Системы технического зрения (СТЗ)

Усилитель изображения в камере может быть совмещен с ФПМ ПЗС с помощью набора оптических волокон (рисунок 9,а) или с помощью объектива (рисунок 9,б).

Рисунок 8 Усилитель изображения 1 - фотокатод;

2 - микроканальная пластина (МКП); 3 - входящий свет;

4 - электроконтактные кольца;

5 - люминесцентный экран; 6 - усиленное изображение

Рисунок 9 Виды стыковки усилителя с ФПМ ПЗС

1 - потери света; 2 - входящий свет; 3 -люминесцентный экpaн; 4 - волокно, 4' - объектив; 5 - ФПМ ПЗС

Стыковка с объективом более гибкая, позволяет исключить усилитель из состава камеры. При этом камера может работать как обычная ФПМ ПЗС или добавлять усилитель к обычной камере с ФПМ ПЗС для работы в усиленном режиме. Недостатком стыковки с объективом являются засветки и потери света от 5 до 10 %. Стыковка с помощью оптических волокон позволяет резко увеличить пропускание света (более 60 %) между усилителем и ФПМ ПЗС по сравнению co стыковкой с объективом. Камеры с усилителем и волоконной стыковкой способны обнаруживать одиночные фотоэлектроны.

Они также имеют гораздо лучше ОСШ, чем приборы с объективом. Недостатки волоконной стыковки состоят в том, что детектор должен работать в сухой инертной среде без вакуума.

Стробирование ФПМ ПЗС с усилителем. В традиционной схеме усилителя напряжение между фотокатодом и входом микроканальной пластины (МКП) используется для включения и отключения усилителя. Если фотокатод становится более положительным относительно МКП, то электроны не будут поступать в нее, что равносильно отключению усилителя. Если фотокатод смещен отрицательно, то электроны будут ускоряться в направлении МКП, что равносильно включению усилителя.

Фотокатод не может быстро переключаться из-за высокой резистивности материала, поэтому на окно осаждают никелевый подслой для уменьшения резистивности. Такой быстродействующий усилитель переключается меньше чем за 2 нс. Но никелевый слой снижает действующую квантовую эффективность системы до 40 %. Медленно действующий усилитель не имеет никелевого слоя и, следовательно, потерь эффективности. Но минимальное время переключения у него составляет не менее 50 нс, а отношение включен/выключен (ОВВ) усилителя характеризует качество переключения. Высокое значение отношения необходимо, чтобы ограничить фон и точно воспроизвести изображение. Этот параметр определяется как отношение выходного света, когда усилитель включен, к выходному свету, когда он выключен. В видимом диапазоне значение ОВВ превышает 1 000 000:1, когда используется типовой усилитель. В УФ-диaпaзоне значение ОВВ обычно гораздо хуже (100 000:1).

Применяется и метод переключения (разрядно-импульсная МКП) для улучшения ОВВ в УФ-диaпaзоне до 10 000 000:1. При этом методе МКП смещается в режим "выкл" пока усилитель выключен, чтобы предотвратить умножение электронов, которое обычно происходит в УФ-диaпaзоне. Рaзрядно-импульсная МКП требует два высоковольтных генератора импульсов: для фотокатода, другой для МКП. Время стробирования МКП "перекрывает" время переключения фотокатода.

Другой метод, известный как стробирование МКП, состоит в стробировании МКП вместо фотокатода. Низкое сопротивление обеих сторон позволяет стробировать МКП быстрее, чем фотокатод. Стробирование МКП позволяет достичь 9 нс без ухудшения квантовой эффектитвности в медленнодействующих усилителях. Такое решение эффективно для применений, когда освещенность низка, но требуется быстрое стробирование.

ФПМ ПЗС с электронной бомбардировкой. На рисунке 10 приведена схема, позволяющая существенно увеличить квантовую эффективность формирователя изображений на базе ФПМ ПЗС. Идея состоит в следующем. Входное оптическое изображение сначала преобразуется в электронное изображение с помощью фотокатода. Затем фотоэлектроны проецируются на ФПМ ПЗС (рисунок 11).

Рисунок 10 - Стробирование МКП 1 - фотокатод включен;

2 - фотокатод выключен; 3 - МКП включена; 4 - МКП выключена

Рисунок 11 - ФПМ ПЗС с электронной бомбардировкой 1 - оптический сигнал от объекта; 2 - ваккумный корпус; 3 - фотокатод; 4 - поток фотоэлектронов; 5 - ФПМ ПЗС; 6 - выходной сигнал ФПМ ПЗС

Такая проекция должна осуществляться с соответствующей фокусировкой, чтобы сохранить пространственное разрешение. К тому же фотоэлектроны ускоряются по пути к ПЗС благодаря напряжению порядка 15 кВ.

