Оптико-волоконное устройство обработки видеоинформации для организации управляющих интерфейсов автоматизированных систем Литманович Дмитрий Михайлович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Анализ возможностей использования интегрируемых световодов для построения оптико-электронных измерительных систем 14

1.1. Классификация оптических световодов для интегральной оптики .14

1.2. Основные оптические эффекты, приводящие к распространению электромагнитной волны 1.2. Основные технологии формирования планарных световодов 21

1.3. Формирование световодов контактной фотолитографией 22

1.4. Световоды в печатных платах на основе оптических стекол

1.4. Оптоэлектронная печатная плата с отражающими элементами и внутренним монтажом волокна 38

1.5. Световоды на основе оптических пленок 41

1.6. Оптоэлектронные световоды на кристалле и оптические элементы ИС 42

1.7. Оптические световоды на основе оптического геля 44

1.8. Выводы 51

ГЛАВА 2. Разработка системы для измерения координат объекта на основе оптических световодов .52

2.1. Обоснование оптической схемы измерений 52

2.2. Технологическое обоснование конструкции 70

2.3. Выводы по главе 77

ГЛАВА 3. Теоретическое исследование функционирования системы 79

3.1. Структурная схема преобразования информации 79

3.2. Моделирование распределения оптической мощности 81

3.3. Основные выводы по главе: 93

ГЛАВА 4. Разработка и практическая реализация оптико электронной схемы 94

4.1. Основные технические решения по использованию теневых составляющих для определения положения объекта 94

4.2. Интеграция оптоэлектронного устройства с «системой на кристалле». 107

4.3. Основные выводы по главе: 113

Заключение .102

Список литературы

• Основные оптические эффекты, приводящие к распространению электромагнитной волны
• Технологическое обоснование конструкции
• Моделирование распределения оптической мощности
• Интеграция оптоэлектронного устройства с «системой на кристалле».

Введение к работе

Актуальность проблемы.

Применение оптико-электронных измерительных устройств, используемых в системах автоматизированного управления, имеет большую историю. Ее началом можно считать инфракрасные системы наведения, появившиеся в годы 2-й мировой войны, построенные на базе электровакуумных приборов. Развитие полупроводниковых технологий, позволило далее создать ряд оптико-электронных преобразователей, в том числе матричных и линейчатых приемников излучения на основе ПЗС-структур и позиционно-чувствительных диодов.

~ Разработано большое количество оптических схем, в основе которых лежат оптико-электронные преобразователи данного типа. Это' схемы измерения и контроля геометрических размеров деталей при их производстве, системы определения пространственного положения роботов и манипуляторов, оптико-электронные и телевизионные системы измерения дальности и ориентации в системах управления положением объектов.

Невозможно представить себе систему автоматизированного управления сложными промышленными или военными комплексами, без использования сенсорных панелей, интегрированных со средствами отображения информации, в том числе с матричными экранами. Расширение их функциональности достигается развитием нового типа интерфейсов, основанных на интуитивно понятном «жестовом» управления. При этом возможно появляется новый тип взаимодействия пользователя с рядом технических систем бытового назначения.

Отдельный класс устройств, представляют системы оцифровки объектов в задачах анализа трехмерных сцен, получивших большое применение в киноиндустрии, игровых приложениях, и в системах управления доступом. Использование так называемой структурированной подсветки, позволило создать новый класс устройств, таких, как например ЗБ-сканеры и игровые контроллеры. Путем интеграции импульсных методов лазерного измерения дальности в ПЗС структуры, были получены так называемые Z -камеры, позволяющие построить наряду с изображением окружающей сцены и карту распределения дальности.

