Многоканальный фотометр Советский патент 1989 года по МПК G01J1/44 

Изобретение 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;

на фиго 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.

4 СО N9

to to

t

лиллого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, коммутатор 8, запоминающее устройство (ЗУ) 9, счетчик 10 адреса, элементы 2И 11 и 12, элемент 13

задержки и элемент НЕ 14. При этом вывод СО подложки фотодиодной матрицы 1 соединен с источником напряжения +12 В, вывод С напряжения стирания соединен с общей шиной источника питания, вывод С дозаторов 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 2И 11, второй вход которого соединен с первым выходом блока fi 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 ЯУ 9, при этом выход старщего разряда счетчика 10 адреса подключен к второму входу тактового генератора 4„Выход элемента 2И 11 соединен с входом пуска АЦП 7, информационный вход которого подключен к выходу преобразователя 5 ток - напряжение. При этом выход конца преобразования А1Ш 7 соединен с первым входом элемента 2И 12, выход которого соединен с синхронизирующим входом ЗУ 9, выход переполнения А1Щ 7 через последовательно включенный элемент НЕ 14 соединен с вторым входом элемента 2И 12о 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 В, соединены с соответствующими информационными входами ЗУ 9, выходы которого являются выходами многоканального фотометра„

В качестве фотодиодной матрицы 1 можно использовать, например, фото1492224

диодную матрицу МФ-14 или любую другую, имеющую те же функциональные возможности. В структурной схеме фотодиодной матрицы 1 (фиг„2) содержатся ячейки 15 в количестве п х п ттук (матрица имеет размерность 32x32 элемента) В состав каждой элементарной ячейки входят фото10 диод 16, транзистор 17 стирания,усилительный транзистор 18, коммутирующий транзистор 19 и дозатор 20, который улучшает линейность преобразования оптического излучения в элект15 рический сигнал и уменьшает величину шума. Выводы катодов фотодиодов 16 всех элементарных ячеек 15 объе дине- ны и выведены на шину СО, к которой подключен положительный вывод ис20 точника питания +12 В„ Стоки всех транзисторов 17 стирания подключены к выводу С1 напряжения стирания, I который подключен к общему проводу источника питания. Информационный

25 сигнал снимается с выходной шины С2, на которой объединены все стоки усилительных транзисторов 18, Выбор элементарных ячеек 15 матрицы 1 осуществляется с помощью коммутирующих

30 транзисторов 19, истоки которых объединены построчно, а затворы - по столбцам. При этом первые подключены к вьшодам выборки строк (У(jY)J а вторые - к выводам

35 выборки столбцов X (х,...,х). Выборка строки осуществляется сигналом положительной полярности +12В, а выбор столбца - сигналом нулевого уровня, в результате чего к выходной

40 щине С2 будет подключена элементарная ячейка 15, находящаяся на пересечении выбранной строки и столбца. Стирание информации производится подачей импульса нулевого уровня на

45 управляющую шину С4 стирания, к которой подключены затворы всех транзисторов 17 стирания.

Тактовый генератор 4 предназначен для формирования тактирующих

5Q сигналов выборки ячеек матрицы 1, которые подаются на выходы соответствующих регистров 2 и 3, а также для формирования синхронизирующих сигналов счетчика 10 адреса и форми55 рования сигнала конца кадра, который вырабатывается после окончаршя выборки последней ячейки матрицы }. В тактовый генератор 4 (фиГоЗ) входят задающий генератор 21, элемент 2И 22,

диодную матрицу МФ-14 или любую другую, имеющую те же функциональные возможности. В структурной схеме фотодиодной матрицы 1 (фиг„2) содержатся ячейки 15 в количестве п х п ттук (матрица имеет размерность 32x32 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 объе дине- ны и выведены на шину СО, к которой подключен положительный вывод источника питания +12 В„ Стоки всех транзисторов 17 стирания подключены к выводу С1 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 вьшодам выборки строк (У(jY)J а вторые - к выводам

выборки столбцов X (х,...,х). Выборка строки осуществляется сигналом положительной полярности +12В, а выбор столбца - сигналом нулевого уровня, в результате чего к выходной

щине 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 окончаршя выборки последней ячейки матрицы }. В тактовый генератор 4 (фиГоЗ) входят задающий генератор 21, элемент 2И 22,

5

счетчик 23, счетчик 2Д, одновибра- тор 25, триггер 26, элемент 2И 27, элемент 2ИЛИ 28 и дифференцирующий элемент 29 о 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, вывод старшего разряда которого подклю чен 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 29 служат для синхронизации счетчика 10 адреса, при этом сигналы синхронизации снимаются с выхода элемента 2ИЛИ 28. Синхронизация счетчика 10 адреса осуществляется либо через первый вход элемента 2ИЛИ 28, к которому подключен выход элемента 2И 22, во время считьпзания информации с матрицы 1, либо через его второй вход во время считывания информации с выхода фотометра. Во втором случае триггер 26 и дифференцируюпшй

4922246

элемент 29, подключеипьш к старшему разряду счетчика 10 адреса, выделяют начало и конец информационного массива, являющегося результатом-фотомет- рированиЯа

5

Блок 6 управления для формирования сигналов стирания фотодиодной матрицы, для задания необходимого числа считывания информации с матрицы 1 при поступлении одного сигнала стирания и для управления работой коммутатора 8. Блок 6 управления (фиго4) содержит постоянное

программируемое запоминающее устройство (ППЗУ) 30, счетчик 31, число адресных выходов которого на единицу меньше числа считываемых кадров

матрицы 1 в одном цикле фотометри- рования. Время цикла фотометрирова- ния определяется временем между двумя сигналами стирания матрицы 1, длительность которых определяется

временем релаксации одновибратора 32. С помощью счетчика 31 осуществляется выборка информации из ППЗУ 30, таблица прошивки которого для К считываний приведена.

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.

О О О

О О

1

О

1 о

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 истечен1ти необходимого времени накоплениЯо

Аналого-цифровой преобразователь 7, кроме информационного входа, входа запуска, информационных N выходов

о о о

о

0.

1

о 1 о

о о

и выхода конца преобразования, имеет выход переполнения, на котором появляется высокий уровень сигнала при превьппении уровня входного сигнала максимально допустимой величины.

Коммутатор 8 предназначен для поразрядного сдвига входного N-разряд- ного кода по выходным шинам коммутатора. Величина сдвига определяется кодом на управляющих входах коммутатора 8. Коммутатор 8 (фиг.5) состоит из К N-разрядных формирователей

149

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 выход последующего формирователя соединен с вторым выходом предыдущего формирователя, второй - с третьим, и т.д., при этом оставшаяся шина последующего формирователя образует дополнительную выходящую щину коммутатора. В результате такого объединения выходов их число сос

В конце интервала сканирования тактовый генератор 4 вырабатывает сигнал конца кадра, который поступ ет в блок 6 управлении. После этог через время накопления, определяем временем релаксации одновибратора тактового генератора 4, производит очередное считывание информации с матрицы I, т.ео устройство переход

тавляет (N+K-l), что увеличивает в циклический режим работы Число

рядность выходного кода на (К-l), Сигнал на одном из управляющих входов открывает соответствующий формирователь и входной код подключается на соответствующие выходные щины.

Запоминающее устройство 9 статического типа содержит m х п (N+K-1) разрядных слов и имеет синхронизирующий вход записи и (N+K-1) информационных выходов с

Счетчик 10 адреса имеет тактирующий и установочный входыд

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 (+12 В) на выходе регистра 2 и сигналом низкого уровня (ОВ) на выходе регистра 3, При этом к истоку коммутирующего транзистора 19 выбранной ячейки 15 матрицы 1 (фиг о 2) прикладывается напряжение +12 В, а к затвору транзистора 19 - низкий уровень напряжения. Транзистор 19 открывается и переводит в активный режим усилительный транзистор 18, выходной ток которого модулируется напряжением на фотодиоде 16, Величина этого напряжения зависит от уровня остаточ- ного заряда на выбранном фотодиоде. Так как по технологии изготовления стоки усилительньпс транзисторов 18 всех ячеек 15 матрицы 1 объединены и подключены к выходной шине С2, то при сканировании ячеек матрицы 1 ток на выходе С2 соответствует величине заряда на фотодиоде. После преобразо20

25

30

35

40

45

50

55

считываний фиксируется в счетчике 31 блока 6 управления, при этом- н каждое кратное 2 считьгаание инфор ции с матрицы 1 блок 6 управления формирует сигнал разрешения пуска АЦП 7, длительность которого равна времени считьшания полного кадра (фиг об).

