ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК H01J31/56 

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к области электронно-оптических преобразователей, и может быть использовано для усиления яркости изображения и (или) перевода изображения из одной спектральной области в другую для целей, например, ночного видения в военной технике, в системах охраны, в полиции, а также в других областях деятельности человека.

Традиционный ЭОП выполнен в виде стеклянного или металлокерамического корпуса, вакуумированого до давления 1,33×10^-3..., 1,33×10^-4 Па, с входным и выходным окнами. На внутренней стороне входного окна нанесен тонкий полупрозрачный слой светочувствительного материала (фотокатод), испускающий электроны при поглощении квантов света. На внутренней стороне выходного окна находится слой люминофора, материала, излучающего свет при попадании на него электронов (экран). Перенос и ускорение электронов, эмитированных фотокатодом, обеспечивается электростатическим полем, для чего к фотокатоду и экрану приложено напряжение от нескольких до десятков кВ (Лебедева В.В. Экспериментальная оптика, М., Изд-во МГУ, 1994 г., с.153.).

Для повышения коэффициента усиления и разрешающей способности электронно-оптические преобразователи второго и более высоких поколений включают вторично-эмиссионный усилитель в виде микроканальной пластины. Этот элемент представляет собой сито с регулярно расположенными каналами диаметром около 10 мкм и толщиной не более 1 мм. Число каналов равно числу элементов изображения и имеет порядок 10⁶. Обе поверхности микроканальной пластины полируются и металлизируются, между ними прикладывается напряжение в несколько сотен вольт. Попадая в канал, электрон испытывает соударения с эмиссионным слоем канала и выбивает вторичные электроны. В тянущем электрическом поле этот процесс многократно повторяется, позволяя получить коэффициент усиления N×10⁴ раз (Патент США №5742115, Кл. МПК Н01J 40/16, Н01J 31/50).

Недостатком электронно-оптических преобразователей с микроканальной пластиной является существенное ограничение разрешающей способности электронно-оптических преобразователей из-за дискретности и конечного диаметра ее каналов. Кроме того, использование микроканальной пластины приводит к появлению дополнительных шумов, возникающих из-за наличия на ее поверхности защитной ионно-барьерной пленки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению (выбранному за прототип) является электронно-оптический преобразователь, включающий корпус с входным и выходным окнами, причем входное окно выполнено в виде волоконно-оптической пластины с возможностью фильтрации оптического излучения, на выходной поверхности которой размещен фотокатод, электронно-возбуждаемую цветную ПЗС-матрицу, размещенную внутри корпуса и обращенную тыльной стороной в сторону входного окна и изолированную от оптического излучения с лицевой стороны, систему фокусировки электронов, установленную между фотокатодом и цветной электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицей, блок формирования видеосигнала (блок управления) и устройство воспроизведения видимого изображения (экран). Выход цветной электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы электрически соединен с входом блока формирования видеосигнала (блока управления) (Патент России №2187169, МПК Н01J 31/56).

Недостатком прототипа является невозможность улучшить качество изображения в неблагоприятных условиях наблюдения, таких как низкая и неравномерная освещенность, неблагоприятные метеоусловия (дымка, туман, пыль, дождь, снег и т.п.), искусственные помехи.

Кроме того, недостатком прототипа является требование прецизионной юстировки расположения ПЗС-матрицы для обеспечения точного попадания электронов, редуцированных фотонами с определенной длиной волны (входной светофильтр), в соответствующую область тыльной стороны ПЗС-матрицы (ячейка, пиксель), требование точного совпадения разрешения ПЗС-матрицы с разрешением проецируемого изображения.

Техническим результатом изобретения является осуществление возможности улучшения качества изображения в неблагоприятных условиях наблюдения, таких как низкая и неравномерная освещенность, неблагоприятные метеоусловия (дымка, туман, пыль, дождь, снег и т.п.), искусственные помехи (дым, взрывы, вспышки) с автоматической адаптацией параметров ЭОП под конкретные условия наблюдения для повышения предельных дальностей обнаружения и распознавания целей, уменьшения времени обнаружения и распознавания целей и снижение психофизических нагрузок на оператора.

Кроме того, техническим результатом является исключение требования прецизионной юстировки расположения ПЗС-матрицы относительно элементов входного окна для обеспечения точного попадания электронов, редуцированных фотонами с определенной длиной волны в соответствующую область ПЗС-матрицы (ячейка, пиксель), и требования точного совпадения разрешения ПЗС-матрицы с разрешением проецируемого изображения.

Технический результат достигается тем, что электронно-оптический преобразователь включает корпус с входным и выходным окнами, причем входное окно выполнено в виде волоконно-оптической пластины, на выходной поверхности которой размещен фотокатод, электронно-возбуждаемую ПЗС-матрицу, размещенную внутри корпуса и обращенную тыльной стороной в сторону входного окна и изолированную от оптического излучения с лицевой стороны, систему фокусировки электронов, установленную между фотокатодом и электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицей, блок формирования первичного видеосигнала и устройство воспроизведения видимого изображения. При этом выход электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы электрически соединен с первым входом блока формирования первичного видеосигнала, а электрический вход - с первым выходом блока формирования первичного видеосигнала.