Однако существует ряд оптико-электронных измерительных систем, в которых их интеграция с вычислительной структурой затруднена, в связи с большим размером сенсорной области. К ним относятся так называемые сенсорные панели, о которых шла речь выше, и которыми снабжаются платежные и справочные терминалы,

промышленные контроллеры и прочие устройства организации интерактивного взаимодействия оператора с программным обеспечением. Основными оптическими схемами определения точки касания являются либо система триангуляции^ построенная на двух телевизионных датчиках изображения, либо система, использующая набор приемных и передающих инфракрасных приемников-излучателей, образующих над сенсорной поверхностью измерительную сетку.

Известен подход, используемый для передачи сигналов между интегральными схемами на печатной плате, с помощью диэлектрических световодов, образующих оптическую шину передачи данных. Принципиальными преимуществами диэлектрических световодов по отношению к металлическим проводникам являются: на несколько порядков большая ширина полосы пропускания (до 100 ГГц на канал), низкий уровень рассеиваемой мощности даже при высоких тактовых частотах, отсутствие емкостных задержек и нечувствительность к электромагнитным помехам.

Развивая этот подход, автором предложена специализированная оптико-волоконная вычислительная структура, реализующая человеко-машинный интерфейс, и размещаемая на единой печатной плате. Данное решение позволяет в одном технологическом цикле, интегрировать оптическое сенсорное поле с вычислительным устройством.

Цель и задачи диссертационной работы

Цель представленной диссертационной работы заключается в разработке и исследовании интегрированного человеко-машинного интерфейса для управления техническими системами.

Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач:

Разработать функциональную и оптико-геометрическую схемы устройства для определения пространственного положения объекта контроля;

Обосновать метод интеграции разработанной структуры в печатную плату, объединяющую в себе как сенсорную поверхность, планарные световоды и матричный фотоприемник, так и вычислительное устройство, реализующее интерфейс с системой управления;

Исследовать процесс формирования освещенности входных апертур планарных световодов, пространственно разнесенными ИК-излучателями, и решить задачу оптимизации их геометрического положения.

Таким образом, решение поставленных в диссертационном исследовании задач, может привести к созданию нового типа сенсорных устройств, предназначенных для построения интерфейсов взаимодействия человека с техническими системами.

Научная новизна диссертации

Предложен ряд функциональных и оптико-геометрических схем интегрированного устройства для организации человеко-машинного интерфейса, защищенные патентами РФ на изобретения;.

Разработана научно-обоснованная математическая модель распределения оптической мощности на входных апертурах планарных световодов;

Исследована математическая модель энергетических характеристик системы, позволившая получить оптимальные значения углов наклона излучателей к поверхности расположения входных апертур.

Практическая значимость работы заключается в следующих

результатах: . - _N'

⁴ Разработана функциональная и оптико-геометрическая схемы сенсорного устройства на основе световодов, для определения пространственного положения;

Предложена методика проведения эксперимента на опытном образце устройства для подтверждения достоверности математической модели.

Реализован интерфейс между оптическим образом, формируемым на сенсорной поверхности и вычислительным устройством;

Разработана структура вычислительного устройства, реализующую человеко-машинный интерфейс, выполненная в виде «система-на-кристалле» (ChK/SoC);

Проведено компьютерное моделирование процесса формирования оптических потоков, создающих сенсорное поле;

Проработан метод формирования оптических межсоединений с использованием планарных световодов или оптического волокна;

Выработаны требования к программному обеспечению, и разработан тестовый прототип устройства обработки видеоинформации;

Программное обеспечение ПЛИС и ПК, входящих в опытный образец устройства, использовано в лабораторных работах курса "Анализ и управление HDL-проектом".

На основе предложенных автором технических решений и математической модели, был разработан макет, включающий в себя оптико-волоконный модуль, матричный фотоприемник сбора распределенной информации светового поля и вычислительное устройство.

