Архив рубрики «Инфракрасные системы «смотрящего» типа»

PostHeaderIcon МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ НА ПЗС

В ПЗС используется свойство МОП-структур хранить пакеты неосновных носителей заряда в локализованных потенциальных ямах под электродами на границе окисел-крем­ний. Управляя процессом образования потенциальных ям в смежных ячейках путем по­дачи на электроды импульсного напряжения в соответствующей последовательности, можно выполнить направленный перенос заряда. Такие устройства называются ПЗС — регистрами сдвига. На их основе и создаются ПЗС-мультиплексоры.

В качестве примера на рис. 10.4 показана структурная схема трехфазного матрично­го ПЗС-мультиплексора, используемого для считывания сигнала матрицы фотодиодов с барьером Шотки (ФДШ) (на схеме обозначено: Гсбр — напряжение сброса; Упш — напря­жение питания; УВЬ1Х — выходное напряжение), на электроды которого для обеспечения переноса заряда необходимо подавать три импульсные последовательности напряже­ний — фаз.

Мультиплексор содержит вертикальные и один горизонтальный ПЗС-регистры сдвига (фазы вертикальных регистров обозначены буквами Ф, Фг, Фъ горизонтального — Ф4, Ф5, Ф6). Фотодиоды Шотки и накопительные ячейки мультиплексора расположены вдоль вертикальных регистров сдвига. Накопительные ячейки образованы входным за­твором Си электродом накопления С2 и выходным затвором <73. В процессе накоп-

9 Инфракрасные системы «смотрящего» типа

Ления при открытом входном за­творе С] фототок, генерируемый фотодиодом, инжектируется в по­тенциальную яму, образующуюся под электродом накопления С2. По завершении процесса накопления затвор С?1 закрывается и открывает­ся выходной затвор (73, благодаря чему накопленный заряд передает­ся под электрод первой фазы вер­тикального ПЗС-регистра сдвига. После этого затвор закрывается, и на его электрод подается потен­циал накопления — ячейка подго­тавливается к накоплению заряда в следующем кадре. Такая схема ввода сигнала в регистр сдвига на­зывается прямой инжекциеи. а другой возможной схеме ввод сигнала осуществляется путем модуляции затвора МОП-транзистора.

МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ НА ПЗС

Фб

подпись: фб МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ НА ПЗС

Т 1

Т ‘

Г т 1

подпись: т 1 т ' г т 1

Рис. 10.4. Фрагмент структурной схемы трехфазного матричного ПЗС-мультиплексора

подпись: рис. 10.4. фрагмент структурной схемы трехфазного матричного пзс-мультиплексораВертикальные ПЗС-регистры сбрасывают зарядовые пакеты, соответствующие строкам изображения, в горизонтальный, который переносит их к выходу мультиплек­сора. Для считывания зарядовых пакетов на выходе используется обратносмещенный диод //вых. Заряд для интегрирования передается на затвор МОП-транзистора, располо­женного на одном кристалле с ПЗС и работающего в режиме истокового повторителя. Напряжение на затворе транзистора должно быть сброшено до передачи следующего зарядового пакета.

Шумы в ПЗС, проявляющиеся в форме флуктуаций числа носителей в зарядовых пакетах, имеют ту же природу, что и шумы полевых МОП-транзисторов. К ним отно­сятся 1//-шум, обусловленный захватом носителей поверхностными состояниями, а также флуктуации числа термически генерированных носителей.

PostHeaderIcon МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ С ПРЯМОЙ АДРЕСАЦИЕЙ И СКАНИРОВАНИЕМ

Такие мультиплексоры (рис. 10.5) получили распространение одновременно с нача­лом широкого использования комплементарных структур «металл-окисел-полупро — водник» (КМОП). До этого имели ограниченное применение мультиплексоры на поле­вых МОП-транзисторах со схемами управления.

Цифровой код определяет уникальный адрес каждой ячейки, подключаемой к общей шине, поэтому мультиплексоры такого типа нуждаются в нескольких входных адрес­ных линиях, тем самым они обеспечивают доступ ко всем фоточувствительным эле­ментам в произвольной последовательности.

Ключевой МОП-

МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ С ПРЯМОЙ АДРЕСАЦИЕЙ И СКАНИРОВАНИЕМ

Для последовательного доступа к фоточувствительным элементам, расположенным в одной строке или столбце, используется триггерная схема. Напряжение, подаваемое — на линию сброса ®г, переводит первый триггер в состояние логической «1», инициируя начало сканирования и подключение к общей шине первой ячейки. Тактирующее на­пряжение синхронизации 0с в нормальной и инверсной полярности осуществляет пе­редачу этого состояния к последующим триггерам, обеспечивая последовательное под­ключение к шине остальных ячеек.

Сканирующий мультиплексор легко встраивается в схемы считывания и позволяет генерировать другие импульсные последовательности, например напряжение сброса ячеек или тактовое напряжение для схемы выборки и хранения. Благодаря этому тре­буемое для подключения даже крупноформатных МПИ число линий входа-выхода не превышает 10.

Сканирующие мультиплексоры могут обеспечивать частоты (скорости) свыше 10 МГц. Сам мультиплексор не создает шум, потому что ключевые транзисторы или полностью открыты, или полностью закрыты. Однако при проектировании схемы счи­тывания должны учитываться кТС-шум шины и шумы буферных усилителей.

