КАДРОВЫЙ ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЙ РЕГИСТРАТОР ИМПУЛЬСНОГО СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, и представляет собой устройство, обеспечивающее кадровую регистрацию импульсного светового излучения с выводом зарегистрированного изображения в компьютер, снабженный программным обеспечением, позволяющим производить обработку зарегистрированного изображения и программно управлять режимами работы устройства.
Регистратор может быть использован для определения пространственного распределения импульсного светового излучения, возникающего при физических исследованиях ионизирующего излучения. При исследованиях пространственно-временной структуры светового излучения важными параметрами регистратора являются пространственное разрешение, пороговая чувствительность и динамический диапазон. Расширение динамического диапазона является предметом данного предложения.
Цифровые регистраторы импульсного светового излучения, выполненные на ПЗС-матрице, известны из патентов на полезную модель №№54478, 55523 (1, разработки заявителя - ФГУП НИИИТ).
Известен многоканальный хронографический регистратор одиночных импульсов ионизирующего излучения (2, пат. РФ 1294123 - разработка ФГУП НИИИТ), содержащий электронно-оптический преобразователь (ЭОП), экран которого оптически связан с матрицей приборов с зарядовой связью (ПЗС). Техническим результатом устройства (2) является повышение быстродействия считывания информации с ПЗС-матрицы.
Известен патент Японии №№2280576 от 16.11.1990 г., H04N 5/225,
H04N 04/335, заявитель Hamamatsu Photonics KK "High speed frame shot camera" (3) описывающий устройство высокоскоростной камеры, которая имеет короткую длительность кадра. Камера включает устройство управления, четыре канала, каждый из которых содержит: электронно-оптический преобразователь с микроканальной пластиной (МКП), соединенный посредством волоконно-оптического сопряжения с ПЗС, устройство формирования затворного импульса, видеомагнитофон, входной
объектив, оптический разветвитель, обеспечивающий равномерное деление входного светового потока и его проекцию на фотокатод ЭОП, расположенного в каждом канале. Камера позволяет зарегистрировать большое число кадров изображения с высокой скоростью, что не является задачей предлагаемого технического решения.
Известен патент США (4) №5,694,203 от 02.12.1997 г., H04N 007/00, H04N 005/323, заявитель Kabushikikaisha Wacom "Distance camera device having light gate extracting distance information" описывающий дистанционную камеру, имеющую световой затвор для регистрации удаленной информации. Патент описывает ЭОП, сочлененный с ПЗС-камерой и обеспечивающий воспроизведение изображения удаленного объекта с помощью регистрации отраженного оптического излучения, что также не является задачей предлагаемого технического решения.
Известен патент (5) Японии JP 20000157025, ЕР 1306652 от 02.05.2003 г., G01J 1/42, H04N 5/32, заявитель Hamamatsu Photonics KK "Streak camera apparatus" описывающий устройство хронографической камеры. В решении (5) частично снижены шумы ПЗС только за счет снижения шумов, возникающих во время межстрочного переноса заряда.
Наиболее близким техническим решением к данному предложения является кадровый электронно-оптический регистратор импульсного светового излучения, содержащий ЭО-затвор, состоящий из ЭОП, управляющий вход которого соединен с формирователем длительности кадра, контроллер, блок считывания, состоящий из ПЗС-матрицы, механически сопряженной через ВОП с экраном ЭОП, и блока управления, управляющие входы контроллера и ПЗС-матрицы соединены с соответствующими выходами блока управления, информационный выход которого соединен с компьютером визуализации, блок запуска по пат. (6) США №5,872,595 от 16.02.1999 г., H04N 005/225, H04N 005/238, заявитель Monahan, John F. "Methods and apparatus for providing wide range exposure control for image intensifier cameras".
