ЦИФРОВОЙ РЕГИСТРАТОР ИМПУЛЬСНОГО СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, и представляет собой устройство для считывания информации, получаемой при регистрации светового излучения. Регистратор может быть использован для определения пространственного распределения импульсного светового излучения, возникающего при физических исследованиях ионизирующего излучения. Регистратор может использоваться также для измерения характеристик электронно-оптических преобразователей при их изготовлении, а также совместно с электронно-оптическим преобразователем для считывания информации с его экрана.
Известны цифровые регистраторы световых и рентгеновских изображений, получаемых с диагностических аппаратов с последующей передачей их в персональный компьютер, выпускаемые отечественной фирмой РАСТР, в них исходное изображение проецируется на ПЗС- датчик с помощью оптической системы. Фирма РАСТР имеет порядка 20 патентов по рассматриваемой тематике, например, 2231233, 2199191, 2072747 (1) и др. Представленные в них устройства используются, как правило, в телевизионной технике, в видеосистемах наблюдения и не решают задач регистрации однократных импульсных процессов. В патенте №2168624 (2) фирмы Растр представлено устройство, использующее вторую секцию накопления, которая связана зарядовой связью с первой секцией накопления для обеспечения рекурсивной фильтрации. Система работает только в режиме непрерывного экспонирования двухсекционной области накопления, причем, наличие второй секции накопления, связанной зарядовой связью с первой секцией накопления не приводит к расширению динамического диапазона.
Цифровые регистраторы импульсных световых и рентгеновских изображений на ПЗС-матрицах являются предметом разработки и исследований заявителя, представленные в изобретениях ФГУП НИИИТ №1117860, 1001499, 1373292, 1503660, 1488855, 1482499, 2140092 (3) и др.
Японская фирма Hamamatsu выпускает цифровые системы считывания для научного применения, в частности, совмещенные с электронно-оптическим усилителем с функцией затвора и без него, например, цифровые системы типа С-4880-20, 21, -50 и др. Используемые ПЗС-матрицы имеют средний формат от 512×512 элементов до 1024×1024 элементов. Во всех системах имеется механический оптический затвор, объектив. Фирма Hamamatsu имеет порядка 17 патентов США на цифровые системы считывания, как правило медицинского назначения, например, патенты США №№6720996 - 2004 г., 6724062 - 2004 г. (4) и др. Фирма Hamamatsu имеет порядка 15 патентов Японии на цифровые системы считывания световых и рентгеновских изображений, использующие ПЗС-датчики среднего формата: от 512×512 элементов до 1024×1024 элементов, например, патенты №№2004134527, 2003172782, 2002360111 (5).
При исследованиях пространственно-временной структуры световых излучений наиболее важными параметрами регистратора являются пространственное разрешение, пороговая чувствительность и динамический диапазон, улучшение которых является предметом данного предложения. Эти параметры определяются не только условиями и режимами работы регистратора, но и форматом ПЗС- матрицы. ПЗС-матрицы большого формата: 2048×2048 элементов выпускают английская фирма E2V Technology и французская фирма Atmel Grenoble. В процессе поиска не обнаружено патентов, описывающих регистраторы, использующие ПЗС-матрицы формата 2048×2048 элементов. В патенте Японии №2004343190 от 2004-12-02 H 04 N 1/407 (6)
представлено устройство, в котором уменьшение темновых токов производится считыванием двух строк ПЗС-матрицы, детектированием уровня фона в основном сигнале и вычитанием фонового сигнала в основном канале. Реализовано это с помощью цепи обратной связи с выхода блока выборки на основной канал, состоящей из детектора фона и дифференциального усилителя.
Наиболее близким техническим решением к данному предложению является регистратор светового излучения, содержащий ПЗС-матрицу, информационный выход которой через первый блок выборки соединен с первым усилителем заряда, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами центрального процессора, АЦП, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом центрального процессора, информационный выход АЦП соединен с входом центрального процессора и входом блока приеме-передачи информации, который соединен с компьютером визуализации, выходы центрального процессора соединены с соответствующими управляющими входами блока приеме-передачи, логического блока согласования уровней, соединенного с управляющим входом ПЗС матрицы, представленный в пат. США №6753920 от 2004 г (7). В регистраторе решается задача расширения динамического диапазона благодаря получению первого и второго информационных сигналов, регистрируемых с одного объекта последовательно два раза с использованием первичной и вторичной стробоскопической вспышки. Этот регистратор не может быть использован для регистрации импульсного светового излучения. Использование односекционной ПЗС- матрицы большого формата (2048×2048 элементов) приведет в регистраторе по пат США к увеличению времени считывания, за которое в ПЗС-матрице произойдет накопление темнового заряда, снижающее пороговую чувствительность и соотношение сигнал/шум, и, следовательно, уменьшающее динамический диапазон регистрации. Повышение скорости считывания
широкоформатной ПЗС-матрицы ограничено ее техническими характеристиками и приводит к уменьшению динамического диапазона.