PostHeaderIcon ДВОЙНАЯ КОРРЕЛИРОВАННАЯ ВЫБОРКА

Для борьбы с дрейфом и Л/^шумом, обычно являющимися основными источниками шумов предусилителя, в электронном тракте ИКС часто используют двойную коррели­
рованную выборку сигнала с каждой ячейки схемы считывания: первый раз в начале кад­ра, второй — в конце, и последующее определение разности этих сигналов для сведения к нулю напряжения на выходе предусилителя в начале цикла накопления сигналов.

Предусилитель с истоковым повторителем Е

подпись: предусилитель с истоковым повторителем е

Схема

Фиксации

Уровня

подпись: схема
фиксации
уровня

Выборка и хранение

подпись: выборка и хранение

Рис. 10.6. Схема, реализующая процесс двойной коррелированной выборки

подпись: рис. 10.6. схема, реализующая процесс двойной коррелированной выборки ДВОЙНАЯ КОРРЕЛИРОВАННАЯ ВЫБОРКАВыходной сигнал предусилителя (рис. 10.6) поступает на конденсатор схемы фиксации уровня в начале накопления фотонов. Совместное функционирование транзисторного пе­реключателя фиксации уровня и конденсатора приводит к вычита­нию любого начального напряже­ния, например смещения или дрей­фа, из выходного сигнала Значение накопленного сигнала не изменяет­ся, поскольку начальная выборка производится до того, как на кон­денсаторе накопился значительный фотонный заряд.

Схема, осуществляющая двой­ную коррелированную выборку, может быть конструктивно реали­зована как в чипе ФПУ (в составе схемы считывания), так и за его пределами — в отдельном блоке цифрового процессора.

Уменьшая или вообще устраняя шум на низких частотах, двойная коррелированная выборка приводит к его усилению на высоких. Это объясняется тем, что время разнесе­ния выборок мало, в этом интервале дрейф и разброс моментов срабатывания ключей можно считать постоянными, высокочастотные некоррелированные составляющие шу­ма — складывающимися квадратически, т. е. мощность этих составляющих удваивается.

PostHeaderIcon КОРРЕКЦИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ПАРАМЕТРОВ МПИ

Для всех типов матричных многоэлементных приемников важное значение имеет уровень геометрического шума, описывающий инвариантную по времени пространст­венную неоднородность параметров чувствительных элементов (см. § 7.3). Обычно ис­точником геометрического шума служит разброс параметров отдельных элементов МПИ и ФПУ (чувствительности, 1//:шума, коэффициентов усиления предусилителей и др.), а также нелинейность их характеристик преобразования.

Нелинейности характеристик преобразования обусловлены рядом причин:

— нелинейным характером энергетических и фоновых характеристик приемников из­лучения — зависимостей их чувствительности от потока (или облученности), создаваемо­го наблюдаемым объектом или фоном и попадающего на приемник; для большинства приемников это имеет место при достаточно большом потоке или облученности;

— зависимостью чувствительности (квантовой эффективности) приемника от длины волны излучения, попадающего на чувствительный слой, и связанным с ней изменени­ем энергетических и фоновых характеристик приемника;

— селективным характером пропускания оптической системы ИКС, что также при­водит к изменению вида энергетических и фоновых характеристик приемника;

— изменением температуры охлаждения приемника в процессе его работы, если это изменяет вид его спектральной характеристики;

— нелинейностью преобразований сигналов в электронном тракте, и прежде всего в схеме считывания, предварительного усиления и аналого-цифрового преобразования.

В зависимости от типа МПИ и ФПУ и условий их работы те или иные из перечис­ленных факторов могут быть преобладающими.

Для уменьшения геометрического шума перед началом или в процессе работы прак­тически любой ИКС производится ее калибровка и корректировка неоднородности, це­лью которых является получение с каждого пиксела ФПУ сигнала одного и того же уровня (при условии их равномерной облученности). При этом важно учитывать изме­нение облученности по угловому полю 2со объектива из-за виньетирования, например по закону cos4co (см. § 6.1).

Методы коррекции неоднородности, в том числе и проистекающей из-за нелинейно­стей, разделяют на детерминированные и стохастические, с использованием эталона и без него, дискретно-аналоговые и аналого-цифровые. Детерминированные методы представляют геометрический шум детерминированным во времени, т. е. пространст­венное распределение неоднородности считается постоянным. Стохастические методы основаны на представлении геометрического шума случайным процессом как во вре­мени, так и в пространстве. Коррекция неоднородности может производиться в анало­говой форме, т. е. до преобразования аналоговых сигналов к цифровому виду. После та­кого преобразования ведется окончательная коррекция, диапазон которой у большин­ства современных устройств составляет 8… 12 бит.

Все эти требования должны быть аппаратурно реализованы в реальном масштабе времени.

К основным этапам коррекции неоднородности относятся:

— вычисление отклонений средних значений сигналов Уа — ср, снимаемых с отдельных пикселов при выбранной температуре черного тела Тчт, от усредненного значения VJ(T41)

— вычисление корректирующей поправки в соответствии с принятым способом кор­рекции (коррекция смещением, линейная, квадратичная, кубическая коррекция);

— ввод корректирующей поправки путем изменения напряжений смещения или ко­эффициентов усиления сигналов, снимаемых с отдельных элементов ФПУ;

— коррекция системы записи или отображения сигналов.

Различным методам коррекции посвящено большое число публикаций [2, 124, 131, 142, 175, 228, 248]. Рассмотрим некоторые из них, получившие наибольшее распро­странение на практике.

