МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ФОТОДАТЧИК И УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
MULTI-ELEMENT PHOTO TRANSDUCER AND IMAGE RECORDER

Изобретение относится к оптико-электронным устройствам для измерения пространственного распределения оптического излучения и может быть использовано в оптико-электронных системах, преобразующих изображение в электрический сигнал.
Заявленное техническое решение разработано для использования в контрольных устройствах, измеряющих пространственное распределение оптических характеристик, таких как освещенность, коэффициент пропускания, коэффициент отражения. Для контроля пространственного распределения освещенности используются многоэлементные фотодатчики, выполненные в виде одномерных либо двумерных массивов фотоприемников. Одномерные массивы, иначе называемые фотоприемными линейками, состоят из определенного количества фотоприемников, расположенных вдоль прямой линии с постоянным шагом. Прямоугольные двумерные массивы фотоприемников, расположенных с постоянным шагом, обычно называют фотоприемными матрицами. Заявленное изобретение может быть применено к обеим вышеназванным конфигурациям.
Современные многоэлементные фотодатчики построены по принципу считывания фотозаряда, формирующегося в структуре фотодиода либо фототранзистора под действием света. Известно решение, описанное в патенте US 5,097,305 «Интегральный фотодатчик и система изображений с широким рабочим диапазоном» (опубл. 17.03.1992 г.). В нем представлено одно из возможных построений фотоприемной матрицы, основанной на считывании фотозаряда, накопленного в структуре фототранзистора. Фотодатчик содержит множество фотоприемников (фототранзисторов), расположенных в двумерной матрице в виде рядов и столбцов. Для каждого столбца имеется отдельное интегрирующее устройство. Схема вертикальной коммутации фотоприемников поочередно присоединяет фотоприемники, расположенные в столбце, к соответствующему интегрирующему устройству. Каждое интегрирующее устройство содержит накопительный конденсатор, который интегрирует входной ток и формирует выходное напряжение интегрирующего устройства. Фотозаряд, накопленный в структуре фототранзистора, протекает на вход интегрирующего устройства, в результате чего на выходе интегрирующего устройства формируется напряжение, пропорциональное величине фотозаряда. Таким образом реализуется опрос фотоприемников, при этом в завершение периода опроса каждого фотоприемника, перед переходом к опросу следующего датчика в столбце, выходное напряжение интегрирующего устройства обнуляется при помощи аналогового ключа, подсоединенного параллельно накопительному конденсатору.
Схема коммутации обеспечивает построчное присоединение фотоприемников ко входам интегрирующих устройств, за счет чего выходные напряжения интегрирующих устройств пропорциональны уровню засветки фотоприемников этой строки. Дополнительная схема горизонтальной коммутации преобразует набор выходных напряжений интегрирующих устройств в строчный видеосигнал, в котором напряжение каждого интегрирующего устройства передается в течение отдельного временного интервала. Вертикальная и горизонтальная коммутации обеспечивают формирование видеосигнала, соответствующего полному кадру.
Это решение выбрано в качестве прототипа. Хотя в оригинальной публикации оно выполнено в интегральном исполнении, массив фотоприемников может быть выполнен также и из отдельных, дискретных фототранзисторов либо фотодиодов.
Известно, что уровни чувствительности фототранзисторов или фотодиодов, выполненных на одном кристалле, отличаются. Это приводит к тому, что уровни яркости пикселей изображения, считанного с фотодатчика, различаются даже в том случае, когда фотодатчик засвечен равномерно. Данный эффект существенно более заметен, если фотодатчик состоит из дискретных фотоприемников. Результатом описываемого эффекта является появление хаотически расположенных темных и светлых зон, наложенных на регистрируемое изображение.
Кроме того, на погрешность регистрации изображения влияют другие факторы. Это, во-первых, возможная неравномерность засветки источника изображения, а во-вторых, характеристики оптической системы, формирующей изображение. Так, если лист бумаги с рисунком на нем неравномерно освещен, то полученное с помощью фотодатчика изображение будет недостоверным. Также погрешность изображения будет высока, если оптическая система имеет неравномерную оптическую энергетическую характеристику или загрязнена.
