Телекамера с двухконтурной системой адаптации к условиям изменения освещенности
Владельцы патента RU 2264047:
Открытое акционерное общество "Красногорский завод им. С.А. Зверева" (RU)
Изобретение относится к области формирователей сигналов изображения, чувствительных к видимому и ближнему ИК-излучению, и может быть использовано в системах видеомониторинга и наблюдения в условиях изменения освещенности объекта наблюдения. Техническим результатом является расширение условий эксплуатации телекамеры за счет замены высокоточного линейного электромеханического привода диафрагмы, критичного к условиям эксплуатации, на менее критичный к условиям эксплуатации привод с релейной характеристикой, кроме того, устраняется возможность возникновения в системе автоколебаний, приводящих к мерцанию изображения. Технический результат достигается тем, что в телекамере с двухконтурной системой адаптации к условиям изменения освещенности контуры автоматической регулировки экспозиции и автоматической регулировки потока излучения выполнены не связанными между собой. Контур автоматической регулировки потока излучения состоит из анализатора потока излучения и исполнительного механизма. Исполнительный механизм может быть выполнен в виде электромеханического устройства дискретного управления диафрагмой или в виде электромеханического устройства дискретного управления положением нейтрального светофильтра. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области формирователей сигналов изображения, чувствительных к видимому и ближнему ИК-излучению, и может быть использовано в системах видеомониторинга и наблюдения, а также в системах прикладного телевидения, предназначенных для работы в условиях изменения освещенности объекта наблюдения в широких пределах.
В настоящее время для адаптации телекамер к условиям изменения освещенности используют либо электронную систему автоматической регулировки экспозиции фотоприемной ПЗС-матрицы, либо систему автоматической регулировки диафрагмы объектива. При одновременном использовании этих систем могут возникнуть автоколебания, приводящие к мерцанию изображения. Для исключения подобного явления конструкцией телекамеры предусмотрено раздельное использование либо системы автоматической регулировки экспозиции, либо системы автоматической регулировки диафрагмы. Выбор способа адаптации осуществляется оператором с помощью специального переключателя при установке телекамеры [1, 2].
Наиболее близким аналогом является телекамера [3] на основе фотоприемной ПЗС-матрицы, обеспечивающая защиту глаз водителя от ослепления за счет антиблюминга, который ограничивает сигнал от встречных фар и устраняет расплывание заряда в ПЗС-матрице. Такая телекамера содержит объектив, расположенную в его фокальной плоскости фотоприемную ПЗС-матрицу с устройством антиблюминга, диафрагму с блоком управления, расположенную между объективом и фотоприемной ПЗС-матрицей, последовательно соединенной с блоком усиления и обработки видеосигнала, и видеоконтрольное устройство (ВКУ), а также соединенный с управляющими шинами фотоприемной ПЗС-матрицы блок управления матрицей. Для обеспечения работоспособности в любое время суток при произвольной средней освещенности данная телекамера содержит также блок формирования уровня среднего значения по анализу текущего изображения, вход которого подключен к выходу блока усиления и обработки видеосигнала, а выход - ко входу блока управления матрицей и входу блока управления диафрагмой.
Данная телекамера для адаптации к условиям изменения освещенности имеет два контура автоматической регулировки: экспозиции и диафрагмы. Контур автоматической регулировки экспозиции состоит из фотоприемной ПЗС-матрицы с устройством антиблюминга, блока усиления и обработки видеосигнала, блока формирования уровня среднего значения по анализу текущего изображения относительно уровня белого и блока управления матрицей. Анализатором потока излучения является фотоприемная ПЗС-матрица. Время реакции контура не более 20 мс. Контур автоматической регулировки диафрагмы состоит из тех же блоков, только вместо блока управления матрицей в его состав входит блок управления диафрагмой, представляющий собой высокоточное электромеханическое устройство, предназначенное для линейного изменения размера диафрагмы. Анализатором потока излучения является фотоприемная ПЗС-матрица. Время реакции контура десятые доли секунды. Контур автоматической регулировки экспозиции и контур автоматической регулировки диафрагмы связаны между собой по управляющему сигналу - выходной сигнал блока усиления и обработки видеосигнала, и по анализатору потока излучения - фотоприемная ПЗС-матрица, что при определенных условиях может привести к возникновению в системе автоколебаний, приводящих к мерцанию изображения. Система автоматического регулирования диафрагмы является линейной системой автоматического регулирования и требует для своей реализации применения высокоточного электромеханического привода, что делает подобные системы достаточно дорогостоящими и требовательными к условиям эксплуатации, особенно при работе в диапазоне температур ниже минус 10°С.
