Кафедра оптики и спектроскопии физического факультета МГУ

СПЕЦИАЛЬНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ

ЗАДАЧА № 25а

Авторы задачи:

КОРОЛЕНКО П.В.

МАКАРОВ В.Г.

ФЕДОТОВ Н.Н.

МОСКВА

Экземпляр № ____

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 4

2. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА 4

3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 9

Приложение I. Рекомендации по использованию программного обеспечения 15

Приложение II. Элементы теории спекл-полей 19

Важнейшим элементом УВИ является камера с матричным фотоприёмником. Фотоприёмник представляет собой матрицу полупроводниковых элементов, работающих на принципе зарядовой связи (ПЗС-матрица). Снимаемое с каждого элемента напряжение линейно зависит от его освещённости, то есть от интенсивности соответствующего участка падающего излучения.

При "считывании" напряжения с каждого элемента матрицы на выходе приёмника формируется последовательность электрических сигналов, в которой закодировано распределение интенсивности. При оцифровке сигналов от камеры применяемое в данной задаче устройство "Видеопорт-2" позволяет фиксировать процессы длительностью приближенно 20 мс. Время ввода оцифрованного сигнала в компьютер зависит только от быстродействия последнего.

Матрица имеет форму прямоугольника с длиной диагонали 8,8 мм и несёт 704Ѕ560 элементов. Столь плотное расположение элементов матрицы и их малые размеры обеспечивают очень высокую разрешающую способность - 50 линий на миллиметр. Это означает, что матрица может различать две линии в структуре изображения, расположенные на расстоянии 20 мкм друг от друга. Укажем для сравнения, что средняя толщина человеческого волоса - 50 мкм.

ПЗС-матрица выполнена на полупроводниковой подложке n-типа нанесением металлических электродов с изоляцией от полупроводника тонким слоем диэлектрика.

Принцип работы ПЗС-матрицы демонстрирует рис.1. Если на электрод подаётся отрицательное напряжение то на поверхности полупроводника формируется обеднённый слой, в котором нет свободных зарядов, способных перемещаться. Фактически обеднённый слой представляет собой потенциальную яму, в которой могут накапливаться неосновные носители заряда из числа носителей, возникающих под действием света. Передача заряда осуществляется под действием приложенного к управляющим контактам напряжения трёхфазного сигнала. Сначала, как показано на рис. 1.а, накапливаются дырки в потенциальной яме, созданной высоким отрицательным напряжением, приложенным к контакту 1.

Если теперь приложить высокое отрицательное напряжение к контакту 2, то потенциальная яма углубится в сторону этого контакта, и туда же переместятся дырки (рис. 1.б). Сразу же конфигурацию потенциальных ям приводят к виду, показанному на рис. 1.в. Затем следует новый цикл. При повторении циклов заряд последовательно перемещается и воспринимается как изменяющийся во времени сигнал, несущий информацию об интенсивности и пространственном распределении излучения.

Помимо ПЗС-матрицы в УВИ входит ещё несколько электронных узлов системы "Видеопорт-2", обеспечивающих в определённом режиме считывание и оцифровку видеосигналов и их ввод в память компьютера. Эти узлы и их функциональные связи в упрощенном виде изображены на рис.2. Сигналы с камеры попадают в 6-разрядный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 1, что позволяет получать до 64 градаций яркости. Оцифрованные данные накапливаются в буфере 2. В нём каждой точке изображения соответствует одна ячейка, а каждой строке изображения - строка матрицы. Такое построение упрощает схему управления, так как переключение осуществляется по строчным синхроимпульсам (ССИ). По кадровым синхроимпульсам (КСИ) происходит опознание начала кадра.

Генератор формирует сигналы оцифровки для АЦП, сигналы записи-чтения для блока памяти, импульсы переключения для устройства адресации.

Схема адресации и управления опознаёт начало кадра, начало строки и, соответственно, управляет работой генератора и буфера.

