Посвящается 10-летнему юбилею
ЗАО "КОМПАНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬ"

СЕКРЕТЫ ВЫСОКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТВ КАМЕР

Н. Уваров

Алгоритм безопасности №6, 2002

Не секрет, что цветные телевизионные камеры различных производителей мало отличаются значениями чувствительности. Действительно, с чего бы им особенно различаться: кремний он и в Африке кремний - квантовый выход близкий к единице; работают все они в одном спектральном диапазоне - кривой видности глаза, иначе цвет неправильно будет воспроизводиться на мониторе; да и критерий оценки качества работы видеокамер непроизвольно сложился один - наличие цвета. Если цвета не будет, так какая же это цветная видеокамера? А вот для того, чтобы цвет воспроизводился, при наличии дополнительного светопоглощения цветоделительным фильтром на ПЗС сенсоре, освещённость на последнем должна быть достаточной. Света может быть достаточно для образования полного сигнала яркости, однако для образования необходимого уровня сигнала цветности его может и не доставать.

Поэтому в параметрах цветных телевизионных камер, как правило, чувствительность для сигнала -6дБ и ниже приводится редко. А для полного видеосигнала, в зависимости от формата ПЗС сенсора, минимальная освещённость на объекте (чувствительность для стандартных условий измерения - с объективом f/1,2 и 75% отражающей способностью) составляет 1,5 - 8 люкс [1].

Таблица 1 - Параметры некоторых цветных видеокамер

По-иному дело обстоит с чёрно-белыми (монохромными) видеокамерами. Не перестаю удивляться рекламным трюкам в отношении параметров чувствительности и минимальной освещённости, публикуемых в различных источниках, для монохромных телевизионных камер. Яркий пример экстремизма - рекламное сообщение компании "АРМО-Групп", представленное в журнале "Системы безопасности, связи и телекоммуникаций" №33, 2000г. В нём утверждается, что специализированная камера LCL902HS (WATEC America Corp.) с ПЗС сенсором 1/2" и размером пикселя 8,6мкм (Г)x(8,3 мкм (В) обладает чувствительностью 0,00015 лк, F1,4. Что же всё-таки чувствует, представляемая ТВ камера при такой освещённости понять из рекламы невозможно и для потенциальных потребителей, обольстившихся такой продукцией, привожу элементарные расчеты из светотехники.

Известно, что число фотонов, участвующих в образовании зарядового пакета за цикл накопления на элементе (пикселе) ПЗС сенсора, определяется как,

где:
E - облучённость, в Вт/м²,
S - площадь элемента, в м²,
t - время накопления, в сек,
W_ф = hν - энергия фотона, в Дж,
h = 6,626·10^-34 Дж·сек - постоянная Планка,
ν = с/λ - частота излучения, в Гц,
с = 3·10⁸ м/сек - скорость света,
λ - длина волны излучения, в м,
η - квантовый выход.

Оценим энергетическую облучённость на объекте наблюдения. С одной стороны 1 Вт = 1Дж/сек. С другой, 1Вт мощности светового излучения от источника белого цвета с равномерным распределением энергии (например, Солнце), в спектре кривой видности глаза соответствует световому потоку в 220 люмен [2]. Отсюда следует вывод, что 1 Вт/м² ≡ 220 люкс. Или, двум люксам - типичной величине минимальной освещённости на объекте для цветных телевизионных камер, соответствует энергетическая освещённость 9,1·10^-3 Вт/м². Именно эту энергетическую освещённость, показывая по шкале 2 люкса, будет регистрировать специальный прибор - люксметр, имеющий спектральную характеристику чувствительности, совпадающую с кривой видности глаза.

В светочувствительной плоскости ПЗС сенсора видеокамеры энергетическая облучённость будет ослаблена. Коэффициент ослабления потока квантов (фотонов) при отражении от объекта и прохождении в плоскость фокусировки объектива, сфокусированного на бесконечность, рассчитывается из известного выражения,

E_{фотоприемника} = (4·F²)^-1·E_{объекта}·ρ·τ       (2)

где:
ρ - коэффициент отражения объекта,
τ - коэффициент пропускания объектива,
F - апертура объектива.

Для стандартных условий измерения чувствительности телевизионных камер: коэффициент отражения принимают ρ = 0,75; пропускания - τ = 0,85; апертура - F = 1,2.

