§ 5.2. Передающие камеры цветного телевидения

Передающие камеры цветного телевидения можно подразделить на камеры с односигнальными и многосигнальными ФЭП. Первые содержат три - четыре преобразователя, каждый из которых формирует сигнал, пропорциональный яркости одного из основных цветов, либо широкополосный сигнал выделенной яркости. Вторые содержат один-два преобразователя, выходные сигналы которых в закодированной форме несут информацию о яркости двух или даже всех трех основных цветов одновременно. Камеры черно - белого

телевидения строятся по принципам построения яркостного канала камер цветного телевидения.

К оптическим устройствам и преобразователям камер цветного телевидения с несколькими ФЭП предъявляются требования простоты, надежности и автоматизации управления при одновременном обеспечении высокой степени взаимного согласования всех оптических изображений и растров по размерам, центровке и геометрическим искажениям, а также равномерности сигнала и фона, отсутствия паразитных сигналов и инерционности, баланса уровней черного и белого в выходных сигналах. Передающие камеры с одним многосигнальным ФЭП в этом отношении оказываются несколько проще. Однако они уступают камерам с односигнальными преобразователями по четкости и качеству передачи изображений.

Рис. 5.1. Оптические схемы с промежуточным изображением (а) и призменным блоком (б)

Светоделение. В передающих камерах цветного телевидения с тремя односигнальными ФЭП получила распространение оптическая схема с образованием промежуточного изображения (рис. 5.1, а). Основной объектив определяющий угол поля зрения камеры, строит в плоскости вспомогательной линзы — коллектива К промежуточное изображение, по своим размерам близкое рабочим размерам фотослоя ФЭП. Это изображение проецируется вторым объективом через систему цветоизбирательных дихроических зеркал плоские отражающие зеркала и корректирующие светофильтры на фоточувствительные поверхности трех ФЭП с увеличением, примерно равным единице.

Объектив должен быть достаточно длиннофокусным для размещения за ним элементов светоделительного устройства и уменьшения цветовых искажений, вызываемых непараллельностью падения световых лучей на дихроические зеркала. Плоские

зеркала служат для повторного излома оптических осей в каналах красного и синего цветоделенных изображений. Если каждое зеркало светоделительного устройства наклонено к оптической оси под углом 45°, то оси отраженных световых потоков претерпевают изломы на 90° и оси всех ФЭП оказываются параллельными. Для одновременной оптической фокусировки цветоделенных изображений расстояния от объектива до светочувствительных поверхностей всех ФЭП должны быть одинаковыми.

Рис. 5.2. Дихроические зеркала (а, б) и их спектральные характеристики отражения (в)

Дихроические интерференционные зеркала представляют собой многослойные пленки, нанесенные на поверхности стеклянных пластинок или призм, отдельные слои которых отличаются друг от друга толщиной и показателем преломления. При однослойном покрытии (рис. 5.3, а) отраженный световой поток представляет собой сумму световых потоков, отраженных от обеих границ раздела: стекло — пленка и пленка — воздух.

По формуле Френеля коэффициенты отражения от первой и второй границ раздела соответственно

зависят от показателей преломления стекла пленки и воздуха . В первом приближении равенство отраженных световых потоков имеет место при условии из которого следует соотношение между показателями преломления согласуемых сред:

Чтобы отраженные световые потоки, интерферируя, погасили друг друга, между ними должна существовать разность хода, равная половине длины световой волны (в общем случае равная нечетному числу полуволн). В таком случае разность хода определяет необходимую толщину пленки

Световые волны, удовлетворяющие соотношениям (5.1) и (5.2), находятся в противофазе и взаимно ослабляют друг друга, уменьшая отражение и соответственно увеличивая прозрачность зеркала. Для них тонкая пленка на поверхности стекла выполняет роль четвертьволнового трансформатора, согласующего между собой оптические свойства стекла и воздуха. В остальной части спектра коэффициент отражения повышается.

Нанося многослойные пленки (рис. 5.2,6), подбирая их толщину, показатели преломления, а следовательно, и коэффициенты отражения на каждой границе раздела, можно создать условия, при которых в отдельных частях спектра прозрачность зеркала будет уменьшаться, а в других, наоборот, возрастать при одновременном увеличении резкости границ. Типичные характеристики спектральных коэффициентов отражения днхроических зеркал при угле падения световых волн к нормали приведены на рис. 5.2, в.

Первое дихроическое зеркало (см. рис. 5.1, а) отражает коротковолновую (синюю) и пропускает средневолновую и длинноволновую (зеленую и красную) части видимого спектра. Второе зеркало 32 отражает длинноволновую и пропускает коротковолновую и средневолновую части спектра. Совместное использование зеркал позволяет разделить световой поток по спектру на три составляющие.