Устройство работает в двух режимах: режим записи сигнала в буфер и режим передачи содержимого в компьютер.

В режиме записи сигнала вся схема работает следующим образом: с приходом КСИ схема управления обнуляет данные в буфере, устанавливает начальные значения на регистрах адреса (задаются программно при установке устройства на компьютере), с первым ССИ запускается генератор, который управляет работой АЦП и адресными регистрами строки матрицы, по заполнении строки ее адрес увеличивается на единицу, генератор переходит в режим ожидания следующего ССИ. После заполнения буфера устройство формирует соответствующий сигнал компьютеру и переходит в режим передачи данных оцифровки.

В этом режиме генератор работает непрерывно, формируя сигналы чтения для блока памяти, управляет переключением адресных регистров, а информация из буфера поступает в память компьютера для дальнейшего построения изображения на мониторе.

При помощи компьютера можно управлять такими параметрами изображения, как контрастность и яркость, изменяя опорное напряжение на АЦП и постоянную составляющую сигнала соответственно.

"Bидеопорт-2" (VP-2MF) при вводе монохромного изображения в компьютер с источников стандартного видеосигнала (видеокамера, видеомагнитофон и др.) обеспечивает следующие технические характеристики:

- максимальный формат ввода в режиме 20 мсек/кадр: 352*280*64 (352 точки по горизонтали, 280 точек по вертикали, 64 градации яркости);

- максимальный формат ввода в режиме 500 мсек/кадр: 704*560*64;

- объём буферной памяти устройства - 128 Кбайт;

- программная регулировка яркости - 4 бита (16 градаций яркости);

- программная регулировка контрастности - 4 бита (16 градаций);

- программное управление режекторным фильтром;

- регулируемый формат ввода;

- соответствие видеосигнала ГОСТ 7849-79, CCIR.

Полученная информация о видеосигнале хранится и обрабатывается в виде массива с размерностью, зависящей от выбранного формата ввода (количества точек по вертикали и по горизонтали), элементами которого являются целые числа от 0 до 255. Меньшие значения соответствуют тёмным, а большие - светлым областям изображения.

Автоматизированная измерительная система имеет развитое программное обеспечение (ПО). Оно написано для работы с компьютером IBM-PC-AT, VGA, 640K RAM под операционной системой MS-DOS (версия 3.30 и выше). Пользователю предлагается обширное меню, включающее проведение целого ряда операций над структурой оптического изображения и вычислений его характеристик. Всё управление работой УВИ и ходом операций осуществляется с клавиатуры ПК или манипулятором "мышь". Прикладные программы, обеспечивающие запись и первичную обработку оптической информации, находятся в директории C:\VP2\VP2.OUT. В ней же располагаются дополнительные описания и инструкции для пользователя.

Все предлагаемые процедуры обработки изображений можно разбить на две группы. К первой относятся операции изменения яркости и контрастности изображений, а также проведение бинаризации и просмотр отдельных структурных фрагментов. Чаще всего указанные операции осуществляются на предварительной стадии обработки оптических полей. Они входят в состав программы-оболочки fport.exe, отвечающей также за ввод изображения

Ко второй группе относятся операции, обеспечивающие определение характеристик оптических полей. Они содержатся в программе imstato.exe. Определяемые характеристики суть следующие.

1. Статистика точек введённого изображения по их интенсивности.

2. Распределение интенсивности по сечению пучка, профили пучка, поперечные размеры пучка.

3. Среднее значение интенсивности <I> по заранее заданной площади на приёмной апертуре оптической системы.

4. Дисперсия флуктуаций интенсивности

где I=I(x,y) - распределение интенсивности лазерного пучка в декартовых координатах.

5. Контрастность изображения С

(не путайте данный показатель с регулировкой "контрастность" при вводе изображения).

6. Положение "центра тяжести" пучка.

