устройство фотометрирования изображений с выраженным максимумом пространственного распределения освещенности

Формула изобретения

Устройство фотометрирования изображений с выраженным максимумом пространственного распределения освещенности, содержащее фотодиодный приемник изображения (ФДП) с регистрами стирания и считывания сигнала, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вычислительное устройство и генератор тактовых импульсов, отличающееся тем, что в него введены формирователь импульсов управления и два программируемых интервальных таймера (ПИТ), при этом входы тактовых импульсов стирания и считывания ФДП соединены соответственно с первыми и вторыми тактовыми выходами формирователя импульсов управления, а выход строчных импульсов стирания ФДП объединен с входом запуска второго ПИТ и подключен к третьему тактовому выходу формирователя импульсов управления, четвертый тактовый выход которого соединен с входом запуска АЦП, сигнальный вход АЦП подключен к одноименному выходу ФДП, а информационные выходы и выход конца преобразования соединения соответственно с информационными входами и первым тактовым входом вычислительного устройства, информационные выходы которого подключены к одноименным входам первого и второго ПИТ, а первый и второй выходы записи соединены с входами записи первого и второго ПИТ, выходы управления и запуска вычислительного устройства подключены к одноименным входам формирователя управляющих импульсов, первый тактовый вход которого объединен с тактовым входом первого ПИТ и подключен к выходу генератора тактовых импульсов, второй тактовый вход соединен с выходом этого же ПИТ, причем на входе запуска первого ПИТ установлен потенциал логической единицы, тактовый вход второго ПИТ подключен к одному из вторых тактовых выходов формирователя управляющих импульсов, а его выход соединен с входом строчных импульсов считывания ФДП и вторым тактовым входом вычислительного устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптико -электронного приборостроения и может быть использовано для фотометрирования изображений с выраженным максимумом пространственного распределения освещенности, в частности изображений дифракционных картин или пространственно разложенных спектров источников излучения.

Известен фотометр на приборе с зарядной связью [1] содержащий блок управления, аналого -цифровой преобразователь (АЦП), блоки памяти и арифметическое устройство. Недостатком данного фотометра является узкий диапазон измеряемых освещенностей, обусловленный регистрацией изображения с постоянным для всех элементов временем накопления. Такой режим регистрации приводит к отличию уровней сигнала элементов с высокой и низкой освещенностью, а значит и к отличию относительных погрешностей измерения этих освещенностей. Диапазон измеряемых освещенностей в этом случае не превышает 10-20.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту (прототипом) является многоканальный фотометр [2] содержащий фотодиодный приемник изображения (ФДП), блок опроса, АЦП, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), мультиплексор, адресный счетчик и вычислительное устройство. Недостатком данного устройства является ограниченный диапазон фотометрируемых изображений, поскольку минимальное время накопления ограничено временем аналого-цифрового преобразования сигналов всех элементов ФДП и для датчиков с числом элементов 1024 составляет 6-10 мс, а максимальное время накопления определяется допустимым увеличением темнового сигнала и составляет несколько сот миллисекунд. Таким образом, возможный диапазон изменения времени накопления составляет 30 60 мс, что недостаточно для фотометрирования таких больших классов изображений, как изображения дифракционных картин и пространственно разложенных спектров источников излучения типа ламп накаливания, у которых диапазон изменения освещенности превышает указанную величину в несколько раз.

Сущность изобретения заключается в том, что для расширения диапазона фотометрирования изображений с выраженным максимумом пространственного распределения освещенности в устройство фотометрирования, содержащее фотодиодный приемник изображения (ФДП) с регистрами стирания и считывания сигнала, аналого-цифровой преобразователь, вычислительное устройство и генератор тактовых импульсов согласно изобретению введены формирователь импульсов управления и два программируемых интервальных таймера (ПИТ), при этом тактовые входы стирания и считывания ФДП соединены соответственно с первыми и вторыми тактовыми выходами формирователя импульсов управления, а строчный вход стирания ФДП объединен с входом запуска второго ПИТ и подключен к третьему тактовому выходу этого же блока, четвертый тактовый выход которого соединен с входом запуска АЦП, сигнальный вход АЦП подключен к одноименному выходу ФДП, а информационные выходы и выход конца преобразования соединены соответственно с информационными входами и первым тактовым входом вычислительного устройства, информационные выходы которого подключены к одноименным входам первого и второго ПИТ, а первый и второй выходы записи соединены с входами записи первого и второго ПИТ, выходы управления и запуска вычислительного устройства подключены к одноименным входам формирователя импульсов управления, первый тактовый вход которого объединен с тактовым входом первого ПИТ и подключен к выходу генератора тактовых импульсов, второй тактовый вход соединен с выходом первого ПИТ, тактовый вход второго ПИТ подключен к одному из вторых тактовых выходов формирователя импульсов управления, а его выход соединен со строчным входом считывания ФДП и вторым тактовым входом вычислительного устройства.

