книги из ГПНТБ / Полоник В.С. Телевизионные автоматические устройства

20

Рис. 1.5. Раздваивающие оптические системы: а) с помощью оптической призмы; б) с помощью разрезного зеркала; в) с помощью разрезной линзы; г) путем раздельного проецирования

объектива и его 'положение выбираются таким образом, чтобы спроецировать изображение обоих краев иа фотослой передающей трубки. Величина зазора Д определяет размер предмета. Расстоя­ ние между гранями призмы d = l+ kA, где k — масштаб изображе­ ния. Грань призмы а—а' должна пропускать около 40% падающе­ го светового потока и отражать около 60%.

Раздвоение изображения при помощи разрезного зеркала пояс­ няется рис. 1.56. Поскольку одно зеркало-закреплено, а другое мо­ жет поворачиваться относительно первого-на некоторый угол с по­ мощью микрометрического пинта, то после объектива -на фотослое возникнут рядом, два изображения противоположных краев пред­

мета.

Применение разрезной линзы для двоения изображения показа­ но на рис. !.5в. Раздваивание изображения достигается перемеще­ нием одной из полулииз.

Описанные методы раздвоения изображения имеют общий недо­ статок: невозможность увеличения контраста изображения, так как при увеличении освещенности зазора пропорционально увеличива­ ется и освещенность фотослоя, занятого изображением предмета, по причине взаимного наложения свето-вых полей.

Эталон

Свободным от указанного недостатка является способ (рис.. 1.5г), в котором применено раздельное проецирование краев конт­ ролируемого предмета. При этом использован базовый метод со­ гласно рис. 1.16 лишь е той разницей, что, так как по причине ма­ лых размеров предмета объективы не могут быть непосредствен­ но направлены на края предмета, применена дополнительная сис­ тема отражающих зеркал.

В ТД для контроля формы изделий часто используется метод, раздвоенного бегущего луча. Оптическая схема такого устройства приведена на рис. 1.6. Бегущий луч раздваивается на кубический' призме и после прохождения оптических систем попадает парал­ лельно на эталон детали и контролируемую деталь, за которыми помещаются ФЭУ.

— 21

Оптическая ком пенсация перем ещ ения предм ета

При контроле равномерно передвигающихся предметов обычно необходимо быстро фиксировать их размеры для устранения раз­ мытия границ изображения. Наиболее просто это достигается при­ менением импульсной засветки с помощью механических или элек­ трических средств. Однако время подсветки может оказаться столь коротким, что отношение сигнал/шум становится недопустимо ма­ лой величины. Применение оптической компенсации перемещения позволяет остановить на некоторое время изображение участка предмета, а затем скачком перейти к следующему участку, чем значительно увеличивается время экспонирования.

Наиболее часто оптическая компенсация достигается за счет

Рис. 1.7. Оптическая схема компенсации движении объекта с помощью вращаю­ щейся призмы

вращающейся призмы, установленной между передаваемым предметом и объективом (рис. 1.7) и периодически перемещающей изображение предмета обратно его движению (82].

Смещение центра кадра

Дh — d (tg ф — tg rn) cos <p,

где n — показатель преломления стекла призмы.

Максимальный угол поворота іЫа х = 1807/С, где К — число гра­ ней призмы.

Вследствие явно нелинейной зависимости смещения кадра от угла поворота, что приводит к дрожанию изображения, необходи­ мо принимать специальные меры по устранению этого дефекта

[34].

Из выражения для Ah следует, что его величину можно из­ менять за счет изменения толщины призмы, так как оперативное изменение показателя преломления практически невозможно.

Такой способ поясняется рис. 1.8. Между перемещающимся предметом и объективом находится вращающийся корпус с двумя стеклянными клиньями, причем один из них перемещается вдоль ■оси вращения с помощью специального кулачка и цапфы. Путем

— 22 —

подбора профиля кулачка удается изменять величину d по нужно* му заікону.

Второй способ основан на неравномерном вращении компен­ сационной призмы, что достигается путем соответствующего под­

пользован третий способ ком­ пенсации. Он основан на заме­ не призмы на зеркальный ба­ рабан с большим числом гра­

ней, которое, одра ко, можно уменьшить, если сделать их колеблю­ щимися вокруг осей, находящихся на образующей барабана [171]. Подробное изложение вопросов оптической компенсации переме­ щения объектов изложено в [8].

— 23 —

Оптическая дискретизация изображ ения

Повышению точности контроля при измерении размеров теле- ■визионнными способами в значительной степени препятствуют на­ личие нелинейности разверток, геометрические искажения и изме­ нение размера растра, которые не позволяют снизить погрешность измерения ниже 1-^2% от сканируемого размера. Существенное повышение точности контроля может быть достигнуто за счет оп­ тической дискретизации изображения (разделения изображения на большое число одинаковых участков) до его сканирования, так как воздействие всех указанных дестабилизирующих факторов ■скажется теперь только на изменении частоты или фазы следова­ ния получаемых при этом видеоимпульсов, но не их числа, кото­ рое определяет размер предмета.