Задачей изобретения является создание телекамеры на основе фотоприемной ПЗС-матрицы с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Технический результат изобретения - упрощение конструкции и снижение стоимости телекамеры - достигается за счет замены высокоточного линейного электромеханического привода диафрагмы на более простой, дешевый и менее критичный к условиям эксплуатации привод с релейной характеристикой, кроме того, за счет обеспечения автономности контуров адаптации устраняется возможность возникновения в системе автоколебаний, приводящих к мерцанию изображения, а время адаптации составляет не более 20 мс.
Это достигается тем, что в телекамере с двухконтурной системой адаптации к условиям изменения освещенности, включающей последовательно расположенные объектив, апертурную диафрагму, последовательно соединенные между собой фотоприемную ПЗС-матрицу с устройством антиблюминга, расположенную в фокальной плоскости объектива, а также блок усиления и обработки видеосигнала и блок управления фотоприемной ПЗС-матрицей, выход которого соединен с управляющими шинами ПЗС-матрицы, фотоприемная ПЗС-матрица, блок усиления и обработки видеосигнала и блок управления фотоприемной ПЗС-матрицей образуют контур автоматической регулировки экспозиции, а контур автоматической регулировки потока излучения состоит из анализатора потока излучения и исполнительного механизма, в отличие от известного, анализатор потока излучения выполнен в виде последовательно соединенных фотоприемника с оптической системой, усилителя и компаратора, выход которого соединен с исполнительным механизмом - устройством дискретной регулировки потока излучения, при этом оба контура автономные.
Кроме того, исполнительный механизм устройства дискретной регулировки потока излучения может быть выполнен в виде электромеханического устройства дискретного управления диафрагмой или в виде электромеханического устройства дискретного управления положением нейтрального светофильтра.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема предлагаемой телекамеры с устройством дискретной регулировки потока излучения с апертурной диафрагмой; на фиг.2 - вариант телекамеры с устройством дискретной регулировки потока излучения с управлением положением нейтрального светофильтра; на фиг.3 - динамическая характеристика телекамеры с двухконтурной системой адаптации, включающей в себя контур автоматической регулировки экспозиции и контур автоматической дискретной регулировки потока излучения.
Телекамера (фиг.1) содержит объектив 1 с апертурной диафрагмой 2. В фокальной плоскости объектива 1 расположена фотоприемная ПЗС-матрица 3 с устройством антиблюминга. К выходу фотоприемной ПЗС-матрицы 3 подключен блок усиления и обработки видеосигнала 4, а к выходу блока 4 - вход блока управления матрицей 5, выход которого подключен к управляющим шинам фотоприемной ПЗС-матрицы 3. Контур автоматической регулировки экспозиции образуют: фотоприемная ПЗС-матрица 3, блок усиления и обработки видеосигнала 4 и блок управления матрицей 5. Контур автоматической дискретной регулировки потока излучения состоит из последовательно соединенных фотоприемника с оптической системой 6, усилителя 7, компаратора 8 и электромеханического устройства дискретного управления диафрагмой 9. Выход устройства дискретного управления диафрагмой 9 подключен к апертурной диафрагме 2.
В случае реализации устройства дискретной регулировки потока излучения путем дискретного управления положением нейтрального светофильтра (фиг.2) в системе вместо апертурной диафрагмы 2 устанавливается нейтральный светофильтр 11, имеющий два фиксированных положения: «светофильтр выведен» и «светофильтр введен». Последовательно соединенные фотоприемник с оптической системой 6, усилитель 7, компаратор 8 и устройство дискретного управления положением нейтрального светофильтра 10 подключены к нейтральному светофильтру 11.
