Передающая телевизионная камера

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 04 Й 5/30, 5/20

К ПАТЕНТУ

ГОСУДЛРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) 1 (21) 4822943/09 (22) 03.05.90

= (46) 07.02.93.Бюл. й. 5

- (71) Минский радиотехнический институт (72) В.М. Марченко, Н.И.Дома ренок, О.Ч.Гайдукевич, И.Г,Мороз и А.B.Ïàõîìåíко (73) Н.И.Домаренок (56) К.J.Harnett at al//Proc. SPIE. 1981.

v.267. р.47-55. (54) ПЕРЕДАЮЩАЯ ТЕЛЕВИЗИОННАЯ КАМЕРА . (57) Изобретение относится к телевизион- ной (ТВ) технике и может быть использовано при постррении высокоточных ТВ измерительных систем, в частности систем технического зрения и систем тепловидения с

:, электронным сканированием. Цель изобретения — повышение точности формирования

Изобретение относится к телевизионной (ТВ) технике и может быть использовано при построении высокоточных телевизионных измерительных систем, в частности систем технического зрения и систем тел= ловыделения с электронным сканированием.

Известна система формирования изображения, содержащая обьектив, матрицу детекторов и средства оптической коррекции, которые включают дополнительный ис. точник излучения, мозаичную линзу и мозаичный неселективный фильтр и обеспечивают избирательную засветку детекторов матрицы, причем интенсивность засветки каждого детектора определяется его чувствительностью.

„„5Q„„1794280 А3

2 видеосигнала путем уменьшения влияния неравномерности чувствительности датчика видеосигнала, При калибровке датчика 4 видеосигнала фотозатвор 1 закрыт и световой поток от источника 2 равномерной засветки, исходящего в фокальной плоскости объектива 3, поступает на фоточувствитель: ную поверхность датчика 4. Видеосигнал корректируется блоком 5 коррекции, управляемым бт блока синхронизации. При TB . наблюдении фотозатвор 1 открывается, а источник 2 выносится за поле зрения датчи ка 4. Источник 1 может представлять собой точечный источник, расположенный в точке переднего фокуса объектива 3, при этом источник 2 может быть расположен на внутренней.. поверхности фотозатвора 1, Б который выполнен s виде подвижной непрозрачной заслонки или шторки. 2 з.п,флы,4 ил.

Ф1

Недостатком данной системы является сложность перестройки средств оптической коррекции при изменении характера неравномерности чувствительности. которое может произойти вследствие замены матрицы. Q ее старения или температурного дрейфа лараметров.

Известно также устройство формирования изображения, содержащее объектив, датчик видеосигнала и блок компенсации, который имеет запоминающие устройства (ЗУ) для хранения сигналов коррекции и осуществляет компенсация неравномерности темнового сигнала и неравномерности чувствительности путем соответствующего смещения видеосигнала и изменения коэффициента передачи.

1794280

Недостатком данного устройства является необходимость создания при формировании и запоминании сигналов коррекции равномерно освещенного поля в пространстве объектов, что усложняет процесс калибровки и затрудняет его автоматизацию.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является передающая TB-камера, содержащая объектив. оптически связанный с фотоэат- 1О вором, 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 первым выходом блока синхронизации и управления, второй выход блока синхронизации и управления соединен со входом датчика видеосигнала, а третий и четвертый его выходы соединены 20 соответственно с фотозатворбм и источником равномерной засветки.

- 8 данном устройстве источник равномерной засветки (ИРЗ) расположен в пространстве объектов объектива на рас- 2о стоянии, позволяющем осуществлять фокусировку на излучающую поверхность ИРЗ, и имеет достаточно большие размеры вследствие необходимости перекрь|тия все го поля зрения камеры в режиме калибров- ЗО ки.

Основным недостатком камеры является недостаточная точность формирования видеосигнала. Это обусловлено наличием погрешности коррекции неравномерности ЗБ чувствительности датчика видеосигнала

ЩВС) вследствие технической сложности создания достаточно протяженной излучающ и поверхности с высокой равномерностью яркости при относительно небольших 40 габаритах ИРЗ и возможно меньшем энергопотреблении, допускающих его встраивавие внутрь корпуса устройства. Причем оценить и учесть в процессе измерения воз.: Иожну10 неравномерность яркости практически невозможно, и кроме этого характер неравномерности может изменяться с течением времени вследствие старения материалов и влияния окрркающей среды Другим недостатком устройства является повышен- 50 ная инерционность ИРЗ. что может удлинить процесс калибровки и дополнительно снижать ее точность.