Оптическая дискретизация изображения с помощью м и р ы в виде равномерных прозрачных и непрозрачных штрихов осущест­ вляется путем совмещения изображений измеряемого предмета и миры. Наиболее просто нанести миру 'непосредственно на мишень передающей трубки. Однако этот способ не распространен, так как требует изготовления специальных трубок, возможно нанесение

местоположения плоскостей изображения (внутренняя сторона планшайбы трубки) и плоскости миры (наружная сторона план­ шайбы трубки) и приводящий к дополнительным погрешностям.

- Приемлемым является помещение миры в плоскость промежу­ точного изображения. Здесь изображение предмета с помощью оптической системы проецируется на плоскость промежуточного изображения, в которой устанавливается прозрачная оптическая мира.

Суммарное изображение предмета с наложенными штрихами ми­ ры с помощью объектива проецируется на мишень передающей трубки.

Применение.оптических мир не получило распространения из-за сильного снижения контраста их изображения при повышении чис- 'ла штрихов. Существенно лучшие результаты были получены при использовании волоконной оптики.

В о л о к о н н а я о п т и к а представляет собой набор тонких ци­ линдрических стеклянных волокон (светопроводов), собранных в жгут. Каждый светопровод имеет диаметр Ю-^-20 мкм и покрыт снаружи тонким слоем (1-Е2 мкм) стекла с более низким коэффи­ циентом преломления. Благодаря этому свет, входящий в такое волокно, претерпевает в основном полное внутреннее отражение и выходит с другого торца. Если волокна на торцах жгута зафикси­ ровать неподвижно друг относительно друга и затем торцы от­ полировать, то по жгуту можно передавать спроецированное на

— 24 —

один из торцов изображение независимо от положения жгута: его можно перегибать, скручивать, завязывать в узел и т. д.

Для контрольных целей весьма существенным является то, чтоможно менять расположение светопроводов на обоих торцах по заданному закону. При измерении, например, размеров целесооб­ разно располагать светопроводы входной части по прямой линии, на которую проецируют измеряемый предмет, а выходной части — в виде регулярного растра, который проецируют на планшайбу пе-

’редающей трубки. При развертке изображения получают видео­ сигнал в виде импульсов, по числу которых можно судить об изме­ ряемой величине. Такие устройства [128] даже в вышеописанномпростом виде дают возможность значительно понизить требования

кразрешающей способности передающих трубок. Дальнейшее раз­ витие их позволило существенно снизить необходимую полосу час­ тот системы, сократить избыточность информации, а в некоторых случаях даже заменить передающую телевизионную трубку не­ большим количеством фотоэлементов [47].

Рассмотрим основные технические параметры волоконной опти­ ки [8, 91].

Максимальный угол Ч-г, под которым свет, входящий в волокно, претерпевает полное, внутреннее отражение и выходит с другого торца, определяется из выражения

Световая эффективность световода г|с определяется как

т]с = ^ т ( 1 —o)2sin¥, So

где 5] — суммарная полезная площадь торцов волокон; So— общая площадь входного торца световода; т — коэффициент пропускания

непосредственное превращение светового изображения объекта в электрический сигнал, которое может осуществляться при помощи

— 25 — •'

передающих трубок, системы бегущего луча или весьма перспек­ тивных фотоэлектрических преобразователей (сканіисторов).

Геометрические искажения изображения предмета, вызванные нелинейностью развертки луча передающей трубки, определяются не коэффициентом, зависящим от соотношения размеров самого узкого и самого широкого квадратов тест-таблицы, а коэффициен­ том, характеризующим, насколько длительность видеоимпульса от­ личается в заданном масштабе от размера предмета, вызвавшего возникновение этого видеоимпульса. В случае измерения предмета, размер изображения которого приближается к размерам растра, искажения из-за нелинейности развертки могут быть сведены к нулю независимо от величины нелинейности.

Разрешающая способность системы определяется не числом штрихов вертикального клина испытательной таблицы ТИТ 0249,

правило, для ПСС глубина модуляции видеосигнала требуется бо­ лее глубокая, чем для визуальных систем [98].

Отношение сигнал/шум определяется не мерой воздействия на субъективное различие мелких деталей и градаций яркости

Типовая структурная схема ПСС изображена на рис. 1.10 и по своему построению не отличается от таковой для визуальной теле­ визионной системы, но характер разложения изображения и его параметры претерпевают значительные изменения.

Метод разложения изображения в ПСС может быть одностроч­ ный и растровый.

О д н о с т р о ч н ы й м е т о д находит основное применение при контроле размеров предметов и углов, а также при контроле фор­ мы изделий. При этом может использоваться разложение одной строкой, одной окружностью или производится обход по контуру изделия (для следящих систем).

