книги / Оптоэлектронные сенсорные системы

Рис. 1. Оптические свойства излучения, используемые в измерениях и контроле.

а) 0| — отражение; аг — ремиссия; 6) гашение (прерывание) света; в) дифракция; г) преломление; д) рассеяние; е) эмиссия излучения.

источника) часто теряет пространственную однородность;

— генерирование когерентного излучения при помощи лазеров возможно в ограниченном диапазоне длин волн.

Для «включения» в излучение требуемых информационных при­ знаков используют различные оптические свойства и явления, схе­ матически представленные на рис. 1. Так, для контроля перемеща­ ющегося объекта можно использовать явление отражения луча и уменьшение его яркости (отраженного от объекта луча, либо пере­ мещающегося источника). Излучение может быть любым, в том числе на основе явлений флюоресценции и люминесценции.

1.4. О бласти применения сенсорных систем видимого диапазона волн

Использование этих систем способствует решению многих задач измерения и контроля, в частности:

— созданию принципиально новых методов и средств измере­ ний, например непрерывного измерения расхода нцгретых сред, из­ носа деталей станка в процессе его работы;

И

—совершенствованию известных методов и средств измерений, например, метода считывания путем его автоматизации, бескон­ тактного анализа задымленности помещения;

—созданию «интеллектуальных» устройств, выполняющих не­ которые функции человека, например сортировку предметов по их оптическим признакам и испытание изделий на основе их оптиче­ ских свойств, контроль опасных областей, формализованное пред­ ставление субъективно воспринимаемых воздействий и явлений. Пе­ речисленные операции входят в комплекс средств, именуемых авто­

матизированным визуальным контролем.

Можно выделить следующие основные области применения сен­ сорных систем видимого диапазона волн;

1. Контроль наличия. Контроль наличия объектов путем их подсчета при прерывании светового потока; оценка формы объекта в целом либо полноты его частей; подсчет достаточности шагов об­ работки детали, либо элементов монтажной платы.

2. Автоматическое считывание. Показания измерительного прибора, товарных маркерных меток, признаков высоты наполне­ ния резервуара и границы какой-либо среды, штрихового кода, текста.

3.Измерение размеров и расстояний. Длина, диаметр, удален­ ность, площадь, износ (поверхности); измерение массы и расхода.

4.Определение координат тела. На плоскости и в трехмерном пространстве (характерно для систем управления роботов), измере­ ние объема.

5.Контроль поверхности. Плоская или изогнутая; однород­ ность и структурированность формы по сравнению с образцом; оценка шероховатости.

Рассматриваемые сенсорные системы видимого диапазона волн предназначены для воспроизведения и обработки многомерных (ча­ ще всего двухмерных) изображений.

Одно из применений обработки изображений (распознавание об­ разов) рассматривается в гл. 3.

12

2. ПОСТРОЕНИЕ И ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ ВИДИМОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН

2.1. Ф отоприемные устройства

2.1.1. Фотодетекторы

Существует целый ряд электронных (вакуумных и твердотель­ ных) элементов, изменяющих свои свойства под воздействием све­ тового излучения, получивших название фотодетекторов (фотоди­ одов) [1]. Детектируемая величина представляет собой плотность потока световой энергии при соответствующей спектральной чув­ ствительности фотоприемника.

Механизм действия широко распространенных полупроводнико­ вых кремниевых фотодиодов основан на явлении внутреннего фото­ эффекта, предопределяющего соответствующие свойства и характе­ ристики подобных фотоприемников. Их чувствительность составля­ ет порядка — 3 ВмкДж “ 1 х см2. Относительная спектральная чувствительность фотодетекторов отличается от аналогичной ха­ рактеристики человеческого глаза существенным расширением в об­ ласть ближних инфракрасных частот, что отражено соответствую­ щей диаграммой на рис. 2. Деформации этой характеристики обус­ ловлены поглощением ряда частот спектра корпусами фотодиодов, которые изготавливают из стекла или пластмассы.

Площадь приемной поверхности фотодиодов [2] в зависимости от типов составляет от 0,1 мм2 до нескольких квадратных санти­ метров. Падающее на приемную поверхность световое излучение интегрируется и вызывает появление соответствующего выходного электрического сигнала либо изменяет электрические свойства фо­ тодиода. Выходной сигнал фотодиода представляет собой только суммарную оценку интеграла среднего значения светового потока. Примерами могут служить либо световое изображение на выходе оптического затвора, либо показания фотоэкспонометра. Поэтому оптический затвор можно использовать для дискретного измерения

13

Рис. 2. Диаграммы относительных спектральных чувствительностей фотопри­ емников.

перемещения (пройденного пути) какого-либо объекта. Примером может служить датчик пути МВ 123 с миниатюрным световым за­ твором и диафрагмой площадью 4 мм2, работающий на принципе восприятия отражения и обеспечивающий разрешение меньше 0,1 мм. Разрешение можно улучшить до нескольких микрометров, если выход затвора оборудовать световодом диаметром порядка 200 мкм с цилиндрической линзой. Верхний предел измерений со­ ставит несколько миллиметров.

Временное разрешение фотодиодов возрастает с уменьшением площади приемной поверхности и достигает 10” 6 с.

Световые затворы выдают дискретные оптические сигналы, ко­ торые при цифровых измерениях воспринимаются как двоичные.1 Используя их, можно построить, например, устройство, контроли­ рующее и ограничивающее перемещение объекта.

Механические ограничители не позволяют достигнуть высокой точности. Фотодиоды, воспринимающие' прерывание светового по­ тока движущимся контролируемым объектом, обеспечивают высо­ кое разрешение. Так, разрешение весьма простого фотодиодного устройства позиционирования SP 123 ХМ , изготавливаемого На­ родным предприятием телевизионной электронной аппаратуры (Берлин), достигает 0,1 мкм.

Для восприятия изображений используют наборы (линейки и матрицы) точечных фотоприемников.

14

2.1.2. Интегральные матричные приемники

Значительным шагом на пути дальнейшего развития оптоэлектроцных средств измерений явилось использование с начала 70-х гг. линеек приборов с зарядовой связью (ПЗС) [1]. Число элементов в линейке составляет, как правило, 2". Каждый точечный приемник линейки или матрицы воспринимает один элемент изображения. В стационарном положении линейчатый фотоприемник воспроизво­ дит на своем выходе распределение яркости одной строки изобра­ жения. Плоское изображение воспроизводят видеосигналы при по­ следовательном сканировании строк.

Восприятие двухмерных объектов (изображений) и их отображе­ ние соответствующими электрическими сигналами осуществляется соответствующими телевизионными трубками, в частности видиконами, и камерами из линеек на ПЗС.

В соответствии с международными стандартами разрешение матричных камер на ПЗС достигло 2048 х 2048 точек. В ГДР под­ готавливается к выпуску матричная камера размерами 576 х 512 элементов и создана камера на 240 х 190 элементов разложения.

Восприятие объемного объекта оказывается существенно слож­ ней. Оно достижимо для стереоскопических изображений с приме­ нением по меньшей мере двух камер на ПЗС либо путем специаль­ ных структурных построений изображения.

Рассмотрим некоторые свойства и возможности камер на ПЗС, предназначенных для измерений и контроля.

■ ПЗС преобразуют падающий (отраженный от объекта) свет в эк­ вивалентный электрический заряд. Перемещение накапливаемых за­ рядов вызывает в измерительной схеме ПЗС изменение выходного сигнала (напряжения U), пропорционального интегральному (в за­ данном интервале времени) световому потоку. Чем ярче освещен объект, тем меньше время интегрирования. Время накопления заря­ дов (интегрирования) обусловлено общей чувствительностью линей­ ки (матрицы), однако формируемый при этом сигнал характеризу­ ется средним значением, не соответствующим восприятию челове­ ческого глаза. Вместе с тем цветочувствительные ПЗС не вышли пока из стадии лабораторных исследований.

