УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H04N5/30 G06E3/00 

Изобретение относится к технике телевидения и может быть использовано в оптико-электронных системах обработки изображений.

Известно устройство формирования сигналов изображения /Авторское свидетельство СССР №311987, кл. Н 04 N 57335, 1986 г./, состоящее из матрицы ПЗС, синхрогенератора и видеоконтрольного блока, принцип действия которого основан на преобразовании оптического сигнала в видеосигнал изображения с помощью ПЗС. Недостатком данного устройства является невозможность осуществления каких-либо операций по обработке изображения в процессе его формирования.

Известно также устройство, принятое за прототип /Телевизионная камера высокой четкости на матрице ПЗС с фоконом. // Техника средств связи. Сер. Техника телевидения, - 1987 г. - Вып.4. - С.18-21/, состоящая из матрицы ПЗС и фоконной сборки, состыкованной узкими торцами фоконов со светочувствительными ячейками секции накопления матрицы ПЗС. Недостатком данного устройства является невозможность осуществления предварительной обработки изображения до поступления оптического сигнала на фотоприемник.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства формирования сигналов изображения путем введения предварительной обработки изображения с помощью пространственного фильтра с переменными характеристиками на волоконных ответвителях.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство формирования и обработки изображения, содержащее матрицу ПЗС и фоконную сборку, на широкие торцы которой проецируется изображение, дополнительно введены устройство управления, матрица оптических разветвителей 1:5, пространственный фильтр X и пространственный фильтр Y, каждый из которых содержит матрицу электрически управляемых оптических ответвителей на трех связанных волноводах, причем вход каждого оптического разветвителя 1:5 подключен к узкому торцу соответствующего фокона, один выход каждого оптического разветвителя 1:5 подключен к центральному входу соответствующего оптического ответвителя пространственного фильтра X, расположенного на одной оси с фоконом, два других выхода каждого оптического разветвителя 1:5 подключены к боковым входам соседних ответвителей пространственного фильтра X, два оставшихся выхода каждого оптического разветвителя 1:5 подключены к боковым входам соседних ответвителей пространственного фильтра Y, центральный вход каждого ответвителя пространственного фильтра Y подключен к одному из боковых выходов соответствующего ответвителя пространственного фильтра X, один из боковых выходов каждого ответвителя пространственного фильтра Y оптически связан с ячейкой ПЗС, причем на электрические входы каждого ответвителя подано двуполярное управляющее напряжение, вырабатываемое устройством управления, на входы которого поступают двоичный код ответвителя и двоичный код коэффициентов, определяемых формой АЧХ, и состоящим из дешифратора и блоков запоминания и формирования управляющих напряжений, каждый из которых состоит из двух цифроаналоговых преобразователей и регистра, причем количество блоков запоминания и формирования управляющих напряжений соответствует количеству ответвителей.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства формирования и обработки изображения.

Устройство формирования и обработки изображения содержит фоконную сборку 1, матрицу разветвителей 2, пространственный фильтр Х (ПрФ X) 3, устройство управления 4, пространственный фильтр Y (ПрФ Y) 5, матрицу ПЗС 6.

Устройство формирования и обработки изображения работает следующим образом. Оптический сигнал изображения проецируется на широкие торцы фоконов фоконной сборки 1, узкие торцы которых состыкованы с разветвителями, распределяющими световой поток на оптические входы фильтров 3 и 5, где производится обработка изображения по координате Х и Y. С выходов ПрФ Х сигнал с помощью волноводов передается на ПрФ Y 5, с выходов которого обработанный сигнал по волноводам передается на светочувствительные ячейки секции накопления матрицы ПЗС 6. Устройство управления 4 осуществляет подачу управляющего напряжения на фильтры 3 и 5 для формирования пространственной АЧХ необходимой формы.

На фиг.2 изображена схема формирования оптического сигнала на одной ячейке ПЗС, которая содержит фокон 1, оптический разветвитель 2, пространственный фильтр Х 3 и пространственный фильтр Y 5, содержащие электрически управляемые направленные ответвители 4 на трех связанных оптических волноводах, ячейку 6 матрицы ПЗС 7.

