Патент на изобретение №2254688

(54) УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ

(57) Реферат:

Устройство содержит фоконную сборку, на широкие торцы которой проецируется изображение, а узкие торцы через матрицу оптических разветвителей 1:5, пространственные фильтры Х и Y, каждый из которых содержит матрицу электрически управляемых оптических ответвителей на трех связанных волноводах, соединены с ячейками матрицы ПЗС, а также устройство управления. На электрические входы каждого ответвителя подается двуполярное управляющее напряжение, вырабатываемое устройством управления, на входы которого поступают двоичный код ответвителя и двоичный код коэффициентов, определяемых формой АЧХ. Устройство управления состоит из дешифратора и блоков запоминания и формирования управляющих напряжений, каждый из которых состоит из двух цифроаналоговых преобразователей и регистра. Количество блоков запоминания и формирования управляющих напряжений соответствует количеству ответвителей. Устройство осуществляет пространственную фильтрацию за счет взвешенного суммирования оптического сигнала от соседних элементов изображения с помощью разветвителей и электрически управляемых волоконных оптических ответвителей. Обеспечивается расширение функциональных возможностей устройства формирования сигналов изображения путем введения предварительной обработки изображения. 4 ил.

Изобретение относится к технике телевидения и может быть использовано в оптико-электронных системах обработки изображений.

Известно устройство формирования сигналов изображения /Авторское свидетельство СССР №311987, кл. Н 04 N 57335, 1986 г./, состоящее из матрицы ПЗС, синхрогенератора и видеоконтрольного блока, принцип действия которого основан на преобразовании оптического сигнала в видеосигнал изображения с помощью ПЗС. Недостатком данного устройства является невозможность осуществления каких-либо операций по обработке изображения в процессе его формирования.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства формирования сигналов изображения путем введения предварительной обработки изображения с помощью пространственного фильтра с переменными характеристиками на волоконных ответвителях.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство формирования и обработки изображения, содержащее матрицу ПЗС и фоконную сборку, на широкие торцы которой проецируется изображение, дополнительно введены устройство управления, матрица оптических разветвителей 1:5, пространственный фильтр X и пространственный фильтр Y, каждый из которых содержит матрицу электрически управляемых оптических ответвителей на трех связанных волноводах, причем вход каждого оптического разветвителя 1:5 подключен к узкому торцу соответствующего фокона, один выход каждого оптического разветвителя 1:5 подключен к центральному входу соответствующего оптического ответвителя пространственного фильтра X, расположенного на одной оси с фоконом, два других выхода каждого оптического разветвителя 1:5 подключены к боковым входам соседних ответвителей пространственного фильтра X, два оставшихся выхода каждого оптического разветвителя 1:5 подключены к боковым входам соседних ответвителей пространственного фильтра Y, центральный вход каждого ответвителя пространственного фильтра Y подключен к одному из боковых выходов соответствующего ответвителя пространственного фильтра X, один из боковых выходов каждого ответвителя пространственного фильтра Y оптически связан с ячейкой ПЗС, причем на электрические входы каждого ответвителя подано двуполярное управляющее напряжение, вырабатываемое устройством управления, на входы которого поступают двоичный код ответвителя и двоичный код коэффициентов, определяемых формой АЧХ, и состоящим из дешифратора и блоков запоминания и формирования управляющих напряжений, каждый из которых состоит из двух цифроаналоговых преобразователей и регистра, причем количество блоков запоминания и формирования управляющих напряжений соответствует количеству ответвителей.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства формирования и обработки изображения.

Устройство формирования и обработки изображения содержит фоконную сборку 1, матрицу разветвителей 2, пространственный фильтр Х (ПрФ X) 3, устройство управления 4, пространственный фильтр Y (ПрФ Y) 5, матрицу ПЗС 6.

