Mô hình Diafram điều khiển tự động

Mô hình này cũng dựa trên tư tưởng kết hợp giữa điện, điện tử, cơ và sử dụng quang trở làm cảm biến, điều khiển trực tiếp bằng ánh sáng nhìn thấy.

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, sự phát triển như vũ bão của nghành công nghiệp điện tử, nghành công nghiệp công nghệ thông tin đòi hỏi nghành công nghiệp cơ khí chế tạo máy cũng phải có bước phát triển tương xứng Sự kết hợp các nghành này đã sản xuất ra hàng loạt các sản phẩm hiện đại trong tất cả các lĩnh vực phục vụ cho cuộc sống ngày càng văn minh của con người.

Các sản phẩm này, từ các thiết bị đo lường, nghe nhìn, điện tử tin học cho đến các dây chuyền sản xuất hiện đại, lại là sự kết hợp giữa các nghành điện – điện tử - tin học – cơ khí và một nghành nữa, có trong hầu hết các sản phẩm hiện đại, đó là chuyên nghành quang – quang điện tử Có thể nói, trong các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn, mẫu mã đẹp đều sử dụng kỹ thuật quang – quang điện tử Hơn nữa, sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp vi điện tử và bán dẫn sản xuất nên các cảm biến quang rất đa dạng với kích thước rất nhỏ và giá thành của các sản phẩm này thì lại rất rẻ Điều này đặc biệt thuận lợi cho việc học tập, nghiên cứu, từ đó đưa ra được các sản phẩm mới, có thể được đưa vào sản xuất và được chấp nhận bỏi người tiêu dùng cũng như xã hội trong điều kiện đất nước còn nghèo.

Mô hình Diafram điều khiển tự động trong đồ án tốt nghiệp này cũng không ngoài mục đích trên Mô hình này cũng dựa trên tư tưởng kết hợp giữa điện, điện tử, cơ và sử dụng quang trở làm cảm biến, điều khiển trực tiếp bằng ánh sáng nhìn thấy.

Tuy nhiên, do giới hạn trong khuôn khổ một đồ án tốt nghiệp, thời gian không nhiều và trình độ hạn chế nên ở mặt này, mặt kia chắc chắn không thể không có sai sót Rất mong nhận được sự chỉ giáo của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn CKCX-QH, cũng như tất cả những ai hiểu biết về lĩnh vực này.

Tác giả xin được cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn CKCX-QH đã chỉ bảo trong quá trình học tập và thiết kế tốt nghiệp Đặc biệt, tác giả xin được cảm ơn thầy giáo Chu Tiến Rảo đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn trong quá trình thiết kế tốt nghiệp

Hà Nội, tháng 05 – 2006.

Dương Hồng Cang

MỤC LỤC

2 2

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI

Hầu hết các máy quay, dù là dùng phim nhựa hay dùng băng video, ống kính

là một trong những khối quan trọng nhất Trong máy quay phim nhựa, hình ảnh qua ống kính được ghi lên phim; trong máy quay video, hình ảnh được ghi lên bia ống ghi (hình 1-2) hay lên chíp CCD (hình 1-3), sau đó được đổi từ dạng quang thành tín hiệu điện

Ống kính, gồm nhiều thấu kính, tập trung ánh sáng rọi vào trên một mặt, gọi là mặt phẳng tiêu (focal plane) Bia ảnh (target) của ống ghi được đặt tại mặt phẳng tiêu và tiêu cự (focus length) là khoảng cách từ tâm quang của ống kính đến mặt phẳng tiêu

Máy quay video thường được lắp ống kính zoom, đây là loại ống kính mà tiêu

cự tác dụng của nó có thể thay đổi trong một phạm vi Tỷ số 6:1 có thể thực hiện tiêu cự từ 11 đến 66mm

Điều khiển

hệ thống Tùy động

Motor trục kéo Motor

tải

Khối điều khiển (VCR) Nguồn hạ thế

V-SYNC H-SYNC

Khối kính ngắm (EVR)

Mạch lái tia Cao thế

Khuếch đại Phân chia đồng bộ

Khối hiệu ứng

Khối xử

lý Diafram

CDS/

AGC/

T

Mạch chuyển đổi A/D

Chíp CCD

và mạch cảm biến hình ảnh CCD

Truyền

động V

Mạch chuyển đổi D/A

Tín hiệu

độ chói Tín hiệu mầu

From-to VTR

Hình 1-3 Sơ đồ khối của máy quay video kỹ thuật số

Điều này cung cấp cho ống ghi ỏnh sỏng trắng dịu (soft) vốn là sự phối hợp của tất cả ỏnh sỏng và cỏc màu sắc đưa vào Lỳc đú mạch hiệu chỉnh (mạch định mức trắng) cú thể thiết lập một sự hũa trộn chớnh xỏc cỏc màu ĐỎ, LỤC và DƯƠNG theo yờu cầu để cung cấp sự cõn bằng màu toàn thể cho cảnh quan.Tựy vào ống ghi, người ta sử dụng hai loại kớnh lọc căn bản Kớnh lọc loại bỏ tia hồng ngoại (infrared cut filter) và kớnh lọc cho qua ỏnh sỏng thấp (low pass filter)

1.1.1.3 Ống ghi và chớp CCD (pick-up tube & CCD chip)

Ống ghi dựng trong camera màu gồm 4 loại căn bản: VIDICON, NEWVICON, SATICON, và TRINICON Trong cỏc camera đời mới, người ta dựng chớp CCD (charge coupled device: linh kiện kết nối điện tớch) thay cho ống ghi

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

1.1.1.4 Mạch tiền khuyếch đại

Mạch tiền khuyếch đại là mạch khuyếch đại có tạp âm thấp, trở kháng ngả vào cao, nhận thông tin hình ảnh thô hiện lên bia của ống ghi và khuyếch đại chúng đến một mức dùng được để đưa vào mạch xử lý và mạch mã hóa màu

1.1.1.5 Mạch kích thích chíp CCD (CCD driver)

CCD là một chíp có tác dụng chuyển đổi ánh sáng đưa vào thành tín hiệu điện (gọi là “tín hiệu điện tích”) Mạch kích thích chíp CCD, còn gọi là mạch cảm biến, dùng để tạo ra các loại xung định thời khác nhau kích thích khối CCD nhằm thực hiện việc tích điện và truyền sự hoạt động trong CCD Mạch còn xử

lý tín hiệu trước tín hiệu CCD ra, loại bỏ các thành phần nhiễu, chỉnh độ lợi tự động (AGC), chỉnh hệ số tương phản (gamma)