Новизна технических решений, полученных в ходе
данного исследования, подтверждена патентами РФ на изобретения №
2541849 от 28.01.2013 г., №2542949 от 24.05.2013 г., №2486608 от
27.06.2013 г., №2542947 от 28.11. 2014 г., №2556734 от 20.07. 2015 г. и
№2566958 от 15.08.2014 г. С

^Ч/ Личный вклад автора

Проанализированы существующие, и разработана новая
технология формирования планарных световодов. Разработана
функциональная схема оптико-волоконного измерителя

пространственного положения, интегрируемого в печатную плату. Основными результатами работы являются:

Представленны решения по интеграции планарных световодов в технологические процессы производства печатных плат и создание оптических межсоединений с оптическими ИС;

Разработана функциональная и оптико-геометрическая схемы сенсорного устройства на основе световодов, для определения положения объекта контроя;

Проведен анализ и классификация технологий формирования планарных световодов для использования в оптико-электронных измерительных системах;

Разработан и изготовлен экспериментальный стенд, позволивший подтвердить правильность принятых технических решений и достоверность математического моделирования.

Внедрение результатов

Результаты разработок и исследований, полученных в диссертационной работе, нашли следующее внедрение:

Модели функционирования управляющего интерфейса автоматизированной системы, используются при проведении лабораторных работ по курсу «Анализ и управление HDL - проектом (HDL Designer)» кафедры МЭ НИУ МИЭТ;

Примеры оптических печатных плат, используются при проведении лабораторных работ по курсу «Схемотехническое проектирование средствами DxDesigner» кафедры МЭ НИУ МИЭТ;

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России,
Соглашение номер 14.575.21.0069, уникальный идентификатор
соглашения RFMEFI57514X0069.

Научные положения, выносимые на защиту.

Проанализированы существующие технологии создания оптоэлектронных печатных плат на основе планарных световодов и оптоволокна. Выведены формулы расчета положения объекта на сенсорной поверхности. Кроме того, на защиту выносятся:

Доказанная возможность реализации устройства обработки видеоинформации в оптоволоконной измерительной системе на основе разработанных функциональной и оптико-геометрических схем;

Научно-обоснованная математическая модель распределения освещенности на входных апертурах, подтвержденная результатами, полученными на экспериментальном стенде.

Оптико-геометрическая схема формирования светового поля и метод транзита теневых сегментов для задач пространственного измерения, защищенные патентом РФ на изобретение;

Методы и средства исследования

Для решения поставленных задач в работе использованы: программный пакет «Matlab», при моделировании в работе применялись отдельные разделы общей физики (геометрическая оптика и светотехника), среда разработки ПО Embarcadero Delphi, САПР Mentor Graphics для разработки топологии печатной платы, пакет разработки проектов ПЛИС на базе XILINX ISE 14.7 и PlanAhead 2015.1.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. 16-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика - 2009» МИЭТ г.Зеленоград 2009 г.

2. Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «ФПННиМ-2009» г. Ульяновск 2009 г.

3. 18-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика - 2011» МИЭТ г.Зеленоград 2011 г. Награжден дипломом за 1-ое место в конкурсе работ аспирантов по секции «Информационно-управляющие и вычислительные системы и приборы».

4. 19-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика - 2012» МИЭТ г.Зеленоград 2012 г.

5. 3-ая Ярмарка научно-технических и инновационных идей и проектов молодежи «РИТМ Зеленоград», г.Зеленоград 2012 г. Награжден дипломом за 2-ое место в конкурсе работ аспирантов и молодых специалистов.

6. Всероссийская конференция «Исследования и разработки молодых ученых, студентов и аспирантов в оласти электроники и приборостроения» МИЭТ г.Зеленоград 2012 г.

7. Всероссийская конференция «Фестиваль Недели науки Юга России» г.Таганрог 2012 г.

8. 20-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика - 2013». МИЭТ г.Зеленоград. 2013 г.

9. 5-ая международная конференция «Стратегии устойчивого развития мировой науки». Москва. 2015. том 1.

