КОГЕРЕНТНО-ОПТИЧЕСКИЙ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР ИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК G02F2/00 G11B7/00 

Изобретение относится к оптической обработке информации и может найти применение для комплексного исследования параметров преобразователей изображений, пространственно-временных модуляторов света, оптических процессоров и других оптических элементов информационных и вычислительных систем.

Известен способ [1] измерения динамических параметров по спаду пространственной функции передачи модуляции при периодическом вращении изображения края сектора радиальной миры по фоточувствительной поверхности преобразователя изображения. Его недостатком является необходимость численного дифференцирования с целью дальнейшего дискретного преобразования Фурье-сигнала по фотоотклику преобразователя изображения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является когерентно-оптический спектроанализатор изображения [2] измеряющий динамические параметры преобразователей изображения путем измерения динамической функции передачи модуляции света в частотной плоскости когерентно-оптического спектроанализатора при воспроизведении изображения движущейся синусоидальной решетки [3] Данное устройство содержит оптически связанные канал записи, состоящий из диапроектора, транспаранта, электропривода, входного объектива и сине-зеленого светофильтра, канал считывания, состоящий из источника когерентного излучения, расширителя, красного светофильтра, анализатора и выходного объектива, светоделитель, преобразователь изображения и приемно-регистрирующий блок, состоящий из телевизионной камеры, блока выборки строки, запоминающего осциллографа и видеоконтрольного устройства. Линейное перемещение тест-изображения осуществляется электроприводом, состоящим из трехфазного электродвигателя и набора сменных редукторов. Фурье-образ изображения считывается в его частотной плоскости телевизионной камерой посредством блока выделения строки путем строчной горизонтальной развертки. Амплитуды дифракционных компонент регистрируются запоминающим осциллографом.

Недостатками этого устройства являются: во-первых, зависимость времени экспонирования t от скорости V перемещения транспаранта, поскольку время экспонирования ограничивается временем протяжки транспаранта и определяется отношением t= (S-2d)/V, где S и d размер транспаранта в направлении перемещения и сечение светового пучка; во-вторых, Фурье-образ формируется на короткое время t освечивания кадра и может регистрироваться лишь запоминающими устройствами; в-третьих, имеется существенная погрешность в измерениях, поскольку время экспонирования t, скорость перемещения V, экспозиционная чувствительность H=t•E, где E интенсивность записывающего света и др. параметры взаимозависимы и не учитываются особенности экспозиционной чувствительности, проявляющиеся в явлениях прерывистого действия света и невзаимозаместимости; в-четвертых, с одной стороны, низкая производительность измерений, поскольку изменение пространственной частоты синусоидальной решетки и скорость ее перемещения производится заменой транспарантов с разными тест-изображениями и сменой редукторов, а с другой стороны, дискретный характер изменения скорости перемещения и пространственной частоты тест-изображения.

Технической задачей изобретения является повышение точности комплексных измерений параметров преобразователей изображений в динамическом режиме работы.

Это достигается за счет выполнения транспаранта в виде "бесконечной" ленты с расположенными вдоль нее по кадровому окну комбинациями последовательных, параллельных или последовательно-параллельных чередующихся синусоидальных решеток с разными пространственными частотами, а по краям - кодовой информационной дорожки, несущей информацию о пространственно-частотных параметрах синусоидальных решеток и их комбинации на определенном участке транспаранта; введения в приемно-регистрирующую часть первого и второго фотоприемников, дифференцирующего блока, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), микропроцессора (МП), цифроаналогового преобразователя (ЦАП), блока управления и усилителя мощности, а в канал записи регулятора интенсивности потока излучения; образования обратных связей, с одной стороны, по цепи формирования тест-изображения (регистрация обработка управление скоростью перемещения и интенсивностью записывающего излучения), а с другой стороны, по информационной цепи между управляемыми параметрами тест-изображения и регистрируемыми параметрами его Фурье-спектра; сравнительного анализа данных о динамических и пространственно-частотных параметрах тест-изображения и его Фурье-спектра и выдачи управляющей (корректирующей) команды на изменение параметров тест-изображения.

