Содержание отчета:

1. Оптическая схема стенда с лазерным излучателем..

2. Графики и результаты расчетов.

3. Выводы по работе.

Контрольные вопросы:

1. Основные характеристики и параметры систем, использующих принцип лазерной триангуляции.

2. Функция рассеяния точки, линии. Разрешение. Способы повышения разрешающей способности оптико-электронных систем.

3. Моделирование сигналов в триангуляционных системах.

4. Методы считывания формы поверхностей.

Лабораторная работа № 5 матричные фотоприемники

Цель работы: изучение основных принципов построения и функционирования систем технического зрения на матричных фотоприемниках, характеристик матричных фотоприемников.

Ведение: Камеры на матричных фотоприемниках позволяет эффективно использовать следующие преимущества последних:

• малые размеры и масса;

• низкое напряжение питания и малая потребляемая мощность;

• высокая устойчивость к механическим, акустическим и электромагнитным воздействиям;

• прецизионная геометрия расположения элементов матрицы;

• практическое отсутствие инерционности;

• высокая надежность и долговечность в эксплуатации;

• низкий уровень выходных шумов;

• высокая линейность фотоэлектрического преобразования;

• возможность совмещения со стандартными ТВ-системами.

Матричные фотоприемники, используемые для формирования изображений, разделяются по способу организации на следующие виды:

• матрицы с переносом кадра;

• матрицы со строчно-кадровым выводом информации;

• матрицы со строчной адресацией.

Способ организации матричного фотоприемника определяет его структуру и временные диаграммы функционирования.

На рис. 5.0 приведена схема матричного фотоприемника на ПЗС-структуре с переносом кадра. Основу составляют следующие блоки: 1 – блок регистрации электромагнитного излучения (секция накопления – матрица фотоэлементов размером NxM); 2 – блок хранения информации (секция хранения – матрица размером NxM); 3 – выходной регистр; 4 – сдвиговый регистр; 5 – выходной усилитель. Последовательность операций функционирования: накопление информации в блоке 1, сдвиг накопленного потенциального рельефа в секцию хранения (временной интервал пропорционален числу строк), построчный вывод с помощью горизонтального сдвигового регистра.

На рис. 5.0а изображена структура матричного фотоприемника со строчно-кадровым выводом информации. Фоточувствительные элементы 1 располагаются между вертикальными регистрами переноса 2. Информация с фоточувствительных элементов по всему полю матрицы за один такт сбрасывается в вертикальные регистры хранения и переноса и далее построчно выводится.

Структура матрицы со строчной адресацией приведена на рис. 6.3.

Рис.5.0. Матричный фотоприемник с переносом кадра

По сравнению со строчно-кадровыми матрицами вертикальные регистры переноса заменены проводящими шинами считывания 3, а сброс накопления информации с фотодиодов 2 в вертикальные шины идет построчно.

Рис.6.2 Строчно-кадровая организация Рис.6.3. Строчная адресация

Рис. 6.4. Относительная спектральная чувствительность типовых ПЗС– структур

Вертикальное сканирующее устройство 1 выбирает строку, которая выводится во внешнюю цепь.

Первые цветные камеры строились по схеме из нескольких матриц, т.е. предполагалось наличие отдельных матриц для разных цветовых компонент (с учетом последующего перекодирования цвета матриц, как правило, не совпадали с чувствительностью цветовых рецепторов глаза человека). Современные цветные камеры преобразуют изображение на одну ПЗС-матрицу с совмещенным с ней цветоделительным фильтром.

Подход к построению камер с несколькими матрицами остался только для профессиональной аппаратуры. Такой подход требует высокой эффективности переноса заряда, не приводящей к смешению цветов; подавления растекания зарядов, которое возникает в результате переполнения зарядовой емкости элементов накопления при высоких уровнях засветки.

При построении систем наблюдения, особое внимание уделяют чувствительности фотоприемных матриц. Выбирают камеры с высокочувствительными элементами, светосильные асферические объективы, применяют системы искусственной подсветки объектов и территорий. При этом часто забывают об особенностях наблюдения днем, считая, что если света много, то и так все будет видно. Однако, именно при ярком солнечном свете возникают ситуации, когда на изображении, формируемом охранной камерой возможна потеря не только больших участков, но и всего изображения. Во введении к работе широко использованы материалы фирмы ЭВС (Россия, Санкт Петербург) и ее сотрудников, работы практиков должны быть полезны будущим специалистам.

Абсолютный контраст изображения.

