Патент ссср 360000

 

(1 1) 360000

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Зависимое от авт. свидетельства (22) Заявлено 04.12.70 (21) 1499085/18-24 с присоединением заявки ¹ (32) Приоритет

Опубликовано 15.04.74. Бюллетень ¹ 14

Дата опубликования описания 12.09.74 (51) М. Кл. 6 06k 9, 00

Государственный комите

Совета Министров СССР по делам изаоретений и открытий (53) УДК 621.317.757;

:543.4 (088.8) (72) Авторы изобретения

К. Ф. Берковская, Н. В. Лаптева и Б. Г. Подласкин

Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе (71) Заявитель (54) ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ АНАЛИЗАТОР ИЗОБРАЖЕНИЙ

Изобретение относится к оптоэлектронике и представляет собой пространственно распределенный фотоприемник, совмещенный с динамическим маскируюш,им устройством, осуществленный методами микроэлектроники и совместимый с современными интегральными радиоэлектронными схемами.

Область применения такого устройства, главным образом, распознавание изображения; а также фильтрация оптимальная и адаптивная, выделение изображений на фоне шумов и мешающих объектов, кодирование, стробирование, фотометрирование, разложение в ряды и т. п.

В настоящее время эти операции над двумерным сигналом осуществляются с помощью совокупности оптических масок, последовательно сов мещаемых с анализируемым изображением.

Известны устройства для оптической обработки двумерного изображения с целью его разложения по ортогональным функциям. В таких устройствах используются механически сменяемые маски-транспаранты, которые модулируют световой поток, идущий от анализируемого изображения. Результирующий поток регистрируется фотоприемником, а серия сигналов, соответствующая разнообразным маскам, обрабатывается электронным анализатором.

Одно из известных устройств содержит последовательно расположенные по оптической оси источник света, объектив, диафрагму, транспарант с анализируемым изображением, 5 маски и блок фотоприемников, блок управления сменой масок и блок анализа.

Источник света при помощи объектива создает параллельный пучок лучей. В пучке располагается диафрагма, создающая поле изо10 бражения S(X, Y). За диафрагмой помещается фотопленка с анализируемым изображением и оптическая маска, представляющая собой фотопленку, прозрачность которой меняется в пределах площади поля S. Смена оптических

15 масок осуществляется с помощью механического устройства. Световой поток, прошедший через транспарант с изображением и маску, собирается линзой на блок фотоприемников.

Затем сигнал поступает для дальнейшей обра20 ботки в блок анализа.

Для получения МЛ коэффициентов Фурье изображения C„ (т=1, 2,..., М, к=1, 2, ..., Л ) необходимо либо иметь МУ оптических каналов с МЖ масок $мы, либо последовательно во времени менять ММ масок 5дм в одном оптическом канале. Тогда на выходе оптического анализатора получится либо матрица сигналов )I ò,m C,m II, либо последова()

30 тельность из ЛтМ сигналов т„„(1) С„„, (t)—

360000

15 отдельной подгруппой.

65 первичный спектр изображения (s„m — коэффициенты) .

Однако в известном устройстве каждая из

NM масок должна изготавливаться отдельно на фотопленке или фотопластинке, смена масок осуществляется механически и требует высокой точности установки маски, Динамическое изменение отдельных элементов оптической маски в процессе работы и по результатам предыдущих измерений невозможно, а требует построения новой маски. Таким образом, основным недостатком известного устройства, является низкая скорость обработки информации. Кроме того, оптическая схема прототипа достаточно сложна, не допускает миниатюрного исполнения, наличие механического устройства для смены масок не допускает совмещения системы с радиоэлектронными интегральными схемами.

Главными целями настоящего изобретения являются сокращение времени обработки информации, облегчение оперативного, динамического поэлемеитного управления формой оптической маски, а также увеличение технологической, конструктивной и эксплуатационной совместимости устройства с современной радиоэлектронной аппаратурой.