Когда электрон с энергией в несколько килоэлектронвольт бомбардиpует кремний, то генерируются электронно-дырочные пары путeм полупроводникового каскадного процесса. Коэффициент усиления G той системы находится как G = E /3,6, где E - энергия бомбардирующих электронов, эВ. При этом шум процесса умножения невелик: у²?0,12G.

ФПМ ПЗС с подавлением блуминга. В некоторых датчиках изображения используют дополнительные антиблуминговые затворы, предназначенные для отвода избытка зарядов из переполненной ячейки. Без такого средства яркая точка, освещенность от которой переполняет ячейку (намного больше 85 000 е-¹) вызывает появление на экране яркой вертикальной полосы. В лучшем случае это может просто мешать наблюдателю. Но если эта полоса перекрывает объект наблюдения, то нет возможности восстановить потерянные данные. ФПМ ПЗС c антиблуминговыми затворами не рекомендуются для работы в условиях низкой освещенности из-за снижения чувствительности этих устройств, если есть лучшие средства.

Антиблуминговые затворы, встроенные в ФПМ, занимают около 30 % области ячейки. В результате коэффициент заполнения снижается до 70 %, снижается чувствительность и уменьшается емкость потенциальной ямы. Снижение чувствительности означает, что экспозицию нужно увеличить почти вдвое, чтобы получить тот же самый уровень сигнала, какой был в ФПМ ПЗС без антиблуминга при тех же условиях. Кроме того, область ПЗС, занятая антиблуминговыми затвори, к увеличению зазора между ячейками, сокpащaя эффективную разрешающую способность датчика.

На рисунке 12 приведены различия между двумя типами ПЗС, приводящие к уменьшению емкости потенциальной ямы и снижению чувствительности ФПМ ПЗС с антиблуминговыми затворами.

Обычный затвор: коэффициент заполнения 100 %, емкость потенциальной ямы 85 000 е-¹, нет средства для борьбы с блумингом.

Антиблуминговый затвор: коэффициент заполнения 70 %, емкость потенциальной ямы 45 000 е-¹, сниженная квантовая эффективность.

Можно подавить блуминг в ПЗС и без антиблуминговых затворов. Например, можно использовать не одну длительную экспозицию, при которой почти наверняка произойдет блуминг, а несколько коротких, при которых самые яркие объекты не успевают вызвать блуминг. Затем полученные снимки обработать с помощью программного обеспечения для обработки изображений. Отношение сигнал/шум остается таким же, как и при длительной экспозиции, но результат свободен от блуминга.

Рисунок 12 - Структура ячеек ФПМ ПЗС а - обычная;

б - с антиблуминговыми затворами

Получение трехмерного изображения

Во многих промышленных роботах необходимо определять положение контролируемого объекта или отдельных его точек в трехмерном пространстве. Простейшие СТЗ, предназначены для решения таких задач, либо строят по классической стереоскопической схеме, либо используют двумерный анализатор плоских изображений, например, координатный или матричный фотоприёмник в сочетании с дальномерным устройством.

Одной из основных проблем при использовании подобных устройств пассивного типа, т.е. без подсветки объекта, является обнаружение точек, для которых измеряется параллакс. В случае простых по форме объектов часто используют края изображений, но и в этом случае объём программной обработки бывает большим. Для его уменьшения применяют иерархический принцип, при котором сначала идентифицируются наиболее крупные детали объекта, а затем все более мелкие. Однако при неравной и меняющейся в процессе работы СТЗ освещенности объекта этот путь достаточно сложен. Другими способами решения проблемы являются масштабирование и оконтуривание изображений, применение специальных меток или марок на объектах, а также методы оптической корреляции.

Дальномерные устройства (дальномеры), используемые в СТЗ можно разделить на несколько групп:

- геометрического типа (пассивные и активные);

- локационные (с импульсной и фазовой модуляцией);

- интерференционные;

- дифракционные.

Среди дальномеров первой группы наиболее широко используются базовые дальномеры, действующие по триангуляционной схеме. В них измеряется параллактический угол, образованный направлениями на концы некоторой измерительной базы. Эта база может быть расположена внутри дальномера или на объекте. Возможны схемы и с двумя базами на объекте и в приборе.