1.1.1.6 Mạch xử lý và mã hóa màu (process & encoding circuit)

Trong sơ đồ khối, mạch xử lý và mã hóa màu bao gồm nhiều mạch điện Mạch

xử lý tín hiệu độ chói, xử lý tín hiệu độ màu, mạch AGC, ALC (tự chỉnh độ lợi,

tự chỉnh ánh sáng), tạo tín hiệu NTSC, chỉnh cân bằng mức trắng, xử lý âm thanh, và mạch cảm nhận tín hiệu hình phát lại ra

1.1.1.7 Nguồn cấp điện (power supply)

Trong camera dùng ống ghi (pick-up tube), người ta sử dụng 2 nguồn cấp điện, nguồn cấp điện thế cao (HV, <2000V) cung cấp cho CRT ống ghi và cả CRT ống ngắm điện tử (EVF – electronic viewfinder), nếu có Trong hầu hết các trường hợp, nguồn điện thế cao này lấy từ phần quét ngang, khá giống máy thu hình tiêu chuẩn Nguồn điện thế thấp (LV) gồm có một hay nhiều nguồn ổn thế, lấy từ chuẩn 12VDC đưa vào camera, cấp điện cho các mạch khác nhau

Với camera dùng chíp CCD, không cần có điện cao cung cấp cho ống ghi, nên người ta sử dụng nguồn DC 12V Nguồn 12VDC này được cho qua mạch chuyển

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

1.1.1.8 Mạch tạo xung đồng bộ (sync generator)

Do camera màu được vận hành từ điện DC và là nguồn phát tín hiệu hình (truyền tín hiệu TV), chúng phải tự tạo cho mình độ ổn định, trang bị mạch phát

đa chức năng để cung cấp các tín hiệu hàng dọc, hàng ngang, chuẩn màu, xóa đường hồi, và các mạch khác cần có để tạo ra tín hiệu hình NTSC ổn định Thông thường mạch này được thực hiện trong một IC MOS chuyên dùng với sự điều khiển của mạch dao động thạch anh

1.1.1.9 Kính ngắm (view finder)

Một số camera kiểu cũ, dùng kính ngắm quang học (optical viewfinder), loại này nhìn thấy cảnh vật trong phạm vi của kính ngắm, không có sự kết nối với ống kính Cải thiện hơn, người ta dùng kính ngắm xuyên ống kính (TTL viewfinder) Ảnh của đối tượng thu vào ống kính được lăng kính chia thành 2 đường, một vào kính ngắm và một vào bia ảnh ống ghi

Hai loại trên là kiểu kính ngắm dạng quang, hiện nay ít dùng; mà hầu như tất

cả đều dùng kính ngắm điện tử (EVF – electronic viewfinder), loại này không những cho phép nhìn cảnh trí trung thực, mà còn được sử dụng như một minitor

để kiểm tra chất lượng hình ảnh vừa ghi

1.1.1.10 Các mạch điều khiển (control circuits)

Các mạch điều khiển có thể đơn giản như điều khiển GHI/TẠM DỪNG và phức tạp như điều khiển tuyến dữ liệu nối tiếp do bộ vi xử lý tạo ra, cung cấp đầy đủ các chức năng điều khiển VCR từ xa Mở cảnh (fade in) và đóng cảnh (fade out), tiêu đề video (video title), chỉ thị thời gian hoạt động (elapsed time), đảo hình (reverse video), chỉ thị chế độ của hệ thống (system status), tăng/giảm AGC (AGC switching), và chỉnh nguồn sáng sau lưng (back light) là tất cả các ví

dụ về các đặc tính điều khiển sẵn có trên các máy quay khác nhau

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

1.1.2 Nguyên tắc hoạt động của camera

Như mắt người, khi camera thu một cảnh tự nhiên, nó phải đưa ảnh đó vào đúng tiêu cự Ngày nay, hầu hết camera đều sử dụng bộ cảm biến ghép điện tích CCD Tín hiệu ánh sáng từ đối tượng quay sau khi đi qua hệ thấu kính, qua Diafram để điều chỉnh độ rọi được in lên mặt ghi hình trong các camera dùng ống ghi hay in lên mặt mạch cảm ứng như các camera dùng CCD hoặc CMOS để chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệu điện sau đó ghi lên thiết bị nhớ

1.2 CẢM BIẾN TRONG CAMERA

Bộ cảm biến trong camera thực hiện hai nhiệm vụ:

-Biến đổi ảnh quang thành ảnh điện tử

-Quét ảnh điện tử và phân phối tín hiệu điện tử

Hiện nay hầu hết các camera hiện đại dùng các bộ cảm biến CCD

1.2.1 Thiết bị ghép điện tích (CCD)

CCD là một thiết bị gồm các mạch tích hợp thực hiện hai quá trình cảm thụ ảnh: lưu trữ và đọc ra (quét) CCD được thiết kế trên một mảng tế bào hai chiều giống như các điểm ảnh Mỗi tế bào trong mảng CCD có hai chế độ

(1) Chế độ lưu trữ, ở chế độ này điện tử được nạp và tích tụ trong tế bào tương ứng với năng lượng ánh sáng tác động lên tế bào

(2) Chế độ chuyển, ở đây các điện tử được nạp trong tế bào có thể di chuyển đến một tế bào gần kề, cả hàng ngang cũng như hàng dọc theo cấu trúc của tế bào Chế độ chuyển cả dòng tế bào, thậm chí cả mảng tế bào hai chiều, được thực hiện đồng thời để từng bước thực hiện chuyển nội dung nạp của các dòng, các hàng tế bào hoặc toàn bộ hình ảnh

Nói chung, các CCD gồm có hai mảng tế bào: một là vùng tạo ảnh, hai là vùng đọc được lớp che phủ ánh sáng ngăn cách Chế độ chuyển đạt được sử

Chương 1 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HèNH

dụng để di chuyển ảnh điện tử từ vựng tạo ảnh sang vựng đọc (thường ở trong chu kỳ xúa dũng)

Trong thời gian tớch cực của ảnh, vựng tạo ảnh được đặt trong chế độ lưu trữ, cũn vựng đọc sử dụng chế độ chuyển đạt để chuyển phần ảnh được nạp tới cổng ra

1.2.2 Cấu trỳc CCD

CCD bao gồm ba cấu trỳc cơ bản được sử dụng rộng rói trong cỏc camera hiện đại Sự khỏc nhau giữa cỏc cấu trỳc CCD là cỏch thức bố trớ vựng tạo ảnh, vựng đọc và cỏch thức chuyển đạt

1.2.2.1 Cấu trỳc chuyển khung (FT – Frame Transfer)

Chuyển trong khoảng thời gian dòng tích cực

Thanh ghi đọc

ra theo dòng

Lớp phủ che ánh sáng

Vùng tạo ảnh

Chuyển một dòng trong mỗi khoảng thời gian xóa dòng

Đầu ra video

Chuyển toàn

bộ dòng trong khoảng thời gian xóa mành

Hình 1-4 Cấu trúc chuyển khung CCD

Vùng đọc

Hỡnh 1-4 là một cấu trỳc chuyển khung FT Vựng tạo ảnh được đặt trờn vựng đọc Vựng đọc được che khuất bởi một lớp phủ để khụng cho ỏnh sỏng tỏc động vào

