Некогерентный оптический коррелометр

. и) 4 И 82 Союз Советских оциалистическнх Республик)МКлз 6 066 9 Государственный комите Совета Министров СССР(54) НЕКОГЕРЕНТНЪЙ ОПТИЧЕСКИЙ КОРРЕЛОМЕТР Изобретение касается устройств для анализа формы изображений, основанных на преобразовании изображения в электрический сигнал, и может быть использовано, например, для распознавания образа и выделения 5 изображения на фоне шумов и мешающих объектов.Известны устройства, содержащие транспарант с изображением эталона, блок перемещения изображения и интегрирующий фотопри емник 1. Эти устройства позволяют осуществлять корреляционную обработку сигнала, включая операцию свертки сигналов вычисления авто- и взаимнокорреляционной функции. Однако для такого устройства характерны 15 наличие механических узлов и жесткие требования к фотоприемнику.Известно также устройство для анализа самосветящихся объектов, содержащее блок оптического воспроизведения одномерного сиг нала, оптически связанный с матрицей фотоприемников, блок оптического воспроизведения эталонного сигнала, блок перемещения изображения эталонного сигнала и усилитель, подключенный входом к выходу матри цы фотоприемников, Если в таком устройстве перемещать транспарант с изображением эталонного сигнала относительно транспаранта с изображением анализируемого сигнала и с помощью усилителя измерять сигнал с фото- ЗО приемника как функцию времени, то будет осуществлена операция корреляции (или свертки).Однако наличие в таких устройствах механических узлов не обеспечивает получения достаточной точности вычисления корреляционной функции и ограничивает скорость проведения корреляционного анализа.Цель изобретения - повышение быстродействия и точности обработки.Эта цель достигается тем, что входы матрицы фотоприемников электрически соединены с соответствующими выходами блока перемещения изображения эталонного сигнала.Матрица фотоприемников выполнена в виделинейки из ряда полупроводниковых р - и - р (и - р - и) -элементов.Блок перемещений выполнен в виде многострочного сканистора, два входа которого соединены с источником напряжения, подключенного к генератору пилообразного напряжения, а выходы через строчные усилители подключены к строчным элементам линейки фотоприемников.На фиг. 1 показана схема предлагаемогокоррелометра, на фиг, 2, а и б - фоточувствительная ячейка (а - детализация ячейки, б - вольт-амперная ее характеристика).Транспарант 1 с изображением анализируемой функции (х) (фиг. 1), входящий в составблока оптического воспроизведения анализируемого одномерного сигнала, проецируется (линзы и осветители не показаны) на матрицу фотоприемников 2, причем размеры поля изображения сигнала Ех согласованы с размерами матрицы так, что область определения сигнала совпадает с фотоприемной площадкой.Элементарная ячейка линейки представляет собой р - п р (и - р - п)-структуру (фиг.2, а), приче.,г лицевые р - п-переходы, обращенные к изображению, образованы дискретными р(п)-областями 3 и дискретными базовыми п(р)-областями 4. Тыльные р - п-переходы образованы теми же дискретными областями 4 и, например, общей р(п)-областью 5. Дискретные области 3 снабжены индивидуальными омическими контактами 6, а область 5 - общей элетрической шиной 7.Блок перемещений выполнен в виде У-строчного сканистора 8, имеющего Л элементов разрешения, включенного в обычную электрическую схему коммуации, и блока оптического воспроизведения эталонного сигнала. Клеммы выхода блока перемещений соединены с одноименными усилителями считывания 9, а клемма входа - с генератором пилообразного напряжения 10. Изображение эталонного сигнала 11, распределенное вдоль оси Х, спроецировано на сканистор 8 так, что область задания сигнала, дефокусированного в направлении, скрещенном с осью Х под углом сг совпадает с фоточувстительным растром, а строки сканистора вытянуты в направлении оси Х эталонного изображения, где1 эа = агс 1 д , Лх и Е - размеры фоточувстхвительного растра.При таком выполнении устройства эталонное изображение под действием управляющих напряжений, поступающих со сканистора, синтезируется непосредственно на линейке фотоприемников, а необходимость в наличии механических узлов отпадает.Поле изображения оптически преобразованного эталонного сигнала 11 совмещено с растром У-строчного оканистора 8. Причем размеры поля согласованы с размерами растра так, что где Жх и Жу - размеры элемента разрешения сканистора вдоль осей Х и У соответственно, и область определения оптически преобразованного сигнала Ь Ц совпадает с фоточувствительной площадкой сканистора 8.