камерой в полной полосе частот (до 6,5 МГц). Другими словами, все каналы камеры типа RGB должны быть широкополосными.

В передающей камере YRB формируется один широкополосный сигнал EY, а сигналы ER и ЕB достаточно сформировать в полосе частот до 1,5-2,0 МГц. В этом случае допустимо получение сигналов ER и ЕB с помощью передающих трубок, имеющих меньшую разрешающую способность, чем передающие трубки в канале Y. Однако основное преимущество камеры YRB заключается не в снижении требований к передающим трубкам, а в упрощении задачи совмещения трех растров.

В камерах типа RGB необходимо обеспечить исключительно высокую точность совмещения растров передающих трубок - в среднем не более 0,2-0,3 элементов ТВ изображения в пределах поля. В этом случае относительная допустимая погрешность совмещения не должна превышать 0,03-0,05% от размеров растра по вертикали в его центре и 0,2% в углах растра.

Для обеспечения совмещения необходимо иметь идентичные передающие трубки, ФОСы, оптические каналы. Если в процессе настройки удается получить удовлетворительное совмещение изображений, следующей задачей является сохранение достигнутого совмещения хотя бы на время передачи. Для поддержания неизменности совмещения во времени необходимо добиться высокой стабильности питающих токов и напряжений, а также рационально сконструировать механические детали камеры, поскольку деформации деталей при прогреве могут вызвать заметные погрешности совмещения. Во избежание недопустимого нагрева ее элементов передающая камера должна потреблять небольшую мощность. В трех трубочных передающих камерах должны использоваться схемы автоматического совмещения растров и баланса цвета.

С целью улучшения точности совмещения трех цветоделенных растров наряду с трех трубочными телекамерами цветного телевидения иногда используются четырехтрубочные, в которых яркостная составляющая полного цветового ТВ сигнала формируется с помощью отдельной передающей трубки. В некоторых четырех трубочных камерах для формирования широкополосного сигнала ЕY используется трубка большого диаметра, что обеспечивает большую четкость воспроизводимого изображения. В этом случае для формирования узкополосных сигналов ЕR, EG, EB применяются передающие трубки меньшего диаметра, что позволяет несколько уменьшить габариты камер. При использовании в камере четырех однотипных передающих трубок появляется возможность последовательного соединения четырех одинаковых отклоняющих систем. Конструктивная идентичность этих систем способствует улучшению совместимости растров. При этом допустимая погрешность совмещения ТВ растров в центре изображения разрешается в пределах 0,05-0,1%.

В целом многотрубочные камеры являются достаточно сложными и дорогими устройствами, требующими обслуживания специалистами высокой квалификации. Наряду с трех- и четырехтрубочными камерами в цветном телевидении применяются упрощенные телекамеры, в которых используется одна или две передающие трубки. Получение видеосигналов трех основных цветов на одной передающей трубке автоматически обеспечивает совмещение растров и идентичность характеристик преобразования свет-сигнал отдельных каналов. Однако конструкция двух- или однотрубочной камеры должна, как правило, содержать специальный штриховой цветной светофильтр. Для считывания видеосигналов основных цветов ER, EG, ЕB, соответствующих одному элементу изображения, передающая трубка подобных камер должна иметь повышенную разрешающую способность.

4.6. Оптические системы телекамер

В передающих камерах цветного телевидения необходимо одновременно проецировать цветоделенные изображения на светочувствительные поверхности нескольких передающих трубок. Для этого приходится применять достаточно сложные оптические системы.

Наиболее простой является оптическая система, состоящая из нескольких объективов, через каждый из которых проецируется изображение на свою передающую трубку. Однако по эксплуатационным соображениям а также в связи с геометрическими искажениями изображений и сложностью механизма фокусирования такая оптическая система не получила распространения.

Указанные недостатки отсутствуют в оптической системе с переносом изображения. Оптическая система с переносом изображения позволяет:

1) использовать объективы с коротким задним отрезком, в том числе обычные фотообъективы;

2) устанавливать передающие трубки в нормальное для работы положение, когда их оси горизонтальны;

3) обеспечить незначительный сдвиг спектральных характеристик для крайних точек изображения благодаря тому, что система с переносом создает изображение на значительном расстоянии, и поэтому лучи наклонных пучков образуют с оптической осью малые углы поля зрения в пространстве расположения светочувствительных поверхностей.

