Шесть тезисов о чувствительности.

Шесть тезисов о чувствительности.

Современный рынок видеонаблюдения, рассчитанный на широкого потребителя, сформировался за последние 10–15 лет. Причем происходило это в период активного разрушения государственных предприятий и упразднения институтов контроля.

В Советском Союзе любое изделие проектировалось на государственных предприятиях, на него имелась строго выверенная техническая документация, проверяющие инстанции жестко следили за соответствием поставляемых изделий ее требованиям. По такому же принципу осуществлялся и импорт, т. е., каждое импортируемое из-за рубежа изделие соответствовало утвержденным техническим требованиям. Кроме того, следует обратить внимание на то, что любые технические устройства изготавливались на основе или с учетом уровня знаний, созданного академической наукой в академических институтах. Поэтому техническая документация на изделия, разумеется, соответствовала существующему уровню техники и практически полностью соответствовала ее реальным характеристикам.

К сожалению, современный рынок видеонаблюдения очень часто грешит указанием в технической документации весьма расплывчато трактуемых параметров, в рекламных статьях некоторые авторы пытаются характеризовать те или иные изделия, применяя какие-то научные термины, описывая какие-то технологии. При детальном обсуждении выясняется, что они не знают, что включают в себя эти технологии, а просто повторяют где-то слышанные мнения, справедливые для изделий другого класса, изготовленных по другому варианту этой технологии.
В результате инсталлятор, которому необходимо построить систему видеонаблюдения с определенными параметрами на основе аппаратуры, предлагаемой современным рынком видеонаблюдения, должен доверять только собственному опыту и создавать системы видеонаблюдения на основе хорошо известной ему аппаратурой.
Для того чтобы попытаться несколько облегчить задачу инсталлятору, попытаемся проанализировать параметры видеокамер, а также обратить внимание на некоторые тонкости, которые, может быть, помогут в оценке реальных параметров того или иного оборудования.

