Способ регистрации светового сигнала, устройство для его осуществления и способ сканирования объекта



Способ регистрации светового сигнала, устройство для его осуществления и способ сканирования объекта
Способ регистрации светового сигнала, устройство для его осуществления и способ сканирования объекта
Способ регистрации светового сигнала, устройство для его осуществления и способ сканирования объекта
Способ регистрации светового сигнала, устройство для его осуществления и способ сканирования объекта
Способ регистрации светового сигнала, устройство для его осуществления и способ сканирования объекта
Способ регистрации светового сигнала, устройство для его осуществления и способ сканирования объекта
Способ регистрации светового сигнала, устройство для его осуществления и способ сканирования объекта
Способ регистрации светового сигнала, устройство для его осуществления и способ сканирования объекта
Способ регистрации светового сигнала, устройство для его осуществления и способ сканирования объекта
Способ регистрации светового сигнала, устройство для его осуществления и способ сканирования объекта

 


Владельцы патента RU 2431906:

Глинский Денис Николаевич (RU)
Федосеенко Алексей Олегович (RU)

Изобретение относится к фотоэлектронной технике и может быть использовано, в частности, в устройствах для сканирования объектов. Способ регистрации светового сигнала включает разложение светового потока на составляющие спектра, формирование из него когерентного поляризованного светового потока и направление полученного потока на поверхность датчика в виде ПЗС матрицы. Матрица имеет по меньшей мере два слоя фоточувствительных элементов. Фотоны светового потока поглощаются фоточувствительными элементами первого относительно их движения слоя матрицы и/или по меньшей мере одного из последующих ее слоев при пробое фотонами предыдущих слоев и при поглощении фотонов фоточувствительные элементы слоев накапливают электрические заряды. Разложенный световой поток распределяют по поверхности матрицы с образованием по меньшей мере двух областей, в каждой из которых поглощается часть спектра разложенного светового потока, и определяют значения интенсивности светового потока для каждой части спектра по суммарному заряду, накопленному фоточувствительными элементами на всех слоях матрицы в каждой из ее областей. Технический результат -повышение точности определения интенсивности светового потока в различных областях спектра. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к фотоэлектронной технике, а именно к технологии регистрации светового сигнала, а также к способам сканирования объектов с использованием данной технологии. Изобретение может быть использовано, в частности, для сканирования любых цветовых носителей информации как на просвет, так и на отражение (например, кинопленок, фотопленок и т.д.), для сканирования любых материальных объектов (как на просвет, так и на отражение), в том числе любых небесных тел, а также клеток, частиц, молекул, живых тканей, для дефектоскопии материалов и изделий, для фото-, кино- и видео съемки, в т.ч. видео наблюдения, для съемки и регистрации голографических объектов, для наблюдения и регистрации степени освещенности материальных объектов и структур на их базе. При этом изобретение может быть использовано в следующих устройствах: киносканеры, кинокамеры телекамеры, видеокамеры, фотокамеры, цифровые камеры наблюдения, движения, ночного видения и др., цифровые бинокли, подзорные трубы, телескопы, электронные микроскопы, дефектоскопы, копиры, парктроники, медицинские зонды, устройства для «искусственного зрения», устройства ручного ввода, геодезические устройства регистрации, метеорологические устройства регистрации, устройства для астрономической съемки и аэрофотосъемки, стерео- и 3D-сканеры, сканеры документооборота, устройства обратной связи, в системах регистрации объектов, устройства для наблюдения и регистрации освещенности объектов материальной структуры.

В общем случае целью регистрации светового сигнала является определение интенсивности светового потока в различных частях светового спектра.

Из уровня техники известен способ и устройство для регистрации светового излучения по областям RGB светового спектра (см. US 6532086 B1, 11.03.2003). Согласно способу световой поток направляют на поверхность ПЗС (CCD) TDI матрицы активных пикселов. При этом матрица имеет три области (RGB), в каждой из которых световой поток поглощается в определенной части спектра (в «красной» (R) «зеленой» (G) и «синей» (В)). Такое избирательное поглощение света обеспечивается за счет применения светофильтров, нанесенных на поверхность матрицы. При попадании фотонов светового потока на поверхность матрицы они (в большинстве случаев) поглощаются ее светочувствительными элементами, образуя электроны. По суммарному накопленному заряду этих электронов в каждой из трех упомянутых областей определяют интенсивность светового потока (яркостную характеристику) в каждой части спектра (RGB).

Однако данные способ и устройство позволяют определять интенсивность светового потока только в трех областях видимой части спектра (RGB), игнорируя остальные области. Кроме того, не все фотоны светового потока, попадающие на поверхность матрицы, будут поглощены ее светочувствительными элементами, что вносит большую ошибку в достоверность получаемых данных.

