Рассмотрен способ обработки изображения, полученного эндоскопической видеосистемой, предполагающий совмещение матрицы ФПЗС с волоконно-оптической системой формирования изображения.

В ходе проведения диагностического исследования с помощью видеоэндоскопа зачастую целесообразно производить обработку изображения до поступления оптического сигнала на фотоприемник. Для этого предлагается производить обработку изображения путем совмещения матрицы фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ФПЗС) с волоконно-оптической системой формирования изображения (ВОСФИ).

Рассмотрим одномерную ВОСФИ, представленную на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема одномерной волоконно-оптической системы

В определенную область фокальной плоскости помещается расширяющийся фокон, воспринимающий изображение. Узкий торец фокона разбивается на отдельные волокна (световоды), которые соединяются в трехплечевом ответвителе, управляемым двуполярным напряжением U. Один из выходов ответвителя соединяется с определенной ячейкой ФПЗС, которая формирует отсчеты изображения. Данная система осуществляет обработку световых потоков от элементов изображения, расположенных с интервалом по оси .

Рассмотрим работу управляемого 3х3 ответвителя, в котором на линейно расположенные волноводы нанесены управляющие электроды (рис.2) [1]. Такой ответвитель функционирует аналогично трехлучевому интерферометру Маха-Цендера.

Рис. 2. Схема управляемого оптического ответвителя

На участке связи L распространяются три моды, имеющие различные постоянные распространения , которые записываются в виде [2]:

, (1)

где -угловая частота волны;

-фазовая скорость;

-показатель преломления;

-длина волны.

Прикладывая электрическое напряжение к электродам, расположенным по бокам волноводов, можно регулировать показатель преломления кристалла волновода. Это происходит за счет линейного электрооптического эффекта Поккельса, который, как известно, заключается в изменении показателя преломления пропорционально напряженности приложенного электрического поля. Напряжение U, приложенное к электродам, создает электрическое поле, напряженность которого равна:

,

где -ширина зазора между электродами.

Эффективный показатель преломления волновода записывается в виде [3]:

,

где -показатель преломления невозбужденной среды;

- электрооптический коэффициент.

Электрооптический эффект является практически безынерционным, поэтому время задержки распространения оптического сигнала на волноводном элементе пс, что на два порядка меньше, чем у наиболее быстродействующих электронных элементов типа ТТЛ (нс) и ЭСЛ (нс) [4].

Таким образом, приложив напряжение U к электродам, с помощью электрооптического эффекта можно управлять постоянной распространения . Следует иметь ввиду, что положительное либо отрицательное управляющее напряжение приводит, соответственно, к увеличению либо уменьшению коэффициента изменения показателя преломления [6]. Следовательно, для первого и третьего волноводов знаки приращения показателя преломления противоположны:

, (2)

где , — показатели преломления первого и третьего волноводов, соответственно;

, - показатели преломления невозбужденной среды первого и третьего волноводов, соответственно.

Показатель преломления второго волновода остается неизменным.

При рассмотрении системы из трех связанных оптических волноводов (см. рис.2) с управляемой постоянной распространения можно показать, что световые потоки на входах и на выходах связаны с помощью линейного преобразования:

, (2)

где ;

;

;

;

;

;

;

;

;

— средняя постоянная распространения;

- относительные постоянные распространения мод участка связи L;

- постоянные распространения первого, второго и третьего волноводов, соответственно;

- коэффициент потери мощности при прохождении ответвителя.

В соответствии с выражением (2) получена модель управляемого оптического ответвителя, производящего обработку отсчетов изображения от трех соседних точек:

Далее, переходя к частотной характеристике, произведем замены в (2) , и , где - пространственная частота, и после вычислений получим выражения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) выходов ответвителя, которые соответствуют АЧХ нерекурсивного фильтра второго порядка:

(3)

где - номер выхода ответвителя.

Из выражений (2,3) видно, что коэффициенты фильтра имеют зависимость от постоянных распространения , которые в свою очередь имеют зависимость от приложенного напряжения U (1). Следовательно, изменяя напряжение на электродах можно регулировать АЧХ полученного фильтра.

Анализ выражения (3) позволяет сделать вывод о возможности реализации фильтра пространственных частот на базе трехплечевого ответвителя, АЧХ которой изменяется в зависимости от длины волны, на которой осуществляется обработка. При этом в видимой области оптического диапазона видна сильная зависимость частотной характеристики от управляющего напряжения, а при увеличении длины волны зависимость ослабевает. К ячейке ФПЗС (см. рис. 1) подключается только один из выходов ответвителя. Остальные два используются для дальнейшей обработки в зависимости от решаемых задач.

При переходе от одномерной обработки к двумерной можно показать, что волоконно-оптическая система формирования изображений производит обработку световых потоков от элементов изображения, расположенных с интервалом по оси x и по оси y. При этом обработка производится последовательно по каждой координате, а управляющее напряжение подводится раздельно к управляющим электродам ответвителей по координатам X и Y. В результате появляется возможность осуществлять обработку с переменными характеристиками по пространству.

Таким образом, показана возможность обработки изображения, полученного видеоэндоскопом, при помощи матрицы ФПЗС и управляемого интерферометра. Выведены выражения для определения АЧХ выходов ответвителя и показаны зависимости изменения коэффициентов фильтра от приложенного управляющего напряжения и длины волны.

Литература:

1. Волоконная оптика. Труды института общей физики. Т.23.- М.:Наука,1990.- с.108–114.
2. Волноводная оптоэлектроника. Под ред. Т.Тамира.-М.:Мир,1991.-573 с.
3. Акаев А. А., Майоров С. А. Оптические методы обработки информации.-М.:Высшая школа,1988.-238 с.
4. Кондиленко И. И., Коротко П. А., Фелинский Н. И. Интегральные электрооптические модуляторы света//Квантовая электроника (Киев).-1980.-Вып.19.-с.60–77.
5. Свечников Г. С. Элементы интегральной оптики.- М.:Радио и связь,1987.-105 с.
6. Воронов С. А. Свойства материалов для оптических элементов приемников инфракрасного излучения.//Радиоэлектроника.-1997.-Т.40.-№ 5.-с.19–30.