ЗАО 'НПК ВИДЕОСКАН'. Системы ввода и обработки изображения

Мы не творим чудес, мы делаем то, что позволяет природа

Семин М. С.


В свое время в статье "Как ответить на вопрос: "А какая у ваших ПЗС камер чувствительность?" [1] приводился пример того, как действуют компании, демонстрирующие фантастическую чувствительность новых, в то время, камер.

Вполне возможно эти компании, занимающиеся простыми системами наблюдения, по своему незнанию вполне искренне демонстрировали то "чего не может быть" [2], вводя еще более "искренних" покупателей в полное восхищение. Другое дело, когда компании, специализирующиеся на разработке достаточно сложных видеосистем для научных экспериментов заявляют параметры своих устройств, достижение которых возможно только при соблюдении целого ряда дополнительных условий, и при этом эти дополнительные условия, скажем помягче, не оговаривают.

Пример

Некая компания заявляет, что ее камера на CCD сенсоре позволяет делать экспозицию от 100 наносекунд (!). Такая экспозиция действительно необходима для широкого класса исследований. А раз есть спрос, то "нельзя ждать милости от природы".

А теперь о том, почему природу не обманешь, по крайней мере, при исследованиях самосветящихся процессов.

Дело в том, что экспозиция на CCD сенсоре определяется не как в фотоаппарате от момента открытия - до момента закрытия затвора, а от момента, когда закрываются ключи, обеспечивающие слив зарядов, образующихся в каждой ячейке CCD сенсора под действием света - до момента переноса накопленных зарядов в защищенную от воздействия света секцию выборки-хранения.

Казалось бы, делай этот промежуток как нужно коротким, и получи результат, однако...

Здесь надо обратить внимание на параметр CCD сенсора под названием антиблюминг, характеризующий способность сенсора не допускать растекание зарядов по поверхности сенсора при переполнении ячеек. Это достигается тем, что в структуру сенсора вводится специальная дренажная система, окружающая каждую светочувствительную ячейку. В современных CCD сенсорах и конкретно в сенсоре ICX285 компании SONY, который и использовала эта "некая компания", дренажная система не дает растекаться заряду, скорость накопления которого более чем в тысячу раз превышает скорость накопления заряда, при которой за время экспозиции, равной периоду максимальной кадровой частоты, ячейки начинают заполняться полностью.

Для CCD сенсора ICX285, период максимальной кадровой частоты составляет 83 мс, а глубина потенциальной ямы (по разным оценкам) около 25000 электронов. Отсюда максимальная скорость накопления электронов под воздействием света еще не переполняющая ячейки сенсора равна 300 тысяч электронов в секунду.

Учитывая возможность дренажной системы парировать тысячекратную световую перегрузку, допустимая световая перегрузка сенсора, при которой изображение еще не расплывается, будет соответствовать скорости накопления в 300 миллионов электронов в секунду.

Теперь "попробуем организовать эксперимент", связанный с регистрацией быстропротекающего процесса. Положим, что этот процесс самосветящийся, т.е. света достаточно и нам нужно только подобрать диафрагму объектива. Нам желательно получить изображение приемлемого качества, а для этого мы должны накопить в среднем по 100 электронов на ячейку [3]. При времени экспозиции 100 нс это соответствует потоку 1000 миллионов электронов в секунду, а если еще учесть, что в регистрируемых изображениях, как правило, есть объекты в разы более яркие, то мы получим величину потока от этих фрагментов изображения на порядок превышающий возможности дренажной системы.

Возможно, это не совсем корректно, но здравый смысл подсказывает, что ключи, сливающие заряды до начала времени экспозиции, делают это в ту же дренажную систему, а ведь она способна пропустить только 300 миллионов электронов в секунду!

Возможно, все несколько не так и ключи сливают заряды более эффективно, но эксперименты с данной камерой вполне подтвердили эти рассуждения и получаемые изображения даже с большей экспозицией (1мкс) имеют артефакты, связанные с растеканием заряда.

И все-таки можно ли регистрировать процессы со столь короткой экспозицией?

Да, возможно, но:

  • при этом надо сразу согласиться с тем, что изображение будет не "слишком хорошим";
  • съемка самосветящегося процесса возможна только при условии, что изображение не будет содержать объектов, яркость которых заметно отличается от средней яркости изображения, хотя, честно говоря, трудно представить такой самосветящийся процесс.
При съемке с подсветкой все сказанные выше ограничения остаются в силе, правда, здесь можно воспользоваться импульсной подсветкой действующей внутри строба экспозиции, но тогда зачем вообще нужна короткая экспозиция?

Список литературы:

  1. Семин М.С. Как ответить на вопрос: "А какая у ваших ПЗС камер чувствительность?" . Красный угол №5 (2001г.)
  2. Крутик М.И. Майоров В.П. "Люмены, канделы ватты и фотоны. Различные единицы - различные результаты измерения чувствительности телевизионных камер на основе ЭОП и ПЗС" Специальная техника №5 2002г. и Красный угол №8 (2002г.)
  3. Майоров В.П., Семин М.С. "Шумел фотон. Или еще раз о чувствительности ПЗС камер" Красный угол №6 (2001г.)
ООО Видеоскан


Вниманию устроителей Гос.Конкурсов



Rambler's Top100
Яндекс цитирования

Copyright ООО "ВИДЕОСКАН" (C) использование материалов без ссылки на источник запрещено.
E-Mail: mail @ videoscan . ru   0
Тел. №: +7 (495)-989-87-08 и +7(903)-101-7441