Поле изображения образовано путем оптической трансформации изображения эталонного сигнала гр (Х) (средства оптической трансформации не показаны). Сигнал гр(Х) дефокусирован под углом а к оси Х. Поле изображения представляет собой набор столбцов (строк) одномерных сигналов, например, записанных в виде транспаранта, функция про 5 10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 60 65 пускания по интенсивности для которого соответствует этим сигналам,г(Х) = Х - (Ж - 1)а,где а - коэффициент.Средства оптического воспроизведения анализируемого сигнала и оптически преобразованного эталонного сигнала могут представлять собой как транспаранты, функция пропускания по интенсивности для которых соответствует сигналу, так и самосветящиесяобъекты (линейка инжекционных светодиодов,спектр на выходе оптического прибора ит. п.).Многострочный сканистор 8 представляетсобой пространственно распределеннуюр - п - р (и - р - п)-структуру. Лицевые р - ппереходы, обращенные к изображению, образованы р(п)-полосами 12 и п(р)-полуизолирующей базовой областью 13 (и - 5,), (компенсированной золотом, например). Тыльныйр - п-переход образован той же базовой областью 13 и пространственно-распределеннойпо всей тыльной грани монокристалла делительной р (и) -областью 14, р (и) -полосы 12снабжены построчными электрическими шинами 15, а делительная р(п)-область 14 -двумя электрическими контактами 16. Контакты 16 электрически параллельно соединены с источником 17, последовательно с генератором 10 и клеммой входа блока перемещений. Построчные шины 15 последовательносоединены с Л построчными усилителями считывания 9 и Лг клеммами выходов блока перемещений. Клеммы выходов блока перемещений порознь подключены к одноименным электрическим контактам 6 и к элементарнымячейкам линейки фотоприемников 2.На фиг. 2, б представлена вольт-ампернаяхарактеристика элементарной ячейки линейкифотоприемников, При отрицательном (положительном) смещении на р - п - р (и - р - п)ячейке относительно общей шины ток определяется темновым током через тыльный р - ппереход гт, При положительном (отрицательном) смещении на р - п - р (и - р - п)ячейке ток определяется в отсутствии освещения темновым током лицевого р - п-перехода ячейки гт а при освещении световой добавкой тока через лицевой р - и-переход гс,1 с причем с, соответствует большим освещенностям. Рабочее напряжение на ячейкахБраг выбирается в пределах Уо(.:раб( -пргде Ров =МТ 2(й - постоянная Больцмана,Т - температура, К, и - коэффициент, зависящий от полупроводникового материала(а=1 - 2,5); д - заряд электрона (У, =0,02 - 0,05 в); Ур - напряжение пробояр - п - р-структуры.Ураб есть функция от времени 1 и номераячейки п. При Ура) У, ячейка воспринимаетсвет, при Ураб(/о - не воспринимает, В качестве Ураб используются видеосигналы с Устрок сканистора. Программа работы сканистора задается транспарантом с изображением Лт сигналов (тр(х - ап) ), и=0,1, У - 1.Усилители считывания формируют видеосигналы таким образом (например, с использованием триггера Шмидта), что он имеет два СОСТОЯНИЯ: - Сгрб, СООтВЕтСтВУЮЩЕЕ ПРОЗРаЧ- ности 1 на элементе транспаранта с записью преобразованного эталонного сигнала, и +Ораоб, соответствующее прозрачности 0 на элементе транспаранта.Рассмотрим работу устройства в динамике.Пусть в исходный момент времени на линейку фотоприемников спроецировано изображение анализируемого сигнала (Х), а на сканистор - изображение преобразованного эталонного сигнала (у(Х - аи, п=0,1 Лг - 1.Постоянное смешение на сканистор 8 подано блоком 17, и оно обеспечивает индивидуальное электрическое смещение на каждом элементе разрешения сканистора. Напряжение на выходе генератора 10 - отрицательное (положительное), и р - п - р (и - р - п) -фоточувствительная структура сканистора излучение, проходящее через прозрачные участки транспаранта с записью сигналов тб(Х - ап), не воспринимает. Усттлители 9 формируют отрицательный (положительный) сигнал Ураб(Уо, и вся линейка фотоприемников 2 излучение, проходящее через прозрачные участки транспаранта с записью сигнала (Х), не воспринимает (см, фиг. 2,б при т 7=0, 1=0), Через структуру течет ток г т и сигнал корреляции О.