Согласование оптической системы и фотоприемника в измерительных приборах Текст научной статьи по специальности «Физика»

ОПТИКА, ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 004: [681.7+621.38+528.021.4]

СОГЛАСОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ И ФОТОПРИЕМНИКА В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

Евгений Владимирович Грицкевич

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,

ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оптотехники СГГА, тел. 8913-798-15-60, e-mail: [email protected]

Полина Александровна Звягинцева

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,

ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры наносистем и оптотехники СГГА, тел. 8923-135-79-78, e-mail: [email protected]

В статье частично решается задача оптимального согласования отдельных звеньев различной физической природы между собой, например, определяется оптимальный радиус кружка рассеяния объектива относительно геометрических размеров фоточувствительного элемента фотоприемника, обеспечивающий минимальную погрешность.

Ключевые слова: моделирование, измерение, погрешность, согласование, оптикоэлектронная система.

THE COORDINATION OF OPTICAL SYSTEM AND PHOTODETECTOR IN MEASURING DEVICES

Eugenue W. Gritskewich

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph.D., lecturer, tel. 8-913-798-15-60, e-mail: [email protected]

Polina A. Zviagintcheva

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., postgraduate student, department of nanosystems and optotechnic SSGA; tel. 8-923-135-79-78, e-mail: [email protected]

In article there is defined the problem of the optimum coordination of separate links of the various physical nature among themselves, for example partially there is solves the optimum radius of a circle of dispersion concerning the photodetectors photosensitive elements geometrical sizes which provides the minimum error.

Key words: simulation, measurement, accuracy, harmonization, electro-optical system.

74

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

Имитационное компьютерное моделирование оптико-электронных приборов позволяет решать задачи согласования звеньев оптико-электронного тракта, имеющих различную физическую природу. Примером такого согласования может служить минимизация погрешности измерения оптико-электронного координатора за счет взаимной корректировки размеров чувствительного элемента фотоприемной матрицы и пятна рассеяния объектива.

Условная схема моделируемого прибора показана на рис. 1.

СТО ПОСС ФПМ

Э

=>■

К

БОИ

Рис. 1. Условная схема моделируемого прибора

Светящийся точечный объект (СТО), находящийся вне оптической оси приемной оптической системы (ПОС) на расстоянии L^ значительно большем, чем фокусное расстояние Шос, проецируется в плоскость фотоприемной матрицы (ФПМ), расположенной в задней фокальной плоскости. Изображение этой точки представляет из себя кружок рассеяния. Значения накопленных матрицей электрических зарядов (Э) записываются в память компьютера (К), который после их обработки передает координаты объекта в блок отображения информации (БОИ).

В модели генерируются входные воздействия в виде светящейся точки с заданными координатами. Рассчитывается распределение освещенности в плоскости ФПМ. Методом статистических испытаний моделируется процесс накопления зарядов в элементах матрицы с учетом внутренних шумов фотоприемника. На последнем этапе проводится цифровая обработка матрицы отсчетов и определяются координаты объекта. Эти координаты сравниваются с заданными, и таким образом вычисляется погрешность измерения.

Координаты определяются по методу энергетического центра [1], который является развитием метода определения центра масс системы материальных точек [2]. Интерполяционный алгоритм определения энергетического центра распределения освещенности Е(ху) в плоскости анализа изображения можно упрощенно описать с помощью рис. 2. На этом рисунке показано примерное распределение освещенности вдоль оси X, создаваемое оптической системой от точечного источника. Кружок рассеяния точки, создаваемый объективом, счи-

75

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

тается гауссовым и задается радиусом, при котором внутри кружка сосредоточено 85 % всей световой энергии, падающей на фотоприемник. Величина тем-нового заряда, накапливаемого в каждом элементе, задается в долях от максимального заряда (от объема потенциальной ямы). Шумы считаются «белыми». Их величина задается в долях от суммарного (сигнального и темнового) заряда, накопленного в отдельной ячейке.

Y

Рис. 2. Распределение освещенности на фоточувствительной площадке фотоприемника и формирование зарядового рельефа

76

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

Сначала в матрице зарядовых отсчетов выделяется максимальный элемент. Относительно него выделяются соответствующие строка и столбец матрицы, внутри которых производится обработка зарядовых пакетов. Таким образом, определяются декартовы координаты центра кружка рассеяния в плоскости ФПМ.

Поскольку алгоритм не зависит от направления оси координат, то целесообразно рассмотреть случай распределения зарядов по одной координате (например, Х), распространив его затем и на другую координату.

Учитывая дискретный характер сигналов, снимаемых с выхода ФПМ, формула определения координаты энергетического центра принимает вид

М

* £ [Qs (** ) ■ ]

Хцэ = ±±М , (1)

S Qs ()

i=1

где Qstyi) - суммарный заряд, полученный в результате сложения элементарных зарядов со всех элементов i-го столбца матрицы ПЗС;

М- соответствующее число столбца матрицы;

х:i - дискретное значение условных координат элементов вдоль направления столбца, выраженное целым числом пространственного периода Госструктуры.

Пусть оптическая система приближена к идеальной, т. е. точка в пространстве предметов отображается квазиточкой в пространстве изображений. На рис. 3 показаны два положения квазиточки внутри элементарной светочувствительной площадки ФПМ.

Л II II 11 I I I I

I I / \ / \

Рис. 3. Положение кружков рассеяния для квазиидеальной оптической системы

77

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

Точное положение центра квазиточки определить невозможно, так как на смежные элементы не поступает оптического сигнала. Перемещение точки вдоль элемента не приводит к возникновению дисбаланса зарядовых пакетов в соседних элементах. Именно дисбаланс является обязательным условием нахождения центра пятна рассеяния внутри того элемента, в котором сосредоточен максимальный заряд. В этой ситуации расчетный центр пятна рассеяния будет совпадать с координатой центра элемента, в котором сосредоточено пятно. Если же пятно малого радиуса попадет в зазор между элементами, то объект вообще будет потерян.

Ситуацию можно улучшить, если увеличить размеры пятна рассеяния. Тогда обрабатываемый массив значений зарядовых пакетов будет включать в себя сигналы с соседних элементов, и по дисбалансу между ними можно более точно рассчитать положение центра пятна внутри элемента.

Дальнейшее увеличение радиуса ограничивается шумами системы, например, для случая, представленного на рис. 4. Разница между соседними сигнальными зарядовыми пакетами станет неразличимой из-за шумов.

Рис. 4. Формирование зарядового рельефа при большом радиусе

пятна рассеяния

Определить центр пятна в этой ситуации невозможно.

Таким образом, существует некий оптимальный размер радиуса кружка рассеяния приемного объектива при заданных параметрах матрицы, который и даст наилучший, с точки зрения минимизации погрешности, измерения результат.

На рис. 5 схематично показано положение двух кружков рассеяния с центрами внутри одного элемента. Один кружок отображается сплошной линией, другой - пунктирной. Соответственно показаны накопленные заряды под смежными элементами. При изменении положения центра меняется распределение зарядов.

Возможность оптимизации радиуса кружка рассеяния появляется за счет включения в процесс обработки сигнальных зарядов других элементов. Таким образом, ухудшение параметров ПОС приведет к уменьшению погрешности измерения.

78

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

5

Рис. 5. Формирование двух кружков рассеяния

С целью проверки этой гипотезы была выполнена серия компьютерных расчетов. Исходные данные выбирались следующим образом:

- размер элемента: аэл = 18 мкм;

- зазор: Лэл = 2 мкм;

- количество элементов M =50;

- относительный темновой сигнал а = 0,0001;

- отношение шум/сигнал в каждом элементе аш = 0,2;

- координата точки в плоскости фотоприемника х0 = 714 мкм (за начало координат принималась левая граница первого элемента);

- количество испытаний для каждого значения радиуса: K = 2 000.

Радиус кружка рассеяния Rкр менялся от 5 до 200 мкм с шагом 5 мкм. На

критических участках графика шаг изменения радиуса уменьшался. Г рафик зависимости относительной погрешности от радиуса кружка рассеяния представлен на рис. 6.

На рисунке по оси Ox отложены значения радиуса кружка рассеяния Rrf, а по вертикальной оси - значения относительной погрешности измерения координат исходной точки, приведенной к плоскости фотоприемника.

Этот график получен по результатам многократных статистических испытаний. Относительная погрешность определялась отношением усредненной абсолютной погрешности измерения в плоскости изображения к периоду растра фотоприемника. Результаты полностью соответствуют ранее сделанным выводам. При увеличении радиуса погрешность снижается, достигая своего минимума, а затем вновь растет. Можно сделать вывод, что для анализируемого (виртуального) фотоприемника оптимальным является объектив, создающий в плоскости изображение Rrf -15 мкм.

79

Оптика, оптико-электронные приборы и системы

5* %

Данная работа создает предпосылки для создания в будущем компьютерной модели, позволяющей проводить оптимальное согласование различных звеньев оптико-электронного тракта измерительных систем.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Казанцев Г.Д., Курячий М.И., Пустынский И.Н. Измерительное телевидение. - М.: Высш. шк., 1994. - 288 с.

2. Яблонский А.А. Курс теоретической механики. Ч. II. Динамика: учебник для техн. вузов. -М.: Высш. шк., 1984. -423 с.

Получено 07.02.2012

© Е.В. Грицкевич, П.А. Звягинцева, 2012

80