Многоканальный фотометр

Многоканальный фотометр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к фотометрии и может быть использовано при фотометрировании двумерных оптических полей, имеющих широкий динамический диапазон по освещенности. Целью изобретения является расширение динамического диапазона устройства при фотометрировании двумерных оптических полей с большим перепадом освещенности. Устройство содержит регистры сдвига сигналов выборки строк и столбцов, выходы которых подключены к соответствующим входам фотодиодной матрицы, преобразователь "ток - напряжение", тактовый генератор, выходы которого подключены к соответствующим входам регистров сдвига, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, коммутатор, запоминающее устройство, счетчик адреса, два элемента 2 И, элемент НЕ и элемент задержки. В основу работы устройства положен принцип накопления заряда фотодиодной матрицей с многократным неразрушающим считыванием информации. 5 ил., 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (511 4 0 01,Т 1/44

Р .1 1 ., ° °

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPGKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21 ) 4323527/31-25 (22) 02,11 „87 (46) 07.07.89.Бюл. N 25 (71 ) Алтайский политехнический институт им. И.И.Ползунова (72) А,Я.Суранов, М.А.Царегородцев и А. Г,Якунин (53) 621„381 (088,8) (56) Березин В.fO. и др. Телевизионная камера на матрице приборов с зарядной связью, — Техника кино и телевидения, 1977, № 6, с, 34-39.

Кащеев Э.Л. и др. Интегральные фоточувствительные матрицы МФ-16, МФ-14 и их применение, — М.: ЦНИИ

"Электроника", 1980, с. 20-21. (54) МНОГОКАНАЛЬНЪ1И ФОТОМЕТР (57) Изобретение относится к фотометрии и может быть использовано при фотометрировании двумерных оптических полей, имеющих широкий динамиИзобретение относится к фотометрии и может быть использовано при фотометрировании двумерных оптических полей, имеющих широкий динамический диапазон по освешенности.

Цель изобретения — расширение динамического диапазона устройства при фотометрировании двумерных оптичес- ких полей с большим перепадом освещенности.

На фиг.1 изображена функциональная схема многоканального фотометра; на фиг ° 2 — структурная схема фотодиодной матрицы и схема ее включения;

„„SU„„1492224 А 1 ческий диапазон по освещенности.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона устройства при фотометрировании двумерных оптических полей с большим перепадом освещенности, Устройство содержит регистры сдвига сигналов выборки строк и столбцов, выходы которых подключены к соответствующим входам фотодиодной матрицы, преобразователь ток — напряжение, тактовый генератор, выходы которого подключены к соответстнуюшим входам регистров сдвига, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, коммутатор, запоминающее устройство, счетчик адреса, два элемента 2И, элемент НЕ и элемент задержки. В основу работы устройства положен принцип накопления заряда фотодиодной матрицей с многократным неразрушающим считыванием информации. 5 ил., 1 табл.

1 на фиг. 3 — функциональная схема тактового генератора; на фиг. 4 — функциональная схема блока управления; на фиг. 5 — схема коммутатора, Многоканальный фотометр содержит фотодиодную матрицу 1, регистр 2 сдвига сигналов выборки строк и регистр 3 сдвига сигналов выборки столбцов, выходы которых соединены с соответствующими входами строк и столбцов матрицы 1, тактовый генератор 4, преобразователь 5 ток — напряжение, вход которого подключен к выходу матрицы 1, блок 6 управления, 1492224

55 аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, коммутатор 8, запоминающее устройство (ЗУ) 9, счетчик 10 адреса, элементы 2И 11 и 12, элемент 13 задержки и элемент HF, 14. При этом вывод СО подложки Фотодиодной матрицы 1 соединен с источником напряжения +12 В, вывод С< напряжения стирания соединен с общей шиной источ" ника питания, вывод С доэаторов

Ъ свободен. Первый выход тактового генератора 4 подключен к тактирующему входу регистра 2, второй выход — к тактирующему входу регистра 3 и через элемент 13 задержки к первому входу элемента ?И ll второй вход которого соединен с первым выходом блока и управления, а второй выход блока 6 управления объединен с управляющей шиной С стирания матрицы 1, первым входом тактового генератора 4, установочными входами регистров 2 и 3. При этом третий выход тактового генератора 4 подключен к входу блока 6 управления,четвертый его выход — к синхронизирующему входу счетчика 10 адреса, выходы которого соединены с соответствующими адресными входами ЗУ 9, при этом выход старшего разряда счетчика 10 адреса подключен к второму входу тактового генератора 4.Выход элемента 2И ll соединен с входом пуска AUII 7, инФормационный вход которого подключен к выходу преобразователя 5 ток — напряжение, При этом выход конца преобразования

