УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G02F1/03 

Изобретение относится к области оптической обработки информации и может найти применение в оптоэлектронике и голографии.

Известно устройство для регистрации изображений - фотоаппарат ЗЕНИТ-18 [1] , построенное по принципу однообъективной зеркальной камеры, в котором экспозиция (произведение освещенности на время экспонирования) регулируется автоматически по шкале выдержек (освещенность постоянна, а время экспонирования изменяется [2]) с помощью автоматического регулятора выдержки. Устройство содержит видоискатель, объектив, дальномер, диафрагму, шторный фотозатвор с автоматическим регулятором выдержки, встроенный фотоэкспонометр, синхроконтакт и фоторегистрирующую среду (фотопленку). Его оптическая система позволяет фокусировать и определять границы снимаемого кадра непосредственно через съемочный объектив, а также измерять свет, отраженный от предмета, и формировать фотоэлектрический сигнал. Свет от объекта проходит через объектив и отражается зеркалом на матовое стекло, где возникает изображение, идентичное изображению, которое появилось бы на фоторегистрирующей среде в отсутствие зеркала. Часть света, прошедшая через съемочный объектив, попадает на фоточувствительный элемент экспонометра, который электрически связан с автоматическим регулятором выдержки. Величина фототока в цепи экспонометра задает определенное время выдержки. При увеличении или уменьшении освещенности время выдержки, соответственно, уменьшается или увеличивается. Таким образом осуществляется автоматическая регулировка уровня экспозиции по цепи электрической обратной отрицательной связи, управляемой оптически. Синхроконтакт, электромеханически связанный со шторным затвором и с автоматическим регулятором выдержки, синхронно подключает внешние осветительные системы (электронную импульсную лампу, фотовспышку и т.п.) и обеспечивает срабатывание фотозатвора с определенной задержкой. При срабатывании фотозатвора зеркало отклоняется и проецируемое изображение регистрируется на фоточувствительной среде.

Недостатком такого устройства является принципиальная невозможность осуществлять фоторегистрацию и преобразование изображений в реальном масштабе времени на реверсивных фоточувствительных многослойных структурах с распределенными параметрами.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является устройство для преобразования изображения [3], содержащее последовательно расположенные по направлению распространения записывающего света объектив, светоделительный элемент, многослойную структуру, состоящую из входного электропроводящего слоя, диэлектрического слоя, высокоомного фотополупроводника, электрооптического кристалла и выходного электропроводящего слоя, светофильтр, анализатор и источник питания, первый и второй выходы которого соединены с входным и выходным электропроводящими слоями, при этом объектив и светоделительный элемент формируют в плоскости высокоомного фотополупроводника кадровое окно. В данном устройстве регистрация изображения осуществляется фотогенерацией носителей зарядов в слое высокоомного фотополупроводника активным для него светом, прошедшим через входной электропроводящий и диэлектрический слои, при приложении к входному и выходному электропроводящим слоям внешнего напряжения от источника питания. Регистрируемое изображение преобразуется и хранится в виде зарядового рельефа на границе фотополупроводник - диэлектрик и частично в объеме фотополупроводника. При этом пространственное распределение и локальные концентрации фотогенерированных зарядов определяются пространственной модуляцией записывающего света (пространственным распределением яркостных градаций фотографируемого объекта). Вследствие пространственной модуляции фотопроводимости в объеме фотополупроводника, приложенное к электропроводящим слоям и сконцентрированное, в основном, на слое высокоомного фотополупроводника внешнее напряжение перераспределяется с его слоя на слой электрооптического кристалла. При достижении пороговых значений напряжений в слое электрооптического кристалла на участках, соответствующих освещенным участкам фотополупроводника, происходит частичное или даже полное разрушение его текстурированной толщи. Плоскополяризованный считывающий свет, просвечивающий слой электрооптического кристалла на участках текстурированных разрушений, изменяет фазу поляризации. Модуляция считывающего света по фазе с помощью анализатора преобразуется в модуляцию по интенсивности, и регистрируемое и преобразуемое изображение передается в дальнейшие каналы его обработки.