Согласно изобретению электронно-возбуждаемая ПЗС-матрица выполнена черно-белой с количеством пикселей больше количества рабочих волокон волоконно-оптической пластины, а электронно-оптический преобразователь дополнительно содержит блок обработки видеосигнала и пульт управления. При этом корпус электронно-оптического преобразователя выполнен разделенным на вакуумированую и невакуумированую части. Фотокатод входного окна, система фокусировки электронов и электронно-возбуждаемая черно-белая ПЗС-матрица расположены в вакуумированой части корпуса. Выходное окно, блок формирования первичного видеосигнала и блок обработки видеосигнала расположены в невакуумированой части корпуса. Устройство воспроизведения видимого изображения выполнено в виде микродисплея, установленного в выходном окне корпуса. Второй выход блока формирования первичного видеосигнала электрически соединен с первым входом блока обработки видеосигнала, первый выход которого электрически соединен с входом микродисплея, а второй выход электрически соединен с вторым входом блока формирования первичного видеосигнала, при этом выход пульта управления электрически соединен с вторым входом блока обработки видеосигнала.

Блок обработки видеосигнала может включать аналого-цифровой преобразователь, вычислитель, блок памяти и формирователь выходного видеосигнала, причем вход аналого-цифрового преобразователя электрически соединен с вторым выходом блока формирования первичного видеосигнала, выход аналого-цифрового преобразователя электрически соединен с первым входом вычислителя, первый выход вычислителя электрически соединен с входом формирователя выходного видеосигнала, выход которого электрически соединен с входом микродисплея, второй и третий входы вычислителя электрически соединены соответственно с выходом пульта управления и выходом блока памяти, вход блока памяти и второй вход блока формирования первичного видеосигнала электрически соединены соответственно со вторым и третьим выходами вычислителя.

Входное окно может быть выполнено с возможностью фильтрации оптического излучения.

Входное окно может быть выполнено с возможностью фильтрации оптического излучения в трех выбранных диапазонах длин волн: в диапазоне длин волн видимого излучения, в диапазоне длин волн красного и зеленого цветов (R и G) и в диапазоне длин волн зеленого и синего цветов (G и В).

Входное окно может быть выполнено с возможностью фильтрации видимого излучения в трех выбранных диапазонах длин волн красного, зеленого и синего цветов (R, G, В). В частности фильтрация видимого излучения может проводиться в трех выбранных диапазонах длин волн 0,56 мкм, 0,53 мкм и 0,43 мкм.

Входное окно может быть выполнено с возможностью фильтрации инфракрасного излучения в трех выбранных диапазонах длин волн. В частности фильтрация инфракрасного излучения может проводиться в трех выбранных диапазонах длин волн 1,0 мкм, 0,9 мкм и 0,8 мкм.

Входное окно может быть выполнено с возможностью фильтрации ультрафиолетового излучения в трех выбранных диапазонах длин волн. В частности фильтрация ультрафиолетового излучения может проводиться в трех выбранных диапазонах длин волн 0,3 мкм, 0,25 мкм и 0,2 мкм.

Микродисплей может быть выполнен в виде электронно-лучевой трубки на основе жидкокристаллической панели или на основе панели органических светоизлучающих диодов.

Технический результат достигается также тем, что способ получения видеоизображения в электронно-оптическом преобразователе с входным окном, выполненным в виде волоконно-оптической пластины и электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицей, включает считывание сигналов с пикселей электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы, формирование видеосигнала и передачу сформированного видеосигнала на устройство воспроизведения видеоизображения, при этом считывание сигналов осуществляют с пикселей черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы с количеством пикселей большим количества рабочих волокон волоконно-оптической пластины, формируют первичный черно-белый стандартный видеосигнал, после чего проводят цифровую обработку первичного черно-белого стандартного видеосигнала для получения выходного видеосигнала.

После изготовления электронно-оптического преобразователя проводят однократную цветовую калибровку черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы, причем в процессе цветовой калибровки поочередно для каждого из выбранных для цветовой калибровки диапазонах длин волн освещают входное окно электронно-оптического преобразователя постоянным во времени излучением одного из выбранных диапазонов и считывают с каждого пикселя электронно-возбуждаемой черно-белой ПЗС-матрицы амплитуды сигналов в течение статистически значимого числа кадров, по полученным амплитудам сигналов для статистически значимого числа кадров определяют среднее значение амплитуды сигнала для каждого пикселя для каждого из выбранных диапазонов, по найденным средним значениям амплитуд сигналов определяют весовые коэффициенты каждого из выбранных диапазонов для каждого пикселя и по найденным весовым коэффициентам при формировании цветного выходного видеосигнала определяют долю выбранных диапазонов в общем сигнале каждого из пикселей.

Поочередное для каждого из выбранных для цветовой калибровки диапазонах длин волн освещение входного окна электронно-оптического преобразователя постоянным во времени излучением одного из выбранных диапазонов может быть осуществлено или с использованием монохроматора или путем освещения входного окна электронно-оптического преобразователя постоянным во времени излучением во всех выбранных для цветовой калибровки диапазонах длин волн и поочередное закрытие входного окна однородным фильтром одного из диапазонов.

Цифровая обработка видеосигнала может включать получение цветного видеосигнала на основе первичного черно-белого стандартного видеосигнала и весовых коэффициентов каждого из выбранных диапазонов длин волн.