Простейшим способом коррекции является одноточечная, когда для какой-то вы­бранной температуры черного тела, равномерно облучающего МПИ, определяются от­
клонения сигналов, снимаемых с отдельных пикселов ФПУ и далее выравниваемых пу­тем изменения напряжений смещений в цепях отдельных чувствительных элементов. Если же сигналы, снимаемые с пикселов, усиливаются, то для коррекции неоднородно­сти можно изменять коэффициенты усиления в ячейках ФПУ. Коррекция неоднородно­сти оказывается лучшей при двухточечной схеме, когда отклонения сигналов, снимае­мых с отдельных пикселов, от их среднего значения определяются для двух значений температуры черного тела, используемого при калибровке.

КОРРЕКЦИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ПАРАМЕТРОВ МПИ

КОРРЕКЦИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ПАРАМЕТРОВ МПИА) 6)

Рис. 10.7. Зависимости сигналов, снимаемых с двух произвольно выбранных пикселов ФПУ (1 и 2), от облученности Ее или температуры черного тела Тт равномерно облучающего МПИ,

До (а) и после (б) двухточечной коррекции

Зависимости сигналов Ус, у на выходе двух произвольно выбранных элементов ФПУ от сигнала, поступающего на вход ФПУ, показаны на рис. 10.7,«. Обычно такой сигнал описывают температурой черного тела, равномерно облучающего МПИ, или облучен­ностью чувствительного слоя Ее.

Если бы зависимости УСу = /(Ее) были линейными, то, изменяя напряжение смеще­ния Усм И крутизну ЭТИХ зависимостей (коэффициенты усиления К#), можно было бы полностью совместить их, т. е. добиться идеальной однородности. Однако на практике это никогда не удается и приходится совмещать такие зависимости в одной или двух (см. рис 10.7,6) точках и очень редко — в большем их числе. Очевидно, что из-за нели­нейности зависимостей УС1у = /(Ее) полностью устранить неоднородность не удается; ее можно только частично компенсировать.

Если при каком-то уровне входного сигнала (при какой-то температуре черного те­ла, равномерно облучающего МПИ) амплитуда сигнала (напряжения), снимаемого с у — го пиксела ФПУ, равна Уф то отклонение АУсц от среднего по всем пикселам значения Усу ср равно

А Усу ~ Усу ~ Усу ср > а его среднее квадратическое значение можно представить в виде ряда

КОРРЕКЦИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ПАРАМЕТРОВ МПИ

Где постоянные а, Ь, с описывают параметры схемы включения пиксела (напряжение смещения Усм, коэффициент усиления Ку и др.), определяемые и запоминаемые для ка­ждого пиксела.

После коррекции сигналы устанавливаются равными УСу ср+ Д УСуК , где поправки представляют собой разности А УСуК = Дгсу, -5су.

Для произвольного значения температуры черного тела, равномерно облучающего МПИ, после коррекции путем изменения смещения напряжение на выходе г/’-го пиксела будет равно

КОРРЕКЦИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ПАРАМЕТРОВ МПИ

При линейной коррекции

При квадратичной коррекции

КОРРЕКЦИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ПАРАМЕТРОВ МПИ

Из анализа этих выражений можно сделать ряд важных выводов [248]. Так, для ли­нейной коррекции коэффициент усиления Ку должен быть малым («1). При Щ = -1 1/(1 + Ку ) -> со, т. е. такой пиксел не реагирует на облучение и является заведомо де­фектным.

При коррекции стремятся свести уровень геометрического (пространственного) шу­ма до уровня временного или меньше. Показатель степени или качества коррекции Ск представляет собой отношение средних квадратических значений геометрического и временного шума:

КОРРЕКЦИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ПАРАМЕТРОВ МПИ

Где аь Ьь си (Л — коэффициенты, определяемые изменениями для четырех значений по­тока облучающего МПИ.

подпись: где аь ьь си (л - коэффициенты, определяемые изменениями для четырех значений потока облучающего мпи.Как функцию времени этот показатель можно использовать и для оценки стабиль­ности проведенной коррекции. Уже отмечалось, что при линейной двухточечной схеме нелинейность характеристики преобразования приводит к невозможности обеспечить высокое качество коррекции. Это присуще практически всем системам с фотонными (селективными) приемниками излучения. Поэтому, например, в [175] предлагается коррекция, использующая кубическое уравнение вида

КОРРЕКЦИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ПАРАМЕТРОВ МПИ

При такой коррекции наиболее важным фактором, обуславливающим качество изо­бражения, становится равномерность облученности, создаваемой объективом ИКС по всему угловому полю.

Компенсация уменьшения облученности в изображении особо значима для крупно­форматных ФПУ. Для этого достаточно увеличивать коэффициенты усиления пикселов ФПУ по мере их удаления от центра углового поля, например по закону cos4, как это делается в ряде разработок фирмы «Raytheon», предназначенных для астрономических исследований и имеющих размеры чувствительного слоя 54×54 мм при формате ФПУ 2052×2052 пикселов.

Выбор способа коррекции и калибровки зависит от типа МПИ. Так, исследования МПИ на базе PtSi, InSb и KPT, проведенные авторами [131], показали, что для PtSi — и InSb-МПИ геометрический шум меньше уровня временного, т. е. Ск< 1, можно обеспе­чить при линейной, а для приемников на основе КРТ — при квадратичной коррекции. Значения Ск < 1 сохраняются для приемников на базе PtSi в течение 25 ч, для приемни­ков на базе InSb — в течение часа, а КРТ-МПИ — в течение 5 мин, что объясняется нали­чием в структуре этих МПИ дефектных пикселов.