Основными недостатками этого устройства являются: во-первых, ограниченный диапазон регистрируемых интенсивностей записывающего света и, во-вторых, резко сжатые тональности и интервалы оптических плотностей преобразуемого изображения. Это обусловлено высокой крутизной вольт-контрастных характеристик электрооптического (жидкого) кристалла и фиксируемой величиной напряжения питания. Изменение динамического диапазона экспозиции, как по шкале выдержек, так и по шкале интенсивностей влияет на тональность и интервалы оптических плотностей преобразуемого изображения, а также на динамический процесс цикла запись-считывание-стирание. При этом малые времена экспонирования ограничены кинетикой фотоотклика, а большие - приводят к растеканию фотогенерированных зарядов и размыванию электронного рельефа изображения. Более того, длительная выдержка способствует нестационарным кинетико-релаксационным явлениям, приводящим к искажениям преобразуемого изображения. Расширение динамического диапазона интенсивности записывающего света и диапазона тональностей и интервала оптических плотностей возможно опытным путем подбора оптимальных режимов питания для определенной экспозиции записывающего света. Поскольку любое изменение экспозиции записывающего света требует оперативного изменения величины напряжения питания многослойной структуры, то необходимо наличие обратной связи между оптической экспозицией и величиной напряжения питания. Из-за отсутствия такой связи в данном устройстве динамические диапазоны интенсивности записывающего света и оптических плотностей преобразуемого изображения ограничены фиксированной величиной напряжения питания.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, а также увеличение динамического диапазона интенсивности записывающего света и оптических плотностей преобразуемого изображения.

Это достигается за счет образования оптико-электронной обратной отрицательной связи между экспозицией записывающего света по кадровому окну и регулируемой величиной напряжения питания многослойной структуры. В качестве сигнала, управляющего определенной величиной напряжения питания, служит интегрированный по кадровому окну в слое фотополупроводника поверхностный фототок. При освещении кадрового окна фотоактивным записывающим светом фототок образуется в замкнутой цепи между управляющими электродами, расположенными планарно по поверхности фотополупроводника за пределами кадрового окна и с противоположных его сторон. При этом управляющие электроды выполнены планарно в виде параллельных полос и длиной, равной размеру кадрового окна. Управляющий сигнал в слое фотополупроводника может формироваться и за пределами кадрового окна. В этом случае управляющие электроды расположены за пределами кадрового окна с одной из его сторон и выполнены, соответственно: планарно на одной из сторон фотополупроводника (для формирования управляющего поверхностного фототока); либо с образованием структуры входной прозрачный управляющий электрод - фотополупроводник - выходной управляющий электрод (для формирования управляющего объемного фототока). В случае формирования управляющего сигнала за пределами кадрового окна в устройство дополнительно вводится интегрирующее зеркало, оптически связанное долей записывающего света со светоделительным элементом и с участком фотополупроводника, расположенным между управляющими электродами.

На фиг. 1,3,5 представлены оптические схемы устройств для преобразования изображений и их электрические схемы включения, на фиг. 2 и 4 - варианты выполнения планарных электродов, соответственно, с противоположных сторон и за пределами кадрового окна, и с одной стороны за пределами кадрового окна. Устройство содержит: 1 - объектив, 2 - светоделительный элемент, 3 - кадровое окно, 4 и 9 - соответственно, входной и выходной электропроводящие слои, 5 - диэлектрический слой, 6 - высокоомный фотополупроводник, 7 - область пространственного заряда (ОПЗ), 8 - электрооптический кристалл, 10 - светофильтр, 11 - анализатор, 12 - управляющие электроды, 13 - автоматический регулятор уровня (АРУ), 14 - источник питания с регулируемым напряжением питания, 15 - зеркало и 16 - входной прозрачный управляющий электрод. Для формирования управляющего сигнала за пределами кадрового окна 3 на фиг.3 и 5 дополнительно введенное зеркало 15 интегрирует поток e₀(x,y, δλ ) доли записывающего света на малую область фотополупроводника между управляющими электродами. При формирования управляющего сигнала по объемному фототоку управляющие электроды образуют структуру входной прозрачный управляющий 16 электрод - фотополупроводник 6 - выходной управляющий 12 электрод (фиг.5).

Устройство для преобразования изображений работает следующим образом.

В исходном состоянии при отсутствии записывающего излучения E₀(x,y, Δλ) от объекта напряжение, приложенное к электропроводящим слоям 4 и 9 (фиг. 1, 3, 5) делится на высокоомном фотополупроводнике 6 и электрооптическом кристалле 8 обратно пропорционально их емкостям. То есть значительная часть напряжения сосредоточена на диэлектрическом слое 5, на границе раздела диэлектрик-фотополупроводник и частично в объеме фотополупроводника. Напряжение на электрооптическом кристалле 8 меньше порогового напряжения, и он "выключен", т. е. его текстура по толщине оптически активна для проходящего света.