Кроме того, цифровая обработка видеосигнала может включать повышение глобального контраста видеоизображения, повышение локального контраста видеоизображения, подчеркивание контуров малоразмерных целей видеоизображения, снижение флуктационных и шумовых помех видеоизображения, электронное масштабирование видеоизображения, устранение геометрических искажений видеоизображения вносимых оптической системой, формирование меню пользователя на микродисплее как для первичного черно-белого стандартного видеосигнала, так и цветного видеосигнала, полученного на основе предварительной цифровой обработки первичного черно-белого стандартного видеосигнала и весовых коэффициентов.

Выражение «пиксель ПЗС-матрицы» в данном изобретении означает область тыльной стороны ПЗС-матрицы с потенциальной ямой, образующей ее ячейку или отдельный элемент, которые в совокупности образуют саму матрицу.

Выражение «цветовая калибровка» в данном изобретении означает определение цвета фильтра (или диапазона для ИК и УФ), излучение от которого вызывает поток электронов, попадающий на данный пиксель, и присвоение данному пикселю ПЗС-матрицы свойства принимать сигнал данного цвета (диапазона).

Выражение «статистически значимое число кадров» в данном изобретении означает число кадров, статистически необходимое для определения среднего значения амплитуды сигнала с приемлемой точностью.

Выражение «первичный видеосигнал» в данном изобретении означает стандартный черно-белый видеосигнал без обработки на цветность или без обработки с целью улучшения качества видеоизображения.

Выражение «выбранный диапазон длин волн» в данном изобретении означает диапазон длин волн, который является рабочим для калибруемого электронно-оптического преобразователя. Это может быть для видимого излучения диапазон длин волн красного или зеленого, или синего цветов (R, G, В), для инфракрасного излучения каждый из трех выбранных для повышения информативности диапазонов длин волн, например, 1,0 мкм, 0,9 мкм и 0,8 мкм., для ультрафиолетового излучения каждый из трех выбранных для повышения информативности диапазонов длин волн, например, 0,3 мкм, 0,25 мкм и 0,2 мкм.

Выражение «среднее значение» в данном изобретении означает, например, среднеарифметическое.

Выражение «рабочие волокна волоконно-оптической пластины» означает волокна волоконно-оптической пластины, выходная поверхность которых контактирует с фотокатодом. Часть волокон с краев волоконно-оптической пластины, которая используется для установки во входном окне и не имеющая контакта с фотокатодом, к рабочим волокнам не относится.

Использование изобретения:

- дает возможность улучшения качества изображения в неблагоприятных условиях наблюдения: низкая и неравномерная освещенность, неблагоприятные метеоусловия (дымка, туман, пыль, дождь, снег и т.п.), искусственные помехи (дым, взрывы, вспышки) с автоматической адаптацией под конкретные условия наблюдения для повышения предельных дальностей обнаружения и распознавания целей, уменьшения времени обнаружения и распознавания целей и снижение психофизических нагрузок на оператора,

- позволяет иметь более свободный выбор ПЗС матриц и входных светофильтров,

- не требует точного совпадения разрешения ПЗС матрицы с разрешением проецируемого изображения,

- не требует точной юстировки расположения ПЗС матрицы для обеспечения попадания электронов, редуцированных фотонами с определенной длиной волны (входной светофильтр) на соответствующий пиксель ПЗС матрицы,

- повышает качество цветопередачи. На этапе цветовой калибровки возможно оценить расфокусировку электронной системы и учитывать ее при формировании цветного видеоизображения в блоке обработки видеосигнала,

- дает возможность применять светофильтры с различным числом различных компонентов. Не только 3, но и 2 для повышения разрешения изображения, и 4 или 5 для дополнительной информации, используемой для построения изображения в блоке обработки видеосигнала (задача комплексирования инфракрасного, ультрафиолетового видеоизображения).

- дает возможность применения пластин светофильтров с неравномерным размещением светофильтров, следовательно, исключает влияние такого брака, как перемена мест светофильтров,

- дает возможность реализации прибора со съемными пластинами светофильтров (при замене светофильтров необходимо проводить повторную цветовую калибровку).

Изобретения поясняется чертежом, где

на фиг.1 представлен электронно-оптический преобразователь, в разрезе,

на фиг.2 представлена блок-схема блока обработки видеосигнала,

на фиг.3 представлена схема расположения областей ПЗС-матрицы, облученных пучками электронов, прошедших через красный R, зеленый G и синий В светофильтры,

на фиг.4 представлена схема расположения областей ПЗС-матрицы, облученных пучками электронов, прошедших через красный R светофильтр,

на фиг.5 представлены величины амплитуд сигнала, считываемого с каждого пикселя ПЗС-матрицы при ее освещении излучением, прошедшим через красный светофильтр.