Главной причиной, приводящей к ухудшению качества видеонаблюдения в дневных условиях, является высокий абсолютный контраст изображения, то есть, отношение освещенностей самого яркого и самого темного из наблюдаемых объектов. Ночью абсолютный контраст может быть менее 100, и то в случае, если объекты освещены рассеянным светом ночного неба.

Днем абсолютный контраст увеличивается до десятков тысяч, а при попадании Солнца в поле зрения камеры и до миллиона раз. Такое увеличение контраста вызвано условиями освещенности сложной поверхности от единственного источника света – Солнца. Освещенность объектов в тени может уменьшаться до 100 люкс и менее, при освещенности светлых поверхностей под прямым солнцем более 100000 люкс. Освещенность бликов от блестящих поверхностей и воды может доходить до 10 ⁶ люкс, а эквивалентная освещенность диска Солнца по некоторым оценкам достигает 10⁸ люкс, то есть 100 миллионов люкс. Ни одна телевизионная камера не в состоянии наблюдать одновременно (в одном поле зрения) объекты, отличающиеся по освещенности в десятки и сотни тысяч раз. В таких ситуациях неизбежны потери информации на некоторых участках изображения. Задача проектировщика состоит в сведении к минимуму потерь, возникающих при работе системы в условиях световых перегрузок.

Диапазон воспринимаемых глазом освещенностей приближается к миллиарду. Однако, днем мы не видим звезд на небе, хотя абсолютный контраст небо – звезды не более десяти тысяч. Дело в том, что контрастная чувствительность человеческого глаза всего 2%, поэтому различимый абсолютный контраст не превосходит 50. Отдельные участки миллиардного диапазона глаз может рассматривать только по очереди, адаптируясь к каждому участку освещенности. Наблюдая за местностью, человек по очереди переводит взгляд с одного объекта на другой. Если объект яркий, то человек прищуривается. Присматриваясь к объекту в тени, наблюдатель защищает глаза от слепящего Солнца ладонью. Наблюдение большого диапазона освещенностей человеческим глазом возможно только путем перевода взгляда с темных на яркие объекты и обратно.

Рис 5.1. Иллюстрация увеличения контраста изображения при увеличении освещенности

В поле зрения камеры могут одновременно попадать объекты с большим абсолютным контрастом. Система не обладает преимуществами, возникающими при естественном наблюдении за счет перевода взгляда и поочередного рассматривания ярких и темных объектов. В этом случае неизбежна потеря информации на ярких и темных участках сцены. Световое изображение проецируется объективом на фоточувствительные элементы матрицы ПЗС. Динамический диапазон элементов определяет диапазон рабочих освещенностей камеры в одном поле. Фотоны света, преобразуются в фотоэлектроны, попадая в фоточувствительные ячейки, поэтому при расчете сигнальных и шумовых характеристик удобно использовать единицу измерения заряда – электрон.

Зависимость максимального контраста от площади фоточувствительного элемента.

Максимальный контраст определяется отношением максимального и минимального различаемых уровней заряда в элементах. Максимальный уровень заряда называется управляющей способностью ПЗС, которая пропорциональна геометрической площади и глубине потенциальной ямы элемента.

В матрицах ПЗС зарядовые пакеты, перемещаясь к выходному устройству, проходят несколько тысяч секций переноса заряда. Наименьшими потенциальными ямами обладают элементы секций накопления и хранения, которые в первую очередь и ограничивают уровень заряда. В матрицах ПЗС форматами 1/6 – 1/2 дюйма с объемным каналом переноса заряда управляющая способность элемента находится в пределах от 12000 до 300000 электронов.

Минимальное количество электронов, определяется среднеквадратическим значением шума считывания матрицы ПЗС и составляет 20 – 40 электронов в зависимости от емкости затвора первого транзистора выходного устройства. Следовательно, динамический диапазон современных ПЗС камер находится в пределах от 600 до 7500. Чтобы получить значения максимальных контрастов, следует разделить эти значения на 10, так как, только начиная с такого отношения сигнал/шум можно различать объекты на изображении. Подставляя из справочных данных площадь фоточувствительных элементов, можно найти максимальный контраст для матриц ПЗС разных форматов и разрешения.

Максимальный контраст, реализуемый в стандартных матрицах ПЗС фирмы SONY в зависимости от площади фоточувствительного элемента приведен ниже.