Запись изображения объекта осуществляется активным для высокоомного фотополупроводника 6 светом E₀(x,y,δλ)≠0 , падающим со стороны слоя диэлектрика 5 при приложении к электропроводящим слоям 4 и 9 напряжения от источника 14 питания. Записывающий свет E₀(x,y, Δλ) от объекта, пройдя через объектив 1 и светоделительную призму 2, создает изображение E₀(x,y, δλ) объекта на фотополупроводнике 6, где происходит генерация носителей заряда. Их концентрация в соответствующих участках 7 (области пространственного заряда) фотополупроводника 6 пропорциональна пространственно промодулированному распределению интенсивности записывающего света (изображения) в каждой точке кадрового окна 3, сформированного объективом 1 и светоделительным элементом 2. Фотогенерированные заряды в фотополупроводнике 6 перераспределяют падения напряжения с участков 7 фотополупроводника на соответствующие участки электрооптического кристалла 8. По достижении напряжения выше порогового текстура ЭОК на этих участках разрушается.

Считывание скрытого изображения осуществляется постоянно действующим и не фотоактивным для высокоомного фотополупроводника светом I₀(λ). Считывающий свет I₀(λ) проходит через светоделительный элемент 2 (в качестве которого может быть использована поляризационная призма Глана), где он поляризуется, входной прозрачный электропроводящий слой 4, диэлектрический слой 5, слой 6 фотополупроводника без генерации в нем неравновесных носителей заряда, слой 8 электрооптического кристалла и выходной электропроводящий слой 9. На выходе каждого участка многослойной структуры считывающий свет промодулирован по фазе в соответствии с распределением падений напряжений в слое 8 электрооптического кристалла по участкам кадрового окна 3, соответствующим распределению концентрации фотогенерированных носителей заряда. Модуляция считывающего света по фазе с помощью анализатора 11 преобразуется в модуляцию по интенсивности I(x,y, λ), и преобразованное изображение передается в дальнейшие каналы его обработки.

Наряду с формируемым зарядовым рельефом 7 в объеме высокоомного фотополупроводника 6, модулирующим пространственную фотопроводимость пропорционально пространственно-промодулированному по интенсивности записывающего света E₀(x, y, δλ), существует поверхностная фотопроводимость, пропорциональная площади кадрового окна 3 и интегральной его освещенности E = E₀( δλ ). В простейшем случае монополярная стационарная фотопроводимость фотополупроводника на участке 3 кадрового окна размером a x b (фиг.2) и толщиной d определяется выражением:
B = (σ_T+σ_Ф)•a•b•d = e•(μ_nn₀+αβΕμ_nτ_n)•a•b•d, (1)
где σ_Т,σ_Ф - удельные темновая и фото проводимости; e - заряд электрона, μ_n - подвижность, n₀ равновесная (темновая) концентрация электронов, α - показатель поглощения фотополупроводника, β - квантовый выход, E - интенсивность излучения, τ_n - время жизни неравновесных носителей заряда. С учетом поглощательной способности фотополупроводника

где S=a x b - площадь кадрового окна, SФi

= aФi•bФi - площадь i-го участка в сечении пространственно-промодулированного светового сигнала интенсивностью E_0i. При отсутствии освещенности E₀ = 0 проводимость участка между управляющими электродами равна B=e• μ_n •a•b•d•n₀ и определяется постоянными: длиной a управляющих электродов и расстоянием b между ними. При освещении фотополупроводника E₀ ≠ 0 первым членом в выражении (2) можно пренебречь в силу малости его значения, тогда

Таким образом, поверхностная фотопроводимость между управляющими электродами пропорциональна сумме освещенных i-x площадей SФi с интенсивностью каждой, равной E_0i, т.е. интегральной освещенности кадрового окна. Очевидно, что при полном освещении кадрового окна S≈SФi поверхностная фотопроводимость будет определяться интегральным изменением интенсивностей E_0i. При достижении максимального значения интенсивности E_0i ≈ E₀ в каждой точке кадрового окна поверхностная фотопроводимость достигнет своего наибольшего предела. Поскольку поверхностная фотопроводимость на одной из поверхностей фотополупроводника выполняет функцию интегрирования светового потока по кадровому окну, то формируемый в цепи управляющих электродов 12 фототек пропорционален интегральной освещенности E кадрового окна.

