Курс лекций по специальному курсу «Физические основы формирования изображений» (стр. 7 )

Были проведены исследования и получены положительные результаты по контролю профиля гребня колеса в динамике. При этом в качестве источника использовался полупроводниковый лазер, а приемника CCD - матрица. Ниже приведены отдельные фрагменты поясняющие общий принцип контроля.

Рис.7.42. Упрощенная схема макета

Рис7.43. Полоса на гребне	Рис.7.44. Полоса на плоскости

На рисунках пояснены отдельные результаты проделанной работы. Полоса лазерного излучения падает на гребень под углом. В месте встречи формируется яркостная кривая, несущая информацию о форме профиля. Матричный фотоприемник (рис.7.42 справа - внизу) считывает изображение (рис.7.43). Вычисления проводятся относительно аналогично полученного изображения полосы на плоскости (рис. 7.44). Полученный профиль гребня рассчитан по 150 точкам. Отчетливо видны следы резца (гребень после проточки). Разрешение по обеим осям - 0.1 мм.

Рис.7.45. Вычисленный профиль гребня.

Контроль профиля гребня возможен и при движении и скорости до 5 км / час. На рис. 7.46, 7.47, 7.48 показаны фотографии макета.

Рис. 7.46.	Рис. 7.47.	Рис. 7.48.

Оптическая система создает не плоское, а объемное изображение.

В пространстве изображений представим совокупность точек, в которых сходятся лучи вышедшие из точек пространства предметов.

Смещение точки вдоль оптической оси в пространстве предметов приводит к смещению ее изображения в пространстве изображений. Коэффициент продольного увеличения зависит, в основном, от коэффициента линейного увеличения.

.

Для объективов зависимость от положения точки в пространстве предметов, приблизительно,

(- расстояние от переднего фокуса системы до точки). Оптические инварианты говорят о том, что линия в пространстве предметов изображается линией в пространстве изображений. Изображение точки, движущейся в пространстве предметов с постоянной скоростью по линии не перпендикулярной оптической оси, движется по линии в пространстве изображений с изменяющейся скоростью. Т. е. происходит нелинейное искажение изображения формы объекта (рис. 7.49).

Рис.7.49. Иллюстрация изменений профиля гармонической формы

Триангуляция и некоторые другие 3D методы широко используют эти положения в своих реализациях. Предмет и изображение соответственно не перпендикулярны оптической оси системы. Приемник устанавливается максимально приближенно к плоскости изображения предметной плоскости. Для рабочей плоскости в пространстве предметов здесь constant, и следовательно для сопряженной плоскости constant.

Так же, как в простейших приборах наблюдения здесь работает понятие разрешение оптической системы, функций рассеивания линии и точки, оптической передаточной функции, частотно-контрастной характеристики, но все функции трехмерные и зависят от . Т. Окоши ввел понятие придела разрешения по оси для точки смещенной относительно положения наилучшей фокусировки при котором кружок рассеивания увеличатся по диаметру враза. Для дифракци

онноограниченной оптики , где - диаметр входного зрачка. Для осецентрированной системы и =constant . Как видно из формул разрешение по оси в несколько раз хуже.

Описанные примеры и теоретические выкладки не исчерпывают многообразия приборов 3D. Даже простейший пример – зрение человека, животных базируются на многих заключениях и требуют строго анализа, но приведенные упрощенные выводы позволят выполнить стартовые расчеты..

8. Формирование изображений в акустике, системах заряженных частиц, магнитных полях

Как не велика роль оптического диапазона длин электромагнитных волн она не исчерпывает всех вопросов информационных технологий, связанных с получением и обработкой изображений.

Электромагнитные, акустические, электрические поля, заряженные частицы широко используются в промышленных технологиях, научных исследованиях. Анализ наполнения изображений в этих полях осуществляется методами схожими с теми, которые применяются в оптико-электронных приборах. Здесь также рассматриваются вопросы отражения, прохождения полей, их частотная «окраска» и т. п. Стремление получить именно изображение обусловлено возможностями человека работать со световой информацией. Генераторы, приемники имеют свою специфику. Это могут бать магнитные ленты, магнитные порошки, приборы на эффектах Холла, индукционные, проволочные, емкостные датчики и т. д. Многие из них позволяют «видеть» дефекты в ферромагнитных материалах, электрические поля биологических объектов, регистрировать и по положении давать информацию о энергии заряженных частиц.

