Устройство формирования сигнала изображения интерферограмм

 

Изобретение относится к телевизионной технике и может быть использовано в системах анализа интерферограмм, в которых в качестве датчиков видеосигнала применены матрицы ПЗС с зарядовой связью. Устройство содержит фоточувствительную матрицу приборов с зарядовой связью, состоящую из связанных зарядовой связью первой секции накопления, секции хранения и выходного регистра, блок управления, усилитель - формирователь, последовательно расположенные и оптически связанные светоделитель и светорегулирующую ячейку, в фоточувствительную матрицу ПЗС введена вторая секция накопления, связанная зарядовой связью с первой секцией накопления. В устройстве осуществляется в фоточувствительной матрице приборов с зарядовой связью рекурсивная фильтрация в режиме непрерывного экспонирования двухсекционной области накопления. В результате повышается достоверность контроля интерферограмм. 4 ил.

Изобретение относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в системах анализа интерферограмм, в которых в качестве датчиков видеосигнала применены матрицы приборов с зарядовой связью.

Известно устройство формирования сигнала изображения интерферограмм [1] содержащее оптический блок, в котором устанавливается фотопленка с изображением интерферограммы, и телевизионную камеру на приборах с зарядовой связью.

Недостатком устройства является невысокая производительность процедуры контроля оптических изделий из-за необходимости в промежуточной фиксации интерференционной картины на фотопленку, на проявление которой уходит не менее полутора минут.

Известно другое устройство формирования сигнала изображения интерферограмм [2] содержащее оптически связанные затвор (или импульсный источник света) и матрицу приборов с зарядовой связью (матрицу ПЗС), состоящую из связанных зарядовой связью секции накопления, входного и выходного регистров; блок управления, предварительный усилитель, делитель напряжения и повторитель. В этом аналоге осуществляется контроль интерферограмм оптических объектов непосредственно, т. е. без изготовления промежуточного пленочного носителя изображения. Поэтому время контроля интерферограммы уменьшается минимум на 90 с, а производительность работы соответственно повышается. Однако, недостатком аналога является необходимость в организации режима импульсного экспонирования фотоприемника, что обеспечивается при помощи затвора или импульсного источника света. При этом для работы устройства в темпе телевизионного стандарта затвор представляет собой сложное и дорогостоящее устройство, например электронно-оптический преобразователь с сеточным управлением. Применение же импульсного источника стробируемой подсветки усложняет организацию рабочего места оператора контролера интерферограмм.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению следует считать устройство формирования сигнала изображения интерферограмм [3] содержащее матрицу ПЗС, состоящую из связанных зарядовой связью секции накопления, секции хранения и выходного регистра; блок управления, усилитель-формирователь, при этом первый выход блока управления соединен с управляющим входом секции накопления матрицы ПЗС, второй выход с управляющим входом секции хранения матрицы ПЗС, третий выход с управляющим входом выходного регистра матрицы ПЗС, четвертый и пятый выходы соответственно с первым и вторым управляющими входами усилителя-формирователя, информационный вход которого подключен к выходу выходного регистра матрицы ПЗС, а выход является выходом устройства.

Как и для второго аналога, для прототипа исключен промежуточный носитель интерферограммы на фотопленке. При этом контроль интерферограмм осуществляется в режиме непрерывного экспонирования фотоприемника, т. е. не требуется затвор или импульсный источник света. Однако, формирование телевизионного сигнала интерферограмм для прототипа и для второго аналога осуществляется на производстве в условиях случайных колебаний объекта контроля, например вибрации. По этой причине в сигнале изображения присутствует смаз, который является шумовой компонентой, дополнительной к другим составляющим шума.

Задача изобретения создание устройства формирования сигнала изображения интерферограмм, в котором уменьшен смаз изображений в условиях случайных колебаний контролируемого объекта при сохранении режима непрерывного экспонирования фотоприемника, т. е. повышено отношение сигнал/шум.

Для решения поставленной задачи в устройство формирования сигнала изображения интерферограмм, содержащее матрицу ПЗС, состоящую из связанных зарядовой связью первой секции накопления, секции хранения и выходного регистра; блок управления, усилитель-формирователь, при этом первый выход блока управления соединен с управляющим входом первой секции накопления матрицы ПЗС, второй выход с управляющим входом секции хранения матрицы ПЗС, третий выход с управляющим входом выходного регистра матрицы ПЗС, четвертый и пятый выходы соответственно с первым и вторым управляющими входами усилителя-формирователя, информационный вход которого подключен к выходу выходного регистра матрицы ПЗС, а выход является выходом устройства, введены последовательно расположенные и оптически связанные светоделитель и светорегулирующая ячейка, а в матрицу ПЗС введена вторая секция накопления, связанная зарядовой связью с первой секцией накопления, причем управляющий вход второй секции накопления соединен с первым выходом блока управления, а светоделитель оптически связан с первой секцией накопления непосредственно, а со второй секцией накопления матрицы ПЗС через светорегулирующую ячейку.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство формирования сигнала изображения интерферограмм отличается наличием новых блоков: светоделителя, светорегулирующей ячейки, второй секции накопления в матрице ПЗС, взаимным расположением новых блоков и их связями с остальными блоками.

Оценим отличительный признак предлагаемого решения, который относится к фотоприемнику, а именно: введение второй (дополнительной) секции накопления в однокристальную схему матрицы ПЗС, построенные по принципу секционирования, когда область накопления содержит до четырех, отдельно управляемых секций накопления [4] Для этих приборов, называемых матрицами ПЗС с временной задержкой и накоплением (ВЗН), каждая из секций накопления участвует в процессе интегрирования зарядового рельефа поочередно. т. к. при работе ПЗС или объект перемещаются друг относительно друга в направлении, перпендикулярном строкам.

В заявляемом решении вторая секция, как и первая, используются для одновременного накопления информативного заряда при проецировании на них одного и того же оптического изображения, но при различной его освещенности. При этом обе секции объединяются по управлению и включаются аналогично фотомишени двухсекционного ПЗС. В результате зарядовые пакеты в первой секции накопления матрицы ПЗС к моменту завершения цикла кадрового фотоинтегрирования являются суммой двух зарядовых составляющих. Первая составляющая включает заряды от накопления в текущем кадре. Вторая составляющая заряды от накопления в предыдущем кадре, взятые с коэффициентом пропорционального уменьшения по отношению к зарядам текущего кадра. Таким образом, в первой секции накопления осуществляется дискретная обработка зарядового изображения типа рекурсивной фильтрации, что явным образом не следует из уровня техники фотоприемников на ПЗС.

На фиг. 1 изображена структурная схема заявляемого устройства формирования сигнала изображения интерферограмм; на фиг. 2 оптическая схема светоделителя 7; на фиг. 3 структурная схема блока 5 управления; на фиг. 4 - поперечное сечение светорегулирующей ячейки 8, выполненной, на основе электрохромного прибора (а), и зависимость коэффициента светопропускания ячейки от напряжения (б).

Устройство формирования сигнала изображения интерферограмм (фиг. 1) содержит оптически связанные светоделитель 7, светорегулирующую ячейку 8 и матрицу 1 ПЗС, состоящую из связанных зарядовой связью первой секции 2 накопления, второй секции 9 накопления, секции 3 хранения и выходного регистра 4; блок 5 управления, первый выход которого соединен с управляющими входами первой 2 и второй 9 секций накопления, второй выход с управляющим входом секции 3 хранения, третий выход с управляющим входом выходного регистра 4, четвертый и пятый выходы соответственно с первым и вторым управляющими входами усилителя-формирователя 6, информационный вход которого подключен к выходу регистра 4 матрицы 1 ПЗС; светоделитель 7 оптически связан с первой секцией 2 накопления непосредственно, а со второй секцией 9 накопления через светорегулирующую ячейку 8, а выход усилителя-формирователя 6 является выходом устройства. Светоделитель 7 (фиг. 2) содержит оптически связанные полупрозрачное зеркало 10 и отражающее зеркало 11. Следователь 7 может быть изготовлен в виде призменного блока [5] что позволит придать конструкции жесткость, упростить юстировку оптической схемы, снизить потери света, вызываемые отражениями от границы воздух стекло. Светорегулирующая ячейка 8 может быть выполнена на основе электрохромного прибора например [6] При этой технологической организации ячейка (фиг. 4а) представляет собой два плоскопараллельных стекла толщиной 2,5 мм, соединенных между собой в кювету так, что между внутренними поверхностями стекол образован зазор порядка 0,1 - 0,2 мм, заполненный электрохромным материалом ЭХМ-11. Внутренние поверхности стекол покрыты токопроводящим покрытием и образуют электроды, выводы которых расположены снаружи ячейки. Световая характеристика ячейки (фиг. 4 б) определяется свойствами электрохромной жидкости. Изменение коэффициента пропускания от τ_max (70 ) до τ_min (1 1,5 составляет для большинства ячеек величину K = τ_max/τ_min 70 150 при подаче на выводы напряжения постоянного тока, регулируемого в пределах U 0 1,2 В. Регулировка по входу "U" устройства может быть выполнена как в ручном режиме (при помощи потенциометра на выходе источника постоянного напряжения), так и в автоматическом режиме (от управляющего сигнала, поступающего извне).

Конструктивно-технологическая организация матрицы 1 ПЗС выполнена по принципу "кадровый перенос" с тремя разнесенными секциями 9, 2 и 3 и одним выходным регистром 4. При этом секция 3 хранения изолирована от входного светового потока.

Блок 5 управления и усилитель-формирователь 6 не отличаются по схемотехническому исполнению от аналогичных блоков прототипа. Блок 5 управления (фиг. 3) содержит последовательно соединенные задающий генератор 12, формирователь 13 фазных напряжений выходного регистра и первый преобразователь 19 уровней; синхронизатор 14, последовательно соединенные формирователь 15 фазных напряжений секции накопления и второй преобразователь 17 уровней, а также последовательно соединенные формирователь 16 фазных напряжений секции хранения и третий преобразователь 18 уровней, причем тактовые входы блоков 17 и 18 соединены соответственно с первым и вторым выходами синхрогенератора 14, третий, четвертый и пятый выходы которого подключены к входам формирователей 15 и 16 и 13 соответственно; выходы второго 17, третьего 18 и первого 19 преобразователей уровней являются соответственно первым, вторым и третьим выходами блока управления, а шестой и седьмой выходы синхрогенератора 14 являются четвертым и пятым выходами блока управления соответственно.

На четвертом и пятом выходах блока 5 управления вырабатываются синхроимпульсы и гасящие импульсы, необходимые для работы усилителя-формирователя 6.

Устройство формирования сигнала изображения интерферограмм работает следующим образом.

Интерференционная картина контролируемого объекта в режиме непрерывного экспонирования проецируется через светоделитель 7 и светорегулирующую ячейку 8 одновременно на фотоприемные секции 2 и 9 матрицы 1 ПЗС. Освещенность секции 9 по отношению к освещенности секции 2 установлена при помощи управления коэффициентом пропускания τ f (U) светорегулирующей ячейки 8 таким образом, что по окончании прямого хода кадровой развертки величина зарядового сигнала в текущем кадре (n) для каждого элемента изображения в секции 9 (Y_n) и аналогичная характеристика в секции 2 (X_n) связаны уравнением Y_n X_n·K, (1) где K коэффициент, выбираемый из неравенства 0<K<1.

n оказывается переписанным в секцию 2, причем величина зарядового пакета каждого элемента рельефа в K раз отличается от величины зарядового пакета соответствующего элемента, имевшегося в секции 2 до перезаписи.

В последующем (n+1) кадре производится новый цикл накопления в секциях 2 и 9, при этом в секции 2 осуществляется суммирование нового (X_n+1) зарядового сигнала и задержанного (Y_n). Таким образом, для каждого элемента изображения секции 2 накопления матрицы 1 ПЗС выполняется рекурсивная фильтрация, описываемая уравнением Z_n+1 X_n+1 + Y_n X_n+1 + K·X_n, (2) Z_n+1 выходная величина зарядового сигнала в (n+1) кадре.

По окончании (n+1) кадpа зарядовый сигнал Z_n+1 оказывается в секции 3 хранения, а затем при помощи фазных последовательностей, снимаемых с второго и третьего выходов блока 5 управления, построчно и поэлементно считывается из нее через выходной регистр 4 на вход усилителя-формирователя 6. На выходе усилителя-формирователя 6, который является выходом заявляемого устройства, вырабатывается телевизионный сигнал размахом 1 В на нагрузке 75 Ом. Далее формирование "суммированного" телевизионного сигнала периодически с кадровой частотой повторяется.

В результате рекурсивной фильтрации происходит усреднение случайных колебаний оптического изображения объекта, вызванных, например вибрациями. Теоретический выигрыш в отношении сигнал/шум за счет снижения уровня флюктуаций выходной величины зарядового сигнала оценивается в На практике предельный выигрыш в отношении сигнал/шум при K_→ 1 ограничен динамическим диапазоном фотоприемника и временем переходного процесса. Оптимальное значение K может быть установлено по видеоконтрольному блоку.

Достоинством предлагаемого устройства является сохранение, как и в прототипе, режима непрерывного экспонирования фотоприемника. При этом исключается применение таких сложных и дорогостоящих технических средств, как затвор или импульсная лампа, которые необходимы для достижения повышенного отношения сигнал (шум во втором аналоге.

Все дополнительные блоки могут быть изготовлены в настоящее время отечественной промышленностью, а проблема повышения производительности контроля оптически деталей и его достоверности стоит очень остро. Поэтому изобретение является промышленно применимым.

Формула изобретения

Устройство формирования сигнала изображения интерферограмм, содержащее фоточувствительную матрицу приборов с зарядовой связью (ФМПЗС), состоящую из связанных зарядовой связью первой секции накопления, секции хранения и выходного регистра, блок управления, усилитель формирователь, при этом первый выход блока управления соединен с управляющим входом первой секции накопления ФМПЗС, второй выход с управляющим входом секции хранения ФМПЗС, третий выход с управляющим входом выходного регистра ФМПЗС, четвертый и пятый выходы соответственно с первым и вторым управляющими входами усилителя-формирователя, информационный вход которого подключен к выходу выходного регистра ФМПЗС, а выход является выходом устройства, отличающееся тем, что введены последовательно расположенные и оптически связанные светоделитель и светорегулирующая ячейка, при этом светорегулирующая ячейка выполнена в виде электрохромного прибора, а ее управляющий вход подключен к источнику регулируемого напряжения постоянного тока, в ФМПЗС введена вторая секция накопления, связанная зарядовой связью с первой секцией накопления, причем управляющий вход второй секции накопления соединен с первым выходом блока управления, а светоделитель оптически связан с первой секцией накопления ФМПЗС непосредственно, а с второй секцией накопления ФМПЗС через светорегулирующую ячейку.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4