Тепловыми потерями в дихроических зеркалах можно пренебречь ввиду их малости. В таком случае спектральные плотности падающего отраженного и прошедшего через зеркало световых потоков связаны соотношением:

После деления левой и правой частей этого соотношения на находим условие: связывающее спектральные коэффициенты отражения и прозрачности каждого зеркала, а также спектральные характеристики прозрачности системы из двух дихроических зеркал по красному, зеленому и синему каналам:

Дихроические зеркала осуществляют лишь грубое разделение светового потока по спектру. Корректировка характеристик каналов цветоделения производится с помощью светофильтров спектральные характеристики прозрачности которых в соответствии с условиями (3.38) и (5.3) определяются соотношениями:

— спектральная характеристика прозрачности оптических элементов камеры; - спектральные характеристики чувствительности фотоэлектрических преобразователей; — идеальные спектральные характеристики передающей камеры (см. рис. 3.15,6); — коэффициент пропорциональности.

Длинноволновая составляющая, прошедшая через зеркало отраженная от зеркал и скорректированная по спектру светофильтром на выходе формирует сигнал красного - цветоделенного изображения. Аналогично средневолновая составляющая, прошедшая через зеркала и корректирующий светофильтр на выходе формирует сигнал зеленого цветоделенного изображения. Коротковолновая составляющая, отраженная от зеркал и скорректированная светофильтром на выходе формирует сигнал синего цветоделенного изображения. Согласование чувствительности по отдельным каналам достигается с помощью нейтральных фильтров, не показанных на рисунке.

В передающих камерах цветного телевидения с четырьмя односигнальными ФЭП (как и в камерах черно - белого телевидения) используется самостоятельный яркостный канал, показанный на рис.

5.1, а штриховыми линиями. В состав светоделительной схемы в таком случае дополнительно вводятся нейтральное полупрозрачное зеркало разделяющее световой поток на две части, отражающее зеркало 36 для излома оптической оси и односигнальный фотоэлектрический преобразователь формирующий сигнал выделенной яркости

Оптические схемы с переносом изображения отличаются сложностью, наличием корректирующих элементов и большими потерями света. При использовании объективов с переменным фокусным расстоянием и удлиненным задним рабочим отрезком, фотоэлектрических преобразователей с малыми размерами фотослоя (видикон, матрица ППЗ) и светоделительных устройств на призменных блоках от второго объектива можно отказаться. На рис. 5.1, б приведена оптическая схема передающей камеры на трех матричных приборах с переносом зарядов, установленных вместе с корректирующими светофильтрами непосредственно на выходных окнах призменного блока. Цветоизбирательные зеркала нанесены на стыки призменных компонентов блока. Отражающие поверхности располагаются под углами, обеспечивающими полное внутреннее отражение. Жесткость конструкции призменного блока и неизменная топология матрицы ППЗ существенно облегчают совмещение цветоделенных изображений.

Во входных окнах многосигнальных ФЭП цветовая информация кодируется полосковыми светофильтрами, а при использовании фотодиодных и ППЗ - матриц и матричными светофильтрами с

поэлементным чередованием цветов. Последующее разделение сигналов многосигнальных ФЭП происходит схемными методами.

Методы обработки сигналов односигнальных ФЭП. Схема Преобразования сигналов передающей камеры цветного телевидения с односигнальными ФЭП может быть либо трех-, либо четырехканальной. В первом случае (рис. 5.3, а) схема содержит три широкополосных канала, каждый из которых включает односигнальный ФЭП, предварительный усилитель (ПУ) и гамма - корректор (ГК), за которыми следуют кодирующая матрица с матричными схемами и фильтры нижних частот.

Рис. 5.3. Схемы преобразования сигналов односигиальиых ФЭП: RGB (а) и RGBW (а, б и а, б, в)

Выходные сигналы пропорциональные яркости красного, зеленого и синего цветоделенных изображений, подвергаются предварительному усилению в предварительных усилителях. Противошумовая коррекция [1, 2] входных цепей усилителей позволяет улучшить отношение сигнал - шум за счет ослабления удельного веса тепловых шумов нагрузочного резистора ФЭП и перераспределения спектральной плотности шумов. При этом ослабляются наиболее заметные на изображении низкочастотные шумы.

В гамма - корректорах, линеарезирующих амплитудную характеристику телевизионной системы, формируются сигналы

где — показатель степени амплитудной характеристики телевизионной системы при отсутствии гамма - коррекции.

