360000

(11) 360000 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик Зависимое от авт, свидетельства 22) Заявлено 04,12.70 (21) 1499085/ М. 1 л. 6 Оба 9,00 соединением заявки(32) Приоритет асударстеенныи камитеСааета Министраа СССРаа делам изааретенийи аткрытий) Заявите оффе л "/ъг ) 1 ОР ИЗОБРАЖЕНИИ ЛЕКТРОННЫЙ АНАЛ 4) О 1Изобретение относится к оптоэлектронике и представляет собой пространственно распределенный фотоприемник, совмещенный с динамическим маскирующим устройством, осуществленный методами микроэлектроники и совместимый с современными интегральными радиоэлектронными схемами.Область применения такого устройства, главным образом, распознавание изображения; а также фильтрация оптимальная и адаптивная, выделение изображений на фоне шумов и мешающих объектов, кодирование, стробирование, фотометрирование, разложение в ряды и т. п.В настоящее время эти операции над двумерным сигналом осуществляются с помощью совокупности оптических масок, последовательно совмещаемых с анализируемым изображением.Известны устройства для оптической обработки двумерного изображения с целью его разложения по ортогональным функциям. В таких устройствах используются механически сменяемые маски-транспаранты, которые модулируют световой поток, идущий от анализируемого изображения. Результирующий поток регистрируется фотоприемником, а серия сигналов, соответствующая разнообразным маскам, обрабатывается электронным анализатором. Одно из известных устройств содержит последовательно расположенные по оптической оси источник света, объектив, диафрагму, транспарант с анализируемым изображением, 5 маски и блок фотоприемников, блок управления сменой масок и блок анализа.Источник света при помощи объектива создает параллельный пучок лучей. В пучке располагается диафрагма, создающая поле изо бражения 5(Х, У), За диафрагмой помещаетсяфотопленка с анализируемым изображением и оптическая маска, представляющая собой фотопленку, прозрачность которой меняется в пределах площади поля 5. Смена оптических 15 масок осуществляется с помощью механического устройства, Световой поток, прошедший через транспарант с изображением и маску, собирается линзой на блок фотоприемников, Затем сигнал поступает для дальнейшей обра ботки в блок анализа.Для получения МЛ коэффициентов Фурьеизображения С (т=1, 2 М, к=1, 2, , Лг) необходимо либо иметь МУ оптических каналов с МЖ масок 5 мгч, либо последовательно во времени менять ММ масок 51 чм в одном оптическом канале. Тогда на выходе оптического анализатора получится либо матрица сигналов тат Сп), либо последова30 тельпость из ЛтМ сигналов т(1)С (т) -первичный спектр изображения (т,п - коэффициенты).Однако в известном устройстве каждая из УМ масок должна изготавливаться отдельно на фотопленке или фотопластинке, смена масок осуществляется механически и требует высокой точности установки маски, Динамическое изменение отдельных элементов оптической маски в процессе работы и по результатам предыдущих измерений невозможно, а 5 10требует построения новой маски. Таким образом, основным недостатком известного устройства, является низкая скорость обработки информации. Кроме того, оптическая схема прототипа достаточно сложна, не допускает 15 20 25 Зо 35 40 45 50 55 60 отдельной подгруппой,65 миниатюрного исполнения, наличие механического устройства для смены масок не допускает совмещения системы с радиоэлектронными ицтегральцыми схемами,Главными целями настоящего изобретения являются сокращение времени обработки информации, облегчение оперативного, динамического поэлемецтцого управления формой оптической маски, а также увеличение технологической, конструктивной и эксплуатационной совместимости устройства с современной радиоэлектронной аппаратурой,Для этого в устройстве маски и блок фотоприемников выполнены в виде единой пространственнораспределецной фоточувствительной р - и - р (и - р - и) структуры с полуизолирующей базовой областью и взаимно ортогональными шинами, расположенными на противоположных гранях структуры, а блок управления сменой масок выполнен в виде многофункциональных генераторов, выходы которых связаны с соответствующими горизонтальными и вертикальными шинами и со входом блока анализа, соединенного с управляющими входами блока управления сменой масок.