Свет -- один из видов электромагнитного излучения, который вызывает зрительные ощущения. Электромагнитные колебания характеризуются
двумя параметрами: длиной волны и энергией излучения. Длина волны измеряется в нанометрах (миллионных долях метра -- нм). Видимый свет занимает узкий участок спектра, приблизительно от 380 до 760 нм. Участок спектра от 760 нм до 340 мкм называется инфракрасным светом, а от 10 до 380 нм -- ультрафиолетовым.
Различие в длине волны света воспринимается как различие по цветам. Зрительные ощущения различаются как в количественных соотношениях по яркости, так и качественно по цветности. Весь спектр, содержащий в определенном соотношении лучи всех длин волн от 380 до 760 нм, вызывает ощущение белого цвета.
Примером белого цвета является естественный свет солнца или свет от обычных ламп накаливания. Такой свет называется сложным
излучением. Свет, состоящий из колебаний только одной длины волны, называется простым, или монохроматическим излучением. Энергия при длине волны 560 нм принята за 100%. Для удобства сравнения различных тепловых излучателей используют число, указывающее цветовую температуру излучения. Понятие цветовой температуры распространяется только на такие излучения, спектр которых близок к тепловому (например, свет ламп накаливания) и выражается в градусах Кельвина.
Различные источники излучения излучают не одинаковый спектр. В зависимости от типа источника света различают непрерывный, смешанный и линейчатый спектры излучения.
Непрерывный спектр излучают источники света, излучение которых определяется температурой их нагрева, например, лампы накаливания.
Смешанный спектр имеет излучение газоразрядных источников света, например, люминесцентных ламп. Их излучение можно охарактеризовать величиной цветовой температуры только приближенно.
Линейчатый спектр имеют газоразрядные натриевые лампы, ртутные лампы низкого давления, неоновые рекламные огни и т.д., к которым понятие цветовой температуры применить невозможно.
Сравнивая ощущения, вызываемые в глазу излучением различных длин волн одинаковой интенсивности, обнаруживается, что глаз не одинаково чувствителен к лучам различных длин волн. Наибольшей чувствительностью глаз обладает к желто-зеленым лучам с длиной волны 560 нм.
Чувствительные элементов телевизионных камер на ПЗС-матрицах выше в нижней части спектра, т. е. в "красной" области.
Поверхности большинства объектов съемки отражают свет по-разному. Их яркость зависит от угла падения света и от угла наблюдения.
Интервал яркости объекта съемки -- отношение между яркостью самой темной и самой светлой деталями объекта съемки. При одинаковых условиях освещения объекты съемки и их детали видны потому, что они отличаются друг от друга по яркости. Разница в отражательной способности деталей в этих объектах определяет и их интервал яркостей.
Например, в пасмурную погоду все объекты освещены рассеянным светом неба приблизительно одинаково и интервал яркостей у них сравнительно невелик. В ясную солнечную погоду объекты съемки освещены прямым солнечным светом и рассеянным светом неба. Детали в тенях объекта освещены только рассеянным светом неба.
В данном случае интервал яркостей зависит не только от их отражательной способности, но и от контраста освещения. Контраст освещенности -- отношение освещенности прямым солнечным светом вместе с рассеянным светом неба к освещенности только рассеянным светом. Общий интервал яркостей объекта в этом случае значительно возрастает.
Свет, исходящий от объектов, зависит не только от спектрального состава освещающего света, но и от цвета самих объектов, их спектральной отражающей способности. Когда белый свет освещает объект, то одни из спектральных составляющих отражаются, а другие поглощаются. Отраженные лучи определяют не только яркость, но и цвет объекта при данном освещении.
При использовании камер черно-белого изображения спектральная характеристика объекта не имеет существенного значения. При использовании цветных -- цвет объекта становится фактором, определяющим интервал яркостей применительно к каждому из трех основных цветов.
Реальный воспроизводимый телевизионной камерой интервал яркостей, принятый для характеристики некоторого среднего объекта редко превышает 1:50.