Формирование оптического сигнала на одной ячейке ПЗС производится следующим образом. Элемент изображения проецируется на широкий торец фокона 1, с выхода которого оптический сигнал с помощью оптического разветвителя 2 распределяется на пять волноводов: один волновод подключается к центральному входу ответвителя, расположенного на одной оси с фоконом 1, два волновода - к боковым входам соседних ответвителей 4 пространственного фильтра Х 3 и два волновода - к боковым входам соседних ответвителей 4 пространственного фильтра Y 5. С выхода ответвителя 4 пространственного фильтра Х 3, расположенного на одной оси с фоконом 1, оптический сигнал поступает на центральный вход соосного ответвителя 4 пространственного фильтра Y 5, с выхода которого обработанный сигнал поступает на ячейку 6 матрицы ПЗС 7.

Пространственная обработка в ответвителях производится следующим образом. На фиг.3 изображена схема электрически управляемого ответвителя на трех связанных волноводах. Такие ответвители используют явление электрооптического эффекта Поккельса и содержат три волновода 1, 2 и 3 с расположенными рядом электродами 4, 5 и 6. Электроды 5, расположенные рядом с волноводом 2, подключены к шине «корпус», электрод 4, расположенный рядом с волноводом 1, подключен к шине «+U» и электрод 6, расположенный рядом с волноводом 3, подключен к шине «-U», как показано на фиг.3. Такое подключение приводит к тому, что знаки приращения показателей преломления волноводов 1 и 3 становятся противоположными, что необходимо для пространственной обработки.

Световые потоки Ф(х)на входах и Ф' (х) на выходе ответвителя 2 связаны между собой с помощью линейного преобразования /Волоконная оптика. Труды института общей физики. Т.23. -М.: Наука, 1990. -с.108-114/ по формуле:

где а₂=(cos²(β_R0·L)+2·cos(β_R0·L)·cos(2·β_R1·L)+1)·0,25;

a₁=sin²(β_R0·L)·0,5;

a₀=(cos²(β_R0·L)-2·cos(β_R0·L)·cos(2·β_R1·L)+1)·0,25;

β_м=0,5·β₂+0,25·(β₁+β₃) - средняя постоянная распространения;

β_R0=0,5·(β₁-β₃), β_R1=0,25·(β₁+β₃)-0.5·β₂ - относительные постоянные распространения мод участка связи L;

β₁, β₂, β₃ - постоянные распространения первого, второго и третьего волноводов соответственно;

α - коэффициент потери мощности при прохождении ответвителя.

Для определения пространственной АЧХ производится замена

где _{- пространственная частота. С учетом замены решение выражения приводит к тому, что направленный ответвитель осуществляет взвешенное суммирование световых потоков Фi от элементов изображения, расположенных с интервалом Δx по оси х, а передаточная функция ответвителя описывается выражением:}

Полученное выражение соответствует передаточной функции нерекурсивного фильтра.

Постоянные распространения β₁, β₃ имеют линейную зависимость от приложенного напряжения U /Волноводная оптоэлектроника. Под ред. Тамира. - М.: Мир, 1991. - 573 с./:

где λ₀ - длина волны, на которой производится обработка изображения;

n₀ - показатель преломления невозбужденного волновода;

r₃₃ - электрооптический коэффициент (знак «+» для β₁ и «-» для β₃ определяется полярностью управляющего напряжения, прикладываемого к боковым электродам). Как видно из выражений (1), (2) и (3), изменение управляющего напряжения приводит к изменению коэффициентов а_k и, следовательно, к изменению формы АЧХ. Отсутствие управляющего напряжения обеспечивает прохождение оптического сигнала на ячейку ПЗС без обработки. Вывод светового потока осуществляется с одного из боковых волноводов, т.к. форма АЧХ их идентична.