Известное решение не предусматривает корректировку погрешности полученного изображения. Известными способами коррекции являются вычислительные методы. Сущность вычислительной коррекции состоит в том, что уровень яркости каждого пикселя изображения преобразуется в цифровую форму. Затем исходное числовое значение яркости каждого пикселя, путем вычислительной обработки, преобразуется к новому, скорректированному выходному значению. Новые значения пикселей практически свободны от искажений за счет соответствующего выбора вычислительной обработки. Наиболее употребительным способом вычислительной обработки является умножение исходного уровня яркости пикселя на корректирующий коэффициент, определенный именно для данного пикселя. Для затемненных пикселей корректирующий коэффициент больше, чем для избыточно ярких. Точные значения коэффициентов определяются, как правило, в результате регистрации заведомо равномерного источника изображения (объекта), например чистого листа бумаги. Известно техническое решение в соответствии с патентом РФ №2265887 на изобретение «Способ автоматизированной обработки избирательных бюллетеней и устройство для его осуществления» (МПК G07C 13/02, опубл. 10.12.2005). В указанном патенте для получения достоверного результата при автоматизированной обработке избирательных бюллетеней считываемое изображение преобразуется в сигналы цифрового кода, при этом вводятся поправки с помощью коэффициентов, определяемых для каждого элемента считывания при сканировании белого поля. Однако возможности вычислительных методов коррекции ограничены. Если уровень яркости затемненных пикселей существенно меньше, чем наиболее ярких, то аналоговый сигнал фотодатчика, соответствующий этому пикселю, будет составлять лишь небольшую часть рабочего диапазона. То есть при преобразовании в цифровую форму он будет преобразовываться в значения, имеющие меньшую разрядность, чем оцифрованный сигнал от ярких пикселей. Например, различие уровня в 4 раза приводит к потере 2 двоичных разрядов. Соответственно, растет относительная ошибка дискретизации. Вычислительная обработка способна восстановить разрядность сигнала, но одновременно увеличивает абсолютную ошибку дискретизации и уровень шумов, в сравнении с яркими пикселями. Кроме того, при малых уровнях аналогового сигнала начинают проявляться нелинейные свойства элементов схемы фотодатчика - фототранзисторов, аналоговых ключей, усилителей. Это приводит к дополнительным искажениям, которые только увеличиваются после вычислительной обработки. Для наиболее ярких пикселей, напротив, возможно ограничение уровня аналогового сигнала по верхнему пределу, что приводит к существенным и зачастую недопустимым искажениям передачи яркости. Их невозможно скорректировать вычислительным путем.
Возможность коррекции искажений яркости отдельных пикселей находится в прямой взаимосвязи со стоимостью изготовления и обслуживания изделия, в котором используется фотодатчик. Фотоприемники с жестко нормированной чувствительностью, а также высококачественные оптические системы снижают требования по коррекции, но повышают стоимость изготовления изделия. Аналогичным образом, частая очистка загрязнений на оптических поверхностях позволяет уменьшить требования к коррекции, но приводит к повышенным эксплуатационным затратам. Таким образом, фотодатчик, позволяющий скорректировать широкий диапазон яркостных искажений отдельных пикселей, дает возможность удешевить изделие и его эксплуатацию.
Задачей заявленного изобретения является создание многоэлементного фотодатчика, применимого в условиях повышенного разброса чувствительностей отдельных фотоприемников, повышенной неравномерности засветки объекта, использования упрощенной оптической системы и увеличенного уровня загрязнения оптических поверхностей, а также применение такого датчика в устройстве регистрации изображения.
Технический результат заявленной группы изобретений заключается в уменьшении погрешности регистрации изображения.
Указанный технический результат достигается тем, что многоэлементный фотодатчик содержит множество фотоприемников, по крайней мере, одно интегрирующее устройство, содержащее накопительный конденсатор с изменяемой емкостью, величина которой задается цифровым кодом, схему коммутации фотоприемников, выполненную с возможностью выборочного подключения каждого фотоприемника ко входу соответствующего интегрирующего устройства для передачи накопленного фотозаряда, цифровое запоминающее устройство, имеющее по одной ячейке для каждого фотоприемника, выполненное с возможностью сохранения цифрового кода в ячейке, и выдачи цифрового кода из ячейки на конденсатор соответствующего интегрирующего устройства.
А использующее его устройство регистрации изображения, кроме заявленного многоэлементного фотодатчика, содержит аналого-цифровой преобразователь для преобразования выходного сигнала многоэлементного фотодатчика в цифровой код, а также вычислительное устройство, выполненное с возможностью обработки результата аналого-цифрового преобразования в соответствии с установленным алгоритмом коррекции.