Задачей заявленного изобретения является создание способа и устройства для регистрации светового сигнала, которые позволяют с большой точностью определить интенсивность светового потока (яркостную характеристику) в видимой части спектра и прилегающей к ней областям (ультрафиолетовая, инфракрасная).

Кроме того, задачей изобретения является создание способа сканирования объектов, использующего способ и устройство для регистрации светового сигнала и обеспечивающего возможность получения более качественного цифрового образа.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении точности определения интенсивности светового потока в различных областях спектра за счет максимального «поглощения» светочувствительными элементами фотонов света, попадающих на поверхность ПЗС-матрицы.

Указанный технический результат достигается в способе регистрации светового сигнала за счет того, что он включает разложение светового потока на составляющие спектра, формирование из него когерентного поляризованного светового потока, направление полученного потока на поверхность датчика в виде ПЗС-матрицы, имеющей по меньшей мере два слоя фоточувствительных элементов, обеспечивающих поглощение фотонов светового потока фоточувствительными элементами первого относительно их движения слоя матрицы и/или по меньшей мере одного из последующих ее слоев при пробое фотонами предыдущих слоев с накоплением фоточувствительными элементами слоев электрических зарядов, причем разложенный световой поток распределяют по поверхности матрицы с образованием по меньшей мере двух областей, в каждой из которых поглощается часть спектра разложенного светового потока, после чего определяют значения интенсивности светового потока для каждой части спектра по суммарному заряду, накопленному фоточувствительными элементами на всех слоях матрицы в каждой из ее областей.

Кроме того, технический результат достигается за счет того, что

- при направлении светового потока на поверхность датчика в виде ПЗС-матрицы, этот поток имеет вертикальную поляризацию по отношению к плоскости датчика.

- в качестве каждой из упомянутых областей матрицы используют по меньшей одну строку пикселов из фоточувствительных элементов.

- в качестве ПЗС-матрицы используют TDI-матрицу.

Указанный технический результат достигается в ПЗС-матрице для регистрации светового сигнала за счет того, что она содержит:

по меньшей мере два слоя фоточувствительных элементов, выполненных с возможностью поглощения фотонов светового потока фоточувствительными элементами первого относительно их движения слоя матрицы и/или по меньшей мере одного из последующих ее слоев при пробое фотонами предыдущих слоев и накопления фоточувствительными элементами слоев электрических зарядов, при этом матрица снабжена электродами параллельного переноса заряда для его перетекания от одного слоя к другому и имеет по меньшей мере две области, выполненные с возможностью поглощения в каждой из них части спектра разложенного светового потока.

Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что:

- каждая упомянутая область слоя выполнена в виде по меньшей мере одной строки активных пикселов из фоточувствительных элементов.

- в последнем слое матрицы установлены выходные элементы, а пикселы каждой строки в последнем слое соединены электродами последовательного переноса заряда, для перетекания накопленного заряда со всех слоев в каждой строке к выходным элементам.

Указанный технический результат достигается в способе сканирования объекта за счет того, что он включает:

направление потока белого или ультрафиолетового или инфракрасного света на объект сканирования с получением светового потока со спектральной и яркостной характеристиками, соответствующими сканируемой области объекта, и последующую регистрацию полученного светового сигнала.

Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что:

- используют поток белого, или ультрафиолетового, или инфракрасного света с выровненной амплитудой по спектру.

- объект сканирования перемещают относительно светового потока.

Стандартная ПЗС-матрица (широко используемая в различных устройствах) чаще всего представляет собой аналоговую интегральную микросхему, состоящую из светочувствительных фотодиодов и использующую технологию ПЗС-приборов с зарядовой связью. Обычно ПЗС-матрица состоит из поликремния, отделенного от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. До экспонирования обычно подачей определенной комбинации напряжений на электроды происходит сброс всех ранее образовавшихся зарядов и приведение всех элементов в идентичное состояние. Далее комбинация напряжений на электродах создает потенциальную яму, в которой могут накапливаться электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании. Чем интенсивнее световой поток во время экспозиции, тем больше накапливается электронов в потенциальной яме, соответственно тем выше итоговый заряд данного пиксела.

Таким образом, при регистрации светового сигнала световой поток направляют на светочувствительную поверхность ПЗС-элементов, задача которых состоит в преобразовании энергии фотонов в электрический заряд. В общем случае это происходит следующим образом.