Динамический диапазон кадровой электронно-оптической камеры расширен за счет использования системы автоматического управления экспозицией, которая вырабатывает три сигнала управления: первый управляющий сигнал регулирует коэффициент усиления самого электронно-оптического преобразователя (напряжение питания МКП), второй управляющий сигнал обеспечивает селективное стробирование электронно-оптического преобразователя, а третий сигнал регулирует коэффициент ослабления входного света, проходящего через объектив. Система для автоматического управления экспозиции, рассматриваемая в изобретении, имеет 10-кратный
управляемый диапазон. Система дает возможность производить измерение экспозиции для ЭОП либо ПЗС по сравнению с той экспозицией, которая задана путем установки. Производимые измерения включают измерение среднего и пикового значений, весовой функции, после чего производится настройка логического автоматического управления экспозицией в следующем порядке: коэффициент усиления электронно-оптического преобразователя изображения, функция длительности затворного импульса и коэффициент ослабления аттенюатора света, обеспечивая в целом настройку системы на строго возрастающий либо изменяющийся световой поток от объекта наблюдения. Патент описывает реализацию процесса управления параметрами электронно-оптической камеры за счет использования свойств МКП. Решение (6) применимо для непрерывно-поступающего светового излучения.
Техническим результатом предлагаемого кадрового электронно-оптического регистратора импульсного светового излучения является расширение динамического диапазона благодаря согласованию коэффициента усиления ЭОП и времени накопления ПЗС-датчика.
Технический результат в кадровом электронно-оптическом регистраторе импульсного светового излучения, содержащем ЭО-затвор, управляющий вход ЭОПа которого соединен с выходом формирователя длительности кадра, контроллер, блок считывания, состоящий из взаимосвязанных блока управления и ПЗС-матрицы, механически сопряженной с экраном ЭОПа, блок управления взаимосвязан с контроллером и с компьютером визуализации, блок запуска, достигается тем, что, в регистратор введены последовательно соединенные детектор светового излучения и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), причем светочувствительные входы детектора и ЭОПа оптически связаны с регистрируемым импульсным световым излучением, выход АЦП соединен со входом контроллера, выход которого соединен с управляющим входом формирователя длительности кадра, выход блока запуска соединен с управляющим входом контроллера.
Существо данного предложения заключается в использовании информационного светового сигнала, регулирующего коэффициент усиления ЭОПа и время накопления ПЗС-матрицы, без потери пространственного разрешения регистратора. Регулировка тех же параметров в устройстве-прототипе производится по выходному сигналу с устройства считывания, что не позволяет работать в режиме регистрации однократного светового импульса.
Блок-схема предлагаемой полезной модели представлена на фиг 1, на фиг.2 представлена блок-схема контроллера 7, на фиг.3 представлены временные диаграммы, Тонкими линиями на фиг.1 и фиг.2 обозначены одиночные связи, а толстыми - групповые - магистрали.
Принятые обозначения на фиг.1: объектив 1, детектор 2, ЭОП 3, формирователь длительности кадра 4, АЦП 5, ПЗС-матрица 6, контроллер 7, блок управления 8, компьютер визуализации 9, блок запуска 10, ЭО-затвор, состоящий из ЭОПа 3 и формирователя длительности кадров 4 обозначен позицией 11, блок считывания, состоящий из ПЗС-матрицы 6 и блока управления 8, обозначен позицией 12.
В качестве электронно-оптического преобразователя 3 применен ЭОП типа "Бозон М" со встроенной микроканальной пластиной фирмы ОАО ВНИИЭПр. Формирователь длительности кадра 4 содержит высоковольтный источник питания, управляемый низковольтным аналоговым сигналом, реализованный на схемах серии Brandenburg 590-224/409, цифро-аналоговый преобразователь - ЦАП, реализованный на микросхемах типа AD 9748 фирмы Analog Devises, и формирователь затворного импульса на основе IGBT - транзисторов фирмы International Rectifier.
Сигнал с выхода формирователя 4 длительности управляет параметрами ЭОПа (коэффициент усиления, задержка запуска и длительность кадра).
