RU2176855C2 - Low-level color tv system - Google Patents

Abstract

FIELD: color television systems, optoelectronic devices. SUBSTANCE: low-level color TV system includes receiving telescopic optics, beam-splitting optics in the form of two interference mirrors, three TV channels each incorporating electron-optical converter and reproductive lens, camera tube, video signal processing and amplification unit. Electron-optical converters of each channel have threshold sensitivity proportional to transmission factor of proper color and inversely proportional to square of aperture ratio of receiving focusing optics. Signals from outputs of camera tubes of all channels come to picture tube which constructs color image on its screen. EFFECT: enhanced light sensitivity of TV system. 1 cl, 1 dwg

Description

Translated fromRussian

Устройство относится к оптико-электронным приборам и, в частности, к системам цветного телевидения. The device relates to optoelectronic devices and, in particular, to color television systems.

Как известно, в современных телевизионных системах существуют как минимум две основные проблемы: повышение информативности (качества) изображения и противоположная ей проблема снижения требований к уровню освещенности объекта. As you know, in modern television systems there are at least two main problems: increasing the information content (quality) of the image and the opposite problem of reducing the requirements for the level of illumination of the object.

Повышение информативности изображения осуществляется созданием систем цветного изображения. Однако они обладают низкой светочувствительностью и не позволяют вести съемку при уровнях освещенности объектов ниже 1 лк. Increasing the information content of the image is carried out by the creation of color image systems. However, they have low photosensitivity and do not allow shooting at illumination levels of objects below 1 lux.

Цветные телевизионные системы, спектральные характеристики которых ограничены видимым диапазоном спектра 0,4 - 0,7 мкм, как правило, выполнены трехцветными. Color television systems, the spectral characteristics of which are limited by the visible range of the spectrum from 0.4 to 0.7 microns, are usually made tri-color.

В зависимости от способа передачи информации об исходных цветах во времени различают последовательные и одновременные системы цветного телевидения. Depending on the method of transmitting information about the source colors, sequential and simultaneous color television systems are distinguished in time.

Трехцветная телевизионная система с последовательной передачей цветных полей содержит объектив, оптико-электронный преобразователь, диск с цветными светофильтрами, кинематически связанный с синхронным электродвигателем, электронный коммутатор, синхрогенератор, три отдельных усилительных канала и трехцветную приемную телевизионную систему [1]. A three-color television system with serial transmission of color fields contains a lens, an optoelectronic converter, a disk with color filters kinematically connected to a synchronous electric motor, an electronic switch, a clock generator, three separate amplification channels and a three-color receiving television system [1].

Данная система при простоте конструкции создает серьезное искажение цветов из-за трудностей их синхронизации и обладает крайне низкой светочувствительностью. Given the simplicity of the design, this system creates serious color distortion due to difficulties in synchronizing them and has an extremely low light sensitivity.

Более совершенной является система с одновременной передачей цветов. More perfect is a system with simultaneous color reproduction.

Современные трехцветные телевизионные системы с одновременной передачей цветов содержат приемную оптику, светоделительную оптику, предназначенную для разделения светового потока на, как правило, три цветовые составляющие - синий, красный и зеленый цвета, образующие в результате цветоделения три самостоятельных оптических канала. Каждый цветовой монохроматический канал оснащен передающей телевизионной трубкой и видеоусилителем. Все три видеоусилители электрически связаны с трехцветным кинескопом [2]. Modern three-color television systems with simultaneous color reproduction contain receiving optics, beam-splitting optics, designed to divide the luminous flux into, as a rule, three color components - blue, red and green colors, which form three independent optical channels as a result of color separation. Each color monochromatic channel is equipped with a transmitting television tube and video amplifier. All three video amplifiers are electrically connected to a three-color picture tube [2].

Эта система выбрана в качестве прототипа. This system is selected as a prototype.

Светочувствительность систем с одновременной передачей цветов более чем на порядок выше, чем в системах с последовательной передачей цветовых полей. The photosensitivity of systems with simultaneous color rendering is more than an order of magnitude higher than in systems with sequential color field transmission.

Тем не менее требуемый уровень освещенности объектов для нормальной работы данных систем, обеспечивающих высокую информативность, не должен быть ниже 5 - 10 лк. Ниже этого уровня освещенности объекта получают только черно-белое изображение, что, естественно, резко снижает уровень информативности изображения объекта. Nevertheless, the required level of illumination of objects for the normal operation of these systems, providing high information content, should not be lower than 5 - 10 lux. Below this level of illumination of the object, only a black and white image is obtained, which, of course, sharply reduces the level of information content of the image of the object.