Для этого в устройстве маски и блок фотоприемников выполнены в виде единой пространственнораспределенной фоточувствительной р — п — р (n — р — n) структуры с полуизолирующей базовой областью и взаимно ортогональными шинами, расположенными на противоположных гранях структуры, а блок управления сменой масок выполнен в виде многофункциональных генераторов, выходы которых связаны с соответствующими горизонтальными и вертикальными шинами и со входом блока анализа, соединенного с управляющими входами блока управления сменой масок.

Эквивалентная схема такой матрицы или панели представляет собой набор элементарных ячеек, каждая из которых выполнена в виде пары встречно включенных фоточувствительных элементов, имеющих запорную ветвь в вольт-амперной характеристике, например фотодиодов, фототранзисторов, фото-МОП структур и т. п. Каждая элементарная ячейка оптически или электрически связана с выходами генератора, генерирующего оптические и электрические сигналы, изменяющиеся во времени по определенной программе, имеющие несколько уровней интенсивности света или амплитуды электрического сигнала. В каждой элементарной ячейке включено дополнительно по омическому сопротивлению. Концы элементарных ячеек соединены в подгруппы так, чтобы разные концы одной ячейки оказались в двух разных подгруппах. Подгруппы же объединены в две большие группы

Хи Y.

Выходы генератора так же разделены на две группы Х и У, и каждый выход связан с

Зо

Фотоприемные площадки объединены в одну подгруппу и расположены в соответствии с требуемыми конфигурациями воспроизводимых масок.

Концы элементарных ячеек в подгруппах разделены омическими сопротивлениями, фоточувствительные площадки скомпонованы так, чтобы оба фоточувствительных элемента одной ячейки были освещены одинаково.

Один из вариантов устройства может быть выполнен в виде панели с распределенными параметрами на основе триодной структуры в кремнии. Прозрачные шины на обеих поверхностях структуры объединят некоторые совокупности элементарных ячеек в подгруппы, подключаемые к одному выходу генератора.

Часть выходов генератора можно сделать оптическими, т. е. излучающими, а другую часть выходов электрическими. При этом сопротивления, разделяющие элементарные подгруппы, заменены фотосопротивлениями.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого оптоэлектронного анализатора; на фиг. 2 — детализирован основной элемент устройства — твердотельные матрицы или панель с распределенными параметрами, а также показаны возможные расположения фоточувствительных площадок в элементарных ячейках и эквивалентная схема самой элементарной ячейки, из которых состоит матрица или панель; на фиг. 3 проиллюстрирована работа устройства в динамике: а — маркировка шин, об ьедпняющих элементарные ячейки в подгруппы, б — вольт-амперные характеристики элементарной ячейки в темноте и при освещении с последовательно включенным омическим сопротивлением и без него, в — эпюры напряжений на 8 выходах генератора, необходимые для воспроизведения 16 масок, с помощью которых может быть осуществлено разложение любого оптического изображения в ряд Фурье (16 коэффициентов) по функции

Уолша, г — эти 16 масок.

Предлагаемый анализатор содержит источник света 1 (см. фиг. 1). Он при помощи объектива 2, диафрагмы 3 и транспаранта 4 создает поле изображения S. Маскирующее и фотоприемное,устройства совмещены в единой твердотельной матрице или панели с распределенными параметрами (фотоприемная полупроводниковая структура) — блок 5, представляющими собой совокупность NM элементарных ячеек. NM токоотводящих шин 6 связывает блок 5 с УМ выходами блока 7 управления сменой масок.

Однако в подавляющем числе практически решаемых задач, при воспроизведении масок, конфигурации которых могут описываться непрерывными функциями, достаточно иметь не

NM шин, à N+M. Для этого, с целью сокращения числа шин 6 и выходов генераторов Х и Y блока 7 концы элементарных ячеек соединены в подгруппы, причем противоположные концы одной ячейки входят в две разные груп360000

5 пы Х или У, включающие в себя все подгруппы, каждая из которых связана либо с N выходами генератора Х, либо с M выходами генератора У, входящими в блок 7.