То есть в стандартных условиях ослабление потока квантов при переносе изображения объекта в плоскость фокусировки составит

Е_{объекта} / Е_{фотоприёмника} = 4· (1,2)²/0,75·0,85 = 9 раз.

Таким образом, энергетическая облучённость в плоскости ПЗС сенсора при освещённости на объекте 2 люкса составит ~ 10^-3 Вт/м².

Возвращаясь к начальному выражению (1), определим число фотоэлектронов, накопленных на элементе ПЗС сенсора за стандартное время накопление t = 0,02 сек при энергетической облучённости Е =10^-3 Вт/м².

S - площадь элемента ПЗС сенсора формата 1/2" и числом элементов 752 (H) x 528(V), составит 8,6(8,3 мкм = 70 мкм² или 70·10^-12 м². Среднее значение квантового выхода для ПЗС сенсора в спектральном диапазоне кривой видности глаза составляет η = 0,7 [3]. А средняя энергия фотона в этом же спектральном диапазоне определится из выражения:

Таким образом, среднее значение числа электронов в потенциальной яме пикселя ПЗС сенсора составит,

Сопоставим расчеты с практикой через анализ отношения сигнал/шум выходного сигнала видеокамеры. При фотоэлектрическом преобразовании изображения в электрический видеосигнал, естественно возникают шумы. Прежде всего, шумы основного светового потока (фотонный шум) и собственные шумы ПЗС сенсора и видеотракта. Фотонный шум является следствием дискретной природы света. Любой дискретный процесс подчиняется закону Пуассона (статистике). Поток фотонов также следует этой статистике, согласно ей, фотонный шум равен квадратному корню из числа фотонов. Таким образом, отношение сигнал/шум в потоке фотонов, падающем на пиксель ПЗС сенсора, будет также равно корню квадратному из числа фотонов. Соответственно, шумовая составляющая зарядового пакета будет также равна корню квадратному из среднего значения числа электронов в потенциальной яме пикселя ПЗС сенсора [4].

В нашем случае число шумовых электронов штук. Собственные шумы ПЗС сенсора обусловлены многими факторами: тепловые шумы в полупроводнике, шумы переноса зарядов, шумы выходного устройства - преобразования пакетового заряда в напряжение на выходе ПЗС и другие. Практически для всех современных высококачественных ПЗС сенсоров, широко используемых в промышленном и прикладном телевидении, количество шумовых электронов составляет (15 - 25) [3]. Это количество определяется, в основном, типичной для всех кристаллов ПЗС, техникой исполнения выходного устройства, в котором происходит преобразования заряда пикселя в напряжение. Добавим собственные шумовые электроны ПЗС в количестве 20 штук в пуассоновский шум зарядового пакета, получим . Теперь можно вычислить расчётное отношение сигнал/шум по известной формуле, S/N=20 log U_S / U_N, где: U_S - размах сигнала, U_N - среднеквадратичное значение шума. В нашем случае, U_S ≡ 2768 электронам, а U_N ≡ 56 электронам, то есть расчетное отношение сигнал/ шум составит S/N=34 дБ.

Обычно, измерение среднеквадратичного значения шума производят с взвешенным фильтром, который имитирует визуальное восприятие флуктуационных помех, зависящее от распределения энергии помех по спектру. Взвешивающий фильтр как бы уравнивает мощности помех по их заметности глазом на экране монитора. Экспериментально установлено, что использование взвешивающего фильтра целесообразно при отношении S/N больше 26 - 30 дБ. При меньших значениях S/N это правило нарушается. Для равномерного спектра флуктуационной помехи, затухание, вносимое таким фильтром, составляет 9,2 дб [5]. То есть, если измерения среднеквадратичного значения шума произведены без фильтра, то к вычисленному значению отношения S/N следует добавить 9,2 дб. В нашем случае при расчёте взвешивающий фильтр не учитывался, поэтому с учётом его влияния отношение составит S/N=34 + 9,2 = 43,2 дБ. Теперь обратимся к каталогу фирмы "Philips CSI", CCTV products 2002. Видим, монохромная видеокамера высшей категории LTC 0500. Чувствительный элемент - ПЗС сенсор: формат 1/2", число активных элементов 752(H)x528(V); сигнал/шум (АРУ выключено) - 50 дБ, при 0,25 люкс на ПЗС сенсоре (с взвешиванием согласно CCIR 576). В приведенных выше расчётах для аналогичного ПЗС сенсора и освещённости на сенсоре Е_{фотоприёмника} = Е_{объекта} / 9 = 2 люкса/9 = 0,22 люкс (9 - коэффициент ослабления потока квантов при переносе изображения объекта в плоскость фокусировки, вычисленный из выражения 2) получена величина отношения сигнал/ шум 43,2 дБ. Аккуратный пересчёт для освещённости 0,25 люкс даёт результат величины отношения сигнал/шум 44 дБ. Расхождение результатов расчёта и практических измерений, приведенных в каталоге на -6дБ. Где же при расчётах потеряны 6дБ?

