Способ измерения распределения освещенности и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано как для непосредственной регистрации распределения освещенности в поле зрения линейного фотоприемника, так и для формирования функционалов - признаков изображения. Цель изобретения - повышение информативности измерений. В способе измерения распределения освещенности, основанном на преобразовании освещенности в распределение токов элементарных ячеек, разделении токов элементарных ячеек на две группы линией нулевого потенциала, усилении тока от одной группы в K₁ раз, вычитании усиленных токов, интегрировании во времени результата вычитания, управлении положением линии нулевого потенциала в соответствии с результатом вычитания, измерении величины выходного напряжения мультискана, новым является то, что усиливают суммарный ток от всех элементарных ячеек мультискана в K⁽_nⁿ⁾ раз в соответствии с программой измерений, причем величину K⁽_nⁿ⁾ выбирают удовлетворяющей соотношению K⁽_nⁿ⁾ / K⁽_nⁿ⁾/K₁≅1, где n - число измерений. Вычитание усиленного тока от одной группы элементарных ячеек осуществляют из усиленного суммарного тока от всех элементарных ячеек, а одновременно с интегрированием результата вычитания его сопоставляют с заданной величиной остаточного тока. Разделение, усиление, вычитание, интегрирование, управление положением линии нулевого потенциала и измерение осуществляют N раз (n = 1, 2, 3, . . . , N), причем каждый раз смену величины коэффициента K⁽_nⁿ⁾ производят в момент установления величины результата вычитания, равной величине остаточного тока, в тот же момент времени измеряют величину выходного напряжения. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано как для непосредственной регистрации распределения освещенности в поле зрения линейного фотоприемника, так и для формирования высокоинформативных признаков - функционалов изображения. Целью изобретения является увеличение информативности. На чертеже представлено устройство для измерения распределения освещенности. Устройство содержит собственно полупpоводниковый преобразователь изображения-мультискан, выполненный в виде единой интегральной схемы на основе базового слоя 1. В состав мультискана входят три вытянутых в одном измерении слоя с проводимостью, противоположной по знаку проводимости базового слоя 1. Это фоточувствительный слой 2 и нефоточувствительные слои (экpанированные от воздействия излучения). Фоточувствительный слой 2 снабжен общей шиной 3, делительный слой 4 парой омических контактов 5 и 6, расположенных на краях вытянутого в одном измеpении слоя. Между контактами 5 и 6 включен источник 7 смещения. Коммутирующий слой 8 снабжен коммутирующей шиной 9. Общая шина 3 подсоединена к входу усилителя 10 с аттенюатором, а коммутирующая шина 9 - к входу усилителя 11. Выходы обоих усилителей соединены с входами сумматора 12, причем один из входов, например связанный с коммутирующей шиной через усилитель 11, инвертирующий. Выход сумматора 12 соединен с входом интегратора 13, выполненного в виде интегрирующей емкости. Выход интегратора 13 соединен с одним из омических контактов делительного слоя, например с контактом 6, а также с входом блока 14 регистрации сигнала. Тактирующий вход блока 14 регистрации сигнала связан с компаратором 15, который вырабатывает тактирующий импульс в момент достижения заранее остаточного тока. Выход компаратора 15 связан также с тактирующим входом блока 16 программирования. Выход блока 16 программирования связан с программируемым аттенюатором усилителя 10. Устройство работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии фоточувствительный слой 2 не освещен. Напряжение смещения от источника 7 подано на делительный слой 4 таким образом, что все р-n-переходы, связанные с делительным слоем, оказываются запертыми. В соответствии с программой измерений выставлены коэффициенты усиления усилителей 10 и 11 К₁ и К₂⁽¹⁾ причем К₂⁽¹⁾ > K₁. С началом измерений на фоточувствительный слой 2 проецируется анализируемое распределение освещенности f(x). Электронно-дырочные