УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ КАДРОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ С РАЗЛИЧНЫМИ ВЫДЕРЖКАМИ И ПРОИЗВОЛЬНЫМИ ЗАДЕРЖКАМИ МЕЖДУ КАДРАМИ
DEVICE FOR GENERATING SEQUENCE OF IMAGE FRAMES WITH DIFFERENT EXPOSURE AND ARBITRARY DELAY BETWEEN FRAMES

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к области электронно-оптических преобразований, и может быть использовано в системах регистрации быстропротекающих процессов.
Известно устройство для получения последовательности кадров изображения (Sameerv. V Tipnis, V.V.Nagarkar, V.Gaysinskiy, S.R.Miller and I. Shestakova "High-Speed X-ray Imaging Camera for Time-Resolved Diffraction Studies" pp.2415-2419, IEEE Transactions on nuclear science Vol.49, No 5, October 2002), содержащее оптически связанные и последовательно соединенные оптоволоконный преобразователь рентгеновского излучения в видимый свет, электронно-оптический преобразователь и камеру с матричным фотоприемником на ПЗС, включающим в себя область фотоэлектрического преобразования оптического изображения в зарядовые пакеты и область буферного хранения зарядовых пакетов и работающим в режиме переноса зарядовых пакетов из области фотоэлектрического преобразования в область буферного хранения. Поскольку матричный фотоприемник на ПЗС имеет одну область фотоэлектрического преобразования и одну область буферного хранения зарядовых пакетов, то прежде чем получить следующий кадр, необходимо последовательно переместить зарядовые пакеты предыдущего кадра из всех строк области фотоэлектрического преобразования в область буферного хранения, при этом время между кадрами составит Т=N×V=512 строк × 0,8 мкс/строк = 409,6 мкс, где N=512 число строк в области фотоэлектрического преобразования, V=0,8 мкс/строку - скорость сдвига зарядовых пакетов одной строки в область буферного хранения. Таким образом, кадр переносится в область буферного хранения за 409,6 мкс. Длительность выдержки определяется длительностью импульса рентгеновского излучения.
Разработаны и производятся ПЗС матрицы с буферизацией столбцов (См. Description SONY ICX415AL diagonal 8mm (Type ½) interline CCD solid-state image sensor), в них используется буферный параллельный регистр сдвига, ПЗС-элементы которого скрыты под непрозрачным покрытием. Столбцы буферного параллельного регистра сдвига «перетасованы» между столбцами основного (фоточувствительного) регистра. В результате рядом с каждым столбцом основного регистра находится столбец буфера, а сразу же после экспонирования заряды перемещаются из основного регистра в буферный и всего за один рабочий цикл попадают в буферный регистр, целиком и полностью освобождая потенциальные ямы для следующего экспонирования. Для матрицы SONY ICX415AL время перемещения составляет около 1,3 мкс.
Задача изобретения - создание устройства для получения последовательности кадров с наносекундными длительностями кадров изображения и с произвольными временами между кадрами.
Техническим результатом является возможность задания произвольной, от единиц наносекунд, выдержки каждого кадра и возможность задания произвольного интервала времени между кадрами в устройстве для получения последовательных кадров изображения.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для получения последовательности кадров изображения с наносекундной выдержкой каждого кадра и с произвольным интервалом времени между кадрами, содержащем расщепитель изображения и два канала регистрации изображения, каждый из которых состоит из ЭОП, ПЗС камеры, генератора, новым является то, что формирование двух кадров изображения осуществляется комбинаций времени открывания ЭОП и ПЗС камеры, причем камера работает в «двухкадровом» режиме, т.е. второй кадр начинается сразу после переноса первого кадра в буферный регистр.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства. Фиг.2 - временная диаграмма работы устройства при подаче на затвор ЭОП двух импульсов, фиг.3 - временная диаграмма работы устройства при подаче на затвор ЭОП одного импульса. Устройство работает следующим образом.
Оптическое изображение из формирователя 1 (объектив или монохроматор) поступает на расщепитель 2 (полупрозрачное зеркало). С выхода расщепителя пучки попадают на входы канала А и канала В.
Рассмотрим работу канала А регистрации изображения. Программируемый генератор серии импульсов при поступлении запускающего импульса выдает импульсы на затвор ЭОП и импульс на запуск камеры. Относительные задержки и длительности каждого импульса устанавливаются произвольно.