7. Коэффициент автокорреляции интенсивности в векторной форме

где , x,y - координаты в поперечном сечении;

и тот же коэффициент в скалярной форме:

Физический смысл функции R(r) - степень зависимости значения в двух точках, разделённых расстоянием r. Значение функции нормировано, то есть, её максимум равен единице. Максимум этот достигается в точке r=0 (по определению), а также на таких значениях r, на которых поле не изменяется. Когда значение R убывает до величины, близкой к нулю, это означает, что на таких расстояниях значения поля не коррелируют, то есть, успевают измениться достаточно сильно. Расстояние, на котором корреляция пропадает, зовётся радиусом корреляции. Обычно он определяется как значение аргумента r, при котором R(r)=1/2 или 1/e.

Все вышеуказанные положения имеют силу в том случае, когда поле является случайной функцией. Если поле детерминированное, то не имеет смысл говорить о корреляции, т.к. она - статистическая характеристика, а вся статистика применима только к случайным величинам. Но и в случае детерминированного поля (как в 1-м упражнении) величина, рассчитанная по формуле (3) может нам дать много информации о поле. Например, первый минимум R(r) будет соответствовать периоду изображения. Подумайте сами, почему это так, и как должна выглядеть R(r), если детерминированное поле имеет разную периодичность по разным направлениям.

8. Радиус зоны корреляции интенсивности rкор для пучков со сложной структурой поля. Он определялся по половинному уровню от максимального значения коэффициента корреляции.

9. Пространственные фурье-спектры распределения интенсивности и характерные пространственные частоты по горизонтали fг и по вертикали fв. Процедура расчёта пространственных фурье-спектров распределения интенсивности основывается на типовом дискретном преобразовании Фурье. Спектры могут характеризовать распределение интенсивности в любом заранее заданном скане сечения лазерного пучка, кроме того, может быть рассчитан усреднённый по системе сканов фурье-спектр. По виду рассчитанных спектров можно определить характерные пространственные частоты по горизонтали fг и по вертикали fв.

Упражнение выполняется с помощью экспериментальной установки, оптическая схема которой изображена на рис.3. Лампа 1 подсвечивает транспарант 2, изображение которого с помощью объектива 6 камеры 5 проектируется на ПЗС-матрицу. В нерабочем состоянии, из-за опасности попадания на ПЗС-матрицу излучения со слишком высокой интенсивностью входное отверстие камеры закрывается колпачком 7. При необходимости перед объективом могут быть установлены нейтральный 3 и цветной 4 светофильтры. Для того чтобы прямые лучи осветительной лампы не попадали на головку УВИ, используется защитный экран 8. В качестве транспарантов применяются начерченные на бумаге различные геометрические структуры.

Целью данного упражнения является получение навыков обработки оптических изображений компьютерными методами, и определения основных статистических характеристик световых полей.

1. Включить питание УВИ. Питание осуществляется через адаптер, формирующий напряжение величиной 9 В. Затем включить ПК.

2. Войти в директорию C:\VP2\VP2.OUT, где можно ознакомиться с электронным описанием УВИ и процедурой обработки изображений (файл fport.doc).

3. Установить на держателе один из предлагаемых транспарантов.

4. Включить лампу подсветки и путём её перемещения добиться по возможности равномерной освещённости транспаранта.

5. Запустить программу-оболочку для ввода изображения с камеры - файл fport.exe. Выбрать из меню "ВВОД" команду "НАСТРОЙКА 320*200" для визуального наблюдения вводимого кадра.

6. Вращением объектива головки УВИ обеспечить максимальную резкость изображения, наблюдая его на мониторе ПК.

7. Используя стандартную схему обработки изображений (команда "НАСТРОЙКА"), обеспечить оптимальный режим регистрации интенсивности. Если программными средствами это сделать не удаётся, необходимо уменьшить интенсивность поля с помощью светофильтров.

В соответствии с перечисленными в параграфе 2.3 операциями по расчёту характеристик светового поля, провести анализ его структуры. Характеристики должны быть определены для трёх различных транспарантов.

