Введение к работе
Актуальность работы обусловлена тем. что проблема считывания тр( :мерных изображений является одной иэ центральных в сложных технических системах восприятия информации (системах технического зрения). Успешное решение этой проблемы зависит от эффективности и быстродействия' обработки информации, как в оптическом тракте системы, так и в электронном тракте. При этом на передний план выдвинулись задачи связанные с созданием согласованных оптико-электронных систем восприятия информации, обладающих высоким быстродействием, малыми геометрическими размерами, малой потребляемой мощностью и высокой наработкой на отказ. Необходимость решения таких задач вызвана потребностями построения зрительных систем робототехники, для осуществления обработки изображений в аэрокосмических исследованиях, для выполнения исследований тепловых полей с .применением тепловизионной датчиковой аппаратуры. Исследования по теме диссертации связаны с разработкой системы восприятия информации на основе твердотельных фотоприемников на приборах с зарядовой связью (ПЗС), позволяющих считывав трехмерную информацию с помощью одной полупроводниковой передающей телевизионной камеры. Использование твердотельных фотоприемников на ПЗС в исследуемых системах дает возможность осуществлять параллельно-последовательную ' обработку. считываемой информации, обладает совмещенной технологией изготовления фоточувствичельных элементов, формирователей тактовых импульсов, систем управления, регистров,
дифференциальных усилителей. При этом к твердотельнь'м фотоприемникам на ГОС предъявляется ряд требований: широгай (спектральный диапазон работы, высокая интегральная чувствительность и разрешающая способность, минимальные размеры фоіочувствительного элемента и расстояния между элементами. Эти требования определяют работу входных устройств на ГОС, осуществляющих преобразование входного сигнала в зарядовый пакет. При разработке входных устройств на ГОС, обладающих высоким быстродействием, линейностью лреобразования входного сигнала в зарядовый пакет, требуется анализ большого числа вариантов таких устройств. Это возможно только в случае математического моделирования физических процессов, происходящих б этих устройствах.
Считывание трехмерной информации возюашо при условии использования бинокулярных систем восприятия информации, а это требует наличия двух передающих телевизионных камер на ПЗС. Однако световая волна, распространяющая г от исследуемого объекта обладает определенной кривизной, а по кривизне волнового фронта можно определить пространственное 'положение объекта. Для регистрации малых фазовых изменений волнового фронта обычно используется многолучевой интерферометр. Использование многолучевого интерферометра в оптико-электронной системе восприятия информации позволяет дополнить плоскую картину изображения объекта интерференционной картиной, ' соответствующей пространственному положению объекта.
Научная новизна работы заключается в ' теоретическом обосновании подходов связанных с создан..зм системы восприятия информации, которая позволяет регистрировать полную информацию об исследуемом объекте. При этом регистрируется амплитудная и фазовая состаЕ. нощие волнового поля исследуемого объекта на фоточувствительном поле твердотельных фотоприемников, что дает возможность значительно увеличить скорость обработки сигналов.
Состояние исследований по проблеме. Исследованию систем восприятия информации (технического зрения), позволяющих считывать трехмерные изобЕк...ения посвящено значительное число работ как российских, так и зару'ежных ат оров, большой объем
процессы преобразования входного сигнала в зарядовый пакет при любом способе ввода заряда в ПЗС;
- предложена классификация режимов работы входных
устройств на ПЗС, которая позволяет оперативно производить
выбор способа ввода зарядового пакета, режима работы входного
ислжового затворов, источника сигнала при исследовании
входных устройств с помощью разработанной математической
модели;
-.предложен способ ввода заряда в ПЗС, обладающий сочетанием высокого быстродействия и низкого уровня нелинейных искажений, основанный на контроле величины формируемого сигнального зарядового пакета с помощью плавающего режима работы стокового затвора входного устройства на ПЗС.
Методической основой проведенных исследований является, использование . современных методов опчической обработки информации, базирующихся на решении интегральных уравнений Гельмгольца-Кирхгофа с учетом , интегралов Френеля. Для математического моделирования физических процессов, происходящих во входном устройстве на ПЗС, используются конечно-разностные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных, . а в целях получения уточненного результата использован- экстраполяционный метод Ричардсона. Достоверность результатов диссертации подтверждается тем, что предложенная система восприятия информации тлеет четкую физическую интерпретацию, обеспечивается апробированным математическим аппаратом, характеризуется наглядностью, а также соответствием результатов практического использования теоретическим положениям работы.