Chức năng lưu trữ được thực hiện ở vựng tạo ảnh trong khoảng thời gian tớch cực của ảnh Trong khoảng thời gian xúa mành, toàn bộ vựng lưu trữ được chuyển vào vựng đọc theo chiều dọc Cỏc tế bào của mỗi dũng được chuyển

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

xuống đồng thời một dòng và quá trình này lặp lại cho mỗi dòng của ảnh Nếu ảnh có 480 dòng, sẽ có 480 quá trình truyền trong khoảng thời gian một mành.Trong khoảng thời gian xóa dòng, một dòng tại một thời điểm trong vùng đọc được chuyển theo chiều dọc tới mảng đọc của một dòng ngang Còn trong khoảng thời gian dòng tích cực, mảng ngang được khóa để chuyển các điểm ảnh sang bên phải đến đầu ra video

Do quá trình tích nạp trong vùng ảnh không thể dừng lại khi đang chuyển tới vùng đọc, hơn nữa, quá trình chuyển này phải mất một lượng thời gian xác định (cỡ 1ms) nên hiệu ứng “vết chuyển” sẽ xuất hiện trên và dưới vùng sáng rõ của ảnh Trong camera CCD ứng dụng cấu trúc chuyển khung, hệ thống quang học cần đến một cơ cấu cơ học đặc biệt để loại bỏ hiệu ứng này

Trên thực tế, bộ tạo ảnh FT ít được sử dụng trong các camera ghi hình chất lượng cao

1.2.2.2 Cấu trúc chuyển liên dòng (IT – Interline Transfer)

Hình 1.5 mô tả cấu trúc chuyển liên dòng IT Cấu trúc này được xây dựng theo kiểu chèn mảng tạo ảnh và mảng đọc theo chiều ngang lần lượt trên cơ sở một điểm ảnh, nhằm tạo ra chip có kích thước nhỏ hơn cấu trúc chuyển khung Ảnh quang được tập trung trên toàn bộ vùng này

ChuyÓn toµn bé pixel tíi c¸c thanh ghi luu tr÷ trong Thanh ghi luu tr÷

§Çu ra video ChuyÓn trong kho¶ng

thêi gian dßng tÝch cùc

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

Các tế bào đọc được che khuất về phương diện quang học, ánh sáng từ ảnh chiếu đến các vùng này sẽ bị mất, vì vậy độ nhậy của chíp sẽ giảm xuống

Trong một số CCD cấu trúc chuyển liên dòng, một mảng vi thấu kính được đặt lên các tế bào và như vậy sẽ khôi phục được độ nhạy của chip Tất nhiên sử dụng

vi thấu kính sẽ làm tăng giá thành của thiết bị, song đó là biện pháp khá hữu hiệu

để nâng cao độ nhạy của chip CCD

Quá trình lưu trữ trong cấu trúc chuyển liên dòng xẩy ra ở mọi thời điểm trừ khi chuyển dòng Quá trình nạp vào các tế bào được truyền theo hàng ngang tới mảng đọc Trong khoảng xóa dòng, mảng đọc được dịch xuống dưới một dòng cho mảng đọc ngang, mảng đọc sau đó sẽ bị khóa lại trong khoảng thời gian tích cực của dòng để đưa đến đầu ra video

Cấu trúc CCD chuyển liên dòng thường không cần đến cơ cấu cơ học phức tạp

để loại bỏ “vết chuyển” Tuy nhiên điều tương tự như trong CCD chuyển khung với chỗ sáng nhất do sự che khuất quang học của các tế bào đọc được chèn không hoàn hảo Hiệu ứng này có thể gây nên những đường dọc xuất hiện ở vùng sáng nhất của ảnh

1.2.2.3 Cấu trúc chuyển liên dòng – khung (FIT – Frame Interline Transfer)

Hình 1.6 mô tả cấu trúc FIT, kết hợp các đặc điểm của hai cấu trúc FT và IT Trong thời gian xóa mành, toàn bộ ảnh được chuyển tới các thanh ghi đã được chèn, sau đó được chuyển tiếp xuống mảng đọc Trong thời gian tích cực của ảnh, quá trình đọc xẩy ra giống như trong cấu trúc FT

Chương 1 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HèNH

Thanh ghi luu trữ

Vùng tạo ảnh

Lớp phủ che

ánh sáng Vùng đọc

Thanh ghi đọc ra theo dòng

Chuyển trong khoảng thời gian dòng tích cực

Đầu ra video

Chuyển một dòng trong mỗi khoảng thời gian xóa dòng

Chuyển toàn bộ dòng trong khoảng thời gian xóa dòng

Chuyển toàn bộ pixel tới các thanh ghi luu trữ trong

Hình 1-6 Cấu trúc FIT

Do toàn bộ quỏ trỡnh chuyển của mảng tạo ảnh xẩy ra với khoảng thời gian rất

bộ (khoảng thời gian xúa mành) và ngay trong cỏc thanh ghi bị che quang, nờn khụng cần thiết phải cú cơ cấu để loại bỏ “vết chuyển” và cũng khụng xẩy ra vấn

đề gỡ đối với vựng sỏng nhất Cú thể núi đõy là cấu trỳc thớch hợp nhất cho cỏc camera chuyờn dựng

1.2.3 Quột cỏch dũng trong CCD

Với ba cấu trỳc nờu trờn, cú thể núi đú là quỏ trỡnh quột liờn tiếp của CCD Tất nhiờn, nếu CCD cú một dũng tế bào cho mọi dũng của ảnh được quột cỏch dũng và mặc nhiờn trong cấu trỳc FIT cú thể bị khúa để chỉ chuyển cỏc dũng lẻ hay cỏc dũng chẵn tới cỏc thanh ghi chuyển theo chiều dọc, kết quả là sẽ tạo nờn quột cỏch dũng ở đầu ra video Điều này làm tăng độ nhạy của chip CCD và mảng đọc chỉ cần phải lưu giữ một nửa trờn tổng số dũng

Nhược điểm của phương phỏp này là cú thể gõy ra chồng phổ mành biểu hiện dưới dạng cỏc biờn dũng nhọn, nờn cần phải cú cỏc bộ lọc quang để hạn chế nú.Ngoài ra, cú thể thực hiện liờn tiếp với chu kỳ mành và xử lý số tớn hiệu thành cấu trỳc quột cỏch dũng Ở đõy cú hai phương thức thực hiện: một là loại bỏ cỏc