Перечисленные признаки обеспечивают достижение поставленной задачи.

В электронике известны функциональные элементы, введенные в схему устройства фотометрирования, однако наличие новых связей между ними обусловило появление у предлагаемого устройства по отношению к прототипу нового качества расширения регистрируемого диапазона освещенности в изображениях с выраженным максимумом пространственного распределения освещенности. 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. опросом регистров стирания и считывания фотодиодного приемника изображений импульсами разной частоты и переключением частот в моменты опроса элементов с максимальной освещенностью, что позволяет линейно изменять время накопления сигнала в последовательно расположенных элементах приемника и устанавливать его максимальным для элементов с низкой освещенностью и минимальным для элементов с высокой освещенностью, выравнивая, таки образом, уровни сигнала элементов с разной освещенностью и повышая точность фотометрирования), заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена функциональная схема устройства фотометрирования, на фиг. 2 функциональная схема фотодиодного приемника, на фиг. 3 принципиальная схема его ячейки, на фиг. 4 возможная функциональная схема формирователя управляющих импульсов, на фиг. 5 возможная функциональная схема вычислительного устройства, на фиг. 6, 7 временные диаграммы, поясняющие работу устройства при проецировании картины с максимумом освещенности на край фотоприемника и в его центр, на фиг. 8, 9 примеры регистрации изображений дифракционных картин с помощью предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство фотометрирования содержит фотодиодный приемник изображения (ФДП) 1, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, вычислительное устройство (ВУ) 3, генератор тактовых импульсов 4, формирователь импульсов управления 5 и два программируемых интервальных таймера (ПИТ) 6, 7. При этом тактовые входы стирания и считывания ФДП 1 соединены, соответственно, с первыми 12 и вторыми 13 тактовыми выходами формирователя импульсов управления 5, строчный вход стирания ФДП 1 объединен с входом запуска второго ПИТ 6 и подключен к третьему тактовому выходу 14 формирователя импульсов управления 5, четвертый тактовый выход 15 которого соединен с входом запуска АЦП 2, сигнальный вход АЦП 2 подключен к выходу ФДП 1, а его информационные выходы и выход конца преобразования соединения, соответственно, с информационными входами 16 и первым тактовым входом 17 ВУ 3. Информационные выходы 19, первый и второй выходы записи 20, 21 подключены в порядке перечисления к информационным входам и входам записи первого и второго ПИТ 6, 7, а выходы управления и запуска соединены с одноименными входами формирователя импульсов управления 5. Первый тактовый вход формирователя 5 объединен с тактовым входом первого ПИТ 6 и подключен к выходу генератора тактовых импульсов 4, а второй тактовый вход соединен с выходом первого ПИТ 6. Вход строчных импульсов считывания ФДП 1 объединен с вторым тактовым входом 18 ВУ 3 и подключен к выходу второго ПИТ 7, а тактовый вход ПИТ 7 соединен с одним из вторых тактовых выходов формирователя импульсов управления 5. На вход запуска первого ПИТ 6 подан потенциал логической единицы.

Возможна элементная база устройства фотометрирования: линейный фотодиодный приемник ФДП 1 ФУК1Л2 с числом элементов 1024, АЦП 2 К1108ПВ2, время преобразования 2 мкс, число разрядов 12, ПИТ 6, 7 К580ВИ53, содержащий 3 16-разрядных двоичных счетчика со схемами управления и программирования. Генератор тактовых импульсов 4 и формирователь управляющих импульсов 5, возможная схема которого приведена на фиг. 4 могут быть выполнены с использованием логических микросхем серии 555 или 561.

