Устройство компенсации различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников

 

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в цифровых многоканальных фотометрах для компенсации различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников. Устройство компенсации различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников содержит последовательно включенные матрицу фотоприемников 1, первый согласующий усилитель 2, аналого-цифровой преобразователь 3, вычислительное устройство 4, формирователь тактовых импульсов 5, первый и второй мультиплексоры 6, 7, адресный счетчик 8, блок памяти 9, цифроаналоговый преобразователь 10 и второй согласующий усилитель 11. На первом этапе работы устройства компенсации на матрицу фотоприемников 1 проецируется тестовое изображение с равномерным распределением освещенности, а в блок памяти 9 записываются одинаковые отсчеты номинального опорного напряжения АЦП 3. Сигналы матрицы фотоприемников 1 от тестового изображения считываются в вычислительное устройство 4 и в качестве отсчетов компенсирующего опорного напряжения записываются из вычислительного устройства в блок памяти 9. При считывании сигналов изображений с произвольным распределением освещенности на вход опорного напряжения АЦП 3 с выхода второго согласующего усилителя 11 будет подаваться поэлементно изменяющееся напряжение, величина которого пропорциональна чувствительности считываемого элемента. Указанным изменением опорного напряжения АЦП 3 обеспечивается компенсация расброса чувствительности элементов матрицы фотоприемников при минимальных аппаратных затратах и минимальной сложности схемы устройства компенсации. 3 ил.

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в цифровых многоканальных фотометрах для компенсации различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников.

Известно устройство компенсации неоднородности чувствительности элементов матрицы фотоприемников [1], содержащее блок памяти отсчетов чувствительности, микропроцессор, блок памяти отсчетов инвертированной чувствительности и цифровой умножитель. Однако известное устройство характеризуется высокой сложностью схемы и большими аппаратурными затратами.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство для компенсации различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников [2], содержащее формирователь тактовых импульсов, подключенный к матрице фотоприемников, выход которой соединен с первыми входами суммирующего усилителя и цифроаналогового преобразователя (ЦАП), второй (цифровой) вход ЦАП подключен к выходу коммутатора, а его выход соединен с вторым входом суммирующего усилителя. Выход суммирующего усилителя подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход подключен к входу логического блока. Выход логического блока соединен с входом блока памяти и первым входом коммутатора, второй вход которого подключен к выходу блока памяти.

Указанное устройство характеризуется высокой сложностью и ограниченностью функциональных возможностей, поскольку с одной стороны в его состав включено логическое устройство, формирующее цифровые отсчеты, значение которых обратно пропорционально сигналу стандартного фона. При этом сущность логического блока в описании не раскрыта, что требует при его создании изобретательского творчества. С другой стороны, в результате компенсации чувствительности на выходе устройства формируется аналоговый сигнал, который при использовании устройства в современных цифровых многоканальных фотометрах на базе матриц фотоприемников должен быть дополнительно преобразован в цифровую форму.

Сущность изобретения заключается в том, что устранения неоднозначности схемы и расширения функциональных возможностей в устройство компенсации, содержащее матрицу фотоприемников, согласующий усилитель, формирователь тактовых импульсов (ФТИ), блок памяти и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), согласно изобретению введены аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с входом опорного напряжения, вычислительное устройство, первый и второй мультиплексоры, адресный счетчик и второй согласующий усилитель, при этом фазные входы матрицы фотоприемников соединены с одноименными выходами формирователя тактовых импульсов, вход строчного импульса считывания объединен с первым тактовым входом вычислительного устройства и первым входом второго мультиплексора и подключен к выходу строчного импульса считывания ФТИ, а сигнальный выход матрицы фотоприемников через первый согласующий усилитель подключен к одноименному входу АЦП, вход запуска преобразования которого соединен с первым тактовым выходом ФТИ, а информационные выходы и выход конца преобразования подключены соответственно к информационным входам и второму тактовому входу вычислительного устройства, первый и второй тактовые выходы которого соединены в порядке перечисления с вторыми входами соответственно первого и второго мультиплексоров, выход управления подключен к одноименным входам этих же мультиплексоров и входу записи блока памяти, а информационные выходы вычислительного устройства соединены с одноименными входами блока памяти, первый вход первого мультиплексора подключен к второму тактовому выходу ФТИ, а выходы первого и второго мультиплексоров соединены соответственно с тактовым входом и входом сброса адресного счетчика, выходы которого подключены к адресным входам блока памяти, информационные выходы блока памяти соединены с одноименными входами ЦАП, выход которого через второй согласующий усилитель соединен с входом опорного напряжения АЦП, причем выход вычислительного устройства является выходом устройства компенсации.