пары, рожденные светом, разделяются полем р-n-переходов, связанных с фоточувствительным слоем 2, распределение токов j(x) через элементарные ячейки соответствует их освещенности j(x) = α f(x). где α - интегральная чувствительность. Все токи, генерируемые элементарными ячейками, текут через коммутирующий слой 8, так как диоды, связанные с этим слоем, находятся под нулевым смещением, в то время как диоды, связанные с делительным слоем 4, заперты. Итак, в начальный момент I_o= I_к+I_д+I_д , где i_o - ток через фоточувствительный слой 2, I_д - ток через делительный слой 4, I_к - ток через коммутирующий слой 8. Поскольку I_o = I_к, а К₁ = К₂⁽¹⁾, на входы сумматора 12 поступают токи разной величины, тогда на интеграторе 13 копится напряжение, которое поступает на контакт 6 делительного слоя 4. Под воздействием этого напряжения в сочетании с напряжением, поступающим от источника 7 смещения, часть диодов, связанных с делительным слоем 4, открывается. Линия нулевого потенциала, разделяющая открытые диоды от запертых, перемещается по делительному слою. При этом направление протекания фототоков слоя 2 изменяется: часть токов потечет через открытые диоды в цепь делительного слоя 4, и только оставшаяся часть потечет по-прежнему через коммутирующий слой 8. Так на входе усилителя 11 уменьшится, соответственно, уменьшится разность двух токов, поступающих на вход интегратора 13. Перемещение линии нулевого потенциала по делительному слою затормозится, стабилизируется доля тока, ответвляющаяся в цепь усилителя 11, прекратится изменение напряжения на выходе интегратора 13. Этому состоянию будет соответствовать следующее соотношение токов, протекающих через слои 2 и 4. I⁽_к¹⁾/I_o= K⁽₂¹/K₁= (x)dx/ f(x)dx где х_о⁽¹⁾ - положение линии нулевого потенциала, обеспечивающее данное соотношение токов, которое в свою очередь, обеспечивается напряжением U_o⁽¹⁾ на выходе интегратора 13; х_oⁿ и U_oⁿ связаны линейно. При х₁⁽¹⁾ = 0, совпадающем с контактом 5, U_o⁽¹⁾ = 0; при х_о^(п)= L - полной длине фоточувствительного слоя U_o^N = U_ом - полному напряжению смещения источника 7. Таким образом, xⁿ_o = Uⁿ_o . Величина U_o⁽ⁿ⁾ фиксируется блоком 14 регистрации сигнала по приходу тактирующего импульса от компаратора 15. Окончательная стабилизация положения линии нулевого потенциала может произойти только за бесконечно большое время: время полного заряда емкости интегратора 13. Импульс компаратора 15 вырабатывается в момент времени, когда величина разности токов усилителей 10 и 11 на выходе сумматора 12 достигает величины заранее заданного в компараторе 15 остаточного тока. Эта операция заведомо снизит точность определения координаты х_о⁽ⁿ⁾внесет систематическую ошибку, но сократит время проведения измерений. Тот же импульс от компаратора 15 поступает на блок 16 программирования. Это сигнал перехода к новому циклу измерений при новом соотношении коэффициентов усиления К₁ и К₂⁽²⁾. Все пары коэффициентов для всех циклов измерений хранятся в памяти блока 16 программирования. По сигналу компаратора 15 вырабатывается соответствующий код, который поступает на аттенюатор усилителя 10. Новое соотношение коэффициентов К₁ и К₂⁽²⁾ не соответствует старому положению нулевой эквипотенции х_о⁽¹⁾. Под воздействием напряжения на выходе интегратора 13 начнется перемещение линии нулевого потенциала в новое положение х_о⁽ⁿ⁾. Оно будет продолжаться до тех пор, пока не установится новое соотношение токов, протекающих через слои 2 и 4 I⁽_к²⁾/I_o= K⁽₂²⁾/K₁= (x)dx/ f(x)dx. Блоком 14 регистрации сигнала по импульсу компаратора 15 будет зафиксировано новое значение напряжения U_o⁽ⁿ⁾ на выходе интегратора 13. Совокупность отсчетов { U_o⁽ⁿ⁾} - суть совокупность функционалов, признаков конкретного изображения f(x). Важную информацию об изображении несут также значения интервалов времени Δt⁽ⁿ⁾ между импульсами компаратора. U⁽_oⁿ⁾(t) = f(x)dx-f(x)dxdt. где С - емкость компаратора. Можно показать, что исходная функция распределения освещенности может быть восстановлена как непрерывное во времени отношение