Электронно-оптический преобразователь (фиг.1) включает корпус 1, имеющий вакуумированую 2 и невакуумированую 3 части. Вакуумированая 2 часть корпуса 1 выполнена герметичной и вакуумирована до давления 10^-3-10^-4 Па, что необходимо для беспрепятственного движения электронов. Корпус 1 имеет входное и выходное окна, причем входное окно выполнено в виде газонепроницаемой волоконно-оптической пластины 4 с возможностью фильтрации видимого излучения в трех выбранных диапазонах длин волн красного, зеленого и синего цветов (R, G, В). Ближайшие друг к другу волокна волоконно-оптической пластины 4, выполненные из цветного стекла, образуют триады светофильтров красного (R), зеленого (G) и синего (В) цветов, сгруппированных в теле волоконно-оптической пластины 4 таким образом, чтобы каждый элементарный светофильтр окружен чередующимися светофильтрами двух других цветов. Совокупность светофильтров может быть выполнена также и в виде пластины светофильтров, размещенной на входной (по ходу излучения) поверхности волоконно-оптической пластины 4, соосно с ее волокнами, которые в этом случае выполняются из бесцветного стекла.

Каждый из элементарных RGB светофильтров предназначен для пропускания света только в определенной спектральной полосе с максимумом на соответствующей длине волны, например, R=0,65 мкм, С=0,53 мкм, В=0,43 мкм (для видимого диапазона спектра).

Пластина светофильтров может быть выполнена с возможностью фильтрации оптического излучения в трех выбранных диапазонах длин волн: в диапазоне длин волн видимого излучения, в диапазоне длин волн красного и зеленого цветов (R и G) и в диапазоне длин волн зеленого и синего цветов (G и В).

В других вариантах исполнения входное окно может быть выполнено с возможностью фильтрации инфракрасного или ультрафиолетового излучения в трех выбранных диапазонах длин волн. С этой целью на входной поверхности волоконно-оптической пластины 4 размещают соответствующие оптические фильтры.

В одном из вариантов выполнения, когда волоконно-оптическая пластина 4 выполнена из бесцветного стекла, а светофильтры на входной поверхности волоконно-оптической пластины 4 отсутствуют, электронно-оптический преобразователь работает в режиме формирования черно-белого видеоизображения. Цветовая калибровка черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы 6 в данном варианте выполнения не проводится.

На выходную поверхность волоконно-оптической пластины 4 нанесен полупрозрачный фотокатод 5, имеющий относительно равномерную чувствительность в спектральном диапазоне 0,3-0,7 мкм. В вакуумированной 2 части корпуса 1 расположены черно-белая электронно-возбуждаемая ПЗС-матрица 6 и система фокусировки электронов 7. Черно-белая электронно-возбуждаемая ПЗС-матрица 6 обращена тыльной стороной в сторону входного окна и изолирована от оптического излучения с лицевой стороны. Система фокусировки электронов 7 установлена между фотокатодом 5 и электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицей 6. Разрешение черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы 6 должно быть выше разрешения проецируемого изображения, т.е. число пикселей черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы 6 должно быть больше числа рабочих волокон волоконно-оптической пластины 4.

В невакуумированой 3 части корпуса 1 расположены блок формирования первичного видеосигнала 8 и блок обработки видеосигнала 9. В выходном окне установлено устройство воспроизведения видимого изображения, выполненное в виде микродисплея 10. Микродисплей 10 может быть выполнен в виде электронно-лучевой трубки, на основе жидкокристаллической панели или на основе панели органических светоизлучающих диодов. Вне корпуса 1 размещен пульт управления 11. Между электрическими выводами фотокатода 5 и системы фокусировки электронов 7 прикладывают постоянное напряжение порядка +12 кВ.

Блок обработки видеосигнала 9 (фиг.2) включает аналого-цифровой преобразователь 12, вычислитель 13, блок памяти 14 и формирователь выходного видеосигнала 15.

Выход электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы 6 электрически соединен с первым входом блока формирования первичного видеосигнала 8, а электрический вход - с первым выходом блока формирования первичного видеосигнала. Второй выход блока формирования первичного видеосигнала 8 электрически соединен с первым входом блока обработки видеосигнала 9. Первый выход блока обработки видеосигнала 9 электрически соединен с входом микродисплея 10. Второй выход блока обработки видеосигнала 9 электрически соединен с вторым входом блока формирования первичного видеосигнала 8. Выход пульта управления 11 электрически соединен с вторым входом блока обработки видеосигнала 9.

Вход аналого-цифрового преобразователя 12 электрически соединен с вторым выходом блока формирования первичного видеосигнала 8, выход аналого-цифрового преобразователя 12 электрически соединен с первым входом вычислителя 13, первый выход вычислителя 13 электрически соединен с входом формирователя выходного видеосигнала 15, выход которого электрически соединен с входом микродисплея 10, второй и третий входы вычислителя 13 электрически соединены соответственно с выходом пульта управления 11 и выходом блока памяти 14, вход блока памяти 14 и второй вход блока формирования первичного видеосигнала 8 электрически соединены соответственно со вторым и третьим выходами вычислителя 13.

В рабочем режиме электронно-оптический преобразователь работает следующим образом.

Белый свет от источника низкой интенсивности (звезды, луна и т.п.) падает на цветной объект, отдельные фрагменты которого отражают его на определенных длинах волн. Отраженный свет улавливается апохроматической оптической системой (на чертеже не показана), которая формирует на поверхности входного окна электронно-оптического преобразователя цветное изображение объекта. При этом различным его цветовым фрагментам будут соответствовать электромагнитные колебания различных длин волн. Лучи света, пройдя через волокна волоконно-оптической пластины 4, выполненные из цветного стекла и образующие триады светофильтров красного (R), зеленого (G) и синего (В) цветов, и толщу фотокатода 5, выбивают электроны из поверхности фотослоя. Число электронов, испускаемых каждой из точек фотокатода 5, будет пропорционально их освещенности и длине волны (цвету) "накрывающего" их фрагмента изображения.

