Основные характеристики цифровых телекамер

ПРИМЕНЕНИЕ цифровЫХ спекл-интерфероМЕТРОВ ДЛЯ ВИБРОМЕТРИИ ОБЪЕКТОВ

Основные характеристики цифровых телекамер

В настоящее время в системах регистрации спекл-интерферометров широко используются цифровые телекамеры. Основным чувствительным элементом в цифровых телекамерах являются создаваемые на основе приборов с зарядовой связью ПЗС-матрицы. Объектив телекамеры формирует в плоскости ПЗС-матрицы изображение исследуемого объекта, которое преобразуется в стандартный цифровой телевизионный сигнал. Размеры спеклов в плоскости изображения в спекл-интерферометре определяются апертурным числом N_a объектива (6.10).

ПЗС-матрица представляет собой упорядоченный набор светочувствительных элементов (секция накопления). Каждый светочувствительный элемент обладает свойством накапливать электрические заряды пропорционально числу попавших на него фотонов. Таким образом, за время экспозиции на секции накопления возникает двумерная матрица зарядов, пропорциональных яркости исходного изображения. Накопленные заряды первоначально переносятся в секцию хранения, а далее - пиксель за пикселем и строка за строкой они подаются на выход матрицы, где заряд преобразуется в напряжение.

Размер секции хранения по отношению к секции накопления бывает разный:

- на кадр (матрицы с кадровым переносом для прогрессивной развертки);

- на полукадр (матрицы с кадровым переносом для чересстрочной развертки).

Существуют также матрицы, в которых отсутствует секция хранения, и тогда строчный перенос осуществляется прямо по секции накопления. Для работы таких матриц требуется оптический затвор.

В цифровых спекл-интерферометрах обычно используются матрицы с прогрессивной разверткой. Матрицы с чересстрочной разверткой могут применяться только в интерферометрах, предназначенных для исследования поведения объектов под действием статических нагрузок.

Несмотря на разнообразие телевизионных камер, ПЗС-матрицы, используемые в них, практически одни и те же. Массовое и крупносерийное производство ПЗС-матриц осуществляется несколькими фирмами: Sony, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi, Kodak.

Основными параметрами ПЗС-матриц являются:

- размерность в пикселах;

- геометрический размер в дюймах (1 дюйм равен 25,4мм);

- чувствительность.

Размерность в пикселях наряду с качеством объектива является параметром, определяющим разрешающую способность цифровой телекамеры.

В настоящее время выпускаются ПЗС-матрицы, охватывающие широкий диапазон размерностей - от нескольких сотен до нескольких тысяч пикселей.

К наиболее широко применяемым ПЗС-матрицам следует отнести матрицы с разрешением, ориентированным на телевизионный стандарт. Это матрицы, в основном, двух форматов:

512x576;

768х576.

Матрицы 512x576 пикселей обычно используются в простых и дешевых системах видеонаблюдения.

Матрицы 768x576 позволяют получить максимальное разрешение для стандартного телевизионного сигнала (640х480).

Часто фирмы-изготовители телекамер указывают разрешающую способность в телевизионных линиях. Это означает, что камера позволяет наблюдать раздельно N/2 темных вертикальных штрихов на светлом фоне, уложенных во вписанный в поле изображения квадрат, где N - заявленное число телевизионных линий.

Геометрический размер матрицы в дюймах (2/3, 1/2, 1/3 и т. д.) не определяет точный размер чувствительной области, а, скорее, сами цифры определяют класс прибора. При этом матрицы больших геометрических размеров, как правило, имеют больший размер ячейки фотоприемной секции. В спекл-интерферометрии именно размер фотоприемной ячейки b имеет значение, поскольку он не может быть больше, чем установленный с помощью объектива размер спекла. Размеры площади элементов современных ПЗС-матриц различны, но типовое значение для 1/2-дюймовых матриц телекамер составляет @ 8,6х8,3 мкм.

Чувствительность телекамеры характеризуется способностью фотоприемной матрицы реагировать на длину волны падающего излучения и определяется количеством зарядов, образующихся падающими на ее поверхность фотонами. Это количество зависит от площади светочувствительного элемента матрицы и квантовой эффективности ПЗС-матрицы. Увеличение размеров элементов ведет к увеличению размеров самих матриц, что повышает их стоимость. Кроме того, на площадь светочувствительной зоны влияет топология матрицы, которая определяет, сколько процентов от общей поверхности кристалла ячейки занимает собственно чувствительная поверхность (фактор заполнения). У некоторых матриц фактор заполнения достигает 100%.

Квантовая эффективность матриц определяется средним изменением заряда чувствительной ячейки при падении на ее поверхность одного фотона и составляет 0,4-0,6.

Чувствительность цифровых телекамер, отнесенная к определенному значению сигнал/шум, приближена к физическому пределу. Типичные значения чувствительности камер общего применения при отношении сигнал/шум равном 46 дБ лежат в диапазоне 0,1- 0,001 лк.

На рис.7.1 приведены значения относительной спектральной чувствительности ряда типичных камер (из рекламных проспектов).

Можно заметить, что черно-белые ПЗС-матрицы фирмы SONY выпускаются со спектральной чувствительностью, приближенной к чувствительности человеческого глаза. Максимум спектральной характеристики цифровых телекамер, создаваемых на этих матрицах, сдвинут из инфракрасной области в область длин волн 450 – 700 нм. Заданная ширина спектра обосновывает применение в ЦСИ как газовых (гелий-неоновый, аргоновый), так и твердотельных лазеров (рубиновый, неодимовый с удвоением частоты).

Рис.7.1. Относительная спектральная чувствительность типичных черно-белых ПЗС-матриц: 1- DALSA; 2 – THOMSON; 3 – Texas Instruments; 4 – SONY