ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯ
ELECTRO-OPTICAL CONVERTER AND METHOD OF PRODUCING VIDEO

Изобретение относится к электронной технике, конкретнее к области электронно-оптических преобразователей, и может быть использовано для повышения вероятности распознавания целей приборами ночного видения в военной технике, в системах охраны, в полиции, а также в других областях деятельности человека.
Известен электронно-оптический преобразователь, включающий корпус с входным и выходным окнами, причем входное окно выполнено в виде волоконно-оптической пластины с возможностью фильтрации оптического излучения, на выходной поверхности которой размещен фотокатод. Электронно-оптический преобразователь включает также электронно-возбуждаемую цветную ПЗС-матрицу, размещенную внутри корпуса и обращенную тыльной стороной в сторону входного окна и изолированную от оптического излучения с лицевой стороны, систему фокусировки электронов, установленную между фотокатодом и цветной электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицей, блок формирования видеосигнала (блок управления) и устройство воспроизведения видимого изображения (экран). Выход цветной электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы электрически соединен со входом блока формирования видеосигнала (блока управления). (Патент России №2187169 Кл. МПК H01J 31/56).
Недостатком аналога является невысокая чувствительность электронно-оптического преобразователя при низких уровнях освещенности, так как наличие RGB-фильтров на волоконно-оптической пластине снижает его чувствительность приблизительно в 10 раз.
Кроме того, недостатком аналога является требование прецизионной юстировки расположения ПЗС-матрицы для обеспечения точного попадания электронов редуцированных фотонами с определенной длиной волны (входной светофильтр) в соответствующую область тыльной стороны ПЗС-матрицы (ячейка, пиксель).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и решением, выбранным за прототип является электронно-оптический преобразователь (ЭОП), выполненный с возможностью фильтрации видимого излучения в трех выбранных диапазонах длин волн красного, зеленого и синего цветов (R, G, В). ЭОП включает корпус, разделенный на вакуумированую и невакуумированую части с входным окном, выполненным в виде волоконно-оптической пластины, на выходной поверхности которой размещен фотокатод. ЭОП имеет также выходное окно, электронно-возбуждаемую черно-белую ПЗС-матрицу, размещенную внутри корпуса, обращенную тыльной стороной в сторону входного окна и изолированную от оптического излучения с лицевой стороны, систему фокусировки электронов, установленную между фотокатодом и черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицей, блок формирования первичного видеосигнала, блок обработки видеосигнала, пульт управления и устройство воспроизведения видимого изображения, выполненное в виде микродисплея, установленного в выходном окне корпуса. Фотокатод входного окна, система фокусировки электронов и черно-белая электронно-возбуждаемая ПЗС-матрица расположены в вакуумированой части корпуса. Выходное окно, блок формирования первичного видеосигнала и блок обработки видеосигнала расположены в невакуумированой части корпуса.
Выход черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы электрически соединен с первым входом блока формирования первичного видеосигнала, а ее электрический вход - с первым выходом блока формирования первичного видеосигнала, второй выход блока формирования первичного видеосигнала электрически соединен с первым входом блока обработки видеосигнала, первый выход которого электрически соединен с входом микродисплея, второй выход электрически соединен с вторым входом блока формирования первичного видеосигнала, а выход пульта управления электрически соединен со вторым входом блока обработки видеосигнала.
Прототип не требует прецизионной юстировки расположения ПЗС-матрицы для обеспечения точного попадания электронов редуцированных фотонами с определенной длиной волны (входной светофильтр) в соответствующую область тыльной стороны ПЗС-матрицы (ячейка, пиксель),
Однако электронно-оптического преобразователь, описанный в прототипе, также из-за наличия RGB-фильтров на волоконно-оптической пластине имеет невысокую чувствительность в условиях низкой освещенности.
Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности электронно-оптического преобразователя в условиях низкой освещенности.
