Многоэлементные (мозаичные и матричные) приемники излучения как анализаторы изображений

Широкое распространение в качестве анализаторов изображения получили приемники излучения с дискретной структурой фотослоя и, прежде всего, полупроводниковые приемники в виде мозаик или матриц. Принцип работы мозаичного или матричного приемника в качестве анализатора состоит в следующем. Оптическое изображение создает в разделенном на отдельные элементы чувствительном слое приемника пространственный рельеф зарядов или сопротивлений. При считывании электронным способом этого заряда в цепи приемника формируется сигнал, состоящий из импульсов, амплитуда которых пропорциональна освещенности в отдельных точках мозаики или матрицы

Разрешающая способность таких анализаторов зависит не только от размеров элементов мозаики или матрицы, но и от способов обработки сигналов, снимаемых с этих элементов. Повысить разрешающую способность удается следующими мерами:

- - с помощью дифференцирования сигналов;

- - использования способа двойной коррелированной выборки;

- - принудительного сканирования изображения по матрице или мозаике с последующим интегрированием сигналов;

- - придания сигналам, снимаемым с различных элементов, различных «весов», т. е. усиливая их по-разному, и др. (см. последующие главы настоящей книги).

К этому типу анализаторов можно отнести:

- - отдельные виды передающих телевизионных трубок, их твердотельные аналоги, например ПЗС;

- - одномерные и двумерные мозаичные приемники;

- - дискретные сканисторы.

Как и аналоговые полупроводниковые приемники-анализаторы, дискретные приемники-анализаторы можно подразделить на:

- - -позиционно-чувствительные, создающие сигнал, в котором содержится информация о координатах изображения излучателя (обычно малоразмерного) в плоскости анализа или о взаимном расположении нескольких изображений; обычно эта информация содержится в амплитуде сигнала;

- - -развертывающие дискретные приемники-анализаторы, которые иногда называют твердотельными аналогами передающих телевизионных трубок;

- - -селективно-преобразующие приемники-анализаторы, в которых одновременно с преобразованием оптического сигнала в электрический происходит первичная обработка информации, например, оконтуривание, фильтрация, выделение движущихся изображений или изображений определенной формы и т.д.

Физические принципы работы таких приемников-анализаторов были описаны выше, поэтому кратко рассмотрим лишь некоторые их особенности, важные с точки зрения выполнения ими функций анализаторов.

Обобщенная схема фотодиодного матричного анализатора представлена на рис. 7.14. На пластину полупроводника с p-n-переходами нанесены две группы взаимно перпендикулярных металлических токопроводящих шин. Развертка изображения осуществляется путем поочередного опроса пересекающихся шин, между которыми включены отдельные фотодиоды. Например, строчная горизонтальная развертка производится путем последовательных вдоль первой строки переключений столбцов (от 1 до j): 1 и 2, ..., 1 и j, затем вдоль второй строки: 2 и 1, 2 и 2, ..., 2 и j и т.д. Переходы от токопроводящих шин к фотослою, расположенному между ними (рис. 7.14, б), осуществляются через разомкнутые ключи — полупроводниковые диоды или транзисторы, расположенные в местах пересечения шин. Эти ключи выполняют роль коммутаторов с проводимостью, сильно различающейся в замкнутом и разомкнутом состояниях. Нормальным положением ключа является разомкнутое. При совпадении импульсов, идущих от генераторов развертки, происходит замыкание, и соответствующий фотодиод подключается к выходу. Таким образом на выходной нагрузке образуется видеосигнал.

Рис. 7.14. Схема фотодиодного матричного анализатора:

а — схема включения; б — поперечное сечение полупроводниковой структуры; 1 и 2 — генераторы вертикальной и горизонтальной разверток; 3 — цепи видеосигналов; 4 — горизонтальные шины; 5 — фотослой; 6 — вертикальные шины

Очевидно, что в каждый момент времени к выходной нагрузке должен быть подключен лишь один элемент матрицы. Тогда видеосигнал повторяет во времени (при развертке) закон распределения освещенности на поверхности матрицы. В таких анализаторах можно задавать различные типы разверток — строчную (горизонтальную) и кадровую (вертикальную), т.е. осуществлять не только последовательную, но и достаточно произвольную выборку оптического сигнала — распределения освещенности в изображении.

Кроме фотодиодной структуры в матрицах-анализаторах используются фоторезисторы, фототранзисторы и другие фотоприемные структуры. Очевидно, что постоянная времени элемента фотослоя должна быть меньше времени коммутации, т.е. времени переключения элементов. Можно также осуществить работу матрицы в режиме накопления, если постоянная времени элемента фотослоя будет больше времени коммутации. Хотя в этом случае чувствительность анализа тора повысится, однако осуществить произвольную выборку сигнала уже не удастся.

