способ комплексной оценки параметров преобразователей изображения и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ комплексной оценки параметров преобразователей изображения, заключающийся в фоторегистрации движущегося растра с эталонным изображением синусоидальной решетки, когерентного преобразования преобразователем изображения эталонного изображения синусоидальной решетки в Фурье-спектр и измерении функции передачи модуляции Фурье-спектра в частотной плоскости при варьируемых скорости движения и пространственной частоте, при этом апертура формируемого движущегося растра постоянна, отличающийся тем, что аналитически описывают эталонное изображение и преобразуют его в круговой апертуре с вращающимся вокруг ее оси движущимся растром с варьируемыми круговой частотой, контрастом, спектром и интенсивностью излучения, при этом формирование движущегося и вращающегося растра с изменяющимися параметрами, считывание Фурье-спектра видеокамерой с последующим вычислением функции передачи модуляции, восстановление изображения исходного движущегося растра и его анализ осуществляются компьютером.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вращение движущегося растра и движение синусоидальной решетки дискретизируются во времени.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что по преобразованному Фурье-образу эталонного изображения синусоидальной решетки с заданными параметрами и по обратному Фурье преобразованию восстанавливают изображение и его параметры, сравнивают восстановленные параметры с заданными, и при их отличии методами последовательного приближения задают новые параметры для исходного эталонного изображения до тех пор, пока задаваемые и восстанавливаемые параметры изображений полностью совпадут.

4. Устройство, реализующее указанные в пп.1 - 3 способы, содержащее канал записи, включающий устройство формирования эталонного изображения, входной объектив и светоделительную поляризационную призму, канал считывания, включающий источник когерентного излучения, расширитель, светоделительную поляризационную призму, первый светофильтр, анализатор, Фурье-линзу и первое фоторегистрирующее устройство, преобразователь изображения, оптически связанный по входу каналами записи и считывания со светоделительной поляризационной призмой и по выходу каналом считывания с первым светофильтром, канал контроля, включающий второй светофильтр и второе фоторегистрирующее устройство, оптически связанный со светоделительной поляризационной призмой, и компьютер, электрически связанный соответственно первым информационным входом и первым управляющим выходом с информационным выходом и входом первого фоторегистрирующего устройства, вторым информационным входом и вторым управляющим выходом с информационным выходом и управляющим входом второго фоторегистрирующего устройства, отличающееся тем, что устройство формирования эталонного изображения выполнено на основе цветной электронно-лучевой трубки и электрически связано с третьим выходом компьютера, а первое и второе фоторегистрирующие устройства выполнены на основе цифровых видеокамер.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптической обработки информации и предназначено для комплексного исследования параметров преобразователей изображения и оптико-электронных элементов информационных и вычислительных систем.

Известен способ [1] измерения динамических параметров по спаду пространственной функции передачи модуляции (ФПМ) при периодическом вращении изображения края сектора радиальной миры по фоточувствительной части преобразователя изображения (ПИ). Его недостатком является необходимость численного дифференцирования с целью дальнейшего дискретного преобразования Фурье-сигнала по фотоотклику ПИ. При этом такие вычисления дают лишь приближенную оценку параметров ПИ.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ [2] измерения динамических характеристик ПИ в частотной плоскости когерентно-оптического спектроанализатора при воспроизведении ПИ изображения движущейся решетки с изменяющимися пространственной частотой и скоростью перемещения. Параметры ПИ измеряются с помощью ФПМ, при этом вводится понятие параметра



где I₁(V) и I₁(O) - интенсивности первого порядка дифракции соответственно, при скорости V 0 перемещения решетки и при неподвижной решетке (V = 0).