Целью изобретения является повышение точности формирования видеосигнала 55

- путем уменьшения влияния неравномерности чувствительности датчика видеосигна-ла.

Цель достигается тем. что в известной передающей Т8-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.

Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что источник равномерной засветки расположен в передней фокапьной плоскости объектива, а фотозатвор находится непосредственно перед источником .равномерной засветки. Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Известны передающие (осветительные) оптические системы, построенные по схеме коллиматора, или прожектора, в которых источник света расположен в фокусе конденсора. Коллиматоры используют -для освещения объектов, находящихся на большом расстоянии. Поэтому главным требованием к ним является обеспечение параллельности выходящих лучей. Анализ показывает, что отличительные признаки заявляемого устройства имеют свойства, не совпада:ощие со свойствами известных кол-. лиматорных систем, Во-первых, освещаемый объект (фоточувствительная мишень) находится на небольшом расстоянии от объектива, которое сравнимо с фокусным расстоянием посгеднего. 8о-вторых, главНым требованием к потоку. засвечивающему мишень, является не параллельность лучей, как в коллиматоре. а высокая равномерность засветки. B-третьих, о заявляемом изобретении объектив выполняет одновременно две функции: функцию приемной оптической системы — формирование изображения наблюдаемого обьекта на фоточувствительной мишени датчика видеосигнала, и Функцию передающей оптической системы — освещение фоточувствительной мишени. Поэтому можно сделать вывод, что отличительные признаки предлагаемого устройства отвечают критерию изобретения "Существенные отличия".

При расположении ИРЗ в передней фокальной плоскости объектива возникает воэможность с помощью простого малогабаритного (даже точечного) источника света обеспечить высокую равномерность засветки фоточувствительной мишени датчика ви1794280 деосигнала. Это вытекает из того,.что изо- коэффициентов), которая происходит при бражение объекта, расположенного в фо- закрытом фотозатворе. калькой плоскости объектива, нахОдится в На фиг.1 показана структурная схема бесконечности и увеличено в бесконечное передающей ТВ-камеры; на фиг. 2-4 — вари число раз. Иначе говоря, точечный источник 5 анты выполнения и установки ИРЗ, света, установленный в фокальной плоско- Передающая ТВ-камера содержит фости объектива, порождает на его выходе па- тозатвор 1, источник 2 равномерной засветраллельный расфокусированный пучок ки, расположенный в передней фокальной световых лучей. Причем, как показывают плоскости F объектива 3 позади фотозатворасчеты, неоднородность по сечению такого 10 ра 1, датчик 4 видеосигнала, блок коррекции пучка в пределах площади, которую имеют и блок 6 синхронизации и управления. Выфоточувствительные мишени распростра- ход датчика видеосигнала связан с первым ненных датчиков видеосигнала, незначи- входом блока коррекции, первый, второй, тельна и кроме того, может быть легко третий и четвертый выходы блока синхронирассчитана и учтена при формировании сиг- 15 зации и управления соединены соответстналов коррекции. Поэтому источник равно- венно са вторым входом блока коррекции, мерной засветки может иметь малые входом датчика видеосигнала, фотозатворазмеры излучающей поверхности и про- ромиисточникомравномернозасветки. Выстую конструкцию. ходом устройства служит выход блока . В простейшем варианте ИРЗ может 20 коррекции. быть выполнен в виде точечного источника Фотозатвор 1 предназначен для закрысвета; расположенного в переднем фокусе вания оптического входа камеры и по принобъектива. ципу действия может быть электронным или

Возможно выполнение ИРЗ в.виде не- электромеханическим, Примером электронскольких точечных источников света, разне- 25 ного фотозатвора может служить жидкокрисенных по передней фокальной плоскости сталлическая ячейка, имеющая плоскую объектива (в пределах диаметра входного конструкцию и изменяющая свою прозрачзрачкаобьектива}.Этодополнительноулуч- ность под действием прикладываемого шает равномерность засветки, а также уве- электрического напряжения. В электромеличивает ее интенсивность. 30. ханическом фотозатворе перекрытие опти ИРЗможетбытьустановленвпередней ческого канала осуществляется путем фокальной плоскости неподвижно, напри- перемещения с помощью электромагнита

- . мер,-спомощьюузкихперемычекилипутем или электродвигателя подвижного непрозкрепления к прозрачной пластине, парал- рачного элемента-заслонки, шторки, лепеиельной фокальной плоскости объектива. 35 стков ит.п.