Пространственное распределение ячеек по подгруппам производится в соответствии с воспроизводимой конфигурацией масок.

Твердотельная структура 5 представляет собой матрицу из элементарных ячеек (см. фиг. 2, а) или панель с распределенными параметрами (см. фиг. 2„6), эквивалентная схема которой может быть представлена в виде набора элементарных ячеек. Каждая из ячесК состоит либо из пары встречно включеHных фотодиодов 0„— D, либо фототранзисторов, либо МОП-структур, либо любых сочетаний из этих элементов и диодов. Т. е. каждая ячейка строится так, чтобы вольт-амперная характеристика имела две запорпые ветви, а интервал напряжений 1 с резким изменением тока был сравнительно небольшим (см. фиг. 3, 6).

Такая структура ячейки позволяет передавать небольшое число градаций «прозрачности» маски. С целью увеличения числа градаций последовательно с парой встречно включенных элементов, имеющих запорную ветвь в вольт-амперной характеристике, включено омическое сопротивление r;, которое расширяет линейный участок изменения характеристики II (см. фиг. 3, 6).

С целью увеличения числа воспроизводимых маскирующим устройством конфигураций при числе выходов многофункционального генератора (NM вместо NM элементарные ячейки внутри подгрупп разделены между собой омическими сопротивлениями r „ (ñì. фиг. 2, а). Включенные в шины и подключенные к выходам генераторов, они образуют собой делители напряжения и обеспечивают на ячейках одной подгруппы разное смещение.

С этой же целью можно использовать для формирования маски оба фоточувствительных элемента одной элементарной ячейки. Тогда фоточувствительные площади фотодиодов Р; и D, должны располагаться так, чтобы оптический элемент изображения равномерно засвечивал оба элемента одной ячейки (см. фиг. 2, а).

В случае панели с распределенными параметрами элементарная ячейка образуется участком триодной р — n — р или и — р — и структуры, сопротивлением r; служит сопротивление базового слоя, сопротивлениями r — сопротивления внешних областей. Шины, подсоединяемые к генератору, могут быть выполнены в виде прозрачных проводящих областей, представляющих собой систему взаимно перпендикулярных полос, расположенных на противоположных гранях триодной структуры (см. фиг. 2, 6).

При использовании для регистрации освещенности обоих р — и — р переходов структуры, залегающих на разной глубине, необходимо так выбирать либо конструкцию структу5

15 го

65 ры. либо длину волны освещающего света, либо соотношение масштабных множителей выходов генераторов, чтобы изменение тока через прибор при одинаковом освещении любого из диодов элементарной ячейки было одинаковым.

Выполнение устройства в виде панели с распределенными параметрами гораздо проще, конструкция компактнее, позволяет добиться большей плотности компановки условных ячеек, технологичнее, требует меньшего числа выходов генератора, уппавлеция аналоговым, а не дискретным сигналом.

Устройство работает следующим обпязом.

В исходном состоянии ня выходах NM генераторов блока 7, т. е. на концах шин Х,, Х, ..., Х и Уь Уь..., Ум (см. фиг. 3, а) напряжение равно нулю Ux, = Ui., = — .. = Ux . — — О и U, — UY, —... --Uy„— Î.

В этом состоянии ток через э,чементапнчю ячейку D; — D 1с равен нулю как в темноте. тяк и при одинаковом освещении обоих фотолио.чов (см. фиг. 3, 6).

lr,=О прп Ьп=О и iq=ic (токи освещнных ячеек) или 4=4 (токи неосвещенных ячеек

D; и D ) — маска «непрозрачна».

При напряжениях на шинах, обеспечивающих UT; МО

iñ — — P (is + 4,) +1R(is+ ir)l, где P — число «прозрачных» элементов маски — диодов DÄ", I

Р— число «прозрачных» лподов D

В случае, когда U ; 0 и U>, О, но

i p; =О (так кяк Ui; =Uy;), соответствующие элементы маски «непрозрачпы».