у Публикации по работе

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 17 печатных работах, в том числе 8 публикаций, входящих в список, утвержденный ВАК (включая 6 патентов РФ на изобретение), 1 работа в иностранных источниках.

По одной заявке на изобретение принято положительное решение на выдачу патента. Без соавторов опубликовано 5 работ.

Структура и объем работы

Основные оптические эффекты, приводящие к распространению электромагнитной волны

Простейшим оптическим световодом является прямоугольный в сечении волновод, состоящий из центрального сердечника с более высоким показателем преломления, окруженным внешним слоем с более низким показателем преломления. Внешний слой обычно заключен в защитную оболочку. Начнем с краткого обзора типичных параметров стандартных телекоммуникационных волокон, оптических световодов и обсудим основные механизмы [45], ответственные за распространение света [46].

На уровне электромагнитного взаимодействия с молекулами учитываются пространственные электрические Е и магнитные Н поля и явления поляризации, допускающие колебания соответствующих векторов (Е, Н) только в определенных плоскостях, что приводит к появлению в световоде многих (число это конечно) типов колебаний, или мод (аналогично тому, как в СВЧ-волноводе). Учитывая, соблюдение "волноводных" условий распространения, длина волны света /с в световоде имеет порядок 1 мкм, а сечение световода dc - 10-100 мкм (7С « dc).

Моды световодов и оптоволокна можно разделить на связанные моды и моды излучения. Векторы электрического и магнитного полей для них можно представить в следующем виде: E(x,y,z) = JZjqjEj(xlylz)+JZjq_jE_j(xlylz) + Erad(xlylz); (1.1) Н (х, у, z) = Yij 4jHj (х, у, z) + YAJ Я-jH-j (х, у, z) + Hrad (х, у, z); (1.2) Где; Ej, E_j и Hj, H_j являются векторами первичных и вторичных электрических и магнитных полей, Erad и Hrad плотность энергии электромагнитного поля, qj и q_j модальные амплитуды [23].

Если световод имеет профиль показателя преломления, который постоянен вдоль всей его длины, то есть n=f(x,y), то такой световод называется поступательно инвариантным.

Согласно материалам, изложенным в начале главы, большинство световодов, как правило, состоит из кварцевого стекла или полимера. В данных световодах, разность показателей преломления между сердцевиной и внешним слоем достигается добавлением соответствующих легирующих примесей и добавок либо к сердечнику (в целях повышения его индекса рефракции) или к внешнему слою (чтобы уменьшить его показатель преломления) [47]. Как и стандартные оптические волокна, световоды могут быть как одномодовыми, так и многомо-довыми. Выражение, по которому можно рассчитать число мод, выглядит следующим образом: V = — Jn\ — n —щ А)1/2 ; (1.3) я я где: V - Число мод; S - площадь сечения световода;! - длина волны; пі - показатель преломления сердцевины, д? - показатель преломления внешнего слоя; Л - относительная разность показателей преломления.

Световод может быть только одного типа по всей длине, если V 2,405. В стандартных телекоммуникационных волокнах, разница между показателями преломления, как правило, достаточно мала [48], так что относительная разность задается выражением:

Значение Л при этом значительно меньше единицы. Оптические световоды и волокна, удовлетворяющие этому условию, называются слабонаправляющими. Стандартное значение для одномодового волокна Д 0.003 [49].

Полное внутреннее отражение является наиболее распространенным руководящим механизмом распространения света в световодах, хотя другие механизмы, упомянутые в данной главе, становятся все более распространенными с появлением микроструктурных оптических световодов [50], также называемыми световодами на фотонных кристаллах [51].