Электроны, эмитированные фотокатодом 5, фокусируются, ускоряются электрическим полем системы фокусировки электронов 7 и попадают на тыльную сторону электронно-возбуждаемой черно-белой ПЗС-матрицы 6. Таким образом, на тыльной стороне электронно-возбуждаемой черно-белой ПЗС-матрицы формируется электронное изображение объекта, плотность отдельных элементов которого зависит от расположения и отражающих свойств цветных фрагментов на поверхности объекта.

В результате столкновения первичных электронов с материалом подложки (это, как правило, кремний р-типа) возникает большое количество вторичных электронно-дырочных пар. Вторичные носители заряда (в частности, электроны) диффундируют к фронтальной поверхности черно-белой ПЗС-матрицы 6 и накапливаются в потенциальных ямах, образуя сигнальный заряд. Т.е. кремниевая подложка ПЗС-матрицы 6 выполняет роль усилителя. Далее с помощью блока формирования первичного видеосигнала 8 осуществляется поэлементное считывание сигнала с потенциальных ям (пикселов) черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы 6 и формирование первичного черно-белого стандартного видеосигнала.

Получение цветного изображения производится в блоке обработки видеосигнала 9, на базе первичного черно-белого стандартного видеосигнала и информации, собранной в процессе цветовой калибровки черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы 6, проводимой после установки светофильтров. Цветовая калибровка проводится для определения соответствия излучения, прошедшего через конкретный входной светофильтр, и сигналов, полученных с черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС матрицы 6. Результатом проведения цветовой калибровки является набор весовых коэффициентов для каждого пикселя черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС матрицы 6 по каждому из выбранных спектральных диапазонов (интервалов).

При осуществлении способа получения видеоизображения в режиме калибровки:

- освещают входное окно электронно-оптического преобразователя постоянным во времени излучением в выбранных для калибровки диапазонах длин волн,

- поочередно для каждого из выбранных для калибровки диапазона длин волн закрывают входное окно однородным фильтром одного из диапазонов и считывают с каждого пикселя электронно-возбуждаемой черно-белой ПЗС-матрицы амплитуды сигналов в течение статистически значимого числа кадров,

- по полученным амплитудам сигналов для статистически значимого числа кадров определяют среднее, например, среднеарифметическое значение амплитуды сигнала для каждого пикселя для каждого из выбранных диапазонов,

- по найденным средним значениям амплитуд сигналов в блоке обработки видеосигнала определяют весовые коэффициенты каждого из выбранных диапазонов для каждого пикселя,

- по найденным весовым коэффициентам при формировании цветного выходного видеосигнала определяют долю выбранных диапазонов в общем сигнале каждого из пикселей.

На фиг.3 представлена схема расположения областей ПЗС-матрицы, облученных пучками электронов, прошедших через красный R, зеленый G и синий В светофильтры. Из схемы на фиг.3 видно, что области облучения пучками электронов, возбужденных световыми потоками, прошедшими через разные светофильтры, могут частично перекрывать друг друга. Это возможно при некоторой неточности в настройке системы фокусировки электронов 7.

На фиг.4 представлена, для примера, схема расположения областей ПЗС-матрицы, облученных пучками электронов, прошедших через красный R светофильтр. Схемы расположения областей ПЗС-матрицы, облученных пучками электронов, прошедших через зеленый и синий светофильтры, не приведены, так как они подобны предыдущей схеме.

На фиг.5 представлены, для примера, величины амплитуд сигнала, считываемого с каждого пикселя ПЗС-матрицы при ее освещении излучением, прошедшим через красный светофильтр. Более темными выглядят пиксели с большей амплитудой сигнала.

Весовые коэффициенты при осуществлении способа получения видеоизображения определяются следующим образом:

1. Находят точки локальных максимумов , , , соответствующих центрам областей, облучаемых пучками электронов, возбужденными световыми потоками, прошедшими через соответствующие светофильтры (индексы α, β, γ показывают присвоенный порядковый номер пучка). Возможно при помощи интерполяции (кубической) получаемого изображения найти точки локального максимумов с субпиксельной точностью (с точностью выше, чем один пиксель).

2. Осуществляют сегментацию областей облучения соответствующим пучком электронов , , соответственно по каждому из спектров (индексы α, β, γ показывают присвоенный порядковый номер пучка). Границей будет являться замкнутая кривая с минимальными значениями сигнала. Возможно при помощи интерполяции (кубической) получаемого изображения, произвести сегментацию с субпиксельной точностью (с точностью выше, чем один пиксель).

3. Вычисляют весовые коэффициенты исходя из следующих уравнений:

где - величина сигнала с пикселя матрицы с координатами i, j ((i, j)∈ {i, j)∈ , (i, j)∈ при освещении красным, зеленым и синим цветом соответственно.