В заявленном фотодатчике в отличие от ближайшего аналога содержится цифровое запоминающее устройство с ячейками для хранения цифровых кодов и выдачи их на конденсатор соответствующего интегрирующего устройства для задания величины емкости накопительного конденсатора. Изменение емкости накопительного конденсатора с помощью индивидуального для каждого фотоприемника цифрового кода, сохраняемого в ячейке цифрового запоминающего устройства, изменяет коэффициент пропорциональности между зарядом и выходным напряжением, то есть коэффициент передачи интегрирующего устройства (коэффициент передачи обратно пропорционален емкости конденсатора). Эта возможность позволяет скорректировать не только различия в чувствительности отдельных фотоприемников, но также и другие причины, вызывающие яркостные искажения отдельных пикселей.
Коэффициент передачи интегрирующего устройства для каждого фотоприемника выбирается таким образом, чтобы при использовании равномерного объекта уровни яркости всех пикселей зарегистрированного изображения мало бы отличались друг от друга. Чем меньше величина допустимого различия яркости, тем больше должна быть разрядность цифрового кода.
В устройстве регистрации изображений, использующем заявленный многоэлементный фотодатчик, полученный с его помощью аналоговый сигнал преобразуется аналого-цифровым преобразователем в цифровой код, который затем корректируется вычислительными методами.
При высоких требованиях к равномерности зарегистрированного изображения необходимая разрядность кода может оказаться слишком высокой, что приведет к удорожанию фотодатчика. В таком случае более обоснованным является применение небольшой разрядности цифрового кода в сочетании с вычислительной коррекцией. Оптимально выбранный цифровой код обеспечивает приблизительно постоянный уровень сигнала от каждого фотоприемника, в то время как вычислительная обработка оцифрованного сигнала обеспечивает дальнейшую точную коррекцию. Таким образом, в ходе вычислительной коррекции не происходит существенного увеличения уровней шума и погрешности дискретизации, а также нелинейности передаточной функции.
На фиг.1 показана электрическая схема многоэлементного фотодатчика, выполненного в виде фототранзисторной линейки. На фиг.2 показаны эпюры напряжения в характерных точках схемы при ее работе. На фиг.3а и 3b показаны варианты выполнения схемы интегрирующего устройства с конденсатором переменной емкости. На фиг.4 изображена блок-схема устройства регистрации изображения. На фиг.5а изображен график калибровочных откликов для равномерного объекта, на фиг.5b - график откликов с использованием коррекции.
Фотодатчик содержит сдвиговый регистр 1 (RG1), к выходам которого подключены аналоговые ключи 2 (SW1 - SWn). Фототранзисторы 3 (VT1 -VTn) своими коллекторами подключены к положительной линии 4 питания напряжением 5 вольт. Эмиттеры фототранзисторов 3 (VTn), каждый через отдельный аналоговый ключ 2 (SWn), подключены ко входу интегрирующего устройства, выполненного на конденсаторах 5 (Са), 6 (Сb) и переключателе 7 (SWb). Вместе эти элементы составляют конденсатор 8 переменной емкости. Сдвиговый 1 (RG1) регистр имеет тактовый 9 (CLK) вход, а также вход 10 (D) данных, используемый как вход запуска сканирования линейки. Аналоговый ключ 11 (SWa) сброса включен параллельно конденсатору 8 переменной емкости, причем замыкание ключа 11 происходит по низкому логическому уровню на тактовом входе 9 (CLK). Общая точка соединения аналоговых ключей 2 (SW1 - SWn), 11 (SWa), 7 (SWb) и конденсатора 5 (Са) является выходом 12 линейки.
Цифровое запоминающее устройство выполнено в виде регистра сдвига 13 (RG2), причем каждому фототранзистору 3 (VTn) соответствует отдельная ячейка QBn регистра. Загрузка сохраняемой информации производится перед запуском устройства. Параллельно загружаемые данные подаются по n-разрядной параллельной шине 14. Эти данные загружаются в регистр 13 импульсом, подаваемым на вход 10 запуска. Самый старший выход 15 регистра 13 передает одноразрядный цифровой код и соединен со входом ключа 7, задающего емкость конденсатора 8.