Такой метод выборочного считыва ния эквивалентен считыванию сигнал ФДМ при последовательном увеличени времени их накопления по закону Т: 2 Т; , , где j - степень кратнос двум числа считьшаний. После переп нения счетчика 31 одновибратором 3 в блоке 6 управления формируется с нал стирания, поступающий на щину матрицы 1, который также является сигналом начальной установки счетч ка 10 адреса, регистров 2 и 3 (фиг По окончании этого сигнала устройс во возвращается в исходное состояние

Запуск АЦП 7 производится после подачи синхронизирующего сигнала н вход регистра 3 (после выборки оп ределенного элемента матрицы) чере время, задаваемое элементом 1 3 задержки, необходимое для поступлени сигнала на вход АЦПо По истечении времени преобразования АЦП 7, кото рое должно быть меньше периода син ронизирующих импульсов на входе ре гистра 3, на информационных выхода АЦП 7 формируется цифровой код сиг нала.

Величина цифрового отсчета сигн ла определенной ячейки фотодиодной матрицы, полученная.при J-M выборо ном считывании, в 2 превьш1ает вел чину соответствующего отсчета, пол ченную при первом считывании. Поэт му для нормирования отсчетов, полу ченных при различных временах нако

8

вания тока в напряжение в соответствующем преобразователе 5 выходной сигнал матритда 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 I, т.ео устройство переходит

в циклический режим работы Число

0

5

0

5

0

5

0

5

считываний фиксируется в счетчике 31 блока 6 управления, при этом- на каждое кратное 2 считьгаание информации с матрицы 1 блок 6 управления формирует сигнал разрешения пуска АЦП 7, длительность которого равна времени считьшания полного кадра (фиг об).

Такой метод выборочного считывания эквивалентен считыванию сигналов ФДМ при последовательном увеличении времени их накопления по закону Т: 2 Т; , , где j - степень кратности двум числа считьшаний. После переполнения счетчика 31 одновибратором 32 в блоке 6 управления формируется сигнал стирания, поступающий на щину С4 матрицы 1, который также является сигналом начальной установки счетчика 10 адреса, регистров 2 и 3 (фиг о6), 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 АЦПо По истечении времени преобразования АЦП 7, которое должно быть меньше периода синх- ронизирующих 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-M выборочном считывании, в 2 превьш1ает величину соответствующего отсчета, полученную при первом считывании. Поэтому для нормирования отсчетов, полученных при различных временах накопления и определения сш налоп, пропорциональных только освещенности ячеек, необходимо уменьшить величину отсчетов .при J-M выборочном счи- тывании в 2 раз Такое уменьшение без потери точности отсчетов может быть обеспечено смещением кодов отг- счетов на J разрядов в сторону младших разрядов.

Указанное смещение кодов осуществляется с помощью коммутатора 8, имеющего N информационных входов,на которые поступает информация с выхода АЦП 7 (фиГоЗ), К управляющих вхо- дов и N+K-1 выходов. Управление работой коммутатора 8 осуществляется с помощью блока 6 управления.При опросе первого кадра с минимальным временем накопления 2 Т на первом управляющем входе коммутатора 8 появляется разрешающий уровень сигнала, открьшается первый формирователь 33 (фиг.5), и информационные коды поступают на первые Г1 входов ЗУ 9 При считьгоании последующих кадров с удваивающимся временем накопления производится последовательный сдвиг N- разрядного кода АЦП по выходным шинам коммутатора 8 в сторону младгтих разрядов. После К-го считывания младший разряд N-разрядного кода АПП 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 НЕ 14 по сигналам на выходе преобразования и выходе переполнения АЦП 7. Запись происходит после окончания работы АЦП 7 при условии, что уровен входного сигнала на превьщ ает максимально допустимый уровень, при этом выборка очередного слова ЗУ 9 осуще- ствляется счетчиком 10 адреса, на тактирующий вход которого подаются синхроимпульсы с тактового генератора А одновременно с импульсами выборки очередного злемента матрицы. Та- КИМ 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- pax записьшается информация только с тех ячеек, уровень выходного сигнала с которых не достиг максимума, при этом запись осуществляется со

сдвигом нл один jinijma rs строну младших разрядов, т.е. с каждым последующим cчптыв, гтроизводится уточнение выходного кодя си1М1алов ячеек фотодиодной матрицы I с низки уровнем освещенности.