Возможная схема выполнения ВУ 3 на базе микроЭВМ тип ДВК-3 приведена на фиг. 5. (Типовые блоки ЭВМ процессор, стандартные периферийные платы и устройства на фиг. 5 не показаны). В состав ВУ 3 входят шинные приемопередатчики 34, дешифраторы управляющих сигналов ввода-вывода 35, 36, регистр управляющих сигналов 37, триггеры формирования импульса записи 38, 40, мультиплексор управляющих сигналов 42, адресный счетчик 43, буферное ОЗУ 44 и логические элементы 39, 41, 45. При этом выходы шинных приемопередатчиков 34 подключен к входам дешифраторов 35, 36 и регистра 37 управляющих сигналов и одновременно являются информационными выходами 19 ВУ 3. Дешифратор 35 формирует импульс записи информации в регистр 37, импульс J1 сброса адресного счетчика, импульсы записи на выходах 20, 21 и импульс запуска на выходе 11 ВУ 3. Дешифратор 36 формирует импульс считывания состояния флага ОЗУ с выхода триггера 40 и импульс J2 считывания данных из ОЗУ 40. Регистр 37 служит для формирования управляющего сигнала разрешения записи данных в ОЗУ и управляющего сигнала режима считывания на входе элемента ИЛИ 45. Триггеры 38, 40 вместе с элементом И-НЕ 39 используются для формирования импульса записи информации в ОЗУ 44 при наличии сигнала разрешения с выхода регистра 37 и при поступлении строчного импульса считывания на второй тактовый вход 18 ВУ3. Адресный счетчик 43 служит для формирования текущего адреса записываемого или считываемого отсчета сигнала, формирования вспомогательного сигнала управления и сигнала переполнения счетчика. Элементная база ВУ3: К589АП26 шинные приемопередатчики 34, К537РУ10 ОЗУ 44, все остальные элементы могут быть выполнены на базе функциональных устройств, входящих в состав микросхем 555 серии.

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

Устройство работает следующим образом.

В начале работы устройства ВУ 3 с помощью регистра 37 и дешифратора 35 управляющих сигналов (фиг. 5) устанавливает на информационных выходах 19 и записывает в ПИТ 6, 7 коды режимов и параметры работы его счетчиков. При этом расположение фотометрируемого изображения с выраженным максимумом пространственного распределения освещенности учитывается следующим образом.

При регистрации изображения с освещенностью, монотонно спадающий от одного края фотоприемника до другого, в частности, одного из крыльев дифракционной картины (фиг. 6) ФДП 1 устанавливается таким образом, чтобы направление уменьшения освещенности изображения совпадало с направлением увеличения порядкового номера элементов. В этом случае для компенсации уменьшения освещенности время накопления сигнала в каждом последовательно считываемом элементе должно непрерывно возрастать. Такое возрастание обеспечивается уменьшением частоты тактовых импульсов считывания по сравнению с частотой тактовых импульсов стирания. Определим такой режим работы устройства для дальнейшего описания, как режим 1.

При регистрации изображения с выраженным максимумом в центре фотоприемника, в частности обоих крыльев дифракционной картины (фиг. 7), время накопления сигнала должно уменьшаться от максимального до минимального при считывании сигналов элементов первой половины приемника и возрастать при считывании сигналов элементов второй половины. Такое изменение обеспечивается в предлагаемом устройстве уменьшением частоты тактовых импульсов стирания по сравнению с частотой импульсов считывания для первой половины элементов ФДП 1 и изменением соотношения частот указанных импульсов на противоположное для второй половины элементов. Определим такой режим работы устройства, как режим 2.

Изменение режимов работы устройства фотометрирования производится путем подачи соответствующего сигнала с второго выхода регистра 37 ВУ 3 (фиг. 5) на фход элемента ИЛИ 45. Так, в частности, при подаче сигнала логической единицы на выходе элемента ИЛИ 45 постоянно будет установлен аналогичный сигнал. При подаче на вход элемента ИЛИ 45 сигнала нулевого уровня сигнал на его выходе, а значит и на выходе управления 10 ВУ 3, будет изменяться синхронно с сигналом на выходе старшего разряда адресного счетчика 43, т.е. при считывании первой половины элементов он будет равен нулю, при считывании второй половины единице. Изменение частот тактовых импульсов стирания и считывания обеспечивается с помощью первого ПИТ 6, который программируется на работу в режиме делителя частоты с коэффициентом деления



где T_н.макс,T_н.мин. диапазон изменения времени накопления,

T_o период тактовых импульсов на входе ПИТ 6,

N_эл. число элементов ФДП 1,

K=1 при работе в режиме 1,

K=2 при работе в режиме 2.

Второй ПИТ 7 программируется на работу в режиме задержки входного импульса с числом тактов задержки

N₂ T_н.нач./(T_оN),

где T_н.нач. время накопления сигнала в первом элементе ФДП 1,

T_н.нач.=T_н.мин. при работе в режиме 1,

T_н.нач.=T_н.макс. при работе в режиме 2,

N=N₁ при работе в режиме 1, N=8 при работе в режиме 2.

