Телевизионная визуализация и обработка изображений люминесцирующих объектов в криминалистике, молекулярной биологии и медицине (стр. 20 )

Вариантом ТВ-систем для исследования ИК-люминесценции, работающих в области спектра 1–1,8 мкм, является ТВ-камеры на базе ИК-видикона. Так, например, фирма Hamamatsu (Япония) разработала малогабаритную ТВ-камеру R5509. Её спектральные характеристики изображены на рис. 2.3.8 (кривая 1). Кривая 2 отражает спектральную чувствительность аналогичной отечественной камеры (модель 7869) НПО «Электрон». ТВ-камера выполнена на базе ИК-видикона с мишенью на основе PbO/PbS (или Pb-O-S) с разрешением 600 ТВ-линий при размере рабочей площадки мишени 9,5 ´ 12,7 мм.

Рис. 2.3.8. Спектральная характеристика ТК на базе ИК-видикона

Фирма Emerging IR Technology (США) создала ТВ-камеру (модель SU320-1,7RT) с использованием матричного фотоприемника с числом элементов 640 ´ 480 на базе InGaAs такую с энергопотреблением менее 0,1 Вт для области спектра 0,9–1,7 или 0,9–2,0 мкм. Габариты камеры не превышают 158 ´ 103 ´ 103 мм. Ее обнаружительная способность составляет свыше 1012 Вт-1Гц1/см2. Кривая спектральной чувствительности ТВ-камеры представлена на рис. 2.3.9.

Рис. 2.3.9. Спектральная характеристика ИК ТК на базе ПЗС

В США ведутся работы по созданию гиперспектральных ТВ-детекторов. При этом в одном чипе предполагается совмещение ИК-матрицы и матрицы видимого диапазона. Такие системы работают в различных спектральных диапазонах, варьируя которыми, можно выделять по спектру разнообразные объекты. Однако, недостатком камер на основе InGaAs является высокая стоимость 5 тыс. $ – 15 тыс. $ [50].

Подавление шумов в ТК методом накопления

Свет, представляющий собой поток фотонов, проходя через объектив ТК, попадает на фоточувствительную поверхность матрицы ПЗС и на границе раздела полупроводник-диэлектрик преобразуется в фотоэлектроны, которые собираются в накопительных ячейках-пикселах матрицы ПЗС.

Рис. 2.3.10. Источники шума в ПЗС-матрице

При слабой освещенности поток фотонов уменьшается. Число фотоэлектронов, накапливаемых в пикселе изображения за кадр, уменьшается с сотен тысяч при высокой освещенности до десятков и даже единиц при слабом освещении. Шум становится главным препятствием получения качественного изображения.

Первый источник шума обусловлен дискретной природой света. Фотоны падают на фоточувствительную поверхность неравномерно по времени и неточно в пространстве. Измерить группу фотонов можно с точностью до фотонного шума, определяемого корнем квадратным из их числа. Чем больше фотонов в пикселе, тем лучше отношение сигнал/шум и качественнее и четче изображение.

Рис. 2.3.11. Влияние шума на качество изображения

Вторым источником шума является шум считывания выходного устройства ПЗС, который примерно соответствует 30 электронам/пиксел. Чтобы увидеть крупные объекты на изображении, отношение сигнал/шум должно быть не менее 10. Считая квантовый выход ПЗС равным примерно 0,2 и время накопления поля 20 мс, можно определить, что минимальная плотность потока фотонов должна быть 30/0,2 ´ 10/0,02 = 75000 фотонов/элемент/секунду. При объективе с относительным отверстием F 1,2 такая плотность фотонов соответствует чувствительности стандартной ТК 0,02 люкса на объекте. При столь малой освещенности уровень сигнала на выходе ПЗС уменьшается до единиц милливольт. Его нужно усилить, иначе будет виден лишь черный экран видеомонитора. При усилении одновременно с сигналом возрастает шум, который при достаточных освещенностях был незаметен. В результате на экране видеомонитора появляется шум в виде серых снежинок.

При уменьшении освещенности в 100 раз отношение сигнал/шум уменьшается в 5–10 раз, что в свою очередь уменьшает разрешающую способность при непосредственном наблюдении на видеомониторе в 2–3 раза.

Рис. 2.3.12. Иллюстрация уменьшения шумом четкости изображения

Существуют аналоговые и цифровые методы подавления шумов, основанные на фундаментальном принципе выделения сигнала из шума – «принципе накопления энергии сигнала», который базируется на коренном отличии сигнала от шума. Сигнал всегда однополярный (в телевидении положительный) и имеет ограниченную полосу частот. Шум всегда дифференциальный с нулевым математическим ожиданием и со значительно более высокой полосой частот. В результате простое сложение (накопление) порций «сигнал + шум» будет приводить к линейному росту уровня сигнала и только к замедленному (по закону корня квадратного) росту среднего отклонения размаха шума. Каждые 100 сложений улучшают отношение сигнал/шум в 10 раз. Принцип накопления энергии сигнала используется во всех способах повышения чувствительности: пространственно-временное суммирование и низкочастотная фильтрация. На рис. 2.3.13 показаны принципы накопления сигнала.

