Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов (4-е изд., 1999) (1095908), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Попадание излучения на этот элемент увеличиваетт скорость разряда этого «конденсатора» через нагрузку В,, т.е. скорость изменения потенциала У„в точке А в течение периода развертки. При следующей коммутации ток дозаряда «конденсатора» элемента зависит от потери заряда за период коммутации Т„и оказывается пропорциональным общему числу квантов, попавших на элемент (фотодиод) за это время Т„. Дифференцируя выходной сигнал, можно получить видеоимпульс Уы В качестве генератора развертки используются диодиые или транзисторные дешифраторы, а также сдвиговые регистры. Первые позволяют осуществить произвольный закон считывания информации с элементов матрицы.
и Ф ве Рис. 7.1б. Схема коммутации фотодиодеой матрицы Быстродействие современных матричных анализаторов определяется временем цикла опроса матрицы (или одного элемента) и постоянной времени составляющих ее элементов. Для уменьшения размеров элементов и увеличения их числа элементы матрицы (фотодиоды) могут работать поочередно как фото- 202 Глава 7. Анализаторы изображения оптико-электронных приборов чувствительные элементы при обратном смещении и как ключи при прямом смещении. Схема их включения аналогична представленной иа рис. 7.15, но вместо диодов-ключей последовательно с фотодиодами включаются конденсаторы.
Полярность коммутирующих импульсов соответствует прямому смещению фотодиодов. В конце периода коммутации потенциал в точке соединения фотодиода и конденсатора-ключа уменьшается до значения, устанавливающего обратное смещение фотодиода. При освещении последнего потенциал точки соединения постепенно увеличивается из-за разряда конденсатора. Принципиальной особенностью многоэлементных приемников- анализаторов является дискретизация непрерывного оптического сигнала-изображения, часто сопровождающаяся и его квантованием по уровню.
В соответствии с теоремой Котельникова (см. й 2.1) погрешность представления непрерывного сигнала конечным числом его отсчетов уменьшается с ростом атого 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 5 7.10.
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,напримерпутемрасфокусировки,чтобыоно 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, 203 Ю.Г.
Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов Глава 7. Анализаторы изображения оптико-электронных приборов сдвиговых регистров и другого электронного «обрамления» фото- матрицы. 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.
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 временной нестабильности, а линейность световой (люкс-амперной) характеристики позволяет достаточно точно воспроизводить структуру оптического сигнала в виде временной последовательности электрических сигналов.
Принцип работы линейной ПЗС был рассмотрен выше (см. я 6.7). Такие устройства сегодня достаточно хорошо освоены в производстве и широко используются на практике. По ряду причин, связанных в первую очередь со сложностью технологии изготовления, менее распространены матричные ПЗС. Однако они весьма перспективны для применения в большом числе ОЭП и непрерывно совершенствуются. 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 темпового тока и чувствительности отдельных элементов матрицы ПЗС, достигающая единиц и даже десятков процентов. 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. 7.16, а, или по строкам из оптической секции 1 в секцию хранения Л. Перенос кадра производится после накопления зарядов в секции 1, занимающего обычно половину времени Т, обработки кадра. Во время второй половины Т„в секции 1 снова идет 204 ( 1 Рис. 7.16. Схемы считывания информации с ПЗС-аиализаторов: а — кадровая; б — строчная; в — строчно-кадровая 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. Это вызывает смаз изображения, который проявляется в виде тянущихся за изображением «хвостов». Амплитуда смаза уменьшается с ростом отношения К„/ты где к„— врезки накопления, а з, — время переноса (считывания) столбца или строки.
Для борьбы со смазом используются высокочастотная фильтрация, схемы компенсации и ряд других приемов. При строчной схеме считывании (рис. 7.16, б) на каждую из строк оптической секции 3 (секции накопления) через ключи 3 выбора строк, управляемые сдвигов ым регистром 1, работающим от генератора сдвигающих импульсов, подаютси импульсы сдвига зарядов.
Сигналы из кюкдой 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, соответству- 1ОЩЕГО распределению освещенности по поверхности оптической секЦии, сигналы 1, „с отдельных строк должны вводиться в систему отображения с задержкой по времени, пропорциональной номеру строки. При строчно-кадровой схеме считывания изображения (рис.
7 16, в) область накопления состоит из столбцов фоточувствительных элементов 1 (или строк), между которыми находятся защищенные от падающего на эту область потока сдвиговые регистры Л. Заряды на- 205 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-зпектроннык приборов капливаются 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 ре. гистр 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 временнбй задержки и накопления (интегрирования), который состоит в следующем. Если в схеме, представленной на рис. 7.16, б, перемещать изображение относительно матрицы в вертикальном направлении, т.е. перпендикулярно строкам, то можно добиться того, чтобы сдвиг накацливаемых 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, 6 8.1). Достоинствами ПЗС-линеек н матриц как анализаторов, кроме отмеченных выше, являются высокое разрешение, достигающее 10...15 мкм при общем числе элементов в линейке порядка 10 и в матрице (5 10 )н(5.10 ), достаточно большое быстродействие, малые размеры, масса и энергопотребление, большой срок службы.
Одним из принципиальных недостатков ПЗС-анализаторов является невозможность осуществления произвольного закона выборки сигналов с отдельных элементов линейки или матрицы, поскольку в них производится последовательный сьем сигналов с отдельных строк или столбцов. От этого недостатка в значительной степени свободны приборы с зарядовой инжекцией (ПЗИ), в которых в отличие от ПЗС перенос заряда происходит между электродами в каждой отдельной их паре без сдвига всех зарядовых пакетов к одному общему выходу. Матрипа ПЗИ имеет координатную выборку. При выходе из строя какого-либо элемента ПЗИ на изображении, воспроизводимом после 206 Гпава 7. Пнзпизвторы изобрахения оптико-зпвктроннык приборов получения видеосигнала, образуются темные или светлые точки, а не полосы, как в ПЗС.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