Сложно в рамках ограниченного времени рассмотреть физические процессы, идущие во всех этих системах, по этому, остановимся только на акустике.

Акустические колебания распространяются только в материальных средах. Они обладают высокой проникающей способностью и представляют собой упругие волны частотой от 1 Гц до нескольких десятков гигагерц. Акустическая волна раскачивает частицы среды вдоль или поперек направления распространения волны (продольные, поперечные). Именно продольные волны воспринимаются человеческим ухом.

Так же как в оптике классификация волн учитывает способность «слышать» уха человека. Согласно экспериментальным данным, эти волны разделяют на инфразвук (частота ниже 10 Гц), звук (10 Гц…20 КГц)и ультразвук (20 КГц…единицы ГГц) и гиперзвук (выше десяти ГГц). При частоте колебаний в мегагерцовом диапазоне, звуковая энергия практически не проходит через воздух и другие газы, но свободно передается в большинстве жидкостей и обычных конструкционных материалах.

Два типа волн распространяются в твердых телах (скорость распространения каждого типа различна), в газах и жидкостях существуют продольные волны. Наряду с указанными существуют поверхностные волны обусловленные упругой нелинейностью твердых тел или волны Рэлея, сагиттальные волны на доменной стенке в сегнетоэлектриках, граничные волны утечки с профилем поля не вытекающих волн и другие.

Скорость звука v для упругой деформации, подчиняющейся закону Гука,

, где - плотность материала (масса единицы объема), С – модуль сдвига, зависящий от материала и типа деформации.

Частота МГц	Длина волны в стали (мкм)	Длина волны в воде (скорость 1,5 км/с)
Продольные волны (скорость 5,9 км/с)	Поперечные волны (скорость 3,2 км/с)
1	6000	3000	1500
10	600	300	150
100	60	30	15
1000	6	3	1,5

Звуковые волны могут преобразовываться из одной формы в другую.

Более четко различие скоростей акустических волн от их типа видно из определения скоростей продольных и поперечных волн:

, , где - модуль упругости Юнга, - коэффициент Пуассона (безразмерная величина (сталь 0,28, алюминий 0,34)).

Скорость звука зависит от температуры, для жидких и газовых сред от давления, влажности. Например, в воздухе скорость звука =0,3 …0,34 км/с.

Регистрируется, чаще всего, интенсивность волны. Оно пропорционально акустическому давлению:, где - круговая частота рад/с, - смещение частицы среды. - волновое сопротивление (звуковой импеданс) среды. Величина методически при построении изображений похожа на коэффициент преломления в оптике. Интенсивность волны . Эти соотношения справедливы для продольных, поперечных, плоских, сферичных волн. Величина смещения в акустической волне мала. Даже в воздухе она менее 10% при интенсивностях порядка . Для современной техники такие интенсивности можно создать лишь кратковременно. В жидкостях эта мощность даст .

При прохождении волны через границу двух материалов, часть энергии отражается. Количество отраженной энергии, или коэффициент отражения, определяется соответствующим акустическим импедансом двух материалов. В свою очередь, акустический импеданс - свойство материала, определяемое как плотность, умноженная на скорость звука в данном материале. Коэффициент отражения для двух любых материалов при нормальном падении волны может быть рассчитан по формуле

,  где Z1  - акустический импеданс первого материала, Z2  -  акустический импеданс второго материала

На границе металл/воздух коэффициент отражения достигает 100%. Фактически, вся звуковая энергия отражается от трещин или других неоднородностей, встречающихся на пути волны. Для того чтобы датчик «слышал» волну в металле (например, изделии дефектность которого проверяется) необходима прослойка. Часто это магнитная жидкость, обеспечивающая прохождение волн – металл – жидкость – датчик.

В ситуации, когда звуковая волна отражается от поверхности материала, угол отражения равен углу падения. Волна, подающая под прямым углом, прямолинейно отразится назад. При падении волны под углом, она отразится под тем же углом.