Формат матрицы ПЗС (дюйм) 576 x 500	1/2"	1/3"	1/4"	1/5"	1/6"
Площадь элемента (мкм)	138,9	61,7	34,3	22,0	15,4
Максимальный контраст (раз)	750	380	200	130	90
Для матриц серии EXWAWEHAD значения максимального контраста нужно умножить в 1,3 раза

Видно, что камеры с фотоприемниками формата 1/2 дюйма, обеспечивают максимальный диапазон рабочих освещенностей, то есть обеспечивают минимальные потери информации при наблюдении контрастных изображений в солнечные дни. При ограниченных средствах оптимально использование камер с матрицами ПЗС формата 1/3 дюйма стандартного разрешения, лучшей из которых по диапазону рабочих освещенностей в настоящее время (2001 год) является ICX255AL фирмы SONY.

Ограничение контраста в режиме электронного затвора. "Смаз" и растекание зарядового изображения в матрице ПЗС.

При использовании объективов с постоянной диафрагмой, для адаптации камеры к уровню освещенности используют режим электронного затвора (electronic shutter). В этом режиме при увеличении освещенности автоматически уменьшается время накопления заряда в матрице ПЗС, а значит и чувствительность. Камеры, в основной массе, обеспечивают минимальное время экспозиции от 1/10000 до 1/100000 секунды. Но даже последнего значения недостаточно для надежного наблюдения объектов, освещенных солнечным светом.

При установке в камеру стандартного малогабаритного объектива относительным отверстием F 1,8, при экспозиции 1/100000 матрица ПЗС перестает видеть при освещенности на объекте более 30000 люкс, что недостаточно для наблюдения при солнечном освещении. При наблюдении будут потеряны изображения белых стен зданий, снега, облаков, и тем более, блестящих на Солнце объектов.

Уменьшению времени накопления в стандартных матрицах ПЗС препятствует и "смаз" изображения. Параметр "Smear" равный 0,005% для стандартных матриц CCD обычно считают малозначительным. Однако, столь малая величина "смаза" получается только при полном времени накопления равном 20 миллисекунд. При экспозиции 1/100000 секунды сигнал "смаза" возрастает в 2000 раз и становится равным 10%, что проявляется в виде хорошо заметных "белых полос" сверху, снизу ярких объектов на изображении. Если же, освещенность объекта выше максимальной освещенности более чем в 10 раз (нить накаливания лампы, Солнце), то величина "смаза" превышает 100% и возникает эффект "растекания заряда по поверхности матрицы ПЗС" – блюминга (Blooming).

Рис.5.2. Иллюстрация "смаза" изображения и эффекта растекания заряда при наблюдении нити накаливания в камере на матрицах ПЗС фирмы SONY.

а) стандартная матрица ПЗС ICX055BL б) EXWAVEHAD матрица ПЗС ICX255AL

В 1999 году фирма SONY освоила в производстве новое поколение матриц ПЗС под торговой маркой EXWAVEHAD. В рекламе на эти камеры максимальное внимание обращалось на улучшенную чувствительность матриц ПЗС серии EXWAVEHAD. Но не было отмечено другое преимущество новых матриц – в 30 раз меньший уровень "смаза" при наблюдении ярких объектов. Сегодня эта технология доминирует в изделиях фирмы.

Рис 5.3. Зависимость интегрального сигнала "смаза" изображения для камер на стандартной матрице ПЗС ICX055BL и EXWAVEHAD ПЗС типа ICX255AL от времени накопления при частоте полей 50 Гц.

Значительно меньшая величина смаза от ярких объектов улучшает качество изображения в камерах на новых матрицах SONY при работе днем в условиях световых перегрузок..

В EXWAVEHAD ПЗС можно на порядок уменьшить минимальное время экспозиции в режиме электронного затвора, по сравнению со стандартными ПЗС, что позволит расширить диапазон рабочих освещенностей в камере с объективом с постоянной диафрагмой до 100000 люкс. Этого значения достаточно для надежного наблюдения объектов при солнечном освещении.

Влияние режима матрицы ПЗС на устойчивость к световым перегрузкам.

Качество работы камеры при сильных световых перегрузках (Солнце или прожектор в поле зрения) зависит не только от размера фоточувствительной ячейки (формата и числа элементов матрицы ПЗС) и типа объектива. В значительной степени, способность выдерживать перегрузки определяется методикой настройки и схемой камеры.