A1
A2
A3
A4
Изображение проецируется на входное окно ЭОП. В исходном состоянии затвор ЭОП закрыт и изображение на выходе ЭОП отсутствует. ЭОП работает в импульсном режиме, это значит, что изображение на выходе ЭОП появляется только при подаче на затвор электрического импульса от генератора. Изображение на выходе ЭОП формируется от момента t до t и от t до t. Изображение на выходе ЭОП регистрируется камерой А.
0
0
A1
0
А2
А4
А3
А1
А2
А1
A1
А2
А3
А4
Камера А представляет собой ПЗС матрицу с буферизацией столбцов и системой считывания изображения из ПЗС матрицы. Программируется длительность первого и второго кадров камеры, и камера находится в режиме ожидания запускающего импульса. Камера запускается фронтом t внешнего электрического импульса и через некоторое время Δτ=T-t регистрирует два последовательных кадра, причем второй кадр (длительностью ΔТ=Т-Т) начинается сразу после того, как первый кадр (длительностью ΔТ=Т-Т) перемещается в буферный параллельный регистр сдвига ПЗС матрицы. Здесь T- момент начала первого кадра, Т- момент конца первого кадра, Т- момент начала второго кадра, Т- момент конца второго кадра. Задержка между кадрами камеры определяется временем перемещения первого кадра в буферный параллельный регистр ПЗС матрицы (для матрицы SONY ICX415 это около 1,3 мксек.).
a1
A1
A2
A2
A3
A3
A4
A4
A1
A2
a1
A2
A4
A3
Условием правильной работы канала регистрации изображения в режиме подачи двух импульсов на затвор ЭОП является то, что ЭОП первым импульсом генератора открывается в течение первого кадра камеры, а вторым импульсом генератора открывается в течение второго кадра камеры: t≥T, t≤T, t≥T, t≤T (см. фиг.2а и фиг.2б). Таким образом, итоговая выдержка канала регистратора А будет для первого кадра Δτ=t-t, для второго кадра Δτ=t-t.
a1
A1
A2
A2
A3
A3
A4
A4
A1
A2
A1
A2
A2
A3
Если на затвор ЭОП подается только один открывающий импульс (см. фиг.3), вырабатывается два кадра с фиксированным временем задержки (это время равно времени перемещения первого кадра в буферный параллельный регистр ПЗС матрицы) между кадрами и произвольными длительностями каждого кадра. Для осуществления этого режима должны выполняться условия: t≥T, t≥T, t≥T, t≤T. В этом случае итоговая выдержка канала регистратора А будет для первого кадра Δτ=T-t, для второго кадра Δτ=t-T (смотри временную диаграмму фиг.3).
B1
B2
B3
B4
B1
B2
B3
B4
Как видно из фиг.2, задавая и t, t, t, t, T, T, T, T, можно получить последовательность кадров изображения с различной выдержкой и произвольными задержками также и для канала изображения В.
Если к моменту поступления второго импульса на затвор ЭОП люминофор его экрана продолжает свечение, во втором кадре получим наложение изображения второго кадра на остаточное изображение первого кадра. Для того чтобы вычесть из изображения второго кадра остаточное изображение первого кадра, необходимо предварительно измерить кривую затухания люминофора.
Заявляемое устройство отличается тремя отличительными признаками, влияющими на достижение технического результата.
Первый - использование ЭОП в качестве затвора, определяющего выдержку, т.е. выдержка определяется длительностью электрического импульса, подаваемого на электроды ЭОП. Это позволяет:
а) получать произвольную выдержку кадра,
б) начало каждого кадра устанавливается произвольно и поэтому один канал может регистрировать изображение в те моменты, когда второй канал является нечувствительным,
в) начало каждого кадра устанавливается произвольно и поэтому один канал может регистрировать изображение в те же моменты, что и второй, это можно использовать для настройки идентичности каналов,
г) работа ЭОП в режиме одного открывающего импульса позволяет использовать импульс микросекундной длительности для получения кадров наносекундных длительностей.
Второй - использование двух каналов для регистрации изображения, что позволяет получить произвольный временной сдвиг между кадрами.
Третий - использование ПЗС матрицы с буферизацией столбцов, что позволяет переместить зарядовые пакеты предыдущего кадра из всех строк области фотоэлектрического преобразования в область буферного охранения за один цикл, то есть за 0,8 мск. Это позволяет уменьшить время между кадрами каждого из каналов регистрации изображения до 0,8 мкс.