Chương 1 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HèNH

chuẩn Phương phỏp này khỏ đơn giản, song nú lại loại bỏ một nửa tớn hiệu, làm suy giảm tỉ số tớn hiệu trờn tạp õm SNR (Signal-to-Noise Ratio)

Phương phỏp thứ hai là lưu trữ bằng kỹ thuật số hai dũng từ CCD và kết hợp hai dũng kề nhau để tạo ra tớn hiệu quột cỏch dũng Phương phỏp này khụng gõy tổn hao SNR và khắc phục được vấn đề chồng phổ song trong một chừng mực nào đú lại gõy nờn sự suy giảm độ phõn giải mành

Núi chung cả hai phương phỏp quột trong CCD đều yờu cầu thanh ghi dũng của CCD phải cú tốc độ gấp đụi so với phương phỏp quột dũng trực tiếp

1.2.4 Cấu trỳc của camera CCD đơn

R G B R G B

R G B R G B Video

tổng hợp Video mầu đỏ Video mầu lục Video mầu lam

Sọc mầu

Tế bào CCD

Hình 1-7 Camera CCD đơna) bố trí không gian CCD; b) các tín hiệu videoTrong cỏc camera chuyờn dựng, tương ứng với ba mầu cơ bản RGB sử dụng

ba CCD Cơ cấu camera RGB này đảm bảo tỏi tạo ảnh với chất lượng cao nhất trong hệ thống chuyờn nghiệp, song lại quỏ đắt đối với thị trường camera dõn dụng Cỏc camera một CCD hay cũn gọi camera CCD đơn được phỏt triển nhằm đỏp ứng nhu cầu thị trường dõn dụng (hỡnh 1-7)

Một bộ lọc quang mầu được đặt trờn cỏc tế bào của CCD Trong quỏ trỡnh xử

lý tớn hiệu, ba thành phần mầu RGB đạt được bằng cỏch lấy mẫu tớn hiệu video

Chương 1 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HèNH

tại ba pha như đó chỉ ra trờn hỡnh 1-7 Phần cũn lại của quỏ trỡnh xử lý tớn hiệu tương tự như đó nờu trong cỏc loại camera cú ba CCD

1.2.5 Tỷ số tớn hiệu trờn tạp õm (SNR) của CCD

Núi chung tạp õm xuất hiện trong bộ tạo ảnh CCD là do tạp õm quang điện tử (hiệu ứng chụp ảnh điện tử) Cỏc chỉ tiờu SNR của một CCD phụ thuộc vào kớch thước của điểm ảnh Điểm ảnh lớn cho phộp thu nhận được nhiều ỏnh sỏng của ảnh quang làm tăng SNR, tuy nhiờn điểm ảnh lớn, kớch thước chip CCD tăng, bộ phận quang – cơ vỡ thế cú thể tăng lớn làm tăng giỏ thành camera

1.3 XỬ Lí TÍN HIỆU TRONG CAMERA SỐ

Hình 1-9. Sơ đồ khối tổng quát của quá trình

xử lý tín hiệu đối với camera số

cân bằng trắng

nén độ sáng cao

hiệu chỉnh mầu

nâng cao chất lựơng

nén độ sáng cao

nén độ sáng cao

cân bằng trắng

cân bằng trắng

Bộ tạo xung đồng hồ

γ γ γ

Núi chung, tớn hiệu ra từ cỏc thiết bị CCD được lấy mẫu theo điểm ảnh và cấu trỳc dũng của CCD song cú biờn độ analog Tớn hiệu sau đú được khuếch đại một cỏch tuyến tớnh đến mức phự hợp cho quỏ trỡnh xử lý tiếp theo bao gồm: chuyển đổi AD, cỏc bước xử lý khỏc nhau trong miền số Bất cứ một động thỏi xử lý phi tuyến nào trong miền tương tự cũng nờn trỏnh, nhằm đảm bảo tớnh ổn định của

hệ thống (hỡnh 1.9)

SNR = 6,02N + 10,8 + 15,6 + 6[dB] (1.3)Trong đó thành phần 15,6 dB là mức bảo vệ vùng sáng Trên cơ sở này ITU.Rec.BT 601 đã đưa ra khuyến nghị chọn lượng tử hóa 10 bit đối với các camera số.

1.3.2 Nén vùng sáng

Dải động của CCD là tỷ số tín hiệu đầu ra cao nhất có thể có của CCD với mức tạp âm của nó Thông thường, mức tín hiệu tối đa (đỉnh trắng) được thiết lập chủ yếu dưới điểm bão hòa của bản thân CCD, trừ lại điểm cuối của đỉnh để báo vệ vùng sáng nhất của CCD nhằm tránh sự bão hòa gây ra những hiệu ứng xấu cho quá trình xử lý tín hiệu tiếp theo

Trong các camera chuyên dụng, mức bảo vệ vùng sáng trên đỉnh mức trắng là 600% tươn ứng với 15,6 dB của dải động Quá trình xử lý tín hiệu trong camera

sẽ nén bất cứ vùng sáng nào đi vào vùng bảo vệ theo một thuật toán phù hợp với mục đích sử dụng của camera Thông thường dải động của các loại CCD có thể đạt 80 dB, còn SNR đối với camera cỡ 60 dB

Mức cực đại hệ thống

có thể xử lý

Vùng

điều chỉnh nén độ sáng cao

Cú thể thực hiện nộn vựng sỏng trước chuỗi tớn hiệu để toàn bộ quỏ trỡnh xử

lý cỏc vựng sỏng này Tuy nhiờn, nú phải thực hiện tại điểm mà cỏc tớn hiệu đó cõn bằng về mầu và mức đó được chuẩn húa Trờn hỡnh 1-9, cỏc mạch cõn bằng trắng phải được đặt vào trước khối nộn độ sỏng cao Cõn bằng trắng được thực hiện bằng cỏch nhõn tớn hiệu với cỏc hằng số được xỏc định tại thời điểm lấy cõn bằng trắng Điều này thường được trợ giỳp của một bảng tra cứu, bao gồm một

bộ nhớ RAM lưu trữ giỏ trị đầu ra cho mọi giỏ trị đầu vào Tớn hiệu đầu vào được đưa vào bộ nhớ của bảng tra cứu và giỏ trị phự hợp sẽ được đọc phự hợp với yờu cầu của đầu ra

Với 12 bit/mẫu, bộ nhớ của bảng tra cứu cú thể lưu trữ được 4096 giỏ trị 12 bit cho mỗi kờnh R, G, B Trong tiến trỡnh cõn bằng trắng, CPU của hệ thống sẽ xỏc định cỏc điểm cho giỏ trị tăng ớch và lặp lại cho đến khi sự cõn bằng trắng được thực hiện

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

Có thể thực hiện cả quá trình cân bằng trắng và nén vùng sáng trên cùng một bảng tra cứu, điều này có nghĩa là máy tính phải xác định các giá trị phối hợp riêng khi các chức năng được điều chỉnh