Воспроизведение нескольких градаций прозрачности возможно при работе ячейки в интервале напряжений AU> (см. фиг. 3,6), в непосредственной близости от нуля напряжений.

Если элементарная ячейка состоит из двух диолов, то ЛУОО,1 в. Этот интервал напряжепий может быть искусственно увеличен включением в кажду|о элементарную ячейку ,чополпительпого омического сопротивления г; (см. фиг. 3) до AU> ))AU<, Таким образом, в исходном состоянии fan) вся матрица «не видит» (см. S на фиг. 3, г). При

4 начинают работать Ы выхо IQB rene0 To X (см. фиг. 3, в) и на маске устанавливается конфигурация прозрачности S и т. д. по всем значениям N и М. В момент времени ts>i=

= At NM = Т (T — период работы многовыхо,ч ых генераторов Х и У) устанавливается

8г-м-конфигурация.

Матрица ячеек илп панель с распределенными пяряметрямп не только осуществляет маскирование сигналя, по и интегрирует световой поток, прошедший через транспарант и маску. Действительно, сам факт «прозрачности» элемента маски еще пе увеличивает ток через фотоприемпик, если 4«4. Только при наличии освещения пя ц-том «прозрачном» элементе увеличивается ток, потребляемый rcпределенного диода D; и 4 с диода В быль бы равны при одном потоке Ф/2, попадающем на элементарную ячейку D; — Л(. Для этоп. необходимо так подобрать толщины всех трех

5 слоев устроиства и длину волны Х источника света, чтобы разделение пар неосновных носителей света, осуществлялось обоими переходами одинаково. Тогда 4=4 (см. фиг. 2, б).

При такой конструкции панели число элементов может быть доведено до 100><100=

=10" при времени смены маски 10 — сек.

При большом числе элементов маски могут возникнуть технологические трудности при создании большого числа электрических вы5 водов шин, объединяющих элементы в подгруппы. Этой трудности можно избежать, если заменить электрическое управление от генератора оптическим. Для этого несколько выходов многофункционального генератора должны быть сделаны оптическими, т. е. излучающими по заданному закону, и эти оптические сигналы, попадая на фотосопротивления, разделяющие элементарные ячейки, будут производить распределение потенциала, подаваемого на шины от электрических выходов генератора. Такое оптоэлектронное управление особенно ценно при использовании обратной связи между выходом устройства и выходами генератора, ибо позволяет избежать генерации, облегчает процесс преобразования сигнала.

Использование изобретения для получения коэффициентов Фурье по функции Уолша позволило сократить процесс с 1 — 2 час, необходимых для механической смены 64 масок и их юстировки до долей секунды, даже без учета времени па изготовление оптических масок пои той >ке точности проведения операции.

В лаборатории оптоэлектроники и голографии ФТИ АН СССР был создан элемент оптоэлектронного анализирующего устройства в виде матрицы из 64 элементарных ячеек на базе фотодиодов. На этой матрице были воспроизведены 16 масок для разложения оптического изображения по функциям Уолша.

Сравнение полученных при разложении коэффициентов с коэффициентами, полученными при использовании оптических масок, дало совпадение с точностью 1 — Зо/о. нераторами Х и Y блока 7 на if — Ф. Таким образом. в каждый момент времени tn мы имеем информацию о маскированном изображении в виде Io(tn). Поскольку управление маской осъществляется электрическими сигналами, информация за момент времени t;- может быть использована в момент времени t;+1.

Таким образом, использование обратной связи позволит создать систему подстраивающегося в процессе работы адаптивного фильтра. Обработка сигнала и последующее использование этого сигнала для управления генераторами позволит существенно упростить схемы логической обработки сигнала.

Действительно, управление масками происходит с помощью генераторов Х и У, блока управления 7, которые могут перестраиваться от кадра к кадру как по произвольному закону, так и с учетом полученной за предыдущий кадр информации. Таким образом, может осуществляться операция адаптивной фильтрации.

Таким образом, сокращение времени обработки информации достигается тем, что механическая смена масок заменяется электрической, происходящей за время Т. При числе масок — 100 Т может быть 10 — сек.

