14

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э.БАУМАНА

Бокшанский В.Б., Тимашова Л.Н.

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИДЕОКАМЕР НА ОСНОВЕ ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ

СВЯЗЬЮ (ФПЗС)

ПОСОБИЕ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

по курсу "Источники и приемники оптического излучения"

Москва - 2001 г.

1. Характеристики и параметры фпзс-матрицы

Основу любой ФПЗС-камеры (видеокамеры) составляет ФПЗС-матрица, установленная на плате с микросхемами электронной обвязки, приемный объектив, блок питания и корпус, конструктивно объединяющий все перечисленные узлы. Исходя из этого, технические характеристики и параметры ФПЗС-камеры включают в себя характеристики всех ее составных компонент. С другой стороны, в зависимости от назначения (камеры бывают бытовыми, промышленными или научными) к ним предъявляются различные требования, определяющие именно те параметры и характеристики, которые приводятся в паспорте камеры соответствующего типа. В связи с этим, рассмотрим наиболее важные характеристики видеокамеры, позволяющие провести инженерные расчеты.

1.1. Угловое поле зрения

Полем зрения видеокамеры называется та часть пространства предметов, проекция которой, создаваемая приемным объективом, вписывается в фоточувствительную площадку ФПЗС-матрицы, расположенную в фокальной плоскости. Поле зрения видеокамеры, измеренное в угловых единицах, называется угловым полем зрения. При этом плоский угол 2W определяется между главными лучами, идущими через центр входного зрачка приемного объектива и края фоточувствительной площадки ФПЗС-матрицы (см. рис. 1). Поскольку фоточувствительная зона ФПЗС-матрицы имеет прямоугольную форму, то имеет смысл говорить о горизонтальном 2W_х и вертикальном 2W_у полях зрения, определяемых по следующим формулам:

, ,

где f’ – фокусное расстояние приемного объектива, l_x, l_y – линейные размеры фоточувствительной зоны ФПЗС-матрицы. Таким образом, угловое поле зрения видеокамеры определяется фокусным расстоянием объектива, а также линейными размерами ФПЗС-матрицы.

Рисунок 1 – Определение углового поля зрения объектива видеокамеры

В отличие от углового, понятие линейного поля зрения применительно к ФПЗС-камере применяется реже, поскольку зависит от расстояния до объекта, что неудобно. Так, объект на рис. 1, находящийся на расстоянии L, помещается в линейное поле зрения камеры с объективом 1, и не помещается в поле зрения камеры с объективом 2.

1 .3. Формат фпзс-матрицы

Рисунок 2 – Форматы матриц (соотношение между сторонами всех ФПЗС-матриц 4:3)

Под форматом ФПЗС-матрицы понимаются линейные размеры ее фоточувствительной зоны. При этом, для упрощения обозначений формат указывается одним числом, выраженном в дюймах, и обозначающим диаметр трубки видикона, формирующего телевизионное изображение такого же размера, что и данная ФПЗС-матрица (подобное обозначение сложилось исторически и применяется по сей день). Связь между форматом, выраженном в дюймах и реальными усредненными линейными размерами ФПЗС-матрицы представлена на рис. 2. Все стандартные телевизионные матрицы имеют соотношение сторон 4:3 (ширина к высоте), остальные (в частности, матрицы для научных исследований) могут быть произвольными.

1.4. Разрешающая способность

Разрешающая способность (разрешение) характеризует способность ФПЗС-матрицы воспроизводить мелкие детали изображения (т.е. передавать высокие пространственные частоты). Разрешающая способность ФПЗС в первую очередь определяется числом элементов матрицы и их размерами. Считая, что фактор заполнения ячеек современных ФПЗС d равен 100 %, легко установить связь между числом элементов по горизонтали М и вертикали N с размерами одного элемента а_х, а_у:

Для стандартных телевизионных ФПЗС-камер разрешающую способность принято выражать числом горизонтальных телевизионных линий (твл) по вертикали. При этом, число телевизионных линий всегда меньше числа элементов N ФПЗС-матрицы. Это связано с тем, что не все элементы матрицы участвуют в процессе формировании изображения – они закрыты от света маской и являются неактивными (служебными). Кроме того, сформированный первичный видеосигнал проходит через видеоусилитель, что приводит к некоторому уменьшению его временного спектра, что, в свою очередь, ведет к уменьшению числа телевизионных линий разрешения. Следующая формула устанавливает связь между максимальной временной частотой f_max в спектре видеосигнала и числом элементов в строке:

где t_стр – длительность развертки одной строки.

Из вышесказанного следует, что максимальное число элементов ФПЗС-матрицы по горизонтали М ограничивается шириной полосы пропускания стандартных видеосистем (например, видеомонитором), в то время как максимальное число элементов ФПЗС-матрицы по вертикали N – числом линий разложения растра.

Электронная разрешающая способность определяется величиной, обратной размеру элемента :

.

Оптическая разрешающая способность вдвое меньше электронной