Материалы диссертации нашли практическую реализаыю при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ, где соискатель являлся ответственным .исполнителем или руководителем работ:
"Исследование и разработка топологии и принципиальней схемы комплементарных и динамических МДП БИС"' (N гос.per. 80071435);
"Разработка и исследование схем управления МНОПЭППЗУ емкостью 64 кбита" (N roc.per. 01830033751);
"Исследование систем восприятия визуальной информации в видимом и ИК' диапазонах оптического спектра на основе твердотельных приемников изображения"(N гос.per. 01930009092); ' - "Разработка спектрозональної! измерительной системы для диагностики регистрируемого излучения" (N гос.per. 01930009354);
"Разработка трехмерных систем технического зрения на основе фоточувствительных твердотельных приемников изображения' (N гос.per. 01950002286).
Разработана оптическая часть системы восприятия информации, которая позволяет проецировать трехмерное изображение.объекта на матрицу фоточувствительных приемников излучения -видимого и инфракрасного диапазонов. Математическая модель и комплекс программ расчета составляют совокупность средств машинного проектирования входных устройств гля БИС на ЮС, что позволяет производить расчеты распределения заряда, передаточные ., переходные характеристики и нелинейные искажения во входной структуре ГОС. Предложена входная конструкция на ГОС, состоящая из входного устройства на ГОС. компаратора и вспомогательного инвертора, которая позволяет реализовать способ ввода сигнального зарядового пакета с высоким быстродействием, малыми нелинейными искажениями и широким динамическим диапазоном. Приведены расчеты, обосновывающие четкое соотношение между размерами фоточувствительных элементов и конструкцией многолучевого интерференционного устройства.
Результаты работы использованы при выполнении ОКР и НИР на предприятиях: Научно-исследовательский институт "пульсар". Научно-исследовательский институт микроприборов ПО "Кристалл", Государственный научный центр лазерной хирургии. Научно-исследс ательский инс^.лут микроэлектроники и информационно-измерительной техники, а также в учебном процессе Московского Государственного института электронной техники. Московского государственного института электроники и математики.
Результаты диссертации были положены и обсуждены на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:
II Всесоюзная научная конференция "Проблемы теории чувствительности электронных и электромеханических систем", Москва, 1981г.
XI Всесоюзном совещании семинаре "Современная элементная база ЭВМ и методы ее проектирования с помощью ЭВМ", Москва, 1983г.
-. II Всесоюзном совещании "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе", Барнаул, 1984г.
Научно - техническая конкуренция "Информационно ' -' измерительные системы и точность в приборостроении", Москва, 1984г.
Научно-техническая конференция "Микропроцессорные системы управления технологическими процессами в гибких, автоматических производствах", Москва, 1985г.
Всесоюзное совещание-семинар "Автоматизация, интеллектуализация и робототизация производства", Гурзуф, 1985г.
Меящулароднач конференция "Нобоє в лазерной медицине", Брест, 1991г.
Всесоюзный семинар" "Применение лазеров в науке и технике", Тольятти, 1991г. '
Международная конференция SPIE "Биомедицинская оптика -92", Лос-Ашселос, Калифорния, 1992г.
IV конференция с международным участием "Приборы с зарядовой связь» и системы на их основе", Геленджик, 1992р.
Вторая конференция Московского региона с участием ведущих иностранных специалистов "Лазеры в медицинской практике", Видное, 1992г. -
Международная конференция "Перспективные направления лазерной медицины", Одесса, 1992г.
48 научная сессия РНТОРЭС им.А.С.Попова,, Москва, 1993г.
Международная научно-техническая конференції "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Гурзуф, 1893г.
Международная конференция "Новые дост"жения лазерной медицины". Санкт-Петербург, 1993г.
Всероссийская научно-техническая конференция с участием 'зарубежных специалистов "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления". Гурзуф, 1994г.
« - Научно-технический семинар лазерной ассоциации и BIOS SPIE "Лазеры в медицине и биологии", Мо та, 1995г.
- Научно-технические конференции МГИЭМ и семинары кафедр
"Физические основы электронной техники", "Ми".роволновая и
квантовая электроника", "Автоматика и управление в технических
системах", Москва.
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа и 4 научно-технических отчета (инв. N 02838024667, 028400335491, 02930005046. 02940003730)"" Все основные результаты, составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно.
Объем и структура работы. ді сертагчя состоит из введения, пяти глав, заключения, изложенных на 304 страницах, включая 80 рисунков, 10 таблиц и список литературы 200 наименований.