Чувствительность видеокамеры
Фоточувствительные элементы характеризуются такими параметрами, как интегральная токовая чувствительность, интегральная вольтовая чувствительность, монохроматическая чувствительность.
Токовая чувствительность Si определяет величину фототока, создаваемого единичным потоком излучения, и измеряется А/люкс или А/Ватт в зависимости от того, в каких единицах измеряется свет: в световых (люксах) или энергетических (ваттах). Необходимо обратить внимание читателя, что 1 люкс – освещенность поверхности 1 кв. м при падающем на нее световом потоке, равном 1 лм.
Вольтовая чувствительность Su характеризует величину сигнала в вольтах, отнесенную к единице падающего излучения. Токовая и вольтовая чувствительность называется интегральной, если характеризует чувствительность к интегральному потоку источника света, и монохроматической, если характеризует чувствительность к монохроматическому излучению.
Методики определения этих параметров четко и однозначно определены ГОСТами и стандартами много лет назад и никаких сомнений и дискуссий ни у кого не вызывают. Например, интегральная чувствительность определяется путем измерения тока или напряжения, поступающего с фотоприемника, включенного по определенной электрической схеме. При этом фотоприемник освещается от источника типа А с величиной светового потока около 1000 люмен или 2000 люмен, расположенного на расстоянии около 30 см от фотоприемника в специальной установке, обеспечивающей определенный телесный угол. Этот источник имитирует излучение солнечного света. Отметим, что обычная лампа накаливания мощностью 100 Вт при напряжении 220 В создает световой поток, равный примерно 1300 лм.
Интегральная токовая чувствительность рассчитывается по формуле:
Si = Iф / (Е х А) , где
Iф – фототок,
Е – световой поток, падающий на фотоприемник,
А – площадь фотоприемника.
Повторю, что чувствительность имеет размерность А/лк. Световой поток при этом падает, разумеется, на сам фотоприемник, а не на объектив. При этом, как следует из формулы, чем выше фототок, тем выше чувствительность, тем лучше и качественнее фотоприемник.
Существует еще два немаловажных для оборудования охранного телевидения параметра.
Обнаружительная способность D*, см х Гц ½ Вт -1 характеризует возможность использования фотоприемника для обнаружения предельно малых оптических сигналов и определяется с помощью формулы:
D* = Uф x (A x  f ) 1/2 / Uш x Ф, где
Uф – напряжение фотосигнала,
Uш – напряжение шума фотоприемника,
 f – полоса пропускаемых частот,
А – площадь фотоприемника.
Пороговая чувствительность фотопримника Ф пор. определяет уровень мощности светового потока, при котором сигнал равен шуму. Пороговая чувствительность и обнаружительная способность связаны между собой соотношением:
Ф пор. = А1/2 / D*
Однако на российском рынке практически во всех описаниях камер видеонаблюдения присутствует такой параметр, как чувствительность. При этом этот параметр не оговорен ни одним из действующих ГОСТов или каким-либо стандартом. Это позволяет производителям аппаратуры трактовать эту самую чувствительность как угодно.
Во- первых, очень часто этот параметр измеряется в люксах [лк] = [лм] x [ед. площади], т. е. приводится освещенность, очень часто в описаниях встречается термин «минимальная освещенность». Чувствительность, как было отмечено выше, имеет другую размерность. И это не просто придирки к словам.
Во-вторых, скорее всего, предполагается, что приетакой освещённости возникает на выходе какой-то сигнал. Уровень этого сигнала также остается, видимо, где-то в недрах документации производителя, как правило, недоступной инсталлятору. Предположение о том, что речь идет о пороговой чувствительности, при которой сигнал равен шуму, приводит к печальному выводу об отсутствии полезного сигнала при данной освещенности и неработоспособности системы.
Надо отметить, что в некоторых описаниях чувствительность трактуется как освещенность в люксах, при которой уровень сигнала составляет, например, 50 IRЕ. Это тоже, конечно, не чувствительность, но все-таки какая-то более конкретная информация. Хочу повторить, что к термину «чувствительность» обращаю внимание читателя не ради критиканства, а потому, что это действительно важно. Подробнее остановимся на этом ниже. Для пояснения отмечу, что в аналоговых видеотрактах опорный электрический уровень, соответствующий белому цвету, определяется величиной в 100 IRE (единица, получившая свое название от Institute of Radio Engineers – профессиональной организации, созданной в 1912 г. в Нью-Йорке). А вот значение опорного уровня черного в разных странах и ТВ-системах может отличаться. В европейской системе PAL и японской версии NTSC черное всегда определяется как 0 IRE, в США и Канаде – 7.5 IRE.
В-третьих, чувствительность, указанная в описаниях производителей, видимо, измерялась у оптико-электронной системы: фоточувствительный элемент с объективом. Поэтому приведенная в описаниях чувствительность справедлива лишь для камеры с объективом указанной светосилы. С объективами другой светосилы она будет другой. Если учесть, что камеры видеонаблюдения поставляются в основном со съемными объективами, а значения чувствительности разные производители приводят для объективов с различной фотосилой, то инсталлятору надо иметь серьезный опыт, чтобы сделать какие-либо выводы о значении, указанном производителем против термина «чувствительность». Так, если в описаниях дано значение минимальной освещенности, фиксируемое камерой при двух различных объективах со светосилой F1,2 и F1,4, необходимо учитывать, что соотношение значений относительного отверстия диафрагмы нужно возвести в квадрат, чтобы получить соответствующее ослабление светового потока. Другое дело, что:
имеет также значение и коэффициент светового пропускания объектива;
реальное значение относительного отверстия может отличаться от заявленного как F1.2 от F1.4, к сожалению, чаще в меньшую сторону.
В-четвертых, чувствительность порой измеряется еще и при различном времени засветки, т. е. при выдерживании затвора открытым от долей секунды до нескольких секунд. Некоторые производители за счет увеличения времени засветки с 1/25 с до 1/8 с получают увеличение чувствительности примерно в 10 раз. При этом минимальная освещенность, фиксируемая камерой, с увеличением времени засветки, разумеется, увеличивается. Однако получаемое от камеры изображение может быть смазано, особенно если камера направлена на быстродвижущиеся объекты. В этой связи необходимо пояснить следующее.
Для учета инерционных свойств фотоприемников в классической фотоэлектронике применяют такие характеристики, как импульсная интегральная чувствительность, предельная рабочая частота (частота модуляции света, на которой амплитуда фотоответа уменьшается до 0,7 от максимальной), постоянная времени фотосигнала (определяемой по времени нарастания импульса фотосигнала до 0,63 от максимального при прямоугольном импульсе света), сдвиг фаз между входным световым и выходным электрическим сигналами.
Если на фотоприемник падает прямоугольный импульс света (рис. 1а), то в силу неотъемлемых инерционных свойств ток на выходе фотоприемника появится и исчезнет спустя некоторое время д = W2/2D p, где:
W – толщина базы фотоприемника,
D p – коэффициент диффузии.
При этом фронт и спад импульса фототока будут размыты как из-за рекомбинации неравновесных носителей заряда, созданных светом, так и из-за флуктуации тепловых скоростей носителей заряда (рис. 1б). Если длительность интервалов между импульсами света будет много больше д, то фототок имеет вид разделенных друг от друга импульсов. С увеличением частоты следования импульсов света длительность интервалов между ними уменьшается, и при больших частотах следующий уровень фототока начинается, когда предыдущий еще не успел закончиться (рис. 1в). В результате при большой частоте следования импульсов света фотоприемник не успевает реагировать на каждый импульс света. Поэтому импульсы фототока сливаются друг с другом и становятся постоянными. Камера видеонаблюдения, работающая в таком режиме, не будет давать четкого изображения. Предельной частотой называется такая частота, при которой I ф = 0,7 I ф max.
В-пятых, как говорилась выше, согласно ГОСТам чувствительность в классическом ее понимании измеряется при облучении от стандартного источника света, обычно это источник типа А. Некоторые поставщики видеокамер с гордостью рассказывают, что приведенные в их описаниях значения чувствительности измерялись при воздействии, кроме излучения видимого диапазона спектра, также излучения ближнего ИК-спектра.
Это мотивируется тем, что все природные объекты излучают ИК-лучи. При этом нередко забывается, что природные объекты характеризуются длинноволновым ИК-излучением, к которому исследуемые фотоприемники не чувствительны.
В-шестых, как правило, не указывается, на каком расстоянии от фотоприемника производились измерения освещенности, при которой с видеокамеры был получен приемлемый сигнал. Понятно, что это может быть как на самом фотоприемнике, так и на расстоянии нескольких метров от него.
Все указанные аспекты объясняют важность оперирования термином чувствительность в его классическом смысле, иначе очень сложно разобраться, что подразумевается под приведенными параметрами. Но существует и еще один немаловажный довод.
Вернемся к некоторым основам физики полупроводников, которые обуславливают параметры камер.
Вспомним, что в результате действия света в полупроводнике образуются электронно-дырочные пары, которые обусловливают получение электрического тока, т. е. происходит преобразование неэлектрического сигнала в электрический.
Зависимость фотопроводимости от величины светового потока [лм]. Эта зависимость является линейной при малых интенсивностях света, затем характеристика входит в область насыщения, т. е. при увеличении интенсивности света фотопроводимость остается постоянной. С учетом этого реальный фототок при низких световых потоках может быть на порядки ниже, чем значение, аппроксимированное от значения фототока, измеренного при освещении стандартным источником, в силу нелинейности зависимости фототока от величины светового потока. Поэтому важно обратить внимание инсталляторов еще раз на необходимость уточнять у производителя камер, при каких реальных значениях освещенности была измерена чувствительность, не является ли указанное значение результатом теоретических аппроксимаций, не учитывающих описанные физические процессы.
Полезный сигнал или фототок равен общему току за вычетом темнонового тока, обусловленного шумами различной природы (тепловыми, генерационно-рекомбинационными, дробовыми) и вычетом тока, обусловленного фоновым излучением.
Очевидно, для того чтобы улучшить чувствительность фотодиодов, необходимо темновой и фоновый токи уменьшить, а фототок увеличивать.
В литературе, посвященной видеонаблюдению, фигурирует такой параметр (видимо, это сложилось исторически), как отношение сигнал/шум. Хотя разработчиками фотоэлектронных матриц наиболее часто используется такой параметр, как темновой ток.