В системах с неселективными неохлаждаемыми МПИ, например с микроболомет — рическими, коррекция неоднородности весьма специфична. Влияние изменений темпе­ратуры окружающей среды в значительной степени уменьшается за счет мостиковой схемы включения болометра, однако изменения токов смещения и температуры чувст­вительного элемента из-за тока, протекающего через элемент, требуют проведения кор­рекции в процессе работы ИКС (динамической коррекции). В [257] утверждается, что сочетание обычной (статической) и динамической компенсации позволяет снизить среднюю неоднородность до значений, меньших 1/250 ООО, что сравнимо с эквивалент­ным шумовым напряжением — шумом Джонсона при полосе частот 1 кГц.

В ряде случаев, например, когда причина неоднородности лежит в изменении струк­туры фоточувствительного материала, можно использовать оптический фильтр, «уко­рачивающий» спектральную характеристику приемника, т. е. уменьшающий ее длинно­волновый диапазон сверху.

Расчеты показывают, что для приемников на базе Hg!_xCdxTe при емкости заряда в 2-107 электрон идентичность (равенство) АТп, определяемых собственными («времен­ными») шумами элементов и геометрическим шумом, достигается при разбросе Ах = ±0,0006 для спектральных диапазонов 3…5,1 и 8…10,6 мкм. Если же применить оптические фильтры с граничными длинами волн в 4,7 и 9,6 мкм, то указанное условие для АТп, т. е. Ск = 1, выполняется при намного меньшем допуске — Ах = ± 0,001 и даже до ± 0,003.

Некоторое уменьшение уровня сигнала при вводе фильтра можно компенсировать относительно небольшим увеличением времени его накопления, т. е. уменьшением по­лосы частот.

В [249] описывается метод адаптивной коррекции неоднородности, устраняющий необходимость постоянного изменения коэффициентов коррекции. Непрерывная ком­пенсация неоднородности применяется адаптивно для каждого пиксела ФПУ и для

ОЗУ,

О.

О

О

И

О

А

О

О.

С

О

И

ЫТБС

РАЬ

У—N Л—- Vі

ОЗУ,

Вычитающий

АЦП

Усилитель 1 1 їк"1 1

ФПУ

ОЗУ,

Рис. 10.8. Структурная схема блока коррекции неоднородности параметров МПИ

Эк О* 3 Р § & 8 о.

И *

£ к

ЦАП

I

СО

Температуры фона, изменяющейся в достаточно большом диапазоне пу­тем одновременного обновления ко­эффициента усиления и напряжения смещения. Упрощенная схема реа­лизации этого метода приведена на рис. 10.8.

Требуемое для коррекции значе­ние поправки 5„ определяется путем сравнения сигнала, снимаемого с пиксела, с сигналами соседних пик­селов. Итерационный алгоритм, в процессе которого медленно (в тече­ние нескольких сотен и даже тысяч времен кадров) оптимизируются ко-

 

КОРРЕКЦИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ПАРАМЕТРОВ МПИ

Эффициенты усиления и напряжения смещения, основан на минимизации по методу наискорейшего спуска, применяемому в системах технического зрения. Интерполяция для определения 5 представляет собой пространственную свертку, которая позволяет сравнивать сигнал каждого пиксела с сигналами его соседей. Процесс обновления ко­эффициентов усиления Кус и напряжений смещения Гсм описывается уравнениями

Кус „ = Кусп-1- 2аш ДГ-5),

Гсм„=Гсм„_;-2акнДГ-5),

Где коэффициент аКИ определяет размер шага коррекции и скорость сходимости, причем он должен выбираться достаточно малым, чтобы обеспечить устойчивость алгоритма.

PostHeaderIcon НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ЗРИТЕЛЬНОГО АППАРАТА ЧЕЛОВЕКА

Системы отображения информации (СОИ), предназначенные для преобразования электронных сигналов в оптическое изображение видимого диапазона, должны обеспе­чить эффективное решение задач (обнаружение, распознавание, классификация, иден­тификация, пеленгация и др.), стоящих перед ИКС. К СОИ относятся разнообразные дисплеи, мониторы, электролюминесцентные и светодиодные панели, телевизионные системы, часто называемые индикаторными устройствами или просто индикаторами, проекторы. Параметры и характеристики СОИ как одного из звеньев ИКС очень важно согласовать с параметрами и характеристиками предыдущих звеньев системы, прежде всего приемника излучения и электронного тракта, а также зрительного аппарата чело — века-наблюдателя или оператора. Системы отображения часто должны строить изо­бражения реальной и виртуальной окружающей обстановки, а также обеспечивать комфортные условия работы наблюдателя.

Следует отметить, что несмотря на давние разносторонние исследования и много­численные модели зрительного аппарата человека до настоящего времени до конца не выяснены природа и характер многих процессов приема и обработки оптических сиг­налов (изображений), определяющих возможности обнаружения, различения и распо­знавания зрительных образов. Тем не менее основные устоявшиеся представления о зрении человека и существующие его модели позволяют достаточно четко и конкретно сформулировать требования к СОИ ИКС.

При выборе СОИ необходимо учитывать особенности работы конкретной ИКС и свойства зрительного аппарата человека: условия освещенности (дневные или ночные), окружающие условия эксплуатации (температура, влажность, вибрации, запыленность и т. д.), разделение углового поля глаза на разные по чувствительности и разрешению зоны, инерционность зрительного аппарата и его свойство адаптации к условиям наблюдения, влияние цветности изображения на работу зрительного аппарата, и ряд других.

Вопросы согласования СОИ и зрительного аппарата человека весьма всесторонне отражены в [35-37, 49 и др.]. Кратко изложим некоторые из них, а также сведения, со­держащиеся в других многочисленных публикациях.