Эквивалентная схема такой матрицы или панели представляет собой набор элементарных ячеек, каждая из которых выполнена в виде пары встречно включенных фоточувствительных элементов, имеющих запорную ветвь в вольт-амперцой характеристике, например фотодиодов, фототранзисторов, фото-МОП структур и т. п, Каждая элементарная ячейка оптически или электрически связана с выходами генератора, генерирующего оптические и электрические сигналы, изменяющиеся во времени по определенной программе, имеющие несколько уровней интенсивности света или амплитуды электрического сигнала. В каждой элементарной ячейке включено дополнительно по омическому сопротивлению. Концы элементарных ячеек соединены в подгруппы так, чтобы разные концы одной ячейки оказались в двух разных подгруппах. Подгруппы же объединены в две большие группы Хи У.Выходы генератора так же разделены на две группы Х и У, и каждый выход связан с Фотоприемные площадки объединены в одну подгруппу и расположены в соответствиис требуемыми конфигурациями воспроизводимых масок,Концы элементарных ячеек в подгруппахразделены омическими сопротивлениями, фоточувствительные площадки скомпонованытак, чтобы оба фоточувствительных элементаодной ячейки были освещены одинаково.Один из вариантов устройства может бытьвыполнен в виде панели с распределеннымипараметрами на основе триодной структурыв кремнии. Прозрачные шины на обеих поверхностях структуры объединят некоторыесовокупности элементарных ячеек в подгруппы, подключаемые к одному выходу генератора.Часть выходов генератора можно сделатьоптическими, т. е. излучающими, а другуючасть выходов электрическими. При этом сопротивления, разделяющие элементарные подгруппы, заменены фотосопротивлениями.На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого оптоэлектронного анализатора; цафиг. 2 - детализирован основной элемент устройства - твердотельные матрицы или панельс распределенными параметрами, а также показаны возможные расположения фоточувствительных площадок в элементарных ячейкахи эквивалентная схема самой элементарнойячейки, из которых состоит матрица или панель; ца фиг, 3 проиллюстрирована работаустройства в динамике: а - маркировка шин,об ьедцняющих элементарные ячейки в подгруппы, б - вольт-амперцые характеристикиэлементарной ячейки в темноте и при освещении с последовательно включенным омическим сопротивлением и без него, в - эпюрынапряжений на 8 выходах генератора, необходимые для воспроизведения 16 масок, с помощью которых может быть осуществленоразложение любого оптического изображенияв ряд Фурье (16 коэффициентов) по функцииУолша, г - эти 16 масок.Предлагаемый анализатор содержит источник света 1 (см. фиг. 1). Он при помощи объектива 2, диафрагмы 3 и транспаранта 4 создает поле изображения 5. Маскирующее и фотоприемное,устройства совмещены в единойтвердотельной матрице или панели с распределенными параметрами (фотоприемная полупроводниковая структура) - блок 5, представляющими собой совокупность УМ элементарных ячеек, УМ токоотводящих шин 6 связывает блок 5 с УМ выходами блока 7 управления сменой масок.Однако в подавляющем числе практическирешаемых задач, при воспроизведении масок,конфигурации которых могут описываться непрерывными функциями, достаточно иметь неУМ шин, а Ж+М, Для этого, с целью сокращения числа шиц 6 и выходов генераторов Хи У блока 7 концы элементарных ячеек соединены в подгруппы, причем противоположныеконцы одной ячейки входят в две разные груп 5пы Х или У, включа 1 ощие в себя все подгруппы, каждая из которых связана либо с У выходами генератора Х, либо с М выходами генератора У, входящими в блок 7.Пространственное распределение ячеек по подгруппам производится в соответствии с воспроизводимой конфигурацией масок.Твердотельная структура 5 представляет собой матрицу из элементарных ячеек (см, фиг. 2, а) или панель с распределенными параметрами (см. фиг. 26), эквивалентная схема которой может быть представлена в виде набора элементарных ячеек. Каждая из ячеек состоит либо из пары встречно вкл 1 оченных фотолиолов Р - Р либо фототранзисторов, либо МОП-структур, либо любых сочетаний из этих элементов и диодов, Т, е. каждая ячейка строится так, чтобы вольт-амперная характеристика имела лве запорпые ветви, а интервал напряжений 1 с резким изменением тока был сравнительно небольшим (см, фиг. 3, 6),Такая структура ячейки позволяет передавать небольшое число градаций прозрачности маски. С целью увеличения числа градаций последовательно с парой встречно включенных элементов, имеющих запорную ветвь в вольт-амперной характеристике, включено омическое сопротивление г;, которое расширяет линейный участок изменения характеристики 11 (см. фиг. 3, 6).