Юный техник, 2013 № 12

Примерно такое же устройство имеет и система технического зрения роботов, участвующих в скоростном движении по трассе. Трассу обычно отмечают на полу полосой черного цвета. Робот движется вдоль этой полосы и как только съезжает с нее вправо или влево, темная полоса попадает в поле зрения соответствующего фотоэлемента, и тот подает команду на возвращение робота к правильному курсу.

Если много фотодиодов расположить близко друг к другу в виде прямоугольной матрицы, то получится простейший пространственный оптический сенсор (image sensor), очень похожий по своим свойствам на сетчатку глаза. Во всяком случае, функции у них одинаковы — перевод изображения, полученного оптической системой, в электрические сигналы.

Современные видеодатчики содержат фоточувствительную матрицу с миллионами ячеек. Сигналы от фотодиодов мультиплексируются (то есть объединяются) для сокращения числа соединительных линий. А чтобы микропроцессору было удобнее анализировать поступающее изображение, то для преобразования используют строчную и кадровую развертки.

Подобные системы технического видения использовались, например, на Луне. Каждый кадр панорамы, которая разворачивалась перед луноходом, затем разделялся на множество строчек, которые последовательно считывались слева направо и сверху вниз. Эти кадры передавались на Землю, где восстанавливались в видеоизображение, которое использовалось для управления луноходом.

Теперь давайте рассмотрим подробнее датчики, которые используются в системах технического зрения. Пожалуй, самый простой из них фоторезистор — полупроводниковое устройство, изменяющее величину своего сопротивления при облучении светом. Для регистрации видимого света обычно используются фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия, Se. Для регистрации инфракрасного излучения используются германий (чистый или легированный примесями Au, Cu или Zn), Si, PbSe, PbTe, InAs, HgCdTe и другие соединения, часто охлаждаемые до низких температур, чтобы снизить уровень шума.

Мини-камеры, используемые в системах технического зрения.

Полупроводник наносят в виде тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку или вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла. Слой или пластинку полупроводника снабжают двумя электродами и помещают в защитный корпус.

Важнейшие параметры фоторезисторов: интегральная или общая чувствительность (чем она выше, тем световые сигналы меньшей величины способен отмечать датчик) и порог чувствительности — величина минимального сигнала, регистрируемого фоторезистором.

Довольно часто в таких схемах в качестве фотоэлементов используют и фототранзисторы. Эти полупроводниковые приборы способны не только улавливать изменения интенсивности светового потока, но и усиливать сигналы.

Еще одна разновидность оптических датчиков — фототиристоры, которые имеют структуру, схожую со структурой обычного тиристора, но отличающуюся от последнего тем, что включаются не электрическим напряжением, а светом. Этот прибор применяется в управляемых светом выпрямителях и наиболее эффективен в управлении сильными токами при высоких напряжениях. Скорость отклика на свет — менее 1 мкс. Фототиристоры обычно изготавливают из кремния, и спектральная характеристика у них такая же, как и у других кремниевых фоточувствительных элементов.

Разновидностью фототиристора является оптотиристор, в котором источник света — светодиод из арсенида галлия — находится в одном светонепроницаемом корпусе с кремниевой тиристорной структурой.

Фотоматрица, или светочувствительная матрица — специализированная аналоговая или цифроаналоговая интегральная микросхема, состоящая из множества фотоэлементов, обычно фотодиодов. Предназначена для преобразования проецированного на нее оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных. Фотоматрица является основным элементом цифровых фотоаппаратов, современных видео- и телекамер, камер, встроенных в мобильные телефоны, систем видеонаблюдения и многих других устройств, выполняя в них ту же роль, что и сетчатка глаза.

Чтобы увеличить чувствительность в большинстве современных матриц над каждым микроприемником-пикселем устанавливается микролинза. Такое оптическое устройство обеспечивает концентрацию светового потока.

Как известно, пленочные камеры могли заряжаться пленками различной светочувствительности. Так и у цифрового аппарата — чем больше пикселей, тем лучше качество изображения и его способность снимать в самых неблагоприятных условиях. У цифровых фотоаппаратов значение эквивалентной чувствительности может меняться в диапазоне ISO 50 — 12800.

Теперь остается подумать, что делать с полученным видеоизображением. Поначалу «картинку» просто передавали на индикатор типа обычного телевизора, и оператор, следя за изображением, соображал, что делать дальше. Такие системы применяются и поныне в самых простых охранных системах.