Полное внутреннее отражение представляет собой оптическое явление, которое происходит, когда луч света падает на границы среды под углом, большим, чем критический угол по отношению к нормали поверхности [52]. Критический угол определяется по следующей формуле: с в, sin-1 ); (1.5)

Учитывая, что угол преломления не может превышать 90, получаем, что при угле падения, синус которого больше отношения меньшего показателя преломления к большему показателю, электромагнитная волна должна полностью отражаться в первую среду. И, наконец, последним важным параметром световода является числовая апертура [53] необходимая для эффективного ввода излучения в световод и определяемая выражением: NA = л]п\ — п ; (1.6) откуда можно определить максимальный телесный угол [54] приемной апертуры: ва = sm-\NA) ; (1.7)

Оптические световоды с большей площадью входной апертуры принимают больше излучения, чем световоды с меньшими апертурами или диаметрами. Световоды с большими апертурами больше подходят для недорогих передатчиков, таких, как светодиоды, которые не способны концентрировать выходную энергию в узкий когерентный пучок (как лазеры) и излучают под большим углом. Однако недостатком световода с такими параметрами является большая дисперсия (рассеяние) света, а, следовательно, и снижение полосы пропускания. С другой стороны, световод с меньшей апертурой или диаметром будет иметь большую полосу пропускания. Это происходит потому, что в меньшую апертуру входят относительно параллельные лучи света и их дисперсия вдоль волокна будет меньше. Недостатком же в этом случае является необходимость в более дорогих источниках света (таких, как лазеры), предоставляющих более узкие пучки света, и в более точной калибровке источника подсветки [55].

Технологическое обоснование конструкции

Оптические системы для измерения координат точки касания пальца оператора, с экраном монитора известны давно. В основном, работа этих систем основана на создании множества параллельно расположенных световых пучков, распространяемых вдоль вертикальной и горизонтальной сторон монитора, и оптически сопряженных с соответствующими приемниками излучения, и предложены в патентах США. [85,86,87,88]

Геометрическая схема измерения в ИК оптической сенсорной панели, где: 1 – приемные световоды; 2 – излучающие световоды; 3 – рабочее поле оптической системы Однако этот способ не является единственным. Так в патенте США № 7006236 B2 от 28.02.2006 г. [89], предлагается устройство, создающее виртуальную сенсорную поверхность, касание которой в определенных местах эквивалентно нажатию кнопок. Данное устройство содержит телевизионную камеру, оптически сопряженный с ней источник структурированного освещения и вычислительное устройство. Введение объекта контроля в создаваемый источником структурированного освещения поток, регистрируется телевизионной камерой. Вычислительное устройство обрабатывает видеоинформацию, поступающую с телевизионной камеры, и определяет координаты точки касания с потоком структурированного излучения.

В устройствах, предложенных в патентах США № 6480187 от 12.11.2002 г. [90], № 6492633 от 10.12.2002 г. [91], № 6844539 от 18.01.2005 г. [92], № 7522156 от 21.04.2009 г. [93], используются отражатель и два приемо-передающих оптических модуля. При появлении на пути потоков, формируемых излучателями, входящими в состав приемо-передающих модулей объекта контроля, специализированный вычислитель, с помощью фотоприемников, входящих в состав при-емо-передающих модулей регистрирует его угловые координаты. Рассматривая предложенные в них функциональные схемы, можно отметить низкую технологичность их реализации, связанную с необходимостью юстировки оптических элементов, входящих в их состав. Весьма существенным является также необходимость расположения оптических осей фотоприемников таким образом, чтобы они располагались в плоскости, параллельной сенсорной (экрану).

В патенте РФ № 2542947 C2 от 07.11.2014 г. [94], автором была предложена система, обладающая существенными преимуществами перед описанными выше, в плане разрешающей способности, быстродействия и конструктивного исполнения. Ее функциональная схема приведена на рисунке 2.2.

Специализированный вычислитель 1 поочередно включает один из двух излучателей 2 или 3, формирующих потоки излучения Фг и Ф2 направленные в сторону отражателя. При появлении на пути распространения потоков W1 и Ч 2 пальца (стилуса) оператора, касающегося сенсорной поверхности, происходит затенение поверхности отражателя. В плоскости нахождения линейчатого фотоприемника с помощью цилиндрической линзы и объектива строится изображение отражателя, на котором попеременно появляются две тени, соответствующие включенному состоянию одного из двух излучателей.