Высокая освещенность кадрового окна приводит к интенсивной генерации зарядов и росту диффузии в близлежащие области. Большие концентрации фотогенерированных зарядов растекаются по поверхности и в объеме фотополупроводника, захватываясь на ловушки, при этом зарядовый рельеф размывается. Существенное влияние на процессы диффузии оказывают полярность и величина питающего напряжения от источника 14 питания. Возникающие диффузионно-дрейфовые процессы в объеме фотополупроводника могут как усиливать, так и ослаблять формирование зарядового рельефа. При высокой освещенности уменьшение напряжения питания многослойной структуры уменьшает суммарный заряд как на поверхности, так и в объеме фотополупроводника, как бы "компенсируя" этим рост диффузии, следовательно, сохраняя зарядовый рельеф. При низкой освещенности увеличение напряжения питания увеличивает суммарный заряд за счет увеличения дрейфовой составляющей тока, усиливая этим формирование зарядового рельефа. Управляющие электроды 12 с поверхностной фотопроводимостью образуют цепь с оптико-электронной отрицательной обратной связью. Эта цепь управляет напряжением питания многослойной структуры, состоящей из компонентов 4-9. То есть по величине фототока, образуемого в цепи управляющих электродов 12, посредством автоматического регулятора 13 уровня на его третьем выходе формируется управляющий сигнал. Этот управляющий сигнал поступает на третий вход источника 14 питания и изменяет величину напряжения на его первом и втором выходах так, что при увеличении освещенности E₀(x,y, Δλ) кадрового окна 3 напряжение питания между слоями 4 и 9 уменьшается, и наоборот.

Из-за поглощательной способности фотополупроводника и конечной его толщины фототоки на фронтальной и тыльной поверхностях могут существенно отличаться. При этом изготовление управляющих электродов на фронтальной или тыльной поверхности фотополупроводника принципиально не изменяют своего функционального предназначения. Основным при выборе поверхности фотополупроводника для изготовления управляющих электродов является то, чтобы потенциалы управляющих электродов и поверхностный (интегрированный по кадровому окну) фототок не влиял на перераспределение фотогенерированных зарядов в объеме фотополупроводника. Для этого необходимо, чтобы их минимальная концентрация в объеме фотополупроводника превышала максимальное значение поверхностной концентрации неравновесных зарядов. Поэтому для минимизации влияния дрейфовой составляющей поверхностного тока на зарядовый рельеф управляющие электроды 12 предпочтительнее изготовить на тыльной поверхности фотополупроводника со стороны слоя электрооптического кристалла, как показано на фиг. 1.

Полное исключение влияния потенциалов управляющих электродов на зарядовый рельеф в фотополупроводнике 6 по кадровому окну 3 возможно при изготовлении управляющих электродов за пределами кадрового окна с одной из его сторон: расположенных планарно, на одной из поверхностей фотополупроводника (фиг. 3 и 4), либо последовательно по направлению распространения доли записывающего света с образованием "сендвич"-структуры входной прозрачный управляющий электрод 16 - фотополупроводник 6 - выходной управляющий электрод 12 (фиг. 5). В этом случае дрейфовая составляющая поверхностного тока по кадровому окну отсутствует. Интегрирование светового потока по кадровому окну осуществляется за счет дополнительно введенного вогнутого зеркала 15, оптически связанного долей e₀(x, y, δλ) записывающего света со светоделительным элементом 2 и с участком высокоомного фотополупроводника 6 за пределами кадрового окна 3 с одной из его сторон, заключенного, соответственно, между планарными управляющими электродами 12 (поверхностный управляющий фототок), либо между входным прозрачным управляющим электродом 16 и выходным управляющим электродом 12 (объемный управляющий фототок). В этих случаях устройство работает аналогично показанному на фиг. 1, с той лишь разницей, что функцию интегрирования записывающего света E₀(x,y, δλ) по кадровому окну 3 выполняет дополнительно введенное вогнутое зеркало 15 (фиг.3 и 5). При этом вместо записывающего света по кадровому окну E₀(x,y, δλ) используется его доля e₀(x, y, δλ), выделенная светоделительным элементом 2. Зеркало 15 интегрирует долю e₀(x,y, δλ) записывающего света, создавая световое пятно, которое проецируется между управляющими электродами 12 на участке поверхности фотополупроводника 6 за пределами кадрового окна 3. Интенсивность интегрированной доли e₀(x, y, δλ) записывающего света в световом пятне пропорциональна интенсивности E₀(x,y, δλ) записывающего света в кадровом окне. Конфигурация и размеры управляющих электродов 12 могут быть произвольными, а их расположение за пределами кадрового окна может иметь различные варианты, отличающиеся от варианта, представленного на фиг. 4. При этом необходимо соблюдать, чтобы расстояние между управляющими электродами соответствовало размеру светового пятна. Выполнение планарных управляющих электродов 12 возможно как на фронтальной, так и на тыльной поверхности фотополупроводника. Изготовление управляющих электродов в виде структуры входной прозрачный управляющий электрод 16 - фотополупроводник 6 - выходной управляющий электрод 12 (фиг.5) позволяет эффективно уменьшить область управляющих электродов, а также уменьшить площади самих электродов 12 и 16 до размеров фокусируемого светового пятна доли e₀(x,y, δλ) записывающего света. Более того, поскольку в этом случае управляющие электроды 12 и 16 выполнены на едином, по толщине, фотополупроводнике 6, то объемный фототок интегрированного светового потока e₀(x, y, δλ) и его кинетико-релаксационные процессы будут коррелировать с фотоэлектрическими процессами, происходящими в кадровом окне при воздействии записывающего света E₀(x,y, δλ).