В первый интервал времени тттт начинает работать генератор коммутирующего пилообразного напряжения 10, осуществляющий опрос сканистора 8 за время Т. Таким образом,т= в . В интервал гттт осуществляется опэлрос первых элементов Ж строк сканистора, на которые спроецировано изображение функции трт(Х). На гЧ выхода усилителей 9 формируются напряжения - раб и +раб (см. фиг.2, б). В соответствии с поступающими напряжениями питания элементарные ячейки 4 очувствляются или же остаются нефоточувствительными.В следующий интервал времени тт осуществляется опрос вторых элементов тат строк сканистора, на которые спроецировано изображение функции тр,(Х) =(Х - а), а=И, где У в скорос отнсительного переметцения ср(Х) и (Х). Так как за время 1 должен осуществляться сдвиг изображения т(Х) на одингх элемент разрешения сканистора, то1 гэл В п - интервал времени ф = (п+1) згт,10 15 20 25 Зо 35 40 45 50 55 00 Общий токв пепи линейки фотоприемников максимален, если изображение (Х) и тб(Х) совпали большинством элементов. В общем случае(г) =(Х) р(Х - о)АХгх Таким образом осуществляется операция корреляционного анализа, По величине амплитуды общего тока можно судить о мере близости эталона ц сигнала, т. е., например, осуществлять операцию разделения опозцава. емых функций по классам.Точность проведения корреляционного анализа зависит от гочностц синтеза подынтегральных функций и выполнения условия постоянства скорости,Точность синтеза функцтш (Х) определяется числом элементов в линейке фотоприемников ц цх люкс-амперной характеристикой Число элементов при современном уровне интегральной технологтттт получают -1000, т. е, достижима точность синтеза(Х)0,1% Линейность люкс-амперной характеристики для р - п - р (и - р - п) -структур достигает 60 дб,Точность синтеза функций тр(Х) определяется числом разрешимых элементов сканистора. Оно также может быть выбрано 1000 (сканцстор может быть составным, т. е. изображение может быть разбито на группы (трт - тр), (сг+, - тг,х) илц мельче.Выполнение условия Г= сопзт опоеделяется возможностью с высокоц точностью выдержать угол сс меж.ту направлениями строк сканистора ц осью Х пзображенття тг, (Х).Тот же эффект сдвига изображения может быть получен за счет создания угла бг между направлениями шин к делптельному слою и направленцем строк сканистора.Точность оптической тостттровктт легко может быть достигнута 0,1%, в то время как точность механического перемещения цзображенпя на базе .х порядка 1 - 2 см при разумной стоимости устроцства не превышает 1%.В предложенном устройстве повьпцается быстродействие - увеличивается скорость 11 за счет повытттештя скорости электрической коммутаптш многострочного сканпстора, оно лцмптируется только цнецпонностью фотоэлектрических элементов. В пзвестнолл устройстве увеличение скорости корреляционного анализа лимптцруется наличием механических узлов,В лабооаторпц оптоэлектроники п голографии ФТИ АН СССР опробован фрагмент такого коррелометра на 100 элементов. В результате использования изобретения достигается увеличение точности корреляционного анализа в 10 раз прц невысокой стоимости и большой надежности устройства. Формула изобретения 1. Некогерентный оптический коррелометр,содержащий блок оптического воспроизведения одномерного сигнала, оптически связанный с матрицей фотоприемников, блок оптического воспроизведения эталонного сигнала, блок перемещения изображения эталонного сигнала и усилитель, подключенный входом к выходу матрицы фотоприемников, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия и точности обработки, входы матрицы фотоприемников электрически соединены с соответствующими выходами блока перемещения изображения эталонного сигнала.2. Коррелометр по п. 1, отличающийся тем, что матрица фотоприемников выполнена в виде линейки из ряда полупроводниковых р - п - р (п - р - а) -элементов,3. Коррелометр по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что блок перемещений выполнен в виде многострочного сканистора, два входа которого соединены с источником напряжения, подключенного к генератору пилообразного напряжения, а выходы через строчные усилители подключены к строчным элементам линейки фотоприемников. 10 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:1. Авт. св.269628, 6 060 9/00, 1968.2, Жовинкий В. Н., Арховский В. Ф., Корреляционные устройства, М., Энергия, 1974, 15 с, 173 - 174.541182 Составитель В, ЖовинскийТехред И, Карандашова Корректор Т. Добровольск Редант С. Заика каз 1075/5 Подписи ЦНИИПИ Госу ров СССР 130 ипография, пр. Сапунова, 2 Изд ьо 2 с 2дарственногоо делам из Москва Ж Тиран 864комитета Совета Министретений и открытий35, Раушская наб., д. 4/э