Технический результат достигается тем, что электронно-оптический преобразователь, выполненный с возможностью фильтрации видимого излучения в трех выбранных диапазонах длин волн красного, зеленого и синего цветов (R, G, В), включает корпус, разделенный на вакуумированую и невакуумированую части с входным окном, выполненным в виде волоконно-оптической пластины, на выходной поверхности которой размещен фотокатод и выходным окном, электронно-возбуждаемую черно-белую ПЗС-матрицу, размещенную внутри корпуса и обращенную тыльной стороной в сторону входного окна и изолированную от оптического излучения с лицевой стороны, систему фокусировки электронов, установленную между фотокатодом и черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицей, блок формирования первичного видеосигнала, блок обработки видеосигнала, пульт управления и устройство воспроизведения видимого изображения, выполненное в виде микродисплея, установленного в выходном окне корпуса. При этом фотокатод входного окна, система фокусировки электронов и черно-белая электронно-возбуждаемая ПЗС-матрица расположены в вакуумированой части корпуса, выходное окно, блок формирования первичного видеосигнала и блок обработки видеосигнала расположены в невакуумированой части корпуса. Выход черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы электрически соединен с первым входом блока формирования первичного видеосигнала, а ее электрический вход - с первым выходом блока формирования первичного видеосигнала, второй выход блока формирования первичного видеосигнала электрически соединен с первым входом блока обработки видеосигнала, первый выход которого электрически соединен с входом микродисплея, второй выход электрически соединен с вторым входом блока формирования первичного видеосигнала, а выход пульта управления электрически соединен с вторым входом блока обработки видеосигнала.
Согласно изобретению входная поверхность электронно-оптического преобразователя имеет зоны, выполненные с возможностью фильтрации видимого излучения красного, зеленого и синего цветов, и зоны, выполненные без возможности фильтрации видимого излучения, при этом зоны, выполненные с возможностью фильтрации видимого излучения, равномерно распределены по входной поверхности электронно-оптического преобразователя среди зон, выполненных без возможности фильтрации видимого излучения.
Зоны, выполненные с возможностью фильтрации видимого излучения, могут быть выполнены в виде установленных перед волоконно-оптической пластиной светофильтров, в виде нанесенных на входную поверхность волоконно-оптической пластины светофильтров или могут быть образованы окрашенными в красный, зеленый и синий цвета волокнами волоконно-оптической пластины.
Способ получения видеоизображения при использовании предлагаемого электронно-оптического преобразователя включает считывание сигналов с пикселей черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы, формирование видеосигнала и передачу сформированного видеосигнала на устройство воспроизведения видеоизображения.
После изготовления электронно-оптического преобразователя проводят однократную цветовую калибровку черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы. В дальнейшем, при осуществлении способа, формируют первичный черно-белый стандартный видеосигнал, после чего проводят цифровую обработку первичного черно-белого стандартного видеосигнала для получения выходного видеосигнала, при этом при низком уровне освещенности сигналы от цветных пикселей заменяют усредненными сигналами от соседних черно-белых пикселей, а при достаточном уровне освещенности каждый кадр видеоизображения получают как сумму двух полукадров, причем при формировании первого полукадра сигналы от цветных пикселей заменяют усредненными сигналами от соседних черно-белых пикселей, а при формировании второго полукадра сигналы от черно-белых пикселей заменяют усредненными сигналами от соседних цветных пикселей.
-5
-1
Предлагаемый электронно-оптический преобразователь предназначен для работы при освещенности в диапазоне от 10 лк до 10 лк.
Выражение «пиксель ПЗС-матрицы» в данном изобретении означает область тыльной стороны ПЗС-матрицы с потенциальной ямой, образующую ее ячейку или отдельный элемент, которые в совокупности образуют саму матрицу.
Выражение «цветовая калибровка» в данном изобретении означает определение цвета светофильтра, излучение от которого вызывает поток электронов, попадающий на данный пиксель и присвоение данному пикселю ПЗС-матрицы свойства принимать сигнал данного цвета.
Выражение «цветные пиксели» в данном изобретении означает пиксели ПЗС-матрицы, принимающие электроны с фотокатода, вызванные лучами света, прошедшими через зоны входной поверхности электронно-оптического преобразователя, выполненные с возможностью фильтрации видимого излучения,
Выражение «черно-белые пиксели» в данном изобретении означает пиксели ПЗС-матрицы, принимающие электроны с фотокатода, вызванные лучами света, прошедшими через зоны входной поверхности электронно-оптического преобразователя, выполненные без возможности фильтрации видимого излучения.