Основными недостатками первого и второго способов являются следующие. Во-первых, возникают существенные погрешности в ФПМ, обусловленные одномерным в пространстве движением решетки или вращением края сектора радиальной миры и нестационарными процессами, происходящими в ПИ. Такие процессы обусловлены релаксационностью фотоотклика, и соответствующие им погрешности невозможно выделить из ФПМ Фурье-спектра. Во-вторых, Фурье-спектр, являясь интегральной характеристикой, в том числе и по площади преобразуемого изображения, не позволяет определить погрешности, вносимые пространственными неоднородностями и дефектами и связанным с ними различием в пространственно распределенных параметрах ПИ, а также их пространственное расположение и количественное влияние. Следовательно, анализ таких Фурье-спектров не может дать однозначной оценки исследуемых параметров ПИ. Кроме того, автоматизация оценки параметров ПИ этими способами ограничена, поскольку формирование эталонного изображения решетки и измерение ее Фурье-спектра осуществляется без обратной связи между этими процессами и требует постоянного участия оператора.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение точности измеряемых параметров преобразователей изображений и автоматизация процессов измерения.

Это достигается при когерентном преобразовании ПИ эталонного изображения синусоидальной решетки с изменяющимися непрерывно или дискретно круговой частотой, скоростью перемещения, пространственной частотой, контрастом, спектром и интенсивностью излучения, благодаря тому, что эталонное изображение описывают аналитически и преобразуют его в круговой апертуре с вращающимся вокруг ее оси движущимся растром, при этом формирование движущегося и вращающегося растра с изменяющимися параметрами посредством цветной электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), считывание Фурье-спектра видеокамерой с последующим вычислением функции передачи модуляции, восстановление изображения исходного движущегося растра и его анализ осуществляются компьютером по цепи оптической обратной связи. При этом параметры восстановленного изображения сравнивают с параметрами заданного эталонного изображения и при их отличии методами последовательного приближения задают новые параметры для исходного эталонного изображения до полного совпадения заданных и восстановленных параметров изображений.

Способ и устройство для его реализации поясняются фиг. 1-3.

На фиг. 1 изображена схема преобразования эталонного изображения движущейся и вращающейся синусоидальной решетки в Фурье-спектр: 1 - плоскость XOY, в которой формируется растр размером l_xxl_y с перемещающимся со скоростью V и вращающимся с круговой частотой эталонным изображением периодической решетки с пространственной частотой (a - ширина темной и светлой полос); 2 - диафрагма с круговой апертурой радиусом R; 3 - объектив, при этом f - расстояние от входного зрачка до плоскости XOY эталонного изображения решетки, f" - расстояние от выходного зрачка до плоскости X"O"Y", где проецируется изображение решетки, 4 - светоделительная поляризационная призма, 5 - преобразователь изображения толщиной d с входной плоскостью X"O"Y", в которой проецируется и фокусируется эталонное изображение и с выходной плоскостью X""O""Y"" (плоскость преобразуемого изображения), 6 - анализатор, 7 - Фурье-линза, 8 - частотная Фурье-плоскость X^*O^*Y^* c изображением Фурье-спектра, соответствующего преобразованному в плоскости X""О""Y""" изображению решетки (дифракционные порядки Фурье-спектра расположены в линию, ортогональную директору эталонного изображения решетки). Центры круговой апертуры 2, объектива 3 и Фурье-линзы 7 лежат на оптической оси OO^*. Если увеличение (уменьшение) объектива 3 равно , то размеры решетки в плоскости X""O""Y""" (X"O"Y"), круговая частота и скорость перемещения изображения равны, соответственно: и при этом в Фурье-плоскости X^*O^*Y^* - ^* = = = при любой ФПМ, отличной от нуля, а скорость V^*, обусловленная динамическими параметрами ПИ 5, вырождается в перераспределение интенсивности в максимумах дифракционного Фурье-спектра [3].

На фиг. 2 показана эпюра изменения фазы вдоль оси O"X" (соответственно, вдоль оси O""X""), описываемая гармоническим законом, где T" = T"" - период повторения одинаковых значений фазы, Ф_min, Ф_max и Ф_i - соответственно, минимальное, максимальное и среднее значения фазы.

