Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 36 )

Рис. 6.14. Схема фотодиодного матричного анализатора:

а – схема включения; б – поперечное сечение полупроводниковой структуры;

1 и 2 – генераторы вертикальной и горизонтальной разверток;

3 – цепи видеосигналов; 4 – горизонтальные шины;

5 – фотослой; 6 – вертикальные шины

Очевидно, что в каждый момент времени к выходной нагрузке должен быть подключен лишь один элемент матрицы. Тогда видеосигнал повторяет во времени (при развертке) закон распределения освещенности на поверхности матрицы. В таких анализаторах можно задавать различные типы разверток – строчную (горизонтальную) и кадровую (вертикальную), т. е. осуществлять не только последовательную, но и достаточно произвольную выборку оптического сигнала – распределения освещенности в изображении.

Быстродействие современных матричных анализаторов определяется временем цикла опроса матрицы (или одного элемента) и постоянной времени составляющих ее элементов.

Принципиальной особенностью многоэлементных приемников-анализаторов является дискретизация непрерывного оптического сигнала-изображения, часто сопровождающаяся и его квантованием по уровню. В соответствии с теоремой Котельникова [22] погрешность представления непрерывного сигнала конечным числом его отсчетов уменьшается с ростом этого числа. Поэтому для повышения разрешающей способности анализатора желательно уменьшать размер элемента приемника и тем самым увеличивать число отсчетов элементов разложения.

При развертке изображений с помощью таких анализаторов возникают искажения спектра сигнала вследствие редукции пространственной частоты, т. е. из-за перекрытия отдельных составляющих спектра. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен ниже, в § 6.10. Здесь же можно указать, что для уменьшения этих искажений нужно уменьшать период повторения (расположения) элементов, т. е. уменьшать как размер элементов, так и расстояние между ними, что часто технологически весьма затруднительно или невозможно. При увеличении числа элементов мозаики или матрицы увеличивается сложность электронного «обрамления» анализатора – схем развертки, коммутации, съема сигналов. По отмеченным причинам иногда целесообразно повышать разрешение и точность измерений не путем уменьшения размеров элементов и их числа, а путем использования способов интерполяции и некоторых других способов обработки сигналов. Так, «размывая» изображение, например путем расфокусировки, чтобы оно перекрывало несколько элементов, можно точнее определить положение его энергетического центра тяжести, нежели в случае его фокусирования лишь на одном элементе.

Совершенствование анализаторов рассмотренного типа ведется за счет увеличения числа элементов в мозаике или матрице с одновременным сокращением промежутков между ними, повышения как интегральной, так и пороговой чувствительности отдельных элементов, применения более совершенных схем генераторов разверток, сдвиговых регистров и другого электронного «обрамления» фотоматрицы. С точки зрения качественного анализа изображений особенно важно обеспечить высокую однородность параметров отдельных элементов мозаики и стабильность их в процессе эксплуатации. Поскольку у многих мозаичных приемников разброс параметров достаточно велик и может достигать десятков процентов, часто приходится вводить специальные цепи калибровки и коррекции, что существенно усложняет электронный тракт [19].

Еще одним источником погрешности могут явиться межэлементные связи (перекрестные искажения и утечки), которые приводят к заметным потерям энергии сигнала (до нескольких десятков процентов).

Очень распространенным типом многоэлементного анализатора являются фотоприемники на основе ПЗС. Этим анализаторам-приемникам свойственны дискретность накопления зарядов и линейность световой характеристики. «Жесткость» пространственной структуры (растра) ПЗС исключает искажения изображений при их считывании и анализе и уменьшает влияние временно́й нестабильности, а линейность световой (люкс-амперной) характеристики позволяет достаточно точно воспроизводить структуру оптического сигала в виде временно́й последовательности электрических сигналов.

Принцип работы линейной ПЗС был рассмотрен выше (см § 5.7). Такие устройства сегодня достаточно хорошо освоены в производстве и широко используются на практике. ПЗС-анализаторы являются типичным примером устройств, работающих в режиме накопления, и им свойственны отмечавшиеся выше достоинства и недостатки устройств такого типа. Основным недостатком с точки зрения анализа изображений является геометрический шум – неоднородность темпнового тока и чувствительности отдельных элементов линейки или матрицы ПЗС. Пока большинство ПЗС используются в видимой и ближней ИК области спектра.

Одним из принципиальных недостатков ПЗС-анализаторов является невозможность осуществления произвольного закона выборки сигналов с отдельных элементов линейки или матрицы, поскольку в них производится последовательный съем сигналов с отдельных строк или столбцов.

Достоинства ПЗС как анализаторов, кроме отмеченных выше, являются высокое разрешение, достаточно большое быстродействие, малые размеры, масса и энергопотребление, большой срок службы.

В матричных анализаторах используются различные схемы считывания информации. В схеме кадрового считывания осуществляется перенос всего кадра, образующего изображение, по столбцам, как это показано на рис. 6.16, а, или по строкам из оптической секции 1 в секцию хранения 2. Перенос кадра производится после накопления зарядов в секции 1, занимающего обычно половину времени Тк об работки кадра. Во время второй половины Тк в секции 1 снова идет накопление зарядов, а в секции хранения 2 происходит параллельный перенос по строкам (или по столбцам) в выходной регистр 3 и затем на выходной диод 4, т. е. происходит последовательный вывод строки (столбца) изображения. Так как заряды от каждого элемента области накопления, соответствующие освещенностям этих элементов, проходят через области расположения других «элементарных» зарядов, то к каждому из них добавляется заряд, генерируемый под воздействием излучения в предыдущих элементах.

Рис. 6.16. Схемы считывания информации с ПЗС-анализаторов:

а – кадровая; б – строчная; в – строчно-кадровая

Это вызывает смаз изображения, который проявляется в виде тянущихся за изображением «хвостов». Амплитуда смаза уменьшается с ростом отношения tн/tc , где tн – время накопления зарядов на одном пикселе, а tс – время переноса (считывания) столбца или строки. Для борьбы со смазом используются высокочастотная фильтрация, схемы компенсации и ряд других приемов.

При строчной схеме считывании (рис. 6.16, б) на каждую из строк оптической секции 3 (секции накопления) через ключи 2 выбора строк, управляемые сдвиговым регистром 1, работающим от генератора сдвигающих импульсов, подаются импульсы сдвига зарядов. Сигналы из каждой горизонтальной строки считываются последовательно в вертикальный выходной регистр 4, управляемый от генератора сдвигающих импульсов. Из регистра 4 сигнал выхода подается на выходной диод 5. Заряды от каждой строки проходят разное число разрядов выходного регистра, поэтому для получения видеосигнала, соответствующего распределению освещенности по поверхности оптической секции, сигналы Iвых с отдельных строк должны вводиться в систему отображения с задержкой по времени, пропорциональной номеру строки.

При строчно-кадровой схеме считывания изображения (рис. 6.16,в) область накопления состоит из столбцов фоточувствительных элементов 1 (или строк), между которыми находятся защищенные от падающего на эту область потока сдвиговые регистры 2. Заряды накапливаются в фоточувствительных элементах и затем переносятся параллельно в соседние ячейки сдвиговых регистров 2. Во время накопления следующего кадра эти заряды из 2 выносятся в выходной регистр 3. Время накопления в такой схеме в 2 раза больше, чем в схеме кадрового переноса, при одинаковой частоте считывания кадра, но пространственное разрешение или эффективность использования падающего потока хуже из-за необходимости размещать в плоскости изображения экранированные сдвиговые регистры. В такой схеме в то же время не возникает смаза изображения.

В матричных анализаторах с последовательным переносом зарядов удается сравнительно просто реализовать принцип временно́й задержки и накопления (интегрирования), который состоит в следующем.

Если в схеме, представленной на рис. 6.16, б, перемещать изображение относительно матрицы в вертикальном направлении, т. е. перпендикулярно строкам, то можно добиться того, чтобы сдвиг накапливаемых зарядов по этому направлению совпадал по направлению и скорости со скоростью движения изображения. При этом накопление зарядов, соответствующих одним и тем же участкам изображения, происходит в одних и тех же по порядку зарядовых пакетах, но в различных строках. Это позволяет увеличить время накопления при исключении смаза изображения. Считывание каждой строки в выходном регистре должно происходить с соответствующей задержкой. В таких системах удается увеличить отношение сигнал-шум в число раз, равное корню квадратному из увеличения времени задержки (см. ниже § 7.1).

Анализаторы на многоэлементных приемниках излучения (МПИ) и, в частности, на ПЗС успешно используются для определения координат малоразмерных изображений. Так же, как и в матричных анализаторах, описанных выше, в них можно применить ряд специальных алгоритмов обработки сигналов и получить высокую точность измерений, характеризуемую погрешностями в десятые и даже сотые доли размера одного элемента.

6.9. Спектр сигнала на выходе многоэлементного анализатора изображений

Как отмечалось в § 6.1, анализ изображения часто осуществляется путем дискретной выборки оптического сигнала, описываемого распределением освещенности в изображении – функцией Е(х, у). Эту выборку можно производить с помощью растра с определенным чередованием прозрачных и непрозрачных участков или многоэлементного приемника излучения. Поскольку площадь прозрачного участка растра или одного элемента приемника конечна, то при дискретной выборке (дискретизация изображения) происходит сглаживание сигнала (размыв изображения) в пределах этого участка или элемента, т. е. свертка функции Е(х, у) с функцией g(x, у), описывающей распределение пропускания растра или чувствительности приемника. Таким образом, сигнал на выходе анализатора