Анализатором потока излучения в контуре автоматической регулировки экспозиции является фотоприемная ПЗС-матрица 3, а в контуре автоматической дискретной регулировки потока излучения - фотоприемник с оптической системой 6, поэтому оба контура являются автономными.
На выходе блока усиления и обработки видеосигнала 4 формируется видеосигнал по ГОСТ 7845-92 или в стандартах CCIR, PAL, EIA, NTSC, который через стандартный разъем может транслироваться на стандартные устройства отображения и документирования видеоинформации (видеоконтрольное устройство, видеомагнитофон и пр.).
Устройство работает следующим образом. Падающее на объектив 1 излучение фокусируется на фотоприемной ПЗС-матрице 3 и создает изображение. В каждой из ячеек фотоприемной ПЗС-матрицы 3 генерируются заряды, пропорциональные интенсивности излучения и времени накопления, определяемого блоком управления матрицей 6. Заряды от мощного ослепляющего источника переполняют емкость накопителя ячейки, избыточный заряд сливается в антиблюминг, что приводит к ограничению сигнального заряда, оставшегося в накопителе ячейки. Выходной сигнал фотоприемной ПЗС-матрицы 3 (видеосигнал) после его ограничения антиблюмингом линейно усиливается блоком усиления и обработки видеосигнала 4, формируется в стандартный видеосигнал в соответствии с ГОСТ 7845-92 или в стандартах CCIR, PAL, EIA, NTSC и через стандартный выходной разъем телекамеры может транслироваться на стандартные устройства отображения и документирования видеоинформации (видеоконтрольное устройство, видеомагнитофон и пр.). Одновременно видеосигнал с выхода блока усиления и обработки видеосигнала 4 поступает на вход блока управления матрицей 5, который регулирует экспозицию за счет изменения времени накопления заряда в ячейках фотоприемной ПЗС-матрицы 3. При увеличении освещенности в плоскости фотоприемной ПЗС-матрицы 3 время экспозиции уменьшается, при уменьшении - увеличивается. Максимальное время экспозиции Т0 определяется стандартом формирования видеосигнала, в котором работает телекамера. Для телекамер, работающих в стандарте ГОСТ 7845-92, CCIR, PAL, Т0=1/50 с; для телекамер, работающих в стандарте EIA, NTSC, Т0=1/60 с. Замкнутый контур, состоящий из блоков 3, 4 и 5, представляет собой систему автоматической регулировки экспозиции за счет времени накопления заряда в ячейках фотоприемной ПЗС-матрицы 3 и является контуром точной адаптации. Постоянная времени системы автоматической регулировки экспозиции не превышает времени одного поля телевизионного сигнала (20 мс), что делает адаптацию телекамеры к условиям изменения освещенности за счет изменения времени накопления заряда незаметной для человеческого глаза.
Однако динамического диапазона системы автоматической регулировки экспозиции недостаточно для обеспечения работы телекамеры в диапазоне освещенностей от минимального значения, определяемого характеристиками фотоприемной ПЗС-матрицы, системы обработки видеосигнала и светосилой объектива, до максимально возможного значения естественной освещенности на местности 100000 лк.
Система автоматической дискретной регулировки потока излучения состоит из последовательно соединенных фотоприемника с оптической системой 6, усилителя 7, компаратора 8 и электромеханического устройства дискретного управления диафрагмой 9, подключенных к апертурной диафрагме 2. Система автоматической дискретной регулировки потока излучения обеспечивает два фиксированных положения апертурной диафрагмы 2: «открытое» и «закрытое». Фотоприемник с оптической системой 6 формирует на выходе сигнал, пропорциональный освещенности на местности. Усилитель 7 обеспечивает согласование уровней сигналов фотоприемника 6 и компаратора 8. На выходе усилителя 7 формируется сигнал, пропорциональный освещенности на местности. При небольших значениях освещенности на местности выполняется условие
U(E)<Uпорог,
где: Uпорог - напряжение срабатывания компаратора,
U(E) - сигнал с выхода усилителя, пропорциональный освещенности
на местности.