Естественные источники освещения. Источниками естественного освещения являются прямой солнечный свет и солнечный свет, рассеянный атмосферой.
При освещении солнцем, легко заметить, что поверхности объектов съемки, в зависимости от времени дня, состояния погоды и времени года, освещаются по-разному.
Непостоянство по интенсивности и спектральному составу энергии излучения -- главная особенность естественного освещения.
К закономерным факторам, влияющим на изменчивость естественного освещения, относятся высота солнца над горизонтом и расположение по отношению к нему объекта съемки.
К случайным факторам изменчивости естественного освещения относится состояние атмосферы -- солнечно, дождь, туман и т.п.
Спектр излучения дневного освещения также не бывает постоянным и меняется в зависимости от тех же факторов. Он изменяется, например, от того, как расположен объект съемки -- на солнце или в тени.
В первом случае объект освещается более "теплым" прямым солнечным светом в сочетании с рассеянным светом неба.
Во втором -- более "холодным" светом голубого неба. Освещение в тенях светом неба хорошо заметно, например, на снегу в солнечный день.
Немаловажным случайным фактором, влияющим на дневное освещение и его спектр, является отражение света от земли, травяных покровов, стен зданий и других окружающих объектов.
В ранние утренние и предвечерние часы в солнечном свете содержится значительно больше оранжевых и красных лучей, чем в средине дня. Такие колебания также зависят от атмосферных условий, времени года и географической широты.
С восходом солнца постепенно увеличивается не только интенсивность света, но и его цветовая температура. Частицы воздуха меньше поглощают лучи коротковолновой части спектра (фиолетовых, синих и голубых).
В зависимости от высоты солнца над горизонтом естественное освещение делится на периоды эффективного, нормального и зенитного освещения.
Период эффективного освещения (высота солнца 13...15Ш) характеризуется малой освещенностью и большим содержанием оранжево-красных лучей в естественном освещении. Солнечные лучи при восходе и заходе солнца почти равноценны свету ламп накаливания. Их цветовая температура составляет 3000...3200 К. При этом камеры на ПЗС обеспечивают нормальное изображение.
Наиболее благоприятным является период нормального освещения (высота солнца 15...60Ш). В этот период спектр излучения мало меняется и ему соответствует плавно изменяющаяся освещенность.
Источники искусственного освещения. К источникам искусственного освещения относятся:
лампы накаливания;
галогенные лампы;
люминесцентные лампы.
Они различаются по электрическим и световым характеристикам.
Электрические характеристики: напряжение питания, сила и род тока, потребляемая мощность и схема включения.
Световые характеристики: световой поток и световая отдача, характер распределения силы света в пространстве и спектральная характеристика излучения.
Лампы накаливания
Для искусственного освещения используются осветительные, зеркальные, прожекторные и галогенные лампы накаливания.
Осветительные лампы накаливания общего назначения имеют продолжительность горения не менее 1000 часов. Цветовую температуру 2700...3000 КШ.
Цветовая температура галогенных ламп практически постоянна в течение всего срока службы, который в 3...5 раз превышает срок службы обычных ламп при тех же светотехнических показателях.
Лампы с галогенным циклом выдерживают большие перепады температур и не боятся тепловых ударов (попадания капель дождя или снега на горящую лампу).
В люминесцентных лампах невидимое ультрафиолетовое излучение преобразуется в видимое люминофором, нанесенным на внутреннюю поверхность лампы. В колбу лампы вводится газ аргон и некоторое количество паров ртути.
Люминесцентные лампы экономичны, но требуют специальной пускорегулирующей аппаратуры.
По цветности излучения лампы различаются на четыре типа:
лампы дневного света ЛД, цветовая температура 6750Щ800 К;
лампы белого света ЛБ, цветовая температура 3500Щ300 К;
лампы холодного белого света ЛХБ, цветовая температура 4300Щ400 К;
лампы теплого белого света ЛТБ, цветовая температура 2700...2800 К.
Импульсные источники света
Иногда при ТВ съемке нужно использовать осветительное оборудование, работающее на иной частоте, чем передающая камера. Такие проблемы появятся при освещении объектов съемки импульсными источниками света.