AIUI 7 соединен с первым входом элемента 2И 12, выход которого соединен с синхронизирующим входом ЗУ 9, выход переполнения АЦП 7 через последовательно включенный элемент

HF. l4 соединен с вторым входом элемента 2И 1 2. Информационные выходы

АЦП 7 подключены к соответствующим информационным входам коммутатора

8, управляющие входы которого подключены к соответствующим управляющим выходам блока 6 управления, Выходы коммутатора 8, число которых на единицу меньше общего числа информационных и управляющих входов коммутатора Я, соединены с соответствующими информационными входами

ЗУ 9, выходы которого являются выходами многоканального фотометра, В качестве фотодиодной матрицы 1 можно испольэовать, например, Фото10

50 диодную матрицу ЧФ-14 или любую другую, имеющую те же Функциональные возможности. В структурной схеме фотодиодной матрицы 1 (Фиг.2) содержатся ячейки 15 в количестве m х и штук (матрица Мй-14 имеет размерность 32х32 элемента). В состав каждой элементарной ячейки входят фотодиод 16, транзистор 17 стирания,усилительный транзистор 18, коммутирующий транзистор 19 и дозатор 20, который улучшает линейность преобразования оптического излучения в электрический сигнал и уменьшает величину шума. Выводы катодов фотодиодов 16 всех элементарных ячеек 15 объединены и выведены на шину СО, к которой подключен положительный вывод источника питания +12 В. Стоки всех транзисторов 17 стирания подключены к выводу Сl напряжения стирания, который подключен к общему проводу источника питания, Информационный сигнал снимается с выходной шины С2, на которой объединены все стоки усилительных транзисторов 18. Выбор элементарных ячеек 15 матрицы 1 осуществляется с помощью коммутирующих транзисторов 19, истоки которых объединены построчно, а затворы— по столбцам, При этом первые подключены к выводам выборки строк

У(у<,...,у„), а вторые — к выводам выборки столбцов X (х,,...,х ), Выборка строки осуществляется сигналом положительной полярности +12II а выбор столбца — сигналом нулевого уровня, в результате чего к выходной шине С2 будет подключена элементарная ячейка 15 находящаяся на пересечении выбранной строки и столбца.

Стирание информации производится подачей импульса нулевого уровня на управляющую шину С4 стирания, к которой подключены затворы всех транзисторов 17 стирания °

Тактовый генератор 4 предназначен для формирования тактирующих сигналов выборки ячеек матрицы 1, которые подаются на выходы соответствующих регистров 2 и 3, а также для формирования синхронизирующих сигналов счетчика 10 адреса и формирования сигнала конца кадра, который вырабатывается после окончания выборки последней ячейки матрицы 1. В тактовый генератор 4 (Фиг.3) входят задающий генератор 21, элемент 2И 22, 1492224

Вывод

К-1 3 2 1

Адрес

K-1 К 2 2 1 К K+1

0 1 1

1 О 1

0 О

1

О 0

О 0

0 1

0

О

О

0 о о

1 О 0 О 1

0 О О О 1

О

О

1 счетчик 23, счетчик 24, одновибратор 25, триггер 26, элемент 2И 27, элемент 2ИПИ ?8 и дифференцирующий элемент 29. При этом коэффициенты пересчета счетчиков 23 и 24 равны соответственно числу элементов в строке и числу строк в матрице 1, а вывод старшего разряда счетчика 23 подключен к входу счетчика 24, вы- 10 вод старшего разряда которого подключен к входу одновибратора 25, запускаемого отрицательным фронтом сигнала. Выход одновибратора 25 является выходом конца кадра матрицы 1.Триггер 26, элемент 2И 27, элемент

2ИЛИ 28 и дифференцирующий элемент

?9 служат для синхронизации счетчика 10 адреса, при этом сигналы синхронизации снимаются с выхода элемен- 20 та 2ИЛИ 28. Оинхронизация счетчика

