3CCD

Пример цветоделения дихроической призмой

3CCD — технология цветоделения в цветном телевидении, использующая три светочувствительные матрицы, отдельные для каждого из трёх цветоделённых изображений: красного, зелёного и синего. Технология основана на оптическом цветоделении при помощи дихроичной призмы, разделяющей^[1] свет от объектива на три изображения по длине волны за счет интерференции. В телевизионном обиходе такие телекамеры и видеокамеры называют трёхматричными.

История

Впервые оптическое цветоделение на три монохромных изображения было применено для получения цветных фотографий в конце XIX века. Экспонирование трёх черно-белых фотопластинок за тремя цветными светофильтрами позволяло получать три цветоделенных негатива, с которых печаталось цветное изображение. Технология цветного кинематографа «Техниколор» также использовала киносъёмочные аппараты, регистрирующие цветоделённые изображения на трёх киноплёнках одновременно^[2]. Подобное устройство телевизионной передающей камеры применялось с самых первых дней существования цветного телевидения, основанного на одновременной передаче цветовой информации. До появления полупроводниковых матриц в камерах, построенных по такой схеме, применялись три или четыре передающие телевизионные трубки^[3]. В последнем случае четвёртая трубка формировала сигнал яркости, а в трёхтрубочных системах вместо зелёного сигнала часто использовался псевдояркостный^[4]. В первых цветных телекамерах использовались полупрозрачные дихроичные зеркала и светофильтры. Применение дихроидных призм позволило поднять светопропускание и, соответственно, чувствительность таких камер. У трех- и четырёхтрубочных камер после каждого включения была обязательна процедура центровки, необходимая для точного совмещения растров передающих трубок. Магнитные отклоняющие системы не обладали абсолютной стабильностью и реагировали на изменения окружающего магнитного поля, часто зависевшего даже от положения камеры. Выполнение центровки устраняло цветные контуры изображения, появлявшиеся вследствие неточностей совмещения изображений с трех трубок. Центровка представляла собой точную регулировку токов кадровой и строчной развёрток для каждой трубки и выполнялась автоматической системой при помощи таблицы, поставлявшейся в комплекте с компактными камерами. В стационарных камерах при настройке таблица проецировалась на мишени передающих трубок через дополнительную грань цветоделительной призмы диапроектором, встроенным в камерную головку^[4].

Применение твердотельных полупроводниковых матриц избавило от необходимости выполнения центровки при каждом включении, поскольку геометрия изображения, формируемого матрицей, не зависит от магнитных полей и отклоняющих систем. С появлением передающих телевизионных трубок, осуществляющих цветоделение при помощи встроенных штриховых светофильтров, некоторые компактные видеокамеры стали строить по двух- и однотрубочной схеме, без призменной цветоделительной системы^[5]. Полупроводниковые матрицы также могут использовать способ цветоделения при помощи массива цветных светофильтров, позволяющий использовать одну светочувствительную матрицу без дорогостоящей и громоздкой цветоделительной призмы. Однако, преимущества трехматричной схемы таковы, что видеокамеры, построенные на трех матрицах, до сегодняшнего дня не сдают свои позиции в профессиональном видеопроизводстве.

Принцип действия

Цветоделительная система трехматричных ТВ-камер

Свет от съемочного объектива попадает на цветоделительную дихроичную призму, разделяющую его на три составляющих потока, направляемых к разным граням призмы. Излучение с самой короткой длиной волны избирательно отражается от дихроичного покрытия F1, пропускающего остальной свет дальше. Так синяя составляющая света направляется к нижней выходной грани. Затем, поверхностью с покрытием F2 отделяется длинноволновая - красная часть спектра, попадающая к верхней выходной грани. Зеленый свет проходит через все покрытия, не отражаясь и попадает к задней выходной грани призмы. Таким образом, получаются три монохромных действительных изображения объекта съемки. Красный и синий свет претерпевает двукратное отражение, в результате чего получаются прямые (незеркальные) изображения этих цветов. Каждое из этих цветоделенных изображений попадает на отдельную матрицу, видеосигнал с которых после обработки добавляется к общему. В результате сложения сигналов с трех матриц получается полный цветной телевизионный сигнал.

