СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОСВЕЩЕННОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01J1/42 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения освещенности изображения, и может найти применение для обработки оптической информации, в том числе для бесконтактного измерения температуры.

Известен способ измерения светового потока, реализованный в фотометрах прямого отсчета, заключающийся в том, что на фотоэлемент направляют измеряемый световой поток, измеряют выходной сигнал фотоэлемента (выходной ток), по величине которого определяют величину светового потока [1].

Недостатком известного способа является малый динамический диапазон измерения, ограниченный динамическим диапазоном фотоэлемента и устройства обработки и регистрации вследствие действия шумов и помех.

Наиболее близким к изобретению является способ, реализованный в устройстве для измерения геометрических размеров и температуры раскаленных изделий по их телевизионному изображению [2].

Способ-прототип заключается в следующем. Изображение объекта проецируют на фоточувствительную поверхность фотоприемника, преобразуют в электрический видеосигнал, определяют текущий максимальный уровень видеосигнала, сравнивают его с заданным уровнем (определяют разность между текущим и заданным уровнем видеосигнала), приводят текущий уровень к заданному, для чего регулируют фоточувствительность фотоприемника, изменяя время Т_н накопления, при достижении равенства уровней по длительности интервала Т_н накопления с учетом заданного уровня сигнала определяют уровень освещенности изображения объекта.

Это техническое решение хотя и позволяет расширить динамический диапазон в области больших уровней освещенности, имеет ограниченный снизу, в области сравнительно малых уровней освещенности, диапазон измерений.

Динамический диапазон измерения освещенности по этому способу составляет 50-70 дБ и ограничен диапазоном регулирования чувствительности, особенно при малых уровнях освещенности.

Кроме того, измерение малых уровней освещенности путем регулирования фоточувствительности за счет изменения времени экспозиции снижает быстродействие измерений.

На практике широко распространены производственные процессы, в ходе которых необходимо непрерывно измерять (контролировать) освещенность, уровень которой изменяется в больших пределах, например, контроль температуры в высокотемпературных процессах получения новых материалов с заданными свойствами, контроль распределения и равномерности освещенности, обработка рентгенограмм и т.д.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона измерения за счет использования комбинированного режима измерения.

Согласно предложенному способу, проецируют изображение на фотоприемник, задают уровень выходного сигнала фотоприемника, определяют текущий уровень выходного сигнала фотоприемника, сравнивают его с заданным, при уровнях текущего выходного сигнала фотоприемника, превышающих заданный, приводят текущий уровень выходного сигнала к заданному, регулируя фоточувствительность фотоприемника путем изменения времени накопления, при уровнях текущего выходного сигнала фотоприемника, меньших заданного, преобразуют при постоянной величине фоточувствительности амплитуду текущего выходного сигнала фотоприемника в соответствующий интервал времени, преобразуют временные интервалы, полученные параллельно по каждому режиму измерения, в последовательные коды с учетом масштаба и закона преобразования в каждом режиме и формируют по ним результирующий код, пропорциональный освещенности изображения.

На фиг.1 приведены графики, поясняющие сущность предложенного способа; на фиг.2 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Предложенный способ заключается в следующем.

Получают на фоточувствительной поверхности фотоприемника проекцию изображения контролируемого объекта.

Выходной ток МДП-фотодиодного фотоприемника, соответствующий уровню Е освещенности проекции изображения на поверхности фотоприемника, определяется выражением
I_вых= S˙E+I_o=α˙S_Ix xT_н˙E+I_o, (1) где S - чувствительность фотоприемника;
Е - уровень освещенности;
I_o - темновой ток фотоприемника (или сигнал, обусловленный его неравномерностями и шумами);
α = - коэффициент, учитывающий параметры элементов фотоячейки (q - крутизна характеристики транзистора; с - емкость фотодиода);
S_I - токовая чувствительность фотодиода при фиксированном времени Т_н накопления;
Т_н - время накопления.

Энергетическая характеристика фотодиодного фотоприемника имеет две области (фиг.1,а): линейную 1 и область 2 насыщения.

На линейном участке в диапазоне освещенностей от нуля до Е_нас (I_вых < I_нас) и фиксированном времени Т_н накопления чувствительность S остается постоянной (фиг.1,б): S = =α·S_I·T=const (2)
Согласно предложенному способу, задают величину I_{вых.зад} выходного тока фотоприемника таким образом, что I_{вых.зад.}≅I_нас и определяют уровень освещенности в диапазоне 0 < Е≅Е_нас непосредственно по величине выходного тока фотоприемника E = (3)
При этом динамический диапазон D₁ определяется отношением величины заданного выходного I_{вых.зад} тока к уровню темнового I_o тока D₁ = (4)
На участке 2 характеристики при I_o < < I_{вых.зад}≅I_нас выходной ток фотоприемника поддерживается на заданном уровне I_{вых.зад} за счет регулирования чувствительности S путем изменения времени Т_н накопления (фиг.1,б): S_var=α·S_I·T=α·S_I(T_н± Δt), (5) где Δt - величина регулирования времени Т_н накопления, необходимая для приведения уровня выходного тока фотоприемника к заданному
I_тек = I_{вых.зад}
Тогда текущее значение освещенности Е определяется E = (6)
Динамический диапазон измерения освещенности в этом режиме определяется отношением длительности времени Т_н накопления к минимальному времени накопления, которое не может превосходить величину постоянной времени τ_ф фотодиода D₂ = (7)
Суммарный динамический диапазон измерения освещенности согласно предложенному способу составляет D=D₁+D₂= + , (8) где D₁ - динамический диапазон при фиксированном времени накопления, ограниченный снизу уровнем I_o темнового тока фотоприемника 4 и уровнем I_нас сверху;
D₂ - динамический диапазон при регулировании времени Т_н накопления, которое может достигать величины длительности Т периода опроса фотоприемника (длительность кадра).