Принцип коммутации (переключения) матрицы можно пояснить с помощью рис. 7.15. При поступлении импульса U_p от генератора развертки на элемент матрицы А (фотодиод), куда подано обратное смещение, «конденсатор» элемента заряжается до максимального значения импульса развертки. Попадание излучения на этот элемент увеличивает скорость разряда этого «конденсатора» через нагрузку R_н, т.е. скорость изменения потенциала U_А в точке А в течение периода развертки. При следующей коммутации ток дозаряда «конденсатора» элемента зависит от потери заряда за период коммутации Т_к и оказывается пропорциональным общему числу квантов, попавших на элемент (фотодиод) за это время Т_к. Дифференцируя выходной сигнал, можно получить видеоимпульс U_в. В качестве генератора развертки используются диодные или транзисторные дешифраторы, а также сдвиговые регистры. Первые позволяют осуществить произвольный закон считывания информации с элементов 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 фоточувствительные элементы при обратном смещении и как ключи при прямом смещении. Схема их включения аналогична представленной на 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.

Рис. 7.15. Схема коммутации фотодиодной матрицы

Принципиальной особенностью многоэлементных приемников-анализаторов является дискретизация непрерывного оптического сигнала-изображения, часто сопровождающаяся и его квантованием по уровню. В соответствии с теоремой Котельникова погрешность представления непрерывного сигнала конечным числом его отсчетов уменьшается с ростом этого 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 § 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, например путем расфокусировки, чтобы оно 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:

1. 1. за счет увеличения числа элементов в мозаике или матрице с одновременным сокращением промежутков между ними,

2. 2. повышения как интегральной, так и пороговой чувствительности отдельных элементов,

3. 3. применения более совершенных схем генераторов разверток, сдвиговых регистров и другого электронного «обрамления» фотоматрицы.

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.

Принцип работы линейной ПЗС был рассмотрен выше в § 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.

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 2. Перенос кадра производится после накопления зарядов в секции 1, занимающего обычно половину времени Т_к об работки кадра. Во время второй половины Т_к в секции 1 снова идет 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 t_н/t_c , где t_н — время накопления, а t_с — время переноса (считывания) столбца или строки. Для борьбы со смазом используются высокочастотная фильтрация, схемы компенсации и ряд других приемов.

Рис. 7.16. Схемы считывания информации с ПЗС-анализаторов:а — кадровая; б — строчная; в — строчно-кадровая

При строчной схеме считывании (рис. 7.16, б) на каждую из строк оптической секции 3 (секции накопления) через ключи 2 выбора строк, управляемые сдвиговым регистром 1, работающим от генератора сдвигающих импульсов, подаются импульсы сдвига зарядов. Сигналы из каждой 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, соответствующего распределению освещенности по поверхности оптической секции, сигналы I_вых 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 2. Заряды накапливаются 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 регистр 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 временной 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 накапливаемых 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.

Достоинства ПЗС линеек и матриц как анализаторов:

- - «Жесткость» пространственной структуры (растра) ПЗС исключает искажения изображений при их считывании и анализе и уменьшает влияние временной нестабильности;

- - линейность световой (люкс-амперной) характеристики позволяет достаточно точно воспроизводить структуру оптического сигнала в виде временной последовательности электрических сигналов;

- - высокое разрешение, достигающее 10...15 мкм при общем числе элементов в линейке порядка 10³ и в матрице (5Ч10²)´(5Ч10²);

- -  достаточно большое быстродействие;

- -  малые размеры, масса и энергопотребление;

- -  большой срок службы.

Недостатки ПЗС линеек и матриц как анализаторов:

- - наличие геометрического шума — неоднородности темнового тока и чувствительности отдельных элементов матрицы ПЗС, достигающая единиц и даже десятков процентов;

- - невозможность осуществления произвольного закона выборки сигналов с отдельных элементов линейки или матрицы, поскольку в них производится последовательный съем сигналов с отдельных строк или столбцов.

От последнего 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.

Матрица ПЗИ имеет координатную выборку. При выходе из строя какого-либо элемента ПЗИ на изображении, воспроизводимом после получения видеосигнала, образуются темные или светлые точки, а не полосы, как в ПЗС. Однако большие выходные емкости столбцов ПЗИ приводят к возрастанию шумов и усложняют прием слабых сигналов из строк. Такие анализаторы гораздо инерционнее ПЗС. Несмотря на эти недостатки ПЗИ-анализаторы непрерывно совершенствуются и в ближайшее время могут найти широкое применение в ОЭП.

Еще одним направлением совершенствования матричных анализаторов является расширение спектрального диапазона их работы. Пока большинство ПЗС используются в видимой и ближней ИК области спектра. Ведутся работы как по расширению этого диапазона собственно ПЗС и ПЗИ, так и по созданию гибридных анализаторов, в которых прием излучения осуществляется матрицей или мозаикой фоторезисторов или фотодиодов, а хранение, перенос и дальнейшая обработка сигналов ведется с помощью ПЗС-структур.

Анализаторы на ПЗС успешно используются для определения координат малоразмерных изображений. Так же, как и в матричных анализаторах, описанных выше, в них можно применить ряд специальных алгоритмов обработки сигналов и получить высокую точность измерений, характеризуемую погрешностями в десятые и даже сотые доли размера одного элемента.

Другим важным применением ПЗС в ОЭП является так называемое межкадровое вычитание, используемое при пространственной фильтрации, селекции движущихся излучателей и в ряде других практических задач.