Phương pháp sử dụng bảng tra cứu trong bộ nhớ RAM cũng thường được sử dụng để sửa đổi đặc tính truyền đạt của nén vùng sáng

1.3.3 Sửa lỗi gamma digital

Nói chung, đặc tính truyền đạt về biên độ video của CCD là tuyến tính trên hầu hết dải động của nó Tuy nhiên như đã biết, thiết bị hiển thị tiêu biểu (CRT) lại có cường độ là một hàm phi tuyến, ngược với hàm của tín hiệu

Hầu hết các bộ cảm biến trong camera, vì vậy thường được lắp đặt hệ thống sửa méo gamma để đưa vào tín hiệu có đặc tuyến biên độ cần thiết Trong quá trình xử lý số nếu sử dụng RAM như đã nêu trên có thể gây ra lỗi gamma

Việc điều chỉnh các đặc tính méo gamma có thể được thực hiện bằng cách thay đổi giá trị lưu trong bộ nhớ Một camera có điều chỉnh lỗi gamma thường có

bộ nhớ sửa lỗi có thể ghi được và có thể nạp lại bộ nhớ từ phần lưu trữ thường trực khác hoặc từ các giá trị đã được tính toán

1.3.4 Sửa mầu digital

Sửa mầu thực hiện hai nhiệm vụ:

-Thứ nhất, thực hiện che để chỉnh sự đo mầu của camera đạt đến tiêu chuẩn.-Thứ hai, thực hiện một số điều chỉnh mầu khác sao cho phù hợp với mục đích nghệ thuật

Nhiều camera chỉ sử dụng sửa mầu đối với phép đo mầu, mà không cung cấp phương tiện cho việc hiệu chỉnh khác

Nói chung, máy tính thường được ứng dụng để thực thi việc sửa mầu số Điều chỉnh quy trình sửa mầu trong hệ thống RGB có thể ảnh hưởng đến cân bằng

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

mầu vì thế máy tính là một nhân tố không thể thiếu được nhằm tính toán một cách nhanh chóng sự thay đổi các hệ số để duy trì cân bằng

1.3.5 Điều khiển lộ sáng

Điều khiển lộ sáng một camera video bao gồm hoạt động của màng ngăn thấu kính, các bánh xe của bộ lọc mật độ trung bình, và, ở mức độ ánh sáng thấp, độ tăng ích của video tăng Tăng độ tăng ích của camera sẽ kéo theo sự suy giảm SNR, vì vậy việc này thường chỉ được sử dụng ở mức ánh sáng thấp với màng ngăn đã được mở rộng và tất cả các bộ loc đều được đưa ra khỏi đường dẫn quang Do có sự suy giảm SNR ở độ tăng ích cao, rất nhiều camera cũng sẽ giảm

sự tăng cường ảnh, hoặc thậm chí là không tăng cường ở những điều kiện này.Các chức năng lộ sáng được điều chỉnh để duy trì mức đầu ra riêng của video

từ camera Việc này có thể thao tác bằng tay hoặc thao tác tự động Trong trường hợp thao tác tự động, mức tín hiệu video được cảm thụ trong chuỗi xử lý tín hiệu

và một CPU trong camera sẽ quyết định cần phải điều chỉnh cái gì Các thuật tóan khác nhau được sử dụng cho mục đích này, chủ yếu là để đạt được đặc tuyến tốt ở những điều kiện mà mức ánh sáng có thể thay đổi nhanh chóng, hoặc camera được điều chỉnh để quay từ vùng sáng nhất đến vùng tối hay ngược lại Bởi vì, ngay thậm chí những thuật toán tốt nhất thực hiện tự động cũng chưa phải là tối ưu, cho nên hầu hết các camera đều có khả năng tắt phần điều khiển lộ sáng tự động

Điều khiển lộ sáng tự động là một đặc điểm rất quan trọng đối với các camera dân dụng, tuy nhiên, lại không quan trọng đối với những sản phẩm khác Đối với các thao tác trong phòng thu chuyên nghiệp, tại đó việc chiếu sáng đã được kiểm soát, điều khiển lộ sáng tự động hầu như không được sử dụng

Tồn tại một số giới hạn đối với bộ phận cảm nhận năng lượng tần số cao cho

cơ cấu hội tụ tự động vì cảnh không phải lúc nào cũng có số mức năng lượng đủ

để thực hiện các thao tác hội tụ tự động Trong trường hợp này, cơ cấu hội tụ tự động sẽ quay ngược lại và sẽ không ổn định Điều này cần được lưu ý khi thiết

kế và tính toán hệ thống điều chỉnh tiêu cự

1.3.7 Mã hóa trong camera

Phần mã hóa của camera làm nhiệm vụ chuyển đổi định dạng tín hiệu trong camera thành định dạng tín hiệu ngoài của hệ thống sử dụng nó hoặc chuyển đổi định dạng trong thành định dạng của máy ghi hình nối với camera Hiện đang tồn tại nhiều camera sử dụng hệ thống tín hiệu video tổng hợp analog NTSC hay PAL, nên các thiết bị mã hóa của chúng chuyển đổi các tín hiệu số của camera thành tín hiệu video tổng hợp tiêu chuẩn Trong các trường hợp khác, quá trình

mã hóa thường là số để cung cấp cho mạch truyền dẫn hay thiết bị ghi hình số

1.4 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA CAMERA SỬ DỤNG CCD

CCD có ưu điểm về khả năng dễ dàng vận hành thiết bị Cấu trúc nhỏ gọn cho phép CCD lắp trong các camera lưu động, giảm bớt khối lượng thiết bị Ngoài

ra, CCD còn có ưu điểm về tiết kiệm năng lượng, không chịu ảnh hưởng bởi rung cơ học vốn có ở các thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện

Chương 1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CAMERA GHI HÌNH

Với các camera dùng 3 chíp CCD cho chất lượng hình ảnh khá cao Tuy nhiên, với 3 chíp CCD và nhiều phụ kiện kèm theo, máy trở nên cồng kềnh và rất đắt

Với camera chíp đơn thì trái lại, kết hợp nhiều thành tựu tiên tiến của khoa học và kỹ thuật, nên gọn nhẹ, giá thành thấp, phù hợp với người tiêu dùng nên ngày càng được phổ biến

Bảng 1-1 đưa ra các đặc tính kỹ thuật điển hình đối với các loại camera hiện nay

Bảng 1-1.Đặc tính kỹ thuật của camera màu

Danh mục

Loại cameraDân dụng Bán chuyên

1000 lux

@ f/4

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ

Vòng chắn tham gia trực tiếp vào quá trình tạo ảnh, tăng hoặc giảm lượng quang thông của chùm sáng từ vật vào hệ quang, tăng độ đậm nhạt và độ rõ nét của hình ảnh tạo nên, giới hạn phạm vi vật được tạo ảnh, giảm quang sai, tăng khả năng phân giải…