ПЗС-матрица 6 выполнена на микросхеме ISD017APF НПП "Электрон-Оптроник" Блок управления 8 представляет собой логическое устройство, реализованное на ПЛИС фирмы ALTERA EPM7512BTC144-7. Схемы управления переносом заряда в секциях и регистрах ПЗС-матрицы построены на электронных ключах типа EL7457CS и EL7156CS фирмы Elantec., MAX312CSE (maxim), микросхемах формирования уровней MAX1659ESA (MAXIM), MC79L05ACD (ON SEMICONDUCTOR), LP2951ACM (NATIONAL SEMICONDUCTOR)
Контроллер 7 представляет логическое устройство (фиг.2), реализовано конкретно для заявляемого регистратора. Его функции и конкретная реализация отличаются от контроллера устройства-прототипа. Контроллер 7 состоит из дешифраторов 13, 14, регистров 15, 16, формирователя задержки запуска 17, формирователя импульса конца кадра 18. Дешифраторы 13 и 14, регистры 15 и 16 выполнены на ПЛИС типа EPM7064BLCLU-3 фирмы Altera. Блок формирования задержки запуска 17 и блок формирования импульса конца кадра 18 выполнены на ПЛИС фирмы Altera совместно с
«быстрыми» линиями задержки - кабелями с определенными характеристиками и с быстродействующими транзисторными каскадами - эмиттерными повторителями.
Блок запуска 10 представляет пороговое устройство, реализованное на транзисторах 2Т363, 2Т913 и высокочастотных импульсных трансформаторах.
Детектор 2 представляет собой фотоприемное устройство с линейной переходной функцией от входного излучения, например, типа СДФ14 или СДФ15 производства ФГУПНИИИТ.
Кадровый электронно-оптический регистратор импульсного светового излучения работает следующим образом.
Импульсное световое излучение через объектив 1 (например, типа Юпитер-9) попадает на экран ЭОПа 3, контактно сопряженный с ПЗС матрицей 6. Блок управления 8 обеспечивает считывание изображения с ПЗС матрицы 6 и управляет контроллером 7, который задает параметры работы электронно-оптического преобразователя 3 - длительность кадра и задержку запуска.
Детектор 2 преобразует световое излучение в аналоговый сигнал, который поступает на АЦП 5. Детектор 2 и АЦП 5 работают в непрерывном режиме, постоянно выдавая информацию о входном световом воздействии.
з
С приходом пускового импульса (диаграмма 3А) от блока запуска 10 включается блок формирования задержки запуска 17, который через заданный интервал времени Т вырабатывает управляющий импульс (диаграмма 3Б). Этот импульс:
- поступает на регистр 15 и фиксирует в нем значений кода времени накопления ПЗС-матрицы 6 (диаграмма 3Д);
- поступает на регистр 16 и фиксирует в нем значение кода, определяющее коэффициент усиления ЭОП при его открывании (диаграмма 3Е);
- поступает на формирователь 4 длительности кадров, который начинает формирование затворного импульса;
н
- поступает на блок управления 8 и устанавливает ПЗС-матрицу 6 в режим накопления со значением Т, зафиксированном в регистре 15 (диаграмма 3Г);
- поступает на блок формирования 18 импульса конца кадра, который начинает отсчет времени длительности кадра ЭОП 3.
к
По завершении длительности интервала кадра Т блок формирования импульса конца кадра 18 вырабатывает управляющий импульс (диаграмма 3В), поступающий на блок формирования длительности кадра 4, который по этому импульсу завершает формирование затворного импульса ЭОП.
н
По завершении интервала времени накопления Т блок считывания 12 переходит в режим вывода зарегистрированной информации (диаграмма 3Г) в блок 9.
3
-5
2
Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет регулировать коэффициент усиления ЭО-затвора от 1 до 10, время накопления ПЗС-матрицы от 10 до 1 сек, что обеспечивает расширение динамического диапазона регистрации ~10 раз.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патенты РФ ФГУП НИИИТ №55478, 55523.
2. Патент РФ ФГУП НИИИТ №1294123
3. Патент Японии фирмы Hamamatsu Photonics KK № JP 2280576 от 16.11.1990 г., H04N 5/225, H04N 04/335
4. Патент США фирмы Kabushikikaisha Wacom №5,694,203 от 02.12.1997 г., H04N 007/00, H04N 005/323
5. Патент Японии фирмы Hamamatsu Photonics KK №№20000157025, EP 1306652 от 02.05.2003 г., G01J 1/42, H04N 5/32
6. Патент США, заявитель Monahan. John F. №5,872,595 от 16.02.1999 г., H04N 005/225, H04N 005/238 - прототип