— 26 —

Проведенные исследования режима работы видикЬна при одно­ строчном разложении показали, что максимальный сигнал получа­ ется при частоте разложения в пределах 2-^-3 кГц. При этом за­ метного прожига фотослоя видикона еще не происходит. Однако' желательно все-таки время от времени перемещать положение строки на фотослое, поскольку может наблюдаться потеря чувст­ вительности видикона при длительном сканировании одного и то­

го же места.

Система бегущего луча іи диссектор могут работать при одно­

для автоматического счета предметов, находящихся в поле наблю­ дения, обнаружения изменений на объекте, опознания образов и в тех случаях, когда наряду с измерительными целями выдвига­ ется задача визуального контроля состояния объекта.'

Стандарт разложения для растровых систем, если нет какихлибо специальных требований, можно рекомендовать общеприня­ тый чересстрочный на 625 строк при 25 кадр/с, как обеспечиваю­ щий одновременно достаточную модуляцию видеосигнала для авто­ матических систем и удовлетворительную четкость передаваемого изображения для визуального контроля. Кроме того, экономически целесообразно широко использовать схемные решения, элементы схем, серийные изделия и детали, применяемые в массовой теле­ визионной аппаратуре. В случае необходимости в этой системе лег­ ко перейти на пониженную четкость — 310—330 строк и 50 кадр/с при построчном разложении.

При счете большого числа мелких объектов, одновременно на­ ходящихся в поле наблюдения или при работе с медленно пере­ мещающимися объектами, может быть рекомендован малокадро­ вый стандарт с частотой кадров до долей герца, при котором еще возможно при необходимости ввести визуальное наблюдение. В этом случае удается резко снизить необходимую ширину полосы частот видеотракта.

Блок трубки

Блок трубки состоит из самой передающей трубки, фокусирую­ щей и отклоняющей системы (ФОС). Трубки с полным электроста­ тическим управлением работают без ФОС.

Основное требование, предъявляемое к блоку трубки, заклю­ чается в получении видеосигнала, максимально соответствующего передаваемому оригиналу. Часто большое значение имеет и высо­ кая чувствительность блока трубки.

В качестве передающих трубок могут использоваться любые трубки, применяемые в телевидении. Однако по соображениям упрощения аппаратуры, ее удешевления и повышения надежности работы практически наибольшее применение находят видиконы и диссекторы, а также просветные трубки для систем бегущего луча. Суперортиконы применяются редко.

— 27 —

Здесь не будут описаны принципы работы іи определение-пара­ метров передающих трубок, а также принятые методики их изме­ рения, достаточно хорошо известные из литературы [41, 45, 73, 111, 147], а лишь рассмотрены наиболее необходимые данные для разра­ ботки ТД.

Наиболее часто применяемой передающей трубкой в системах

практики чувствительность, разрешающая способность, простота управления и малые габариты.

Видиком обеспечивает высокую чувствительность ТД. Напри­ мер, даже для широкополосных ТД отношение сигнал/шум дости-

На рис. 1.11 приведены кривые, характеризующие падение чет­ кости изображения и величины видеосигнала в зависимости от ско­ рости перемещения изображения на фотослое и его освещенности.

И тем »не менее большинство современных ТД построено на видиконе, поскольку на практике всегда удается найти способы компенсации указанных недостатков.

Например, снижение неравномерности фона может быть достиг­ нуто за счет временного сдвига видеосигнала или применения ши­ роких гасящих импульсов; инерционность работы видикона может быть сделана незаметной путем применения системы оптической компенсации перемещения объекта; увеличение видеосигнала при медленных развертках достигается за счет использования импульс­ ного считывания и т. д.

Перечень отечественных видиконов достаточно обширен (табл. К 2) іи позволяет подобрать для каждого случая наиболее подхо­ дящий тип, исходя из конкретных условий поставленной задачи.

— 28 —

Схема включения видикона приведена на рис. 1.12. Следует ска­ зать несколько слов о видиконе ЛИ-420 с полностью электростати­ ческим управлением фокусировкой и отклонением пучка.

Т а б л и ц а 1.2

!) С фильтром ИКС-.1 толщиной 3 мм.

2)Для малокадровых систем с запоминанием.

3)Внбропрочная, радиацнонностойкая.

4)Для видимой части спектра.

3мм/с.

8)Видикон с полностью электростатическим управлением.

Такой видикон имеет значительные преимущества перед обыч­ ным видиконом, заключающиеся в том, что отпадает ■надобность в ФОС и в других моточных изделиях, значительно снижаются мощность, потребляемая генератором разверток, и его габариты, исключается применение громоздких стабилизаторов тока фокуси­ ровки, появляются возможности применения быстрых шаговых раз­ верток и т. д. По основным телевизионным параметрам электро­ статический видикон не уступает большинству типов видиконов с электромагнитным управлением

— 29 —