Специальные телекамеры высокой чувствительности

ПЗС‑матрицы оказались гораздо более эффективными в условиях минимальной освещенности, чем телекамеры с передающими трубками, но и они имеют пределы по минимальной освещенности. Черно/белая телекамера в условиях низкой освещенности «видит» примерно так же, как и человеческий глаз. В технических терминах это звучит так: стандартная черно/белая ПЗС‑телекамера охватывает диапазон освещенности от 10⁵ лк до 10² лк.

Этот диапазон интенсивностей света называется областью фотопического зрения.

В особых случаях возникает необходимость в еще более чувствительных к низким уровням света телекамерах. Уровни освещенности ниже 10² лк относятся к области скотопического зрения. Глаз человека не способен разглядеть что‑либо при таких низких уровнях освещенности, но некоторые телекамеры посредством интеграционных функций способны формировать изображения при уровнях много ниже 10² лк. Эти функции характеризуются более продолжительным временем экспозиции – более 1/50 с (1/60 с для EIA). Понятно, что в этом случае мы теряем эффект реального времени, и телекамера реально становится устройством с накоплением заряда. Это может быть неприемлемо для наблюдения за движущимися объектами при низких уровнях освещенности, но для наблюдения за медленно движущимися в темноте объектами вполне подходит. Если же мы хотим наблюдать реальное движение в скотопической области зрения, то можно использовать специальный тип телекамеры – усиленную LLL‑телекамеру (low light level , низкий уровень освещенности) с фотоумножителем.

Такая телекамера имеет дополнительный элемент – фотоумножитель, обычно устанавливаемый между объективом и телекамерой. Фотоумножитель – это трубка, которая преобразует очень слабый свет, неразличимый ПЗС‑матрицей, в уровень света, который матрица может «увидеть». Вначале объектив проецирует изображение слабо освещенного объекта на специальную пластину, которая работает подобно электронному умножителю: буквально каждый фотон световой информации усиливается до сигнала значительного уровня. Усиление основано на лавинном эффекте (лавинном умножении электронов), вызванном фотонами в статическом поле высокого напряжения. Результирующие электроны ударяются о люминофорное покрытие на конце трубки, люминофор светится, и получается видимый свет (так же, как электронный луч заставляет светиться экран черно‑белого кинескопа). Это (теперь видимое) изображение проецируется на ПЗС‑матрицу. Вот так телекамера видит слабо освещенные объекты. Из‑за специфики инфракрасного диапазона длин волн, а также из‑за монохромного люминофорного покрытия экрана фотоумножителя, LLL‑телекамера способна давать только черно‑белое изображение.

Рис. 5.56. Другое решение – телекамера для низких уровней освещенности с обратным расположением матрицы

Рис. 5.57. LLL‑телекамера с фотоумножителем

Рис. 5.58. LLL‑телекамера

Как и следует ожидать, из‑за люминофорного покрытия срок службы фотоумножителя (или точнее среднее время наработки на отказ) невелико. Оно обычно составляет пару тысяч часов.

Чтобы продлить время жизни телекамеры, необходимы объективы с высоким F‑числом (по меньшей мере F/1200), особенно если телекамера будет эксплуатироваться круглые сутки. Кроме того, в этом случае более приемлемым является объектив с инфракрасной коррекцией.

В современных специализированных телекамерах для связи между люминофорным экраном фотоумножителя и ПЗС‑матрицей используется оптоволоконная пластина. Эта технология позволяет избежать дальнейших потерь света и улучшает четкость изображения.

Нет нужды говорить о том, что для создания сильного электростатического поля, необходимого для ускорения электронов, требуется соответствующий источник питания. Фотоумножитель такого типа можно купить отдельно и установить в телекамеру, но качество работы специализированных интегрированных телекамер намного лучше.

Еще один интересный и инновационный проект был предложен компанией PixelVision Inc. – ПЗС‑камера с обратным расположением матрицы, которая работает без фотоумножителя. Эта телекамера, по утверждениям производителя, способна давать качественное изображение при низких уровнях освещенности, что раньше было под силу только телекамерам с фотоумножителем. В обычной телекамере матрица освещается спереди, что накладывает некоторые ограничения на характеристики телекамеры. В проекте специального устройства освещение и формирование заряда происходит через тыловую поверхность, благодаря чему фотоны беспрепятственно попадают на ПЗС, что дает высокую эффективность распознавания света в видимом и ультрафиолетовом диапазоне.

Производитель обещает более высокую разрешающую способность в условиях низкой освещенности – благодаря увеличению чувствительности, лучшее опознавание цели – благодаря повышенной контрастности и разрешению, низкую стоимость и длительный ресурс – благодаря увеличению надежности.

Рис. 5.59. Современная LLL‑телекамера