Эта проблема снижения требований к уровню освещенности объектов решается в современных приборах ночного видения с использованием электронно-оптических преобразователей, которые позволяют наблюдать объекты при крайне низких уровнях освещенности, достигающих тясячных и даже десятитысячных долей люкса [3]. This problem of reducing the requirements for the level of illumination of objects is solved in modern night vision devices using electron-optical converters, which allow you to observe objects at extremely low levels of illumination, reaching thousands or even ten thousandths of a lux [3].

Причем для усиления яркости изображения в некоторых случаях используют микроканальные пластины (МКП) [4]. Однако вносимые МКП собственные шумы не позволяют в таких приборах достичь уровней светочувствительности, ограниченных уровнем фона на входе. Moreover, in some cases, microchannel plates (MCPs) are used to enhance image brightness [4]. However, the intrinsic noise introduced by the MCP does not allow such devices to achieve photosensitivity levels limited by the background level at the input.

Повышение светочувствительности телевизионной системы достигается также за счет расширения спектрального диапазона фотокатода, используемого в ней оптико-электронного преобразователя в инфракрасную область до 1,3 - 1,5 мкм [3]. An increase in the photosensitivity of the television system is also achieved by expanding the spectral range of the photocathode used in it by the optoelectronic converter in the infrared region to 1.3 - 1.5 microns [3].

Но в таком случае система обеспечивает передачу изображения только в черно-белом свете, что также ведет к существенной потере его информативности. But in this case, the system provides image transmission only in black and white, which also leads to a significant loss of its information content.

Задача совмещения требования к высокому уровню информативности изображения, т.е. качественному цветному изображению объекта, которое обеспечивается высокой степенью его освещения с требованием к максимально возможному снижению уровня освещенности объекта, как это решается в приборах ночного видения, современными средствами не решена [5]. The task of combining the requirements for a high level of information content of the image, i.e. high-quality color image of the object, which is ensured by a high degree of illumination with the requirement for the maximum possible reduction in the level of illumination of the object, as is solved in night vision devices, has not been solved by modern means [5].

При понижении освещенности ниже требуемых для цветных систем изображение объекта становится монохроматическим, т.е. черно-белым, что ведет к резкому падению информативности. И, наоборот, повышение информативности изображения объекта требует качественного цветного изображения, что в свою очередь подразумевает высокий уровень освещения объекта. When the illumination is lower than required for color systems, the image of the object becomes monochromatic, i.e. black and white, which leads to a sharp drop in information content. And, on the contrary, increasing the information content of the image of an object requires a high-quality color image, which in turn implies a high level of illumination of the object.

Задачей настоящего изобретения является создание цветной телевизионной системы, обеспечивающей высокую степень информативности при низких уровнях освещенности объекта. The present invention is the creation of a color television system that provides a high degree of information at low levels of illumination of the object.

Эта задача решается тем, что в системе, содержащей приемную фокусирующую оптику, светоделительную оптику, по меньшей мере три монохроматических телевизионных канала синего, красного и зеленого цветов, каждый из которых включает передающую телевизионную трубку и блок обработки и усиления видеосигнала, выходы которых подсоединены к цветному кинескопу, между светоделительной оптикой и передающей телевизионной трубкой размещены в каждом канале электронно-оптический преобразователь и репродукционный объектив. This problem is solved in that in a system containing receiving focusing optics, beam splitting optics, at least three monochromatic television channels of blue, red and green colors, each of which includes a transmitting television tube and a video signal processing and amplification unit, the outputs of which are connected to a color the tube, between the beam splitting optics and the transmitting television tube placed in each channel, an electron-optical converter and a reproduction lens.

Другой особенностью настоящего устройства является выполнение установленных в каналах электронно-оптических преобразователей с пороговой чувствительностью, пропорциональной коэффициенту пропускания для соответствующего цвета и обратно пропорциональной квадрату относительного отверстия приемной фокусирующей оптики. Another feature of the present device is the implementation of electron-optical converters installed in the channels with a threshold sensitivity proportional to the transmittance for the corresponding color and inversely proportional to the square of the relative aperture of the receiving focusing optics.