Для примера рассмотрим оптическую систему передающей камеры типа RGB (рисунок 4.4). Основной объектив камеры 1, расположенный на турели, является сменным. Поворотом специальной рукоятки осуществляется выбор объектива с нужным фокусным расстоянием F для получения изображения передаваемого объекта с различным масштабом при неизменном расстоянии между ним и камерой. Обычно студийная камера содержит объективы с фокусными расстояниями: F=35; 50; 85; 135; 200 мм или один объектив с переменным фокусным расстоянием, т.е. вариообъектив (F=40-400 мм). Плоскость изображения рассматриваемых объектов находится, как правило, на расстоянии 29 мм от плоскости турели. Поэтому для получения пространства, необходимого для размещения цветоизбирательных зеркал, применяются коллектив 2 и объектив переноса 4. Коллектив является оптической системой, с помощью которой изображение выходного зрачка основного объектива 1 проецируется в плоскость входного зрачка объектива переноса 4. Таким образом обеспечивается равномерное, без затенении изображение.

Рисунок 4.4. Оптическая схема передающей ТВ камеры типа RGB с переносом изображения

Рисунок 4.4. Оптическая схема передающей ТВ камеры типа RGB с переносом изображения

Разделение светового потока на компоненты R, G, В осуществляется двумя дихроическими зеркалами 5. Первое зеркало отражает синие лучи В, пропуская красную R и зеленую G компоненты. Синие лучи ахроматическим зеркалом 6 направляются на фотокатод передающей трубки В. Второе дихроическое зеркало 5 пропускает зеленую компоненту на фотокатод передающей трубки G и отражает красные лучи на ахроматическое зеркало 6. В процессе расщепления светового потока наблюдаются оптические искажения. Известно, что при прохождении через плоскопараллельную пластину расходящегося цветового пучка нарушается относительное положение оптических лучей. Это явление, называемое астигматизмом, приводит к тому, что лучи, прошедшие через пластину, не сходятся в одной точке и образуют пятно эллиптической формы. Компенсация астигматизма достигается введением пары плоскопараллельных пластин 3 (корректор астигматизма), выполненных из того же материала, что и цветоизбирательные зеркала. Пластины корректора астигматизма расположены по отношению друг к другу под тем же углом, что и цветоизбирательные зеркала 5 и повернуты относительно горизонтальной оси на 90°. Таким образом, если дихроические зеркала смещают световые лучи в горизонтальном направлении, то корректор астигматизма смещает их в вертикальном.

Для получения необходимых спектральных характеристик передающей камеры, в сочетании с цветоизбирательными зеркалами, используются коррекционные светофильтры 7. Рассеивающие линзы 8 (линзы Смита), помещенные между фотокатодами передающих трубок 9 и коррекционными светофильтрами 7, служат для исправления оптических искажений типа кривизна поля и дисторсия, возникающих в оптической системе.

Оптическая система с переносом изображения довольно сложна, имеет много элементов и вследствие этого создает большие потери света. Благодаря переходу к малогабаритным передающим трубкам в камерах цветного телевидения стали находить все большее применение оптические системы без переноса изображения, т.е. использоваться призменные светоделительные блоки, которые располагаются в заднем удаленном отрезке вариообъектива.

На рисунке 4.5 приведена оптическая схема четырехтрубочной камеры типа YRGB. Работа такой системы заключается в следующем. Световой поток, пройдя через вариообъектив 1 и через нейтральный (или приводной) светофильтр 2, который ставится в случае избытка света, поступает на призменный светоделительный блок 3. Расщепление светового потока осуществляется с помощью светоделительных слоев, нанесенных на грани призм. Вследствие цветоизбирательного отражения и пропускания на светочувствительных слоях передающих трубок 6 образуются цветоделенные изображения. Светофильтры 4, корректирующие спектральные характеристики оптических каналов, нанесены на грани призм 3. Линзы Смита 5, расположенные у фотослоев передающих трубок 6, корректируют оптические искажения, возникающие в светоделительном блоке.