С целью увеличения числа воспроизводимых маскирующим устройством конфигураций при числе выходов многофункционального генератора (УМ вместо Л 1 М элементарные ячейки внутри подгрупп разделены между собой омическими сопротивлениями г (см. фиг. 2, а). Включенные в шины и подключенные к выходам генераторов, они образуют собой лелители напряжения и обеспечивают на ячейках одной подгруппы разное смещение, С этой же целью можно использовать для формирования маски оба фоточувствительных элемента одной элементарной ячейки, Тогда фоточувствительные площади фотодиодов Р; и Р, должны располагаться так, чтобы оптический элемент изображения равномерно засвечивал оба элемента одной ячейки (см. фиг. 2, а).В случае панели с распределенными параметрами элементарная ячейка образуется участком триодной р - и - р или и - р - и структуры, сопротивлением г; служит сопротивление базового слоя, сопротивлениями г - сопротивления внешних областей. Шины, подсоединяемые к генератору, могут быть выполнены в виде прозрачных проводящих областей, представляющих собой систему взаимно перпендикулярных полос, расположенных на противоположных гранях триодной структуры (см. фиг. 2,6).При использовании для регистрации освещенности обоих р - и - р переходов структуры, залегающих на разной глубине, необходимо так выбирать либо конструкцию структу 360000 В этом состоянии ток через элементапнуюячейку Р; - РЕс равен нул 1 о как в темноте,тдк и при олинаковом осве 1 цении обоих фотолиолов (см. Фиг. 3, 6).Ее=О пои ГИ=О и Е 1=Е 1 (токи осве 1 ц нн 1.1 хячеек) или Ез=Ез (токи неосвещенных ячеекР и Р ) - маска непрозрачна.При напряжениях на шинах, обеспечивающих Уп 1 МО1= Р(Ез+ Е 1)+ У(Ез+ Е 1)3,гле Р - число прозрачных элементов маски - диодов Р,;Р - число прозрачи 11 х лполов Р;.В случае, когда ЕЕЪ ФО и (Еу ФО, ноЕЪ; =0 (так кяк ЕЕх 1 =(Еу 1), соответствующие элементы маски непрозрачны.Воспроизвеление нескольких градаций прозрачности возможно при работе ячейки в интервале напряжений Л(Е (см. фиг. З,б), в непосредственной близости от нуля напряжений,Если элементарная ячейка состоит из двухдиолов, то ЛЕЕо,1 в. Этот интервал напряжепий может быть искусственно увеличенвключением в кяжлу 1 о элементарную ячейкудополнительного омического сопротивления г;(см. фиг. 3) до ЛУ)ЛЕЕТаким образом, в исходном состоянии Еи всяматрица не видит (см. Яна фиг, 3, г). ПриЕ.1 начинают работать Ы выходов генератора Х(см. фиг. З,в) и на маске устанавливаетсяконфигурация прозрачности 51 и т. д. по всемзначениям Л 1 и М. В момент времени Ьм== ЛЕ УМ= Т (Т - период работы многовыхолпых генераторов Х и У) устанавливаетсяЯг.м-конфигу рдпия.Матрица ячеек илп панель с распределенными пяряметрдмп не только осуществляетмаски(1 овя 11 ие сигналя, 110 и интегрирует световой поток, проп 1 елший через транспарант имаску. Действительно, сам факт прозрачности элемента маски еще пе увеличивает токчерез фотоприемпик, если ЕзЕ 1. Только приидличии освещения пд ЕЕ-том прозрачномэлементе увеличивается ток, потребляемый го. 5 то 15 го 25 зо 35 40 45 50 55 60 65 ры, либо длину волны освещающего света, либо соотношение масштабных множителей выхолов генераторов, чтобы изменение тока через прибор при одинаковом освещении любого из лиолов элементарной ячейки было одинаковым.Выполнение устройства в виде панели с распределенными параметрами горазло проще, конструкция компактнее, позволяет добиться большей плотности компановки условных ячеек, технологичнее, требует меньшего числа выколов генератора, уппавлеиия аналоговым, а не дискретным сигналом.Устройство работает слелуюпгим обпязом.В исхолпом состоянии ня выходах ЮМ генераторов блока 7, т. е. Иа концах шин Х Х, , Х и У 1, Уь, Ум (см, фиг. З,а) напряжение равно нулю ЕЕх, = Ух, = - = Ух,; -- О и Уу, - У, -- . Уу - О.пределенного диода О, и 11 с диода 01 были бы равны при одном потоке Ф/2, попадающем на элементарную ячейку 01 - Л,. Для этоп, необходимо так подобрать толщины всех трех 5слоев устроиства и длину волны Х источника света, чтобы разделение пар неосновных носителей света, осуществлялось обоими переходами одинаково. Тогда 11=11 (см. фиг. 2, б).0При такой конструкции панели число элементов может быть доведено до 100 Х 100= = 10 ф при времени смены маски 10- сек.При болыиом числе элементов маски могутвозникнуть технологические трудности при создании большого числа электрических вы водов шин, объединяющих элементы в подгруппы. Этой трудности можно избежать, если заменить электрическое управление от генератора оптическим. Для этого несколько выходов многофункционального генератора дол жны быть сделаны оптическими, т, е. излучающими по заданному закону, и эти оптические сигналы, попадая на фотосопротивления, разделяющие элементарные ячейки, будут производить распределение потенциала, по лаваемого на шины от электрических выходовгенератора, Такое оптоэлектронное управление особенно ценно при использовании обратной связи между выходом устройства и выходами генератора, ибо позволяет избежать генерации, облегчает процесс преобразованиясигнала.