Библиографическое описание:

Куликов А. Ю., Суконкин И. А., Романова В. О., Кобозева О. Н. Система обработки изображений видеоэндоскопа // Молодой ученый. — 2016. — №11. — С. 399-403.



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)

Лабиринт 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:

Лабиринт

, (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 ;

;

;

;

;

;

Лабиринт ;

;

;

— 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.

Лабиринт 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.
Основные термины (генерируются автоматически): показателя преломления, выходов ответвителя, системой формирования изображения, волоконно-оптической системой формирования, обработку световых потоков, длины волны, обработку изображения, управляющее напряжение, обработки изображения, элементов изображения, оптического сигнала, матрицы ФПЗС, управляющего напряжения, управляемого оптического ответвителя, постоянной распространения, изменении показателя преломления, изменения показателя преломления, приращения показателя преломления, электрооптического эффекта, способ обработки изображения.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос