2
Содержание
Введение 4
Глава 1. Обзор литературных данных по системам получения изображений.
1.1. Функциональные возможности и принципы работы оптикоэлектронных систем видения. 26
1.2. Функциональные возможности и принципы работы однофотонных детекторов излучения. 39
Выводы и постановка задачи. 47
Глава 2. Обоснование построения системы для одновременного измерения двух координат и момента поступления отдельного фотона с высоким разрешением 48
2.1. О дополнительном снижении уровня естественного фона при использовании время-позиционно-чувствительного детектора. 49
2.2. Выбор оптимального спектрального диапазона работы вре-мя-позиционно-чувствительного детектора. 56
2.3. Измерение спектрального распределения яркости естественного фона в ближнем УФ диапазоне спектра. 79
Анализ данных второй главы и выводы. 85
Глава 3. Экспериментальная реализация системы для одновременного измерения двух координат и момента поступления отдельного фотона с высоким разрешением - однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излу-
чения
Время-позиционно-чувствительный детектор излучения. Некоторые возможности работы время-позиционно-чувствительного детектора излучения в пассивном режиме. Получение трехмерного изображения объектов с реальными координатами. Активный режим работы системы «лазер -ВПЧД ».
Минимальное разрешение по третьей координате элемента поверхности наблюдаемого объекта.
Определение геометрических характеристик объектов с помощью системы получения послойных изображений. Основные результаты и выводы.
Литература
Введение
Диссертационная работа посвящена исследованию возможности получения трехмерного изображения объектов и их координат в реальном времени, а именно — разработке физических принципов измерения одновременно трех координат элементов видимой части объектов.
Для получения полной информации о пространственных координатах объекта необходима регистрация всех характеристик рассеянной или излученной объектом электромагнитной волны (ЭМВ) - фотонов: амплитуды (количество фотонов), частоты, поляризации, фазы, времени поступления отраженных или излученных объектом фотонов. К настоящему моменту времени существуют эффективные методы регистрации количества фотонов, их частот и поляризации. Информацию о трехмерности объектов несет, как известно, фаза ЭМВ, отраженной от них. Однако до сих пор не предложен способ регистрации фазы ЭМВ в реальном времени, что обусловлено высокой частотой световых волн. При этом быстродействие регистрирующего устройства должно быть не хуже 10~14 + 10"'5 с, что невозможно реализовать, по крайней мере, в настоящее время. На сегодняшний день регистрация фазы ЭМВ осуществляется не непосредственно, а с помощью интерференции когерентной опорной волны и предметной волны, отраженной от исследуемого объекта (голография). В голографии объемность изображения исследуемого объекта получается только при его восстановлении специальными методами на основе полученной интерференционной картины (пространственного распределения разности фаз опорной и предметной волны). При этом оказывается, что не существует возможности измерения пространственных координат восстановленного изображения предмета, так как его изображение является
мнимым, а действительное изображение располагается позади голограммы и является зеркальным.
В природе объемность изображения создается двумя приемниками излучения (бинокулярное зрение - аналог триангуляционного дальномера, отчасти и по напряжению глазной мышцы, деформирующей хрусталик и с дальнейшей обработкой человеческим мозгом полученной информации). Кроме того, известен способ получения трехмерных координат точек поверхности малоразмерных объектов. Для этого используется пошаговое сканирование поверхности дальномером, перемещающимся в пространстве по заданной траектории. Шаг перемещения определяет дискретность получаемого изображения.
Актуальность постановки проблемы обусловлена тем, что в настоящее время существующие системы получения изображения (ЭОП различного назначения, видеосистемы, скоростные и сверхскоростные фотокамеры, различные фотоприемные устройства - ФПУ - и др.) не позволяют получать или синтезировать объемное изображение с измеренными пространственными координатами элементов поверхности исследуемого объекта. Это связано с тем, что с их помощью можно регистрировать только угловые координаты, количество (интенсивность) и частоту (иногда с выделением заданной поляризации) пришедших на ФПУ фотонов, что позволяет получать только плоское, хотя и цветное изображение.
В большинстве же практических случаев требуется получение объемного изображения именно с измеренными трехмерными пространственными координатами (желательно в цифровом виде), с которыми в дальнейшем можно проводить любые математические преобразования.
Что касается времени регистрации отраженных или излученных объектом фотонов, то физические процессы, связанные с такой регистрацией, практически не исследованы. Однако предварительный анализ показывает,
что именно регистрация времени поступления отдельного фотона позволяет измерять третью координату элемента поверхности исследуемого объекта, от которого отразился или рассеялся данный фотон.
Измерение третьей координаты каждой точки наблюдаемой поверхности объектов позволяет дополнительно решать многие актуальные проблемы их визуализации более эффективно, чем это позволяют современные системы (приборы), используемые для этих целей. В частности, значительно проще можно строить рельефные изображения с реальными трехмерными координатами различных поверхностей твердого тела (например, трехмерная карта поверхности Земли), существенно увеличить дальность наблюдения объектов в мутных средах (через туман и под водой), чего нельзя добиться с помощью существующих систем получения изображения. Поэтому особую актуальность приобретают исследования, проводимые с целью разработки и создания систем получения изображения объектов с трехмерными координатами в реальном времени.
Вышеизложенное подтверждает актуальность исследований в области получения изображений с трехмерными координатами каждой точки поверхности наблюдаемых объектов.