второй производной напряжения на выходе интегратора к его первой производной, так как скорость движения линии нулевого потенциала в каждый момент времени оказывается связанной с величиной освещенности в точке, соответствующей мгновенному положению этой линии f(x)≡ f[U_o(t)] = - / П р и м е р. Выбрана модификация конструкции мультискана с n-p-n-элементарной ячейкой, выполненной в изолированном кармане. Делительный слой 4 р-типа проводимости выполнен в виде вытянутой в одном измерении полосы, расположенной поперек изолированных карманов. Ее сопротивление 7- 10 кОм, она выполняет функции распределительного делителя напряжения источника 7. Этот же р-слой обеспечивает формирование р-n-перехода с базовым слоем 1. Окна в окисле в каждой элементарной ячейке перекрываются сплошными р-слоями: фоточувствительным 2, делительным 4 и коммутирующим 8. В этих местах образуются р-n-переходы с базовым слоем 1. Таким образом, каждая элементарная ячейка содержит три р-n-перехода, включенных звездой. Р-области фоточувствительного слоя объединены общей металлической шиной 3, р-области коммутирующего слоя - коммутирующей шиной 9, а р-области делительного слоя связаны с контактами 5 и 6. Омические сопротивления слоя 8 и шины 9 не превышают 200 Ом. Сопpотивление делительного слоя существенно превышает сопротивление этих шин. Поперечное сопротивление р-слоев коммутирующих и фоточувствительных диодов - доли Ом, так как концентрация примесей в этих слоях 5 х 10¹⁹ см^-3, а геометpические размеры - едины мкм при толщине 0,2 мкм. Концентрация примесей в делительном слое на два порядка меньше, чем концентрация в фоточувствительном и коммутирующих слоях - 5 х 10¹⁷ см^-3. Базовый слой имеет удельное сопротивление 7,5 Ом. Результирующее сопротивление в каждом из двух плеч компенсационной схемы не превышает 200 Ом. В стандартную схему компаратора входит стабилизированный источник напряжения, задающий порог срабатывания компаратора, соответствующий заданному остаточному току. Сумматор 12 и интегратор 13 выполнены на основе операционных усилителей. В интеграторе в цепь обратной связи включена интегрирующая емкость. Напряжение на этой емкости и время ее заряда фиксируется блоком 14 pегистрации сигнала. По сигналу тактирующего импульса от компаратора 15 в блок 14 чеpез соответствующий интерфейс вводится информация о соотношении коэффициентов К₁ и К₂⁽ⁿ⁾. Рассмотрим два конкретных примера выбора программы анализа изображения. Пусть в первом случае известно, что в поле зрения мультискана одиночный световой импульс с распределением интенсивности по полю, близким к гауссову закону. Следует измерить ширину импульса на некотором уровне так, чтобы в измеряемой части находилось 80% энергии импульса, а в отсеченных "крыльях" содержалось по 10% - общей энергии По сути измерений формируется следующая программа: K₂⁽¹⁾/K₁ = 0,1; K₂⁽²⁾/K₁= 0,9. Разность значений (U_o⁽²⁾ - U_o⁽¹⁾) дает ширину импульса. Число тактов работы устройства складывается из числа тактов поэлементного опроса мультискана плюс такты на обработку. В устройстве используется два такта опроса и один такт вычисления разности отсчетов. Пусть во втором примере не накладывается никаких предварительных условий на характер регистрируемой функции освещенности. Пусть в нашем расположении 1000 тактов опроса мультискана. Программа смены коэффициентов должна быть построена таким образом, чтобы получить максимум информации об анализируемом распределении освещенности. В первый момент времени положение линии нулевого потенциала U_o = 0. С приходом тактирующего импульса изменяется положение линии нулевого потенциала таким образом, что суммарный световой поток всего изображения разделяется на две области: в одной из них 1/1000, а в другой - 999/1000. Соотношение коэффициентов усиления при этом К₂(1) = 0,001. С приходом следующего тактирующего импульса положение линии нулевого потенциала изменяется таким образом, что в одной из областей остается 2/1000, а во второй области 998/1000 светового потока. Соотношение коэффициентов на втором такте К₂⁽²⁾/К₁ = 0,002 и т. д. с изменением соотношения коэффициентов на каждом такте на 0,001, вплоть до 1,000. Поскольку в общем случае освещенность мультискана неравномерна, то и участки, на которые при каждом приращении К₂ будет сдвигаться линия нулевого потенциала х_о, будут не одинаковы. На тех участках, где значение освещенности мало и претерпевает малые изменения, тактов опроса мало; на тех же участках, где значение освещенности велико и ее изменения велики, число тактов опроса резко увеличивается. На тех участкам, где сосредоточена основная часть энергии регистрируемого изображения, описание f(x) оказывается более подробным. Действительно, поскольку осуществляется переменный шаг дискретизации сигнала с временными интервалами Δt⁽ⁿ⁾, обратно пропорциональными значениями приращения освещенности на каждом элементарном участке мультискана, происходит сканирование с переменным разрешением, причем апертура сканирования тем больше, чем меньше освещенность на анализируемом участке. В примере анализа импульса, близкого к гауссову распределению интенсивностей, центральная часть поля регистрации, занимающая не более 20% , перекрывается приблизительно 80% отсчетов. Области использования изобретения - все случаи анализа изображений, когда есть предварительная информация о характере картины распределения освещенности, позволяющая заранее выбрать программу измерений в форме задания отношений суммарных потоков по две стороны от произвольной линии, разделяющей поле регистрации на две части. (56) Авторское свидетельство СССР N 652829, кл. Н 01 L 31/04, 1976. Авторское свидетельство СССР N 1106425, кл. Н 04 N 5/30, 1982.

Формула изобретения

1. Способ измерения распределения освещенности, основанный на преобразовании освещенности в распределение токов элементарных ячеек мультискана, разделении токов элементарных ячеек на две группы линией нулевого потенциала, усилении токов, причем усиление от первой группы производят в K₁ раз, вычитании усиленных токов, интегрировании во времени результата вычитания токов, управлении положением линии нулевого потенциала сигналом, полученным в результате интегрирования, измерении величины выходного напряжения мультискана, по которому судят о распределении освещенности, отличающийся тем, что, с целью увеличения информативности, дополнительно усиливают суммарный ток от всех элементарных ячеек в K₂ ⁽ⁿ⁾ раз, из которого вычитают усиленный ток от первой группы элементарных ячеек, результат интегрирования разности усиленных токов сравнивают с заданной величиной опорного напряжения, а при совпадении этих величин измеряют величину выходного напряжения и производят смену K₂ выбираемого из условия (K₂ ^{/ K}1⁾ ≅ ^{1 ,} причем все операции осуществляют N раз, где величины K₁, K₂, Nⁿ выбираются в соответствии с программой измерений, а n = 1, 2, 3, . . . , N. 2. Устройство для измерения распределения освещенности, содержащее мультискан с фоточувствительным слоем, снабженным общей шиной и делительным слоем с двумя омическими контактами, к которым подключен источник смещения, а также два усилителя, сумматор, интегратор и блок регистрации выходного напряжения, причем выходы усилителей соединены с входами сумматора, который соединен через интегратор с блоком регистрации выходного напряжения, а выход интегратора соединен с одним из омических контактов делительного слоя, отличающееся тем, что, с целью увеличения информативности, в него дополнительно введены компаратор и блок программирования, мультискан дополнительно снабжен коммутирующим слоем с коммутирующей шиной, в качестве первого усилителя выбран усилитель с аттенюатором, вход которого подключен к общей шине, а выход - к неинвертирующему входу сумматора, второй усилитель соединен с коммутирующим слоем мультискана, вход компаратора подключен к выходу сумматора, а выход компаратора соединен с тактирующими входами блока программирования и блока регистрации выходного напряжения, выход блока программирования соединен с аттенюаторным входом первого усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1