10 адреса осуществляется либо через первый вход элемента 2ИПИ 28, к которому подключен выход элемента

2И 22, во время считывания информации с матрицы 1, либо через его второй вход во время счить вания информации с. выхода фотометра. Во втором случае триггер 26 и дифференцирующий

Программируются только адреса, кратные степени два, остальные комбинации на адресных входах ППЗУ не программируются и имеют нулевые выходные коды, (К+1)-й разряд выходного кода ППЗУ 30 является управляющим и служит для разрешения включения АЦП 7 по истечении необходимого времени накопления, Аналого-цифровой преобразователь

7, кроме информационного входа, входа запуска, информационных N выходов элемент 29, подключенный к с таршему разряду счетчика 10 адреса, вьщеляют начало и конец информационного массива, являющегося результатом фотометрирования„

Блок 6 управления служит для формирования сигналов стирания фотодиодной матрицы, для задания необходимого числа считывания информации с матрицы 1 при поступлении одного сигнала стирания и для управлений работой коммутатора 8. Блок 6 управления (фиг.4) содержит постоянное программируемое запоминающее устройство (ПЛЗУ) 30, счетчик 31, число адресных выходов которого на единицу меньше числа считываемых кадров матрицы 1 в одном цикле фотометрирования. Время цикла фотометрирования определяется временем между двумя сигналами стирания матрицы 1, длительность которых определяется временем релаксации одновибратора 32. (; помощью счетчика 31 осуществляется выборка индюрмации из ППЗУ 30, таблица прошивки которого для К считываний приведена, и выхода конца преобразования, имеет выход переполнения, на котором появляется высокий уровень сигнала при превышении уровня входного сигнала максимально допустимой величины.

Коммутатор 8 предназначен для поразрядного сдвига входного N-разрядКОГО кОда по Выходным IBHHBM KQMM òÿ тора ° Величина сдвига определяется кодом на управляющих входах коммутатора 8, Коммутатор 8 (фиг.5) состоит иэ К N-разрядных формирователей

1 492? 24

33 на три состояния с элементом управления по входу. Соответствующие входы формирователей объединены между собой, а выходы объединены со сдвигом на один разряд таким образом, что первый вьжод последующего формирователя соединен с вторым выходом предыдущего формирователя, второй— с третьим, и т.д,, при этом оставшаяся шина последующего формирователя образует дополнительную выходящую шину коммутатора. В результате такого объединения выходов их число составляет (N+K-1), что увеличивает раэ- 15 рядность выходного кода на (К-1), Сигнал на одном из управляющих входов открывает соответствующий формирователь и входной код подключается на соответствующие выходные шины.

Запоминающее устройство 9 статического типа содержит m x n (N+K-1) разрядных слов и имеет синхронизирующий вход записи и (N+K-1) информационньж выходов. 25

Счетчик 1 О адреса имеет тактирующий и установочный входы, Фотометр работает следующим образом.

Тактовый генератор 4 (фиг.3) на первом и втором выходах формирует последовательности сигналов, поступающие на синхронизирующие входы регистров 2 и 3, которые осуществляют построчное сканирование ячеек фотодиодной матрицы 1, Выборка текущего элемента матрицы 1 осуществляется сигналом высокого уровня (+1 2 В ) на выходе регистра 2 и сигналом ниэКОГО урОвня (ОВ) на выходе реГистра 40

3. При этом к истоку коммутирующего транзистора 19 выбранной ячейки 15 матрицы 1 (фиг.2) прикладывается напряжение +1 2 В, а к затвору транзистора 19 — низкий уровень напря45 жения. Транзистор 19 открывается и переводит в активный режим усилительный транзистор 1 8, выходной ток которого модулируется напряжением на фотодиоде 16. Величина этого нап50 ряжения зависит от уровня остаточного заряда на выбранном фотодиоде, Так как по технологии изготовления стоки усилительных транзисторов 18 всех ячеек 15 матрицы 1 объединены и подключены к выходной шине С2, то

55 при сканировании ячеек матрицы 1 ток на вьжоде С2 соответствует величине заряда на фотодиоде. После преобразования тока в напряжение в соответствующем преобразователе 5 выходной сигнал матрицы 1 подается на информационный вход АЦП 7.

В конце интервала сканирования тактовый генератор 4 вырабатывает сигнал конца кадра, который поступает в блок 6 управлении. После этого через время накопления, определяемое временем релаксации одновибратора 25 тактового генератора 4, производится очередное считывание информации с матрицы 1, т.е. устройство переходит в циклический режим работы. Число считываний фиксируется в счетчике

31 блока 6 управления, при этом- на каждое. кратное 2 считывание информации с матрицы 1 блок 6 управления формирует сигнал разрешения пуска

АЦП 7, длительность которого равна времени считывания полного кадра (фиг.6).

Такой метод выборочного считывания эквивалентен считыванию сигналов

ФДМ при последовательном увеличении времени их накопления по закону Т

2 Т,, где — степень кратности двум числа считываний. После переполнения счетчика 31 одновибратором 32 в блоке 6 управления формируется сигнал стирания, поступающий на шину С4 матрицы 1, который также является сигналом начальной установки счетчика 1 О адреса, регистров 2 и 3 (фиг.6), По окончании этого сигнала устройство возвращается в исходное состояние.

Запуск АЦП 7 производится после подачи синхронизирующего сигнала на вход регистра 3 (после выборки определенного элемента матрицы) через время, задаваемое элементом 1 3 задержки, необходимое для поступления сигнала на вход АЦП. По истечении времени преобразования АЦП 7, которое должно быть меньше периода синхронизирующих импульсов на входе регистра 3, на информационных выходах

АЦП 7 формируется цифровой код сигнала, Величина цифрового отсчета сигнала определенной ячейки фотодиодной матрицы, полученная.при J-м выборочном считывании, в 2 превьппает величину соответствующего отсчета, полученную при первом считывании. Поэтому для нормирования отсчетов, полученных при различных временах накоп1492224 ления и определения сигналов, пропорциональных только освещенности ячеек, необходимо уменьшить величину отсчетов,при )-м выборочном счи1

5 тывании в 2 раз. Такое уменьшение без потери точности отсчетов может быть обеспечено смещением кодов от". счетов на 1 разрядов в сторону младших разрядов. 10

Указанное смещение кодов осуществляется с помощью коммутатора 8, имеющего N информационных входов,на которые поступает информация с выхода АЦП 7 (фиг,5). К управляющих вхо- 15 дов и N+K-1 выходов. Управление работой коммутатора 8 осуществляется с помо.ць1о блока 6 управления.При опросе первого кадра с минимальным о временем накопления 2 Т„ 20 управляющем входе коммутатора 8 появляется разрешающий уровень сигнала, открывается первый Формирователь 33 (фиг.5), и информационные коды поступают на первые 1 входов ЗУ 9.- При 25 считывании последующих кадров с удваивающимся временем накопления производится последовательный сдвиг Nразрядного кода АЦП по выходным ши— нам коммутатора 8 в сторону младших 30 разрядов, После К-го считывания младший разряд N-разрядного кода АЦП 7 находится на (N+K-1)-й выходной шине коммутатора и соответствующем информационном входе ЗУ 9. Запись в

ЗУ 9 производится при наличии на синхронизирующем входе импульса,ФОрмируемого элементами 2И 12 и HE 14 по сигналам на выходе конца преобразования и выходе переполнения АЦП 7. 40

Запись происходит после окончания работы АЦП 7 при условии, что уровень входного сигнала на превышает максимально допустимый уровень, при этом выборка очередного слова ЗУ 9 осуще- 45 ствляется счетчиком 10 адреса, на тактирующий вход которого подаются синхроимпульсы с тактового генератора 4 одновременно с импульсами выборки очередного элемента матрицы. Таким образом, при первом считывании в ЗУ 9 записывается вся информация с кадра, так как время накопления достаточно мало и пересвеченных ячеек нет, во втором и последующих кад рах записывается информация только с тех ячеек, уровень выходного сигнала с которых не достиг максимума, при этом запись Осуществляется со

СДВИГOM Н1 ОДИ11 РЛ 1011Д В С ГОРО11У младших разрядов, т. р. с каждым последующим считыванием производится уточнение выходного кодл сигналов ячеек фотодиодной матрицы 1 с низким уровнем освещенности.