Решим обратную задачу, определим необходимое число фотоэлектронов в потенциальной яме пикселя, обеспечивающее отношение сигнал/шум S/N = 50 дБ. Сначала вычтем добавку из величин S/N, добавку, которую при измерении дал взвешивающий фильтр.

50 дБ - 9,2 дБ = 40,8 дБ. Теперь переведём в разы - 40,8 дБ ≡ 110 раз. Возведём в квадрат, получим число фотоэлектронов в потенциальной яме, обеспечивающее S/N = 50 дБ - 12100 штук. По нашим же расчётам при освещённости 2,5 люкс число фотоэлектронов соответствует 3025 штук. То есть на практике, при этой же освещённости их оказывается в четыре раза больше. Откуда же они берутся?

Дело в том, что расчёт был произведен для фотонов, попадающих в спектральную область кривой видности глаза, подчеркиваю - это спектральная область чувствительности люксметра, только в этой спектральной области справедливы люксы для измерения энергетической облучённости. На самом деле спектральная характеристика чувствительности ПЗС сенсора значительно шире кривой видности глаза и существенно продвинута в инфракрасную (ИК) область (см. рис. 1).

Это свидетельствует о том, что на практике в образовании зарядового пакета принимают участие гораздо большее число фотонов, чем было принято в расчётах. То есть в расчётах нельзя было ограничиваться только спектральной кривой видности глаза. Однако расчёт намеренно был произведён для той спектральной области излучения, где чётко определены фотометрические единицы измерения параметров потока лучистой энергии - люмены и на практике существуют объективные средства измерения освещённости - люксметры. Надо отметить, что проводить расчёты в более широком спектре излучения довольно сложно, а в нашем случае в этом и нет особой необходимости.

А теперь попытаемся оценить добавку фотоэлектронов в потенциальной яме пикселя при расширении спектральной характеристики в ИК-область. Во-первых, как следует из выше приведенного выражения для энергии фотона, она падает с увеличением длины волны λ. То есть число их на единицу мощности излучения с ростом λ увеличивается. Или более правильно это можно интерпретировать, как увеличение числа фотонов на единичном интервале спектра, при равномерном распределении энергетического спектра исходного источника излучения. Во-вторых, как следует из спектральной характеристики, увеличение числа фотонов с ростом λ парируется снижением квантового выхода с тем же ростом длины волны излучения.

Непростые расчёты и теоретические исследования показывают, что в первом приближении можно считать, что число фотоэлектронов (при равноэнергетическом спектре исходного излучателя) в потенциальной яме будет расти пропорционально площади под кривой спектральной чувствительности ПЗС сенсора [6]. Оценивая соотношения площадей под нормированной кривой видности глаза и нормированной спектральной характеристикой чувствительности телевизионной камеры LTC 0500 (рис. 1), видим, что площадь под спектральной характеристикой составляет 39 клеток, а под кривой видности глаза около 10 клеток. То есть при освещении равноэнергетическим источником и регистрации люксметром освещённости 2,5 люкса число фотоэлектронов в потенциальной яме будет в четыре раза больше расчётного значения. Отсюда можно сделать следующие важные выводы:

1. Приведенные расчёты хорошо согласуются с практикой.
2. Чёрно-белая (монохромная) видеокамера с нормированной спектральной характеристикой, то есть имеющая оптический фильтр, отсекающий инфракрасную составляющую входного излучения до кривой видности глаза, по чувствительности значительно (почти на полпорядка) уступает видеокамере с так называемой болометрической чувствительностью, то есть с собственной спектральной чувствительностью ПЗС сенсора.
3. Разница в чувствительности вышеназванных видеокамер существенно зависит от распределения спектральной плотности излучения исходного излучателя.

