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

Историческая справка

Впервые оптическое цветоделение на три монохромных изображения было применено для получения цветных фотографий в конце XIX века . Экспонирование трёх чёрно-белых фотопластинок за тремя цветными светофильтрами позволяло получать три цветоделённых негатива , с которых пигментным способом печаталось цветное изображение . Технология цветного кинематографа « Техниколор » также использовала киносъёмочные аппараты , регистрирующие цветоделённые изображения на трёх киноплёнках одновременно . Подобное устройство телевизионной передающей камеры применялось с самых первых дней существования систем цветного телевидения, основанных на одновременной передаче цветовой информации. До появления полупроводниковых матриц в камерах, построенных по такой схеме, применялись три или четыре передающие телевизионные трубки . В последнем случае четвёртая трубка формировала сигнал яркости, а в трёхтрубочных системах вместо зелёного сигнала часто использовался псевдояркостный .

В первых цветных телекамерах использовались обычные зеркала и цветные светофильтры. Применение дихроидных призм позволило поднять светопропускание и, соответственно, чувствительность таких камер. У трёх- 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 зависящего даже от положения камеры. Выполнение центровки устраняло цветные контуры изображения, появлявшиеся вследствие неточностей совмещения изображений с трёх 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 .

Применение твердотельных полупроводниковых матриц избавило от необходимости выполнения центровки при каждом включении, поскольку геометрия изображения, формируемого матрицей, практически не зависит от внешних воздействий. С появлением передающих телевизионных трубок, осуществляющих внутреннее цветоделение при помощи встроенных штриховых светофильтров, некоторые компактные видеокамеры стали строить по двух- и однотрубочной схеме, без призменной цветоделительной системы . 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 трёхматричной схемы таковы, что видеокамеры, построенные на трёх матрицах, до сегодняшнего дня не сдают свои позиции в профессиональном видеопроизводстве и даже в цифровом кинематографе . Такой способ цветоделения использовался также в некоторых видеофотоаппаратах для повышения качества изображения .

Принцип действия

Свет от съёмочного 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. Оставшийся свет, прошедший через все покрытия, соответствует зелёной части спектра и попадает к задней выходной грани призмы. Таким образом получаются три монохромных действительных изображения объекта съёмки. Красный и синий свет претерпевает двукратное отражение, в результате чего получаются прямые (незеркальные) изображения этих цветов. Каждое из этих цветоделённых изображений попадает на отдельную матрицу, видеосигнал с которых после обработки добавляется к общему. В результате сложения сигналов с трёх матриц получается полный цветной телевизионный сигнал .

4CCD

Некоторые производители вместо трёх матриц используют четыре для повышения разрешающей способности системы. Как правило, дополнительная матрица формирует дополнительное изображение зелёного канала со сдвигом на 1/2 пикселя , уменьшая цветной муар и повышая видимую резкость изображения. Четырёхматричная система получила известность благодаря компании Ikegami , впервые применившей такую конструкцию камерных головок . В первых передающих камерах также использовались четыре передающих трубки, одна из которых формировала яркостный сигнал.

Дихроидная призма

Дихро́идная призма — основной элемент трёхматричной системы цветоделения. При расчете цветоделительной системы должно учитываться, что длина хода лучей каждого цвета должна быть одинаковой с учётом разницы коэффициентов преломления стекла разных частей призмы. Кроме того, при проектировании призм для использования с полупроводниковыми матрицами не допускается получения зеркально перевёрнутых изображений, как это было возможно при использовании вакуумных передающих трубок . В последних это устранялось простым изменением полярности развёрток. Дополнительную сложность при конструировании трёхматричных камер представляет устранение влияния поляризации света на качество цветоделения. Существует множество различных конструкций цветоделительных призм с разным расположением граней и выходных поверхностей. Рабочий отрезок объективов для камер с таким способом цветоделения обычно указывается в виде двух значений, одно из которых справедливо для стекла, а другое — для воздуха, то есть для одноматричных камер без призмы.

Достоинства трёхматричной системы

Главным достоинством трёхматричного (трёхтрубочного) устройства передающей камеры считается точность цветоделения, недостижимая для массива цветных светофильтров , обладающих характеристиками светопропускания, далёкими от идеальных. Дихроичные призмы обладают практически полной непрозрачностью для отражаемых участков спектра и такой же прозрачностью для пропускаемых . Список достоинств может быть продолжен:

• Высокая разрешающая способность благодаря использованию одного пикселя каждой матрицы вместо четырёх для формирования цветной точки;
• Низкий уровень цветного муара и, как следствие — ненужность фильтра пространственных частот ( англ. low-pass filter );
• Ненужность алгоритмов дебайеризации для восстановления потерянной информации, обязательных для одноматричных систем с массивом цветных фильтров ;
• Высокая светочувствительность и отношение 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

Несмотря на многочисленные достоинства, система обладает рядом недостатков, и прежде всего она чувствительна к поляризации света и углу падения световых пучков . Это накладывает определённые ограничения при проектировании цветоделительной системы и использовании объективов разных фокусных расстояний. Кроме того, можно назвать другие недостатки:

• 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 . Трёхматричные 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

• Фотоматрица
• Массив цветных фильтров
• Фильтр Байера

Примечания

Литература

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

• Н. И. Тельнов. Передающая камера и камерный канал для цветного ТВ «Mark VIII» (рус.) // « Техника кино и телевидения » : журнал. — 1973. — № 10 . — С. 73—78 . — ISSN .

Ссылки

• (рус.) . Тема 4. Преобразование изображений в электрические сигналы . Банк лекций. Дата обращения: 21 октября 2012.