Перечисленные признаки обеспечивают решение поставленной задачи.

В электронике известны функциональные элементы, введенные в схему устройства компенсации различий в чувствительности матрицы фотоприемников, однако наличие новых связей между ними обусловило появление у предлагаемого устройства по отношению к прототипу нового качества - устранения неоднозначности схемы устройства и расширения функциональных возможностей. Это качество не является результатом суммирования положительных эффектов, достигаемых от введения новых элементов или использования готовых технических решений, и достигается именно за счет наличия между элементами новых связей. Поскольку среди известных технических решений не выявлено решений со сходными признаками (совокупность элементов и связей между ними), которые бы решали ту же задачу тем же путем (т.е. подачей напряжения, компенсирующего различия в чувствительности матрицы фотоприемников, непосредственно на вход опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя, производящего квантование сигнала этой матрицы), заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства компенсации; на фиг. 2 - возможная схема формирователя тактовых импульсов; на фиг. 3 - возможная схема вычислительного устройства.

Предлагаемое устройство компенсации (фиг. 1) содержит матрицу фотоприемников 1, первый согласующий усилитель 2, аналого-цифровой преобразователь 3, вычислительное устройство 4, формирователь тактовых импульсов 5, первый и второй мультиплексоры 6, 7, адресный счетчик 8, блок памяти 9, цифроаналоговый преобразователь 10 и второй согласующий усилитель 11. При этом фазные входы 12 матрицы фотоприемников 1 соединены с одноименными выходами формирователя тактовых импульсов 5, вход строчного импульса считывания 13 объединен с первым тактовым входом вычислительного устройства 4, первым входом второго мультиплексора 7 и подключен к выходу строчного импульса считывания ФТИ 5. Выход матрицы фотоприемников 1 через первый согласующий усилитель 2 соединен с сигнальным входом АЦП 3, вход запуска преобразования которого подключен к первому тактовому выходу 14 ФТИ 5, а информационные выходы и выход конца преобразования соединены соответственно с информационными входами 16 и вторым тактовым входом 17 вычислительного устройства 4. Первый и второй 20, 21 тактовые выходы вычислительного устройства 4 подключены в порядке перечисления к вторым входам соответственно первого и второго мультиплексоров 6, 7. Выход управления 19 соединен с одноименными входами первого и второго мультиплексоров 6, 7 и входом записи блока памяти 9, а информационные выходы 18 подключены к одноименным входам этого же блока. Первый вход первого мультиплексора 6 соединен с вторым тактовым выходом 15 ФТИ 5, а выходы первого и второго мультиплексоров 6, 7 подключены соответственно к тактовому входу и входу сброса адресного счетчика 8. Выходы адресного счетчика 8 соединены с адресными входами блока памяти 9, информационные выходы которого подключены к одноименным входам ЦАП 10. Выход ЦАП 10 через второй согласующий усилитель 11 соединен с входом опорного напряжения АЦП 3.

Возможная элементная база устройства компенсации: матрица фотоприемников 1 - ФУК1Л2 с числом элементов 1024 [3], АЦП 3 - К1108ПВ2 [4], время преобразования 2 мкс, число разрядов 12, возможный диапазон изменения опорного напряжения 2 - 4 В, мультиплексоры 6, 7 - К555КП11, адресный счетчик 8 - К555ИЕ10, блок памяти 9 - К537РУ10 емкостью 2К байт, ЦАП 10 - К1108ПА1 [4], время преобразования - 0,4 мкс, число разрядов - 12, согласующие усилители 2 и 11 могут быть выполнены на базе операционных усилителей типа К544УД2. Формирователь тактовых импульсов 5, возможная схема которого приведена на фиг. 2, может быть выполнен с использованием логических микросхем серии 555 или 561.

Матрица фотоприемников 1 содержит набор элементов, сигнал которых линейно зависит от величины экспозиции, однако коэффициент такой зависимости является индивидуальным для каждого элемента U_i = S_i · H_i (1) где U_i - величина сигнала i-го элемента; S_i - чувствительность i-го элемента; H_i - экспозиция i-го элемента.

При этом разброс чувствительности элементов относительно среднего уровня составляет по данным разработчиков 5 - 10% [4].

АЦП 3 при подаче на вход запуска тактового импульса формирует на выходе код, пропорциональный величине входного напряжения где U вх., U оп.1 - величина входного и опорного напряжения АЦП; N м. 1, N вых. - максимальный и текущий выходной код АЦП;
K1 - коэффициент пропорциональности.

ЦАП 10 формирует на выходе напряжение, пропорциональное входному коду
,
где
U вых., U оп.2 - величина выходного и опорного напряжения ЦАП;
N м.2, N вх. - максимальный и текущий входной код ЦАП;
K2 - коэффициент пропорциональности.

Возможная схема формирователя тактовых импульсов 5 для матрицы фотодиодных элементов приведена на фиг. 2 и включает задающий генератор 22, счетчик 23 и дешифратор 24 тактовых импульсов, формирователь строчного импульса считывания, собранный на базе счетчика 25 и триггера 27, а также формирователь фазных импульсов - младший разряд счетчика 26 и инвертор 26.

Возможная схема выполнения ВУ 4 на базе микроЭВМ типа ДВК-3 приведена на фиг. 3 (типовые блоки ЭВМ - процессор, стандартные периферийные платы и устройства на фиг. 3 не показаны). В состав ВУ 4 входят шинные приемопередатчики 20, дешифраторы управляющих сигналов вывода и ввода 29, 30, регистр управляющих сигналов 31, триггеры формирования импульса записи 32, 34, мультиплексор управляющих сигналов 36, адресный счетчик 37, буферное ОЗУ 38 и логические элементы 33, 35. При этом выходы шинных приемопередатчиков 28 подключены к входам дешифраторов 29, 30 и регистра 31 управляющих сигналов и одновременно являются информационными входами 18 ВУ 4. Дешифратор 29 формирует импульс записи информации в регистр 31, импульс J1 сброса адресного счетчика и тактовые импульсы на выходах 20, 21 ВУ 4. Дешифратор 30 формирует импульс считывания состояния флага ОЗУ с выхода триггера 34 и импульс J2 считывания данных из ОЗУ 38. Регистр 31 служит для формирования управляющего сигнала разрешения записи данных в ОЗУ 38 и сигнала управления на выходе 19 ВУ 4. Триггеры 32, 34 вместе с элементом И-НЕ 33 используются для формирования импульса записи информации в ОЗУ 38 при наличии сигнала разрешения с выхода регистра 31 и при поступлении строчного импульса считывания на первый тактовый вход 13 ВУ 4. Адресный счетчик 37 служит для формирования текучего адреса записываемого или считываемого отсчета сигнала и сигнала переполнения счетчика. Элементная база ВУ 4: К589АП26 - шинные приемопередатчики 28, К537РУ10 - ОЗУ 38, все остальные элементы могут быть выполнены на базе функциональных устройств, входящих в состав микросхем 555 серии.

Таким образом, входящие в состав устройства компенсации элементы не требуют для осуществления изобретательского творчества, т.к. все они выпускаются промышленностью в виде готовых микросхем либо образуются из них с помощью стандартных схемотехнических решений в соответствии с функциональным назначением элементов и описанием работы устройства.

Устройство компенсации различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников работает следующим образом.

На первом этапе работы устройства компенсации производится формирование и запись в блок памяти 9 компенсирующих отсчетов напряжения смещения. Для формирования таких отсчетов на матрицу фотоприемников 1 проецируется тестовое изображение с равномерным распределением освещенности, а на выходе второго согласующего усилителя 11 формируется постоянное опорное напряжение, равное номинальному опорному напряжению АЦП 3. Для формирования заданного опорного напряжения в блок памяти 9 записываются одинаковые отсчеты сигнала. Величина отсчетов для минимизации отклонения опорного напряжения от номинального значения в процессе последующей компенсации на первом этапе выбирается исходя из соотношения между средними и максимальным уровнем чувствительности элементов матрицы фотоприемников

где
S макс., S мин. - диапазон изменения чувствительности элементов;
N ном. - величина отсчета сигнала.

С целью минимизации погрешности компенсации уровень экспозиции тестового изображения регулируется таким образом, чтобы уровень максимального сигнала матрицы фотоприемников был близок к верхнему уровню входных напряжений АЦП 3.