Число различимых человеческим глазом градаций яркости зави­ сит от частоты вспышек и смены положения источника света и мо­ жет составлять от 2 до 100. Хорошая фотография передает до 50 градаций. Приемники на ПЗС увеличивают эту возможность на

15

Таблица 1. Сравнительные характеристики Видикона-А и ПЗС-камер

один порядок, хотя и существуют при этом факторы, уменьшаю­ щие ее: внутренние шумы (их можно уменьшить термостатированием приемников при низкой температуре); неидентичность чувстви­

16

тельности отдельных элементов матрицы; перекрытие зон воспри­ ятия отдельных элементов главным образом из-за наличия в спектре инфракрасного излучения; неравномерность освещенности элементов матрицы; влияние входного сопротивления нагрузки — измерительной схемы.

Неравномерность чувствительности элементов линейки ПЗС по международным нормам может достигать ±20%. Этот показатель для аналогичных приемников, выпускаемых предприятием телеви­ зионной электронной аппаратуры в Берлине, оказывается сущест­ венно меньшим и не превышает ±6%. Следует отметить, что если вдоль линейки чувствительность распределена случайным образом, то по краям линейки (матрицы) чувствительность элементов всегда оказывается меньше средней, что эквивалентно меньшей освещен­ ности в 2—5 раз.

Определение распределения спектральной чувствительности приемников требует больших затрат,. Пример такого распределения для линейки ПЗС £ 110 С приведен на рис. 2. В отличие от чистого кремния сильная неравномерность спектральной чувствительности ПЗС объясняется влиянием стеклянного покрытия и поликристаллического слоя с управляющими контактами.

Следует обратить .внимание на возрастание чувствительности линеек ПЗС в диапазонах коротковолнового, а также синего, и зеле­ ного частей спектра излучения, г&к это отражено на рис. 2 для при­ емников L 133 С и L 110 С, причем абсолютная чувствительность первого из приемников примерно на порядок выше (табл. 1).

Воспроизведение градаций яркости строки изображения осущест­ вляют последовательным во времени обращением к соответствую­ щим ПЗС линейки, для чего используется последовательность так­ товых сигналов считывания.

При числе градаций яркости 28 (9 двоичных разрядов — бит) и тактовой частоте 4 МГц информационный поток, обрабатывае­ мый приемником, составит

/ = 4 • 10б ГТц • 9 бит = 3,6 • 107 бит/с.

Для сравнения можно отметить, что человек «пропускает» лишь около 50 бит/с. Большие потоки информации, считанные с прием­ ников, в реальном масштабе времени способны обрабатывать лишь

ЭВМ.

При указанных выше реальных факторах, ограничивающих воз­ можности оптоэлектронных сенсорных систем, фотоприемные мат­ ричные устройства способны непосредственно различать лишь не-

большое число градаций яркости изображения, а система должна обеспечивать высокую производительность обработки сигналов. Поэтому широкое распространение получают системы с двоичным кодированием изображений, в которых используют электронные компараторы в качестве пороговых обнаружителей (дискриминато­ ров) яркости. После того как строка ПЗС «сжала» спектральное распределение яркости до одной ее градации, это значение пред­ ставляют двоичным числом. Чтобы дискриминируемые признаки сохранились в двоично кодированном изображении, особое внима­ ние необходимо уделить освещенности объекта и его проецирова­ нию на фотоприемную матрицу.

2.2. Оптическое отображение объекта

Подобно зрительному восприятию человека оптическое отобра­ жение контролируемого объекта через систему линз должно про­ ецироваться на фотоприемник. В принципе для этого можно ис­ пользовать стандартный фотообъектив, если его фокусное расстоя­ ние обеспечивает получение требуемой по масштабу проекции изображения. При этом необходимо иметь в виду следующее:

— обычный (нормальный) объектив имеет фокусное расстояние, едва обеспечивающее необходимую проекцию длины диагонали изо­ бражения (так, например, при размерах изображения 24 х 36 мм2, его диагональ составляет 43,5 мм, а фокусное расстояние обычного объектива / = 50 мм);

— диагональ квадрата приемного окна матрицы может быть мала, например, у матричных приемников L НО С и L 133 С она составляет 3,3 и 13,3 мм соответственно, поэтому фокусное рассто­ яние объектива должно быть 4 и 14 мм соответственно. Величина 4 мм не является стандартной [3].

Большие фокусные расстояния означают более высокие затраты на изготовление фотоприемников и системы линз, однако они со­ здают возможность большей удаленности объекта от приемника, обеспечивающей получение требуемого растра, упрощение фокуси­ ровки и уменьшение искажений изображения.

Перечисленные факторы являются основными. При использова­ нии оптики для проецирования изображения освещенность в его се­ чении оказывается различной и она уменьшается в направлении от оптической оси по закону косинуса в четвертой степени. Допускает­ ся граничное условие: снижение освещенности на расстоянии 25Vo длины фокусного расстояния вдоль оптической оси не должно пре­

18

вышать 25% от номинальной. Как следствие этот эффект приводит к уменьшению выходного видеосигнала приемника, что требует со­ ответствующей его коррекции в измерительной схеме.

Мерой растра является плоский элемент проецируемого изобра­ жения.. При этом масштаб изображения определяется отношением

<2>

где s — диагональ изображения.

Расстояние L между плоскостями объектива и проекции изобра­ жения можно определить по формуле

Длина элемента растра в поперечном направлении определяется выражением

причем для обеспечения требуемой освещенности элементов по кра­ ям растра выбирают их число Nx равным 250 или 1000.

Для получения квадратической меры растра необходимо обеспе­ чить скорость его перемещения

Гг

(5)

*KZ

где t*z — время экспозиции фотоприемного устройства (камеры). Вследствие действия различных влияющих факторов/ приводящих к «размытости» изображения, в частности дифракции, нет смысла стремиться к точному совпадению меры растра с элементом изо­ бражения. Чаще всего оказывается достаточным, чтобы элемент гхгу являлся исходной мерой для оценки минимальной площади сен­ сорного элемента приёмника, воспринимающей элемент изображе­ ния. Однако при этом возникает погрешность распознавания изо­ бражения, отражающая неоднозначность количества признаков при многократном сканировании этого изображения. Схематичное изо-

19

□

\7У/Л

□

Рис. 3. Иллюстрация возникновения погрешности восприятия и распознавания эле­ ментарного круга.

бражение растра (матрицы элементов) на рис. 3 иллюстрирует воз­ никновение погрешности распознавания элементарного круга. Для распознавания необходимо, чтобы элементом матрицы было «вос­ принято» более 50% площади этого круга. Возможно, что круг яв­ ляется, например, дефектным отверстием в контролируемом объек­ те, не отражающим свет. Поэтому отверстие обнаруживается (по отношению к целой поверхности объекта) в позиции на рис. 3, а, а также в позиции на рис. 3, г, когда при считывании площадь при­ емного окна сенсорного элемента линейки по мере ее перемещения перекрывает площадь отверстия. В двух остальных позициях (б и в) отверстие не обнаруживается.

2.3. П огреш ность отображения

Точность изготовления фотоприемных линеек и матриц на ПЗС во многом зависит от технологии их производства. Так, в линейке ПЗС фотоприемного устройства L 110 С элементы устанавливают с шагом 12,988 мкм при отклонении, не превышающем 0,15 мкм [5J. Однако по ряду обстоятельств для технологических измерений и контроля подобная точность изготовления таких устройств обыч­ но не требуется.

Часто резкие очертания объекта при отображении их видеосиг­ налами оказываются размытыми. На это есть несколько причин.

1. Явление дифракции, вследствие которой каждая точка объек­ та воспроизводится при ее оптическом отображении площадью кру­ га. Степень проявления этого эффекта обусловлена длиной волны используемого излучения. Дифрагирует рассеянное излучение в за­ зоре между оптическими линзами и средой. Кроме того, размы­ тость изображения вызывается его неточным проецированием на воспринимающую поверхность фотоприемного устройства.

20