Рис. 8.1. Отражение и преломление акустической волны

Звуковая волна, передающаяся из одного материала в другой, искажается в соответствии с законом отражения Снеллиуса. Волна, проходящая прямо, продолжит свое прямолинейное движение, но волна, входящая в материал под углом, будет искривлена в соответствии с формулой:

, где θ1 - угол падения в первый материал, θ2 - угол отражения во втором материале, - скорости звука в первом и втором материале.

Коэффициент прохождения волн .

Например, сталь/вода: = -0,93, = 0,06; вода/сталь = 0,93, = 1,93;

Баланс энергий соблюдается через интенсивности волн . Необходимо учитывать и большой разброс цифр значений волнового сопротивления металлов, жидкостей и газов (3…4 порядка).

Поглощение волны - потеря энергии, связанная со свойством материала поглощать звуковую энергию при прохождении волны сквозь него. Рассеивание – беспорядочное отображение звуковой волны от границ с гранулами и другими микроструктурами материала. При увеличении частоты, увеличивается поглощение волны, но снижаются характеристики затухания и рассеивания.

Обычно рассматривают два механизма в ослаблении волн – рассеивание и поглощение. Рассеивание характерно для неоднородных материалов. При размерах зерен рассеивание не велико и растет ~ кубу размера зерна, а при практически наступает «густой туман». Поглощение – преобразование волны в тепло, оно, как правило, увеличивается с ростом частоты акустической волны.

Затухание волны может быть описано как экспоненциальное уменьшение ее давления с увеличением расстояния проходимого волной в материале.

, где коэффициент затухания в децибелах на м.

Или , где - коэффициент затухания в неперах на см.

Затухание волны может быть описано и как экспоненциальное уменьшение интенсивности давления с увеличением расстояния проходимого волной в материале.

, где - коэффициент затухания в неперах на см.

.

Затухание мало в металлах (децибела на м) (алюминий, сталь, бронза не деформированные).

Изображения в рисунках, картах, мониторах распределения давлений обычно идет через прорисовку линии постоянных давлений – изобар. Тогда можно наблюдать явления фокусировки, дифракции акустических волн.

Из приведенного материала видна схожесть процессов формирования изображений в акустике. Ряд приборов напрямую дают фильмы, изображения с переносом в цветояркостное пространство, доступное глазу человека. Это прежде всего ультрозвуковые сканеры.

Так же как и в оптике, скорость распространения волны является важным параметром, отображающим свойства и состав объекта. На рис.8.2 приведено расположение, ориентировочно, отдельных участков различных биологических материалов. Зависимости приделов прочности стали, чугуна, кирпича от величин скорости распространения акустической волны используются в ультразвуковой диагностике.

Рис. 8.2. Положение различных материалов на диаграмме скоростей (частота 1 МГц)

Изменение фазы волны при прохождении дефектных зон сканерами измеряется велосиметрическими методами и т. п.

Используется и коэффициента отражения при прохождении волны границ сред (рис. 8.3 ориентировочно по отношению к некоторому (калибровочному) значению коэффициента отражения волны).

Рис. 8.3. Коэффициент отражения при прохождении волны границ сред

Определенные подобия встречаются и с цветовыми соотношениями (например, тембр голоса рассматривают, как его цвет) и т. д. На рис 8.4 показано изменение затухание в биологических средах с ростом частоты акустического затухания.

Рис 8.4. Затухание волны в биологических средах

Исследование объектов, сцен в магнитных полях, электромагнитных волнах радиочастотного диапазона ограничено достаточно большой длиной волны этих излучений. Но для магнитных полей частично «прозрачны» ферромагнитные среды, радиоволны огибают земной шар и т. п.

9. Многоэлементные фотоприемники, сканирующие системы

Механизмы фотоэффекта, как процесса выработки носителей заряда под действием квантов оптического излучения, достаточно многообразны. Однако, выделяют две группы приборов – с внешним и внутренним фотоэффектом.