На выходе компаратора 8 формируется сигнал «Лог. 0», и электромеханическое устройство дискретного управления диафрагмой 9 удерживает апертурную диафрагму 2 в «открытом» состоянии. При увеличении освещенности на местности величина сигнала U(E) увеличивается. При выполнении условия U(E)≥Uпорог компаратор 8 срабатывает, и на его выходе формируется сигнал «Лог.1». При этом устройство дискретного управления диафрагмой 9 переводит апертурную диафрагму 2 в «закрытое» состояние. Величина потока излучения дискретно уменьшается до значения, позволяющего системе автоматической регулировки экспозиции обеспечить устойчивую работу телекамеры при увеличении освещенности на местности вплоть до максимально возможного значения естественной освещенности 100000 лк. Изменение величины потока излучения в момент срабатывания системы автоматической дискретной регулировки потока излучения отслеживается системой автоматической регулировки экспозиции, постоянная времени которой не превышает 20 мс, что делает процесс срабатывания системы автоматической дискретной регулировки потока излучения незаметной для человеческого глаза. При уменьшении освещенности напряжение на выходе усилителя 7 уменьшается. При выполнении условия U(E)<Uпорог на выходе компаратора 8 вновь формируется сигнал «Лог.0», и электромеханическое устройство дискретного управления диафрагмой 9 переводит апертурную диафрагму 2 в «открытое» состояние. Величина порога срабатывания компаратора 8 (Uпорог) выбирается таким образом, чтобы срабатывание системы автоматической дискретной регулировки потока излучения происходило при определенном значении освещенности на местности и определяется типом используемого компаратора.
В системе дискретной регулировки потока излучения вместо апертурной диафрагмы 2 может устанавливаться нейтральный светофильтр 11, имеющий два фиксированных положения: «светофильтр выведен» и «светофильтр введен» (фиг.2). В этом случае последовательно соединенные фотоприемник с оптической системой 6, усилитель 7, компаратор 8 и электромеханическое устройство дискретного управления положением нейтрального светофильтра 10 подключены к нейтральному светофильтру 11. Работа такой системы аналогично описанной выше. При этом «открытому» состоянию диафрагмы соответствует положение «светофильтр выведен», «закрытому» состоянию диафрагмы -«светофильтр введен».
В качестве фотоприемника 6 может быть использован серийный фототранзистор или фотодиод, спектральная характеристика которого близка к спектральной характеристике фотоприемной ПЗС-матрицы. Усилитель 7 может быть выполнен на основе серийного операционного усилителя, например серии КР140, или фототранзистора, который при этом играет роль и фотоприемника 6, и усилителя 7, компаратор 8 - на базе серийного компаратора КР554СА3 или на базе серийных логических микросхем, например серии КР155, КР561 и пр. Электромеханическое устройство дискретного управления диафрагмой и электромеханическое устройство дискретного управления положением нейтрального светофильтра могут быть выполнены в виде соленоида с транзисторным усилителем, обеспечивающим согласование уровней выходного сигнала компаратора 8 и входного сигнала соленоида.
Значение расчетной величины дополнительного ослабления потока излучения системой дискретной регулировки потока излучения определяется по выражению
где: NО - расчетная величина дополнительного ослабления потока излучения;
ЕММ - величина максимальной освещенности на местности, при которой должна работать телекамера;
ЕМЭ - величина максимальной освещенности на местности, при которой обеспечивается работа фотоприемной ПЗС-матрицы с системой автоматической регулировки экспозиции на линейном участке динамической характеристики. Исходя из условия, что динамическая характеристика фотоприемной ПЗС-матрицы с системой автоматической регулировки экспозиции линейна, величина освещенности Епер, при которой должно происходить срабатывание компаратора 8 и ослабление потока излучения, может быть определена из выражения
При срабатывании системы автоматической дискретной регулировки потока излучения фотоприемная ПЗС-матрица должна оставаться в границах линейного участка своей динамической характеристики, т.е. должно выполняться условие
где: Emin - минимальная величина освещенности на местности, при которой обеспечивается заданное качество формирования изображения при максимальной светосиле объектива.