В матричных схемах из сигналов (5.5) формируются: совместимый сигнал яркости (3.42) и цветоразностные сигналы

(3.(43). Последние ограничиваются по спектру в ФНЧ. Все три выходных сигнала используются в приемнике.

К недостаткам рассмотренной схемы следует отнести: широкополосность всех трех каналов, высокие требования к точности взаимного согласования параметров трех оптических проекций и растров ФЭП, а также градационные искажения изображений, воспроизводимых на экранах черно - белых приемников. Допустимая погрешность совмещения растров здесь не может превышать 0,2-0,3 от размера яркостного элемента, поскольку яркостный сигнал несущий информацию о четкости изображения, матрицируется из трех сигналов цветоделенных изображений. Схема нашла применение в сочетании с трехтрубочными передающими камерами цветного телевидения первого поколения, а в настоящее время — с камерами на матричных ППЗ.

На схеме рис. 5.3, как и на последующих подобных схемах, изображены узлы формирования сигналов. Кроме того, передающая камера содержит генераторы строчной и кадровой развертки, управляемые импульсами синхронизации, усилитель - формирователь импульсов гашения обратного хода и другие устройства.

В четырехканальной схеме к рассмотренным трем добавляется четвертый канал (рис. 5.3,б), подобный каналу системы черно - белого телевидения и формирующий передаваемый на приемную сторону сигнал выделенной яркости. Канал содержит односигнальный ФЭП с высоким разрешением, предварительный усилитель и гамма - корректор.

Выходной сигнал ФЭП после усиления и гамма - коррекции принимает вид

отличный от сигнала (3.42), формируемого матричной схемой Сигнал на приемную сторону не передается. Он используется лишь в матричных схемах при формировании цветоразностных сигналов и сам может быть узкополосным, а могут иметь пониженную разрешающую способность.

Достоинствами схемы являются узкополосность каналов формирования цветоразностных сигналов, более чем двухкратное снижение требований к точности совмещения трех цветоделенных изображений, определяемой здесь размерами не яркостного, а цветового элемента, и формирование яркостного сигнала отдельным ФЭП. Сигналом более правильно передаются градации яркости на экранах приемников черно - белого телевидения.

Недостаток схемы заключается в том, что при матрицировании цветоразностных сигналов на передающей стороне используется яркостный сигнал в то время как при обратном преобразовании в приемнике используется сигнал выделенной яркости

В таком случае сигналы цветоделенных изображений

восстанавливаются в приемнике с ошибкой равной разности используемых яркостных сигналов. Это приводит к искажениям цветности, главным образом насыщенности, и яркости изображения, поскольку на всех цветах, кроме белого.

Искажения цветопередачи устраняются, если к рассмотренным схемам добавляются ФНЧ и два устройства вычитания сигналов (рис. 5.3, в). Фильтром нижних частот с полосой пропускания, отведенной для передачи цветоразностных сигналов, отфильтровывается низкочастотная часть спектра сигнала выделенной яркости . В устройстве вычитания формируется узкополосный разностный сигнал который в дальнейшем вычитается из сигнала выделенной яркости в устройстве вычитания

Выходной яркостный сигнал в полосе частот, отведенной для передачи цветоразностных сигналов, не отличается от сигнала (3.42), матрицируемого схемой М] и используемого при формировании цветоразностных сигналов (3.43) в матрицах , следовательно, обеспечивает неискаженное воспроизведение цветного изображения в приемнике. В остальной полосе частот При этом высокочастотные компоненты сигнала выделенной яркости и соответствующие им детали изображения воспроизводятся в черно - белом виде.

Общими недостатками четырехканальных схем являются их сложность и большие габариты.

В разработках последних лет снова стали использовать трехканальные схемы. В схеме, приведенной на рис. 5.4, сохранен принцип формирования яркостного сигнала одним ФЭП и исключен ФЭП в канале сигнала зеленого цветоделенного изображения.

Выходные сигналы односигнальных пропорциональные яркости красного и синего основных цветов передающей камеры и общей яркости цветного изображения, после усиления в предварительных усилителях ограничиваются по спектру в ФНЧ с полосой пропускания, отведенной для передачи цветоразностных сигналов. В матричной схеме из ограниченных по спектру сигналов и формируется сигнал пропорциональный яркости зеленого основного цвета передающей камеры. Коэффициенты матрицирования ось зависят от спектральных характеристик отдельных каналов. Значками А здесь подчеркивается ограниченность спектрального состава сигналов.