Глаз человека — уникальная система, обладающая, например, такими свойствами, как адаптация к условиям работы и аккомодация. Максимум спектральной чувстви­тельности глаза в условиях дневного освещения наблюдается при длине волны 0,55 мкм, а ночью — при 0,505 мкм (см. рис. 2.1). Угловое поле глаза (поле зрения) обычно разби­вается на три зоны: центрального зрения (около 4°), ясного видения (30…35°), в преде­лах которой возможно четкое распознавание большинства реальных объектов, и пери­ферийного зрения (до 75…90°), в которой объекты только обнаруживаются. Макси­мальное пространственное разрешение (острота зрения) относится к центральной ямке желтого пятна сетчатки, отстоящей примерно на 10° от оптической оси глаза. Это раз­решение зависит от яркости поля обзора, характера объектов, их контраста по отноше­нию к фону, на котором они наблюдаются. Увеличение средней яркости Ьср поля обзора

Приводит к уменьшению этого разрешения. Так, при £ср = 0,17 кд-м~2 разрешающая

2

Способность равна 1,4 угл. мин, а при Ьср = 18 кд-м она снижается до 0,58 угл. мин. Разрешение снижается и при уменьшении контраста. Так, при наблюдении черных то­чек на белом поле, т. е. при контрасте 100%, и средней яркости поля Ьср = 1 кд-м“2 раз­решение составляет около 1 угл. мин, а при уменьшении контраста до 10% оно снижа­ется до 6,3 угл. мин. Предельное разрешение среднего глаза с фокусным расстоянием

19.. .27 мм составляет 1 угл. мин для расстояния наилучшего зрения (около 250 мм).

Пространственно-частотные характеристики глаза зависят от пространственно­частотных характеристик зрачка, сетчатки, а также тремора — колебательного движе­ния оптической оси глаза. Характер зависимости порогового контраста глаза Кп = [Г10б — 1ф)/(10б + /.ф)]тт, определяемого для малых разностей яркостей объекта и фона, от яркости фона £ф очевиден из рис. 11.1 ,а, а от пространственной частоты /х — из рис. 11.1 ,б. В зависимости от характера спектра шума, имеющего место в системе, вид кривой, представленной на рис. 11.1Д может меняться. При преобладании низкочас­тотных шумов левая ее часть лежит выше, чем на рисунке; при преобладании высоко­частотных шумов выше минимума поднимается ее правая часть. Очевидно, что глаз наиболее чувствителен к периодическим структурам с пространственными частотами от 3 до 7 град’1.

Пороговый, т. е. предельно различаемый глазом, контраст зависит от времени на­блюдения. С ростом требований к различению объектов, т. е. к уменьшению Кп, время их наблюдения должно возрастать (см.§4.5). На рис. 11.1,в приведена зависимость по­рогового контраста Кп от яркости фона для разных времен наблюдения объекта ^ с видимым размером 4 угл. мин [143].

2

В интервале яркостей поля обзора, например экрана индикатора, от 1 до 40 кд-м инерционность зрения оценивается постоянной времени глаза (зрительного аппарата) порядка 0,05…0,2 с. Критическая частота мельканий, на которую еще реагирует глаз человека, также зависит от яркости и изменяется в диапазоне 10…50 Гц.

Информационные свойства зрительного аппарата характеризуются предельным ко­личеством информации, воспроизводимой сетчаткой глаза (около 2,2-106 бит). Сетчатка глаза способна пропустить 4,4-107 бит-с~’, однако пропускная способность зрительного аппарата в целом близка к 72 бит-с-1.

Для обоснования требований к однородно­сти яркости отдельных элементов индикатора важно учитывать, что при разбросе яркости свечения до 20% среднего значения вероят­ность распознавания практически не снижает­ся, однако больший разброс не допустим.

НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ЗРИТЕЛЬНОГО АППАРАТА ЧЕЛОВЕКА НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ЗРИТЕЛЬНОГО АППАРАТА ЧЕЛОВЕКА

1ф, кгм 2 f„ период/градус

подпись: 1ф, кгм 2 f„ период/градус

А) б)

Рис. 11.1. Зависимости порогового контраста А-,, от яркости фона Ьф для различных угловых размеров объекта А при времени наблюдения 0,1 с (а) и различных временах наблюдения td объекта с видимым угловым размером 4 угл. мин (в) [138], а также от пространственной частоты fx (б) [144]

подпись: а) б)
рис. 11.1. зависимости порогового контраста а-,, от яркости фона ьф для различных угловых размеров объекта а при времени наблюдения 0,1 с (а) и различных временах наблюдения td объекта с видимым угловым размером 4 угл.мин (в) [138], а также от пространственной частоты fx (б) [144]
НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ЗРИТЕЛЬНОГО АППАРАТА ЧЕЛОВЕКА

В)

подпись: в)Цветовая гамма изображений влияет на работу глаза. Так, инерционность зрения велика для красного цвета, являющегося кд-м’2 наилучшим по достоверности распознава­ния движущихся объектов. Однако крас­ный цвет (А, = 0,66 мкм) создает больший дискомфорт для наблюдателя, нежели, например, зеленый или желтый. Для одноцвет­ных экранов СОИ оптимален желто-оранжевый цвет. При использовании двух — или многоцветной системы отображения и системы окрашивания получаемых после элек­тронного тракта изображений можно наблюдать красные изображения объектов на черно-белом или желто-зеленом фоне.

При наблюдении изображений с экрана индикаторов с помощью окуляра необ­ходимо согласовывать размеры его выходного зрачка с диаметром зрачка глаза, за­
висящим от яркости наблюдаемого поля (от 3 мм при Ьср = 100 кд-м-2 до 6 мм при 1ср = 1 кд-м-2).

