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. Техническим результатом предлагаемого кадрового электронно-оптического регистратора импульсного светового излучения является расширение динамического диапазона благодаря согласованию коэффициента усиления ЭОП и времени накопления ПЗС-датчика. 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. 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. Илл.3 л.
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.
С приходом пускового импульса (диаграмма 3А) от блока запуска 10 включается блок формирования задержки запуска 17, который через заданный интервал времени Тз 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;
- поступает на блок управления 8 и устанавливает ПЗС-матрицу 6 в режим накопления со значением Т н, зафиксированном в регистре 15 (диаграмма 3Г);
- поступает на блок формирования 18 импульса конца кадра, который начинает отсчет времени длительности кадра ЭОП 3.
По завершении длительности интервала кадра Тк 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.
По завершении интервала времени накопления Т н блок считывания 12 переходит в режим вывода зарегистрированной информации (диаграмма 3Г) в блок 9.
Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет регулировать коэффициент усиления ЭО-затвора от 1 до 103, время накопления ПЗС-матрицы от 10-5 до 1 сек, что обеспечивает расширение динамического диапазона регистрации ˜102 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
Кадровый электронно-оптический регистратор импульсного светового излучения, содержащий электронно-оптический затвор (ЭО-затвор), управляющий вход электронно-оптического преобразователя (ЭОП) 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 компьютером визуализации, блок запуска, отличающийся 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 входами контроллера, выход которого соединен с управляющим входом формирователя длительности кадра, выход блока запуска соединен с управляющим входом контроллера.