Для реализации изобретения могут применяться различные схемы построения интегрирующего устройства. Интегрирующее устройство преобразует входной ток I в выходное напряжение U, пропорциональное определенному интегралу I, вычисляемому от момента размыкания ключа до текущего момента времени. Далее рассматривается построение интегратора с конденсатором переменной емкости, управляемым одноразрядным цифровым кодом. Однако описанные здесь решения могут быть распространены на случай более высокой разрядности.
В наиболее простом варианте (фиг.3а) интегратор тока реализуется при помощи составного конденсатора 8 переменной емкости, один из выводов которого соединен с общим проводом схемы, а другой одновременно является и входом, и выходом интегратора. Ключ сброса 11 (SWa) подключается между выводами конденсатора 8. Конденсатор 8 переменной емкости состоит из двух конденсаторов постоянной емкости 5 и 6, емкостью Са и Сb, соответственно, а также переключателя 7. Состояние переключателя 7 (открыт либо закрыт) определяется одноразрядным цифровым кодом. Когда цифровой код равен нулю, переключатель 7 разомкнут, и емкость конденсатора 8 равна Са. Если же цифровой код равен 1, то переключатель замыкается, и емкость конденсатора 8 становится равной Са+Сb. Если обозначить Сb=(К-1)Са, то емкость конденсатора 8 при цифровом коде, равном 1, будет равняться КСа. Таким образом, подача единичного цифрового кода увеличивает емкость конденсатора 8 в К раз, что приводит к уменьшению коэффициента передачи интегратора в К раз.
В более сложном варианте (фиг.3b) в качестве интегрирующего устройства может быть использован интегрирующий усилитель с токовым входом, выполненный на операционном усилителе. Для этого составной конденсатор 8 переменной емкости подключается между инвертирующим входом операционного 16 усилителя (DA) и его выходом, а неинвертирующий вход операционного 16 усилителя соединяют с общим проводом схемы. Инвертирующий вход операционного 16 усилителя является входом интегратора. Ключ сброса 11 (SWa) подключается параллельно конденсатору 5. Подобное схемное решение обеспечивает более линейное преобразование интенсивности света в электрический сигнал, за счет постоянства напряжения на входе интегрирующего устройства. Управление емкостью конденсатора 8 реализовано аналогично схеме на фиг.3а и обеспечивает такую же зависимость коэффициента передачи интегрирующего устройства от значения цифрового кода.
Увеличение разрядности цифрового кода возможно за счет добавления дополнительной последовательной цепочки, состоящей из конденсатора постоянной емкости и аналогового ключа, параллельно конденсатору 5. Аналоговый ключ должен управляться дополнительным разрядом цифрового кода. Количество добавляемых цепочек равно количеству добавляемых разрядов.
Устройство регистрации изображений помимо фотодатчика, полная схема которого изображена на фиг.1, содержит аналого-цифровой преобразователь 17, а также вычислительное 18 устройство, соединенные между собой параллельной шиной 19. Вычислительное 18 устройство содержит процессор 20, постоянное запоминающее 21 устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее 22 устройство (ОЗУ).
При описании работы предполагается, что многоэлементный фотодатчик используется в схеме регистрации изображения в режиме отражения от плоского носителя (например, бумажного листа).
Устройство работает следующим образом. Во время экспозиции на всех выходах регистра 1 (RG1) устанавливается напряжение, близкое к нулю. Аналоговые ключи отсоединяют эмиттеры фототранзисторов 3 (VT1 - VTn) от конденсатора 8 переменной емкости. В структуре каждого из фототранзисторов 3 (VT1 - VTn) под действием света создается фотозаряд, пропорциональный величине его экспозиции. В начале опроса, в момент времени ТО, на входе 10 (D) регистра 1 устанавливают уровень логической единицы. Затем, в момент времени Т1, на тактовый 9 вход регистра 1 подается положительный фронт. На первом выходе QA1 регистра 1 появляется высокий логический уровень. Под действием этого уровня аналоговый ключ 2 (SW1) открывается и пропускает ток фототранзистора 3 (VT1) в конденсатор 8 переменной емкости. Заряд, накопленный в фототранзисторе 3 (VT1) за счет экспозиции, стекает в конденсатор 8 переменной емкости. В момент времени Т3 при переходе тактового 9 входа регистра 1 (RG1) в низкий уровень замыкается ключ 11 (SWa) сброса заряда и начинается процесс сброса. Заряд в конденсаторе 8 переменной емкости уменьшается до нуля. Остаточный ток разряда продолжает течь через фототранзистор 3 (VT1), таким образом, аналоговый ключ 11 (SWa) сброса и далее разряжает емкость транзистора 3.