Техническим результатом предложения является расширение динамического диапазона регистратора, повышение пороговой чувствительности при обеспечении высокого пространственного разрешения.
Технический результат в цифровом регистраторе импульсного светового излучения, содержащем ПЗС-матрицу, информационный выход которой через первый блок выборки соединен с первым усилителем заряда, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами центрального процессора, АЦП, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом центрального процессора, информационный выход АЦП соединен с входом центрального процессора и входом блока приемо-передачи информации, который соединен с компьютером визуализации, выходы центрального процессора соединены с соответствующими управляющими входами блока приемо-передачи, логического блока согласования уровней, соединенного с управляющим входом ПЗС матрицы, достигается тем, что в регистраторе ПЗС-матрица выполнена из двух секций, не связанных зарядовой связью, и расположенных друг от друга на расстоянии одного пикселя ПЗС- матрицы и не влияющем на однородность изображения регистрируемого светового импульса, а к регистратор введены второй блок выборки, второй усилитель заряда и аналоговый мультиплексор, причем управляющие входы второго блока выборки я второго усилителя и мультиплексора соединены с соответствующими управляющими выходами центрального процессора, информационный выход каждой секции ПЗС-матрицы через последовательно соединенные блок выборки и усилитель соединен с соответствующим входом аналогового мультиплексора, выход которого соединен со входом АЦП, управляющий вход каждой секции ПЗС- матрицы через соответствующий логический блок согласования уровней соединен с управляющим выходом центрального процессора.
Существо данного предложения заключается в повышении в 2 раза скорости считывания заряда с ПЗС-матрицы, что снижает величину накопленного темнового заряда, являющегося одним из основных факторов снижения пороговой чувствительности и сокращения динамического диапазона. Большой формат ПЗС-матрицы (2048×2048 элементов) обеспечивает высокое пространственное разрешение.
Блок-схема предлагаемой полезной модели представлена на фиг.1, на фиг.2 представлена блок-схема, на которой раскрыто выполнение центрального процессора и блока приемо- передачи информации на уровне блоков, не участвующих в формуле полезной модели.
Регистратор содержит ПЗС матрицу 1, логические блоки - драйверы 2, 3 согласования уровней, блоки 4, 5 выборки-хранения, усилители 6, 7, мультиплексор 8, АЦП 9, центральный процессор 10, блок 11 приемо-передачи информации, компьютер визуализации 12, секции ПЗС-матрицы обозначены позициями 13, 14.
ПЗС матрица 1 выполнена из двух секций 13 и 14, не связанных зарядовой связью, и расположенных друг от друга на расстоянии одного пикселя ПЗС матрицы, не влияющем на однородность изображения регистрируемого светового импульса, и может быть выполнена на микросхеме типа ТН7899М фирмы Atmel Grenoble (Франция). Драйверы 2, 3 представляют собой преобразователи уровней и служат для управления переносом заряда в секциях и регистрах ПЗС и могут быть построены на электронных ключах EL7457CS и EL7156GS (Elantec), MAX312CSE и MAX1659ESA (Maxim), MC79L05ACD (On Semiconductor), LP2951ACM (National Semiconductor).
Усилители 6, 7 могут быть выполнены на основе микросхем AD812AR (Analog Devises). Блоки выборки-хранения 4, 5 предназначены для хранения заряда с информационного выхода каждой секции ПЗС матрицы и могут быть выполнены на пассивных RC элементах. Аналоговый мультиплексор 8, (MAX35S фирмы Maxim), служит устройством последовательной коммутации аналоговых каналов на входе АЦП 9, который обеспечивает преобразование аналогового сигнала в цифровой код и может быть реализован как АЦП конвейерного типа с двойной коррелированной выборкой типа AD9826KRS фирмы Analog Devises.