Методов получения трехмерного изображения много:

В импульсных локационных дальномерах к объекту посылается короткий световой импульс, и по времени t между его посылкой и возвращением при постоянной скорости распространения импульса определяется расстояние до объекта: x = t/2.

Наиболее точны интерференционные дальномеры, в которых измерение осуществляется обычно по схеме асимметричного двухлучевого интерферометра Майкельсона. Световой пучок, создаваемый передающей системой, делится на две части, одна из которых направляется к объекту и отражается от него, другая проходит путь известной длины до опорного отражателя. Относительный сдвиг фаз, соответствующий разности путей, проходимых двумя частями пучка, измеряется в единицах длины волны .

Сравнительно недавно в робототехнике стали применять дифракционные дальномеры, работа которых основана либо на измерении радиуса корреляции пятнистой дифракционной картины, образующейся при освещении объекта когерентным светом, либо на измерении контраста в изображении периодической дифракционной структуры при когерентном освещении объекта через дифракционную решетку.

Рассмотренные в пособии вопросы используются при изучении соответствующих дисциплин по специальности «Управление и информатика в технических системах» и могут быть полезными при разработке и создании систем управления и автоматики, а также их элементов, основанных на новых физических принципах.

Литература

1. Бабич, А. В. Промышленная робототехника / А.В. Бабич. - М.: Книга по Требованию, 2012. - 263 c.

2. Барсуков, А. Кто есть кто в робототехнике: Ежеквартальный справочник / А. Барсуков. - М.: Книга по Требованию, 2005. - 126 c.

3. Барсуков, А.П. Кто есть кто в робототехнике / А.П. Барсуков. - М.: Книга по Требованию, 2010. - 128 c.

4. Воскобойников, Б. С. Словарь по гибким производственным системам и робототехнике. Английский. Немецкий. Французский. Нидерландский / Б.С. Воскобойников, Б.И. Зайчик, С.М. Палей. - М.: Русский язык, 1991. - 392 c.

5. Иванов, А. А. Основы робототехники / А.А. Иванов. - М.: Форум, 2012. - 224 c.

6. Копосов, Д. Г. Первый шаг в робототехнику. 5-6 классы. Практикум / Д.Г. Копосов. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2014. - 292 c.

7. Копосов, Д. Г. Первый шаг в робототехнику. 5-6 классы. Рабочая тетрадь / Д.Г. Копосов. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2014. - 229 c.

8. Копосов, Д. Г. Первый шаг в робототехнику. Практикум для 5-6 классов / Д.Г. Копосов. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. - 292 c.

9. Копосов, Д. Г. Первый шаг в робототехнику. Рабочая тетрадь для 5-6 классов / Д.Г. Копосов. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2012. - 889 c.

10. Костров, Б. В. Искусственный интеллект и робототехника / Б.В. Костров, В.Н. Ручкин, В.А. Фулин. - М.: Диалог-Мифи, 2008. - 224 c.

11. Макаров, И. М. Робототехника. История и перспективы / И.М. Макаров, Ю.И. Топчеев. - М.: Наука, МАИ, 2003. - 352 c.

12. Петров, А. А. Англо-русский словарь по робототехнике / А.А. Петров, Е.К. Масловский. - М.: Русский язык, 1989. - 494 c.

13. Попов, Е.П. Робототехника и гибкие производственные системы / Е.П. Попов. - М.: ИЛ, 1987. - 192 c.

14. Предко, М. 123 эксперимента по робототехнике / М. Предко. - М.: СПб. [и др.] : Питер, 2007. - 544 c.

15. Предко, М. 123 эксперимента по робототехнике / М. Предко. - М.: НТ Пресс, 2006. - 544 c.

16. Робототехника и гибкие автоматизированные производства / ред. И.М. Макаров. - М.: Машиностроение, 1986. - 478 c.

17. Робототехника, прогноз, программирование. - М.: ЛКИ, 2008. - 208 c.

18. Филиппов, С. А. Робототехника для детей и родителей / С.А. Филиппов. - Л.: Наука, 2013. - 320 c.

19. Юревич, Е. И. Основы робототехники (+ CD-ROM) / Е.И. Юревич. - М.: БХВ-Петербург, 2010. - 360 c.

20. Юревич, Е. И. Основы робототехники / Е.И. Юревич. - Л.: Машиностроение, 1985. - 272 c.

Размещено на Allbest.ru