Отличительным признаком заявленной совокупности является создание оптико-электронной ООС между экспозицией записывающего света по кадровому окну и автоматически регулируемой величиной напряжения питания многослойной структуры. При этом, во-первых, оптическим управляющим сигналом служит: либо записывающий свет E₀(x, y, δλ) по кадровому окну с формированием поверхностного интегрированного управляющего фототока, либо доля e₀(x,y, δλ) записывающего света E₀(x,y, Δλ), интегрируемая на малую область управляющего электрода с формированием объемного управляющего фототока; во-вторых, преобразование оптического управляющего сигнала в электрический управляющий сигнал (поверхностный или объемный) осуществляется посредством высокоомного фотополупроводника, одновременно являющимся основой многослойной структуры для преобразования изображения.

Преимущество заявляемого устройства для преобразования изображений по сравнению с прототипом заключается в следующем: во-первых, расширяются функциональные возможности за счет образования ООС и АРУ; во-вторых, увеличивается динамический диапазон интенсивности записывающего света; в-третьих, расширяется диапазон оптических плотностей преобразуемого изображения.

Источники информации
1. Щепанский Г.В. Техника фотографии. - М.: Искусство, 1987.

2. Августинович К.А. Основы фотографической метрологии. - М.: Легпромбытиздат, 1990.

3. Васильев А. А. , Касасент Д., Компанец И.Н., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света. - М.: Радио и связь, 1987, (прототип).

Изобретение относится к оптической обработке информации. Сущность изобретения заключается в интегрировании оптического сигнала по кадровому окну и его преобразовании в электрический сигнал, посредством которого осуществляется автоматическая регулировка уровня напряжения, питающего многослойную структуру преобразователя изображения. Оптическим управляющим сигналом служит либо записывающий свет Е₀(х,у,Δλ) по кадровому окну с формированием поверхностного интегрированного фототока, либо его доля е₀(х,у,δλ), интегрируемая введенным зеркалом на малую область между управляющими электродами, расположенными за пределами кадрового окна, с формированием поверхностного или объемного фототока. Преобразование оптического управляющего сигнала в электрический управляющий сигнал осуществляется посредством высокоомного фотополупроводника, одновременно являющегося основой многослойной структуры для преобразования изображения. Технический результат - расширение функциональных возможностей, увеличение динамического диапазона интенсивности записывающего света и оптических плотностей преобразуемого изображения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для преобразования изображения, содержащее последовательно расположенные по направлению распространения записывающего света объектив, светоделительный элемент, многослойную структуру, содержащую входной электропроводящий слой, диэлектрический слой, высокоомный фотополупроводник, электрооптический кристалл, выходной электропроводящий слой, светофильтр и анализатор, а также источник питания, первый и второй выходы которого электрически связаны с входным и выходным электропроводящими слоями, при этом объектив и светоделительный элемент формируют в плоскости высокоомного фотополупроводника кадровое окно, отличающееся тем, что введены автоматический регулятор уровня и два управляющих электрода на поверхности фотополупроводника со стороны электрооптического кристалла, электрически связанные с первым и вторым входами автоматического регулятора уровня, выход которого связан с входом источника питания, при этом управляющие электроды выполнены планарно в виде параллельных полос, длина которых равна размеру кадрового окна, и расположены за пределами кадрового окна с противоположных его сторон. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно введено зеркало, оптически связанное долей записывающего света со светоделительным элементом и с участком поверхности фотополупроводника между планарными управляющими электродами, которые расположены со стороны электрооптического кристалла за пределами кадрового окна с одной из его сторон. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно введено зеркало, оптически связанное долей записывающего света со светоделительным элементом и со структурой входной прозрачный управляющий электрод - фотополупроводник - выходной управляющий электрод, расположенной за пределами кадрового окна с одной из его сторон.