Обратно

Кузьмин В.Н., Томский К.А.
Новый российский кинопроекционный яркомер
(сокращенный вариант)

Яркость киноэкрана относится к числу основных светотехнических характеристик, определяющих качество кинопроекции. Требования к выбору оптимальных значений яркости при комплексной оценке кинопоказа и методы контроля определены нормативными документами ОСТ 19-238 (Р. 4.), ОСТ 19-135 (п. 3.1.)
Для систематического контроля яркости экрана кинотеатрам требуется недорогой, отвечающий современным метрологическим и техническим требованиям прибор. Новый яркомер «ТКА-ЯР» — портативный, малогабаритный прибор с автономным питанием, снабженный функцией запоминания результата измерения («Hold»), позволяющий производить наводку на объект с помощью лазерного прицела (рис. 1).

Рис. 1. Яркомер с лазерным прицелом

Характеристики прибора:
Угол зрения, град. 1,0 – 1,5
Диапазон измерения, кд/м2 10,0 – 2000,0
Погрешность спектральной
коррекции,% 2,0
Суммарная погрешность, % 10,0
Расстояние до измеряемого
объекта, м, не менее 7,0
Габаритные размеры, мм, не более 160 х 85 х 45

Для упрощения конструкции приборы в оптической схеме был применен нефокусируемый объектив 2 (рис.2). Нерегулируемая фокусировка на некоторое постоянное расстояние повышает оперативность работы с прибором, так как исключается одна из рабочих операций. При этом не требуется вводить никаких поправок к градуировке, поскольку показания прибора пропорциональны яркости объекта независимо от расстояния.

Рис. 2. Оптическая схема яркомера ТКА-ЯР:
1— измеряемый объект; 2 — объектив;
3 — полевая диафрагма; 4 — фотоприемное устройство (ФПУ)

Для яркомеров с нефокусируемым объективом угловой размер фотометрируемого поля зависит от расстояния до объекта. Однако, если последний имеет угловые размеры не меньшие, чем угловые размеры этого действительного поля, и однороден по яркости, измерения не зависят от расстояния до объекта. Если пользователям важен размер площадки измерения, целесообразно иметь таблицу или график действительных линейных размеров фотометрируемого поля для разных расстояний до объекта (пример на рис. 3).

Рис.3. Зависимость диаметра площадки фотометрирования от расстояния

Фотоприемное устройство представляет собой кремниевый фотодиод, коррекция спектральной чувствительности S(l) которого осуществляется набором стеклянных цветных фильтров, приближая ее к V(l) — относительной спектральной световой эффективности излучения для стандартного фотометрического наблюдателя МКО.
При создании по заказу Министерства культуры РФ кинопроекционного яркомера «ТКА-ЯР» специалисты НТП «ТКА» при сотрудничестве с ГУП НИКФИ справились с поставленной задачей. Метрологические характеристики разработанного прибора соответствуют современным требованиям для рабочих средств измерения яркости.

Полный текст - в № 6 журнала "ТКТ" за 2003 г.

Веселов Ю.Г, Пономаренко А.В., Тихонычев В.В., Халтобин В.М.
Исследование характеристик цифровых фотоаппаратов
(сокращенный вариант)

Цифровые фотоаппараты (ЦФА) различных производителей получили широкое распространение в области любительской и профессиональной съемки. Необходимость ранжирования их свойств приводит к использованию объективных показателей качества создаваемого ими изображения. С другой стороны, представляет интерес оценка предельных значений параметров фотоаппарата. Для оценки аналоговых и цифровых фотоаппаратов с единых позиций в статье изложены результаты физических и аналитических исследований, базирующиеся на методиках для аналоговых фотоаппаратов. В качестве объекта исследования выбран ЦФА «Olympus E-10».
Как правило, полные количественные характеристики для цифровых фотоаппаратов в описании не приводятся, а свойства описываются кратко, зачастую в качественной форме. В предлагаемой работе физические исследования проводились при использовании экспериментальной установки, схема которой представлена на рис. 1. Аналитические исследования заключались в расчете предельного значения разрешающей способности ЦФА.
Исследования включали следующие этапы:
1. Исследование зависимости разрешающей способности ЦФА для центра Rц(f/dвх) и края кадра Rк(f/dвх) от величины f/dвх (знаменатель относительного отверстия).
2. Исследование зависимости разрешающей способности ЦФА от времени экспонирования R(tэкс). Фотографирование выполнялось с рук и со штатива.
Контроль условий фотографирования осуществлялся инструментально по яркости тест-объекта, освещенности сцены, цветовой температуре источника излучения. Фотография стенда с мирами представлена на рис. 2.

Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки

Рис. 2. Полигон мир

Условия фотографирования при исследовании зависимостей R(f/d_вх) и R(t_экс): фотографирование со штатива и с рук, чувствительность камеры S=80 ед., цветовая температура осветителя Тцв=5400 К, фокусное расстояние камеры f=18 мм, освещенность стенда Е=650 лк. Результаты представлены на рис. 3.
Анализ полученных изображений мир показал, что при чувствительности матрицы ЦФА S=80 ед. лучшие изображения (Rї78–79 лин/мм) получены при t_экс=1/10...1/30 с и f/d_вх=4...7,1 (рис.3). Связь между частотой пространственной гармоники N и размером элемента ПЗС (пиксела) a, с числом пикселов, содержащихся в периоде, соответствующем указанной частоте, выражается формулой: n =1/a•N.