Центральный процессор 10 служит для формирования управляющих сигналов на драйверы 2, 3, на блоки выборки - хранения 4, 5, на усилители 6, 7 мультиплексора 8 АЦП 9 и передачи информационных кодов в блок приемо-передачи 11. Управляющие сигналы центрального процессора фунционально различны, поступают на управляемые блоки в различные моменты времени по магистралям. Как видно из фиг.2, центральный процессор содержит блок запуска, блок памяти, блок управления, регистры режимов работы, сиилрогенератор, в состав которого входит арифметико-логическое устройство. Блок приеме- передачи информации 11 содержит буферы, процессор, контроллер Ethernet, трансивср Ethernet, интерфейс 10BascT, интерфейс 10BascFL. Буферы ирсдсгдвлают собой асинхронную двунаправленную шину передачи данных. Процессор TCP/IP обеспечивает транспортные протоколы передачи данных стандарта TCP/IP. Контроллер Ethernet обеспечивает протоколы физического уровня среды Ethernet и имеет внешний интерфейс 10BaseT (витая пара). Трансивер обеспечивает согласование двух сред: витой пары и оптоволоконного кабеля.
Синхронную работу блоков и регистратора в целом определяет программно-математическое обеспечение ПМО, заложенное в блоки 10 и 11.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом.
На двухсекционную ПЗС матрицу 1 проецируется регистрируемое изображение. Центральный процессор 10, срабатывающий от внешнего запуска, вырабатывает управляющие сигналы на драйверы 2, 3 и ПЗС матрица 1 - ее каждая секция 13, 14 переходит в режим накопления. Оптическое изображение преобразуется в каждой секции 13, 14 ПЗС- матрицы 1 в зарядовое изображение. После окончания импульса светового излучения центральный процессор 10 с помощью управляющих сигналов на драйверы 2, 3 переводит секции 13, 14 ПЗС матрицы 1 в режим считывания. Захват информационных зарядов с выходов секций 13, 14 ПЗС-матрицы 1 осуществляется по тактовым сигналам центрального процессора 10, одновременно. Если в секции 13 считывание производят с верхней строки, то в секции 14 - с нижней строки. Заряды, сохраненные в блоках выборки-хранения 4, 5 после усиления усилителями 6, 7 с
программируемыми коэффициентами усиления, поступают на входы мультиплексора 8. На оба входа аналогового мультиплексора 8 одновременно поступают заряды, считанные с каждой секции 13, 14 ПЗС-матрицы 1. Аналоговый мультиплексор 8 обеспечивает последовательную подачу сигналов из двух каналов на вход АЦП 9. На выходе АЦП получается цифровой код, соответствующий одному пикселю регистрируемого светового излучения. Затем полученный цифровой код поступает в центральный процессор 10, в котором сохраняется и накапливается в блоке памяти DRAM. По запросу с удаленного компьютера визуализации информация передается через блок приемо-передачи информации 11 в компьютер визуализации 12. В компьютере 12 производится обработка информации; сортировка полученных кодов и графическое отображение зарегистрированного светового импульсного излучения.
Таким образом, к предложении заявителя время считывания информационного сигнала с ПЗС матрицы по сравнению с прототипом уменьшено в два раза. Это является существенным фактором, т.к. для регистрации пространственной структуры светового излучения использована ПЗС матрица большого формата 2048×2048. Соответственно, уменьшено время накопления темнового заряда в ПЗС матрице, что приводит к повышению пороговой чувствительности и расширению динамического диапазона при обеспечении высокого пространственного разрешения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патенты РФ фирмы РАСТР №№2231233, 2199191, 2072747 - H 04 N 5/30
2. Патент фирмы Растр №2168624 H 04 N 5/30
3. Патенты РФ ФГУПНИИИТ №1117860, 1001499, 1373292, 1503660, 1488855, 1482499, 2140092 - H 04 N 5/30
4. Патенты США фирмы Hamamatsu №№6720996, 6724062, H 04 N 7/00 - 2004 г.
5. Патенты Японии №№2004134527, 2003172782, 2002360111, H 04 N 7/00
6. Патент Японии №2004343190 от 2004-12-02 H 04 N 5/30
7. Патент США №6753920 H 04 N 5/222, 2004 г. - прототип