На фиг. 3 представлена схема устройства, реализующего заявленный способ, на которой изображено: 1 - устройство формирования эталонного изображения, выполненное на основе цветной ЭЛТ с экраном 2, расположенным в плоскости XOY (фиг. 1), 3 - объектив, 4 - светоделительная поляризационная призма, 5 - источник когерентного считывающего излучения с интенсивностью I₀(), 6 - расширитель лазерного луча, состоящий из короткофокусной и длиннофокусной коллимирующей линз и фильтра пространственных частот, 7 - преобразователь изображения, 8 и 13 - соответственно, первый и второй светофильтры, 9 - анализатор, 10 - Фурье-линза, 11 - частотная Фурье-плоскость, 12 и 14 - соответственно, первое и второе фоторегистрирующие устройства, выполненные на основе цифровых видеокамер, 15 - компьютер, 16 - эталонное изображение растра. Элементы 1 - 4 образуют канал записи, 4-6 и 8- 112- канал считывания, 4, 13 и 14 - канал контроля. Геометрический центр экрана 2 и оптическая ось первого фоторегистрирующего устройства 12 расположены на оптической оси, образованной объективом 3 и Фурье-линзой 10 (ось OO^* на фиг. 1). Излучение когерентного источника 5 распространяется по оптической оси, образованной расширителем 6 и Фурье-линзой 10, которая совмещена с осью OO^* посредством светоделительной призмы 4. Оптическая ось второго фоторегистрирующего устройства расположена на отраженной светоделительной призмой оптической оси.

Сущность способа состоит в следующем.

Положим, что растр l размером l_xxl_y с изображением бесконечно повторяющихся l_x = по оси OX светлых и темных полос равной а толщины и периодом T= 2a (фиг. 1) неподвижен или движется в направлении оси OX равномерно со скоростью V без вращения = 0, т.е. директор решетки всегда ортогонален оси OX. Изображение растра, выделенное круговой апертурой 2 радиусом R l_y, l_x, и спроецированное и сфокусированное объективом 3 на ПИ 5 (входную плоскость X"O"Y"), преобразуется в идентичное исходному изображение в выходной X""O""Y""" плоскости ПИ 5. Преобразованное изображение, взаимодействуя с распределенными параметрами и компонентами ПИ, вызывает для считывающей монохроматической плоской волны интенсивностью I₀() на выходе ПИ задержку по фазе, которая описывается гармоническом законом, формируя т.н. пространственную синусоидальную решетку (фиг. 2). Если ввести параметр то закон изменения фазы вдоль оси O""X"" запишется [4]:



Для плоской монохроматической волны распределение амплитуды в плоскости X"O"Y" ПИ 5 имеет вид: ₀(x,y) = Aexp(-iA), где A - комплексное число, Ф - набег фазы,

После прохождения плоской волной ПИ с учетом (2) распределение амплитуды волны имеет вид:



Если положить, что тогда:



С помощью светоделительной поляризационной призмы 4 и анализатора 6 фазовая модуляция, обусловленная электрооптическими эффектами в ПИ 5, преобразуется в амплитудную модуляцию. Фурье-линза 7 фокусирует дифракционные порядки Фурье-спектра в частотной плоскости 8. В соответствии с [3] и учитывая, что распределение интенсивности в Фурье-плоскости X^*O^*Y^* (фиг. 1) будет иметь вид:



где f"" - фокусное расстояние Фурье-линзы, J_n - функция Бесселя первого рода n-го порядка. Из (5) следует, что как при стационарном положении изображения периодической решетки 1 в плоскости XOY, так и при ее движении в любом направлении в плоскости XOY при неизменном = 0 положении директора решетки в плоскости X^*O^*Y^* будет распределение интенсивности, описываемое как Фурье-образ от синусоидальной фазовой решетки (фиг. 2), при этом максимумы интенсивности (порядки в Фурье-спектре) всегда расположены ортогонально директору решетки 1 (вдоль оси O^*X^*) с расстоянием между соседними .