Целью работы является:
1) исследование физических процессов, влияющих на точность измерения двух (угловых) координат отдельного фотона в существующих однофотонных системах получения изображения (ОСПИ) с кодированными (квадрантными) коллекторами с целью устранения искажений двухмерного изображения;
2) исследование возможности одновременного измерения двух координат и моментов поступления регистрируемых отдельных фотонов, отраженных, рассеянных или излученных элементами поверхности рассматриваемого объекта, и разработка на основе полученных данных физических принципов
одновременного измерения двух координат и моментов поступления отдельных фотонов;
3) исследование возможности одновременного измерения трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности рассматриваемого объекта, и разработка на основе полученных данных физических принципов одновременного измерения трех координат отдельных фотонов;
4) разработка однофотонной системы получения изображения с кодированным (квадрантным) коллектором на основе одновременного измерения двух координат и моментов поступления регистрируемых отдельных фотонов, отраженных, рассеянных или излученных элементами поверхности рассматриваемого объекта;
5) разработка однофотонной системы получения изображения с квадрантным коллектором на основе одновременного измерения трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности рассматриваемого объекта;
6) исследование возможности существенного снижения уровня естественного фона в ближнем инфракрасном, видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазонах спектра и разработка методов существенного снижения уровня фона на основе данных исследований.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Экспериментально исследованы физические процессы, влияющие на точность измерения двух координат отдельного фотона в ОСПИ с квадрантным коллектором. Установлено, что физическими причинами искажения двумерного изображения являются потери части общего заряда электронной лавины от микроканальной пластины, относительно малая рабочая площадь поля зрения детектора излучения и низкая разрешающая способность в существующих ОСПИ с квадрантным коллектором. На основе установленных фактов предложен новый метод, устраняющий указанные
недостатки, и способ улучшения точности измерения двух координат отдельного фотона (устранения искажения двумерного изображения) в таких системах.
Разработаны алгоритмы и программное обеспечение определения двух координат отдельного фотона в соответствии предложенным методом.
2. Экспериментально доказана возможность одновременного измерения двух координат (х, у) и момента поступления регистрируемых отдельных фотонов Оф), отраженных, рассеянных или излученных элементами поверхности рассматриваемого объекта. На основе полученных экспериментальных данных разработаны физические принципы одновременного измерения двух координат и моментов поступления отдельных фотонов, а также предложен новый метод их реализации. Для реализации этого метода разработан однофотонный время-позиционно-чувствительный детектор излучения (ВПЧД), устраняющий основные недостатки существующих ОСПИ с квадрантным коллектором и позволяющий одновременно измерять как координаты х, у, так и моменты поступления регистрируемых отдельных фотонов 1ф.
Для ВПЧД разработаны алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно двух координат и момента поступления отдельного фотона.
3. Экспериментально показано, что при синхронизации работы однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения и источника подсветки (лазера) система «лазер - ВПЧД» позволяет одновременно измерять три координаты отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта отдельных фотонов: координаты х, у и расстояние ъ от детектора излучения до элементов поверхности объекта, отражающих или рассевающих фотоны лазерного излучения, в системе отсчета ВПЧД. На основе полученных данных исследования в видимом диапазоне спектра разработаны физические
принципы одновременного измерения трех координат (х, у, г) отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта, и предложен новый метод их реализации. Для реализации этого метода разработан и изготовлен экспериментальный образец (макет) системы «лазер - ВПЧД». Такая система позволяет получать трехмерное изображение видимых элементов поверхности исследуемых объектов в реальном времени с координатами х(0, у(г), г((), чего нельзя получить с помощью существующих систем получения изображения.
Для системы «лазер - ВПЧД» разработаны алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно трех координат отдельных фотонов во времени.
4. Впервые показано, что количество регистрируемых фоновых фотонов (интенсивность естественного фона), помимо яркости спектрального распределения естественного фона, спектральной полосы регистрации и телесного угла поля зрения входной оптики систем получения изображения (СПИ), зависит от длительности их регистрации (кадра). На основе установленной зависимости разработаны физические основы существенного снижения уровня фона при измерении координат отдельного фотона по сравнению с существующими методами его снижения.
Основные результаты, выносимые на защиту, заключаются в следующем.
1. Новый метод, устраняющий основные недостатки существующих ОСПИ с кодированными квадрантными коллекторами, и способ улучшения точности измерения двух координат отдельного фотона в таких системах. На основе указанного метода и способа разработан и реализован экспериментальный образец системы с программным обеспечением, позволивший
- повысить предельную скорость счета импульсов от 103 до 104 импУс, -улучшить эквивалентное пространственное разрешение двумерного изображения от 200 х 200 до 400 х 400 элементов,
-увеличить эффективную поверхность рабочего поля зрения позиционно-чувствительного детектора излучения в ~ 4 раза,
-снизить требования к техническим характеристикам (упростить технологию изготовления) отдельных компонентов позиционночувствительного детектора излучения.
2. Новый метод одновременного измерения двух координат (х, у) и момента поступления отдельных фотонов (1ф), отраженных, рассеянных или излученных рассматриваемым объектом. Реализация этого метода с помощью нового однофотонного ВПЧД излучения, позволившего достичь при скорости счета 104 имп./с и методе накопления (числе измерений более 150) точности измерения времени поступления отдельных фотонов ДО 10 ПС.
Алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно двух координат и момента поступления отдельного фотона для однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения.
3. Новый метод одновременного измерения трех координат отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта отдельных фотонов. Реализация этого метода с помощью системы «лазер -однофотонный ВПЧД излучения», позволившей достичь при скорости счета 104 имп./с и методе накопления (числе измерений более 169) минимально разрешимого расстояния по третьей координате ъ отраженного или рассеянного фотона 3 мм.
Алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно трех координат отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта отдельных фотонов для системы «лазер -однофотонный ВПЧД излучения».
4. Разработка и реализация нового метода получения трехмерного изображения элементов видимой поверхности исследуемых объектов во времени с реальными координатами х(0, у(1), г{Х). Разработанная система на основе этого метода позволяет получать разрешенное во времени трехмерное
- Київ+380960830922