Использование изобретения для получениякоэффициентов Фурье по функции Уолша позволило сократить процесс с 1 - 2 час, необходимых для механической смены 64 масок и их юстировки ло долей секунды, лаже без учета времени ца изготовление оптических масок пои той ке точности проведения операции.В лаборатории оптоэлектроники и голографии ФТИ АН СССР был создан элемент оптоэлектронного анализирующего устройства в виде матрицы из 64 элементарных ячеек на базе фотодиодов, На этой матрице были воспроизведены 16 масок для разложения оптического изображения по функциям Уолша.Сравнение полученных при разложении коэффициентов с коэффициентами, полученными при использовании оптических масок, дало совпадение с точностью 1 - 3% . цераторами Х и У блока 7 ца 11 - Ф. Таким образом. в каждый момент времени 111 мы имеем информацию о маскированном изображении в виде 1 г;(ц). Поскольку управление маской осъществляется электрическими сигналами, информация за момент времени 1; может быть использована в момент времени А 1+1. Таким образом, использование обратной связи позволит создать систему подстраивающегося в процессе работы адаптивного фильтра. Обработка сигнала и последующее использование этого сигнала для управления генераторами позволит существенно упростить схемы логической обработки сигнала.Действительно, управление масками проис ходит с помощью генераторов Х и У, блока управления 7, которые могут перестраиваться от кадра к кадру как по произвольному закону, так и с учетом полученной за предыдущий кадр информации. Таким образом, может осу ществляться операция адаптивной фильтрации.Таким образом, сокращение времени обработки информации достигается тем, что механическая смена масок заменяется электрической, происходящей за время Т. При числе масок - 100 Т может быть 10 -сек.Оптическая схема с совмещенной маской позволяет сократить число линз, так как операция собирания потока после транспаранта 30 и маски на фотоприемцик больше не нужна.Отпадает необходимость в изготовлении оптических масок, ибо закон распределения п 1 озрачности 5 хм теперь задается только гецсраторами Х и У, 35фотоприемник, совмещенный с маскирующим устройством, может быть создан как ца базе промышленных лискоетных фотодиодов типа ФТ - 1,2,3 или ФДК - 1,2, 3 ит.д., так и на базе интегральных систем на основе 40 кремния. Как методы технологического изготовления этого прибора, так и условия его эксплуатации ничем не отличаются от большинства современных радиоэлектронных схем.Конкретным примером осуществления прел лагаемого оптического анализатора является совокупность из 64 масок для разложения двумерного изображения по функциям Уолша (см. фиг. З,г).Устройство состоит из фоточувствительной 50 матрицы, представляющей собой четыре элементарцых ячейки, каждая из которых (64 фотодиода) два параллельно включенных диода Г; навстречу двум лпугим параллельно включенным диодам 01 16 1 восемь - Х и восемь - У 55 генераторов двухуровневого сигнала +1 и - 1) 1 см,фиг. З,в); оптической системы, позволяющей проектировать транспарант (64 элемента) на матрицу фотодиодов. Это же устройство может быть осуществлено на панели с рас пределенными параметрами, снабженной 16 1 восемь с одной поверхности и восемь с другой) полупрозрачными шинами (см. фиг. 2, б).В этом случае важно добиться такого техцслогического решения, при котором 11 с рас Предмет изобретения Оптоэлектронный анализатор изображений, содеркашин расположенные на одной оптической оси источник света, объектив, диафрагму, трЯцспЯрЯпт с ЯцЯлизируемым изображением, маски и блок фотоприемников, блок управления сменой масок и блок анализа, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью сокращения времени обработки информации, в нем маски и блок фотоприемников выполнены в виде единой пространственно распределенной фоточувствительной р - и - р (и - р - и) структуры с полуизолирующей базовой областью и взаимно-ортогональным и шинами, располо 360000 10женц на противоположных гранях структуры, а блок управления сменой масок выполнен в виде многофункциональных генераторов, выходы которых связаны с соответствующими горизонтальными и вертикальными шинами и со входом блока анализа, соеди. нен ного обратной связью с управляющими входами блока управления сменой масок.Фиг ставитель А. Кудрявце Техред Т. Курилко рректор В. Брыкси едактор Н. Коляда 24 Подписное нистров СССР аказ 2316/2 о п аочЯДЮВДДДВ 5 оДаюз 5 аа 5 ле Е 2 аИзд.1473 Тираж ИПИ Государственного комитета Совета М по делам изобретений и открыти Москва, Ж, Раушская наб д.