Определенным преимуществом обладает способ повышения чувствительности, называемый «накопление до воздействия шума». Его суть заключается в том, что дополнительное суммирование (накопление) сигнала производится в самой матрице ПЗС до того, как сигнал попал в выходное устройство и к нему присоединился шум считывания. В результате происходит сложение сигнала без сложения шума, а шум добавляется в выходном устройстве ПЗС один раз на каждую сумму сигналов. Таким образом, четырехкратное сложение приводит к десятикратному росту отношения сигнал/шум, а не к двукратному, как в обычных методах. Этот режим возможен благодаря тому, что при малых сигналах шум считывания значительно превосходит фотонный шум и последний практически не оказывает влияния на результат накопления [47,52].

Рис. 2.3.13. Принципы накопления сигнала

Некоторые ТК фирмы «ЭВС»

В качестве примера ТК для ТСС рассмотрим характеристики черно-белых бескорпусных камер фирмы «ЭВС» серии V-A, V-E, V-I [52].

Особенности:

–  ExwaveHad матрицы ПЗС фирмы SONY с увеличенной в 3–4 раза чувствительностью в камерах VS (A, E, I)-531 и VS (A, E, I)-731;

–  Адаптивный корректор четкости, компенсирующий потери разрешающей способности в объективе и выходном кабеле;

–  Возможность включения зеркального режима в камерах VВ (A, E, I)-532.

Рис.2.3.14. Телекамера VBI-531 с держателем объектива CS-mount

Выбор типа держателя и объектива зависит от назначения и условий эксплуатации камеры. Наилучшие характеристики достигаются при использовании объективов с креплением CS-mount. Объективы с постоянной диафрагмой и резьбой М12 обладают средними характеристиками как по качеству изображения, так и по чувствительности. Одна и та же камера с объективами М12 и PinHole будет иметь в 3 и 10 раз, соответственно, более низкую чувствительность, чем та же камера с объективом и креплением CS.

Таблица 3.4

Параметры черно-белых ТК с повышенной чувствительностью фирмы «ЭВС»

Модель	VBA-531 VBE-531(1) VBI-531(1)	VSA-531 VSE-531(1) VSI-531(1)	VBA-571 VBE-571(1) VBI-571(1)	VSA-571 VSE-571(1) VSI-571(1)	VBA-532 VBE-532(1) VBI-532(1)	VCA-533 VCE-533(1) VCI-533(1)
Фотоприемник	ICX-405AL SONY, 1/3”	ICX-255AL SONY, 1/3”	ICX-409AL SONY, 1/3”	ICX-259AL SONY, 1/3”	LZ2326AJ SHARP,1/3”	LZ2423H SHARP, 1/3”
К-во элементов CCIR EIR	582 ´ 500 492 ´ 510	582 ´ 500 492 ´ 510	582 ´ 752 492 ´ 768	582 ´ 752 492 ´ 768	582 ´ 500 492 ´ 510	582 ´ 500 492 ´ 510
Разрешение, ТВ линий	380	380	570	570	380	300
Мин. освещ-ть на объекте при сигнал/шум=10, люкс	0,05 (F2,0) 0,2 (F4,5)(1) 0,02(F1,2)(2)	0,012 (F2,0) 0,05 (F4,5)(1) 0,005 (F1,2)(2)	0,05 (F2,0) 0,2 (F4,5)(1) 0,02 (F1,2)(2)	0,015 (F2,0) 0,08 (F4,5)(1) 0,007 (F1,2)(2)	0,05 (F2,0) 0,2 (F4,5)(1) 0,02 (F1,2)(2)	0,5 (F2,0) 1,5 (F4,5)(1) 0,15 (F1,2)(2)
Напр. ист. питания, В	+10…+12,5
Потребляемый ток, не более, мА	90	90	115	115	90	85
Отношение сигнал/шум, дБ	46	48	46	48	46	44

В качестве примера цветных ТК приведем таблицу с характеристиками цветных камер стандартного и высокого разрешения, стандартной и высокой чувствительности фирмы «ЭВС» [52].

Таблица 3.5

Технические характеристики цветных ТК фирмы «ЭВС»

№ платы	44
№ модуля	C-544	C-744	Z-544	Z-744
Черно-белый, цвет	цвет
Разрешающая способность, ТВ линий	300	460	300	460
Чувствительность, люкс	0,5 (F1,2)	0,5 (F1,2)	0,12 (F1,2)	0,15 (F1,2)
Матрица ПЗС	ICX-405AК	ICX-409AК	ICX-255AК	ICX-259AК
Камеры без корпуса: V-A, объектив M12 V-E, объектив PinHole V-I, объектив CS-mount	VCA-544 – VCI-544	VCA-744 – VCI-744	VZA-544 – VZI-544	VZA-744 – VZI-744
Камеры внутренние: V-C, объектив CS-mount	VCC-544	VCC-744	VZC-544	VZC-744
Камеры наружные: V-N, объектив CS-mount	VCN-544	VCN-744	VZN-544	VZN-744