Ряд источников света -- люминесцентные и газоразрядные лампы, не обеспечивают постоянства излучаемого светового потока. Световой поток от таких источников изменяется с частотой источника электропитания. Когда используется передающая ТВ камера, работающая на отличной от этих приборов частоте, формируемое изображение становится мелькающим.
Чтобы устранить указанный дефект, фирма Sony предложила использовать в своих телекамерах стандарта 625/50 скорость электронного затвора 1/100 с, а в камерах стандарта 625/60 -- скорость 1/60 с. При этом время экспозиции составляет значение, равное примерно одному полному периоду действия источника света перечисленных выше типов.
Более того, в данном случае ТВ камера никоим образом не "привязана" к частоте источника электропитания, фазовые соотношения камеры и источника неопределенны, а каждое ТВ поле формируется за один полный цикл действия источника света и, как следствие, мелькание растра изображения сводятся к минимуму.
Однако трудности при использовании импульсных источников света могут возникнуть даже при точном совпадении частоты смены ТВ полей в передающей камере с частотой работы источника электропитания. Это происходит в случае, когда скорость электронного затвора очень высока.
При съемке с импульсными источниками света в красной, зеленой и синей областях спектра часто отличаются, например, синий значительно "короче" двух других. В подобных обстоятельствах, даже когда частота смены полей передающей камеры и частота источника электропитания не синхронизированы, фазы их медленно изменяются.
Относительная яркость сигналов RGB также изменяется, вызывая в цветном изображении процесс колебаний цвета от синего до желтого (в черно-белых камерах происходит волнообразное изменение яркости).
Этот паразитный эффект обычно не сильно заметен, однако в ряде случаев он приобретает большую значимость.
Например, если направить телевизионную камеру на лампу дневного света, то на изображении начнутся волнообразные изменения яркости. Если электронный затвор отключен, то таких трудностей не возникает.
В сравнении с трубочными ТВ камерами передающие камеры на матрицах ПЗС обычно имеют хорошие характеристики в красной области спектра и гораздо хуже -- в синей области.
В канале яркости отношение С/Ш для большинства камер составляет 47Б дБ.
Инфракрасные прожекторы
Для работы камер в темное время суток в СТН включают различные типы подсветок: дежурное освещение, инфракрасные или ИК-лазерные прожекторы, панели различной мощности и формы диаграммы направленности (для скрытой подсветки).
Инфракрасное оборудование для подсветки строится на полупроводниковых элементах либо тепловых источниках света.
В качестве тепловых источников используются прожекторные лампы накаливания с фильтрами. Такие фильтры пропускают только инфракрасную часть спектра излучения источника (от 760 нм до 3 мкм).
В этой области видеокамеры на ПЗС имеют хорошую чувствительность.
Полупроводниковые приборы (светодиоды) инфракрасного диапазона в сравнении с тепловыми источниками имеют меньшие габариты, большую надежность и срок службы (5000 часов).
Стоимость светодиодных систем инфракрасного подсвета, например, прожекторов ИКП-49 и ИКП-152 фирмы ОНИКС -- $180 и $240 соответственно.
Лазерные прожекторы позволяют создать "неослепляемую" систему телевизионного наблюдения. Объектив камеры закрывают фильтром, с узкой полосой пропускания.
При использовании полупроводникового лазерного прожектора с такой же полосой излучения (порядка 10 нм) телевизионная система становится "неослепляемой". При этом камера видит только излучение лазера, отраженное от объектов.
Мощность оптического излучения таких прожекторов составляет от 50 мВт до 1 Вт при регулируемом угле рассеяния 10...20Ш.
Внешние засветки не влияют на камеру, так как составляющая мешающего излучения в полосе фильтра очень мала. В таких системах используются интерференционные фильтры.
Однако они дают плоское изображение с резкими тенями из-за использования одного узконаправленного источника излучения. На практике могут использоваться несколько источников света, закрепленных на камере. Такие осветители применяются редко из-за высокой стоимости.