По истечении К циклон записи в ЗУ 9 одновибратором 32 блока 6 управления формируется очередной сигн стирания, который является сигналом начальной установки счетчика 10 адрса. После прохождения этого сигнала устройство возвращается в исходное состояние, и осуществляется новый цикл фотометрировг-ишя. Кроме того, сигналом стирания включается триггер 26 тактового генег)атора 4, который разрешает прохождение тактовых импулсов через элементы 2И 27 и 2ПЛИ 28 на вход счетчика 10 адреса, тем самым осуществляется выборка информации, накопленной в ЗУ 9 в предыдущий цикл фотометрировлния. Выключение триггера 26 тактового генератора 4 производится после перебора всех адресов ЗУ 9 сигналом с выхода старшего разряда счетчика 1 О адреса через дифференц; рующий элемент 29 тактового генератора 4. Длительнсэсть сигнала стирания должна быть значительно меньще длительности времени накопления для сохранения соотношения Т. 4, 2 Т: в первом цикле считьгоания фотодиодной матрицы 1.

При определении длительности цикла фотометрирования Тф Тц 2(j 1,2,...,к), а следовательно, при определении величин Т и К необходимо учитьшать следующее: величина Т не может быть меньше времени считывания информации с фотодиодной матрицы, а величина Т 2 не должна превышать времени насьт1ения 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 число выборочных считьгоании сигнала фотодиодной матрицы. Так, например,при использовании фотодиодной матрицы типа , у которой минимальное 1 составляет 2 мс, а максимальное 2 с, расширение динамического диапазона по освещенности в сравнении с прототипом может достигать 10 ,

Ф n p M

б p с т e n и я

Многоканальный фотометр, содержа- П01Й фотодиодную матрицу со свободным вьшодом дозаторов, регистры сдвига сигналов выборки строк и стобцов,выходы которых подключены к соответствующим входам фотодиодной матрицы, преобразователь - напряжение, пход которого подключен к информационному выходу фотодиодной матрицы, тактовый генератор, два выхода которого подключены к синхрозируюшдм входам соответствующих регистров сдвига, отлич ающийся тем, что, с целью расглфения динамического днапл- она при фотометрирова- нии двумерных оптических полей с большим перепадом освепшнности, в фотометр введены аналого-цифровой преобразователь, блок управления, коммутатор, запоьтнающее устройство, счетчик адреса, два элемента 2И,элемент НЕ и элемент задержки, при этом преобразователя ток - напряжение подключен к информационному входу аналого-цифрового преоб- разоватачя, у которого выход переполнения подключен через элемент НЕ к первому входу второго элемента 2И, выход коппа преобразования - к второму входу второго элемента 2И,ин- формапион 1ые выходы - к соответст- вуюшд1м входам коммутатора, а вход

пуска - к выходу первого элемента 2И, первый вход которого соединен через элемент задержки с синхронизирующим входом регистра сдвига сигналов выборки столбцов, а второй вход с первым выходом блока управления, к входу которого подключен третий выход тактового генератора, а его четвертый выход соединен с тактир - щим входом счетчика адреса, устано- воч}1ый вход которого объединен с управляющей гшной стирания фотодиодной матрицы, первым входом тактового генератора, установочными входами регистров сдвиг а сигналов выборки строк и столбпов и подключен к второму выходу блока yпpaвлeни i, выход второго элемента 2И соединен с синх- pOHH3Hpyiouij M входом запоминающего устройства, управляющие выходы блока управления подк.лшчены к соответ- ствуюпим входам коммутатора, информационные выходы которых подключены к соответствую цим входам запоминающего устройства, в(11ходы счетчика адреса соединены с соответствующими адрес- ными входами запоминающего устройства, выход старшего разряда счетчика адреса подключен i; второму входу тактового генератора, вывод подложки фотодиодной матрицы соединен с источником питания, а вывод напряжения стирания - с общей шиной устройства

Шиг

Фиг.з

/г

/л

С/по/ 5цы

Фиг.