При внешнем фотоэффекте электроны, получившие от квантов дополнительную энергию, движутся в вакууме или газе. Использование этого эффекта характерно для вакуумных и ионных приборов. Внутренний фотоэффект лежит в основе работы твердотельных приборов. И первые, и вторые не исчерпывают всего многообразия приемников оптического излучения. Не вошли в эти группы тепловые, фотохимические, пьезоэлектрические приборы и другие. Их применение ограничено, но они решают задачи, которые не под силу основным приемникам.

Первыми, в области приемников считывания двумерного распределения оптического сигнала, стали приборы мгновенного действия – диссекторы.

Рис. 9.1. Диссектор

Фотоны выбивают электроны с фотоэммитора (сегодня это, как правило, микроканальные умножитель). На экран подан ускоряющей положительный потенциал, и весь объемный поток электронов, повторяющий форму оптического сигнала, движется к нему. Отклоняющая система (на рисунке изображена только одна координата) отклоняет этот поток, перемещая виртуальную диафрагму экрана по его поверхности. Физическая диафрагма (~10 мкм диаметром) пропускает часть этого потока. Прошедшие электроны попадают на коллектор. Не смотря на свой возраст диссекторы, сегодня, применяются в быстрых камерах, способных давать сотни тысяч кадров в секунду, и позволяющие наблюдать быстроразвивающиеся процессы. Не сложно организовать и быстрые следящие системы с перемещающимся вслед за изображением объекта «окном». Однако, низкое КПД таких систем резко ограничивает сферы их применения. Число электронов в зоне диафрагмы в сотни тысяч раз меньше числа вышедших с фотоэммитора.

Далее был создано множество приборов с внешним фотоэффектом имеющих накапливающую пленку (или матрицу фотодиодов) с высоким поверхностным сопротивлением, не позволяющим растекаться заряду. Пленка весьма тонкая и позволяет считывать и перезаряжать ее поверхность с двух сторон. Это иконоскопы, ортиконы, изоконы, видиконы и т. п. Наличие электронных ускорителей с приемной стороны добавило к их названием приставку супер (супервидиконы и т. п.).

Приборы с внутренним фотоэффектом сегодня дешевы, потребляют мало энергии и используются в многих отраслях техники. Начиная с оптических «мышек», охранных систем до космических спутников. Их прогресс удивляет и специалистов.

Рассмотрим специфику и параметры отдельных приемников. Их можно разделить на стандартные (поддерживающих определенный стандарт PAL, CECAM, NTC, высокой четкости и т. п.) и ориентированные на свободное применение (цифровые процессоры сигналов, входящие в состав фотоаппаратов, камер обычно пересчитывают в сигналы и в стандартные так же).

Стандартные матрицы реально по своей численности превосходят центральные процессоры компьютеров. Их рекламные параметры сильно определяются рыночной конъюнктурой и весьма не определенные. Процессы ежегодного улучшения параметров матриц аналогично процессам совершенствования цифровых СБИС. Тем не менее можно задать определенные ориентиры, которые, вероятно, будут таковыми несколько лет.

Число элементов, ориентированное на телевизионный стандарт: 512х576 пиксел (эти матрицы обычно используются в простых и дешевых системах видеонаблюдения) и 768х576 пиксел (такие матрицы позволяют получить максимальное разрешение для стандартного телевизионного сигнала). Наиболее крупным из изготовленных CCD является монокристальный прибор корпорации Ford Aerospace размером 4096х4096 пикселов со стороной пиксела 7,5 микрон, а также CMOS сенсор компании Canon 120 мегапиксельного разрешения (13280×9184). Многими фирмами изготавливаются CCD с выводами, расположенными на трех, двух или одной стороне (buttable CCD). Из таких приборов собирают мозаичные CCD. Например, фирмой Loral Fairchild изготавливается прибор 2048х4мкм. Выводы этого CCD вынесены на одну узкую сторону. Cоздано несколько специализированных крупноформатных светоприемников на основе CCD-мозаик. Так, например, из восьми CCD 2048х4096 компании Loral Fairchild собирается мозаика 8192х8192 с общими размерами 129х129 мм. Зазоры между отдельными кристаллами CCD составляют менее 1 мм.