В матричном цветокорректоре (МЦК) сигналы и пропорциональные яркости основных цветов передающей камеры, пересчитываются в сигналы

пропорциональные яркости основных цветов приемника. Матрицирование с весовыми коэффициентами позволяет сформировать не только положительные, но и отрицательные ветви идеальных спектральных характеристик камеры, которые не могут быть сформированы светоделнтельными устройствами и ФЭП, и тем самым обеспечивает повышение точности цветопередачи.

Рис. 5.4. Схема преобразования сигналов односигиальных

В устройствах суммирования (УС) к сигналам (5.7) добавляются высокочастотные компоненты сигнала выделяемые полосовым фильтром (ПФ) с амплитудно - частотной характеристикой (АЧХ), дополнительной к характеристике ФНЧ. Сформированные таким образом сигналы отличаются лишь в низкочастотной области. Высокочастотные компоненты их спектров и соответствующие им пространственные частоты воспроизводятся черно - белыми.

После гамма - корректоров сигналы (5.5) поступают на кодирующую матрицу (КМ), формирующую сигналы в соответствии с соотношениями (3.42) и (3.43). Цветоразностные сигналы ограничиваются по спектру в ФНЧ.

Достоинством схемы является сохранение преимуществ четырехканальной схемы: формирование яркостного сигнала одним ФЭП, меньшая разрешающая способность и узкополосность в остальных каналах, а следовательно, и это главное, меньшая допустимая точность совмещения цветоделенных изображений и растров при одновременном сокращении числа ФЭП до трех.

Для улучшения характеристик передающих камер используется полная автоматизация процессов их настройки. Контроль за сведением трех растров, установкой диафрагмы, уровней черного и белого в выходных сигналах обеспечивается с помощью микропроцессорной системы. При использовании общего блока управления достигается высокая идентичность изображений от нескольких камер одного типа, недоступная при ручной регулировке, а время настройки сокращается в десятки раз.

Рис. 5.5. Частотное кодирование (а) и декодирование (б) сигналов миогосигиальных ФЭП

Методы разделения сигналов многосигнальных ФЭП. Выходной сигнал многосигнальных ФЭП в закодированной форме несет информацию о яркости двух или даже всех трех основных цветов. Для последующего разделения сигналов схемными методами применяются частотные, частотно - фазовые, временные (импульсные), индексные и другие методы кодирования [12].

Как было показано в § 4.7, в схемах с одним многосигнальным ФЭП для светоделения используются двухслойные полосковые светофильтры дополнительных к основным цветов. Полоски желтого светофильтра и голубого чередуются с равными по ширине окнами прозрачности.

При частотном методе кодирования ширина горизонтальных сечений-полосок светофильтров в разных слоях должна быть различной. Поэтому в случае вертикального расположения полоски голубого и желтого светофильтров должны иметь разную ширину. При равной ширине (25 мкм) полоски одного (например, желтого светофильтра) располагаются вертикально, а второго (голубого) - под углом 45° к вертикали. В последнем случае ширина сечений голубых полосок вдоль горизонтальной оси х оказывается в раз

больше, чем желтых. Соответствующие размеры указаны на рис. 5.5, а, где буквами Б, Г, Ж обозначены цвета соответствующих светофильтров.

Прозрачность в средневолновой — зеленой — области спектра не зависит от координаты х и геометрии штрихового светофильтра. Прозрачными для длинноволновой — красной — области спектра оказываются лишь окна между голубыми полосками, для коротковолновой — синей — между желтыми. Последние нмпульсно модулируют световой поток, а следовательно, и выгодной сигнал ФЭП.

Выходной сигнал многоснгнального ФЭП

содержит низкочастотную составляющую включающую сигнал пропорциональный яркости зеленого цветоделенного изображения, и средние составляющие сигналов и пропорциональные яркости красного и синего цветоделенных изображений, а также первые гармоники частот

показанные на рис. 5.5, а штрихпунктиром, амплитуды которых также пропорциональны сигналам Компоненты более высоких частот отфильтровываются усилительным каналом.

Здесь — коэффициенты, характеризующие глубину модуляции сигналов; — круговые поднесущие частоты, определяемые временем пересечения полосок светофильтров в процессе развертки, — начальные фазы. Без учета тепловых потерь прозрачность светофильтра в синей и красной областях спектра может приниматься равной 0,5.

Схема разделения сигналов многосигнального ФЭП (рис. 5.5,б) содержит предварительный усилитель, выходной сигнал которого с помощью ФНЧ и полосовых фильтров разделяется по спектру на три: соответственно. После детектирования сигналов в амплитудных детекторах и составляющие вычитаются в матричной схеме из сигнала прошедшего линию задержки Линия служит для выравнивания времени прохождения сигнала с временем задержки сигналов и На выходе матрицы формируется сигнал

Особенностью частотно-фазового кодирования при использовании двухслойного полоскового светофильтра является то, что ширина горизонтальных сечений полосок одинакова, а следовательно, одинаковы частоты сигналов генерируемых в процессе развертки изображения. В случае равной ширины полосок желтого и голубого светофильтров это выполняется при их ортогональном расположении по отношению друг к другу и наклоне ±45° к направлению оси х горизонтального разложения (рис. 5.6, а).