Для записи тестовых или компенсирующих отсчетов в блок памяти 9 ВУ 4 с помощью регистра 31 (фиг. 3) путем формирования на выходе управления 19 напряжения низкого уровня переводит блок памяти 9 (фиг. 1) в режим записи, а мультиплексоры 6, 7 - в режим управления от ВУ 4. Запись отсчетов опорного напряжения в блок памяти 9 производится по информационным выходам 18 ВУ 4 с помощью подачи на вход адресного счетчика 8 через первый мультиплексор 6 импульсов с первого выхода тактовых импульсов 20 ВУ 4. Число тактовых импульсов равно числу элементов матрицы фотоприемников 1. Предварительно адресный счетчик 8 устанавливается в исходное состояние импульсом с второго тактового выхода 21 ВУ 4, проходящим через второй мультиплексор 7. После окончания интервала записи отсчетов напряжения в блок памяти 9 разрешается считывание сигнала из матрицы фотоприемников 1 и запись его отсчетов в ОЗУ 38 ВУ 4.

В исходном состоянии триггер 32 ВУ 4 сигналов низкого уровня с выхода регистра 31 установлен в нулевое состояние. Для разрешения записи высоким уровнем сигнала с первого выхода регистра 31 снимается блокировка триггера 32 ВУ 4. Первым приходящим импульсом с первого тактового входа 13 ВУ 4 триггер 32 переключается в единичное состояние и разрешает прохождение этого импульса элемент 2И-НЕ 33 на вход сброса триггера 34. Установка триггера 34 в нулевое состояние переводит ОЗУ 38 в режим записи, а мультиплексор 36 переключает на передачу сигналов с вторых входов. Одновременно импульсом с выхода элемента 2И-НЕ 33, проходящим через мультиплексор 36, адресный счетчик 37 устанавливается в нулевое состояние. Поступающие после этого на второй тактовый вход 17 импульсы с выхода конца преобразования АЦП 3 передаются на тактовый вход адресного счетчика 37 и на вход выборки ОЗУ 38. Подача импульсов на перечисленные элементы обеспечивает запись отсчетов сигнала, поступающих по информационным входам 16, в последовательно адресуемые ячейки ОЗУ 38. После записи числа отсчетов, равного числу элементов матрицы фотоприемников 1, на выходе переполнения адресного счетчика 37 формируется импульс, устанавливающий триггер 34 в единичное состояние. При этом ОЗУ 38 переключается в режим хранения, а мультиплексор 36 - на передачу сигналов с первых входов. Изменение состояния триггера 34 определяется ЭВМ, входящей в состав ВУ 4, с помощью программного опроса входа элемента 2И 35. После обнаружения изменения состояния триггера 34 ЭВМ ВУ 4 производит считывание сигнала. Перед началом считывания импульсом J1 адресный счетчик 37 устанавливается в исходное состояние. Считывание отсчетов из ОЗУ 38 осуществляется с помощью импульсов J2.

Сигнал тестового изображения считывается в ВУ 4 и записывается из ВУ 4 в блок памяти 9 описанным выше способом. Таким образом, в конце первого этапа работы устройства компенсации в блоке памяти 9 будут находиться отсчеты сигнала, определенные в соответствии с выражением (2) при U оп.1 = U оп.ном. Эти отсчеты и будут являться компенсирующими коэффициентами на втором этапе работы устройства компенсации при регистрации изображений с произвольным распределением освещенности. При считывании сигналов таких изображений на вход опорного напряжения АЦП с выхода второго согласующего усилителя 11 будет подаваться поэлементно изменяющееся напряжение, величина которого определяется в соответствии с описанным выше процессом формирования компенсирующих отсчетов опорного напряжения путем подстановки величины отсчета на выходе АЦП, рассчитанного по формуле (2), в выражение (3)

где
U вх.о_i, U оп.1_i - уровни входного и опорного напряжений i-го элемента.

При подаче на сигнальный вход АЦП 3 напряжений U вх._i от изображения с произвольным распределением освещенности на его выходе будут формироваться коды

зависящие, как это следует из выражения (1), только от отношения экспозиций регистрируемого и тестового изображений. Таким образом, влияние различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников оказывается скомпенсированным и не вносит вклада в погрешность оценки уровня их освещенности.