А теперь проведём несложные расчёты для числа фотоэлектронов в потенциальной яме ПЗС сенсора форматом 1/2" и числом активных элементов 752(H)x528(V), с нормирующим спектральным фильтром и без него для различных значений освещённости на объекте при стандартных условиях измерения. Одновременно просчитаем отношение сигнал/шум без учёта влияния взвешенного фильтра и с фильтром, помня, что добавка затухания от взвешивающего фильтра целесообразно при расчётном отношении S/N больше 26 - 30 дБ. Полученные данные сведём в таблицу 2, при этом в числителе дробей поместим результаты расчётов для видеокамеры с нормированной спектральной характеристикой, а в знаменателе - для болометрической камеры.

Таблица 2

А теперь вновь вернёмся к упомянутой выше рекламе компании "АРМО-Групп", в которой утверждается, что специализированная камера LCL902HS (WATEC America Corp.) с ПЗС сенсором 1/2" и размером пикселя 8,6мкм (Г)·8,3 мкм (В) обладает чувствительностью 0,00015 лк, F1,4. Как следует из таблицы 2, даже если видеокамера обладает болометрической чувствительностью, то при такой освещённости в потенциальной яме пикселя окажется, в лучшем случае, один фотоэлектрон, при этом ни о каком видеосигнале речи быть не может. Даже при самом высоком показателе усиления АРУ видеокамеры на мониторе будут воспроизводиться только её собственные шумы.

Анализируя данные таблицы 2, можно сказать, что реальные возможности такой видеокамеры ограничены значением освещённости на объекте 0,15 люкс, когда отношение сигнал/шум составляет примерно 24 дБ. Это эмпирически определенное предельное значение зашумленности, при котором на мониторе воспроизводится так называемое "приемлемое изображение" и видеосигнал которого еще можно записывать на видеопленку и надеяться при воспроизведении что-то увидеть. Дальнейшее повышение чувствительности видеокамеры возможны только при реализации режима накопления фотоэлектронов в ПЗС сенсоре в течении нескольких кадров и пространственного суммирования зарядов по фрагменту H на V элементов ( например 4x4).

Совершенно понятно, что при этом пространственно-временные характеристики видеокамеры будут ухудшены. Прежде всего, снизится разрешающая способность камеры и появится смаз изображений подвижных объектов. Об этом надо помнить всегда, ибо в охранных ТВ системах именно пространственно-временные характеристики видеокамеры определяют возможности оператора качественно выполнять функции обнаружения, опознавания и идентификации. И ещё, процесс пространственно-временного суммирования зарядов в ПЗС сенсоре эффективен только при принятии технических мер по снижению собственных шумов сенсора, например при охлаждении кристалла ПЗС сенсора с помощью термоэлектрического холодильника на эффекте Пельтье. А это уже и дорогостоящая и технически сложновыполнимая задача и вряд ли она реализована в видеокамере, рекламируемой компанией "АРМО-Групп".

Вообще в рекламе написать можно всё что угодно: чистую правду, частичную правду, враньё, похожее на правду и откровенное враньё. Однако когда Вам на практике демонстрируют высокую чувствительность видеокамеры, а Вы понимаете, "что этого не может быть потому, что не может быть никогда", то необходимо понять, в чём ошибка эксперимента. Приведу наглядный пример. Известно, что измерение низких уровней освещённостей (менее 1 люкса) задача не очень простая. Современные люксметры, выполненные на основе селенового элемента с коэффициентом преобразования 1милливольт на 100 люкс, в лучшем случае позволяют регистрировать минимальную освещённость 1 люкс. И тогда экспериментаторы снижение уровня освещённости на ПЗС сенсоре видеокамеры моделируют с помощью нейтральных фильтров.

