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.
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 (1)и др.
Японская фирма Hamamatsu выпускает цифровые системы считывания световых и рентгеновских изображений для научного применения, например, цифровые системы типа С-4880-20, 21, -50 и др.
Известны патенты США фирмы Hamamatsu на цифровые системы считывания, как правило, медицинского назначения, например, №№6720996 - 2004 г., 6724062 - 2004 г. (2) и др. Фирма Hamamatsu имеет патенты Японии на цифровые системы считывания световых и рентгеновских изображений, например, №№ 2004134527, 2003172782 (3).
При исследованиях пространственно- временной структуры световых излучений наиболее важными параметрами регистратора является динамический диапазон, расширение которого является предметом данного предложения. При регистрации импульсных световых излучений это особенно существенно, так как увеличение
количества градаций позволяет регистрировать быстропротекающие процессы существенно различаемой интенсивности.
Расширение динамического диапазона является техническим результатом полезной модели (4, заявка ФГУП НИИИТ №2006100885/22 от 10.01.2006, решение о выдаче патента от 10.02.2006), обеспеченное благодаря уменьшению времени считывания информации с ПЗС-матрицы.
Динамический диапазон регистратора определяется несколькими факторами, в число которых входит темновой ток, зависящий от температуры подложки ПЗС-матрицы. Охлаждение ПЗС-матрицы производится, как правило, с помощью термохолодильника, механически сопряженного с подложкой ПЗС-матрицы.
Наиболее близким техническим решением к данному предложению является цифровой регистратор светового излучения, содержащий механически сопряженную подложкой с термоэлектрической батареей ПЗС- матрицу, генератор тока, выход которого подключен ко входу термоэлектрической батареи, информационный выход ПЗС-матрицы через последовательно соединенные блок выборки и хранения и усилитель соединен с информационным входом АЦП, информационный выход которого соединен со входами центрального процессора и блока приеме- передачи информации, который соединен с компьютером визуализации, управляющие входы блока выборки-хранения, усилителя, АЦП и блока приеме-передачи информации соединены с соответствующими управляющими выходами центрального процессора, соответствующий выход которого через логический блок согласования уровней соединен с управляющим входом ПЗС-матрицы (пат. США №4551762, H 04 N 5/16 от 1985 г.) (5) В устройстве (5) использован компаратор, на первый вход которого подают сигнал с выхода блока измерения темнового тока, на второй вход компаратора поступает сигнал порога срабатывания, выход компаратора через управляемый генератор тока соединен с термобатареей. В устройстве (5) охлаждение подложки ПЗС-матрицы регулируется путем измерения
темнового тока, сравнения его с априори заданным значением и последующим управлением режимом работы термобатареи.
Недостатком устройства (5) является фиксированный порог срабатывания компаратора, управляющий термобатареей. Задание фиксированного порога срабатывания может приводить к логическим ошибкам управления, снижать эффективность использования термобатареи и, следовательно, к уменьшению динамического диапазона регистратора. Кроме того, аналоговая схема измерения темнового тока, выделяющая темновую составляющую из полезного сигнала, имеет погрешность, величина которой зависит от интенсивности засвечивания объекта регистрации.
Техническим результатом предложения является расширение динамического диапазона регистратора благодаря повышению эффективности использования термобатареи и благодаря снижению погрешности выделения составляющей темнового тока.
Технический результат в цифровом регистраторе импульсного светового излучения, содержащем механически сопряженную с кристаллом ПЗС-матрицы, термоэлектрическую батарею, генератор тока, выход которого подключен к управляющему входу термоэлектрической батареи, информационный выход ПЗС-матрицы через последовательно соединенные первый блок выборки и хранения и усилитель соединен с информационным входом первого АЦП, информационный выход которого соединен со входами центрального процессора и блока приеме-передачи информации, который соединен с компьютером визуализации, управляющие входы первого блока выборки-хранения, усилителя, первого АЦП и блока приеме-передачи информации соединены с соответствующими управляющими выходами центрального процессора, соответствующий выход которого через логический блок согласования уровней соединен с управляющим входом ПЗС матрицы, достигается тем, что в регистратор введены последовательно соединенные второй блок выборки и хранения,
второй АЦП, микроконтроллер, ЦАП, выход которого соединен со входом генератора тока, информационный вход второго блока выборки хранения соединен с выходом регистра предсканирования ПЗС-матрицы, второй информационный вход второго АЦП соединен с выходом первого блока выборки и хранения, управляющие входы микроконтроллера, второго АЦП, второго блока выборки и хранения соединены с соответствующими выходами центрального процессора.
Существо данного предложения заключается в анализе информации (на уровне заряда), считанной с ПЗС-матрицы, в оценке величины уровней темнового тока и тока предсканирования, по результатам которых производится изменение режима термоэлектрической батареи, непосредственно влияющего на температуру подложки ПЗС-матрицы, следовательно, на величину темнового заряда. Реализация этого решения в цифровой форме снижает погрешность выделения темнового тока.
Блок-схема предлагаемой полезной модели представлена на фиг 1, выполнение центрального процессора и блока приеме-передачи информации на уровне блоков, не участвующих в формуле полезной модели, представлено в (4).
Регистратор содержит ПЗС матрицу 1, логический блок-драйвер 2 согласования уровней, первый блок выборки-хранения (УВХ) 3, усилитель 4, первый АЦП 5, центральный процессор 6, блок 7 приемо-передачи информации, компьютер визуализации 8, второй блок выборки-хранения 9, второй АЦП 10, микроконтроллер 11, ЦАП 12, управляемый генератор тока 13, термоэлектрическую батарею 14, регистр предсканирования ПЗС-матрицы обозначен позицией 15.