На фиг. 1 и 2 представлены когерентно-оптический спектроанализатор и фрагмент варианта выполнения транспаранта в виде "бесконечной" ленты с тест-изображениями синусоидальной решетки с разными пространственными частотами: 1 диапроектор, 2 ленточный транспарант, 3 регулятор интенсивности потока записывающего света, 4 входной объектив, 5, 22 - сине-зеленые светофильтры, 6 источник когерентного излучения, 7 - расширитель, 8 светоделительная поляризационная призма, 9 преобразователь изображения (ПИ), 10 красный светофильтр, 11 анализатор, 12 выходной объектив, 13 частотная плоскость Фурье-изображения, 14 блок управления, 15 телевизионная камера, 16 блок выборки строк, 17 аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 18 цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), 19 - видеоконтрольное устройство, 20 микропроцессор (МП), 21 усилитель мощности, 23, 25 первый и второй фотоприемники, 24 дифференцирующий блок, 26 электропривод, 27 оптически считываемая кодовая информационная дорожка, 28 кодовая оптически прозрачная полоска определенной протяженности.

Устройство работает следующим образом. Запись изображения на преобразователь 9 осуществляется посредством диапроектора 1 (фиг.1), считывающего с ленточного просветного транспаранта 2 и проецирующего во входной объектив 4 тест-изображения. Сине-зеленый светофильтр 5 вырезает длинноволновую часть оптического спектра. Отфильтрованное тест-изображение проецируется на фоточувствительный слой ПИ 9 и в зависимости от пространственного распределения интенсивности фотоактивного света, вызывает в его объеме пространственно неоднородную генерацию неосновных носителей заряда. В объеме ПИ образуется скрытый зарядовый рельеф, соответствующий тест-изображению. Считывание скрытого изображения осуществляется длинноволновым когерентным излучением, которое формируется источником 6 (например He-Ne лазером), расширяется в рабочую апертуру и отфильтровывается от спекл-шумов расширителем 7. Считывающее излучение через поляризующую грань светоделительной призмы 8 проходит через электрооптический слой ПИ 9, претерпевая при этом фазовую модуляцию в соответствии с зарядовым рельефом скрытого изображения, и дифрагирует на пространственных компонентах преобразуемого изображения. Красный светофильтр 10 предотвращает прямое прохождение записывающего света в канал регистрации. Анализатор 11 преобразует фазовую модуляцию считывающего излучения в амплитудную. Выходной объектив 12 формирует Фурье-спектр преобразуемого тест-изображения в его частотной плоскости 13. Измерение параметров преобразованного оптического сигнала в плоскости 13 производится телевизионной камерой 15 с помощью блока выделения строк 16. При этом выборка строк, их количество и последовательность считывания осуществляются с первого выхода МП 20, который управляется блоком 14 через второй информационный вход МП или по ранее заложенной в МП программе. Для контроля и последующей нормировки результатов измерений параметры когерентного источника стабилизируются устройством [4] или подобного типа и вводятся в МП 20 либо оператором через блок 14 управления, либо автоматически посредством дополнительной информационной связи между МП и блоком стабилизации (не показано). Визуализация Фурье-образа в частотной плоскости 13 и графическое отображение измеряемых параметров оптического сигнала осуществляется видеоконтрольным устройством 19, вход которого соединен с третьим информационным выходом МП.