Рис. 5.6. Частотно-фазовое кодирование (а) и декодирование (б) сигналов миогосигиальиых ФЭП

Прозрачность двухслойного светофильтра в зеленой области спектра то здесь, как и ранее, не зависит от координаты х. Окна прозрачности в красной и синей областях спектра для двух соседних в поле строк 1 и 2 в рассматриваемом случае должны смещаться вдоль оси х на четверть периода частоты Это условие обеспечивается выбором шага разложения между осями соседних в поле строк.

В таком случае выходные сигналы многосигиального ФЭП от строк 1 и 2

содержат низкочастотную составляющую а также первые гармоники частоты

амплитуды которых пропорциональны сигналам и а фазы определяются координатами пересечения полосок штриховых светофильтров.

Схема разделения сигналов многосигнального ФЭП (рис. 5.6, б) содержит предварительный усилитель, выходной сигнал которого с помощью ФНЧ и полосового фильтра делится по спектру на составляющие Дальнейшее разделение сигналов, пропорциональных яркости красного и синего цветоделенных изображений, происходит в гребенчатом фильтре.

В фазирующем устройстве прямой сигнал строки 2 задерживается на четверть периода частоты и принимает вид

а в линии задержки сигнал строки 1 задерживается на время передачи одной строки. В устройстве суммирования (УС) образуется сумма прямого и задержанного на строку сигналов а в устройстве вычитания (УВ) — их разность

Сформированные суммарный и разностный сигналы детектируются в амплитудных детекторах . В матричной схеме, формирующей сигнал сигналы вычитаются из сигнала прошедшего линию задержки

К достоинствам схемы с частотно-фазовым разделением следует отнести наличие одной поднесущей частоты и связанную с этим большую широкополосность сигналов, а следовательно, и более высокую разрешающую способность системы в горизонтальном направлении. Однако в направлении, перпендикулярном осям строк, разрешающая способность здесь меньше, поскольку выходные сигналы формируются из сигналов двух соседних в поле строк. В обеих схемах предъявляются повышенные требования к линейности горизонтальной развертки, обусловленные селекцией сигналов по частоте, а в последней схеме и к линейности вертикальной развертки, что связано с одновременной обработкой сигналов двух соседних строк.

Передача цветового сигнала без ухудшения разрешающей способности в яркостном канале возможна при условии частотного перемежения спектров цветовой и яркостной информации. Это условие обеспечивается выбором соответствующего шага разложения: 6 наклона и ширины полос кодирующих светофильтров, благодаря которым цветовая поднесущая располагается посредине между двумя соседними гармониками строчной частоты.

Прн временном кодировании применяются однослойные штриховые светофильтры, состоящие, например, из вертикальных полосок основных цветов RGB, сгруппированных в трнады. Выходной сигнал ФЭП распределяется по трем усилительным каналам в соответствии с чередованием цветности светофильтров в процессе развертки. Однако импульсная коммутация сигналов реализуется лишь при использовании фотодиодных или ППЗ-матриц с жесткой топологией. Она затрудняется нелинейностью развертки в передающих трубках, где строчной синхронизации коммутатора оказывается недостаточно. Для фазирования коммутатора в течение всей строки необходим опорный индексный сигнал, который может быть сформирован, как показано в § 4.7, с помощью секционирования сигнальной пластины передающей трубки на две гребенки.

В настоящее время однотрубочные камеры уступают трехтрубочным по чувствительности и разрешающей способности. Тем не менее благодаря относительной простоте и перспективности они уже получили широкое распространение в мировой практике.

В передающих камерах с двумя ФЭП один преобразователь формирует обычно широкополосный яркостный сигнал, а другой — узкополосные сигналы цветности [12].

Для коррекции апертурных искажений, вносимых ФЭП, используются апертурные корректоры. Одномерная коррекция в направлении строчной развертки достигается регулированием подъема АЧХ корректора на верхних частотах. При двумерной коррекции из сигнала передаваемого элемента изображения вычитаются с регулируемыми весовыми коэффициентами сигналы соседних элементов. Наряду с повышением резкости изображения апертурная коррекция сопровождается ухудшением отношения сигнал-шум. Для снижения заметности шумов используются схемы подавления шумов на крупных деталях изображения.