При осуществлении способа получения видеоизображения построение цветного изображения путем цифровой обработки первичного черно-белого стандартного видеосигнала и весовых коэффициентов каждого из выбранных диапазонов длин волн для каждого пикселя осуществляется, например, следующим образом.

Принимается, что интенсивность излучения для каждого пучка электронов, соответствующего своему светофильтру R_α, G_β, B_γ, равна:

, ,

где - составляющие величина сигнала с пикселя матрицы с координатами i, j для красного, зеленого и синего цветов соответственно, причем

Принимается, что интенсивность излучения по всей области Ω равномерно увеличивается (или уменьшается) в несколько раз (из формул (1) и (2)):

Подставив (4) в (3) получается система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ):

где необходимо найти R_α, G_β, B_γ.

r_i,j, g_i,j, b_i,j определяются при цветной калибровке (известные величины),

q_i,j - сигнал с матрицы (известная величина).

Если количество пикселей меньше количества попадающих на матрицу пучков электронов (общее количество зон Ω), то система (5) не имеет единственного решения (не хватает данных для определения всех R_α, G_β, B_γ).

Если количество пикселей равно количеству попадающих на матрицу пучков электронов, то система уравнений (5) может оказаться вследствие случайных причин (особенностей изготовления, монтажа элементов электронно-оптического преобразователя и наблюдаемых сцен) линейно зависимой, что приводит к отсутствию решения данной системы уравнений.

Вследствие вышесказанного для устойчивого получения результата в данном техническом решении рассматривается случай, когда количество пикселей больше количества попадающих на матрицу пучков электронов, т.е. количество пикселей больше количества рабочих волокон волоконно-оптической пластины.

В этом случае, хотя система уравнений (5) не имеет строгого решения, но можно найти точку, наименьшим образом отличающуюся от решений уравнений (5). Это делается используя метод наименьших квадратов

При поиске R_α, G_β, B_γ методом наименьших квадратов требуется решить СЛАУ, рангом равным количеству попадающих на матрицу пучков электронов (общему числу зон Ω). Матрица СЛАУ является разряженной, что позволяет ее решать методами прогонки, для которого не требуется вычислитель большой мощности.

После нахождения всех величин R_α, G_β, B_γ производится построение цветного изображения. Формирование каждого цветового канала производится отдельно. Найденные значения R_α, G_β, B_γ помещаются в центры , , соответствующих зон , , . Значения матрицы изображения находятся путем двумерной интерполяции между точками центров зон , , с соответствующими значениями R_α, G_β, B_γ.

Блок обработки видеосигнала 9 при получении выходного цветного видеосигнала работает следующим образом. Первичный черно-белый стандартный видеосигнал в аналоговой форме передается с блока формирования первичного видеосигнала 8 на аналого-цифровой преобразователь 12, в котором он оцифровывается. Оцифрованный первичный черно-белый стандартный видеосигнал с аналого-цифрового преобразователя 12 подается на первый вход вычислителя 13. Вычислитель 13 на основе обработки первичного черно-белого стандартного видеосигнала и хранящихся в блоке памяти 14 найденных весовых коэффициентов каждого из выбранных диапазонов (R, G, В) для каждого пикселя определяет долю выбранных диапазонов (R, G, В) в общем сигнале каждого из пикселей и передает сигнал на формирователь выходного видеосигнала 15, который на основе сигнала, полученного с вычислителя 13, формирует стандартный цветной видеосигнал в формате, воспроизводимом на микродисплее 10.

При низкой контрастности видеоизображения (слабая освещенность, дождь, туман и т.п.) и возможного появления активных видов противодействия (маскировка, пиротехнические средства) возникают затруднения в работе оператора при поиске, обнаружении и идентификации объектов фоноцелевой обстановки.

Предлагаемое изобретение позволяет при использовании цифровой обработки видеосигнала с использованием блока обработки видеосигнала 9 и соответствующего программного обеспечения улучшить качество изображения в неблагоприятных условиях с автоматической адаптацией под конкретные условия наблюдения для повышения предельных дальностей обнаружения и распознавания целей, уменьшения времени обнаружения и распознавания целей и снижения психофизических нагрузок на оператора.

Согласно изобретению, с целью улучшения качества видеоизображения при осуществлении способа получения видеоизображения обработка первичного черно-белого стандартного или обработка цветного видеовсигнала, полученного на основе первичного черно-белого стандартного видеосигнала и весовых коэффициентов, может включать:

- повышение глобального контраста видеоизображения,

- повышение локального контраста видеоизображения,

- подчеркивание контуров малоразмерных целей видеоизображения,

- снижение флуктационных и шумовых помех видеоизображения,

- электронное масштабирование видеоизображения,

- устранение геометрических искажений видеоизображения, вносимых оптической системой.

Кроме того, с целью повышения удобства в эксплуатации электронно-оптического преобразователя возможно формирование меню пользователя на микродисплее.

Команда о необходимости проведения того или иного вида обработки видеосигнала с целью улучшения качества видеоизображения поступает с пульта управления 11 непосредственно на вычислитель 13.

В зависимости от вида получаемого выходного сигнала (черно-белого или цветного) вычислитель 13 при использовании соответствующего программного обеспечения обрабатывает или первичный черно-белый стандартный видеосигнал для получения улучшенного черно-белого видеоизображения, или стандартный цветной видеосигнал, предварительно полученный на основе обработки первичного черно-белого стандартного видеосигнала и хранящихся в блоке памяти 14, найденных весовых коэффициентов каждого из выбранных диапазонов (R, G, В).