H×nh 2-2. Vßng ch¾n s¸ng giíi h¹n chïm s¸ng tham gia t¹o ¶nh

Vòng chắn sáng giới hạn chùm sáng được tạo ảnh Lượng quang thông qua hệ quang để tạo ảnh nhiều hay ít là do độ lớn vòng chắn sáng quyết định

Ta biết, vật bao gồm nhiều điểm sáng, mỗi điểm sáng đó phát xạ ánh sáng theo nhiều phương khác nhau, song chỉ một phần của chùm sáng đó qua hệ quang tham gia tạo ảnh Chùm sáng này được giới hạn bởi góc khối omega kể từ vật bao quanh đường kính thấu kính Các tia sáng nằm ngoài thấu kính này sẽ không qua thấu kính để tạo ảnh (hình 2-2)

H×nh 2-3 C¸c lo¹i vßng ch¾n trong hÖ quang

Ngoài ra còn có các vòng chắn khác, nằm trước và sau thấu kính Nếu các vòng chắn này trực tiếp giới hạn chùm sáng từ vật (P) tạo ảnh (P’) thì nó là vòng chắn sáng chứ không phải giá đỡ thấu kính làm nhiệm vụ của vòng chắn sáng nữa

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

Trên hình 2-3, P’ là ảnh của điểm P, được tạo thành qua hệ quang gồm thấu kính có giá đỡ Vvk và vòng chắn V nằm phía trước thấu kính Ở đây, vòng chắn V

là vòng chắn sáng, các tia sáng đi qua nó sẽ tạo ảnh P’ Giá đỡ Vvk không phải là vòng chắn sáng do ánh sáng ở mép ngoài có thể qua được thấu kính nhưng đã bị vòng chắn V chặn lại

Khi tạo ảnh vòng chắn sáng từ V từ trái sang phải, qua thấu kính sẽ được ảnh vòng chắn sáng V’, V’ được gọi là Pupin ra Pupin ra giới hạn góc khối của chùm sáng phía sau thấu kính mà trong góc khối đó, chùm sáng tạo ảnh P’

Nếu coi vật điểm nằm trên quang trục, gọi u là góc mở vật, u’ là góc mở ảnh; khi đó mối quan hệ giữa góc mở vật với quang thông đi qua Pupin vào xác định theo biểu thức:

2

.sin

φ = π (2.1)Trong đó: I – là cường độ sáng [Cd]

Khi vật điểm ở vô cùng, ta có:

D tgu

f

= (2.3)

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

cường độ ánh sáng qua thấu kính theo tỷ lệ 2:1 Bảng 2.1 đưa ra các điểm dừng

K tiêu biểu và tỷ lệ tốc độ cường độ ánh sáng mà nó biểu thị với K/22 lấy tỷ lệ bằng 1,0 Để cho phù hợp một thông số K được làm tròn

Bảng 2.1 Các điểm dừng K tiêu biểu

2.1.2 Cấu tạo

Cấu tạo chung của Diafram tự động đều có dạng cụ thể như đã trình bầy ở trên Nó được dẫn động qua một motor mà motor này được điều khiển từ mạch điện tử thông qua mức tín hiệu video được cảm thụ trong chuỗi xử lý tín hiệu

2.2 ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG DIAFRAM

Như ở phần 1.3.5 đề cập, trừ các hệ thống thu chuyên dụng (trong studio), còn với các camera khác, điều khiển lộ sáng là một đặc điểm rất quan trọng Dưới đây ta sẽ xem xét một số phương pháp điều khiển cùng với môtơ dẫn động Diafram của một số camera

Chương 2 NGUYấN Lí CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

2.2.1 Một số phương phỏp điều khiển động cơ dẫn động đúng - mở

Diafram.

1 2

3

5 6

7 7

31

7 8

9 10

DSP

D/A

Xử lý tín hiệu số hội tụ tự động

Hall out (-)

Hall out (+)

Khuyếch đại tín hiệu Hall

Điểm thử

5V (mở) (đóng)

+ -

+ -

+ -

+ - 5V

Hình 2-4.Mạch điện điều khiển Diafram của máy quay video Panasonic

Trờn hỡnh 2-4, trước khi cấp cho mạch điều khiển Diafram, tớn hiệu được đổi

từ dạng tương tự sang dạng số (A/D) 6 bit và cỏc thành phần tần số cao của nú được bộ lọc dạng số tỏch ra Phạm vi tần số của bộ lọc số cú thể chuyển mạch (chuyển qua VH hay VL) tựy thuộc vào điều kiện của đối tượng và hội tụ

* Khi tớn hiệu đầu vào khụng cú thành phần tần số cao đủ rộng (như tỡnh trạng hội tụ kộm,…), tớn hiệu được chuyển qua bộ lọc tần số thấp (VL) dạng số

để cho qua cỏc tớn hiệu (dữ liệu)

* Khi thành phần tần số cao đủ rộng, tớn hiệu được cho qua bộ lọc tần số cao (VH) để làm ổn định sự hoạt động

Để kớch thớch Diafram, mạch Diafram sử dụng xung PWM từ chõn (31) IC306

xử lý tớn hiệu chúi/màu (Y/C) và tớn hiệu từ IC330 chuyển đổi D/A để đưa vào chõn (5) IC704 so thế Qua IC309 vi xử lý DSP và IC330 chuyển đổi D/A, bộ

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

EEPROM như là dữ liệu, bằng cách dùng tính cố định của biến trở điện tử (EVR)

Tùy thuộc vào cường độ sáng ở đầu vào mà độ rộng xung PWM tại chân (31) IC306 thay đổi

- Cường độ sáng quá yếu, chu kỳ cao của xung PWM ra sẽ dài

- Cường độ sáng quá mạnh, chu kỳ thấp của xung PWM ra sẽ dài

Khi chân (5) IC704 cao, điện thế ngả ra, chân (7) IC704 đưa vào transistor này thông, mở dòng qua cuộn dây kích thích, chỉnh cấp thô (đóng hay mở) Diafram Việc đóng mở Diafram làm phát sinh điện thế trên cuộn dây điều khiển, điện thế này hồi tiếp về IC704, tạo tác động chỉnh từ từ (chỉnh cấp tinh) tầm hoạt động của Diafram (sở dĩ như vậy là do, khi dòng điện cuộn dây kích thích chảy qua nhiều, cửa điều sáng sẽ bị tổn hại do việc mở hay đóng cửa quá nhanh)