Для оценки чувствительности ПИ интенсивность записывающего света варьируется в широких пределах посредством регулятора 3 [5] электрически управляемого МП 20 по программе или с блока 14. Для измерения быстродействия ПИ линейная скорость V перемещения тест-изображения осуществляется электроприводом 25 в широком диапазоне, скорость которого изменяется электрическим сигналом, также формируемым МП 20 или с блока 14. Сигналы с управляющего второго выхода МП преобразуются ЦАП 18 на первом и втором его выходах в аналоговые сигналы, которые усиливаются блоком 21 по первому и второму каналам и управляют регулятором интенсивности 3 и электроприводом 25 соответственно. Для динамического измерения разрешающей способности ПИ тест-изображения транспаранта формирующие амплитудные синусоидальные решетки выполнены в виде комбинаций с разными пространственными частотами, которые изменяются по направлению перемещения и (или) построчно. Транспарант 2, фрагмент которого выполнен на "бесконечной" ленте в виде параллельно расположенных решеток с разными пространственными частотами ν_n, показан на фиг.2. Каждый вариант представляет комбинацию различно расположенных последовательных, параллельных или последовательно-параллельных чередующихся решеток с разными пространственными частотами и любого количества. Каждая решетка состоит из светлых и темных параллельных полос равной толщины и равного периода T_n= 1/ν_n, при этом полосы всегда ортогональны направлению перемещения транспаранта. При выполнении транспаранта в виде ленты Мебиуса и его циклическом прокручивании решетки чередуются местами относительно горизонтальной централи z, т.е. за один цикл оборота решетки ν₁ и ν_n, ν₂ и ν_n-1 меняются местами соответственно. По краям 27 транспаранта выполнены прозрачные кодовые информационные полоски 28 с периодом T_c const и определенной протяженностью R_j в пределах каждой j-й комбинации. Часть света I_c диапроектора, распространяющегося через прозрачные полоски 28 транспаранта 2, и часть записывающего света I_k, отраженного от грани светоделительной призмы 8, попадают соответственно во второй 25 и первый 23 фотоприемники. Фотоприемник 25 посредством информационно-кодовой дорожки 27 считывает информацию (код) об определенной комбинации синусоидальных решеток в кадровом окне диапроектора в определенный момент времени и формирует импульсы i_c синхронизации. При этом код на информационной дорожке может быть выполнен любым способом. Наиболее простым способом является изготовление линейных оптически прозрачных полосок различной протяженности. В этом случае информация о тест-изображении кодируется протяженностью полоски R_j и при перемещении транспаранта преобразуется в длительность τ_j (между началом и концом светового сигнала). Блок 24 осуществляет дифференцирование и нормирование длительности переднего и заднего фронтов светового сигнала, при этом положительные и отрицательные импульсы, образованные соответственно по переднему и заднему фронтам оптического сигнала, являются импульсами синхронизации i_c и кода i_k соответственно. Считанная информация 28 с информационной дорожки транспаранта 2 посредством фотоприемника 25 через блок 24 поступает на третий вход АЦП 17. Последний преобразует время t_c между соседними синхроимпульсами i_c и длительность τ_j между синхро- и кодовыми (i_c и i_k) импульсами в цифровой код и передает его на первый информационный вход МП. Процессор вычисляет скорость перемещения, равную V=T_c/t_c и анализирует информацию о комбинации проецируемого на ПИ 9 тест-изображения. При этом информация о всех возможных комбинациях синусоидальных решеток с разными пространственными частотами на транспаранте заложена в памяти МП. Фотоприемник 23 измеряет интенсивность потока записывающего излучения, поскольку I_k пропорционально E_з. Сине-зеленый светофильтр 22 предотвращает попадание на фотоприемник 23 считывающего излучения. Аналоговый сигнал с фотоприемника 23 поступает на третий вход АЦП 17, где преобразуется и в виде цифрового кода поступает на первый информационный вход МП 20. Фотоприемники 23 и 25 осуществляют обратную связь. Переданные в МП с фотоприемников данные об истинных значениях интенсивности E_з и скорости V перемещения транспаранта сравниваются с программно-заданными значениями. При несовпадении значений МП выдает на управляющий выход 2 команды коррекции, которые преобразуются ЦАП 18 в аналоговые сигналы. Аналоговые сигналы с первого и со второго выхода ЦАП через первый и второй каналы усилителя мощности 21 управляют работой регулятора интенсивности 3 и электроприводом 25 соответственно.

Существенными отличительными признаками предлагаемого устройства являются: во-первых, выполнение транспаранта в виде "бесконечной" ленты с расположенными на ней комбинациями последовательных, параллельных или последовательно-параллельных чередующихся синусоидальных решеток с разными пространственными частотами и количества, а по краям ленты кодовой дорожки, несущей информацию о пространственно-частотных параметрах синусоидальных решеток и их комбинации на определенном участке транспаранта; во-вторых, образование обратных связей посредством введения новых блоков, с одной стороны, по цепи формирования тест-изображения (регистрация обработка - управление скоростью перемещения и интенсивностью записывающего излучения), а с другой стороны, по информационной цепи анализа данных о динамических и пространственно-частотных параметрах тест-изображения и его Фурье-спектра, и выдачи управляющей (корректирующей) команды на изменение параметров тест-изображения.

Данные отличительные признаки являются новыми, поскольку не использовались в известных устройствах, и существенными, поскольку обеспечивают решение ранее поставленных задач с высокой точностью.