Такой вариант целесообразно использовать Источник 2 равномерной засветки предтогда, когда объектив имеет достаточно назначен для создания на фоточувствительбольшой диаметр входного зрачка и посто- ной мишени датчика видеосигнала янное нахождение в фокальной плоскости равномерно освещенного поля. Основными

ИРЗ не приводит к существенному умень- 40 требованиями к нему являются меньшее экшению(иэ-за экранирования части входно- ранирование входного зрачка объектива и го зрачка) принимаемого от объекта потока высокая однородность излучаемого потока излучения. в плоскости входного зрачка обьектива.

ИРЗ можетбыть установлен в передней ИРЗ содержит один или несколько разнефокальной плоскости объектива путем креп= 45 сенных по фокальной плоскости точечных ления на внутренней поверхности затвора, источников света, В качестве последних цекоторый выполнен в виде подвижной не- лесообразно использовать миниатюрные прозрачной заслонки или шторки. Данный лампочки накаливания, размеры которых вариант предпочтителен в том случае, если могут не превышать 2-5 мм, а яркость пракобьектив имеет сравнительно небольшой 50 тически не зависит от направления, диаметр входного зрачка и постоянное Объектив 3 выполнен в виде набора преприсутствие в фокальной плоскости ИРЗ ломляющих компонентов и может содерприведеткнедопустимомууменьшениюпо- жать другие оптические элементы, ° падающего в объектив потока излучения от например диафрагмы.Основная функция обьекта. В данном варианте полностью ис- 55 обьектива 3 — формирование изображения ключается экранирование входного зрачка наблюдаемых обьектав на фоточувствительобъективаисточником равномерной засвет- ной мишени датчика видеосигнала. Кроме ки. т.к. Он устанавливается перед обьекти- этого он вместе с ИРЗ обеспечивает формивом только на время калибровки (время рование однородного потока для засветки формирования -массива корректирующих фотомишени.

1794280

В датчике 4 видеосигнала может быть использован любой известный приемник . изображения с электронным сканированием. Например, это может быть видикон вместе с фокусирующе-отклоняющей системой или твердотельный формирователь видеосигнала на основе ПЗС. ДВС содержит также необходимые электронные схемы для предварительного усиления сигнала и управления работой приемника иэображения, . Блок 5 коррекции предназначен для коррекции видеосигнала с целью компенсации неравномерности чувствительности по полю ДВС. Этот блок содержит 3У для хранения сигналов коррекции, а также электронные 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 б 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 микроЭВМ для автоматического управления по заданному алгоритму.

Устройство работает следующим образом.

Сначала устанавливается режим калибровки. При этом под действием управляющего сигнала с блока б синхронизации и управления закрывается фотозатвор 1, и на выходе датчика 4 виде=сигнала формируется темновой сигнал, который записывается в одно из ЗУ блока 5 коррекции. Затем включается источник 2 равномерной засветки, на фцточувствительной мишени датчика 4 видеосигнал создается равномерно освещенное поле. а на его выходе появляется видеосигнал, из которого в блоке 5 коррекции формируется и запоминается во втором

ЗУ сигнал коррекции, характеризующий распределение чувствительности по полю растра.

После этого камера переводится в режим наблюдения. B этом режиме фотозатвор 1 находится в открытом состоянии, источник 2 равномерной засветки выключен и обьективом 3 фор ируется изображение наблюдаемого объекта на фоточувствительной мишени датчика 4 видеосигнала, на выходе которого появляется видеосигнал, 10

50

55 денными теоретическими расчетами и экспериментальными исследованиями.

30 характеризующий распределение яркости на обьекте, Однако этот видеосигнал имеет паразитную модуляцию вследствие неравномерности чувствительности фотомишени и содержит неравномерную составляющую темнового сигнала. В блоке 5 коррекции выполняется коррекция поступающего на его вход видеосигнала с целью выделения только полезной составляющей, которая поступает на выход камеры. Операция коррекции в простейшем случае выполняется путем вычитания иэ исходного видеосигнэла темноваго сигнала, находящегося в одном из ЗУ блока 5 коррекции, и последующего деления (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 режиме наблюдения могут не производиться. что непринципиально для предлагаемого изобретения. Таким образом, на выходе устройства будет формироваться видеосигнал, свободный от влияния неравномерности чувствительности датчика 4 видеосигнала.

