книги / Оптоэлектронные сенсорные системы

2. Между отдельными ПЗС в матрице отсутствуют жесткие гальванические связи. Однако заряд, порождаемый в данном эле­ менте падающим светом, вследствие механизма действия ПЗС мо­ жет быть захвачен соседним сенсорным элементом. Этот эффект усиливается с ростом глубины проникновения излучения. Так как глубина проникновения зависит от длины волны излучения, это означает, что для получения возможно более четкого изображения необходимо гасить инфракрасную часть спектра, что достигается за счет значительной потери чувствительности фотоприемника. Упо­ мянутый «захват» и переток зарядов начинается уже при длине вол­ ны излучения X = 600 мм, и при использовании для освещения объекта лампы накаливания инфракрасная часть иногда превышает 50% всего спектра видеосигнала. Это влияние часто недооценива­ ют. Для его уменьшения используют стандартные ИК-светофиль- тры (теплового излучения), добиваясь допускаемого уменьшения уровня видеосигнала.

3. При перемещении пакета заряда в регистре сдвига ПЗС при считывании зарядового сигнала и его обработке возникают опреде­ ленные погрешности, в итоге вызывающие искажения выходного видеосигнала фотоприемника.

Явления, вызывающие «размытость» видеосигналов, адекватны переходным разговорам в системах связи [6].

При использовании линейки ПЗС для непосредственного измере­ ния абсолютного расстояния погрешность измерений будет опреде­ ляться не только неравномерностью освещенности и различием чув­ ствительности отдельных элементов приемной линейки, но и ее раз­ решением 1/N , где N — число сенсорных элементов.

Для задания шагов временной и пространственной дискретиза­ ции приемного устройства на ПЗС в принципе применима теорема отсчетов [6]. При этом необходимо лишь исходить из того, что на­ ивысшая гармоническая составляющая спектра видеосигнала пред­ ставляется синусоидальной функцией. Если по условиям допускае­ мой погрешности измерений требуется получить по меньшей мере два отсчета (мгновенных значения) за период верхней гармоники, это означает, что разрешение устройства составит (по горизонтали) 38 периодов на 1 мм длины линейки и по вертикали период на 2 строки.

Однако часто требуется определить положение граничного очер­ тания объекта — кривой (функции), спектр которой является беско­ нечным. В этом случае изображение восстанавливают не по отдель­

21

ным отсчетам1*, а по фотометрической границе (очертанию объек­ та). При этом для восстановления изображения обрабатывают значения уровней яркости методом интерполяции, и при шаге (рас­ стоянии) между сенсорными элементами в 1/100 можно обеспечить разрешение, позволяющее различать 7700 элементов на 1 мм [7]. Что касается разрешающей способности по горизонтали, то она может быть улучшена при таком способе обработки видеосигналов примерно в 200 раз.

Наряду с возможностью восстановления изображения определе­ нием его фотометрического очертания расчетным методом суще­ ствуют задачи измерений и контроля, основанные на сравнении ис­ пытуемого объекта с заданным образцом и оценивании их отклоне­ ний. При этом в качестве меры можно принять количество сенсорных элементов, видеосигналы на выходе которых превысят половину амплитуды максимального из этих сигналов. В этом слу­ чае фотоприемное устройство (набор сенсорных элементов) дей­ ствует как квантователь, для которого характерны следующие по­ грешности:

—погрешность квантования, выражающаяся в изменении пока­ заний на ± 1 при смещении объекта в горизонтальном направлении;

—погрешность, обусловленная неравномерностью распределе­ ния чувствительности элементов, приводящая к дополнительной ошибке в ±1 квант.

Необходимо предусмотреть жесткое крепление элементов опти­ ческой системы, так как изменение, к примеру, длины оптической оси приводит к нарушению установленного масштаба проекции и, следовательно, к возможному появлению соответствующей по­ грешности.