Существенного повышения разрешающей способности и быстродействия удалось добиться применением в этой системе линейчатого приемника излуче ния на основе ПЗС, обладающего большей разрешающей способностью и скоростью обновления информации по сравнению с матричными приемниками излучения.

Для этого, используется оптическое преобразование изображения тени T на поверхности отражателя в линейчатый фрагмент, пересекающий фоточувствительную поверхность ПЗС-линейки - , как изображено на рисунке 2.3.

На данной оптико-геометрической схеме видно, что оптические центры излучателей 1 и 2 и линия /з, проходящая по середине отражателя 4, находятся в одной плоскости. При этом цилиндрическая линза, объектив и линейчатый фотоприемник отстоят консольно над сенсорной поверхностью. Благодаря расфокусировке изображения отражателя в плоскости Д изображения теней в плоско сти /? пересекают фоточувствительную поверхность линейчатого фотоприемника 8, и не дает этим изображениям выйти за пределы линии расположения фотоприемных пикселей.

Это в свою очередь исключает необходимость точной юстировки линейчатого фотоприемника относительно отражателя и делает несущественным фактор перспективных искажений.

Идея использования теневых составляющих от действия пространственно-разнесенных излучателей, была применена автором в устройстве для организации интерфейса с объектом виртуальной реальности, на которую был получен патент РФ № 2486608 от 27.06.2013г [95].

В ходе дальнейшего анализа, автором была синтезирована еще одна измерительная система, позволяющая измерение помимо координат точки касания сенсорной поверхности и скорость этого соприкосновения. Данная система была защищена патентом РФ № 2542949 С2 от 23.05.2013 г. [96]. Ее функциональная схема представлена на рисунке 2.5.

Данное устройство функционирует следующим образом. Фотоприемник регистрирует потоки, отраженные от отражающих сегментов в сторону входной оптики с телесным углом Ф . При перемещении пальца оператора к точке касания (хп Уп) на сенсорной поверхности, он обязательно пересекает потоки излучения Vi, 4 2, ї з и ь последовательно формируемые с помощью специализированного вычислителя 11.

Как и в вышеописанной системе, используется ансамбль «цилиндрическая линза-объектив», который обладает ярко выраженным астигматизмом, при котором элементарные пучки лучей, исходящие из точек Е1 и Е2, имеют в пространстве изображения в меридиональном и сагиттальном сечениях, различные точки сходимости - m т и s s соответственно [97].

Моделирование распределения оптической мощности

В данной главе описана реализация предложенных выше оптико-геометрических и функциональных схем измерительных систем пространственного положения. Рассмотрены примеры выполнения поверхности теневой локации на основе световодов, а также с помощью матричных видео сенсоров, фиксирующих изменение освещенности непосредственно на торцах световодов. Предложена реализация специализированного вычислительного устройства обработки видеоинформации на основе ПЛИС фирмы Xilinx [108]. Данное устройство позволит реализовать законченное оптоэлектронное устройство. Приведены основные результаты реализации опытного образца, разработанного автором для демонстрации возможностей измерителя на основе световодов, интегрированного в печатную плату.

При разработке прототипа было принято решение изменить временное разделение оптических потоков, формируемых пространственно разнесенными излучателями, фигурирующими в функциональных схемах рисунках 2.10, 2.11, на спектральное. Кроме того, для упрощения изготовления опытного образца, было использовано полимерное оптоволокно, обеспечивающее оптическую связь сенсорной поверхности с фотоприемной матрицей.

Опытный образец устройства выполнен на листе стеклотекстолита размером 120 х 160 мм, на котором закреплено полимерное оптоволокно, выходные апертуры которого оптически связаны с матричным фотоприемником цифровой телевизионной камеры.