Некоторые производители используют более сложную систему, добавляя ещё одну матрицу, работающую в зелёном канале. Четвёртая матрица используется для повышения разрешающей способности камеры путём сдвига «на полпикселя»^[6].

Дихроидная призма

Основная статья: Дихроидная призма

Дихро́идная призма — основной элемент трёхматричной системы цветоделения. ^[7] При расчете цветоделительной системы должно учитываться, что длина хода лучей каждого цвета должна быть одинаковой с учетом разницы коэффициентов преломления стекла разных частей призмы. Кроме того, при проектировании призм для использования с полупроводниковыми матрицами, не допускается получения зеркально перевернутых изображений, как это было возможно при использовании вакуумных передающих трубок. В последних это устранялось простым изменением полярности разверток. Дополнительную сложность при конструировании трехматричных камер представляет устранение влияния поляризации света на качество цветоделения.

Достоинства трёхматричной системы

• Высокая разрешающая способность;
• Высокая точность передачи оттенков цвета;
• Полное отсутствие цветного муара и, как следствие — ненужность применения low-pass^[8] фильтра;
• Ненужность алгоритмов дебайеризации для восстановления потерянной информации, обязательных для одноматричных систем с массивом цветных фильтров;
• Высокая светочувствительность и соотношение сигнал/шум благодаря отсутствию потерь в светофильтрах;
• Возможность осуществления цветокоррекции постановкой дополнительных светофильтров перед отдельными матрицами, а не перед съёмочным объективом, позволяет добиться существенно лучшей цветопередачи при нестандартных источниках света с сохранением высокой чувствительности системы в целом;
• Возможность повышения эффективного разрешения всей системы сверх разрешения отдельной матрицы вдвое по одной из координат, сдвинув три матрицы друг относительно друга на 1/3 пикселя и проведя интерполяцию трёх изображений с учётом этого сдвига. Данная технология получила наименование «Pixel shifting».

Недостатки трёхматричной системы

• Большая стоимость, значительно превосходящая стоимость одноматричных камер;
• Габаритные размеры и вес, принципиально бо́льшие, чем у систем с одной матрицей;
• Трёхматричная система не может использоваться с широкоугольными объективами с малым задним отрезком;
• Проблема сведе́ния цветов. Трехматричные системы требуют точной юстировки. Чем меньше физический размер матриц и больше их разрешение, тем сложнее добиться необходимой точности;
• Чувствительность к вибрациям, при наличии которых снижается качество получаемого изображения. Это требует специальных методов борьбы с вибрацией.

См. также

• Матрица (фото)
• Массив цветных фильтров
• Фильтр Байера

Примечания

1. ↑ Canon 3CCD technology  (англ.)
2. ↑ Дмитрий Масуренков Киноаппараты для цветных съёмок (рус.) // «Техника и технологии кино» : журнал. — 2007. — № 5.
3. ↑ 4.6 Оптические системы телекамер  (рус.). Тема 4. Преобразование изображений в электрические сигналы. Банк лекций. Архивировано из первоисточника 23 октября 2012. Проверено 21 октября 2012.
4. ↑ ^{1 2} Телевидение, 2002, с. 312
5. ↑ Телевидение, 2002, с. 314
6. ↑ Ikegami: 4 лучше 3 (рус.) // «625» : журнал. — 1995. — № 2. — ISSN 0869-7914.
7. ↑ разновидности составных дихроичных призм  (англ.)
8. ↑ :en:Low-pass filter

Литература

• В. Е. Джакония Телевидение. — М.,: «Горячая линия — Телеком», 2002. — С. 311—316. — 640 с. — ISBN 5-93517-070-1

Ссылки

• 4.6 Оптические системы телекамер  (рус.). Тема 4. Преобразование изображений в электрические сигналы. Банк лекций. Архивировано из первоисточника 23 октября 2012. Проверено 21 октября 2012.