Выполнение условия Епер>ЕММ означает, что динамический диапазон фотоприемника с системой автоматической регулировки экспозиции достаточен для обеспечения работы телекамеры во всем заданном рабочем диапазоне освещенностей, и применение системы автоматической дискретной регулировки потока излучения не требуется. Если же Епер<Еmin, то применение системы автоматической дискретной регулировки потока излучения при данном типе фотоприемной ПЗС-матрицы невозможно.
Изменение потока излучения в системе автоматической дискретной регулировки потока излучения с электромеханическим устройством дискретного управления диафрагмой происходит при дискретном изменении относительного отверстия объектива. Необходимая величина относительного отверстия объектива, обеспечивающая получение расчетной величины дополнительного ослабления потока излучения, может быть определена из выражения
где: Q0 - величина относительного отверстия объектива, при которой обеспечивается его максимальная светосила;
Q1 - величина относительного отверстия объектива, необходимая для обеспечения расчетного ослабления потока излучения.
При срабатывании системы автоматической дискретной регулировки потока излучения эквивалентная величина рабочей освещенности и минимальной освещенности для телекамеры изменяются и становится равными
где: E1 - эквивалентная величина освещенности на местности, воспринимаемая телекамерой после срабатывания системы дискретного ослабления потока излучения;
Emin1 - эквивалентная минимальная величина освещенности на местности, при которой обеспечивается заданное качество формирования изображения, после срабатывания системы дискретного ослабления потока излучения.
С учетом вышеизложенного, для реализации телекамеры с системой автоматической дискретной регулировки потока излучения, помимо условия (3), должно выполняться условие
При реализации системы автоматической дискретной регулировки потока излучения с использованием электромеханического устройства дискретного управления положением нейтрального светофильтра величина ослабления светового потока определяется типом, толщиной и количеством применяемых нейтральных светофильтров. Методика оценки параметров системы автоматической дискретной регулировки потока излучения с использованием электромеханического устройства дискретного управления положением нейтрального светофильтра аналогична описанной выше (см. выражения 1-3, 6).
При срабатывании системы автоматической дискретной регулировки потока излучения с использованием электромеханического устройства дискретного управления положением нейтрального светофильтра эквивалентная величина рабочей освещенности и минимальной освещенности для телекамеры изменяются и становится равными
где N1 - коэффициент ослабления светового потока нейтральным светофильтром.
Время срабатывания системы автоматической дискретной регулировки потока излучения независимо от способа реализации определяется конструкцией электромеханического устройства дискретного управления и составляет 0,1...0,5 с.
Для современных фотоприемных ПЗС-матриц с системой автоматической регулировки экспозиции максимальное значение рабочей освещенности на местности при относительном отверстии объектива Q0=1:2,0 составляет от 20000...70000 лк в зависимости от типа и чувствительности фотоприемной ПЗС-матрицы. Оценки, проведенные по выражениям (1-6), показывают, что для реализации системы автоматической дискретной регулировки потока излучения с электромеханическим устройством дискретного управления диафрагмой, достаточным для любого типа современных фотоприемных ПЗС-матриц, является переход к относительному отверстию Q1=1:5,6. Оценки, проведенные по выражениям (1-7), показывают, что для реализации системы автоматической дискретной регулировки потока излучения с электромеханическим устройством дискретного управления положением нейтрального светофильтра, достаточным для любого типа современных фотоприемных ПЗС-матриц, является применение двух нейтральных светофильтров типа НС-7, обеспечивающих ослабление потока излучения в 5,6...6,4 раза.