Еще одна особенность заключается в том, что репродукционные объективы в каждом канале выполнены с увеличением, обратно пропорциональным размерам экранов соответствующих электронно-оптических преобразователей и определяющимся соотношением
D_cβ_ос = D_кβ_ок = D_зβ_оз = const,
где D - размер экрана электронно-оптического преобразователя;
β_o- увеличение репродукционного объектива;
с, к, з - соответственно синий, красный и зеленый цвета.Another feature is that the reproduction lenses in each channel are made with an increase inversely proportional to the screen sizes of the corresponding electron-optical converters and the determined ratio
D_c β_axesto β = D_c = D_s β_Lake = const,
where D is the screen size of the electron-optical converter;
β_o - an increase in the reproductive lens;
C, C, C - respectively, blue, red and green.

Особенностью является также выполнение приемной фокусирующей оптики в виде телескопической системы, обеспечивающей передачу изображения объекта на светоделительную оптику в параллельном пучке лучей, и светосильных объективов, размещенных между светоделительной оптикой и электронно-оптическим преобразователем в соответствующем канале. A feature is also the implementation of the receiving focusing optics in the form of a telescopic system that provides the transmission of the image of the object to the beam splitting optics in a parallel beam of rays, and fast lenses placed between the beam splitting optics and the electron-optical converter in the corresponding channel.

Устройство заявляемой системы поясняется подробным описанием конкретного примера со ссылками на чертеж, на котором изображена принципиальная схема системы. The device of the claimed system is illustrated by a detailed description of a specific example with reference to the drawing, which shows a schematic diagram of the system.

Низкоуровневая цветная телевизионная система содержит телескопическую систему 1, светоделительное устройство в виде двух интерференционных зеркал 2 и 3, установленных под углом 45^o к оптической оси и под прямым углом друг к другу и служащих для разделения света на три канала, последовательно установленные в каналах синего, красного и зеленого цветов светоделительные объективы 4, электронно-оптические преобразователи 5, система переноса изображения в виде репродукционных объективов 6, передающие телевизионные трубки 7, блоки обработки и усиления видеосигнала 8 и цветной кинескоп 9. Плоские зеркала 10 установлены только в двух каналах и не изменяют спектральные характеристики.The low-level color television system contains a telescopic system 1, a beam splitter in the form of two interference mirrors 2 and 3, mounted at an angle of 45^o to the optical axis and at right angles to each other and used to separate the light into three channels, sequentially installed in the blue channels, red and green colors, beam-splitting lenses 4, electron-optical converters 5, an image transfer system in the form of reproducing lenses 6, transmitting television tubes 7, processing units and device video signal 8 and color picture tube 9. Flat mirrors 10 are installed in only two channels and do not change the spectral characteristics.

Приемная телескопическая система 1 строит изображение цветного объекта на фотокатодах электронно-оптических преобразователей 5. The receiving telescopic system 1 builds an image of a colored object on the photocathodes of the electron-optical converters 5.

При этом светоделительная система, состоящая из двух интерференционных зеркал 2 и 3, разделяет световой поток на три цветовые составляющие - синию, красную и зеленую. Поэтому на экранах электронно-оптических преобразователей 5 изображения монохроматичны. Многократно усиленные (в 10² - 10⁶ раз) изображения с экранов электронно-оптических преобразователей 5 переносятся репродукционными объективами 6 на передающие телевизионные трубки 7. Видеосигналы с передающих телевизионных трубок 7 усиливаются в блоках обработки и усиления видеосигнала 8 и поступают на входы трехцветного кинескопа 9, строящего на своем экране цветное изображение.In this case, the beam splitting system, consisting of two interference mirrors 2 and 3, divides the light flux into three color components - blue, red and green. Therefore, on the screens of the electron-optical converters 5, the images are monochromatic. Multiple amplified (10² - 10⁶ times) images from the screens of electron-optical converters 5 are transferred by reproduction lenses 6 to the transmitting television tubes 7. Video signals from the transmitting television tubes 7 are amplified in the processing and amplification units of the video signal 8 and fed to the inputs of the three-color picture tube 9 building on his screen a color image.

Т.к. коэффициенты пропускания светоделительной системы для разных цветов существенно отличаются друг от друга, то при освещенности объекта, достаточной для воспроизведения зеленого цвета, имеющего на светоделительной системе наибольший коэффициент пропускания, порядка 65%, другие цвета не будут воспроизведены и изображение на экране кинескопа 9 будет черно-белым. Because the transmittance of the beam splitting system for different colors are significantly different from each other, then when the illumination of the object is sufficient to reproduce green, which has the highest transmittance on the beam splitting system, about 65%, other colors will not be reproduced and the image on the screen of the tube 9 will be black and white white.

Такой же эффект получится и при уровне освещенности объекта, достаточном для воспроизведения красного цвета (~ 25%), но недостаточном для синего цвета, имеющим наименьший коэффициент пропускания на светоделительной системе (~ 10%). The same effect will be obtained when the illumination level of the object is sufficient to reproduce red (~ 25%), but not enough for blue, having the lowest transmittance on the beam splitting system (~ 10%).

Компенсация разницы в коэффициентах пропускания осуществляется за счет выполнения электронно-оптических преобразователей 5 в каналах синего, красного и зеленого цветов с пороговой чувствительностью, пропорциональной коэффициентам пропускания светоделительной системы для соответствующих цветов. Т. е. фотокатод элекронно-оптического преобразователя для синего цвета обладает максимальной чувствительностью, а для зеленого цвета соответственно минимальной. Compensation of the difference in transmittance is carried out by performing electron-optical converters 5 in the channels of blue, red and green colors with a threshold sensitivity proportional to the transmittance of the beam splitting system for the corresponding colors. That is, the photocathode of the electron-optical converter for blue has maximum sensitivity, and for green, respectively, minimum.

Изменение пороговой чувствительности электронно-оптических преобразователей 5 в разных каналах требует соответствующего изменения размеров фотокатодов, а также выравнивания полей зрения и размеров изображения на передающих телевизионных трубках 7. Changing the threshold sensitivity of the electron-optical converters 5 in different channels requires a corresponding change in the size of the photocathodes, as well as the alignment of the field of view and image size on the transmitting television tubes 7.

Выравнивание полей зрения и размеров изображения в каналах осуществляется за счет установки перед электронно-оптическими преобразователями 5 светосильных объективов 4 с фокусным расстоянием f' и перед передающими телевизионными трубками 7 репродукционных объективов 6 с увеличением β_п, характеристики которых определяются соотношением
tg ω = D_фк / f'_k = D_фз/f'_з = D_фс/f'_c
и

где ω- угол поля зрения;
2y - размер изображения на передающей телевизионной трубке;
D_ф - размер фотокатода электронно-оптического преобразователя;
f' - фокусное расстояние светоделительного объектива;
β_э- увеличение электронно-оптического преобразователя;
β_п- увеличение репродукционного объектива;
с, к, з - соответственно синий, красный и зеленый цвета.The alignment of the visual fields and image sizes in the channels is carried out by installing aperture lenses 4 with focal length f 'in front of the electron-optical converters 5 and in front of the transmitting television tubes 7 reproduction lenses 6 with an increase in β_p , the characteristics of which are determined by the ratio
tg ω = D_fc / f '_k = D_fz / f'_s = D_fs / f '_c
and

where ω is the angle of view;
2y is the size of the image on the transmitting television tube;
D_f - the size of the photocathode of the electron-optical converter;
f 'is the focal length of the beam splitting lens;
β_e - an increase in the electron-optical converter;
β_p - an increase in the reproductive lens;
C, C, C - respectively, blue, red and green.

Следовательно, за счет изменения величин вышеуказанных характеристик в соответствии с коэффициентами пропускания светоделительной системы осуществляется выравнивание величины сигналов в каждом канале. Therefore, by changing the values of the above characteristics in accordance with the transmittance of the beam splitting system, the signal magnitude is equalized in each channel.

Кроме того, использование в качестве светоделительной системы интерференционных зеркал 2, 3 эффективно только в том случае, когда они размещены в параллельном пучке лучей. Поэтому приемная оптическая система, выполненная в виде телескопической системы 1, передает на интерференционные зеркала 2, 3 изображение объекта в параллельном пучке лучей. Причем перфокусировка всех цветовых каналов одновременно на разноудаленные объекты осуществляется изменением расстояния между объективом и окуляром телескопической системы 1. In addition, the use of interference mirrors 2, 3 as a beam splitting system is effective only when they are placed in a parallel beam of rays. Therefore, the receiving optical system, made in the form of a telescopic system 1, transmits an image of an object in a parallel beam of rays to interference mirrors 2, 3. Moreover, the perfocusing of all color channels simultaneously on different objects is carried out by changing the distance between the lens and the eyepiece of the telescopic system 1.

Данная низкоуровневая цветная телевизионная система выполнена на выпускаемых промышленностью оптико-электронных элементах и позволяет передавать цветное изображение объектов при уровне освещенности ниже 0,1 лк. This low-level color television system is based on optical-electronic elements manufactured by the industry and allows you to transmit a color image of objects at a light level below 0.1 lux.

Источники информации
1. Колин К.Т. и др., Телевидение, М.: Радио и связь, 1987, с. 120.Sources of information
1. Colin K.T. et al., Television, M .: Radio and communications, 1987, p. 120.

2. Колин К.Т. и др., Телевидение, М.: Радио и связь, 1987, с. 122. 2. Colin K.T. et al., Television, M .: Radio and communications, 1987, p. 122.

3. "Gane's Electro-oрtic sistems", Keith, Atkin, 1998-1999 г., p. 345 - 363. 3. "Gane's Electro-sistems", Keith, Atkin, 1998-1999, p. 345 - 363.

4. Криксунов Л.З., Справочник по основам инфракрасной техники, М.: Советское Радио, 1978 г. с. 296. 4. Kriksunov LZ, Handbook on the basics of infrared technology, M .: Soviet Radio, 1978 p. 296.

5. Никулин О.Ю., Петрушин А.Н., Системы телевизионного наблюдения, М.: Оберег-РБ, 1997 г., с. 18. 5. Nikulin O.Yu., Petrushin AN, Television surveillance systems, Moscow: Obereg-RB, 1997, p. 18.

Claims (4)

Translated fromRussian

1. Низкоуровневая цветная телевизионная система, содержащая приемную фокусирующую оптику, светоделительную оптику, служащую для разделения света на три одноцветных телевизионных канала с передающими телевизионными трубками и блоками обработки и усиления видеосигнала, а также цветной кинескоп, на который поступают видеосигналы передающих телевизионных трубок, усиленные в блоках обработки и усиления видеосигнала, отличающаяся тем, что между светоделительной оптикой и передающей телевизионной трубкой в каждом канале размещено средство для дифференцированного повышения освещенности, выполненное в виде последовательно установленных вдоль оптической оси электронно-оптического преобразователя и системы переноса изображения, причем электронно-оптические преобразователи в каждом канале выполнены с пороговой чувствительностью, пропорциональной коэффициенту пропускания для соответствующего цвета и обратно пропорциональной квадрату относительного отверстия приемной фокусирующей оптики. 1. A low-level color television system containing receiving focusing optics, a beam-splitting optics, used to separate the light into three monochromatic television channels with transmitting television tubes and video signal processing and amplification units, as well as a color picture tube that receives video signals from transmitting television tubes amplified into processing units and amplification of the video signal, characterized in that between the beam-splitting optics and the transmitting television tube in each channel means o for a differentiated increase in illumination, made in the form of an electron-optical converter and an image transfer system sequentially installed along the optical axis, the electron-optical converters in each channel being made with threshold sensitivity proportional to the transmittance for the corresponding color and inversely proportional to the square of the relative opening of the receiving focusing optics. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что система переноса изображения выполнена в виде репродукционного объектива. 2. The system according to claim 1, characterized in that the image transfer system is made in the form of a reproduction lens. 3. Система по п.2, отличающаяся тем, что репродукционный объективы в каждом канале выполнены с увеличением, обратно пропорциональным размерам экранов соответствующих электронно-оптических преобразователей и определяемым соотношением D_cβ_oc= D_cβ_ок= D_зβ_оз= const, где D - размер экрана электронно-оптического преобразователя; β_o- увеличение репродукционного объектива; с, к, з - соответственно синий, красный и зеленый цвет.3. The system according to claim 2, characterized in that the reproduction lenses in each channel are made with an increase inversely proportional to the screen sizes of the corresponding electron-optical converters and determined by the ratio D_c β_oc = D_c β_ok = D_s β_oz = const, where D is the screen size of the electron-optical converter; β_o - an increase in the reproductive lens; C, C, C - respectively, blue, red and green. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что приемная фокусирующая оптика выполнена в виде телескопический системы, обеспечивающей передачу изображения объекта на светоделительную оптику в параллельном пучке лучей, и светоделительных объективов, размещенных между светоделительной оптикой и электронно-оптическим преобразователем в соответствующих каналах. 4. The system according to claim 1, characterized in that the receiving focusing optics is made in the form of a telescopic system for transmitting an image of an object to a beam splitting optics in a parallel beam of rays, and beam splitting lenses located between the beam splitting optics and the electron-optical converter in the respective channels.