Теория и расчет оптико-электронных приборов - Якушенков Ю.Г.
ISBN 5-88439-035-1
Скачать (прямая ссылка):
е
Рис. 7.15. Схема коммутации фотодиодной 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 фото-
202 Глава 7. Анализаторы изображения оптико-электронных приборов
чувствительные 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.
Принципиальной особенностью многоэлементных приемников-анализаторов является дискретизация непрерывного оптического сигнала-изображения, часто сопровождающаяся и его квантованием по уровню. В соответствии с теоремой Котельникова (см. § 2.1) 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 за счет увеличения числа элементов в мозаике или матрице с одновременным сокращением промежутков между ними, повышения как интегральной, так и пороговой чувствительности отдельных элементов, применения более совершенных схем генераторов разверток,
203 Ю.Г. Якушенков. Теория и расчет оптико-электронных приборов
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. «Жесткость» пространственной структуры (растра) ПЗС исключает искажения изображений при их считывании и анализе и уменьшает влияние временной нестабильности, а линейность световой (люкс-амперной) характеристики позволяет достаточно точно воспроизводить структуру оптического сигнала в виде временной последовательности электрических сигналов.
Принцип работы линейной ПЗС был рассмотрен выше (см. § 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. Основным недостатком с точки зрения анализа изображений является геометрический шум — неоднородность темнового тока и чувствительности отдельных элементов матрицы ПЗС, достигающая единиц и даже десятков процентов.
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 Tk обработки кадра. Во время второй половины Tk в секции 1 снова идет