Рисунок 4.5. Оптическая схема четырехтрубочной передающей ТВ камеры с призменным светоделительным блоком

Рисунок 4.5. Оптическая схема четырехтрубочной передающей ТВ камеры с призменным светоделительным блоком

По сравнению с оптическими системами, с переносом изображения основными преимуществами оптических систем со светоделением в заднем рабочем отрезке объектива являются их меньшие габариты и масса, высокие четкость и контраст изображения (так как в них меньше аберрационные искажения и светорассеяние), больший коэффициент пропускания (за счет меньших поглощений света в стекле и вредного отражения от поверхностей).

Иногда с целью уменьшения инерционности сигнала в канале с малым световым потоком выгодно увеличивать освещенность мишени передающей трубки путем уменьшения размера изображения. В этом случае в данном канале приходится применять объектив переноса и коллектив (рисунок 4.6).

Рисунок 4.6. Оптическая схема трехтрубочной передающей ТВ камеры типа YRB с переносом изображения в одном из каналов

Рисунок 4.6. Оптическая схема трехтрубочной передающей ТВ камеры типа YRB с переносом изображения в одном из каналов

1 - вариообъектив; 2 - нейтральный светофильтр; 3 - светоделительный блок;

4 - светофильтры; 5 - линзы Смита; 6 - коллектив;

7 - объектив переноса; 9 - передающие трубки

В некоторых моделях четырехканальных камер используются трехканальные цветоделительные блоки и три преобразователя свет-сигнал, а четыре сигнала ЕY, ЕB, ER, EG образуются путем электронного матрицирования, например, сигналов EY, ER, ЕB. Применение трехканальных цветоделительных блоков позволяет получить большую по сравнению с камерой YRGB чувствительность каналов R и В и улучшить отношение сигнал-шум сигналов на выходе камеры. Применение четырехканального тракта обработки видеосигналов позволяет наиболее просто осуществить некоторые виды электронной коррекции (двумерную апертурную, коррекцию амплитудной характеристики тракта), но необходимую точность цветопередачи здесь обеспечить достаточно сложно.

Вопросы для самоконтроля

4.1. С помощью каких приборов оптические изображения преобразуются в электрический сигнал?

4.2. Поясните принцип работы передающих ТВ трубок.

4.3. Назовите основные конструктивные особенности твердотельных преобразователей на основе ПЗС.

4.4. Поясните принцип построения передающих ТВ камер.

4.5. В чем заключаются особенности камер цветного телевидения?

4.6. Сформулируйте основные требования, которые предъявляются к передающим камерам.

4.7. Перечислите важнейшие параметры современных передающих ТВ камер и дайте им физическое обоснование.

4.8. Объясните особенности работы передающей ТВ камеры типа RGB с переносом изображения.

4.9. Назовите основные конструктивные особенности четырехтрубочной ТВ камеры с призменным цветоделительным блоком.

4.10. Поясните принцип построения оптической схемы трехтрубочной передающей ТВ камеры типа YRB с переносом изображения в одном из каналов.

Список рекомендуемой литературы

  1. Телевидение/ Под ред. В.Е. Джаконии.– М.: Радио и связь, 1997.– 640 с.
  2. Телевизионные передающие камеры / В.А. Петропавловский, Л.Н. Постникова, А.Я. Хесин, А.Л. Штейнберг.– М.: Радио и связь, 1998.– 304 с.
  3. Техника цветного телевидения / Под ред. С.В. Новаковского.– М.: Связь,1976.– 496 с.
  4. Самойлов В.Ф., Хромой Б.П. – Основы цветного телевидения. – М.: Радио и связь, 1982. – 160 с.
  5. Проектирование и техническая эксплуатация телевизионной аппаратуры / Под ред. С.В. Новаковского.– М.: Радио и связь, 1994.– 360 с.

Основы радиосвязи и телевидения


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.