Емкость конденсатора 8 в этот момент определяется значением, записанным в n-й разряд регистра 2 (RG2). Если в этот разряд был записан 0, емкость равна Са. Если же в разряде записана 1, то емкость конденсатора 8 равна КСа. Соответственно, коэффициент передачи интегрирующего устройства, в случае единичного значения n-го разряда, будет в К раз меньше, чем в случае нулевого значения. Таким образом, при помощи загрузки значения в регистр 13 (RG2) можно выбрать оптимальный уровень сигнала, формируемого при опросе фототранзистора 3 (VTn).
По окончании фронта первого тактового импульса, в момент времени Т2, уровень на входе 10 (D) регистра 1 (RG1) устанавливают равным логическому нулю вплоть до завершения опроса всей линейки. Последующие тактовые импульсы подают на вход 9 (CLK) для опроса второго, третьего, четвертого фототранзисторов 3 (VTn) и так далее. В результате на выходах сдвигового регистра 1 (RG1) формируется так называемая бегущая единица, то есть состояние выхода QA1, QA2, QA3 и так далее последовательно выставляется в единичное значение на один период тактового сигнала, в то время как остальные выходы остаются в нулевом состоянии.
Окончание опроса первого фототранзистора 3 (VT1) и переход ко второму (VT2) происходит по положительному фронту второго тактового импульса на входе 9 (CLK) в момент времени Т4. Уровень напряжения падает на первом выходе QA1, а на втором выходе QA2 скачкообразно поднимается до 5 В. Ключ 2 (SW1) закрывается, прерывая ток через фототранзистор 3 (VT1). Следующий ключ 2 (SW2), напротив, открывается. Заряд, накопленный в фототранзисторе 3 (VT2), перетекает в конденсатор 8. Затем, в момент времени Т5, при падении уровня на тактовом 9 (CLK) входе регистра происходит сброс заряда в конденсаторе 8 и разрядка емкости фототранзистора 3 (VT2). Такой процесс повторяется до тех пор, пока все фототранзисторы 3 (VT1 - VTn) не будут опрошены. Полный опрос линейки происходит за n импульсов на тактовом 9 (CLK) входе регистра 1 (RG1).
Одновременно с этим, в момент времени Т4, происходит сдвиг содержимого регистра 2 (RG2). В результате на выход цифрового кода 15 передается значение (n-1)-го разряда двоичного числа, первоначально загруженного в регистр. Значение этого разряда управляет емкостью конденсатора 8 и, соответственно, коэффициентом передачи интегрирующего устройства на всем протяжении времени опроса транзистора VT2 вплоть до момента Т6.
Измерение напряжения на выходе схемы необходимо проводить непосредственно перед каждым спадом уровня на тактовом 9 (CLK) входе регистра 1 (RG1). На фиг.2 моменты измерения соответствуют Т3, Т5, Т7, Т9 и так далее. Измеренное напряжение пропорционально заряду, накопленному в структуре фототранзистора 3 (VTn), опрашиваемого в данный момент, то есть пропорционально уровню его экспозиции. Значения разрядов (n-2), (n-3), (n-4) и так далее определяют коэффициент передачи интегрирующего устройства для опроса фототранзисторов VT3, VT4, VT5 соответственно.
После того как все фототранзисторы 3 (VT1 - VTn) опрошены, может проводиться следующий цикл экспозиции и опроса, и так далее.
Значения разрядов двоичного числа, загружаемого в регистр 13, подбирают в зависимости от отклика соответствующего фототранзистора, измеренного при использовании в качестве источника изображения пластины с высоким и равномерным уровнем белизны. Пусть максимальное значение выходного сигнала фотодатчика, пригодное для последующей вычислительной обработки, составляет Umax.
1
2
3
j
Первоначально в регистр 13 (RG2) загружают число, все разряды которого равны 1. Регистрация с таким значением, называемая калибровочной регистрацией, обеспечивает минимальный уровень коэффициента передачи для каждого фототранзистора. Проводят регистрацию и измеряют выходной сигнал U, U, U, U - и так далее, для фототранзисторов VT1, VT2, VT3, VTJ соответственно. Этот выходной сигнал называют калибровочным откликом.