Определённые для этих случаев пространственные частоты по горизонтали и вертикали fг, fв, средний радиус корреляции интенсивности r_кор, отношение радиусов корреляции по вертикали и горизонтали q следует внести в следующую таблицу:

В целях экономии времени представляется оптимальным, не покидая оболочку fport.exe, провести запись данных для всех вышеперечисленных случаев, после чего производить обработку данных с помощью программы imstatо.exe (содержится в каталоге C:\WORK). Описание этой программы можно прочитать в файле imstato.doc и в приложении I.

По завершении выполнения упражнения преподавателю предъявляется таблица с определёнными структурными параметрами.

Перед выполнением практической части упражнения ознакомьтесь с элементами теории спекл-полей, изложенными в приложении II.

Пластина и экран располагаются в специальных держателях, позволяющих смещать их в различных направлениях.

1. Включить лазер.

2. Временно снять штатив с неоднородной пластиной. Поместив экран на таком расстоянии от фокальной плоскости линзы, чтобы оно было много больше фокусного расстояния, ввести в компьютер с помощью системы "Видеопорт-2" изображение пучка.

4. С помощью программы imstatо.exe определить диаметр пучка A на экране в отсутствии неоднородной пластины, величину радиуса корреляции интенсивности поля rкор, среднее значение интенсивности <I>, контрастность C. Определить те же статистические параметры спекл-поля при расстоянии между пластиной и фокальной плоскостью d=2 см. Внести измерения статистических параметров в следующую таблицу:

Затем воспользуемся известной связью между углом дифракции и размером пучков в начальной и конечной плоскостях:

Когда диффузор находится на расстоянии d от фокальной плоскости размер освещенной площадки можно оценить по формуле

По завершению упражнения экспериментальные и теоретические данные предъявляются преподавателю.

1. После включения компьютера войти в директорию C:\VP2\VP2.OUT. Если вы хотите предварительно ознакомиться с описанием системы "Видеопорт-2", прочтите файл fport.doc. Если в этом необходимости нет, запустите файл fport.exe и используйте в дальнейшем для первичной обработки изображений меню системы "Видеопорт-2".

2. Для последующей обработки и анализа структуры изображения его необходимо записать. Реконструированное изображение записывается в формате "карта битов", расширение - bit. Все изображения рекомендуется записывать в каталог C:\WORK. Предлагается использовать следующую структуру имени файла:

Первые две цифры определяют число, вторые две - месяц. После букв "pr" (практикум) следует порядковый номер записываемого кадра.

3. Запустить программу обработки изображений (файл imstato.exe из каталога C:\WORK). В дальнейшей работе следовать рекомендациям, данным в приводимом ниже описании этой программы. При возникновении затруднений можно обратиться к справочной системе программы, которая активируется кнопкой "?" в правом верхнем углу каждой диалоговой панели.

Программа FPORT (Видеопорт-2) предназначена для ввода и первичной обработки изображений с применением платы графического ввода "Видеопорт-2". Она работает под управлением ОС MS-DOS в графических режимах 640*480*16 и 320*200*16. Программа позволяет вводить и сохранять на диске чёрно-белые изображения размером до 512*512 точек с цветовым разрешением до 64 градаций яркости.

Все функции программы доступны через меню, которое активируется клавишей F10 или с помощью мыши.

Команда ВВОД/НАСТРОЙКА_320*200 отображает на экране передаваемое камерой изображение. По нажатию клавиши <ESC> или правой кнопки мыши текущий кадр "схватывается" и вводится в ОЗУ. Вторичное нажатие на ту же кнопку переводит программу в первоначальный режим, нажатие другой кнопки возобновляет просмотр транслируемого изображения.

Команда ВВОД/НАСТРОЙКА работает аналогично, но одновременно с транслируемым изображением в окне видна гистограмма распределения его точек по яркости, а также доступны функции регулировки яркости и контрастности. Изображение при этом обновляется медленнее.