Площадь преобразованного ПИ изображения решетки в плоскости X""O""Y"", а также любое перемещение растра 1 параллельно его директору с разной скоростью V будут обуславливать соответствующие перераспределения интенсивности в Фурье-спектре (в максимумах различных порядков). При разной скорости перемещения растра 1 будет изменяться фотоотклик ПИ и, соответственно, ФПМ по преобразованному изображению решетки, обусловленная техническими параметрами ПИ (чувствительность, быстродействие, разрешающая способность и др.). Поскольку растр 1 ограничен диафрагмой 2 с постоянной круговой апертурой площадью R², то только динамические V"" и частотные = 1/T параметры ПИ будут определять соответствующее перераспределение интенсивности в Фурье-спектре. При этом погрешности, вносимые нестационарностью процессов преобразования изображения, могут оказывать существенное влияние на оценку параметров ПИ при одномерном движении решетки. В этом случае также невозможно определение пространственного расположения дефектов и неоднородностей и их количественное влияние на параметры ПИ.

При вращении ( 0) дискретно или непрерывно вокруг оптической оси OO^* в плоскости XOY изображения решетки 1 (с параметрами, соответствующими передаточным техническим параметрам ПИ 5) и при вращении, соответственно, преобразованного в плоскости X""О""Y"" (ФПМ0) изображения решетки, или при ее повороте на определенный угол дифракционная картина 8 в плоскости X^*O^*Y^* также будет вращаться (^* = = ) или поворачиваться на определенный угол ^* = = . За один полный поворот = 360 растра вокруг оси OO^* направление движения изображения решетки опишет круг, а дифракционные порядки в Фурье-спектре 8 опишут окружности с радиусами где k = 1,2,3... - дифракционные порядки. При этом вращающийся радиус-вектор дифракционных окружностей всегда будет ортогонален директору растра.

Если измерять, например, интенсивность дифракционного максимума первого порядка k=1 при изменении круговой частоты = var вращения изображения решетки и постоянной скорости V = const перемещения полос, то параметр, характеризующий время записи изображения (быстродействие ПИ), определяется: где I₁() и I₁(0) - интенсивности первого порядка дифракции при постоянной скорости V = const перемещения, соответственно, при изменении круговой частоты 0 и при = 0. При этом, варьируя угловой частотой вращения и скоростью перемещения V, и с учетом (1) равенство параметров m(V) = m() будет определять точное значение быстродействия ПИ, а разница |m(V)-m()| - вклад (погрешность), вносимый нестационарностью процессов преобразования изображения.

Аналогично вышеизложенному можно ввести параметр m(), характеризующий пространственную однородность, наличие дефектов и их количество в объеме ПИ: где I₁() и I₁(₀) - интенсивности первого порядка дифракции при постоянной скорости V = const перемещения, соответственно, при повороте решетки на угол 0 вокруг оси OO^* и в первоначальном положении ₀ = 0. Если при различных углах поворота решетки параметр m() не изменяется, то ПИ пространственно однороден. При этом если I₁(₀) имеет наибольшее значение и m() = 1, то ПИ имеет высшее качество.

Наиболее популярной характеристикой при когерентно-оптической оценке параметров ПИ служит дифракционная эффективность где I₁ и I₂ - соответственно, интенсивность первого и второго порядков дифракции. Следовательно, при вращении решетки дифракционная эффективность будет иметь вид: где I₁() и I₂() - интенсивности, соответственно, первого и второго порядка дифракции при круговой частоте , а при перемещении - где I₁V) и I₂(V) - интенсивности, соответственно, первого и второго порядка дифракции при скорости перемещения V.

Таким образом, сравнительный анализ параметров m() , m() , m(V) и , (), (), (V) позволяет однозначно и с высокой точностью оценить как динамические параметры ПИ, так и влияние пространственной

неоднородности ПИ. Более того, дискретизация во времени вращения растра и движения синусоидальной решетки позволяет определить различия в пространственно распределенных параметрах ПИ, а также наличие неоднородностей и дефектов и степень их влияния на параметры преобразованных изображений. Анализ () при постоянных и определенных значениях скорости V и круговой частоте вращения решетки приводит к параметру m(), определяющему степень влияния пространственной неоднородности и дефектов на преобразованное изображение где _max и _min - соответственно, максимальное и минимальное значение дифракционной эффективности. Более того, варьируя пространственную частоту синусоидальной решетки и параметры m() или m(), можно также однозначно определить и расположения пространственных неоднородностей.

Аналогичные вышеуказанным оценки параметров ПИ можно получить при варьировании контраста эталонного изображения, его спектра и интенсивности излучения.

Существенным отличительным признаком предлагаемого способа комплексной оценки параметров ПИ является использование оптической обратной связи, позволяющей аналитически описать эталонное изображение синусоидальной решетки и сформировать его в круговой апертуре с вращающимся вокруг ее оси растром с изменяющимися параметрами (круговой частотой, скоростью перемещения, пространственной частотой, контрастом, спектром и интенсивностью излучения), по преобразованному Фурье-образу эталонного изображения синусоидальной решетки с заданными параметрами осуществить обратное Фурье преобразование и восстановить изображение и его параметры, сравнить восстановленные параметры с заданными и при их отличии методами последовательного приближения задать новые параметры для исходного эталонного изображения до полного совпадения заданных и восстановленных параметров изображений. Совпадающие заданные и восстановленные параметры и будут характеризовать истинные параметры преобразователей изображения.

Описанный отличительный признак является новым, поскольку не использовался в известных способах оценки параметров ПИ, и существенным, поскольку обеспечивает решение поставленной задачи.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является когерентно-оптический спектроанализатор изображений [5], осуществляющий оценку параметров ПИ по Фурье-образу преобразованных тест-изображений. Его основным недостатком является невозможность формирования аналитически описанного эталонного изображения синусоидальной решетки. Другие его недостатки обусловлены способом [2], основанным на одномерном движении решетки.

Заявляемый способ реализуется с помощью устройства (фиг. 3), содержащего канал записи, включающий устройство формирования эталонного изображения, входной объектив и светоделительную поляризационную призму, канал считывания, включающий источник когерентного излучения, расширитель, светоделительную поляризационную призму, первый светофильтр, анализатор, Фурье-линзу и первое фоторегистрирующее устройство, преобразователь изображения, оптически связанный по входу каналами записи и считывания со светоделительной поляризационной призмой и по выходу - каналом считывания с первым светофильтром, канал контроля, включающий второй светофильтр и второе фоторегистрирующее устройство, и оптически связанный со светоделительной поляризационной призмой, и компьютер, электрически связанный, соответственно, первым информационным входом и первым управляющим выходом с информационным выходом и входом первого фоторегистрирующего устройства, вторым информационным входом и вторым управляющим выходом - с информационным выходом и управляющим входом второго фоторегистрирующего устройства, и информационным выходом - с устройством формирования эталонного изображения, которое выполнено на основе цветной электронно-лучевой трубки, при этом первое и второе фоторегистрирующие устройства выполнены на основе цифровых видеокамер.

Устройство работает следующим образом.