При высоких уровнях освещенности, когда полезный сигнал для кремниевых фотодиодов (а именно кремниевые фотодиоды преобразуют видимый свет в электрический сигнал) составляет микроамперы, а темновой ток –наноамперы, никаких проблем с преобразованием оптического сигнала не возникает. С уменьшением освещенности значение фототока падает. Темновой ток в таких случаях остается тем же. Очевидно, что в случае, когда значение фототока соизмеримо со значением темновых и фоновых токов, ни о какой четкости, контрастности и стабильности изображения речи идти не может. При этом необходимо учитывать нелинейную зависимость фототока от светового потока.
В результате полезный сигнал может быть вообще потерян. То есть в ситуации, когда уменьшается фототок с уменьшением освещенности, а шумовые сигналы сохраняют постоянное значение, повышаются требования к качеству фотоприемника, что, разумеется, приводит к его удорожанию. Существуют фотоприемники и с низким уровнем темновых токов (порядка пикоампер и проч.). Попытки решить эту проблему, иначе как выбрав более качественный, иначе сконструированный фотоприемник, являются самообманом.
Необходимо в этой связи также отметить следующий момент, который иногда не совсем правильно трактуется инсталляторами. При увеличении площади каждого отдельного фоточувствительного элемента (пикселя) действительно несколько увеличивается общий сигнал. Однако чувствительность не увеличивается, так при расчете чувствительности значение площади расположено в знаменателе формуле. Кроме того, с увеличением площади фоточувствительного элемента увеличивается значение темновых токов. Так, что увеличение площади фоточувствительного пикселя – это не решение проблемы, если не сказать обратного.
Есть еще такой параметр, как размер матрицы фоточувствительного элемента. Исторически сложилось, что для первых телевизионных камер указывался не реальный размер матрицы, а диаметр выходного зрачка объектива. Поэтому обычно указывается не физический размер матриц, а типоразмер диагонали в дюймах. 1 дюйм составляет 2,54 см. Размер бывает 1/2” 1/3” 1/4”. Чем больше пикселей размещается на матрице, тем больше разрешающая способность. Поэтому бытует мнение, что чем больше размер матрицы, тем лучше. Однако создание идентичных пикселей по всей площади матрицы – это очень непростая задача, идеального совпадения не будет никогда. Чем больше размер матрицы, тем сложней добиться идентичности пикселей. Элементы, расположенные в центре матрицы, будут отличаться от элементов, расположенных по краям матрицы.
Сейчас идет речь о производстве матриц с пикселями все уменьшающихся размеров.
В этой связи необходимо отметить, что для создания пикселей меньших размеров необходимо работать, применяя технологические фотолитографические процессы с более высокой степенью разрешения. Иногда это бывает просто различный уровень оборудования, отличающийся по цене на порядки. При этом само оборудование и организация технологического процесса на нм стоит миллионы долларов. Соответственно, переход от одной технологии к другой приводит не только к улучшению качества, но и к значительному увеличению стоимости.