Преимущество заявляемого когерентно-оптического спектроанализатора изображений по сравнению с прототипом заключается в следующем: во-первых, время экспонирования t не зависит от скорости V перемещения транспаранта, следовательно экспозиционная чувствительность, определяемая произведением времени экспонирования на интенсивность записывающего света также не зависит от скорости перемещения; во-вторых, время существования Фурье-спектра, определяемое протяженностью одной решетки, может быть сколь угодно большим, что позволяет непрерывно наблюдать и исследовать дифракционные порядки Фурье-спектра обычными устройствами; в-третьих, повышается точность измерения динамических параметров преобразователей изображения, за счет регистрации фотоприемниками реальных параметров тест-сигнала, их передачи в канал обработки данных, где по заложенной ранее программе или посредством блока управления вырабатываются управляющие или корректирующие команды исполнительным устройствам электроприводу, изменяющему скорость перемещения транспаранта, и регулятору интенсивности, изменяющему интенсивность записывающего излучения; в-четвертых, повышается результативность измерений, поскольку каждая комбинация тест-изображений состоит из вариации синусоидальных решеток разных пространственных частот; в-пятых, существенно увеличивается производительность и информативность измерений за счет автоматизации экспериментального перебора параметров тест-сигнала посредством информационной обратной связи между управляемыми параметрами тест-изображения и регистрируемыми параметрами его Фурье-спектра.

Источники информации
1. Цуккурман Н. С. Субботин Ф.М. Романов А.М.//ОМП. -1988, N4, с. 1-3 (аналог).

2. Александров Б. Г. Никитин В.В. Кузьмина И.И. Онохов А.П. Измерение динамических характеристик пространственных модуляторов света с оптической адресацией//ОМП. -1992, N2, с. 15-17 (прототип).

3. Никитин В.В. Раппопорт Б.И. Точиленко И.В. Повышение быстродействия устройств ввода изображений в когерентный оптический коррелятор//Техника средств связи. Сер. "Техника телевидения". -1989, Вып.2, с. 59-64.

4. Авторское свидетельство СССР N 1223808, кл. H 01 S 3/13, 1991.

5. Авторское свидетельство СССР N 714339, кл. G 03 B 7/16, 1980.

Использование: изобретение относится к оптической обработке информации. Существо изобретения: транспарант 2 спектроанализатора выполнен в виде "бесконечной" ленты с расположенными на ней комбинациями последовательных, параллельных или последовательно-параллельных чередующихся синусоидальных решеток с разными пространственными частотами ν_n, а по краям ленты - информационной дорожкой 27 в виде кодовых полосок 28 определенной протяженности, несущей информацию о пространственно-частотных параметрах синусоидальных решеток и их комбинации на определенном участке транспаранта. В приемно-регистрирующий блок введены первый 23 и второй 25 фотоприемники, дифференцирующий блок 24, аналого-цифровой 17 и цифроаналоговый 18 преобразователи, микропроцессор 20, блок управления 14 и усилитель мощности 21, а в канал записи - регулятор интенсивности потока излучения 3. Образованы обратные связи, с одной стороны, по цепи формирования тест-изображения (регистрация - обработка - управление скоростью перемещения и интенсивностью записывающего излучения), а с другой стороны, по информационной цепи между управляемыми параметрами тест-изображения и регистрируемыми параметрами его фурье-спектра. 2 ил.

Когерентно-оптический спектроанализатор изображений, содержащий оптически связанные канал записи, состоящий из диапроектора, транспаранта, электропривода, входного объектива и светофильтра, канал считывания, состоящий из источника когерентного излучения, расширителя, красного светофильтра, анализатора и выходного объектива, светоделитель, преобразователь изображений и приемно-регистрирующий блок, состоящий из телевизионной камеры, блока выборки строки и видеоконтрольного устройства, отличающийся тем, что введены первый и второй фотоприемники, дифференцирующий блок, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, цифроаналоговый преобразователь, блок управления, усилитель мощности и регулятор интенсивности записывающего света, при этом транспарант выполнен в виде "бесконечной" ленты с расположенными вдоль нее по кадровому окну комбинациями последовательных, параллельных или последовательно-параллельных чередующихся синусоидальных решеток с разными пространственными частотами, а по краям кодовой информационной дорожки, и связан механически с электроприводом с регулируемой скоростью, информационный выход телевизионной камеры соединен с первым входом аналого-цифрового преобразователя, а его второй и третий входы соединены с первым и через дифференцирующий блок с вторым фотоприемниками, выход аналого-цифрового пробразователя соединен с первым информационным входом микропроцессора, второй вход микропроцессора соединен с выходом блока управления, первый управляющий выход микропроцессора соединен с входом блока выборки строк, выход которого соединен с управляющим входом телевизионной камеры, второй управляющий выход микропроцессора соединен с входом цифроаналогового преобразователя, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами усилителя мощности, первый выход которого соединен с регулятором интенсивности света, а второй с электроприводом, третий информационный выход микропроцессора соединен с входом видеоконтрольного устройства.