Вначале проверяют, что ни один из калибровочных откликов не превысил величины Umax и хотя бы один отклик равен Umax. В том случае, если все-таки имеется превышение, уменьшают экспозицию и повторно проводят калибровочную регистрацию до тех пор, пока все калибровочные отклики не станут меньше либо равны Umax. Если, напротив, все калибровочные отклики меньше Umax, то увеличивают экспозицию и повторно проводят калибровочную регистрацию до тех пор, пока хотя бы один отклик не станет равен Umax. Целью данной подстройки экспозиции является максимальное использование динамического диапазона.
j
Далее, приступают к определению оптимального значения числа, загружаемого в регистр 13 (RG2). Если выходной сигнал U для j-го фототранзистора меньше величины Umax/K, то устанавливают в 0 соответствующий этому транзистору разряд числа, загружаемого в регистр 13 (RG2). В противном случае оставляют значение разряда, равное 1. Эту операцию повторяют для всех фототранзисторов 3. Полученное таким образом оптимизированное двоичное число должно загружаться в регистр 13 (RG2) перед каждой регистрацией.
Таким образом, фототранзисторы с низким уровнем выходного сигнала получают дополнительное усиление в К раз, причем аналоговый сигнал, формируемый для таких фототранзисторов, не превышает Umax. Усиление для фототранзисторов с большим уровнем сигнала не изменяется.
Нужно отметить, что если соотношение между максимальным и минимальным калибровочным значением меньше К, то описываемая реализация не дает уменьшения неравномерности отклика по сравнению с прототипом. В противном случае, по сравнению с режимом калибровочной регистрации, соотношение между минимальным и максимальным сигналом от фототранзисторов фотодатчика уменьшается. Таким образом, уменьшается неравномерность отклика датчика.
Вычислительная коррекция сигнала, получаемого с фотодатчика, производится при помощи вычислительного 18 устройства, как показано на фиг.4. Выходное напряжение фотодатчика подается на аналого-цифровой преобразователь 17, который по спаду сигнала на тактовом входе 9 (CLK) фиксирует текущее значение напряжения и начинает преобразование. Оцифрованное значение напряжения передается на вход вычислительного 18 устройства по параллельной шине 19. Аналого-цифровой преобразователь 17 сообщает процессору 20 о готовности оцифрованного значения на шине 19 при помощи специального сигнала готовности (READY), подаваемого на вход запроса прерывания INT1 процессора 20. Процессор 20 также получает сигнал прерывания INT2 по сигналу на входе запуска 10.
j
j
j
Перед началом регистрации в ПЗУ (21) размещается массив корректирующих коэффициентов C, по одному на каждый фототранзистор 3 в фотодатчике. Этот массив подготавливается заблаговременно, на основе измерения отклика каждого фототранзистора при регистрации изображения пластины с высоким и равномерным уровнем белизны. При регистрации для подготовки массива C в регистре 13 (RG2) должно находиться оптимизированное двоичное число, определенное, как описано выше. Коэффициент C для j-го фототранзистора 3 вычисляется как величина, обратно пропорциональная измеренному отклику этого фототранзистора.
Вычислительная коррекция производится следующим образом. В начале опроса строки, по сигналу на входе запуска 10, происходит прерывание процессора 20. По этому прерыванию алгоритм вычислительной коррекции приводится в исходное состояние, в частности устанавливается единичное значение переменной - счетчика опроса фототранзисторов.
j
j
Далее, по каждому спаду сигнала CLK напряжение на выходе фотодатчика фиксируется аналого-цифровым преобразователем 17 и преобразуется им в оцифрованную величину, значение которой выдается на параллельную шину 19. Это значение пропорционально освещенности фототранзистора 3 (VTj), опрашиваемого в данный момент. Аналого-цифровой преобразователь 17 сообщает процессору 20 о готовности оцифрованного значения при помощи сигнала READY. Данный сигнал вызывает прерывание процессора 20 по входу INT1. В ходе обработки прерывания процессор 20 считывает значение на шине 19 и умножает его на коэффициент C, соответствующий j-му фототранзистору 3. Номер j определяется счетчиком опроса фототранзисторов 3. Результат умножения, являющийся скорректированным значением освещенности, записывается в j-ю ячейку массива D выходных данных, хранящуюся в ОЗУ (22). В завершение обработки прерывания значение счетчика фототранзисторов 3 увеличивается на 1.
j
j
После опроса всех фототранзисторов линейки массив D содержит скорректированные значения освещенности фототранзисторов 3. Эти значения практически свободны от влияния неравномерности освещенности регистрируемого объекта, неравномерности энергетической характеристики и загрязнения оптической системы, а также различий в чувствительности отдельных фототранзисторов линейки. Массив D может быть сохранен на дисковый накопитель, передан по каналу связи на другой компьютер либо использован в качестве входных данных при работе иного алгоритма обработки изображения, выполняемого вычислительным устройством 18 (дисковый накопитель и канал связи на фиг.4 не показаны).