Таким образом, предложенное техническое решение телекамеры с двухконтурной системой адаптации к условиям изменения освещенности обеспечило получение технического результата, то есть наличие в телекамере двух независимых контуров адаптации: контура дискретной автоматической регулировки потока излучения и контура автоматической регулировки экспозиции, что обеспечивает ее устойчивую работу в диапазоне освещенностей от минимально возможных значений, определяемых чувствительностью фотоприемной ПЗС-матрицы и светосилой объектива, до максимально возможных значений естественной освещенности на местности (100000 лк). При этом устраняется возможность возникновения в системе автоколебаний, приводящих к мерцанию изображения, а время адаптации телекамеры определяется временем реакции контура автоматической регулировки экспозиции и составляет не более 20 мс. Система автоматической дискретной регулировки потока излучения работоспособна при температурах до минус 40°С. Температурный диапазон ее работы может быть расширен до минус 60°С при применении соответствующей элементной базы.
Источники информации
1. Универсальные внутренние камеры с креплением объектива С, CS-Mount серии VBC, VNC, VCC. Руководство по эксплуатации. ЗАО "ЭВС", г. Санкт-Петербург., 2002 г., с 7-12.
2. Black and white CCD camera BW-410 EA/410CA// Instruction manual. Samsung Electronics, p.7-9, 15, 16.
3. Патент России №2129337 С1, МПК H 04 N 5/335, публ.1999 г.
1. Телекамера с двухконтурной системой адаптации к условиям изменения освещенности, включающая последовательно расположенные объектив, апертурную диафрагму и последовательно соединенные между собой фотоприемную ПЗС-матрицу с устройством антиблюминга, расположенную в фокальной плоскости объектива, а также блок усиления и обработки видеосигнала и блок управления фотоприемной ПЗС-матрицей, выход которого соединен с управляющими шинами фотоприемной ПЗС-матрицы, при этом фотоприемная ПЗС-матрица, блок усиления и обработки видеосигнала и блок управления фотоприемной ПЗС-матрицей образуют контур автоматической регулировки экспозиции, а контур автоматической регулировки потока излучения состоит из анализатора потока излучения и исполнительного механизма, отличающаяся тем, что анализатор потока излучения выполнен в виде последовательно соединенных фотоприемника с оптической системой, усилителя и компаратора, выход которого соединен с исполнительным механизмом - устройством дискретной регулировки потока излучения, выполненного в виде электромеханического устройства управления диафрагмой, выход которого подключен к апертурной диафрагме, причем падающий на объектив поток излучения фокусируется на фотоприемной ПЗС-матрице, а фотоприемник с оптической системой формирует на своем выходе сигнал, пропорциональный падающему потоку излучения, при этом оба контура автономные.
2. Телекамера по п.1, отличающаяся тем, что обеспечивает два фиксированных положения апертурной диафрагмы: открытое и закрытое.
3. Телекамера с двухконтурной системой адаптации к условиям изменения освещенности, включающая последовательно расположенные объектив, светофильтр и последовательно соединенные между собой фотоприемную ПЗС-матрицу с устройством антиблюминга, расположенную в фокальной плоскости объектива, а также блок усиления и обработки видеосигнала и блок управления фотоприемной ПЗС-матрицей, выход которого соединен с управляющими шинами фотоприемной ПЗС-матрицы, при этом фотоприемная ПЗС-матрица, блок усиления и обработки видеосигнала и блок управления фотоприемной ПЗС-матрицей образуют контур автоматической регулировки экспозиции, а контур автоматической регулировки потока излучения состоит из анализатора потока излучения и исполнительного механизма, отличающаяся тем, что анализатор потока излучения выполнен в виде последовательно соединенных фотоприемника с оптической системой, усилителя и компаратора, выход которого соединен с исполнительным механизмом - устройством дискретной регулировки потока излучения, выполненного в виде электромеханического устройства управления светофильтром, выход которого подключен к светофильтру, причем падающий на объектив поток излучения фокусируется на фотоприемной ПЗС-матрице, а фотоприемник с оптической системой формирует на своем выходе сигнал, пропорциональный падающему потоку излучения, при этом оба контура автономные.
4. Телекамера по п.3, отличающаяся тем, что обеспечивает два фиксированных положения светофильтра: открытое и закрытое.