Выражение «первичный видеосигнал» в данном изобретении означает стандартный черно-белый видеосигнал без обработки на цветность или без обработки с целью улучшения качества видеоизображения.
Изобретения поясняется чертежом, где
на фиг.1 представлен электронно-оптический преобразователь, в разрезе,
на фиг.2 представлена блок-схема блока обработки видеосигнала,
на фиг.3 представлена схема расположения по поверхности волоконно-оптической пластины зон, выполненных с возможностью фильтрации видимого излучения красного, зеленого и синего цветов, и зон, выполненных без возможности фильтрации оптического излучения.
-3
-4
Электронно-оптический преобразователь (фиг.1) включает корпус 1, имеющий вакуумированую 2 и невакуумированую 3 части. Вакуумированая 2 часть корпуса 1 выполнена герметичной и вакуумирована до давления 10-10 Па, что необходимо для беспрепятственного движения электронов. Корпус 1 имеет входное и выходное окна, причем входное окно выполнено в виде газонепроницаемой волоконно-оптической пластины 4.
Волоконно-оптическая пластина 4 имеет зоны, выполненные с возможностью фильтрации видимого излучения красного, зеленого и синего цветов, и зоны, выполненные без возможности фильтрации видимого излучения (фиг.3), при этом зоны, выполненные с возможностью фильтрации видимого излучения, равномерно распределены по входной поверхности электронно-оптического преобразователя среди зон, выполненных без возможности фильтрации видимого излучения.
Зоны, выполненные с возможностью фильтрации видимого излучения, образованы окрашенными в красный, зеленый и синий цвета волокнами 5 волоконно-оптической пластины 4.
Зоны, выполненные без возможности фильтрации видимого излучения, образованы прозрачными волокнами 6 волоконно-оптической пластины 4.
Прозрачные волокна 6 волоконно-оптической пластины 4 выполнены из бесцветного стекла.
Цветные волокна 5 волоконно-оптической пластины 4, выполнены из цветного стекла.
Совокупность светофильтров может быть выполнена также и в виде пластины светофильтров, размещенной на входной (по ходу излучения) поверхности волоконно-оптической пластины 4, соосно с ее волокнами, которые в этом случае выполняются из бесцветного стекла.
Каждый из элементарных RGB светофильтров предназначен для пропускания света только в определенной спектральной полосе с максимумом на соответствующей длине волны, например, R=0,65 мкм, G=0,53 мкм, B=0,43 мкм (для видимого диапазона спектра).
На выходную поверхность волоконно-оптической пластины 4 нанесен полупрозрачный фотокатод 7, имеющий относительно равномерную чувствительность в спектральном диапазоне 0,3-0,7 мкм. В вакуумированной 2 части корпуса 1 расположены черно-белая электронно-возбуждаемая ПЗС-матрица 8 и система фокусировки электронов 9. Черно-белая электронно-возбуждаемая ПЗС-матрица 8, обращена тыльной стороной в сторону входного окна и изолирована от оптического излучения с лицевой стороны. Система фокусировки электронов 9 установлена между фотокатодом 7 и электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицей 8.
В невакуумированой 3 части корпуса 1 расположены блок формирования первичного видеосигнала 10 и блок обработки видеосигнала 11. В выходном окне установлено устройство воспроизведения видимого изображения, выполненное в виде микродисплея 12. Микродисплей 12 может быть выполнен в виде электронно-лучевой трубки, на основе жидкокристаллической панели или на основе панели органических светоизлучающих диодов. Вне корпуса 1 размещен пульт управления 13. Между электрическими выводами фотокатода 5 и системы фокусировки электронов 9 прикладывают постоянное напряжение порядка +12 кВ.
Блок обработки видеосигнала 11 (фиг.2) включает аналого-цифровой преобразователь 14, вычислитель 15, блок памяти 16 и формирователь выходного видеосигнала 17.
Выход электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы 8 электрически соединен с первым входом блока формирования первичного видеосигнала 10, а ее электрический вход - с первым выходом блока формирования первичного видеосигнала 10. Второй выход блока формирования первичного видеосигнала 10 электрически соединен с первым входом блока обработки видеосигнала 11. Первый выход блока обработки видеосигнала 11 электрически соединен с входом микродисплея 12. Второй выход блока обработки видеосигнала 11 электрически соединен со вторым входом блока формирования первичного видеосигнала 10. Выход пульта управления 13 электрически соединен с вторым входом блока обработки видеосигнала 11.
Вход аналого-цифрового преобразователя 14 электрически соединен со вторым выходом блока формирования первичного видеосигнала 10, выход аналого-цифрового преобразователя 14 электрически соединен с первым входом вычислителя 15, первый выход вычислителя 15 электрически соединен с входом формирователя выходного видеосигнала 17, выход которого электрически соединен с входом микродисплея 12, второй и третий входы вычислителя 15 электрически соединены соответственно с выходом пульта управления 13 и выходом блока памяти 16, вход блока памяти 16 и второй вход блока формирования первичного видеосигнала 10 электрически соединены соответственно со вторым и третьим выходами вычислителя 15.
Способ получения видеоизображения при использовании предлагаемого электронно-оптического преобразователя осуществляется следующим образом.
После изготовления электронно-оптического преобразователя проводят однократную цветовую калибровку черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы 8.
Цветовая калибровка проводится для определения соответствия излучения, прошедшего через конкретный входной светофильтр, и сигналов, полученных с конкретного пикселя черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС матрицы 8. Результатом проведения цветовой калибровки является набор весовых коэффициентов для каждого пикселя черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС матрицы 8 по каждому из выбранных спектральных диапазонов.
В режиме калибровки:
- освещают входное окно электронно-оптического преобразователя постоянным во времени белым светом,
- поочередно закрывают входное окно однородным фильтром красного (R), зеленого (G) и синего (В) цветов и считывают с каждого пикселя электронно-возбуждаемой черно-белой ПЗС-матрицы 8 амплитуды сигналов в течение статистически значимого числа кадров,
- по полученным амплитудам сигналов для статистически значимого числа кадров определяют среднее, например, среднеарифметическое значение амплитуды сигнала для каждого пикселя для каждого из выбранных диапазонов,
- по найденным средним значениям амплитуд сигналов в блоке обработки видеосигнала 11 определяют весовые коэффициенты каждого из выбранных диапазонов для каждого пикселя.
При осуществлении вышеописанного способа цветовой калибровки, когда входное окно электронно-оптического преобразователя освещают постоянным во времени белым светом:
- при установке перед входным окном однородного красного светофильтра сигнал можно снять только с красных и черно-белых пикселей матрицы;
- при установке перед входным окном однородного зеленого светофильтра сигнал можно снять только с зеленых и черно-белых пикселей матрицы;
- при установке перед входным окном однородного синего светофильтра сигнал можно снять только с синих и черно-белых пикселей матрицы.
Таким образом, можно считать, что:
- пиксели, с которых сняты сигналы только при установке красного светофильтра, являются пикселями матрицы красного цвета;
- пиксели, с которых сняты сигналы только при установке зеленого светофильтра, являются пикселями матрицы зеленого цвета;
- пиксели, с которых сняты сигналы только при установке синего светофильтра, являются пикселями матрицы синего цвета;
- пиксели, с которых сняты сигналы при установке всех трех светофильтров (красного, зеленого и синего), являются черно-белыми пикселями матрицы.
При использовании электронно-оптического преобразователя белый свет от источника низкой интенсивности (звезды, луна и т.п.) падает на цветной объект, отдельные фрагменты которого отражают его на определенных длинах волн. Отраженный свет улавливается оптической системой (на чертеже не показана), которая формирует на поверхности входного окна электронно-оптического преобразователя цветное изображение объекта. При этом различным его цветовым фрагментам будут соответствовать электромагнитные колебания различных длин волн. Лучи света, пройдя через цветные волокна 5 волоконно-оптической пластины 4, выполненные из цветного стекла и толщу фотокатода 7, выбивают электроны из поверхности фотослоя. Число электронов, испускаемых каждой из точек фотокатода 7, будет пропорционально их освещенности и длине волны (цвету) "накрывающего" их фрагмента изображения.
Лучи света, пройдя через бесцветные волокна 6 волоконно-оптической пластины 4, выполненные из бесцветного стекла, также выбивают электроны из поверхности фотослоя, при этом число электронов, испускаемых каждой из точек фотокатода 7, будет пропорционально только освещенности "накрывающего" их фрагмента изображения.
Электроны, эмитированные фотокатодом 7, фокусируются, ускоряются электрическим полем системы фокусировки электронов 9 и попадают на тыльную сторону электронно-возбуждаемой черно-белой ПЗС-матрицы 8. Таким образом, на тыльной стороне электронно-возбуждаемой черно-белой ПЗС-матрицы 8 формируется электронное изображение объекта, плотность отдельных элементов которого зависит от расположения и отражающих свойств фрагментов на поверхности объекта.
В результате столкновения первичных электронов с материалом подложки (это, как правило, кремний p-типа) возникает большое количество вторичных электронно-дырочных пар. Вторичные носители заряда (в частности, электроны) диффундируют к фронтальной поверхности черно-белой ПЗС-матрицы 8 и накапливаются в потенциальных ямах, образуя сигнальный заряд. В этом случае кремниевая подложка ПЗС-матрицы 8 выполняет роль усилителя.
Далее, с помощью блока формирования первичного видеосигнала 10 осуществляется поэлементное считывание сигнала с потенциальных ям (пикселов) черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы 8 и формирование первичного черно-белого стандартного видеосигнала.
В зависимости от уровня освещенности электронно-оптический преобразователь может работать в режиме формирования черно-белого изображения или в режиме формирования цветного изображения.
-5
При низком уровне освещенности с нижней границей в 10 лк электронно-оптический преобразователь работает в режиме формирования черно-белого изображения, при этом сигналы от цветных пикселей 5 заменяют усредненными сигналами от соседних черно-белых пикселей 6.
В этом случае вычислитель 15 при использовании соответствующего программного обеспечения обрабатывает первичный черно-белый стандартный видеосигнал для получения улучшенного черно-белого видеоизображения.
После обработки выходной черно-белый видеосигнал передается на микродисплей 12 для воспроизведения видеоизображения.
-1
При достаточном уровне освещенности с верхней границей в 10 лк каждый кадр видеоизображения получают как сумму двух полукадров, причем при формировании первого полукадра сигналы от цветных пикселей 5 заменяют усредненными сигналами от соседних черно-белых пикселей 6, а при формировании второго полукадра сигналы от черно-белых пикселей 6 заменяют усредненными сигналами от соседних цветных пикселей 5.
Первый черно-белый полукадр формируется аналогично тому, как формируется кадр при недостаточном уровне освещенности.
Получение второго (цветного) полукадра производится в блоке обработки видеосигнала 11 на базе информации, собранной в процессе цветовой калибровки черно-белой электронно-возбуждаемой ПЗС-матрицы 8 и сигналов от цветных пикселей 5.
Блок обработки видеосигнала 11 для получения выходного цветного видеосигнала работает следующим образом. Первичный черно-белый стандартный видеосигнал в аналоговой форме передается с блока формирования первичного видеосигнала 10 на аналого-цифровой преобразователь 14, в котором он оцифровывается. Оцифрованный первичный черно-белый стандартный видеосигнал с аналого-цифрового преобразователя 14 подается на первый вход вычислителя 15.
Вычислитель 15 на основе первичного черно-белого стандартного видеосигнала и хранящихся в блоке памяти 16, найденных в процессе цветовой калибровки весовых коэффициентов каждого из выбранных диапазонов (R, G, В) для каждого пикселя определяет долю выбранных диапазонов (R, G, В) в общем сигнале каждого из пикселей, при этом сигналы от черно-белых пикселей заменяют усредненными сигналами от соседних цветных пикселей.
Сформированный вычислителем 15 сигнал передается на формирователь выходного видеосигнала 17, который на основе сигнала, полученного с вычислителя 15, формирует стандартный цветной видеосигнал в формате, воспроизводимом на микродисплее 12.
Сформированный стандартный цветной видеосигнал передается на микродисплей 12 для воспроизведения видеоизображения.
Техническая реализация заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в каждом из пунктов формулы, может быть осуществлена с помощью средств и методов, описанных в источниках, ставших общедоступными до даты приоритета изобретения, как на зарубежной, так и на отечественной элементной базе.