После установки режимов работы и программирования ПИТ 6, 7 ВУ 3 формирует на выходе 11 импульс запуска, который устанавливает в нулевое состояние триггеры 29, 30, 33 и в единичное состояние триггер 32 формирователя управляющих импульсов 5 (фиг. 4), синхронизируя таким образом формирование тактовых и строчных импульсов стирания и считывания. При отсчете на выходе триггера 29 одного периода тактовых импульсов стирания триггер 30 переключается в единичное состояние и устанавливает триггер 32 в нулевое состояние, завершая, таким образом, формирование строчного импульса стирания. Строчный импульс стирания 14 в совокупности с тактовыми импульсами стирания 12, подаваемыми с первых тактовых выходов формирователя управляющих импульсов 5, инициирует последовательное стирание сигналов в элементах (ячейках) этого приемника с помощью сдвигающего регистра стирания 22 (фиг. 2). Непосредственно в ячейке ФДП 1 (фиг. 3) стирание (зарядка емкости обратносмещенного фотодиода VD до напряжения Eсм) производится с помощью коммутации транзистора VT1. Импульс стирания запускает также второй ПИТ 7, который через время задержки, равное T_н.нач., формирует строчный импульс считывания. Строчный импульс считывания с выхода второго ПИТ 7 поступает на соответствующий вход ФДП и в совокупности с тактовыми импульсами считывания, поступающими с вторых тактовых выходов 13 формирователя управляющих импульсов 5, производит считывание сигналов элементов этого приемника с помощью сдвигающего регистра считывания 23. В ячейке приемника (фиг. 3) считывание осуществляется через истоковый повторитель на транзисторе VT2 при подключении транзистора VT3 к выходной шине ФДП 1.

Формирование тактовых и строчных импульсов в формирователе управляющих импульсов 5 осуществляется следующим образом. При установке на входе управления 10 формирователя 5 сигнала логической единицы (режим 1) мультиплексор 24 (фиг. 4) включается на передачу сигналов с первых входов. При этом на первых тактовых выходах 12 (на выходе триггера 29) формируются тактовые импульсы стирания с периодом T_{о стир.} 28 T_о, где T_о период тактовых импульсов на первом тактовом входе формирователя управляющих импульсов 5. В это же время на вторых тактовых выходах 13 (на выходах триггера 33) формируются тактовые импульсы считывания с периодом T_{о счит.} 2N₁T_o. Поскольку N₁>8, то частота тактовых импульсов считывания ниже частоты тактовых импульсов стирания и данное соотношение сохраняется до конца считывания сигнала. Такое отличие частот, как это видно из фиг. 6, приводит при работе устройства фотометрирования в режиме 1 к линейному возрастанию времени накопления сигнала для последовательно считываемых элементов ФДП 1. Приращение времени накопления при считывании одного элемента ФДП 1 составляет

T_o= (N₁-8)T_o (3)

При работе устройства в режиме 2 на входе выбора управления блока формирования управляющих импульсов 5 устанавливается сигнал логического нуля с выхода старшего разряда предварительно сброшенного адресного счетчика 43 ВУ 3. При этом имеет место соотношение частот тактовых импульсов стирания и считывания обратное соотношению частот в режиме 1, вследствие чего время накопления для последовательно считываемых элементов уменьшается от максимального значения до минимального. При считывании половины элементов ФДП 1 происходит переключение сигнала старшего разряда адресного счетчика в единичное состояние и блок опроса начинает работать по описанному выше режиму работы 1, т.е. с линейным увеличением времени накопления. Дешифратор 31 формирователя 5 служит для формирования импульсов запуска АЦП, задержанных на определенный интервал относительно фронтов тактовых импульсов считывания.

Для подготовки записи отсчетов сигнала ФДП 1 в ЭВМ ВУ 3 регистр 37 формирует на первом выходе сигнал низкого уровня, который, поступая на вход сброса триггера 38 устанавливает его в нулевое состояние и низким уровнем сигнала с прямого выхода блокирует прохождение строчных импульсов считывания с второго тактового входа 18 ВУ 3 через элемент И-НЕ 39 на вход сброса триггера 40. Если триггер 40 находился в этот момент в нулевом состоянии, низкий уровень сигнала с его выхода разрешает прохождение тактовых импульсов с первого тактового входа 17 ВУ 3 через мультиплексор 42 на вход адресного счетчика 43 и сигналом переполнения с выхода этого счетчика триггер 40 устанавливается в единичное состояние.