Поскольку световой поток с ответвителя 4 пространственного фильтра 3 (см. фиг.2) поступает на соответствующий аналогичный ответвитель 4 пространственного фильтра 5, где производится аналогичная обработка по координате Y с коэффициентами а_m, то в итоге последовательное соединение двух фильтров дает общую передаточную функцию:

На фиг.4 изображена схема устройства управления, состоящая из дешифратора 1 и блоков запоминания и формирования управляющих напряжений (БЗФУН) 2, каждый из которых состоит из двух цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 3 и регистра 4. Дешифратор 1 по входному коду ответвителя подачей напряжения на регистр 4 осуществляет выбор необходимого БЗФУН 2. Регистр 4 выбранного БЗФУН запоминает код коэффициента, который поступает на его вход, а с выхода регистра код коэффициента в двоичном виде поступает на цифроаналоговые преобразователи, формирующие положительное и отрицательное управляющие напряжения U_yпp, пропорциональные десятичному эквиваленту двоичного кода коэффициента.

Таким образом, устройство формирования и обработки изображений с введением пространственных фильтров на базе электрически управляемых волоконных ответвителей позволяет с формированием изображения дополнительно производить его пространственную обработку с необходимой формой АЧХ. В отсутствие управляющего напряжения формирование изображения производится без обработки. Реализация предложенного способа возможна на современной элементной базе.

Устройство содержит фоконную сборку, на широкие торцы которой проецируется изображение, а узкие торцы через матрицу оптических разветвителей 1:5, пространственные фильтры Х и Y, каждый из которых содержит матрицу электрически управляемых оптических ответвителей на трех связанных волноводах, соединены с ячейками матрицы ПЗС, а также устройство управления. На электрические входы каждого ответвителя подается двуполярное управляющее напряжение, вырабатываемое устройством управления, на входы которого поступают двоичный код ответвителя и двоичный код коэффициентов, определяемых формой АЧХ. Устройство управления состоит из дешифратора и блоков запоминания и формирования управляющих напряжений, каждый из которых состоит из двух цифроаналоговых преобразователей и регистра. Количество блоков запоминания и формирования управляющих напряжений соответствует количеству ответвителей. Устройство осуществляет пространственную фильтрацию за счет взвешенного суммирования оптического сигнала от соседних элементов изображения с помощью разветвителей и электрически управляемых волоконных оптических ответвителей. Обеспечивается расширение функциональных возможностей устройства формирования сигналов изображения путем введения предварительной обработки изображения. 4 ил.

Устройство формирования и обработки изображения, содержащее матрицу ПЗС и фоконную сборку, на широкие торцы которой проецируется изображение, отличающееся тем, что в него дополнительно введены устройство управления, матрица оптических разветвителей 1:5, пространственный фильтр Х и пространственный фильтр Y, каждый из которых содержит матрицу электрически управляемых оптических ответвителей на трех связанных волноводах, причем вход каждого оптического разветвителя 1:5 подключен к узкому торцу соответствующего фокона, один выход каждого оптического разветвителя 1:5 подключен к центральному входу соответствующего оптического ответвителя пространственного фильтра Х, расположенного на одной оси с фоконом, два других выхода каждого оптического разветвителя 1:5 подключены к боковым входам соседних ответвителей пространственного фильтра X, два оставшихся выхода каждого оптического разветвителя 1:5 подключены к боковым входам соседних ответвителей пространственного фильтра Y, центральный вход каждого ответвителя пространственного фильтра Y подключен к одному из боковых выходов соответствующего ответвителя пространственного фильтра X, один из боковых выходов каждого ответвителя пространственного фильтра Y оптически связан с ячейкой ПЗС, причем на электрические входы каждого ответвителя подано двуполярное управляющее напряжение, вырабатываемое устройством управления, на входы которого поступают двоичный код ответвителя и двоичный код коэффициентов, определяемых формой АЧХ, и состоящим из дешифратора и блоков запоминания и формирования управляющих напряжений, каждый из которых состоит из двух цифроаналоговых преобразователей и регистра, причем количество блоков запоминания и формирования управляющих напряжений соответствует количеству ответвителей.