Оптическая схема с совмещенной маской позволяет сократить число линз, так как операция собирания потока после транспаранта 30 и маски на фотоприемник больше не нужна.

Отпадает необходимость в изготовлении оптических масок, ибо закон распределения прозрачности аахм теперь задается только гснсраторами Х и Y. 35

Фотоприемник, совмещенный с маскирующим устройством, может быть создан как па базе промышленных дискоетных фотодиодов типа ФТ вЂ” 1, 2, 3 или ФДК вЂ” 1, 2, 3 и т. д., так и на базе интегральных систем на основе 40 кремния. Как методы технологического изготовления этого прибора, так и условия его эксплуатации ничем не отличаются от большинства современных радиоэлектронных схем.

Конкретным примером осуществления пред- 45 лагаемого оптического анализатора является совокупность из 64 масок для разложения двумерного изображения по функциям Уолша (см. фиг. З,r).

Устройство состоит из фоточувствительной 50 матрицы, представляющей собой четыре элементарных ячейки, каждая из KQTopblx (64 фотодиода) два параллельно включенных диода

D; навстречу дву,l,дпугим параллельно включенным диодам D 16 (восемь — X и восемь — У 55 генераторов двухуровневого сигнала (+l и — /) (см.фиг. 3, в); оптической системы, позволяющей проектировать транспарант (64 элемента) на матрицу фотодиодов. Это же устройство может быть осуществлено на панели с рас- 60 пределенными параметрами, снабженной 16 (восемь с одной поверхности и восемь с другой) полупрозрачными шинами (см. фиг. 2, б).

В этом случае важно добиться такого технологического решения, при котором 4 с рас- 65

Предмет изобретения

Оптоэлектронный анализатор изображений, содер>кащий расположенные на одной оптической оси источник света, объектив, диафрагму, транспарант с анализируемым изображением, маски и блок фотоприемников, блок управления сменой масок и блок анализа, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью сокращения времени обработки информации, в нем маски и блок фотоприемников выполнены в виде единой пространственно распределенной фоточувствительной р — и — р (и — р — и) структуры с полуизолирующей базовой областью и взаимно-ортогональным и шинами, располо360000

10 женными на противоположных гранях структуры, а блок управления сменой масок выполнен в виде многофункциональных генераторов, выходы которых связаны с соответствующими горизонтальными и вертикальными шинами и со входом блока анализа, соединенного обратной связью с управляющими входами блока управления сменой масок.

360000

3 4

Sze Sse 5и

У1 2

У

-т,— — дт

? = ä NÌ

Фиг 5

Составитель А. Кудрявиев

Техред Т. Курилко

Корректор В. Брыксина

Редактор Н. Коляда

Заказ 2316/2 Изд. № 1473 Тираж 624 Подписное

ЦНИИП11 Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, 3(-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2 б

S„SàSîS vS>5gAsSa,5,ДДДя 5 4д уз5 ; 5

Х, ж

I2

"z

У И.

ВШИ

ЯЮЯ

ИЫЛ

ЕЕП

Патент ссср 360000 Патент ссср 360000 Патент ссср 360000 Патент ссср 360000 Патент ссср 360000 Патент ссср 360000 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам для считывания и распознавания напечатанных или написанных знаков, а более точно - к способу классификации ориентированных отпечатков пальцев

Изобретение относится к способам обработки визуальной информации

Изобретение относится к способу сокращения избыточности передаваемой информации

Изобретение относится к области обработки телевизионных изображений, и в частности, к способам определения положения объекта по последовательности телевизионных изображений для управления угловым перемещением линии визирования камеры в подвижных системах видеонаблюдения и слежения

Изобретение относится к области дешифрирования изображений, получаемых системами дистанционного зондирования

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике

Изобретение относится к вычислительной и телевизионной технике

 // 409252

Изобретение относится к нейробионике и технической кибернетике и может быть использовано для обнаружения, распознавания и идентификации различных объектов
Наверх