Рис.5.4. Иллюстрация уменьшения перегрузочной способности камеры на матрице ПЗС при неправильно установленных режимах Xsub и RZ

Помимо оптимальной настройки режимов, заметное влияние на качество наблюдения при ярком свете оказывает схема управления матрицей ПЗС. При перегрузке в несколько раз возрастает ток по цепям вторичного питания, поэтому от их мощности и стабильности зависит точность поддержания режима, а следовательно и степень проявления эффекта растекания заряда. Следует отметить, что, как правило, режимы, обеспечивающие оптимальность наблюдения ночью и днем различны. В результате разработчики камер выбирают компромиссный режим, что приводит к дополнительным потерям изображения при перегрузках. Например, для улучшения точности схемы привязки уровня "черного" при малой освещенности, в камерах на матрицах SONY, Samsung, SHARP фиксация уровня выполняется как по передним, так и по задним холостым элементам ПЗС. При световых перегрузках, растекающийся заряд попадает в "задние холостые элементы", что приводит к искажению работы схемы фиксации, вплоть до полной потери изображения, в случаях, когда изображение яркого объекта проецируется на правый край матрицы ПЗС.

Рис. 5.5. Уменьшение площади растекающегося заряда в камере VBP-551 с адаптивным режимом ПЗС – а), по сравнению со стандартной камерой WAT-902H –б).

Для расширения диапазона рабочих освещенностей камер, нужно изменять режим работы матрицы ПЗС днем и ночью. Максимальный выигрыш от переключения режимов матрицы ПЗС в ночных и дневных условиях, достигается в камерах на матрицах ПЗС серии EXWAVEHAD. Например, в камере VBP-551 производства российской фирмы ЭВС при использовании объективов с постоянной диафрагмой обеспечивается наблюдение объектов с освещенностью 100000 люкс и устойчивость при световых перегрузках.

Такие характеристики обеспечиваются минимальным временем экспозиции в режиме электронного затвора 1/1000000 секунды и адаптивным переключением режимов ПЗС день – ночь.

В фотоаппаратах явление блюминга также можно наблюдать и оценить его влияние (рис. 5.6.).

Рис. 5.6. Влияние солнечных бликов на изображение

Ограничение контраста в объективах. Рассеяние света в линзах, блики и искажения.

Важнейшим элементом камеры, определяющим качество изображения при ярком солнечном свете, является объектив. Различия в качестве объективов, даже в рамках одного класса очень велико. Следует отметить, что для эффективной работы днем в условиях световых перегрузок, важными становятся некоторые параметры, не регламентированные в паспортных данных на большинство имеющихся объективов.

Минимальное относительное отверстие	32	64	128	360
Диапазон регулирования освещенности	700	2800	11000	90000
Максимальная освещенность на объекте лк.	14000	50000	200000	1000000
Применение при солнечном свете	Нет	Нет	Да	Да

Минимальное относительное отверстие диафрагмы объектива обычно указывается в паспортных данных и находится в пределах Fмин.= (32.....360). Диапазон регулирования освещенности с помощью диафрагмы равен квадрату отношения минимального и максимального относительных отверстий. Для стандартных объективов при полностью открытой диафрагме обычно Fмакс.=1,2. Учитывая, что максимальная рабочая освещенность, пересчитанная на объект при времени накопления 20 мс (выключенный режим электронного затвора), составляет примерно 20 люкс, можно определить максимальную допустимую освещенность, обеспечиваемую данным объективом.

Диапазон регулирования освещенности и максимальная наблюдаемая освещенность на объекте находится в зависимости от минимального относительного отверстия объектива с автоматической регулировкой диафрагмы (АРД). Простые АРД объективы с минимальными относительными отверстиями F(32) и F(64) непригодны для использования при ярком солнечном свете. Нужно отметить, что для надежной работы камеры в условиях световых перегрузок необходим не только широкий диапазон регулирования освещенности в объективе, но и линейность регулирования, особенно на конечном участке, когда диафрагма объектива почти закрыта. При недостаточной линейности возможно самовозбуждение (мигание изображения) в системе камера – объектив при максимальных уровнях освещенности. К сожалению, регулировочная характеристика, как правило, не приводится в паспортных данных на объективы. Лучшими по линейности являются широкодиапазонные объективы с миниатюрными пленочными светофильтрами, установленными на участки диафрагмы объектива.

Блики и искажения, обусловленные диафрагмой объектива.

При определенных конструкциях объектива, из-за отражения света от его внутренних поверхностей и, в первую очередь от диафрагмы, образуются блики. Как правило, максимальный уровень бликов имеют объективы с минимальным диапазоном регулирования диафрагмы.

Рис.5.7. Наблюдение яркого источника света через объектив с сильными бликами

При определенных углах между осью объектива и осью, направленной на яркий объект уровень бликов может стать недопустимым и приводит к частичной потере изображения при попадании яркого источника в поле зрения камеры. К сожалению, никаких параметров, касающихся бликов объективов в паспортных данных не приводится, поэтому, приходится вести самостоятельный статистический отбор объективов, имеющих минимальные блики.