После обработки выходной черно-белый или цветной видеосигнал передается на микродисплей 10 для воспроизведения улучшенного видеоизображения.

Если фильтры RGB-триад входного окна заменить на фильтры, работающие в инфракрасной (ИК), ультрафиолетовой (УФ) или любой другой области спектра, для которой разработаны фотокатоды (при этом структура выходного окна должна быть оставлена без изменений), то электронно-оптический преобразователь будет формировать изображение с необычным для глаза человека распределением цветов. Однако по уровню "цветовой" информативности ИК или УФ электронно-оптический преобразователь с электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицей 6 будет аналогичен описанному выше электронно-оптическому преобразователю для видимой области спектра, т.е. будет формировать истинное (а не квази-) цветное изображение. Максимумы спектральных характеристик фильтрующих триад для областей спектра, отличных от "видимого диапазона", необходимо подбирать по следующей схеме преобразования цветов (проиллюстрируем ее на примере ИК-области): синему светофильтру должен соответствовать наиболее коротковолновый ИК-фильтр; зеленому - фильтр с максимумом пропускания в средней области ИК-диапазона и, наконец, красному - длинноволновый ИК-фильтр.

Техническая реализация заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в каждом из пунктов формулы, может быть осуществлена с помощью средств и методов, описанных в источниках, ставших общедоступными до даты приоритета изобретения как на зарубежной, так и на отечественной элементной базе.

