Оптоэлектронный анализатор Советский патент 1977 года по МПК G06G9/00 

Изобретение относится к оптоэлектрони- ке. Устройство представляет собой оптоэлек тронный функциональный преобразователь сигнала, выполненный на основе излучающей я фотоприемной матрицы ме1одами интеграль ной технологии. Области применения такого устройства - распознавание сигналов, оптимальная и адап тивная фильтрация, выделение сигналов на фоне шумов и мешающих объектов, кодир1 вание, спектрометрирование и т, д. В настошиее время эти операции над электрическим сигналом проводят с помощью электрических RC- или LC- фильтров. Сн тезирование излучающей конфигурации на основе электрического сигнала позволяет использовать все методы оптической фнпьтрации изображений к анализу электрического сигнала и, в том числе, метод оптического маскирования. В одном из известных устройств такого типа в результате логического преобразо;Вания сигнала получают NM коэффициентов ряда разложения сигнала по функцн$гм Уолша однозначно соответствующих двумерному ог гическому изображению, С„(пМ,2,..., N; m«i,2,..., М). Известное устройство содержит источник света, который при помощи объектива соэдает параллельный пучок лучей. В втом пучке расположена диафрагма, создающая поле изображения S ( X, У) . За диафрагмой размещена фотопленка с анализируемым яэо&ражением &(X,Y) .Эти элементы вместе составляют блок синтеза оптического нзоб ражения. Изображение проецируется на пространственно-распределительную фотоприемную структуру, снабженную системой ортогональных шин. Блок синтеза масок, содержащий многовыходные функциональные генераторы ХиУ, осуществляетсллену масок, т. е. изменяет площадь и конфигурацию воспринимающей свет поверхности фотоприв пика, Фоточувствительность-даиемника в пределах S описывается функцией )CoBOKynHocTbj{Smn ° 2 -/W m42,...,M;| представляет собой систему ортогональных функций, например функций Уолща, по которым осуществляют разложение анализируемого изображения в ряд. Световой поток, прошедший через транспарант с изображением и промодулированный по площади маской, интегрируется по полю в сумматоре, величина результирующего фот тока поступает в бло1с анализа. Временное распредепекие величин результирующих су маторнык фототоков по всем шинам при последовательной во времени смене масок дает совокупность коэффшшентов psma 1 однозначно характеризующих данное изоб ражение. Однако известное устройство не позволяе7 анализировать злек;трические сигналы, оно анализирует только оптические изображе ния. В нем блок синтеза изобр(кения требует необходимости запоминания оптичеЬкого изображййия на время смени всех электрических масок на фотоприемной матрице. Точность аналогового преобразования свет фототок в таком устройстве ограничена о юродностыо фотощэиемной полупроводниково структуры по ПОЛЮ S и однородностыо источника света, а также градационной точкостью передачи изображения на транспаран те. Кроме того, сложна технология выполни . ВИЯ и конструкция фотоприемной матрицы главным образом из-за требования высокого коэффициента заполнения площади S фоточу& ствительными элементами, он должен прибли жаться к 100%. При коэффициенте заполнения менее 10О% необходимы точная юстиро ка-и,согласование шага отверстий в кодовой маске с шагом фоточувствительных площадо фотоприемной матрицы. Цель изобретения - расширение функцией ыальных возможностей,, т. е. обеспечение возмояшости анализа электрических сигналов, а также Ъолучение свойства памяти фотоприемной матрицы, повышение точности функционального преобразования, упрощение фотоприемной матрицы, снятие требования юстировки оптического изображения на фото приемной матрице. Это достигается тем, что блок синтеза оптического изображения дополнительно содержит блок управления излучающей матрицей и матрицу излучающих элементов, приче элементы ее включены в перекрестия ортогональных щин, связанных с выходами блока управления излучающей матрицей, и совмеще ны с соответствующими элементами матрицы фотоприемников, шины которой подключ Н1 к выходам блока синтеза масок. При 8ТОМ элементы фотоприемпой представл51ют собой полупроводниковые влеме1ггы с симметричной вольт-ампорной характеристикой, имс-юшей участки насыщеHIW и отрицательные сопузотивлення. На; фэг, 1 показана блокмзхема предлага&ого устройства; на фиг. 2, а - один из возможных вари(знтов выполнения I основного: узла устройства - совмещенные фотоприек ая и излучающая матрицы; на фиг. 2, б ехнологический вариант исполнения ячей1р{, добный для выполнения устройства на едиой монокристаллической пластине в виде нтегральной схемы; на фиг. 3 показана работа устройства в динамике; на фиг, 4 вольт-амперная характеристика фотоприак ой ячейки мафрицы. ОптоэлектронныЙ анализатор содержит (фиг, 1) блок 1 синтеза оптического изображения, включающий в себя блок 2 управления излучающей матрицей и собственно матрицу излучающих элементов, которая поэлементно совмещена с матрицей фот приемников в блоке 3. Блок управления излучающей матрицей связан с шинами излучающих элементов. Блок 4 синтеза масок соединен с шинами матрицы фотоприемников и с сумматором 5, а сумматор - с блоком 6 анализа. Все упомянутые связи могут быть как электричеокими, так и оптическими, в последнем случае шины снабжены фотоэлектрическими преобра зователями. Совмещенные излучающая и фотоприек ная матрицы (фиг. 2) содержат излучающие элементы светодиоды 7 и (или 7, фиг, 2 б,), матрицы включенные параллельно друг другу в перекрестия ортогональных шин 8 и 9 матрицы излучающих элементов, а тахгже элементы 10 и 10 (или 10, фиг. 2, б) фотоприемной матрицы, включенные в противовоположной полярности параллельнодруг другу в перекрестия ортогональных шин 11 и 12 фотоприелшой матрицы. Элементы 7 и 10 матриц совмещены. Ячейка матрицы, выполненная в виде сочетания элементов 7 и 10 (фиг. .2, б), имеет полупроводниковую структуру с чередующимися слоями проводимости, как это показано штриховкой, В фотоприемном элементе этих слоев не менее пяти. Участки шин 8 и 9 на элементе излу чающей матрицы показаны в виде электрических контактов к излучающему элементу, участки шин к фотоприемной матрице - 11 и 12 (фиг. 2, б). Рассмотрим работу устройства в . На вход блока 2 управления излучающей матрицей поступает анализируемый электрический сигнал с периодом .повторения Ту, Блок 2 обеспечивает преобразование временной последовательности электрических импульсов в пространственное распредели- , ние излучения на матрице светодиодов 7 и

7 . При этом амплитуда импульсов преобразовывается в координаты излучающего элемента двумерной матрицы, т. е, изображение электрического сигнала двухграда- ционно. Изображение лишено памяти - элементы излучают лишь в моменты поступлэния электрических сигналов на те шины, в перекрестии которых они находятся. На этот, же первый интервал времени Т Тц на фотоприемной матрице должна быгь син;гезирована первая маска Sjj , так как она соответствует полной нечувствительности матрицы, напряжения на шинах 11 и 12 от блока 4 синтеза масок должны быть равны - ..

Действительно, подача напряжения - все шины создает в перекрестиях см&шение, близкое к нулю. Фотоприемные ячейки свет практически не воспринимают, а ток через них близок к нулю или не превььшает JP (ток насышения в непереключен- ном состоянии).

В следующий интервал времени Т Т,, на излучающей матрице снова синтезируется анализируемая излучающая конфигурация, та же, что в Т , а на фотоприемной матриценовая маска 5,2 . Для этого па шинах Xj ) Х2 Xj, Х , YJ ,УцОт блока синтеза масок в течение интервала времени 5 поддерживается напряжение - JJp- , а на шинах Yj и Y,j - -R-. Таким образом, f перекрестках шин У- и Yi со всеми шинами смешение на ячейках блиэко нулю, и их токи меньше 7 ,

В перекрестиях шин Yj и Yg ;со всеми шинами X смешение на ячейках 4-Кр.Когда эти $гчейки не освешены, т. е. элементы кэлучаюшей матрицы, соответствующие указанным фотоприемным ячейкам, не излучают то ток через фотоприемные элементы равен Jo Если какие-либо из элементов излу чающей панели вдоль шин Y( и Yg излу чают в интервале Т . то соответствующие им элементы фотоприемной матрицы находящиеся под напряжение -i-Up , переключаются и через них проходит ток Jp« lE-jj, если сопротивление в цепи ячейки Кц мног меньше сопротивления непереключенного элемента. Для тиристора это величина порядка единиц мегаом. Так что это соотношение всегда выполняется. В сумматоре подсчитывается число переключенных ячеек, и результирующая величина представляет собой коэффициент

Теперь рассмотрим интервал времени Т 5 22 синтезируется таким о&разом, что второй и четвертый .элементы квадрантов нефоточувствительны, так как смещение на ккх. бппзко к нулю. На первых элементах квадранта смещение О р , а

на третьих элементах квадранта - Up , Если какие-нибудь элементы первого и третьего квадрантов матрицы излучающих элементов работают, то токи через элементы фотоприемной матрицы в первом квадранте равны Dp, а во втором квадранте - Зр . Подсчет числа переключенных ячеек в сумматоре осуществляться таким образом, чтобы знак тока, текущего чеоез ячейку, не уч тывался. птп pjl,

IММ

Таким образом, мы видим, что функциональное преобразование действительно совершается не над оптическим, а над электрическим сигналом, поступающим на вход

блока управления излучающей матрицей.

Фотоприемная матрица действительно i обладает свойством памяти. Если излучение переключает фотоприемник в откр iToe сое- то5шие - течет ток | Лр| в како Ц-либо мо-

мент в интервале времени Т , то это состояние сохраняется весь интервал времени Тд независимо от того, сохраняется ли излучающая конфигурация или излучение прекращается. Это свойство фотоприемной мат

рицы обеспечивается выбором элемента с отрицательным сопротивлением в воль-рамперной характеристике. Наличие памяти в фотоприемной матр1ще позволяет снять требование памяти с излучающей матрицы,

Точность функционального пр)еобразовп}1ия сигнала существенно повышена. Число переключенных ячеек, равное Ср , в широких , пределах не зависит от разброса параметров излучающей и фотоприемной матрицы, от

точности поддержания напряжений на выходах блока 4 синтеза масок.