ПЗС матрица 1 - светочувствительный элемент - может быть выполнена на микросхеме типа ТН7899М фирмы Atmel Grenoble (Франция). Блок 2 согласования уровней - драйвер служат для управления переносом заряда в секциях и регистрах ПЗС-матрицы и может быть построен на электронных ключах типа EL7457CS и EL7156CS (Elantec), MAX312CSE и MAX1659ESA (Maxim), MC79L05ACD (On Semiconductor), LP2951ACM (National Semiconductor). Усилитель 4 осуществляют функцию усиления заряда и может быть выполнен на основе микросхем AD812AR (Analog Devises). Блоки выборки-хранения 3,9 могут быть выполнены на пассивных RC элементах. АЦП 5 обеспечивает преобразование аналогового сигнала в цифровой код и может быть
5 реализован как АЦП конвейерного типа AD9826KRS (Analog Devises), второй АЦП 10 может быть представлен на микросхеме AD7825 (Analog Devises). Микроконтроллер 11 может быть выполнен на микросхеме Motorola МС68НС908 и служит для формирования выходного кода в зависимости от значений на входе: цифровых кодов каналов УВХ 3 и 9. ЦАП 11 может быть выполнен на микросхеме ADV7120 (Analog Devises) преобразовывает цифровой код в аналоговый сигнал, управляемый напряжением генератор тока 12 может быть выполнен на микросхеме LM317.
Центральный процессор 6 служит для формирования управляющих сигналов на блок согласования уровней 2, на блоки выборки-хранения 3 и 9, на усилитель 4 и передачи информационных кодов в блок приемо-передачи 7, и далее - на удаленный компьютер визуализации 8. Управляющие сигналы центрального процессора 6 функционально различны, поступают на управляемые блоки в различные моменты времени по магистралям. Функциональные схемы блоков 6 и 7 представлены в (4).
Синхронную работу блоков и регистратора в целом определяет программно-математическое обеспечение ПМО, заложенное в блоки 6 и 7.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом.
На ПЗС матрицу 1 проецируется регистрируемое изображение. Центральный процессор 6, срабатывающий от внешнего запуска, вырабатывает соответствующие управляющие сигналы на драйверы 2. ПЗС матрица 1 переходит в режим накопления. Оптическое изображение объекта преобразуется в секции ПЗС-матрицы 1 в зарядовое изображение. После окончания импульса светового излучения центральный процессор 6 с помощью управляющих сигналов на драйвер 2 секции ПЗС матрицы 1 в режим считывания. Перевод ПЗС 1 в режим считывания приводит к появлению на выходных регистрах служебных неинформационных пикселей - области предсканирования и затемненные области определения уровня темнового тока. Сигнал на выходе регистра предсканирования 15 через УВХ 9 преобразовывается в цифровой код АЦП 10 и считывается микроконтроллером 11, который рассчитывает интегрированное значение величины уровня полученного сигнала. Полученный сигнал является нулевым уровнем темнового тока, ниже которого значение величины темнового тока невозможно по
технологическим параметрам ПЗС кристаллов, и соответственно, для каждой ПЗС матрицы индивидуален. Затемненные (не светочувствительных) пиксели ПЗС матрицы 1 через блок УВХ 3, преобразовывается в цифровой код АЦП 10 и считывается микроконтроллером 11, который рассчитывает интегрированное значение величины уровня темнового сигнала. Микроконтроллер 11, сравнивая средние значения величин темнового тока и тока предсканирования, определяет необходимое значение кода управления термобатарей 14 через ЦАП12 и генератор тока 13. Скорость обрабатывания ("крутизна") полученной обратной связи замкнутой системы определяется программно-математическим обеспечением микроконтроллера. Дальнейшее тактирование ПЗС обеспечивает на выходных регистрах ПЗС матрицы 1 информационных пикселей. Режимы считывания ПЗС матрицы 1 определяются регистрами центрального процессора 6, и информация светочувствительной области ПЗС матрицы 1 сохраняется в блоке выборки-хранения 3 в предопределенные моменты времени, определяемыми синхрогенератором центрального процессора 6 и после усиления усилителем 4 с программируемыми коэффициентами усиления, поступает на входы АЦП 5 с цепью двойной коррелированной выборки. Затем, полученный таким образом цифровой информационный сигнал через блок управления и контроллер памяти сохраняется в памяти центрального процессора 6. По запросу с удаленного компьютера визуализации 8, информация, сохраненная в памяти центрального процессора 6, передается через блок приемо-передачи информации 7 на компьютер визуализации 8, который осуществляет сортировку полученных кодов и графическое отображение зарегистрированного светового излучения.
Таким образом, в предложении заявителя охлаждение ПЗС матрицы осуществляется с помощью сигналов, характеризующих индивидуальные параметры каждой ПЗС матрицы. В этом случае повышается эффективность использования термобатареи по сравнению с прототипом, что приводит к уменьшению величины темнового тока, и, следовательно, расширению динамического диапазона ~ на 15%. Кроме того, в предложенном устройстве реализована цифровая схема измерения темнового тока, что снижает погрешность его измерения с вытекающими последствиями в пользу расширения динамического диапазона.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патенты РФ ФГУП НИИИТ №1117860, 1001499, 1373292, 1503660, 1488855, 1482499, 1140092 - H 04 N 5/30
2. Патенты США фирмы Hamamatsu №№6720996, 6724062, H 04 N 7/00 - 2004 г.
3. Патенты Японии №№2004134527, 2003172782, H 04 N 7/00
4. Заявка на полезную модель ФГУП НИИИТ №2006100885 от 10.01.2006, решение о выдаче патента от 10.02.2006
5. Патент США №4551762 H 04 N 5/16, 1985 - прототип