В некоторых приложениях относительно большие зазоры (до единиц мм) устраняют тем, что полное изображение получать суммированием в памяти компьютера нескольких экспозиций, смещенных относительно друг друга, заполняя, таким образом зазоры. Изображение, полученное мозаикой 8196х8196, генерирует 128 Мбайт информации, что эквивалентно, примерно, 100-томной энциклопедии по 500 страниц в каждом томе. Хотя эти цифры и внушительны, они все же малы по сравнению с размерами и разрешением фотографических эмульсий, которые могут изготавливаться огромными листами. Даже крупнозернистая 35-мм пленка содержит в кадре до 25 миллионов разрешаемых зерен (пикселов).

От числа элементов CCD-матрицы напрямую зависит один из основных параметров камеры - разрешение (или разрешающая способность). На разрешение камеры в целом, кроме того, влияют параметры электронной схемы обработки сигнала и параметры оптики. Разрешение определяется как максимальное количество чёрных и белых полос (т. е. количество переходов от черного к белому или обратно), которые могут быть переданы камерой и различимы системой регистрации на предельно обнаруживаемом контрасте.

Это означает, что камера позволяет рассмотреть N/2 темных вертикальных штрихов на светлом фоне, уложенных во вписанный в поле изображения квадрат, если в паспорте камеры указано, что её разрешение составляет N телевизионных линий. Применительно к стандартной телевизионной таблице это предполагает следующее: подбирая расстояние фокусируя изображение таблицы, надо добиться того, чтобы верхний и нижний края изображения таблицы на мониторе совпали с внешними контурами таблицы, отмечаемыми вершинами черных и белых призм. Далее, считывается число в том месте вертикального клина, где вертикальные штрихи в первый раз перестают различаться. Последнее замечание очень важно, так как и на изображении тестовых полей таблицы, имеющих 600 и более штрихов, часто видны перемежающиеся полосы, которые, на самом деле, являются муаром, образованным биением пространственных частот штрихов таблицы и сетки чувствительных элементов CCD-матрицы. Такой эффект особенно ярко выражен в камерах с высокочастотными пространственными фильтрами.

За единицу измерения разрешения в телесистемах принимается ТВЛ (тв-линия). Разрешение по вертикали у всех камер практически одинаково, ибо ограничено телевизионным стандартом. 625 строк телевизионной развертки. Различие в разрешении по горизонтали обычно указывается в технических описаниях. На практике в большинстве случаев разрешение 380-400 тв-линий вполне достаточно для задач наблюдения общего характера. Однако, для специализированных систем и задач, таких, как мониторинг большого пространства одной камерой, просмотр большого периметра камерой с переменным угловым увеличением (зумом), слежения в аэропортах, железнодорожных вокзалах, причалах, супермаркетах, системы распознавания автомобильных номеров, системы идентификации по лицу и пр., требуется более высокое разрешение (для этого используются камеры с разрешением 570 и более твлиний). Разрешение цветных камер несколько хуже, чем черно-белых.

Разработано много разнообразных полупроводниковых усилителей с хорошими частотными характеристиками, поэтому полоса пропускания усилителей камеры обычно значительно (в 1,5-2 раза) превосходит необходимую, чтобы ни в коей мере не повлиять на итоговое разрешение системы. Так что разрешение ограничивается именно топологией дискретности светоприемной области CCD-матрицы. Иногда факт применения хорошего электронного усилителя называют красивыми словами типа «resolution enhancement» или «edge enhancement», что можно перевести как «контрастное разрешение» и «подчёркнутые границы». Надо отдавать себе отчет в том, что такой подход не улучшает собственно разрешение, таким образом, улучшается только четкость передачи границ черного и белого. Однако есть один случай, когда никакие ухищрения современной электроники не позволяют поднять полосу пропускания видеосигнала выше 3,8 МГц. Это композитный цветной видеосигнал. Поскольку сигнал цветности передается на несущей (в стандарте PAL. на частоте около 4,4 МГц), то сигнал яркости принудительно ограничивается полосой 3,8 МГц (строго говоря, стандарт предполагает гребёнчатые фильтры для разделения сигналов цветности и яркости, однако реальное оборудование имеет просто фильтры НЧ). Это соответствует разрешению около 420 ТВЛ.