Таким образом, предложенный способ позволяет измерять освещенность, уровень которой изменяется в широких пределах, и расширить динамический диапазон измерения.

Приведенный вариант регулирования чувствительности S путем изменения времени Т_н накопления является частным. В общем случае чувствительность S фотоприемника можно регулировать другими способами, например, за счет изменения крутизны характеристики транзистора фотоячейки, емкости фотодиода, режима и др.

Для получения суммарного результата измерения информационные параметры в обоих режимах - амплитуду выходного сигнала фотоприемника и величину чувствительности - можно привести к однотипной величине, например преобразовать в соответствующие временные интервалы и далее в последовательные коды, например, путем заполнения высокочастотными импульсами и подсчета их количества. При этом частоту и фазу заполняющих импульсов необходимо выбирать с учетом зависимости информационных параметров от уровня освещенности в том и другом режиме.

Из полученных таким образом кодов формируют результирующий код, пропорциональный уровню освещенности. Такой способ обработки и регистрации измерительных сигналов обеспечивает дополнительное преимущество - удобство применения в системах измерения и управления.

Предложенный способ реализуется устройством, содержащим (фиг.2) оптическую систему 1, фотоприемник 2, блок 3 развертки, блок 4 обработки видеосигнала, блок 5 задания режима, блок 6 объединения и регистрации.

С помощью оптической системы 1 получают проекцию изображения контролируемого объекта на фоточувствительной поверхности фотоприемника 2, в качестве которого могут быть использованы, например, интегральные МДП-фотодиодные одно- и двумерные фотоприемники или фотоприемники на основе ПЗС.

Видеосигнал с выхода фотоприемника 2 после усиления, фильтрации и выделения максимального уровня в блоке 4 обработки видеосигнала поступает в блок 5 задания режима, где происходит сравнение его уровня с заданным U_зад. Величина U_зад выбирается, исходя из априорно известной информации о возможном диапазоне изменения уровня освещенности изображения объекта и требуемого диапазона изменения фоточувствительности фотоприемника.

При уровнях выходного сигнала фотоприемника 2, удовлетворяющих условию U_вых < U_зад и соответствующих I_тек < I_зад., амплитуда видеосигнала преобразуется в блоке 6 в соответствующий код.

При уровнях выходного сигнала фотоприемника 2, соответствующих условию U_вых > U_зад, с помощью блока 3 развертки регулируют чувствительность фотоприемника путем изменения длительности времени Т_н накопления на величину, зависящую от разности заданного и текущего уровней выходного сигнала так, чтобы U_тек = U_зад.

Сигнал с выхода блока 3 подается в блок 6, где преобразуется в выходной код. В результирующем коде на выходе блока 6 присутствуют оба промежуточных кода с соответствующим весовым коэффициентом. Возможно заполнение измерительных интервалов импульсами различной частоты. Это позволяет учесть долю результата измерения по каждому каналу в окончательном результате.

При практической реализации предложенного способа измерения освещенности изображения и устройства для его осуществления получен суммарный динамический диапазон до 90-120 дБ, в то время как при реализации отдельно режима измерения при постоянной фоточувствительности диапазон составляет 40-50 дБ, а для режима с регулированием чувствительности - 50-70 дБ.

Сущность изобретения: используется комбинированный режим измерения при постоянной и регулируемой чувствительности фотоприемника. 2 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОСВЕЩЕННОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ, согласно которому проецируют изображение на фотоприемник, задают уровень выходного сигнала фотоприемника, определяют текущий уровень выходного сигнала фотоприемника, сравнивают его с заданным, при уровнях текущего выходного сигнала фотоприемника, превышающих заданный, приводят текущий уровень выходного сигнала к заданному, регулируя фоточувствительность фотоприемника путем изменения времени накопления, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона измерений путем использования комбинированного режима, при уровнях текущего выходного сигнала фотоприемника, меньших заданного, преобразуют при постоянной величине фоточувствительности амплитуду текущего выходного сигнала фотоприемника в соответствующий интервал времени, преобразуют временные интервалы, полученные параллельно по каждому режиму измерения, в последовательные коды с учетом масштаба и закона преобразования в каждом режиме и формируют по ним результирующий код, пропорциональный освещенности изображения .