При разработке и выборе СОИ важно учитывать явления конвергенции и аккомо­дации, присущие зрительному аппарату человека, а также возможность в процессе работы изменять положение головы, т. е. расстояние от глаза до экрана и угловое по­ложение линии визирования. В процессе наблюдения перемещение головы наблюда­теля относительно экрана дисплея позволяет лучше различать либо мелкие детали изображения, либо крупные. Расстояние наилучшего зрения (различения) изменяется, при этом достигается наименьший пороговый контраст (см. рис. 11.1,о). Для ком­фортных условий наблюдения в лаборатории глаза наблюдателя не должны отстоять от экрана на расстояние, большее 4…8 размеров разглядываемого объекта по высоте. При этом, как указано в [142], минимальная разрешаемая разность температур АТР асимптотически приближается к (0,3…0,7) ДТ„.

Расстояния наилучшего зрения зависят от пространственной частоты периодическо­го объекта, наблюдаемого в угловом поле 30 мрад на экране дисплея размеров 35,5 мм:

Пространственная частота, период/мм Расстояние наилучшего зрения, см

0,5

409… 1397

1,0

204…695

2

100…348

4

49… 174

6

34…116

8

24…88

10

21…67

Условия наблюдения всего экрана дисплея (монитора) наиболее комфортабельны, если расстояние до экрана в 4,7.. .9,3 раза больше его размера.

Явление конвергенции, состоящее в повороте оптических осей глаз на удаленный от на­блюдателя объект, позволяет воспринимать глубину изображаемого пространства, т. е. обеспечивает стереоскопическое зрение. Оно тесно связано с аккомодацией, состоящей в перефокусировке глаза на объекты, различно удаленные от наблюдателя. Поскольку изо­бражение на дисплее (экране) является двумерным (плоским), для передачи глубины про­странства требуются специальные оптические системы или устройства. В простейшем случае возможно перемещение в реальном масштабе времени вдоль линии визирования экранов, на которых формируются два изображения, с учетом бинокулярного параллакса зрительного аппарата. Кроме того, можно использовать зеркальную оптическую систему с переменным фокусным расстоянием или электрически управляемый жидкокристалли­ческий элемент. Последнее повышает надежность системы, уменьшает габариты, массу и потребляемую мощность.

PostHeaderIcon ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ

К наиболее важным параметрам систем отображения относятся:

— форма и размеры экрана, угол его наблюдения, угловой размер;

— контрастное отношение и его зависимость от углового разрешения, цвета свече­ния, окружающего освещения и угла наблюдения экрана;

— разрешающая способность экрана, определяемая размерами дисплея, числом эле­ментов разложения, их размерами и плотностью расположения;

— однородность качества изображения по всему экрану;

— скорость отклика или полной смены изображения, частота кадров;

— число уровней серого;

— цветовая гамма;

— максимальная яркость и яркость на единицу потребляемой мощности;

— диапазон температур эксплуатации и хранения;

— масса и габаритные размеры;

— энергопотребление, рабочее напряжение и ток.

Для проекционных СОИ, модулирующих или отражающих проходящий свет, важны также параметры источника света.

Общее число градаций яркости, различаемых глазом в изображении на экране, мож­но определить [36] как

_,. ШЦ* +£Ф)/^ср]

Т1. ~~ 1 I* ~^

Где Ьгтп — минимальная яркость, соответствующая «уровню черного» изображения на экране; 1ф — яркость внешней — фоновой — засветки, соответствующей яркости адапта­ции глаза; Ьэ ср — средняя яркость экрана; Кп — пороговый контраст конкретного типа эк­рана для заданного уровня яркости фона, зависящий от цвета экрана, что необходимо учитывать, так как от него зависит и острота зрения глаза.

Очень важно учитывать нелинейный характер зависимости между яркостью свече­ния многих экранов, например жидкокристаллических, и амплитудой возбуждающего это свечение напряжения, т. е. амплитудой видеосигнала. Коррекция этой нелинейности (гамма-коррекция) обычно осуществляется в электронном тракте ИКС после восста­новления (реконструкции) аналоговой формы видеосигнала.

Разрешающая способность матричных экранов характеризуется размером экрана и его форматом, т. е. числом строк и столбцов отдельных элементов разложения изобра­жения (пикселов). Формат дисплея должен соответствовать формату МПИ, что обу­славливает ряд требований к электронному тракту ИКС, преобразующему электронный сигнал с выхода МПИ в изображение на экране. Выбор дискретности экрана и размеров его пикселов зависит от условий наблюдения, в частности от расстояния между глазом наблюдателя и экраном.

Часто экраны СОИ характеризуют параметром «четкость», определяя им возмож­ность извлекать информацию из высококонтрастного изображения в отсутствие шумов. Четкость Сч изображения нелинейно связана с числом элементов разложения Л/,:

Сч=С1э1пЛГэ + С2э,

Где Си и С2э — постоянные для конкретного типа экрана.

Иногда принимают

Сч =1пЛГэ/1пЛГэпих =1п(Яэ5э2)/1п(Яэ532тах),

Где Л/э „их — максимальное число элементов разложения при идеальной четкости; #э — формат экрана; £э — число строк экрана; 5Э щах — максимальное число строк, соответст­вующее^,^.

Если необходимо получить качественное изображение без заметной дискретной структуры экрана, то следует обеспечить превышение размера элемента разрешения в линейной или угловой мере над соответствующим периодом отдельных пикселов экра­на. Исходя из этого и выбирается число строк 5Э. Расстояние до экрана определяется функциональным назначением конкретной СОИ.