Ло истечении K циклов »аписи в

ЗУ 9 одновибраторо,1 32 блока 6 управления формируется очередной сигнал стирания, который является сигналом начальной установки счетчика 10 адреса. После прохождения этого сигнала устройство возвращается В исходное состояние, и осуществляется новый цикл фотометриров;11п1я. Кроме того, сигналом стирания Включается триггер

26 тактового генератора 4, который разрешает прохождение тактовых импульсов через элементь1 ?И 27 и 2 ИЛИ 28 на вход счетчика 1О адреса, тем самым осуществляется выборка информации, накопленной в ЗУ 9 в предыдущий цикл Фотометрирования. Выключение триггера 26 тактового генератора 4 производится после перебора Всех адресов ЗУ 9 сигналом с Выхода старшеГО разряда счетчика 10 адреса через дифференцирующий элемент 29 тактового генератора 4, Длительность сигнала стирания должна быть значительно меньше длительности Времени накоплеВия для сохранения соотнсшения Т

)<1 ????” 2 ?? ?? ???????????? ?????????? ???????????????????? ????1 ?????????????????? ?????????????? 1, ?????? ?????????????????????? ???????????????????????? ?????????? ????????????????????????????????> = Т < 2" (J — 1,2,...,К), а следовательно, при определении величин Т и и К необходимо учитывать следующее: величина Т„ не может быть меньше времени считывания информации с фотодиодной матриК цы, а величина Т „2 не должна превышать времени насьш ения ячейки темновым сигналом, Таким образом, динамический диапазон фотометрируемых освещенностей в предложенном устройстве увеличивается по сравнению с известным,работающим при фиксировании времени накопления, в 2 раз, где К вЂ” число к выборочных считываний сигнала Фотодиодной матрицы. Так, например,при использовании Фотодиодной матрицы типа M1I>-14, у которой минимальное

Тя составляет 2 мс, а максимальное

2 r, расширение динамическогс диапазона по освещенности в сравнении с з прототипом может достигать 1 О

l492224

l2 1 о р:-1 .; il . и з о б р с т е и и я

Многоканальный фотометр, содержащийй фо толи одную матрицу со свободным выводом дозаторон, регистры сдвига сигнллон выборки строк и стобцон,выходы которых подключены к соответствующим входам фотодиодной млтрицы, преобразователь ток — нлпряжение, вход которого подключен к информа— ционному выходу фотодиодной матрицы, тактовый генератор, два выхода которого подключены к синхрозирующим входам соотнетствующих регистров сдвига, о т л и ч л ю шийся тем, что, с целью расширения динамического лплплзонл при Жотометриронании дну. 1ернчх оптических полей с больши.| перепадом освещенности, в фотометр введены аналого-цифровой преобрл.копатель, блок управления, коммутатор, злпоминлющее устройство, счетчик адреса, двл элемента ?И,элемент 13F, и элемент задержки, при этом выход преобрлзонлтеля ток напряжение подключен к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, у которого выход переполнени 1 подключен через элемент НЕ к первому входу второго элементл 2И, выход копил преобрлзонлния — к вто— рому Dõñ ду второго элемента 2И,информационные выходы — к соотнетстпуска — к выходу первого элемента

2И, первый вход которого соединен через элемент задержки с синхронизи5 рующим входом рег истра сдвига сиг налон выборки столбцов, л второй вход с первым ныходом блока управления, к входу которого подключен третий выход тактового генератор"., а его четнертый выход соединен с тактирующим входом счетчика адреса, установочный вход которого объединен с управляющей шиной стирания фотодио ной матрицы, первым входом тактового генератора, установочными входами регистров сдвига сигналов выборки строк и столбцон и подключен к второму выходу блока упрлнления, выход второго элемента 2И соединен с синхронизирующим входом запоминающего устройстнл, управляющие выходь блока управления подключены к соответствующим входам коммутатора, информационные выходы которых подключены к соответствующим входам заг,оминлющего устройства, выходы счетчика лдреса соединены с соответствующими адрес-— ными входами запоминлющсго устройства, выход старшего разряд;; счетчика адреса подключен -.; второму входу тактового генератора, вь|нод подложки фотодиодной матрицы соединен с источником питания, л вывод напряжения стирания — с общей шиной устройства.

14922?4

1492234

Составитель А,Ястребов

Т ехред Л. Олийнык Корректор Н,Король

Редактор О.Ирковецкая

Заказ 3867/44 Тираж 466 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101