UB.

Xi не точДействительно, если

на

но равно 1 на Yi. . то смещение на ячейке не точно равно О, а близко к нулю, но

ток через ячейку меньше З. Разброс значений JJp не должен превышать величины ди Ucp Up, где Ucp - напряжение срыва структуры, чтобы исключить возможность спонтанного переключения в отсутст

ВИИ света. Это условие практически легко выполнимо. Освещение фотоприемника вь зывает увеличение тока J до Jo ij , 1 где if - ток неосновных носителей, созданных светом. Если величина 1 не слишком велика, т, е. переключение структуры при напряжении;, близком к нулю, только от света невозможно, то р азброс величгш i не влияет на число С„ ,(см, фиг. 4,

где ir il ), Таким образом, товдость 1 т

функционального преобразования в предлагаемом устройстве зависит только отечно- ла элементов матриц и не зависит от их одн ородн ости.

Существенно утфощена технология и ко

струкция устройства благодаря тому, что

совмещение, элементов излучающей и фото гфиемной матрицы позволяет снять требов ние высокого коэффициента заполнения и рыполнять пары излучатель - фотоприемник на достаточно большом расстоянии друг от друга и даже в виде дискретных оптронных тшр. Кроме того, не требуется специальной юстировки оптического изобра жений на фотоприемной матрице, так как элементы двух к атрид конструктивно мещены.

Элемент излучающей матрицы в технологическом вариантеисполнений, показанном на фйг, 2j а, лтредставляет собой светодиод, йапрнмер,. из o-As , а элемент фотоприем- иой матриды SL фототиристор, Светодиод и фототиристор геометрически совмещены на одном элементее например, серийно выпускаемая ош-оэлектронная пара |А, В).

Злемент излу5а1ощей матрицы в технологи ёском варианте исполнения, представленном а фиг, 2, б, - это, по-прежнему,светодиод :а Очз. As , а элемент фотоприемной St фотопятислойная структура.

В первом случае матрица выполнена из Навесных .элементов оптронов (светодиод фототйристор)( причем на каждую ячейку щэнходйтся два оитрона, а во втором cnyi ше в вкще интегральной схемы на едином монокристалле, элементы разнесены друг от друга на удобное для. монтажа расстояние,

Таким образом, за интервал времени TK на фотоприемной матрице, имеющей элементов, формируется NM м сок, которые модулируют периодически по&торшошееся изображение электрического сиггнала, синтезируемое на излучающей матрице. На выходе электронного анализатора за время Т, формируется последовательност коэффициентов {Сптп } « однозначно соответуствующая анализируемому сигналу с точгностыо, лимитируемой числом элементов матриц NM .

Известно, что современный уровень фотолитографий совместно с диффузионной или епитаксйльной технологией на кремнии и арсениде галия позволяет получить на матрипах, близких к предлагаемой по строению элементарной ячейке и разводке шин, следующие параметры:

Число элементов

( N « М )256 X 256

Время опроса элемента ( TS ) МКС1

Размер элемента, мкм10

Коэффициент заполнения, %7О-80

Приведенные величины обеспечивают поч. лучение 256 коэффициентов ряда анализируемого сигнала за 25610 с, т. е, за 0,25 мс. При этом линейные размеры со&мешенной матршхы 0,1-02 см.

Для многих задач опознавания вполне достаточно получения 32 коэффициента ряда

В этом сл:учае задача технологически облегчается; достаточно построить матрицу 32 X 32 элемента, размеры которого можгно выбрать 100 X 1ОО мкм. При времени существования маски 10 с, что обеспечивается быстродействием элементов 10 с время на формирование 32 коэффициентов ряда составит 32-10 0,032 мс.

По сравнению со временем разложения в ряд Фурье электрического сигнала ссэврв- менными, не оптическими, методами дает экономию в 3-4 ч мащинного времени.

Формула изобретения

Оптоэлектронный анализатор, состоящий из блока синтеза оптического изображения, содержащего матрицу фотоприемников, и . последовательно соединенных блока синтеза масок, сумматора и блока анализа, о -рличающийся тем, что, с щелью расширения функциональных возможностей, блок синтеза оптического изображения дополнительно содержит блок управления иэлучаюивй матрицей и матрицу излучающих элементов, причем элементы ее включены в перекрестия ортогональных шин, связанных с выходами блока управления излучающей матрицей, и совмещены с соответствующими элементами матрицы фотопрнемников, шины которой подключены к выходам блока сю теза масок.

«

N

а

«О

to j

И:

jf

i «О

«

б л

of

к

к

и к

11

:.

- уЗ.

/р

ФигЛ