Запись отсчетов сигнала ФДП 1 в ЭВМ ВУ 3 производится через буферное ОЗУ со стековой организацией. Цикл записи инициируется подачей сигнала логической единицы с первого выхода регистра 37 на вход сброса триггера 38. Первым приходящим после этого строчным импульсом считывания с второго тактового входа 18 ВУ 3 триггер 38 устанавливается в единичное состояние и высоким уровнем сигнала с прямого выхода разрешает прохождение импульса считывания через элемент И-НЕ 39 на вход сброса триггера 40. При переходе триггера 40 в нулевое состояние сигналом низкого уровня с его выхода ОЗУ 44 устанавливается в режим записи, а мультиплексор 42 на передачу сигналов с первых входов. Строчный импульс считывания с выхода элемента И-НЕ 39, проходя через мультиплексор 42, устанавливает адресный счетчик 43 в нулевое состояние. Запись отсчетов сигнала в ячейки ОЗУ с последовательно возрастающим адресом производится с помощью импульса конца преобразования, поступающего с первого тактового входа 17 ВУ 3 через мультиплексор 42 на счетный вход адресного счетчика 43 и вход выборки ОЗУ 44. После поступления на адресный счетчик 43 импульсов, количество которых равно количеству элементов ФДП 1, сигналом с выхода переполнения этого счетчика триггер 40 устанавливается в единичное состояние, снимая при этом импульс записи с входа ОЗУ 44 и переключая мультиплексор 42 на передачу сигналов с вторых входов. Низким уровнем сигнала с первого выхода регистра 37 триггер 38 устанавливается в нулевое состояние и блокирует прохождение строчных импульсов считывания через элемент И-НЕ 39 на вход сброса триггера 40.

Начало и окончание формирования импульса записи ЭВМ ВУ 3 определяет с помощью программного опроса состояния триггера 40 путем подачи импульсов ввода с первого выхода дешифратора 36 на вход элемента И 41.

Цикл считывания отсчетов сигнала из ОЗУ 44 в ЭВМ ВУ 3 начинается с подачи импульса J1 с выхода дешифратора 35 через мультиплексор 42 на вход сброса адресного счетчика 43. Счетчик устанавливается в нулевое состояние, после чего на его счетный вход и на вход выборки ОЗУ 44 также через мультиплексор 42 начинают подаваться импульсы J2 считывания с выхода дешифратора 36. После подачи заданного числа импульсов отсчеты сигнала ФДП 1, пропорциональные времени накопления и освещенности соответствующих элементов, будут введены в ЭВМ. Для расчета освещенности элементов необходимо пронормировать величину сигнала к времени накопления, за которое этот сигнал сформировался.

При работе в режиме 1 (при T_{о счит}>T_{о стир}) величина времени накопления i-го элемента может быть рассчитана следующим образом (фиг. 6)

T_н.i T_{н. нач.} + i(N₁ 8)T_o. (4)

В режиме 2 расчет времени накопления должен производиться иначе

T_н.i T_{н. нач.} i(N₁ 8)T_o при i<N/2 (5)

T_н.i T_{н. нач.} (N_эл i)(N₁ - 8)T_o при i>N_эл/2 (6)

В обоих случаях освещенность i-го элемента в относительных единицах и относительная погрешность измерения освещенности будут рассчитываться по следующим формулам



Очевидно, что при регистрации сигнала с постоянным временем накопления относительная погрешность измерения освещенности будет возрастать для участков изображения с низкой освещенностью вследствие низкого уровня сигнала. В предлагаемом устройстве фотометрирования время накопления линейно возрастает для участков изображения с детерминированно убывающей освещенностью и наоборот, в случае необходимости, линейно убывает при возрастании освещенности. Такое изменение времени накопления позволяет выравнять уровень сигнала ФДП 1 и уменьшить относительную погрешность измерения освещенности с низким уровнем. Примеры регистрации изображений дифракционных картин с помощью предлагаемого устройства фотометрирования для случая монотонного уменьшения освещенности по длине фотоприемника и для случая нахождения максимума освещенности в центре фотоприемника приведены на фиг. 8,9. В левом окне данных графиков приведены сигналы на выходе ФДП 1 при работе устройства фотометрирования в режиме работы с постоянным для всех элементов временем накопления, а в правом окне при работе предлагаемого устройства фотометрирования с линейно изменяющимся по элементам фотоприемника временем накопления соответственно в режиме работы 1 (фиг. 8) и в режиме 2 (фиг. 9).

Диапазон возможных изменений времени накопления ограничен сверху, так же как и в прототипе, временем, при котором существенно возрастает темновой сигнал, однако минимальное время накопления ограничено только разностью периодов тактовых импульсов стирания или считывания и составляет в предельном случае величину порядка нескольких десятков микросекунд. Таким образом, возможный диапазон освещенностей, которые могут быть измерены с помощью предлагаемого устройства фотометрирования с одинаковой относительной погрешностью, составляет 200 500.