При измерениях длины минимальная относительная погреш­ ность, равная ±1 /N , будет достигнута в том случае, если число сенсорных элементов линейки будет выбрано равным N. Для упо­ мянутых выше линейчатых приемников на ПЗС L 110 С и L 133 С при использовании для измерений 80% их длины относительные погрешности составят соответственно

Теорема отсчетов сформулирована для процессов с ограниченным спект­ ром. — Прим, перев.

22

Погрешности, подобные рассмотренным, возникают и по верти­ кали изображения. Сканирование объекта по вертикали обычно осу­ ществляют непрерывно. Это означает, что при непрерывном отно­ сительном перемещении видеокамеры (фотоприемного устройства) за время экспозиции /кг пересечения границ элементов вызывают «размытость» изображения.

2.4. Освещенность объекта

Источник света должен обеспечивать требуемые пространствен­ ные и временные характеристики освещенности объекта, а также контрастность изображения, позволяющие воспроизводить и оцени­ вать сигналы, соответствующие различным элементам объекта.

Амплитуды видеосигналов зависят от распределения спектраль­ ной интенсивности излучения /(X) и спектральных чувствительно­ стей S(X) фотоэлементов. При просвечивании объекта сказывается дополнительно влияние световых бликов Г(Х), зависящих от длины волны, а также частичного отражения R(K) света от поверхности испытуемого объекта. Кроме того, необходимо учесть влияние всех элементов оптической системы (линз, зеркал, и особенно световых фильтров), что можно охарактеризовать функцией F(X). Тогда ви­ деосигнал U можно представить в виде интегральной, зависимости от всех перечисленных воздействий

Интенсивность излучения во всем спектре частот должна соот­ ветствовать чувствительности сенсорных элементов фотоприемного устройства.

Для пояснения сказанного на рис. 4 приведены кривые нормиро­ ванных произведений спектральной интенсивности галогенной лам­ пы накаливания (температура 3300 К) и спектральных чувствитель­ ностей двух линеек ПЗС L 110 С и L 133 С. Необходимо учитывать различие характеристик в видимой и инфракрасной частях спектра. Яркость света на амплитуду видеосигнала существенного влияния не оказывает, а синий и красный свет одной и той же силы вызыва­ ет в фотоэлементах отклики (сигналы) разного уровня. Это особен­ но заметно-при использовании в качестве источников освещенности

23

Рис. 4. Кривые нормированных произведений спектральной интенсивности галоген­ ной лампы и спектральных чувствительностей двух линеек ПЗС L 110 С (а) и L 133 С (б).

объектов люминесцентных ламп, инфракрасный свет в излучении которых почти отсутствует, а красный присутствует лишь в лампах с «теплыми» тонами. Однако кроме возможности хорошей фокуси­ ровки с применением рефлектора их использование сильно умень­ шает время интегрирования, что приводит к неприемлемому сниже­ нию амплитуды видеосигналов. То же наблюдается и при использо­ вании ламп высокого давления, что приводит к определенным трудностям в согласовании спектрального распределения интенсив­ ности излучения этих ламп с чувствительностью приемников (рис. 2 и 5). По указанным причинам последние два источника в опто­ электронных системах видимого диапазона излучения обычно не ис­ пользуют.

Рис. 5. Относительные спектральные распределения интенсивностей излучения раз­ личных источников.

24

Рис. 6. Зависимости световых потоков различных ламп от напряжения питания.

— • — галогенная лампа накаливания;

...... галогенная паросветная лампа;

-------- натриевая лампа высокого давления; UNenn — номинальное напряжение питания.

При питании ламп накаливания, используемых для освещеннос­ ти объекта, от сети переменного тока частотой 50 Гц видеосигнал содержит паразитную компоненту с частотой изменения 100 Гц, обусловленную модуляцией по яркости излучения. Для исключения этого явления источники излучения питают напряжением постоян­ ного тока либо повышенной частоты, равной по меньшей мере 20 кГЦ, причем в последнем случае этот же источник напряжения используется для управления' (синхронизации) фотоприемным уст­ ройством.

Рис. 7. Номограмма требуемой освещенности объекта в зависимости от выбранного времени интегрирования фотоприемного устройства [3].

25

Так как световой поток излучения пропорционален напряжению питания лампы (рис. 6), то для уменьшения нестабильности свето­ вого потока используют стабилизированные источники питания.

Освещенность объекта должна быть тем ярче, чем меньше вре­ мя интегрирования tp (рис. 7). Например, при использовании ли­ нейки ПЗС L 133 С с тактовой частотой 20 кГц и временем экспозиции fcz, примерно равным времени интегрирования U, то U * 200 мкс и в этом случае необходимо обеспечить световой поток в плоскости проекции Ев * 2 • 103 мкВт - см-2. Для его достижения освещенность объекта должна составить

учесть, что потребуется обеспечить Еоъ * 0,6 • 10 мкВт • см -2. Для эффективного использования спектральных характеристик яркости необходимо располагать спектральным распределением интенсив­ ности излучения. Пример приведен на рис. 5.

Выделяемые (детектируемые) признаки в видеосигнале должны четко различаться. Обычно в качестве меры их различия служит

а с учетом выражения (7) (пренебрегая шумом) получим

Контрастность должна быть по возможности большей. Это до­ стигается выбором такой функции F(K) оптического тракта (вклю­ чая фильтры), которая обеспечивает достижение наивысшей про­ зрачности на той длине волны излучения, на которой можно полу­ чить наибольшую разность значений яркости для различных

За один период (время) интегрирования линейка ПЗС преобразует в электриче­ ский сигнал одну строку (линию), а матрица ПЗС — один кадр оптического изобра­ жения. — Прим. персе.

26

признаков объектами вместе с тем обеспечивает достижение малой прозрачности на той длине волны, при которой указанная разность наименьшая.

Следует подчеркнуть, что вследствие неравномерности спект­ ральной чувствительности фотоприемников на ПЗС они по воспри­ ятию разницы контрастности элементов изображения отличаются от человеческого глаза. Например, в выходном сигнале ПЗС отсут­ ствуют многие уровни яркости инфракрасной части спектра излуче-

. ния, характерные для видимого света. Это особенно четко проявля­ ется при цветном освещении объекта. Синее пятно на белом фоне обусловливает в видеосигнале четкий контраст признаков. А крас­ ное пятно на этом же фоне фотоприемником практически не разли­ чается, разве только уменьшается признак яркости синего пятна. Для устранения этого влияния используется соответствующий све­ тофильтр.

Выбором того или иного спектра излучения обеспечивается воз­ можность предварительной «оптической подготовки» изображения объекта. Иногда для оценки годности или негодности объекта до­ статочно различать яркость отражения от него одноволнового из­ лучения. Наличие других излучений с большей длиной волны приво­ дит к снижению контрастности, что делает необходимым использо­ вание соответствующих светофильтров [4]. При необходимости четкого выделения в видеосигнале контура объекта используют ин­ фракрасный светофильтр, что существенно уменьшает «размы­ тость» изображения. Однако наличие светофильтров приводит к снижению уровней видеосигналов, поэтому их влияние устраняют увеличением времени интегрирования Л или освещенности объекта Еаь.

Во многих случаях используют рассеянное освещение объекта. Так как дневной свет из-за своего непостоянства во времени часто непригоден для этой цели, то используют лампы накаливания. При необходимости направленной освещенности используют фару с га­ логенной лампой. Последняя наряду с высокой светоотдачей по сравнению с обычной лампой накаливания характеризуется боль­ шей долговременной стабильностью параметров и большим ресур­ сом работы.

Лазерные источники обеспечивают получение когерентного и монохроматического излучений. Однако их применение в опто­ электронных системах видимого диапазона требует относительно большей мощности излучения и устройства для пространственной развертки луча. Поэтому лазеры используют в системах, требую­ щих сфокусированного излучения, например, для распознавания пространственных объектов и измерения их параметров.

27

Так как для достижения высокого быстродействия многоэле­ ментных фотоприемников, т. е. для их работы с высокой тактовой частотой, необходим, как правило, мощный световой поток, то па­ разитное влияние окружающей засветки приемных элементов ока­ зывается несущественным. Ее воздействие можно оценить выклю­ чением источника излучения.

Обеспечение необходимых условий освещенности объекта явля­ ется одной из ключевых проблем при решении соответствующих за­ дач измерений и контроля. Все средства, использование которых позволяет увеличить контрастность проецируемого изображения, способствуют упрощению дальнейшей обработки видеосигналов и повышению быстродействия системы в целом.

2.5.Ф отоприемные м атрицы на П ЗС

2.5.1.Управление линейкой ПЗС

Винтервале интегрирования линейка ПЗС работает непрерывно. Под действием падающего света в ПЗС генерируются заряды и в течение определенного времени они накапливаются вплоть до насы­ щения. Это время и определяет время интегрирования U. Амплиту­ да видеосигнала обусловливается временем интегрирования и силой падающего света.

Время интегрирования U представляет собой интервал времени между двумя выходными сигналами линейки ПЗС, передаваемыми

врегистр сдвига. Преобразование пакетовых зарядов в электриче­ ские сигналы и считывание Их в регистр сдвига осуществляется последорательностью тактовых импульсов с частотой /г . Управление камерой L 133 С выполняется тактовой последовательностью им­ пульсов, а камера L 110 С требует дополнительного 2-тактного управления с частотой 0,5 /г . Время чтения содержимого линейки toAT (соответствует одной строке изображения) составляет

/DAT^-jS-W*. (11)

JT

В зависимости от выполнения во времени интегрирования и чте­ ния сигналов различают внутреннее и внешнее управление камера­ ми на ПЗС [3].

28

Внутреннее управление

Внутреннее управление носит циклический характер. Чтобы из сдвигового' регистра считывались все сигналы, время интегрирова­ ния должно превышать время считывания. В этом режиме управле­ ния в цикле интегрирования в сдвиговый регистр передаются заря­ ды (сигналы), соответствующие одной строке изображения, считы­ ваемые затем параллельно в другой регистр для требуемой обработки в следующем цикле интегрирования. Таким образом, сигналы изображения в регистре периодически обновляются.

Для исключения наложения сигналов в сдвиговом регистре уста­ навливают нижний допускаемый предел времени интегрирования и в зависимости от максимальной частоты /г .

Так, для упомянутых выше камер на ПЗС задаются следующие

Рассмотренный принцип управления имеет важное преимуще­ ство, заключающееся в том, что интервалы времени между раз­ вертками строк изображения столь малы, что использования гася­ щих импульсов не требуется.

Внешнее управление

При этом управлении видеокамера работает в режиме повторя­ ющихся циклов, задаваемых извне, что способствует согласованию ее временного режима работы с внешним устройством обработки сигналов. Передача зарядов (сигналов) в сдвиговый регистр осу­ ществляется внешними тактовыми импульсами,, управляющими триггером. Сигналы триггера задают время интегрирования и вре­ мя считывания сигналов сдвигового регистра. Эти интервалы пери­ одически следуют друг за другом. Время экспозиции камерой изо­ бражения (время цикла камеры) оказывается тем больше, чем боль­ ше различаются активная (время интегрирования /,) и пассивная фазы, включающие время считывания foAT, а также интервалы вре­ мени переключения и обработки сигналов tv. С целью уменьшения накопления носителей зарядов в пассивной фазе считываются один раз данные из регистра сдвига в такте передачи заряда, причем эти данные являются недостоверными.

В рассматриваемом управлении промежутки времени между раз­ вертками строк могут оказаться значительными. Для их уменьше­ ния существуют две возможности.

29