Согласование диапазонов входного напряжения и выходного скорректированного кода обеспечивается выбором величины U оп.2 и K2. Уровень U оп.2 для уменьшения влияния внутренних шумов ЦАП 10 целесообразно выбрать достаточно большим, при этом коэффициент K2, зависящий от коэффициента передачи согласующего усилителя 11, может быть рассчитан исходя из условия постоянства выходного кода АЦП 3 при компенсации тестового изображения, когда U вх._i = U вх.о_i. Для получения в этом случае выходного кода на уровне N ном., определяемом из условия (4), коэффициент K2 должен иметь в соответствии с выражением (6) следующее значение

Таким образом, из описания работы устройства компенсации различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников следует, что поставленная при разработке этого устройства задача устранения неоднозначности схемы и расширения функциональных возможностей решена в нем за счет введения новых устройств и установления новых связей между ними. Так, в частности, введение аналого-цифрового преобразователя 3 с входом опорного напряжения позволило обеспечить как цифровое представление скомпенсированного сигнала, так и выполнение самой процедуры компенсации за счет изменения опорного напряжения во время считывания сигналов элементов матрицы фотоприемников. Введение вычислительного устройства 4 позволило производить запись постоянных или индивидуальных для каждого элемента отсчетов опорного напряжения в блок памяти 9, а также считывание отсчетов сигнала с выхода матрицы фотоприемников. Первый и второй мультиплексоры 6, 7, а также адресный счетчик 8 введены для обеспечения записи в блок памяти 9 из ВУ 4 отсчетов опорного напряжения и считывания этих отсчетов во время считывания сигнала матрицы фотоприемников. Второй согласующий усилитель 11 введен для согласования диапазонов аналогового сигнала на входе АЦП 3 и скомпенсированного цифрового сигнала на его выходе.

Новой в предлагаемом устройстве является связь между выходом второго согласующего усилителя и входом опорного напряжения АЦП, позволившая установить неоднозначность схемы устройства и обеспечить ее упрощение за счет исключения компаратора, логического блока, многоканального коммутатора и суммирующего усилителя. Необходимо отметить, что введенные в схему устройства компенсации АЦП и вычислительное устройство являются неотъемлемой частью цифровых многоканальных фотометров, в составе которых и предполагается применять предлагаемое устройство, в связи с чем фактическая сложность устройства компенсации ограничивается введением мультиплексоров, адресного счетчика и делителя напряжения.

Литература
1. Helfrich R.W. Programmable compensation technique for staring arrays. //Proc. SPIE. vol. 178, 1979, p. 110 - 121.

2. Авторское свидетельство N 907868, СССР, кл. H 04 N 5/30, H 04 N 5/20. Устройство для компенсации различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников. /В. С. Мелихов, Н. Ю. Герасенов, В. И. Трофимов. Опубл. 23.02.82., Бюл. N 7.

3. Устройство фотоприемное ФУК1Л1, ФУК1Л2. Этикетка предприятия-изготовителя.

4. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

Формула изобретения

Устройство компенсации различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников, содержащее матрицы фотоприемников, согласующий усилитель, формирователь тактовых импульсов, блок памяти и цифроаналоговый преобразователь, отличающееся тем, что в него введены анлого-цифровой преобразователь (АЦП) с входом опорного напряжения, вычислительный блок, первый и второй мультиплексоры, адресный счетчик и второй согласующий усилитель, при этом фазные входы матрицы фотоприемников соединены с одноименными выходами формирователя тактовых импульсов, вход строчного импульса считывания матрицы фотоприемников объединен с первым тактовым входом вычислительного блока и первым входом второго мультиплексора и подключен к выходу строчного импульса считывания формирователя тактовых импульсов, а сигнальный выход матрицы фотоприемников через первый согласующий усилитель подключен к сигнальному входу АЦП, вход запуска преобразования которого соединен с первым тактовым выходом формирователя тактовых импульсов, а информационные выходы и выход конца преобразования подключены соответственно к информационным входам и второму тактовому входу вычислительного блока, первый и второй тактовые выходы которого соединены в порядке перечисления с вторыми входами соответственно первого и второго мультиплексоров, выход управления вычислительного блока подключен к входам управления этих же мультиплексоров и входу записи блока памяти, а информационные выходы вычислительного блока соединены с одноименными входами блока памяти, первый вход первого мультиплексора подключен к второму тактовому выходу формирователя тактовых импульсов, а выходы первого и второго мультиплексоров соединены соответственно с тактовым входом и входом сброса адресного счетчика, выходы которого подключены к адресным входам блока памяти, информационные выходы блока памяти соединены с одноименными входами ЦАП, выход которого через второй согласующий усилитель соединен с входом опорного напряжения АЦП, причем выход вычислительного блока является выходом устройства компенсации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3