Рис. 3. Зависимости: а — разрешающей способности R от величины f/dвх в центре и на краю кадра Rц(f/dвх), Rк(f/dвх) при использовании штатива; б — разрешающей способности R от времени экспонирования tэкс при фотографировании с рук и со  штатива, Rр(tэкс) и Rш(tэкс) соответственно Рис. 4. Зависимости: а — световая характеристика матрицы ПЗС; б — зависимость СКО шума от величины выходного сигнала. Оптический клин на светлом фоне; f=36мм; Eпол=600лк и Tцв=5300К

Большой интерес с точки зрения практической фотографии представляет исследование изменения R в зависимости от того, как ведется фотографирование — со штатива или с рук. Анализируя полученные результаты можно утверждать, что при фотографировании с tэкс=1/10...1/30 с необходимо использовать штатив, иначе даже на снимках опытного оператора происходит уменьшение разрешающей способности приблизительно на 10%. 3. Сравнивая разрешение в центре и на краю кадра (Rц и Rкр), можно сделать вывод, что ЦФА Е-10 обеспечивает получение изображений с высоким разрешением во всех случаях. 4. Наибольшее влияние на разрешающую способность оказывает дифракция на входном отверстии. Оптимальное входное отверстие для центра кадра находится в диапазоне f/dвх от 5,5 до 11, а для края кадра — f/dвх от 6 до 7,5 (рис. 3,а). Для оценки потенциальных возможностей ЦФА использовалось его предельное разрешение, которое зависит от дифракционного разрешения объектива Rпр.д. и геометрических размеров элементов матрицы ПЗС ЦФА (предельное геометрическое разрешение Rпр.г.). Определение предельного разрешения осуществляется на основе аналитического способа оценки разрешающей способности. Применение этого метода возможно в случае линейности процессов формирования изображения. Оценки диапазона линейности ЦФА осуществлялись с использованием световой характеристики ЦФА (зависимости от яркости фотографируемого теста выходного сигнала ЦФА) по принципу суперпозиции. В ходе этого исследования на экспериментальной установке (рис.1) в качестве тест-объекта использовался типовой оптический клин с 21 полем яркости. Характеристики каждого элемента оптического клина измерялись с помощью измерителя яркости — MINOLTA SPOTMETЕR F при следующих условиях: освещенности полигона мир Eпол=600 лк и цветовой температуре источника излучения Tцв=5300К. Зависимость выходного сигнала ЦФА Uс (уровня серого тона изображения клина на экране монитора в условных единицах) от яркости каждого элемента оптического клина L, нт представлены на рис. 4,а. На рис. 4,б — зависимость среднеквадратического отклонения (СКО) шума ЦФА от величины выходного сигнала. Для оценки диапазона линейности световой характеристики матрицы ПЗС использовалось понятие, введенное для фотопленок, «Фотографическая широта» (Lфш) [ГОСТ 2653-80]. Фотографическая широта матрицы ПЗС — это разность логарифмов величин яркостей фотографируемого оптического клина, соответствующих прямолинейному участку световой характеристики матрицы ПЗС Lфш=lg (Lмакс / Lmin) где Lмакс/min — предельные яркости полей клина на экране видеоконтрольного устройства (ВКУ). Проведенное исследование показывает, что Lфш зависит от типа фона и фокусного расстояния ЦФА (исследования проводились для двух типов фона и двух значений фокусного расстояния) и изменяется в пределах от 0,69 до 0,83, что сравнимо с фотографической широтой фотопленок.(Lмакс /Lmin),

Аналитический метод определения разрешающей способности применяется для линейных систем и базируется на использовании функции передачи модуляции (ФПМ) T(N), пороговой модуляционной характеристики (ПМХ) M(N) и решении уравнения:

K_вхT(N) – M(N)=0,

где K_вх — входной контраст. Частота, являющаяся корнем уравнения, есть разрешающая способность R фотосистемы при входном контрасте K_вх.
Определение предельного разрешения, обусловленного обоими факторами, осуществлялся по формулам результирующей ФПМ Tр(N) и ПМХ M(N) (рис. 5).

Tр(N)= Tдо(N)•Tэ.м.(N).

Рис. 5. К определению предельного разрешения Rпр ЦФА, обусловленного размерами элемента матрицы ПЗС и дифракционными явлениями в объективе	Рис. 6. Зависимость предельного разрешения Rпр.д., Rпр.г., Rпр от величины f/dвх
Рис. 7. Сравнение результатов исследования с предельным значением разрешения ЦФА с 4Мп и 16Мп матрицами ПЗС	Рис. 8. К определению разрешающей способности

Зависимости предельных разрешений Rпр.д.., Rпр.г., Rпр от величины f/dвх представлены на рис. 6.
Проведенные физические исследования по определению зависимостей разрешающей способности ЦФА от различных факторов и сравнение результатов
исследования с аналитическими результатами, подтверждают работоспособность предложенных методик.
Возможности исследуемого ЦФА, имеющего количество элементов матрицы ПЗС 4Мп, недалеки от предельных (рис.7), причем на малых значениях d_вх (f/d_вх=11) возможности камеры отличаются всего на 20%, а на больших d_вх (f/d_вх=2,2) разность возможных значений камеры от предельных составляет 50%. С увеличением количества элементов матрицы ПЗС до 16Мп предельные значения по сравнению с 4Мп значительно возросли: при малых значениях d_вх на 45%, а при больших d_вх на 120%.
После фотографирования полигона мир (рис. 3), с использованием программы Photoshop были определены яркости белого и черного штрихов представленного набора мир, а на их основе рассчитаны контрасты для 12 групп штрихов (рис. 8).
На рис. 8 изображены полученная ФПМ — сглаженная и предельная аналитическая, а также ПМХ для дешифровщиков. Значение разрешающей способности, полученное по абсциссе точки пересечения этих двух кривых, составляет Rї75 лин/мм и Rпрї95 лин/мм соответственно.

Полный текст - в № 6 журнала "ТКТ" за 2003 г.

Обратно