В описанном варианте реализации разрядность цифрового кода равна 1, что обеспечивает самый грубый уровень коррекции из всех возможных с применением заявленного изобретения. Однако даже этот вариант реализации, вместе с вычислительной коррекцией, позволяет получить существенное увеличение допустимого интервала между самым ярким и самым темным пикселем, как показано ниже.
Пусть в регистре 13 (RG2) находится двоичное число, все разряды которого установлены в единицу, тогда емкость конденсатора 8 является неизменной. В этом случае устройство работает без аппаратной коррекции в фотодатчике, с использованием только вычислительной коррекции. Такой режим работы устройства является неоптимальным, однако соответствует режиму работы прототипа и известного изобретения в соответствии с патентом РФ №2265887. Этот режим, в частности, применяется при калибровочной регистрации, так как позволяет измерить искажения яркости, вносимые осветительной системой, оптической системой и фотоприемниками. В этом режиме соотношение между максимальным и минимальным значением отклика фототранзисторов, при регистрации изображения равномерного объекта, является общей мерой указанных искажений.
Для конкретного практического применения всегда возможно указать максимально допустимое значение этого соотношения, при котором погрешности, вносимые вычислительной коррекцией, еще являются допустимыми. Мы обозначим это предельно допустимое соотношение как М.
Наиболее оптимальным является выбор коэффициента К схемы равным М. Например, если вычислительная коррекция позволяет получить удовлетворительный результат при соотношении сигнала на входе аналого-цифрового преобразователя 17 от самого яркого и от самого темного пикселя как 1:2 (при калибровочной регистрации), то М равно 2 и К выбирают равным 2.
2
Если разница между самым ярким и самым темным пикселем, при калибровочной регистрации, составляет К раз (то есть 4 в нашем примере), то применение оптимального значения, загружаемого в регистр 13 (RG2), позволяет уменьшить это соотношение в К раз до величины М=К.
2
С использованием заявленной группы изобретений возможно обеспечить удовлетворительную работу фотодатчика при разнице между самым большим и самым малым калибровочными откликами в Мраз. Для калибровочного отклика фототранзистора в интервале от Umax/M до Umax/M будет выбираться емкость конденсатора 8, равная Са. Соответственно, реальный отклик на выходе датчика с применением коррекции составит от Umax/M до Umax, за счет увеличения коэффициента передачи интегрирующего устройства в К=М раз. Для фототранзистора с калибровочным откликом в интервале от Umax/M до Umax необходимо включать емкость КСа, что обеспечит напряжение на выходе интегрирующего устройства также в пределах от Umax/M до Umax.
2
Описанное улучшение проиллюстрировано фиг.5. На фиг.5а показан результат калибровочной экспозиции. Отклики фототранзисторов линейки распределены в интервале от Umax/K до Umax. Для фототранзисторов, отклики которых меньше Umax/K, регистрация, согласно нашим исходным данным, не является достаточно качественной. Только фототранзисторы, отклики которых лежат в интервале от Umax/K до Umax, обеспечивают качественную регистрацию.
На фиг.5b показан отклик той же линейки после загрузки в регистр 13 (RG2) оптимизированного двоичного числа. Отклики фототранзисторов, которым в регистре 13 соответствует значение 0, показаны незакрашенным кружком. Отклики фототранзисторов, которым в регистре 13 соответствует значение 1, показаны закрашенным кружком. По сравнению с фиг.5а, коэффициент передачи для фототранзисторов, отклики которых показаны незакрашенным кружком, увеличились в К раз. За счет этого отклики всех фототранзисторов теперь попадают в интервал от Umax/K до Umax, что обеспечивает качественную регистрацию для всей линейки.
Указанное решение наиболее эффективно при больших значениях М, за счет квадратичной зависимости. Так, например, при допустимом соотношении уровня сигнала от самого яркого и самого темного пикселя как 4:1 возможно получить допустимый интервал калибровочного отклика 16:1.