IC HALL trong mạch theo dõi tình trạng của cửa điều sáng, cấp cho hai mạch điện (qua IC703 khuyếch đại thuật toán) Một vào chân (6) IC704 để điều chỉnh

sự di chuyển của của điều sáng Một cấp cho chân (9) IC702 (AF DSP) để thay đổi tốc độ motor cũng như chọn bộ lọc số

Trên hình 2-5, bốn Transistor làm việc cộng hưởng chung để tạo cân bằng cho nguồn điện đưa ra motor Các Transistor Q1 và Q2 mắc nối tiếp nhau sẽ tạo cân bằng với dòng điện ở phần các Transistor Q3 và Q4 Nếu cân bằng thì sẽ không

có dòng ra motor để dẫn động bộ Diafram Nếu có sự cộng hưởng từ nguồn sáng với sự cân bằng chung, tùy thuộc vào độ rọi lớn hay bé của vật cảnh lên CCD, các OP-AMP sẽ đưa ra dòng điện dương hay âm cấp cho motor để đóng – mở Diafram

Reference Control Bars switch

Hình 2-5 Mạch điện điều khiển Diafram

sử dụng động cơ điện một chiềuMotor được sử dụng như tải colector của Q1 được nối như khuyếch đại emitor chung, chuyển tiếp bazơ-emitor của nú nối song song với điện trở R2 và R4 được mắc nối tiếp với nguồn dương của OP-AMP

Khi tớn hiệu vào ở trạng thỏi tĩnh, OP-AMP tiờu thụ dũng điện tĩnh nhỏ (<1 mA) Dũng điện của dõy nguồn dương chạy trong OP-AMP, qua R2 và R4 đến mức hiệu số điện thế trờn cỏc cực của điện trở này khụng đủ để phõn cực Q1 và

Q2 Do vậy, cỏc Transistor bị khúa và khụng cú dũng chảy qua motor

Ngược lại, khi cú tớn hiệu điều khiển, dũng điện ở cỏc chõn OP-AMP tăng lờn (khoảng 20mA) Lỳc này, điện ỏp trờn cỏc cực của R2 và R4 đủ để mở cỏc Transistor do vậy cú dũng chảy qua motor

2.2.2 Ưu nhược điểm của cỏc phương phỏp điều khiển ở trờn

Cỏc mạch tự động điều chỉnh Diafram trờn đõy cú ưu điểm là khẩu độ (aperture) Diafram được xỏc định theo thụng số f-stop, là con số được lấy chuẩn Quốc tế trong kỹ nghệ phim ảnh Thụng tin về độ lớn của khẩu độ được nhận biết ngay qua IC HALL thụng qua thụng số f-stop, ứng với mỗi thụng số f-stop này đó được mó húa và lưu trong bộ nhớ EEPROM như là dữ liệu Từ đú, bộ vi

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

xử lý dễ dàng chọn các bộ lọc và thay đổi tốc độ của mô-tơ chỉnh nét (auto focus)

Tuy nhiên chúng cũng có nhược điểm: với sơ đồ mạch hình 2-4, Diafram gồm nhiều lá kim loại mỏng ghép với nhau nên hiện tượng kẹt giữa chúng thường xảy

ra trong qúa trình hoạt động Mặt khác, tín hiệu điều khiển động cơ (ở đây, động

cơ có dạng điện kế từ điện) theo độ rộng xung, và khi xung ở mức thấp, Diafram được đóng lại do lực đàn hồi của lò xo nên không đảm bảo đóng mở chính xác.Với mạch điều khiển hình 2-5, tuy điều khiển đóng/mở Diafram theo tín hiệu điện và tránh được hiện tượng kẹt giữa các lá kim loại; nhưng do động cơ (ở đây

là động cơ một chiều) điều khiển dẫn động đóng mở Diafram không quay toàn vòng nên gây lãng phí điện năng không tải Mặt khác, quán tính của động cơ này lớn nên thời gian trễ lớn khi động cơ đảo chiều quay cũng như mômen mở máy lớn

2.2.3 Chọn phương pháp điều khiển tự động Diafram

Hình 2-6 mô tả sơ đồ khối của phương pháp điều khiển Diafram tự động mà ta chọn, đây là khối khép kín Tùy thuộc vào độ rọi yêu cầu trên CCD và độ rọi yêu cầu trên ảnh – tương ứng với mức ngưỡng điện áp đặt vào các bộ so áp, khi mức

độ rọi lớn hay bé hơn độ rọi yêu cầu, ngõ ra các bộ so áp sẽ có tín hiệu thuận hay

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA DIAFRAM TỰ ĐỘNG

nghịch kích thích động cơ dẫn động đóng - mở Diafram Do động cơ dạng điện

kế từ điện có ưu điểm là tác động gần như tức thời khi có tín hiệu điều khiển do quán tính và mômen mở máy bé, tiêu thụ ít điện năng, tổn hao công suất bé; nên

ta chọn động cơ này để dẫn động đóng/mở Diafram

Tín hiệu điều khiển động cơ không phải qua các chuỗi xử lý tín hiệu số, mạch điều khiển rất đơn giản gồm các linh kiện điện tử rời, nhưng điều khiển chính xác và hiệu quả

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG

DIAFRAM

3.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG TRẮC QUANG

Những đại lượng trắc quang là những đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng phát sáng của nguồn sáng và mức độ sáng của mặt vật được chiếu sáng

sẽ gây nên những cảm giác sáng có cường độ khác nhau Với sóng sáng đơn sắc

có bước sóng λm =0,55µm (xanh lục) gây nên cảm giác sáng có cường độ mạnh

nhất Với những sóng sáng có λ λ < m hoặc λ λ > m, cường độ cảm giác sáng giảm rất nhanh Những sóng điện từ có bước sóng λ <0, 4 mµ (tử ngoại) và λ >0,76 mµ(hồng ngoại) không gây ra cảm giác sáng

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM

0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,20

0,40 0,60 0,80 1,00

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM

Quang thông dφs của sóng sáng đơn sắc có bước sóng từ λ đến λ+dλ truyền

qua mặt d∑ được xác định theo biểu thức:

vị đo của quang thông là lumen (lm)

3.1.2 Cường độ sáng

Cường độ sáng I của nguồn sáng điểm S theo phương y là một đại lượng vật

lý có trị số bằng quang thông sóng sáng truyền đi trong một đơn vị góc khối theo phương đó

Góc khối nhìn mặt d∑ từ điểm S là phần không gian giới hạn trong mặt nón

có đỉnh tại S và có các đường sinh tựa trên chu vi của mặt d∑ Đơn vị đo của góc khối là steradian (sr)

góc khối dΩ, thì ta có:

s

d I d

Ω

=

Ω (3.9)Nói chung, cường độ sáng thay đổi theo phương phát sáng của nguồn sáng, nghĩa là: I =I(θ ϕ , ), với θ và ϕ là góc chỉ phương trong hệ tọa độ cầu Nếu cường độ sáng theo mọi phương như nhau (I = const) thì nguồn sáng được gọi là nguồn đẳng hướng