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

На фиг.2, 3 показаны варианты выполнения йсточника 2 равномерной засветки в виде одного точечного источника света, установленного в переднем фокусе объектива неподвижно с помощью узких перемычек 7 (фиг.2) или путем крепления к прозрачной пластине 8 (фиг.3).

Фиг. 4 поясняет другой вариант выполнения источника 2 равномерной засветки, согласно которому он содержит несколько точечных источников света. разнесенных по фокальной плоскости объектива и укрепленных на задней поверхности заслонки или шторки фотозатвора.

Подобные варианты позволяют в ряде случаев упростить конструкцию устройства и расширить область возможного его применения, Выбор оптимального варианта зависит от множества факторов: диаметра входного зрачка объектива, требований на габариты устройства, диапазона яркости наблюдаемых объектов и др.

Техническая эффективность предлагаемого изобретения подтверждается провеИспользуя закономерности геометрической оптики. несложно получить формулу для расчета относительной неравномерно1794280

Б

35 сти освещенности в передней главной плоСКОСти: (Ег- -„)/Е = r /(f + l ), где Ег — освещенность в точке с радиус-вектором г; .. Š— освещенность в точке с r = О, т.е, в точке пересечения оптической оси обьектива с главной плоскостью. Относительное распределение освещенности в .передней главной плоскости передается на расположенный за объективом ДВС параллельным . пучком практически беэ изменений с точностью, зависящей от степени совершенства обьектива, а общее физическое ослабление излучения в материале линз в данном случае не имеет значения.

Возможность получения высокой равномерности засветки подтверждают расчеты. Так, например, при использовании обьектива с фокусны л расстоянием f=80 мм . уменьшение освещенности на краях растра стандартных размеров 9,7х12,6 мм (на мишени) составит 1,5-2,2%. Это значительно меньше типовых значений неравномерно- сти чувствительности широко доступных датчиков видеосигнала (20-40%) и часто находиться на уровне погрешности используемых в таких устройствах аналого-цифро8btx преобразователей. Более того, имеющаяся в данном случае относительная неравномерность засветки мишени ДВС посто.. -- янна во времени. описывается математически и поэтому может быть учтена на стадии калибровки камеры путем введения.Формула изобретения

1. Передающая телевизионная камера, Содержащая объектив, оптически связанный с фотозатвором, источником равномер, ной засветки и датчиком видеосигнала, выход которого соединен с первым входом блоха коррекции, блок синхронизации и управления. первый выход которого соединен с вторым входом блока коррекции, второй выход-с входом датчика видеосигнала, третий выход соединен с фотоэатвором, а четвертый выход — с источником равномерной засветки, отли ча ю ща-я с я тем, что,с целью повышения точности формирования видеосигнала путем уменьшения влияния 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 эа счет перекрытия пучков, а остаточная неравномерность при необходимости также может быть рассчитана и учтена.

Предлагаемое изобретение использовано à переда ощей камере тепловизионной пирометрической системы с электронным сканированием. Датчиком видеосигнала служил видикон, работающий в стандартном режиме разложения. с активной частью растра 9х9 мм. В качестве фотозатвора использовался ирисовый затвор, имеющий электромагнитный привод. ИРЗ был выполнен в виде миниатюрной лампочки накаливания с-размерами колбы примерно Зхб мм, которая устанавливалась в переднем фокусе обьектива неподвижно с помощью узких

ЗО. перемычек. Остаточная погрешность формирования видеосигнала вследствие неравномерности чувствительности ДВС составила не более й0,5%. неравномерности чувствительности датчика видеосигнала, источник равномерной засветки расположен в передней фокальной плоскости обьектива, а фотозатвор — перед источником равномерной засветки.

2. Ка мера по п.1, отличающаяся тем, что источник равномерной засветки выполнен в виде точечного источника и расположен в точке переднего фокуса объектива.

3. Камера попп. 1 и 2, от л и ча ю щая с я тем, что источник равномерной засветки укреплен на внутренней поверхности фотозатвора, который выполнен в виде подвижной непрозрачной заслонки или шторки.

1794280 ()Г

g И

/ у л

Составитель В. Марченко

Редактор С. Кулакова Техред М.Моргентал Корректор Н. Гунько

Закаа 534 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, К-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина. 101