Формирование эталонного изображения (фиг. 1) в круговой апертуре радиусом R с вращающимся вокруг оси OO^* растром с варьируемыми круговой частотой , скоростью V перемещения, пространственной частотой , контрастом, спектром и интенсивностью E () излучения осуществляется на экране 2 ЭЛТ 1 при преобразовании аналитически описанного в компьютере 15 эталонного изображения с заданными параметрами. Сформированное на экране 2 ЭЛТ эталонное изображение решетки проецируется объективом 3 во входную плоскость (X"O"Y", фиг. 1) ПИ 7. В зависимости от пространственного распределения интенсивности E() фотоактивного света в объеме ПИ 7 формируется скрытое изображение, зарядовый рельеф, соответствующий эталонному изображению решетки. Под действием внешнего напряжения питания U₀, приложенного к электродам ПИ, зарядовый рельеф изменяет электрооптику пространственно распределенных параметров. Считывание скрытого изображения осуществляется нефотоактивным для ПИ когерентным излучением, которое формируется источником 5 (например, He-Ne лазером), расширяется в рабочую апертуру и отфильтровывается от спекл-шумов расширителем 6. Считывающее излучение через поляризующую грань светоделительной призмы 4 проходит через электрооптический слой ПИ с его пространственно перераспределенными параметрами, претерпевая при этом фазовую модуляцию в соответствии с зарядовым рельефом скрытого изображения, и дифрагирует на пространственных компонентах преобразуемого изображения. Первый светофильтр 8 предотвращает дальнейшее прохождение записывающего E() света. Анализатор 9 преобразует фазовую модуляцию считывающего излучения в амплитудную. Фурье-линза 10 формирует Фурье-спектр преобразованного эталонного изображения синусоидальной решетки в его частотной плоскости 11. Измерение параметров преобразованного оптического сигнала в плоскости 11 (интенсивности дифракционных максимумов, их количество и пространственное расположение в Фурье-спектре) производится цифровой видеокамерой 12. При этом обработка регистрируемых видеокамерой 12 Фурье-спектров осуществляется совместно с компьютером 15 посредством передачи информации по шине данных на первый информационный вход компьютера. Управление видеокамерой осуществляется по шине управления, связывающей первый управляющий выход компьютера с управляющим входом видеокамеры 12 по ранее заложенной в компьютере программе. Визуализация Фурье-образа в частотной плоскости 11 и восстановленного изображения, графическое отображение измеряемых параметров Фурье-спектра и параметров восстановленного изображения осуществляются на дисплее компьютера по заложенной программе.

Для контроля и последующей нормировки результатов измерений параметры сформированного ЭЛТ 1 эталонного изображения и излучения когерентного источника 5 регистрируются видеокамерой 14, электрически связанной по шинам данных и управления, соответственно, со вторым информационным входом и со вторым управляющим выходом компьютера. При этом интенсивность излучения E() корректируется автоматически компьютером. Стабилизация интенсивности излучения I₀() источника 5 может быть осуществлена, например, устройством [6] (на фиг. 3. не показано) или подобного типа. Светофильтр 13 фильтрует либо излучение , прошедшее через светоделительную призму 4, когерентного источника 5, либо излучение ЭЛТ 1. С целью упрощения канала контроля и при регистрации только интенсивностей записывающих E() и считывающего I₀() излучений в качестве второго фоторегистрирующего устройства 14 может использоваться любой калиброванный фотоэлемент, обладающий широкой спектральной фоточувствительностью.

Существенными отличительными признаками предлагаемого устройства комплексной оценки параметров ПИ являются: во-первых, выполнение устройства формирования эталонного изображения на основе цветной ЭЛТ, электрически связанного шиной данных с информационным выходом компьютера, и, во-вторых, выполнение первого и второго фоторегистрирующих устройств на основе цифровых видеокамер, обеспечивающих обратную оптическую связь с компьютером.

Преимущество заявляемого устройства по сравнению с прототипом [5] заключается в следующем: во-первых, достигается полная автоматизация процессов измерения, во-вторых, увеличивается количество измеряемых параметров и, в-третьих, повышается точность измеряемых параметров.

Источники информации

1. Цуккурман Н.С., Субботин Ф.М., Романов А.М. //Журнал ОМП. -1988, N 4, с. 1-3 (аналог).

2. Александров Б. Г.. Никин В.В., Кузьмина И.И., Онохов А.П. и др. Измерение динамических характеристик пространственных модуляторов света с оптической адресацией//Журнал ОМП. - 1992, N 4, с. 15-17 (прототип).

3. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. - М.: Мир, 1970 г., с.99.

4. Захаров И.С. Пространственные модуляторы света. Томск: изд-во Томского университета, 1988.

5. Патент РФ N 2098857, кл. G 02 F 2/00, G 11 В 7/00, 1997.

6. Авторское свидетельство СССР N 1223808, кл. H 01 S 3/13,1991.