Quang thông toàn phần do nguồn điểm đẳng hướng truyền đi trong toàn không gian bằng:

s I d I d I

φ =Ñ ∫ Ω = Ñ ∫ Ω = π (3.10)Đơn vị đo cường độ sáng là candela (cd)

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM

Candela là cường độ sáng phát ra từ một diện tích bằng 1/600.000 m2 của một vật bức xạ toàn phần theo phương vuông góc với diện tích này ở nhiệt độ đông đặc của platin dưới áp suất 101.325 Pa

Theo (3.10), nguồn điểm đẳng hướng có cường độ 1 cd sẽ phát ra không gian bao quanh nó (ứng với góc khối 4 π steradian) một quang thông toàn phần bằng

1 lm Như vậy, lumen là quang thông của một nguồn điểm đẳng hướng có cường

độ sáng 1 candela truyền đi trong góc khối 1 steradian

3.1.3 Độ trưng sáng và độ chói sáng

Nguồn sáng có kích thước xác định không thể bỏ qua so với khoảng cách từ

nó đến vị trí cần quan sát gọi là nguồn khối Khả năng phát sáng của một nguồn khối phụ thuộc vào diện tích mặt phát sáng và phương phát sáng của nguồn đó

Vì thế nó được đặc trưng bằng hai đại lượng khác nhau: độ trưng sáng và độ chói sáng

3.1.3.1 Độ trưng sáng

Độ trưng sáng của một nguồn khối là đại lượng vật lý có trị số bằng quang thông toàn phần phát ra từ một đơn vị diện tích mặt ngoài của nguồn đó (theo mọi phương) trong không gian Nếu dφs là quang thông toàn phần phát ra từ

phần tử diện tích ngoài d∑ của nguồn khối thì độ trưng sáng của phần tử diện tích d∑ sẽ bằng:

s

d R d

φ

=

∑ (3.11)Đơn vị đo của độ trưng sáng là lumen trên mét vuông (lm/m2)

Lumen trên mét vuông là độ trưng sáng của một nguồn khối mà cứ một mét vuông mặt ngoài của nó phát ra một quang thông toàn phần 1 lumen

Nếu dφs là quang thông do phần tử diện tích vô cùng nhỏ d∑ của nguồn khối

phát ra trong góc khối dΩ thì độ chói sáng của d∑ theo phương y sẽ bằng:

Trong đó dI =dφs/d∑ là cường độ sáng của d∑ theo phương phát sáng y,

n

d∑ là hình chiếu của mặt d∑ trên mặt phẳng vuông góc với phương phát sáng

y, còn θ là góc giữa phương y và pháp tuyến n của mặt d∑ (hình 3-3) Tương

tự, độ chói sáng cũng được dùng để đặc trưng cho mặt phản xạ ánh sáng truyền tới nó

Nói chung, độ chói sáng thay đổi theo phương phát sáng của nguồn sáng, tức

là B B= (θ ϕ , ), với θ và ϕ là các góc chỉ phương trong hệ tọa độ cầu Nếu độ chói sáng theo mọi phương đều bằng nhau (B = const) thì nguồn khối gọi là nguồn sáng Lambert Người ta chứng minh được rằng độ trưng sáng R và độ chói sáng B của nguồn Lambert liên hệ với nhau bởi hệ thức:

.

R= π B (3.13)

Nit hay candela trên mét vuông là độ chói sáng của một mặt phát sáng theo phương vuông góc với nó, nếu theo phương này, cường độ sáng của một mét vuông mặt phát sáng là 1 candela.

Mắt có thể thấy được độ chói nhỏ nhất vào cỡ 10 nt−6

Dưới đây là bảng số liệu

φ

=

∑ (3.14)

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM

Đối với phần tử diện tích d∑ được rọi sáng bởi nguồn sáng điểm S có cường

độ sáng I phát ra trong góc khối dΩ chắn bởi diện tích d∑ (hình 3-2) thì theo (3.8) và (3.9), quang thông truyền tới diện tích d∑ sẽ bằng:

2

os r

I c

(3.16)Vậy: độ rọi sáng trên mặt vật được rọi sáng bởi nguồn điểm có trị số tỷ lệ thuận với cường độ sáng và cosin góc tới của chùm sáng truyền đến mặt vật và

tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ nguồn điểm đến mặt vật đó

Vì độ rọi sáng E và độ trưng sáng R có cùng thứ nguyên nên để phân biệt, người ta gọi đơn vị đo độ rọi sáng là lux (lx)

Lux là độ rọi sáng trên mặt của một vật mà mỗi mét vuông của mặt vật đó nhận được quang thông 1 lumen truyền tới

Dưới đây là bảng số liệu về độ rọi trên mặt của một số vật:

Địa điểm và điều kiện rọi sáng Độ rọi sáng (lux)

3.1.5 Định luật Lambert

Dù ánh sáng qua bề mặt trong suốt, hoặc ánh sáng được phản xạ trên bề mặt

mờ, hoặc ánh sáng chịu cả hai hiện tượng trên bề mặt mờ, một phần ánh sáng

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM

(1) Sự phản xạ hoặc khúc xạ đều tuân theo các định luật của quang hình học hay định luật Descartes

(2) Sự phản xạ hoặc truyền khuyếch tán theo định luật Lambertertau

Trong đó cách nào chiếm ưu thế là tùy thuộc vào vật liệu sử dụng

Công thức cuối cùng của định luật Lambert như sau:

= gọi là hệ số phản xạ

Khi hệ quang có hệ số truyền qua

τ

φ τ φ

= (3.17) trở thành:

.E .B

τ = π (3.18)Tóm lại, ta gọi độ sáng M là tỷ số quang thông phát bởi nguyên tố diện tích, cho dù nguyên nhân phát sáng có thể là phản xạ, truyền dẫn hay phát xạ nội tại như mặt cảm nhận ánh sáng của camera

3.2 TÍNH TOÁN HÀM ĐỘ RỌI CỦA ẢNH TRÊN CCD [1]

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG DIAFRAM

Xét một phần tử góc khối vô cùng nhỏ dΩ, các kí hiệu khác được cho trên hình 3-4.Khai triển một phần tử vành khăn trên dΩ, gọi dS là diện tích của phần

tử vành khăn này (hình 3-4), ta có các quan hệ sau:

S c

α α

=

=0

I

S (3.20)Trong đó:

( )

q

I α – là cường độ sáng từ vật theo hướng thu hình.

α- là góc hợp bởi hướng thu hình và pháp tuyến với vật thu hình.

os

S c α - là hình chiếu của đối tượng quay có diện tích S lên mặt phẳng vuông góc với hướng thu hình