Автор: Николай ЧУРА, технический консультант, ООО «Фирма Видеоскан»
Чувствительность телекамеры наблюдения и ИК-излучение
Все современные телекамеры наблюдения в качестве видеосенсоров имеют кремниевые матрицы, изготовленные по технологии CCD или CMOS. Эпоха камер наблюдения черно-белого типа, видимо, прошла безвозвратно. Это вполне естественно, поскольку информативность цветного изображения и его контраст значительно выше черно-белого варианта. Понятно, что глаз человека однозначно различает красный и синий цвета, вместе с тем их эквивалентная яркость в черно-белом варианте может быть одинаковой и, соответственно, минимального контраста. Все это обусловлено кривой зависимости чувствительности зрения, названной кривой видности глаза, которая представлена на рис. 1.
Благодаря массовому производству стоимость сенсоров цветного изображения существенно снизилась. Более того, совершенствование технологий привело к выравниванию чувствительности цветных и ч/б сенсоров. Различие остается только в разрешении, поскольку при равном суммарном количестве пикселей для создания одного элемента изображения в цветном сенсоре используется по четыре пикселя, попарно из каждой строки. Вне зависимости от типа сенсора на основе кремниевой пластины его фоточувствительность, определяемая собственно материалом, имеет максимум на длине волны около 900 нм. Другими словами, естественная спектральная характеристика чувствительности сенсора драматически не совпадает как с кривой видности глаза, так и с солнечным спектром естественного освещения, измеренного на уровне моря (рис. 2).
Понятно, что для адекватной передачи относительной яркости цветов, идентичной восприятию глаза, необходимо скорректировать спектральную характеристику чувствительности сенсора. А фактически, формируя характеристику, близкую кривой видности глаза, использовать только малую коротковолновую часть всей характеристики, что представлено на рис 3.
Кроме технологических и конструктивных методов увеличения чувствительности сенсора всегда соблазнительно использовать расширение спектральной характеристики. Тем более что в области ИК происходит естественный подъем эффективности. Для черно-белого варианта наблюдения это не вызывало серьезных проблем.
Расширение спектрального диапазона без соответствующей коррекции оптики, правда, приводило к некоторой потере четкости изображения. Но либо с этим приходилось мириться вместе с улучшением ночного наблюдения, либо применять оптику с расширенным спектральным диапазоном. После широкого распространения цветного наблюдения возникли большие проблемы с искажением цветопередачи. На фото 1 приведены изображения, полученные цветными камерами без ИК и с ИК-чувствительностью при наличии в спектре освещения с ИК-составляющей. Решительным выходом из этого положения явилось создание камер «день-ночь» технологии с подвижным срезающим ИК-фильтром и отключаемым цветом в ночном режиме. Казалось бы, все проблемы успешно решены, однако производителям в конкурентной борьбе хочется показать высокую чувствительность и в дневном режиме. Кроме того, хочется получить цветное изображение хотя бы в ранних сумерках. Эти проблемы еще более обострились с переходом на мегапиксельные CMOS-сенсоры. Особенно в начальный период, когда чувствительность мегапиксельных сенсоров уступала CCD почти на порядок. Даже сейчас, с появлением технологии Exmor и Exmor R, а также их клонов, где удельная чувствительность сравнялась с лучшими технологиями CCD. Из-за малых размеров пикселя при малых форматах матриц и высоком разрешении камеры с трудом работают в сумерках. То есть производители вынуждены выбирать между качеством цветного изображения или чувствительностью.
Кроме неизбежной компромиссной ситуации однозначно решить этот вопрос мешают и научно-технические проблемы. Чтобы получить характеристику с крутым спадом и максимальным подавлением ИК-излучения за пределами полосы пропускания, используются исключительно интерференционные многослойные покрытия. Подобные оптические покрытия хорошо работают в световых пучках с плоским волновым фронтом. В телекамере подобные фильтры, размещенные на сенсоре, работают в сходящихся пучках. Это усугубляется максимальным распространением относительно короткофокусной оптики, дающей большие углы схождения и короткую фокальную перетяжку. Поэтому реальное подавление ИК-составляющей получается несколько меньше ожидаемого. Практически все электронные видео- и фотоустройства имеют некоторую ИК-чувствительность, несмотря на отсутствие упоминания этого параметра. Это подтверждается изображениями встроенного ИК-прожектора телекамеры с длиной волны 850 нм, полученного видеокамерой в режиме день и камерой только цветного изображения, приведенные на фото 2. Это подтверждает практически тотальную некоторую чувствительность к ИК всех видео- и фотокамер. Такой вид спектральной чувствительности всегда чреват некоторыми цветовыми искажениями. Если рассматривать процесс развития технологий CCD и CMOS, на каждом этапе чувствительность сенсора в ИК увеличивается на 2–3 дБ.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru