Приборы ночной фото- и видеосъемки.ВОЛКОВ Виктор Генрихович, кандидат технических наук, доцент ПРИБОРЫ НОЧНОЙ ФОТО- И ВИДЕОСЪЕМКИ В настоящее время в специальной технике широко используется ночная фото- и видеосъемка. Это необходимо для криминалистики, для подготовки спецопераций и документирования их проведения, обеспечения работы служб МЧС по ликвидации последствий катастроф, документирования различных событий при низких уровнях освещенности и пр. Для решения всех этих проблем необходимы приборы ночной фото- и видеосъемки. К ним относятся прежде всего приборы ночного видения (ПНВ) на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП). С помощью специальных адаптеров экран ЭОП может быть оптически сопряжен с фотопленкой фото- (кино) камеры либо с матрицей ПЗС ТВ видеокамеры. В первом случае это достигается либо с помощью оптики переноса изображения, либо прижимом непосредственно к экрану ЭОП фото- (кино) пленки с помощью специального механизма. Оптика переноса вносит потери по разрешающей способности, передаче контраста и по энергетике. Кроме того, она увеличивает габариты устройства. Вместо такой оптики может быть использован кольцевой адаптер, допускающий фото- и видеосъемку с помощью штатного объектива непосредственно с экрана ЭОП, однако это приведет к ухудшению качества изображения и дополнительным энергетическим потерям. Контактный способ фотографирования позволяет исключить указанные потери, но требует работы ЭОП в импульсном режиме, т.к. экспозиция пленки обеспечивается подачей импульса напряжения, отпирающего ЭОП на нужное время экспозиции. Это требует применения соответствующего импульсного блока управления ЭОП, что приведет к увеличению массы и энергопотребления устройства. Более совершенным способом является стыковка ПНВ с цифровым фотоаппаратом или с видеокамерой. Это позволяет получить изображения на электронных носителях, упрощает и ускоряет процесс создания изображений, их тиражирования, допускает их обработку в реальном масштабе времени или с накоплением информации. При этом ПНВ выполняют в виде малогабаритной насадки для фото- или видеокамеры. Для того, чтобы перенести изображение с экрана ЭОП ПНВ на светочувствительный элемент фото- или видеокамеры, чаще всего применяют линзовые адаптеры, которые входят в комплект ПНВ. Типичная оптическая схеме такого адаптера дана на рис. 1 [1]. Адаптеры называют линзами Релея. Они могут переносить изображение в масштабе 1:1, либо с увеличением 1,5 – 2,5х, либо с уменьшением до 0,5х. Уменьшение часто бывает необходимо для согласования линейных полей зрения экрана ЭОП и матрицы ПЗС, а также для повышения ее освещенности. Относительное отверстие адаптера может быть от 1:1,5 до 1:6, фокусное расстояние от 15 до 40 мм.
Чаще всего в виде таких ПНВ используют малогабаритные ночные монокуляры (“покетскопы”). Основные параметры ПНВ, используемых для фото- и видеосъемки, приведены в табл. 1. Внешний вид типичных образцов таких ПНB приведен на последующих фото. В частности, покетскоп ORT 3153 фирмы Ortec Ltd. (Израиль) дан на фото 1а, а характер его стыковки с видео- и фотокамерой – на фото 1б, в, соответственно. ПНВ состоит из взаимозаменяемых модулей и имеет соответствующие адаптеры различного типа (рис. 2). ПНВ ORT 3152 имеет пределы фокусировки 0,25 м – Ґ , встроенный светодиодный источник подсвета с мощностью излучения 2 мВт на длине волны 0,84 мкм. Рабочий диаметр фотокатода ЭОП составляет 18 мм [2]. Таблица 1. Основные параметры приборов ночного видения, используемых для фото- и видеосъемки (по данным проспектов фирм).
Фирма Javelin Electronics (США) предложила ПНВ Model 222 (фото 2) с разрешающей способностью до 30 штр/мм и с усилением яркости до 45х103. ЭОП первого поколения имеет диаметр фотокатода 18 мм [3]. ПНВ Model 226 той же фирмы с большей дальностью действия имеет разрешающую способность до 40 штр/мм, усиление яркости до 105. ЭОП имеет рабочий диаметр фотокатода 40 мм [3] (фото 3). Сменные принадлежности к ПНВ показаны на фото 4. На фото 5 представлен типичный вид изображений с фотографий, сделанных через ПНВ фирмы Javelin Electronics.
Фото 4. Принадлежности к ПНВ фирмы Javelin, предназначенные для ночной фото- и видеосъемки [3]:
Фото 5. Типичный вид фото, сделанных через ПНВ фирмы Javelin с использованием фотокамер 35-мм фотокамер Pentax и SLR Camera, выдержка 1/60 с при относительном отверстии 1:1,4, фотопленка Kodak Tri-X. Снимки сделаны: на городской улице в 22 часа (а), на неосвещенной улице в 24 часа (б) Наиболее совершенные модели ПНВ разработала фирма Intevac (США) на базе ЭОП поколения III [4, 5]. Модели ПНВ Nite MateTM 1305/1306 имеют разрешающую способность 450 ТВ-линий при звездном свете (10-4 лк) [4]. Модель 1305 разработана для стыковки с ТВ-камерой формата 2/3 дюйма, модель 1306 формата 1/2 дюйма. Энергопотребление ПНВ вместе с ТВ-камерой составляет 6 ВТ, динамический диапазон работы – от 10-4 до 103 лк. Модель VNVA-311 SCOUT той же фирмы имеет пределы фокусировки 0,254 м – Ґ. ПНВ может быть стыкован с 35-мм фотокамерой или с видеокамерой с помощью линзы Релея. Фирма Ortek Ltd. (Израиль) разработала ПНВ TS-5, который может быть стыкован с ТВ-камерой формата 1/2 дюйма [6]. Фотокатод ЭОП имеет диаметр 25 мм. ПНВ имеет пределы фокусировки 0,25 м – Ґ. ПНВ М944 фирмы Litton (США) может использоваться со сменными объективами с фокусным расстоянием 25 и 75 мм. Соответственно этому ПНВ имеет различные увеличения и поля зрения (табл. 1), а также разрешающую способность: 1,81 и 0,68 штр/мрад соответственно. ПНВ с помощью системы сменных адаптеров допускает стыковку с практически любой фото- и видеокамерой [7]. ПНВ фирмы Night Vision Equipment Company Inc. (США) модели 500А, 520А, 600А выполнены на базе ЭОП с диаметром фотокатода 18 мм [8]. ПНВ NSS той же фирмы (модели 400, 400НР, 450 выполнены на базе ЭОП с диаметром фотокатода 25 мм [8]. ПНВ с помощью адаптера стыкуется с 35-мм SLR фотокамерой. ПНВ Nite-eye фирмы Varo Inc. Electron Devices (США) [9] может использовать объектив с фокусным расстоянием 26,8 или 72 мм и соответственно иметь разные увеличения и поля зрения, а также диапазоны фокусировки 0,15 м – Ґ и 10 м – Ґ, разрешающую способность 2,16 и 0,8 штр/мрад. ПНВ NVS-100 фирмы Optic Electronic Corp. (США) [10] имеет разрешающую способность 28 штр/мм, диапазон фокусировки 2 м – Ґ, использует ЭОП с диаметром фотокатода 25 мм. ПНВ MODULUX-225 фирмы Davin Optical Ltd. (Великобритания) для стыковки с 35-мм фотокамерой использует оборачивающую линзовую систему с увеличением Г = 1,54х, а для стыковки с ТВ-камерой – Г = 0,66х. Масса такой системы составляет 0,64 кг, а относительное отверстие – 1:1,1 [11]. На фото 6 – 7 представлен внешний вид ряда зарубежных ПНВ для совместной работы с фото- или видеокамерами [12 – 15], а на фото 8 – фото, полученные ночью через них. На фото 9 показан внешний вид отечественных ПНВ аналогичного назначения [16 – 17]. ПНВ дальнего наблюдения ПДН-К фирмы ГУП ПО НПЗ (РФ) с помощью адаптеров допускает подключение видеокамеры с посадочной резьбой на объективе М37х0,75 (фото 9б) и ТВ-камеры с объективом, имеющим фокусное расстояние 12,5 мм и резьбу под фильтр М40,5х0,5 [16]. ПНВ устанавливается на треноге с лимбом, допускающим обзор по горизонту в пределах 3600, а по вертикали – в пределах ±180. Цена деления сетки ПНВ составляет 5 т.д. Угловое разрешение ПНВ – 50".
Для обеспечения ночной видеосъемки при пониженной прозрачности атмосферы (дымка, туман, дождь и пр.) используется активно-импульсная ночная видеокамера М2001 фирмы International Technologies (Lasers) Ltd. (Израиль) [18] (фото 10). Активно-импульсный режим работы допускает ночную видеосъемку в указанных условиях и при воздействии световых помех [19]. Видеокамера М2001 имеет чувствительность 10-4 лк, угол поля зрения, плавно регулируемый в пределах 4 – 400. Мощность излучения импульсного лазерного осветителя составляет 10 мВт на длине волны 0,85 мкм. Напряжение питания прибора равно =10 – 16 В, ток потребления 1,5 А (при напряжении питания =12 В), масса 9,5 кг, габариты 585х280х240 мм. Дальность ночной видеосъемки в сложных условиях видимости составляет 100 м.
Все указанные выше приборы работают в области спектра 0,4 – 0,9 мкм. Однако за последние годы наметился интерес к ультрафиолетовому (УФ) диапазону спектра. До сих пор препятствием к применению УФ-систем служили сильное поглощение УФ-излучения в атмосфере, малые коэффициенты яркости в этой области спектра типичных объектов наблюдения, сложность изготовления УФ-объективов. Однако УФ-диапазон спектра имеет и преимущество: под воздействием УФ-излучения наблюдается флуоресценция в видимой области спектра, в частности, нефтепродуктов на воде и на суше [20]. Для реализации этого преимущества в работе [20] сообщалось о создании УФ ТВ-камеры КТВ-14. В ее состав входил ЭОП второго поколения с CsTe фотокатодом, стыкованный с матрицей ПЗС. В состав системы входит ТВ-монитор и видеомагнитофон. ТВ-камера работает в области спектра 0,26 – 0,38 мкм, имеет разрешающую способность 400 ТВ-линий, угол поля зрения 40, предел чувствительности 10-16 Вт/Эл, напряжение питания 27 В, массу 2,8 кг, габариты Ж130х210 мм. Летные испытания системы на самолете Ан-30 показали перспективность видеосъемки в УФ-области спектра для индикации разлива нефтепродуктов на воде и на суше, объектов антропогенного происхождения [20]. Однако наибольший эффект следует ожидать от применения УФ-приборов для фото- и видеосъемки в криминалистике [21]. В частности, фирмой SPEX Forensics (США) разработан прибор RUVIS (Reflective Ultra Violet Imaging System) – система преобразования УФ-изображения в видимое [21]. Главное применение прибора RUVIS – обнаружение латентных (скрытых) отпечатков на гладких непористых поверхностях без обработки и нарушения целостности улик (пластиковые пакеты, кредитные карты, фото, глянцевые поверхности журналов, виниловые и линолеумные покрытия и др.). Прибор RUVIS используется также для обнаружения следов укусов, ушибов, отпечатков подошв обуви, которые не видны при освещении обычным белым светом. Прибор RUVIS позволяет дистанционно осмотреть помещение при входе в него, обнаружить при использовании вместе с Luminol кровь. Прибор интенсифицирует хемилюминисценцию Luminol'а делает возможной визуализацию даже самых незначительных следов крови. При этом прибор на вызывает утомления и не представляет опасности для оператора. Прибор SC-VIEWER состоит из объектива/ЭОП с УФ-фотокатодом и окуляра. Но с помощью адаптера прибор стыкуется с 35-мм SLR фотокамерой (фото 11а), с цифровой видеокамерой SC-DIG и с ТВ-камерой SC-CCD. Видеосигнал последней может быть выведен в видеопроектор, в компьютер с цифровой обработкой данных, на видеомонитор, а вместо него – на видео-очки (наголовный дисплей) – SC-GOGGLESSC. Для обеспечения динамичного фотографирования в УФ-области спектра с высоким разрешением совместно с SC-VIEWER используется устройство SC-FM2 (фото 11б) [21].
НПО ГИПО (Татарстан) разработало оптико-электронный прибор “Корона” [22] для обнаружения неисправностей в высоковольтных линиях электропередач в УФ области спектра. Прибор имеет дальность обнаружения 5 – 150 м, спектральный рабочий диапазон 0,25 – 0,35 мкм, увеличение Г = 5х, угол поля зрения 100, напряжение питания =3,5 В, массу 0,9 кг, габариты 300х110х150 мм. При необходимости прибор может быть стыкован с фото- или с видеокамерой. МНПО “Спектр” (РФ) разработало комбинированный прибор ПК-1 для контроля документов, ценных бумаг и банкнот в УФ- и ИК-области спектра [23]. При использовании УФ-излучения подлинность документов определяется по свечению меток люминисцентных красителей. В отраженном ИК-излучении происходит визуализация ИК-изображений документов, обнаружение в них изменений и контроль достоверности. ИR-осветитель работает в области спектра 0,8 – 0,95 мкм, УФ-осветитель – 0,3 – 0,4 мкм. Напряжение питания прибора ПК-1 составляет =2 – 2,5 В, масса – 1,2 кг, габариты 250х110х85 мм. Об ИК-осветителях достаточно подробно говорилось в работах [24, 25]. Поэтому здесь имеет смысл остановиться только на малогабаритных УФ-осветителях. МНПО “Спектр разработало малогабаритные УФ-осветители Гриф-1”, “Гриф-2”, УФО-1, работающие в области спектра 0,3 – 0,4 мкм и использующие две УФ-лампы с мощностью излучения каждой соответственно 9,4 и 4 Вт при массе 3,4; 1,1; 0,5 кг, габаритах 280х185х165 мм, 286х190х40 мм, 170х30х70 мм, напряжении питания ~220 В 50 Гц, а для УФО-1 – =4 – 5 В [26]. ЗАО “ПАНАТЕСТ разработало систему УФ-освещения ZB-100F, создающую УФ-облученность 4000 мкВт/см2 на расстоянии 325 мм от осветителя при мощности лампы 100 Вт, массе 7 кг (собственно лампы – 1,3 кг) [27]. Все указанные выше приборы содержат ЭОП с УФ-фотокатодом на основе Cs2Te. Примером такого преобразователя изображения может служить ЭОП второго поколения фирмы Hamamatsu (Япония) (модель V2697U с диаметром фотокатода 18 мм, V3346U – с диаметром фотокатода 25 мм, V5180U – с диаметром фотокатода 40 мм). ЭОП имеет спектральную чувствительность на длине волны 0,23 мкм 20 мА/Вт, коэффициент усиления яркости 2,6х103, разрешающую способность 40 штр/мм [28]. В практике ночной фото- и видеосъемки широко используется тепловизионная аппаратура. В процессе ее эксплуатации возможна фотосъемка с экрана индикатора тепловизионного прибора (светодиодный индикатор или ТВ-монитор) либо прямая видеосъемка в ИК- (тепловой) области спектра. На фото 12 показан тепловизионный прибор AGA Thermovision 110 фирмы AGEMA (Швеция), светодиодный индикатор которого (зеленого цвета свечения) с помощью адаптера стыкован с 35-мм фотокамерой [28]. Прибор работает в области спектра 3 – 5 мкм, имеет угол поля зрения 6х120, геометрическую разрешающую способность 3 мрад, температурное разрешение 0,10 С, диапазон измеряемых температур (-30) – (+880)0 С, напряжение питания =6 В или ~220 В 60 Гц, массу 3 кг, габариты 240х140х84 мм. Прибор выполнен на базе 48-элементного фотоприемника на основе PbS с термоэлектрическим охлаждением (ТЭО) [28].
Тепловизионный прибор Thermovision 470 той же фирмы [29] (фото 13) выполнен на базе одноэлементного фотоприемника кадмий-ртуть-теллур (КРТ), работающем в области спектра 2 – 5 мкм. Температурное разрешение прибора 0,20 С при +300 С, энергопотребление 30 Вт, масса 5,9 кг, габариты 154х140х475 мм, диапазон измеряемых температур (-20) (+2000)0 С, угол поля зрения (в зависимости от объектива) от 7х70 до 40х400. Встроенный 3,5" дисковод обеспечивает запись на одну 3,5" дискету. Прибор позволяет хранить и осуществлять покадровую выборку ранее записанных изображений с целью их анализа или сравнения с текущими изображениями того же объекта наблюдения прямо в полевых условиях. Предусмотрена обработка изображений – как черно-белых полутоновых, так и цветных в любом из шести наборов цветов с целью улучшения качества изображения и их анализа, связанного с построением профилей и гистограмм. Функцию многокадрового отображения поддерживает просмотр на экране нескольких термограмм одновременно.
Фирма FLIR Systems (США) предлагает ряд малогабаритных тепловизионных приборов третьего поколения [30 – 32] (фото 14 – 16). Модель Therma CAMTM P60 (фото 14) [30] имеет угол поля зрения 24х180, геометрическое разрешение 1,3 мрад, температурное разрешение 0,080 С при +300 С, частоту кадров 50/60 Гц. Прибор выполнен на базе неохлаждаемой фокально-плоскостной матрицы микроболометров с числом пикселей 320х240, работающей в области спектра 7,5 – 13 мкм. Прибор обеспечивает измерение температур в диапазоне (-40) – (+2000)0 С с точностью ±20 С. Масса прибора 2 кг, габариты 100х120х220 мм. Изображение выводится на жидкокристаллический дисплей с диагональю 4 дюйма. Питание прибора осуществляется от =12 В или от сети ~110/220 В.
Модель Therma CAMTM E2 [31] (фото 15) имеет угол поля зрения 25х190, температурное разрешение 0,120 С при +250 С, частоту кадров 50/60 Гц. Прибор выполнен на базе той же матрицы микроболометров, но с числом пикселей 160х120. Прибор осуществляет измерение температур в диапазоне (-20) – (+900)0 С с точностью ±20С. Масса прибора 0,7 кг, габариты 264х80х105 мм, питание обеспечивается от =12 В. Изображение выводится на жидкокристаллический дисплей с диагональю 2,5 дюймов.
Модель Thermo VisionTM A20 M (V) [32] (фото 16) имеет угол поля зрения 25х190, геометрическое разрешение 2,7 мрад, температурное разрешение 0,120 С. Прибор выполнен на базе неохлаждаемой матрицы микроболометров, работающей в области спектра 7,5 – 13 мкм. Масса прибора 0,8 кг, габариты 157х75х80 мм, энергопотребление не превышает 6 Вт при питании от =12 В. Прибор измеряет температуру в пределах (-20) – (+250)0 С или (+120) – (+900)0 С с точностью ±20 С.
При работе тепловизионного прибора с ТВ-монитором на базе электронно-лучевой трубки для фотографирования с его экрана используется специальная насадка на ТВ-монитор, допускающая передачу изображения на 35-мм фотокамеру Поляроид (фото 17).
Для фотографирования с помощью обычной фотокамеры можно использовать стандартную черно-белую или цветную фотопленку [33] (рис. 3). В случае, если требуется повышенная чувствительность для фотографирования изображений с низкой яркости с экрана ЭОП, могут быть использованы высокочувствительные фотопленки [34].
Рассмотрим теперь ряд вопросов оптимального согласования фотопленки и матрицы ПЗС по спектру и по энергетике с экраном ЭОП или ТВ-монитора. На рис. 4 даны спектральные характеристики типичных экранов ЭОП, а на рис. 5 их инерционные характеристики. Сопоставление кривых рис. 3 и 4 показывали, что оптимальное согласование по спектру с фотопленкой дают синий и желто-зеленый экраны ЭОП. С точки зрения фотографирования импульсных световых изображений синий экран имеет преимущество (рис. 5). Красный экран имеет некоторое преимущество при согласовании по спектру с матрицей ПЗС “Exwave HAD” (рис. 6) цифровой фотокамеры или видеокамеры. Однако его светоотдача существенно ниже, чем у других указанных выше экранов. Кроме того, ЭОП с красным экраном совершенно непригоден для целей прямого ночного видения, т.к. такой экран не согласуется по спектру с глазом. В связи с этим для целей фото- и видеосъемки такие ЭОП не получили распространение. Из рис. 6 следует, что для этих целей вполне подходит и стандартный ЭОП с желто-зеленым экраном. Для фото- и видеосъемки с черно-белого экрана ТВ-монитора (рис. 7) обеспечивается приемлемое согласование по спектру с черно-белой фотопленкой (рис. 3) и матрицей ПЗС (рис. 6). Также нет проблем согласования по спектру цветного экрана ТВ-монитора с цветной фотопленкой (рис. 8) и матрицей ПЗС (рис. 6).
Для расчета необходимой чувствительности S фотопленки по схеме рис. 11 используем формулу: S = 10 Н-1, (1) Н = Е t, (2) Е = p L tоп
Sin2U', (3) Н = 0,25 p L tоп Гоп-2 О2 t, (4) При фотографировании импульсных сигналов Н = Еср F-1, (5) тогда Н = 0,25 p Lср tоп Гоп-2 О2 t F-1, (6) где Еср, Lср соответственно средняя освещенность и средняя яркость изображения на экране.
При этом, как обычно, используем характеристическую кривую фотоматериала для выхода в режим нормальных экспозиций [33]. На практике встречается задача фотографирования малоразмерного лазерного пятна подсвета на местности, наблюдаемой в ПНВ. Оптимальная экспозиция на фотопленке для средней точки характеристической кривой в пределах нормальной экспозиции определяется по формуле (1). Из нее находим Е, задаваясь величиной t. Тогда яркость изображения пятна подсвета на экране ЭОП определится по формуле: где e(l) – спектральная
плотность излучения источника “А”, о/е, Яркость L изображения пятна на экране ЭОП равна: L = L1 + L2 + L3, (8) L2 = hА Е1
Гэ-2 p-1,
(9) Е1 = 0,25 rф
Ем Оо2 tо tа, (10) L1 = L – (L2 +L3), (12) Зная Е1, находим необходимую силу света I лазерного осветителя по формуле: I = 4 D2 Sп Е1 ехр (aD) (p dвх2 tо)-1,
(14) Эти формулы справедливы и для случая видеосъемки, только привязываться следует тогда к чувствительности матрицы ПЗС. В заключение следует сказать несколько слов о фотографировании в нескольких спектральных диапазонах, в частности, в области спектра 0,4 – 0,9 мкм и 8 – 12,5 мкм. Прибор для работы в этих областях спектра был создан для дистанционной цифровой съемки с воздуха наземных объектов и подстилающей поверхности в любое время суток [36]. Такой малогабаритный сканирующий прибор состоит из оптико-механического. Электронного и аппаратно-программного блоков. Двугранное сканирующее зеркало прибора обеспечивало поле обзора до 1200. При этом масса и габариты оптико-механического блока равны соответственно 6 кг и Ж200х250 мм. Энергопотребление прибора не превышало 30 Вт при питании от напряжения =27 В. Тепловизионный канал содержал 8-элементное фотоприемное устройство на основе КРТ, охлаждаемое до 77 К с удельной обнаружительной способностью 4х1010 см Гц1/2 Вт-1. Обнаруживаемая разность температур составляла 0,1 К. ТВ-канал был выполнен на базе ТВ-камеры с матрицей ПЗС типа РD3798 с числом элементов в линейке 5348. Аппаратно-программный блок обеспечивал режимы съемки, обработки, запись и отображение в реальном масштабе времени формируемых изображений и запись дополнительной служебной информации. Программа работы этого блока обеспечивала совместную обработку изображений обоих каналов с построением синтезированного изображения в форме карты оценок коэффициентов корреляции. Цифровые изображения в видимом и ИК-диапазонах спектра могут формироваться в виде топографической карты, привязанной к координатам. В результате испытаний прибора были получены интегрированные изображения, фактически представляющие собой карту местности с учетом информационных признаков, создаваемых в обоих каналах (фото 18).
Фото 18. Изображения подстилающей поверхности, полученные с помощью двухканального прибора [36]: видимый диапазон (а), ИК-диапазон (б), корреляционное изображение – карта (в) Таким образом, существует значительное количество разнообразных приборов для ночной фото- и видеосъемки, обеспечивающее широкие возможности для разнообразных применений. Литература 1. Ralay Lenses. Проспект фирмы Edmund
Scientific Company. Германия, 2002. |