Устройство формирования и обработки изображения работает следующим образом. Оптический сигнал изображения проецируется на широкие торцы фоконов фоконной сборки 1, узкие торцы которых состыкованы с разветвителями, распределяющими световой поток на оптические входы фильтров 3 и 5, где производится обработка изображения по координате Х и Y. С выходов ПрФ Х сигнал с помощью волноводов передается на ПрФ Y 5, с выходов которого обработанный сигнал по волноводам передается на светочувствительные ячейки секции накопления матрицы ПЗС 6. Устройство управления 4 осуществляет подачу управляющего напряжения на фильтры 3 и 5 для формирования пространственной АЧХ необходимой формы.

На фиг.2 изображена схема формирования оптического сигнала на одной ячейке ПЗС, которая содержит фокон 1, оптический разветвитель 2, пространственный фильтр Х 3 и пространственный фильтр Y 5, содержащие электрически управляемые направленные ответвители 4 на трех связанных оптических волноводах, ячейку 6 матрицы ПЗС 7.

Формирование оптического сигнала на одной ячейке ПЗС производится следующим образом. Элемент изображения проецируется на широкий торец фокона 1, с выхода которого оптический сигнал с помощью оптического разветвителя 2 распределяется на пять волноводов: один волновод подключается к центральному входу ответвителя, расположенного на одной оси с фоконом 1, два волновода – к боковым входам соседних ответвителей 4 пространственного фильтра Х 3 и два волновода – к боковым входам соседних ответвителей 4 пространственного фильтра Y 5. С выхода ответвителя 4 пространственного фильтра Х 3, расположенного на одной оси с фоконом 1, оптический сигнал поступает на центральный вход соосного ответвителя 4 пространственного фильтра Y 5, с выхода которого обработанный сигнал поступает на ячейку 6 матрицы ПЗС 7.

Пространственная обработка в ответвителях производится следующим образом. На фиг.3 изображена схема электрически управляемого ответвителя на трех связанных волноводах. Такие ответвители используют явление электрооптического эффекта Поккельса и содержат три волновода 1, 2 и 3 с расположенными рядом электродами 4, 5 и 6. Электроды 5, расположенные рядом с волноводом 2, подключены к шине «корпус», электрод 4, расположенный рядом с волноводом 1, подключен к шине «+U» и электрод 6, расположенный рядом с волноводом 3, подключен к шине «-U», как показано на фиг.3. Такое подключение приводит к тому, что знаки приращения показателей преломления волноводов 1 и 3 становятся противоположными, что необходимо для пространственной обработки.

Световые потоки Ф(х)на входах и Ф’ (х) на выходе ответвителя 2 связаны между собой с помощью линейного преобразования /Волоконная оптика. Труды института общей физики. Т.23. -М.: Наука, 1990. -с.108-114/ по формуле:

где а₂=(cos²(_R0·L)+2·cos(_R0·L)·cos(2·_R1·L)+1)·0,25;

a₁=sin²(_R0·L)·0,5;

a₀=(cos²(_R0·L)-2·cos(_R0·L)·cos(2·_R1·L)+1)·0,25;

_м=0,5·₂+0,25·(₁+₃) – средняя постоянная распространения;

_R0=0,5·(₁–₃), _R1=0,25·(₁+₃)-0.5·₂ – относительные постоянные распространения мод участка связи L;

₁, ₂, ₃ – постоянные распространения первого, второго и третьего волноводов соответственно;

– коэффициент потери мощности при прохождении ответвителя.

Для определения пространственной АЧХ производится замена

где – пространственная частота. С учетом замены решение выражения приводит к тому, что направленный ответвитель осуществляет взвешенное суммирование световых потоков Ф_i от элементов изображения, расположенных с интервалом x по оси х, а передаточная функция ответвителя описывается выражением:

Полученное выражение соответствует передаточной функции нерекурсивного фильтра.

Постоянные распространения ₁, ₃ имеют линейную зависимость от приложенного напряжения U /Волноводная оптоэлектроника. Под ред. Тамира. – М.: Мир, 1991. – 573 с./:

где ₀ – длина волны, на которой производится обработка изображения;

n₀ – показатель преломления невозбужденного волновода;

r₃₃ – электрооптический коэффициент (знак «+» для ₁ и «-» для ₃ определяется полярностью управляющего напряжения, прикладываемого к боковым электродам). Как видно из выражений (1), (2) и (3), изменение управляющего напряжения приводит к изменению коэффициентов а_k и, следовательно, к изменению формы АЧХ. Отсутствие управляющего напряжения обеспечивает прохождение оптического сигнала на ячейку ПЗС без обработки. Вывод светового потока осуществляется с одного из боковых волноводов, т.к. форма АЧХ их идентична.

Поскольку световой поток с ответвителя 4 пространственного фильтра 3 (см. фиг.2) поступает на соответствующий аналогичный ответвитель 4 пространственного фильтра 5, где производится аналогичная обработка по координате Y с коэффициентами а_m, то в итоге последовательное соединение двух фильтров дает общую передаточную функцию:

На фиг.4 изображена схема устройства управления, состоящая из дешифратора 1 и блоков запоминания и формирования управляющих напряжений (БЗФУН) 2, каждый из которых состоит из двух цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 3 и регистра 4. Дешифратор 1 по входному коду ответвителя подачей напряжения на регистр 4 осуществляет выбор необходимого БЗФУН 2. Регистр 4 выбранного БЗФУН запоминает код коэффициента, который поступает на его вход, а с выхода регистра код коэффициента в двоичном виде поступает на цифроаналоговые преобразователи, формирующие положительное и отрицательное управляющие напряжения U_yпp, пропорциональные десятичному эквиваленту двоичного кода коэффициента.

Таким образом, устройство формирования и обработки изображений с введением пространственных фильтров на базе электрически управляемых волоконных ответвителей позволяет с формированием изображения дополнительно производить его пространственную обработку с необходимой формой АЧХ. В отсутствие управляющего напряжения формирование изображения производится без обработки. Реализация предложенного способа возможна на современной элементной базе.

Формула изобретения

Устройство формирования и обработки изображения, содержащее матрицу ПЗС и фоконную сборку, на широкие торцы которой проецируется изображение, отличающееся тем, что в него дополнительно введены устройство управления, матрица оптических разветвителей 1:5, пространственный фильтр Х и пространственный фильтр Y, каждый из которых содержит матрицу электрически управляемых оптических ответвителей на трех связанных волноводах, причем вход каждого оптического разветвителя 1:5 подключен к узкому торцу соответствующего фокона, один выход каждого оптического разветвителя 1:5 подключен к центральному входу соответствующего оптического ответвителя пространственного фильтра Х, расположенного на одной оси с фоконом, два других выхода каждого оптического разветвителя 1:5 подключены к боковым входам соседних ответвителей пространственного фильтра X, два оставшихся выхода каждого оптического разветвителя 1:5 подключены к боковым входам соседних ответвителей пространственного фильтра Y, центральный вход каждого ответвителя пространственного фильтра Y подключен к одному из боковых выходов соответствующего ответвителя пространственного фильтра X, один из боковых выходов каждого ответвителя пространственного фильтра Y оптически связан с ячейкой ПЗС, причем на электрические входы каждого ответвителя подано двуполярное управляющее напряжение, вырабатываемое устройством управления, на входы которого поступают двоичный код ответвителя и двоичный код коэффициентов, определяемых формой АЧХ, и состоящим из дешифратора и блоков запоминания и формирования управляющих напряжений, каждый из которых состоит из двух цифроаналоговых преобразователей и регистра, причем количество блоков запоминания и формирования управляющих напряжений соответствует количеству ответвителей.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 14.05.2005

Извещение опубликовано: 27.01.2007 БИ: 03/2007