Под квантовой эффективностью будем понимать отношение числа зарегистрированных зарядов к числу попавших фотонов на светочувствительную область кристалла CCD. Однако не следует путать понятия квантовая эффективность и квантовый выход.

Квантовый выход это отношение числа фотоэлектронов, образовавшихся в полупроводнике или вблизи его границы в результате фотоэффекта, к числу упавших на этот полупроводник фотонов. Квантовая эффективность. это квантовый выход светорегистрирующей части приемника, умноженный на коэффициент преобразования заряда фотоэлектрона в зарегистрированный полезный сигнал. Поскольку этот коэффициент всегда меньше единицы, то квантовая эффективность также меньше квантового выхода. Особенно велико это различие для приборов с низкоэффективной системой регистрации сигнала. По квантовой эффективности CCD не имеют себе равных. Для сравнения, из каждых 100 фотонов, попадающих в зрачок глаза, только один воспринимается сетчаткой (квантовый выход равен 1%), лучшие фотоэмульсии имеют квантовую эффективность 2-3%, электровакуумные приборы (например, фотоумножители) до 20%, у CCD этот параметр может достигать 95% при типичном значении около 50% (типичная неотобранная видеокамера западной сборки). Кроме того, ширина диапазона длин волн, на которые реагирует глаз, гораздо уже, чем у CCD. Так же ограничен спектральный диапазон у фотокатодов традиционных вакуумных камер и фотоэмульсий. CCD реагируют на свет с длиной волн от единиц ангстрем (гамма и рентгеновское излучение) до 1100 нм (ИК-излучение). Этот диапазон больше спектрального диапазона любого другого детектора, известного к настоящему времени.

Рис. 9.2. Пример квантовой эффективности CCD-матрицы.

С понятиями квантовой эффективности и квантового выхода тесно связан другой важный параметр камеры - чувствительность. Если квантовой эффективностью и квантовым выходом оперируют, в основном, разработчики и проектировщики новых систем, то чувствительностью пользуются инженеры-наладчики, служба эксплуатации на фирмах, заказчики. Если квантовый выход связывает количество падающих на приемник фотонов и число фотоэлектронов, порождённых этими фотонами в результате фотоэффекта, то чувствительность определяет отклик приёмника в электрических единицах измерения (например, в мА) на определённую величину падающего потока света (например, в Вт или в лк/сек). При этом разделяется понятие болометрической чувствительности (т. е. суммарная во всем спектральном диапазоне чувствительности приёмника) и монохроматическая, измеряемая, как правило, по потоку излучения спектральной шириной в 1 нм (10 ангстрем). Когда говорят, что чувствительность приёмника на длине волны (например, 450 нм), то это означает, что чувствительность пересчитана на поток в диапазоне от 449,5 нм до 450,5 нм. Такое определение чувствительности, измеряемой в мА/Вт, является однозначным и не вызывает при его использовании никакой путаницы.

Однако для потребителей приборов наблюдения, применяемых в охранных системах, чаще используют другое определение чувствительности. Чаще всего под чувствительностью понимают минимальную освещенность на объекте (scene illumination), при которой можно различить переход от черного к белому, или минимальную освещенность на матрице (image illumination). С теоретической точки зрения более правильно было бы указывать минимальную освещенность на матрице, так как в этом случае не нужно оговаривать характеристики используемого объектива, расстояние до объекта и его коэффициент отражения (иногда этот коэффициент называют словом «альбедо»). Альбедо обычно определяется на конкретной длине волны, хотя есть такое понятие как болометрическое альбедо. Очень сложно объективно оперировать с определением чувствительности, базирующимся на освещенности на объекте. Это особенно сказывается при проектировании систем распознавания на больших расстояниях. Многие матрицы не могут зарегистрировать изображение лица человека, находящегося на расстоянии 500 метров, даже если оно освещено очень ярким светом. Но пользователю при подборе камеры удобней работать с освещенностью объекта, которую он заранее знает. Поэтому обычно указывают минимальную освещенность на объекте, измеренную в стандартизованных условиях (коэффициент отражения объекта 0,75 и светосила объектива 1,4).