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к области электронно-оптических преобразователей. Техническим результатом изобретения является улучшение качества изображения в неблагоприятных условиях наблюдения, исключение требования прецизионной юстировки расположения ПЗС-матрицы относительно элементов входного окна и требования точного совпадения разрешения ПЗС-матрицы с разрешением проецируемого изображения. Электронно-оптический преобразователь включает корпус с входным и выходным окнами, причем входное окно выполнено в виде волоконно-оптической пластины, на выходной поверхности которой размещен фотокатод, электронно-возбуждаемую ПЗС-матрицу, обращенную тыльной стороной в сторону входного окна, систему фокусировки электронов, блок формирования первичного видеосигнала и устройство воспроизведения видимого изображения. Электронно-возбуждаемая ПЗС-матрица выполнена черно-белой с количеством пикселей больше количества рабочих волокон волоконно-оптической пластины, а электронно-оптический преобразователь дополнительно содержит блок обработки видеосигнала и пульт управления. При этом корпус электронно-оптического преобразователя выполнен разделенным на вакуумированую и невакуумированную части. Фотокатод входного окна, система фокусировки электронов и электронно-возбуждаемая черно-белая ПЗС-матрица расположены в вакуумированой части корпуса. Выходное окно, блок формирования первичного видеосигнала и блок обработки видеосигнала расположены в невакуумированой части корпуса. Устройство воспроизведения видимого изображения выполнено в виде микродисплея, установленного в выходном окне корпуса. В способе получения видеоизображения считывание сигналов осуществляют с пикселей черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы с количеством пикселей большим количества рабочих волокон волоконно-оптической пластины, формируют первичный черно-белый стандартный видеосигнал, после чего проводят цифровую обработку первичного черно-белого стандартного видеосигнала для получения выходного видеосигнала. После изготовления электронно-оптического преобразователя проводят однократную цветовую калибровку черно-белой ПЗС-матрицы, в процессе которой определяют весовые коэффициенты каждого из выбранных диапазонов для каждого пикселя и по найденным весовым коэффициентам при формировании цветного выходного видеосигнала определяют долю выбранных диапазонов в общем сигнале каждого из пикселей. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электронно-оптический преобразователь, включающий корпус с входным и выходным окнами, причем входное окно выполнено в виде волоконно-оптической пластины, на выходной поверхности которой размещен фотокатод, электронно-возбуждаемую ПЗС-матрицу, размещенную внутри корпуса и обращенную тыльной стороной в сторону входного окна и изолированную от оптического излучения с лицевой стороны, систему фокусировки электронов, установленную между фотокатодом и электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицей, блок формирования первичного видеосигнала и устройство воспроизведения видимого изображения, при этом выход электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы электрически соединен с первым входом блока формирования первичного видеосигнала, а электрический вход - с первым выходом блока формирования первичного видеосигнала, отличающийся тем, что электронно-возбуждаемая ПЗС-матрица выполнена черно-белой с количеством пикселей больше количества рабочих волокон волоконно-оптической пластины, а электронно-оптический преобразователь дополнительно содержит блок обработки видеосигнала и пульт управления, при этом корпус выполнен разделенным на вакуумированую и невакуумированую части, фотокатод входного окна, система фокусировки электронов и электронновозбуждаемая черно-белая ПЗС-матрица расположены в вакуумированой части корпуса, выходное окно, блок формирования первичного видеосигнала и блок обработки видеосигнала расположены в невакуумированой части корпуса, устройство воспроизведения видимого изображения выполнено в виде микродисплея, установленного в выходном окне корпуса, второй выход блока формирования первичного видеосигнала электрически соединен с первым входом блока обработки видеосигнала, первый выход которого электрически соединен с входом микродисплея, а второй выход электрически соединен с вторым входом блока формирования первичного видеосигнала, при этом выход пульта управления электрически соединен с вторым входом блока обработки видеосигнала.2. Электронно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что блок обработки видеосигнала включает аналого-цифровой преобразователь, вычислитель, блок памяти и формирователь выходного видеосигнала, причем вход аналого-цифрового преобразователя, электрически соединен с вторым выходом блока формирования первичного видеосигнала, выход аналого-цифрового преобразователя, электрически соединен с первым входом вычислителя, первый выход вычислителя электрически соединен с входом формирователя выходного видеосигнала, выход которого электрически соединен с входом микродисплея, второй и третий входы вычислителя электрически соединены соответственно с выходом пульта управления и выходом блока памяти, вход блока памяти и второй вход блока формирования первичного видеосигнала электрически соединены соответственно с вторым и третьим выходами вычислителя.3. Электронно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что входное окно выполнено с возможностью фильтрации оптического излучения.4. Электронно-оптический преобразователь по п.3, отличающийся тем, что входное окно выполнено с возможностью фильтрации оптического излучения в трех выбранных диапазонах длин волн: в диапазоне длин волн видимого излучения, в диапазоне длин волн красного и зеленого цветов (R и G,) и в диапазоне длин волн зеленого и синего цветов (G и В).5. Электронно-оптический преобразователь по п.3, отличающийся тем, что входное окно выполнено с возможностью фильтрации видимого излучения в трех выбранных диапазонах длин волн красного, зеленого и синего цветов (R, G, В).6. Электронно-оптический преобразователь по п.3, отличающийся тем, что входное окно выполнено с возможностью фильтрации инфракрасного излучения в трех выбранных диапазонах длин волн.7. Электронно-оптический преобразователь по п.3, отличающийся тем, что входное окно выполнено с возможностью фильтрации ультрафиолетового излучения в трех выбранных диапазонах длин волн.8. Электронно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что микродисплей выполнен в виде электронно-лучевой трубки.9. Электронно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что микродисплей выполнен на основе жидкокристаллической панели.10. Электронно-оптический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что микродисплей выполнен на основе панели органических светоизлучающих диодов.11. Способ получения видеоизображения в электронно-оптическом преобразователе с входным окном, выполненным в виде волоконно-оптической пластины и электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицей, включающий считывание сигналов с пикселей электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы, формирование видеосигнала и передачу сформированного видеосигнала на устройство воспроизведения видеоизображения, отличающийся тем, что считывание сигналов осуществляют с пикселей черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы с количеством пикселей больше количества рабочих волокон волоконно-оптической пластины, формируют первичный черно-белый стандартный видеосигнал, после чего проводят цифровую обработку первичного черно-белого стандартного видеосигнала для получения выходного видеосигнала.12. Способ получения видеоизображения по п.11, отличающийся тем, что после изготовления электронно-оптического преобразователя проводят однократную цветовую калибровку черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы, причем в процессе цветовой калибровки поочередно для каждого из выбранных для цветовой калибровки диапазонах длин волн освещают входное окно электронно-оптического преобразователя постоянным во времени излучением одного из выбранных диапазонов и считывают с каждого пикселя электронно-возбуждаемой черно-белой ПЗС-матрицы амплитуды сигналов в течение статистически значимого числа кадров, по полученным амплитудам сигналов для статистически значимого числа кадров определяют среднее значение амплитуды сигнала для каждого пикселя для каждого из выбранных диапазонов, по найденным средним значениям амплитуд сигналов определяют весовые коэффициенты каждого из выбранных диапазонов для каждого пикселя и по найденным весовым коэффициентам при формировании цветного выходного видеосигнала определяют долю выбранных диапазонов в общем сигнале каждого из пикселей.13. Способ получения видеоизображения по п.12, отличающийся тем, что цифровая обработка видеосигнала включает получение цветного видеосигнала на основе первичного черно-белого стандартного видеосигнала и весовых коэффициентов каждого из выбранных диапазонов длин волн.14. Способ получения видеоизображения по п.11 или 13, отличающийся тем, что цифровая обработка видеосигнала включает повышение глобального контраста видеоизображения.15. Способ получения видеоизображения по п.11 или 13, отличающийся тем, что цифровая обработка видеосигнала включает повышение локального контраста видеоизображения.16. Способ получения видеоизображения по п.11 или 13, отличающийся тем, что цифровая обработка видеосигнала включает подчеркивание контуров малоразмерных целей видеоизображения.17. Способ получения видеоизображения по п.11 или 13, отличающийся тем, что цифровая обработка видеосигнала включает снижение флуктационных и шумовых помех видеоизображения.18. Способ получения видеоизображения по п.11 или 13, отличающийся тем, что цифровая обработка видеосигнала включает электронное масштабирование видеоизображения.19. Способ получения видеоизображения по п.11 или 13, отличающийся тем, что цифровая обработка видеосигнала включает устранение геометрических искажений видеоизображения вносимых оптической системой.20. Способ получения видеоизображения по п.11 или 13, отличающийся тем, что цифровая обработка видеосигнала включает формирование меню пользователя на микродисплее.