PostHeaderIcon ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ

Системы отображения информации могут быть двух типов: излучательные и мо­дулирующие проходящий или отраженный свет, создаваемый специальным источни­ком. По конструктивному принципу различают электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) и плоскопанельные дисплеи (ППД). Иногда СОИ классифицируют по размеру экранов, выделяя отдельной строкой проекционные системы с большими экранами на дис­кретных элементах (лазерных диодах, газоразрядных индикаторах и панелях, малога­баритных ЭЛТ).

По физическому принципу работы различают излучательные дисплеи на основе ка — тодолюминесценции, электролюминесценции, газоразрядные панели, светодиодные дисплеи, а также модулирующие проходящий или отраженный свет — жидкокристал­лические, электрохромные. электрофоретические. Рассмотрим особенности дисплеев, наиболее употребительных в СОИ ИКС.

PostHeaderIcon ДИСПЛЕИ НА КАТОДНО-ЛУЧЕВЫХ ТРУБКАХ

В дисплеях на основе катодолюминесценции используются вакуумные ЭЛТ, в кото­рых электронный пучок сканирует фосфоресцирующий экран, а также полевая эмис­сия. В последних катод представляет собой матрицу, управляемую по строкам и столб­цам и являющуюся аналогом транзисторной матрицы.

Изображение, получаемое в современных катодно-лучевых трубках, вполне удовле­творяет требованиям зрительного аппарата человека с точки зрения разрешения, цвето­вой гаммы, быстродействия и других параметров и характеристик.

Современные вакуумные ЭЛТ по ряду технико-экономических параметров до сих пор превосходят остальные системы отображения, хотя и обладают существенными недостатками — увеличенными поперечными размерами, составляющими даже в луч­ших образцах около половины размера экрана по диагонали, а также высокими (до де­сятков киловольт) управляющими напряжениями.

Дисплеи на ЭЛТ позволяют отображать на экране не только поле обзора ИКС, но и специальные символы (дату и время, прицельные марки, указатели, информацию о дальности до наблюдаемых объектов и др.). Размеры и фотометрические свойства та­ких экранов допускают более свободное взаимное расположение наблюдателя и систе­мы отображения, чем, например, при использовании светодиодных (СВ) дисплеев, час­то требующих «жесткой» привязки наблюдателя к окуляру, через который наблюдается экран. Сигнал на выходе ЭЛТ, как правило, совместим с телевизионным стандартом, в соответствии с которым число строк в кадре должно быть не менее 256, частота кадров — не менее 25 Гц, размер изображения по диагонали — не менее 35 мм, разрешение в цен­тре — не менее 400 строк и на краю — не менее 300 строк. Строчный сигнал обычно име­ет частоту не менее 50 Гц, а число строк на экране ЭЛТ составляет не менее 300…500 (часть строк используется для вывода служебной информации).

Используя ЭЛТ при разрешении не менее 400 лин./кадр, можно реализовать бино­кулярный метод наблюдения зрительным аппаратом человека. Однако, если размер эк­рана уменьшается и условия его наблюдения ухудшаются, систему необходимо допол­нять окуляром (или окулярами для каждого из глаз).

В [37] приводится таблица сочетаний параметров цветности при различных ярко­стях свечения экранов ЭЛТ, приравненных к яркости фона окружающей среды, при которых обеспечивается достаточная вероятность обнаружения и распознавания ин­формации.

Примером отечественной разработки системы отображения на ЭЛТ (типа 11ЛК1Б) может служить система, характеризуемая следующими значениями параметров:

• размер экрана 68×83 мм;

• максимальная яркость свечения экрана не менее 100 кд/м ;

• число строк в полном кадре 577.

В ИКС с таким индикатором на экране в качестве марки высвечивается точка, мер­цающая с частотой 0,5…2 Гц. В системе имеется возможность электронного масштаби­рования изображения, что позволяет изменять ширину строки для оптимизации ее на­блюдения человеком. Большая яркость экрана позволяет использовать аппарат дневно­го зрения наблюдателя, который обладает лучшим разрешением и чувствительностью, чем аппарат ночного зрения. Кроме того, повышение яркости экрана уменьшает влия­ние мелькания изображения.

Параметры типовых миниатюрных ЭЛТ

подпись: параметры типовых миниатюрных элтВ табл. 11.1 приведены параметры миниатюрных ЭЛТ, используемых в проекцион­ных и нашлемных СОИ [138]. Все трубки снабжены плоской волоконно-оптической
шайбой; цвет свечения их экрана — зелено-желтый (540…560 мкм) с максимумом на длине волны 545 мкм; среднее время послесвечения 6,7 мс.

Обозначение, дюймы

1

%

‘/2

Диаметр экрана, мм

19

17,5

11,5

Напряжение на аноде, кВ

13

12

8,5

Максимальная яркость свечения, кд м“2:

По всему растру

10 280

5 140

5 140

По строке

17 130

34 260

17 130

Ширина линии растра, мкм

20

30

25

Расстояние между строками, мкм

25

30

30

Масса, включая контактные ножки, г

75

60

45

Размер (длинах диаметр), мм

104×26,5

90×22,5

75×16,5

Таблица 11.1

Таблица 11.2

Параметры некоторых полноцветных дисплеев на основе полевой эмиссии

Параметры

Фирма-изготовитель

«ІЕТ1» (Франция)

«Futaba» (Япония)

Частота кадров

Телевизионный стандарт

Контраст

>60

Число уровней серого

>128

Световая эффективность, лм/Вт

1

Максимальная яркость в белом цвете, кд/м2

60

Формат (число пикселов)

256×256

320>’240

Шаг пиксела, мкм: по строке по столбцу

350

450

310

Размер, мм

150 (по диагонали)

114,3×91,4×2,4

Время жизни, ч

>25 000

>6 000

Напряжение на затворе, В

87

100

Напряжение на аноде, В

260

200

Энергопотребление экрана, Вт

0,5

Неоднородность свечения пикселов, %

<4

<10

В качестве еще одного примера можно привести параметры одной из таких трубок, описанной в [6]:

• зеленый цвет свечения;

• яркость 2000 кд/м2;

• формат 700 ТВЛ;

• размер экрана по диагонали 15 и 28 мм;

• масса собственно ЭЛТ (с размером экрана по диагонали 15 мм) 6 г;

• масса всей СОИ (ЭЛТ, отклоняющая и фокусирующая катушки, патрон) 25 г;

• энергопотребление 1,1 Вт (для 15 мм-экрана) и 3 Вт (для 38 мм-экрана).

Перспективная конструкция плоскопараллельного дисплея представляет собой

Сверхтонкую катодолюминесцентную трубку, состоящую из матрицы микроскопиче­ских электронных пушек, расположенных с высокой плотностью, и низко — или средне­вольтового катодолюминесцентного экрана-анода.

Достоинствами дисплеев на полевой эмиссии являются высокая эффективность пре­образования электрической энергии в световую, малая инерционность (время отклика близко к 1 мкс), большой угол наблюдения, возможность получения широкого диапа­зона уровней серого и большой цветовой гаммы, большой диапазон рабочих темпера­тур. Характеристики двух зарубежных дисплеев на основе полевой эмиссии приведены в табл. 11.2 [6].

PostHeaderIcon ВАКУУМНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ДИСПЛЕИ

Вакуумно-люминесцентные дисплеи (ВЛД) используют люминофоры, способные светиться под действием пучка электронов с энергией в несколько электрон-вольт при напряжениях между катодом прямого накала и анодом-экраном порядка десятков и со­тен вольт. Эти дисплеи имеют большую яркость свечения (до нескольких сотен кандел на 1 м2) и большой срок службы (до 30 тыс. ч). Они могут работать в диапазоне темпе­ратур от -40…+70°С при влажности до 80%. Потребляемая ими мощность достигает

24.. .30 Вт при напряжении на аноде 25 В, напряжении накала до 3 В и плотности тока

3.. .5 мА/см2. Существенным недостатком их является неоднородность яркости по экра­ну, достигающая 30…60%. Сравнительно малый выбор люминофоров обуславливает ограниченную цветовую гамму: сине-зеленую, красно-зеленую, красно-зелено-синюю.

Вакуумно-флюоресцентные дисплеи в виде многомодульных экранов яркостью до 5000 кд/м2 и площадью до 100 м2 разработаны в НИИ «Волга» (Саратов). Там же созда­ны монохромные и цветные мониторы с размерами по диагонали 203 и 356 мм, управ­ляемые напряжением 35 В.

PostHeaderIcon ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ДИСПЛЕИ

Среди электролюминесцеитных дисплеев наиболее распространены тонкопленоч­ные излучатели, светодиоды (СД) на основе неорганических люминофоров и органиче­ские светодиоды.

Тонкопленочные электролюминесцентные дисплеи представляют собой многослой­ные структуры, включающие прозрачный слой люминофора, на который с двух сторон наносятся сначала диэлектрик, затем электроды и ряд других слоев, включая стеклян­ные подложки и светофильтры. Электролюминесценция происходит при напряженно­сти электрического поля, близкой к пробивной. Общая толщина дисплея составляет не­сколько миллиметров. Такие дисплеи, обладая собственным свечением, не требуют фо­новой подсветки. Их контраст слабо зависит от внешней освещенности. Однако у них сравнительно велико энергопотребление и затруднено получение достаточно большого числа градаций серого и полной цветовой гаммы. Максимальные размеры и форматы этих дисплеев ограничены энергетическими возможностями схемы управления. Поэто­му для получения большого числа строк (до 1000) используют совмещение двух дис­плеев. Как пример можно указать на разработку тонкопленочного дисплея фирмы «Ма1Би8^а» (Япония) общим размером 208×51 мм2 с числом элементов разрешения 256×1088, их шагом 0,2 мм и яркостью свечения 100 кд/м2 при управляющем напряже­нии 100 В. К этой же группе относятся графические монохромные электролюминес­центные дисплеи, используемые в фотоаппаратуре, принтерах, нашлемных СОИ. Раз­меры их невелики (обычно несколько сантиметров), яркость также невысока, питающее напряжение достигает 200 В.

Параметры электролюминесцеитных дисплеев

подпись: параметры электролюминесцеитных дисплеевВ табл. 11.3 приведены параметры трех типовых электролюминесцеитных дисплеев [6], используемых главным образом в мониторах ЭВМ.

Параметры

Фирма-производитель

«Planar» (США)

НПО «Платан» (Россия)

Частота кадров, Гц

180

100

Контраст крупных деталей

30:1

20:1

Яркость, кд/м2

21 (белый) 71 (красный)

23 (белый)

30 (зеленый)

80 (желто-оранжевый)

Формат (число пикселов)

512×512

640×480

320×240

Размеры дисплея, мм

170x140x18

Температурный диапазон, °С

-25…+65

-10…+55

Минимальный срок службы, ч

>30000

1000

Потребляемая мощность, Вт

10

Цветность свечения (число цветов)

16

8

Желто-оранжевый и зеленый

Таблица 11.3

Октябрь 2018
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
« Мар    
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
293031  

Мастерская Своего Дела - msd.com.ua