Меню ОБРАБОТКА включает команды КОНТРАСТИРОВАНИЕ, БИНАРИЗАЦИЯ, ВЫРЕЗАТЬ и МАСШТАБИРОВАНИЕ. В данной задаче совершенно необходима вторая из них. Бинаризация изображения означает приведение тоновой картины к чёрно-белому формату. Все точки, интенсивностью ниже определённого порога, становятся чёрными, выше определённого порога - белыми. Величину порогов можно устанавливать специальной регулировкой, одновременно наблюдая изменение изображения. По команде ЗАКРЫТЬ происходит выход в первоначальный режим с сохранением бинаризированного изображения на месте исходного.

Меню ПРОСМОТР обеспечивает специальные режимы просмотра изображения, включая возможность редактирования отдельных точек (пикселов).

Для записи полученного изображения в файл следует воспользоваться командой ФАЙЛ/СОХРАНИТЬ. При этом появляется диалоговая панель, позволяющая выбрать каталог для записи файла (внизу) и задать имя файла (вверху). Вы можете, перемещаясь по дереву каталогов, выбрать каталог и затем, перейдя с помощью клавиши <TAB> в верхнее поле, дополнить путь к файлу его именем, а можно сразу набрать имя файла с путём.

Выход из программы FPORT производится командой ФАЙЛ/ВЫХОД.

Программа "IMSTATО" (Image Statistics) предназначена для исследования характеристик световых полей, записанных на диск в виде файлов. Допустимый размер изображения: не более 800 точек по горизонтали и 600 по вертикали; общий объём изображения ограничен размером свободной оперативной памяти.

Программа работает под ОС MS-DOS (v.>3.3) и использует базовую память (до 640 Кб). Возможен запуск из-под Windows-3.X в полноэкранном режиме, но в этом случае существенно уменьшается скорость работы. Используется графический режим SVGA 800*600*256, для чего требуется соответствующий видеоадаптер с размером видеопамяти не менее 512 Кб. Кроме того, используется "мышь", драйвер которой должен поддерживать стандарт MS-mouse и работать в указанном видеорежиме.

Программа способна загружать файлы двух форматов:

1) BMP-формат (Windows) с 256 цветами;

2) файл типа "карта битов", создаваемый программой "Видеопорт-2". При любом расширении, отличном от "bmp" считается, что файл имеет второй формат (рекомендуется расширение "bit").

После запуска программы на экране появляется главная диалоговая панель, из которой доступны все функции. Команды отдаются нажатием с помощью курсора мыши на кнопки, расположенные на диалоговой панели.

Функция R - статистическая характеристика, поэтому достоверность выводимых значений напрямую зависит от количества усреднений. Доверять значениям R можно тем больше, чем больше усреднений проведено. Для показа этого каждое значение функции выводится с разной яркостью: чем больше проведено усреднений, тем ярче соответствующая точка. Значение функции состоятельно с точки зрения статистики, если данный участок показан чисто белым цветом.

где <I> - среднее значение интенсивности. То, что плотность распределения интенсивности имеет вид экспоненты с отрицательным показателем, приводит к сильным флуктуациям интенсивности относительно среднего значения. Контраст C спекл-структуры, определяемый как отношение стандартного отклонения интенсивности к её среднему значению в квадрате

оказывается равным 1.

Если предположить, что спекл-поле формируется в результате равномерного освещения диффузора (например, матового стекла) шириной L, то размер спеклов (радиус корреляции интенсивности) можно оценить из следующих соображений.

и, следовательно, распределение освещённости в "типичном спекле" запишется следующим образом:

За ширину спекла принимают расстояние между точками, где I падает до половины своего максимального значения, т.е. 1,5(lz/L). Итак, можно считать, что ширина типичного спекла равна

Для величины радиуса корреляции хорошим приближением является выражение

Из формулы (4) видно, что на фиксированном расстоянии от диффузора размер спеклов тем больше, чем меньше размер L освещаемого участка.