Примененное полимерное оптоволокно, фирмы ООО «ТЦ ПОВ», г. Тверь [109] изготовлено на основе полиметилметакрилата (ПММА), и обладает следующими оптическими параметрами:

Диаграмма направленности светодиодов KT-2520 (Источник: KingBright) Эти диоды отличает высокая оптическая мощность при малых размерах рабочего тела и большой угол половинной мощности. На рисунке 4.1 приведена диаграмма направленности данного типа светодиодов, на рисунке 4.2.a- спектральная плотность излучения диода KT-2520QB10Z1S, а на рисунке 4.2.b - спектральная плотность излучения диода KT-2520SEL1Z1S. Рисунок 4.2 Спектральная плотность излучения диодов: a) - KT-2520SEL1Z1S, b) - KT-2520QB10Z1S (Источник: KingBright) Обозначим оптический поток светодиода KT-2520SEL1Z1S - W1 , а оптический поток светодиода KT-2520QB10Z1S - 4 2 Используемая в макете цветная телевизионная камера, имеет стандартное цветовое пространство, характеризуемое, спектральной чувствительностью от дельных каналов, вид которой приведен на рисунке 4.3 [112].

Рисунок 4.3. Типовая спектральная характеристика ПЗС-матрицы, где: П - область взаимного проникновения спектральных составляющих)

Таким образом, почти полностью отсутствует сигнал светодиода, создающего поток Ч/1 в канале R, и сигнал светодиода, создающего поток W2, в канале В. Уровень взаимного проникновения равный -0.02 в зоне П, может быть учтен в процессе калибровки системы.

На рисунке 4.4. приведен внешний вид сенсорного модуля, входящего в состав измерительной системы. Торцы световодов обращенные к излучателям расположены таким образом, чтобы обеспечить «рабочую область» сенсорного пространства 3. Торцы световодов 1 и 2 располагаются по периметру области 3, световые потоки от излучателей 4 и 5 перекрывают торцы световодов обращенные к рабочей зоне. Рисунок 4.4. Внешний вид сенсорного модуля, где: 1, 2 - массивы полимерных световодов, 3 - сенсорная область, 4 - светодиод, формирующий оптический поток i, 5 - светодиод, формирующий оптический поток 4 2, 6 - контролируемый объект, 7 - ПЗС-матрица цветной цифровой телекамеры

Объект 6 находящийся в рабочей зоне отбрасывает на торцах световодов, две полутени синего и красного цвета. Остальные торцы световодов обращенные к рабочей зоне освещены одновременно двумя излучателями. Световые потоки проецируются на матрице 7, позволяют определить, какие световоды в данный момент затенены первым и вторым излучателем.

Более детально образование теневых составляющих продемонстрировано на рисунке 4.2. Очевидно, что входные апертуры оптоволокон, при отсутствии в рабочей зоне объекта контроля, облучаются суммарным потоком VЕ = Ф + Ф2 Объект контроля, находящийся на пути Ч Е, вызывает появление теневых составляющих 1 и 2 (рисунок 4.2).

Интеграция оптоэлектронного устройства с «системой на кристалле».

Было предложено смонтировать оптико-волоконное устройство обработки видеоинформации на двухслойной печатной плате с вмонтированным между слоями оптоволокном, и иллюстрируется на рисунке

Верхний слой ПП имеет вырез, являющийся рабочей зоной системы. Входные торцы оптоволокна расположены по двум сторонам данного окна и обращены к излучателям (развернутым под углом 30), как изображено на рисунке 4.11. расположенным на противоположной стороне окна, таким образом объект, помещенный в любой точке рабочей области отбрасывает набор теней, необходимых для определения координат.

На рисунке 4.4, приведена фотография, полученная для объекта контроля 1, находящегося вблизи линии расположения входных апертур. Видна зона 2, в которой отсутствуют излучения Ч/1 и 4 2 В зоне 3 присутствует излучение Ч/1, в зоне 4 - излучение W2, в зоне 5 - излучение Ч .

На рисунке 4.4 приведена фотография, иллюстрирующая образование теневых составляющих при нахождении в рабочей зоне устройства пальца человека-оператора. Видны участки образования теневых сегментов, формируемых излучениями Ч/1 и 4 2 - 1 и 2 соответственно, а также участок полного затенения, т.е. отсутствия всех потоков - 3.

Для оптической связи выходных торцов оптоволокон с ПЗС-матрицей цифровой телевизионной камерой, был изготовлен оптический конвертер, схема которого приведена на рисунке 4.5. Его функция заключается в переносе изображения, формируемого на выходных торцах оптоволокон к ПЗС-матрице цветной телевизионной камеры.

На рисунке 4.6 приведена фотография сенсорной области, где объект контроля 1 расположен так, что не образуется зоны, в которой отсутствуют излучения Ч/1 и Ч 2. В наличии зоны 2 и 3, образуемые потоками Ч/1 и Ч 2 соответ Рисунок 4.6 Ситуация нахождения объекта контроля без образования полного затенения где: 1 - объект контроля, 2 - полутень образуемая

излучением Vi, 3 - полутень образуемая излучением Ч,2, 4 - зона освещения суммой потоков Ч/1 и Ч 2, 5 - рабочая зона устройства

На рисунке 4.7 приведено изображение торца оптоволоконного жгута, для ситуации, изображенной на рисунке 4.5. Можно видеть, что все оптоволоконные срезы, имеют цветовую засветку. Причем видны как чистые засветки одним из оптических потоков Ч/1 или Ч 2, так и обоими, переданными фотографией в виде «белого» цвета.

Можно видеть, что часть оптоволоконных срезов, имеют цветовую засветку. Причем видны как чистые засветки одним из оптических потоков У71 или Ч і, так и обоими, переданными фотографией в виде «белого» цвета. Кроме того присутствуют и полностью незасвеченные оптоволокна «черного» цвета.

Анализ изображений оптоволоконных среза проводился с помощью компонента TVideoGrabber Video SDK в среде Delphi [113].

Текст процедуры обработки цветового сигнала видеокамеры, обеспечивающей кластеризацию номеров оптоволокон по принадлежности их к определенным цветовым составляющим, приведен в приложении 3.

В результате работы процедуры, формируются два массива В_тар и R_map, размерами 1000 х 1000, в которых находятся бинарные значения (есть/нет) спектральных составляющих, соответствующих оптическим потокам Wi и W2.

Для разработки прототипа устройства, как было сказано выше, было принято решение использовать FPGA фирмы Xilinx. При этом для сопряжения цифровой телевизионной камерой, были использованы возможности схемотехнического синтеза на FPGA, а задачи по цифровой обработки для ускорения процесса их разработки было решено реализовать на основе Soft-процессора Microblaze, поставляемого фирмой Xilinx в виде IP-модуля (Intellectual Property), используя язык программирования С и С++, а также готовые библиотеки цифровой обработки сигналов.

Примененный автором инструментальный комплект Xilinx Kintex-7 FPGA KC705 Evaluation Kit предназначен, в первую очередь, для аппаратной отладки высокоскоростных цифровых устройств [114] встраиваемых микропроцессорных систем различного назначения, проектируемых на основе ПЛИС серии Kintex-7. Конструктивное исполнение инструментального модуля Xilinx KC705 Evaluation Board представлено на рисунке 4.8.

Основу архитектуры инструментального модуля Xilinx KC705 Evaluation Board образует кристалл программируемой логики семейства Kintex-7 XC7K325T в корпусе FFG900, логические и специализированные ресурсы которого используются для реализации основной части отлаживаемого устройства или встраиваемой микропроцессорной системы.