Эксперимент строится следующим образом. Перед видеокамерой ставится тестовая телевизионная таблица, например ТИТ 0249. Освещается она лампой накаливания, то есть источником типа "А", и на таблице люксметром регистрируется освещённость, допустим 10 люкс. Вписанное в формат ПЗС сенсора видеокамеры изображение таблицы демонстрируется на мониторе, и визуально фиксируются все качественные показатели видеокамеры. Далее, последовательно закрывают объектив видеокамеры нейтральными фильтрами с коэффициентами пропускания 0,1; 0,01 и 0,001 (два вместе), при этом оценивается качество изображения в предположении, считая, что освещенность таблицы будет соответственно равна 1 люкс, 0,1 люкс, 0,01 люкс. В соответствии с расчётами, приведенными выше (в таблице 2) мы понимаем, что на освещённости 0,01 люкса мы на мониторе должны видеть одни шумы. Однако видеокамера показывает сносное изображение таблицы. В чём дело? В 2000 году мне рассказали о такой демонстрации чувствительности видеокамеры, изготовленной на базе ПЗС сенсора фирмы "Sony" ICX055AL. Проанализировав спектральные характеристики чувствительности люксметра и сенсора ICX055AL, а также спектральные плотности излучения источников освещения я убедился в том, что энергетические соотношения для ПЗС и люксметра будут расходиться в 5 - 6 раз (Рис. 2).

То есть, результат свёртки спектральных характеристик источника "А" (2850°К), имеющего максимум излучения, согласно формуле Вина, λ_max= 2896 / Т °К=1мкм, и люксметра (спектральная характеристика строго - кривая видности глаза) будет в 5 раз меньше результата интегрирования характеристик источника "А" и ПЗС сенсора ICX055AL. Это происходит вследствие расширенной спектральной чувствительности ПЗС сенсора и линейного роста с увеличением λ от значения 0,05 (на λ = 0,4 мкм) до 1,0 (на λ = 1 мкм) по нормированной спектральной характеристики энергетической отдачи источника типа "А".

Однако меня уверили в том, что видеокамера, на самом деле, имеет более чем в 5 раз высокую чувствительность. Тогда я обратил внимание на спектральные характеристики нейтральных фильтров, и всё встало на место [7]. На рисунке 3 представлены спектральные характеристики нейтральных фильтров NC2, NC3 и TC10, толщиной 4 мм (ГОСТ 9411-91 "Стекло оптическое цветное").

Фильтры предназначены для работы в видимой области спектра и совершенно чётко ослабляют световой поток в соответствии с предписанным номиналом: NC2 - в 10 раз; NC3 и TC10 - в 100 раз. В других же, УФ и ближней ИК областях спектра, коэффициенты пропускания не нормируются, и их величины ведут себя совершенно произвольно. Так, на длине волны 0,7 мкм, где ПЗС сенсор имеет максимальную чувствительность (см. рис.1), коэффициент пропускания равен 0,5 для NC2, то есть световой поток ослабляется фильтром вместо 10 раз всего в 2 раза. А для NC3 коэффициент пропускания равен 0,3 и световой поток ослабляется в 3,3 раза. То есть при сложении фильтров, ожидаемое ослабление светового потока в 1000 раз происходит только в спектре кривой видности глаза, вне этого диапазона ослабление светового потока существенно меньше, так на волне λ = 0,7 мкм ослабление составляет всего 6 -7 раз. В последствии выяснилось, что экспериментаторы сами не подозревали о существовании ошибки в эксперименте и невольно вводили в заблуждение себя и публику, которой демонстрировалась высокая чувствительность телевизионной камеры.

Таким образом, секреты высокой чувствительности видеокамер практически всегда связаны или с недобросовестной рекламой или с экспериментальными ошибками. И я надеюсь, что материалы статьи помогут Вам разобраться в ситуации, когда Вас будут пытаться очаровать рекордными значениями чувствительности.

Литература

1. CCTV Today, September/October 2002, "Product testing - Cameras", pp. 30-34.
2. Самойлов В.Ф., Хромой Б.П. "Телевидение", Изд-во "Связь" 1975.
3. Неизвестный С.И., Никулин О.Ю. "Приборы с зарядовой связью - основа современной телевизионной техники. Основные характеристики ПЗС", "Специальная техника", № 5, 1999.
4. Janesick J., Klaasen K. and Elliott T. "CCD charge collection efficiency and the photon transfer technique" in Solid State Imaging Arrays, K. N. Prettyjohns and E. L. Dtrtniak, eds., Proc. SPIE 570, 7-19 (1985).
5. Ткаченко А.П., Кириллов В.И., "Техника телевизионных измерений", изд-во "Вышэйшая школа", Минск, 1976, с. 46.
6. "Полупроводниковые формирователи сигналов изображения". Под ред. П. Йесперса Изд-во "Мир", М.,1979, с. 337-373.
7. Хеймен Р. "Светофильтры". М.: Мир, 1988.

Об авторе: Уваров Николай Егорович, ЗАО "КОМПАНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬ"