Некогерентный оптический коррелометр

Некогерентный оптический коррелометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИ,Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ. 4 54ll82

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕПЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 04.04.75 (21) 2120862/18-24 с присоединением заявки № (23) Приор:итет

Опубликовано 30.12.76. Бюллетень № 48

Дата опубликования описания 03.03.77 (51) М. Кл.- "6 06G 9!00

Государственный комитет

Совета Министров СССР (53) УДК 681.3(088.s) по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения К. Ф. Берковская, С. Б. Гуревич, Б. Г. Подласкин, Л. М. Кулиманина, Я. П. Бернштейн и Л. А. Луизова (71) Заявитель

Ордена Ленина физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе (54) НЕКОГЕРЕНТНЪ|Й ОПТИЧЕСКИЙ КОРРЕЛОМЕТР

Изобретение касается устройств для анализа формы изображений, основанных на преобразовании изображения в электрический сигнал, и может быть использовано, например, для распознавания образа и выделения изображения на фоне шумов и мешающих объектов.

Известны устройства, содержащие транспарант с изображением эталона, блок перемещения изображения и интегрирующий фотоприемник (1). Эти устройства позволяют осуществлять корреляционную обработку сигнала, включая операцию свертки сигналов вычисления авто- и взаимнокорреляционной функции.

Однако для такого устройства характерны наличие механических узлов и жесткие требования к фотоприемнику.

Известно также устройство для анализа самосветящихся объектов, содержащее блок оптического воспроизведения одномерного сигнала, оптически связанный с матрицей фотоприемников, блок оптического воспроизведения эталонного сигнала, блок перемещения изображения эталонного сигнала и усилитель, подключенный входом к выходу матрицы фотоприемников. Если в таком устройстве перемещать транспарант с изображением эталонного сигнала относительно транспаранта с изображением анализируемого сигнала и с помощью усилителя измерять сигнал с фотоприемника как функцию времени, то будет осуществлена операция корреляции (или свертки).

Однако наличие в таких устройствах меха5 нических узлов не обеспечивает получения достаточной точности вычисления корреляционной функции и ограничивает скорость проведения корреляционного анализа.

Цель изобретения — повышение быстродей10 ствия и точности обработки.

Эта цель достигается тем, что входы матрицы фотоприемников электрически соединены с соответствующими выходами блока перемещения изображения эталонного сигнала.

15 Матрица фотоприемников выполнена в виде линейки из ряда полупроводниковых р — и — р (n — р — и) -элементов.

Блок перемещений выполнен в виде многострочного сканистора, два входа которого сое20 динены с источником напряжения, подключенного к генератору пилообразного напряжения, а выходы через строчные усилители подключены к строчным элементам линейки фотоприемников.

25 На фиг. 1 показана схема предлагаемого коррелометра, на фиг. 2, а и б — фоточувствительная ячейка (а — детализация ячейки, б— вольт-амперная ее характеристика).

Транспарант 1 с изображением анализируе30 мой функции f(x) (фиг. 1), входящий в состав

541182 блока оптического воспроизведения анализируемого одномерного сигнала, проецируется (линзы и осветители не показаны) на матрицу фотоприемников 2, причем размеры поля изображения сигнала L» согласованы с размерами матрицы так, что область определения сигнала совпадает с фотоприемной площадкой.

Элементарная ячейка линейки представляет собой р — и р (и — р — и)-структуру (фиг.

2, а), приче,1 лицевые р — n-переходы, обращенные к изображению, образованы дискретными р(п)-областями 3 и дискретными базовыми n(p)-областями 4. Тыльные р — п-переходы образованы теми же дискретными областями 4 и, например, общей р(п)-областью 5.

Дискретные области 3 снабжены индивидуальными омическими контактами 6, а область

5 — общей элетрической шиной 7.

Блок перемещений выполнен в виде

N-строчного сканистора 8, имеющего N элементов разрешения, включенного в обычную электрическую схему коммуации, и блока оптического воспроизведения эталонного сигнала. Клеммы выхода блока перемещений соединены с одноименными усилителями считывания 9, а клемма входа — с генератором пилообразного напряжения 10. Изображение эталонного сигнала 11, распределенное вдоль оси Х, спроецировано на сканистор 8 так, что область задания сигнала, дефокусированного в направлении, скрещенном с осью Х под углом п, совпадает с фоточувстительным растром, а строки сканистора вытянуты в направлении оси Х эталонного изображения, где

1э

n = arctg, L» и Я вЂ” размеРы фоточУвст х вительного растра.

При таком выполнении устройства эталонное изображение под действием управляющих напряжений, поступающих со сканистора, синтезируется непосредственно на линейке фотоприемников, а необходимость в наличии механических узлов отпадает.

Поле изображения оптически преобразованного эталонного сигнала 11 совмещено с растром N-строчного оканистора 8. Причем размеры поля согласованы с размерами растра так, что

L»=hl» N, à Ly Ыу N, где Л4 и Л1у — размеры элемента разрешения сканистора вдоль осей Х и Y соответственно, и область определения оптически преобразованного сигнала L» L совпадает с фоточувствительной площадкой сканистора 8.

Поле изображения образовано путем оптической трансформации изображения эталонного сигнала ср (Х) (средства оптической трансформации не показаны). Сигнал V (Х) дефокусирован под углом а к оси Х. Поле изображения представляет собой набор столбцов (строк) одномерных сигналов, например, записанных в виде транспаранта, функция про5

ЗО

65 пускания по интенсивности для которого соответствует этим сигналам

y,(Х) = (Х), р,(Х) = (Х вЂ” а),..., д(Х) = (Х вЂ” (N — 1))а, где а — коэффициент.

Средства оптического воспроизведения анализируемого сигнала и оптически преобразованного эталонного сигнала могут представлять собой как транспаранты, функция пропускания по интенсивности для которых соответствует сигналу, так и самосветящиеся объекты (линейка инжекционных светодиодов, спектр на выходе оптического прибора и т. п.).

Многострочный сканистор 8 представляет собой пространственно распределенную р — и — р (и — р — и)- структуру. Лицевые р — и переходы, обращенные к изображению, образованы р(п)-полосами 12 и п(р)-полуизолирующей базовой областью 13 (и — S,), (компенсированной золотом, например) . Тыльный р — и-переход образован той же базовой областью 13 и пространственно-распределенной по всей тыльной грани монокристалла делительной р (и) -областью 14, р (и) -полосы 12 снабжены построчными электрическими шинами 15, а делительная р(п)-область 14— двумя электрическими контактами 16. Контакты 16 электрически параллельно соединены с источником 17, последовательно с генератором 10 и клеммой входа блока перемещений. Построчные шины 15 последовательно соединены с У построчными усилителями считывания 9 и Ж клеммами выходов блока перемещений. Клеммы выходов блока перемещений порознь подключены к одноименным электрическим контактам 6 и к элементарным ячейкам линейки фотоприемников 2.

На фиг. 2, б представлена вольт-амперная характеристика элементарной ячейки линейки фотоприемников. При отрицательном (положительном) смещении на р — п — р (и — р — и)ячейке относительно общей шины ток определяется темновым током через тыльный р — ипереход 1г, При положительном (отрицательном) смещении на р — п — р (n — р — n) ячейке ток определяется в отсутствии освещения темновым током лицевого р — n-перехода ячейки ir,, а при освещении световой добавкой тока через лицевой р — n-переход i c„

/с,, причем ic, соответствует большим освещенностям. Рабочее напряжение на ячейках

Урад выбирается в пределах Uo < раб< (7пр

4ИТ2 где Uo—= (й — постоянная Больцмана, Д

T — температура, К, n — коэффициент, зависящий от полупроводникового материала (а= 1 — 2,5); д — заряд электрона (U, =

0,02 — 0,05 в); U ð — напряжение пробоя р — п — р-структуры.

Uð,о есть функция от времени t и номера ячейки и. При Upgg) U, ячейка воспринимает свет, при Up,б< U, — не воспринимает. В качестве Up,q используются видеосигналы с N

541182 -х строк сканистора. Программа работы сканистора задается транспарантом с изображением N сигналов (ср„(х — an) ), n= 0,1,...

N — 1.

Усилители считывания формируют видеосигналы таким образом (например, с использованием триггера Шмидта), что он имеет два состояния: — Upped соответствующее прозрачности «1» на элементе транспаранта с записью преобразованного эталонного сигнала, и

+с!р ь соответствующее прозрачности «О» на элементе транспаранта.

Рассмотрим работу устройства в динамике.

Пусть в исходный момент времени на линейку фотоприемников спроецировано изображение анализируемого сигнала f(X), а на сканистор — изображение преобразованного эталонного сигHалà (q)(Х вЂ” an)), и=0,1,..., N — 1.

Постоянное смещение на сканистор 8 подано блоком 17, и оно обеспечивает индивидуальное электрическое смещение на каждом элементе разрешения сканистора. Напряжение на выходе генератора 10 — отрицательное (положительное), и р — и — р (n — р — n) -фоточувствительная структура сканистора излучение, проходящее через прозрачные участки транспаранта с записью сигналов ср (Х вЂ” an), не воспринимает. Усилители 9 формируют отрицательный (положительный) сигнал Ур„-(У<>, и вся линейка фотоприемников 2 излучение, проходящее через прозрачные участки транспаранта с записью сигнала f(X), не воспринимает (см. фиг. 2,б при U=O, 1=0), Через структуру течет ток т г,, и сигнал корреляции О.

В первый интервал времени tIII начинает работать генератор коммутирующего пилообразного напряжения 10, осуществляющий опрос сканистора 8 за время Т. Таким образом, т

t„= — . В интервал t

q7I(X). На N выхода усилителей 9 формируются напряжения — Урс и +UI - (см. фиг.

2, б). В соответствии с поступающими напряжениями питания элементарные ячейки 4 очувствляются или >ке остаются нефоточувствительными.

В следующий интервал времени 1с,т осуществляется опрос вторых элементов Ж строк сканистора, на которые спроецировано изображение функции ср (Х) =ср(Х вЂ” а), a=Vt,„, где

V — скорость отнсительного перемещения ср(Х) и f(X). Так как за время t,„äoë>Kåí осуществляться сдвиг изображения ср(Х) на один

t-x элемент разрешения сканистора, то с эл

В и — интервал времени !т",т = (и+1) 4, tx n

9„(X) ч к) то

«70

25 зо

Общий ток в цепи линейки фотоприемников максимален, если изображение f (X) и ср(Х) совпали большинством элементов. В общем случае

U(t) = j f (Х) р (Х вЂ” -.«) dX т.х

Таким образом осуществляется операция корреляционного анализа. По величине амплитуды общего тока можно судить о мере близости эталона и сигнала, т. е., например. осуществлять операцию разделения опознаваемых функций по классам.

Точность проведения корреляционного анализа зависит от точности синтеза подынтегральных функций и выполнештя условия постоянства скорости.

Точность синтеза функцтш f (X) определяется числом элементов в линейке фотоприемников и нх люкс-амперной характеристикой

Число элементов при современном уровне интегральной технологтттт получают 1000, т. е. достижима точность синтеза f (X) 0,1%

Линейность люкс-амперной характеристики для р — и — р (и — р — и) -структур достигает

60 дб.

Точность синтеза функций q. (Õ) определяется числом разрешимых элементов сканистора.

Оно также может быть выбрано 1000 (сканпстор может быть составным, т. е. изображение может быть разбито на группы (qт — сгÄ), (сг„, т — ср -) илп мельче.

Выполнение условия V= const определяется возможностью с высокой точностью выдержать угол сс между направлениями строк сканистора и осью X изображения q (Х).

Тот >ке эффект сдвига изображения может быть получен за счет создания угла и между направлениями шин к делптельному слою и направлением строк сканистора.

Точность оптической тостттровктт легко может быть достигнута 0,1%, в то время как точность лтеханттчестсого перелтептенття изображенпя на базе х порядка 1 — 2 см при разл ной стоимости устройства не превышает 1%.

В предложенном устройстве повьппается быстродействие — увеличивается скорость V за счет повьпттс нпя скорости электрической коммутацтш многострочного сканпстора, оно лпмптируется только пнецпонностью фотоэлектрических элементов. В пзвестнолл устройстве увеличение скорости корреляционного анализа лимптируется наличием механических узлов.

В лабооаторпп оптоэлектроники п голографии ФТИ АН СССР опробован фрагмент такого коррелометра на 100 элементов. В результате использования изобретения достигается увеличение точности корреляционного анализа в 10 раз прп невысокой стоимости и большой надежности устройства.

Формула изобретения

1. Некогерентный оптический коррелометр, содержащий блок оптического восттроизведе541182

Фиг. 1 ния одномерного сигнала, оптически связанный с матрицей фотоприемников, блок оптического воспроизведения эталонного сигнала, блок перемещения изображения эталонного сигнала и усилитель, подключенный входом к выходу матрицы фотоприемников, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности обработки, входы матрицы фотоприемников электрически соединены с соответствующими выходами блока перемещения изображения эталонного сигнала.

2. Коррелометр по п. 1, отл и ч а ю щий с я тем, что матрица фотоприемников выполнена в виде линейки из ряда полупроводниковых р — п — р (и — р — ") -элементов, 3. Коррелометр по пп. 1 и 2, о т л и ч а юшийся тем, что блок перемещений выполнен в виде многострочного сканистора, два входа которого соединены с источником напряжения, подключенного к генератору пилообразного напряжения, а выходы через строчные усилители подключены к строчным элементам линейки фотоприемников.

10 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Авт. св. ¹ 269628, G 06G 9/00, 1968.

2. Яовинкий В. Н., Арховский В. Ф., Корреляционные устройства. М., «Энергия», 1974, 15 с, 173 — 174.

541182

Р(п) п(р) P(n) Риг. 2

Составитель В. Жовинский

Редактор С. Заика

Техред И. Карандашова Корректор T. Добровольская

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 1075/15 Изд, № 292 Тираж 864 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Я-35, Раушская наб., д. 4/5