Для фотона, упавшего на ПЗС-элемент, есть три варианта развития событий - он либо «срикошетирует» от поверхности, либо будет поглощен в толще полупроводника (материала матрицы), либо «пробьет насквозь» ее «рабочую зону». Фотоны, которые были поглощены матрицей, образуют пару электрон-дырка, если произошло взаимодействие с атомом кристаллической решетки полупроводника, или же только электрон (либо дырку), если взаимодействие было с атомами донорных либо акцепторных примесей. Однако те фотоны, которые «срикошетили» или «пробили» матрицу насквозь, не могут быть учтены при определении интенсивности светового потока. Очевидно, что требуется создать такую матрицу, в которой потери от «рикошета» и «прострела навылет» были бы минимизированы.

Предпочтительный вариант конструкции матрицы по заявленному изобретению показан на фиг.1А и ее отдельный слой на фиг.1Б.

Заявленная матрица в отличие от известных аналогов содержит не один, а по меньшей мере два фоточувствительных слоя 1 активных пикселов 2. При этом каждый из слоев имеет по меньшей мере две области 3, каждая из которых поглощает разложенный световой поток 4 в различных частях светового спектра.

Предпочтительно указанные области выполнены в виде одной или нескольких строк. Для переноса электронов от слоя к слою матрица снабжена электродами 5 параллельного переноса заряда. При этом на последнем слое матрицы пиксели каждой строки (области) матрицы соединены электродами 6 последовательного переноса заряда для «перетекания» накопленного заряда на всех слоях в каждой из областей к выходным элементам 7 матрицы.

Предпочтительный вариант архитектуры многослойного пиксела 2 в заявленной матрице показан на фиг.2.

Пиксел 2 представляет из себя набор фоточувствительных полупроводниковых элементов 8, размещенных в многослойной подложке 9. Перед первым слоем установлена линза 10 (в случае, если используется отраженный свет) и прозрачный электрод 11, который отделен от первого слоя изолятором 12. Каждый слой матрицы имеет зону генерации носителей заряда 13 и зону потенциальной ямы 14. При этом слои отделены друг от друга с помощью прозрачных или полупрозрачных прослоек 15.

Работа заявленной матрицы осуществляется следующим образом.

Световой поток предварительно раскладывают на составляющие спектра и «выравнивают» с получением когерентного поляризованного светового потока (световые потоки по всему спектру движутся параллельно друг другу). В таком виде поток направляют на поверхность датчика в виде ПЗС-матрицы. При этом предпочтительно при направлении на поверхность матрицы, чтобы световой поток имел вертикальную поляризацию по отношению к плоскости датчика. Световой поток распределяют по поверхности матрицы таким образом, что образуется по меньшей мере две области, в каждой из которых поглощается одна из частей разложенного спектра, т.е. поглощается световой поток с определенной длиной волны. Как было упомянуто ранее, при попадании фотонов на поверхность матрицы большинство из них вступают во взаимодействие с фоточувствительными элементами, образуя электроны и накапливая их в зоне потенциальной ямы 14. При этом некоторые фотоны могут пройти насквозь один или несколько слоев 1 матрицы, в этом случае фотоны будут поглощены одним из последующих слоев. Таким образом, заряд будет возникать также и на промежуточных слоях матрицы.

Затем посредством электродов 5 параллельного переноса заряда образованные электроны со всех слоев «перетекают» к последнему (относительно движения светового потока) слою, в котором с помощью электродов 6 последовательного переноса в каждой строке заряд со всех слоев перемещается к выходным элементам 7 матрицы. При этом по суммарному заряду образованному в каждой области матрицы на всех слоях определяют интенсивность (яркостную характеристику) светового излучения в каждой части спектра (для каждого диапазона длин волн).

Следует отметить, что путь фотона и его дальнейшая «судьба» зависят от угла падения фронта электромагнитной волны, в плоскости которой передвигаются фотоны. Чем более неравномерной будет поверхность относительно фронта падающей волны, тем большее число фотонов света сможет преломиться и пройти дальше вглубь матрицы, «среагировать» на каком-нибудь из слоев матрицы с электронами и, соответственно, сможет быть зафиксированным. Потенциал данного слоя внесет свою лепту в общую картину интенсивности падающего излучения. Те фотоны, угол падения во фронте падающего излучения и, соответственно, ось поляризации которых будет продольна и угол падения на первый слой будет намного больше 90 градусов, практически полностью будут поглощены первым слоем и прореагируют с его электронами. В дальнейшем при углах падения, все более приближенных к 90 градусам, фотоны смогут проходить на следующие слои, но на каждой границе сред будет происходить небольшое отклонение фронта волны в сторону, большую чем 90 градусов, и тем самым, с большей вероятностью фотон излучения прореагирует с электроном в данном слое матрицы.

Таким образом, для того чтобы максимальное количество фотонов были поглощены матрицей предпочтительно (но строго необязательно), чтобы фронт волны падающего излучения стремился к 90 градусам, плоскость поляризации фронта волны была продольная, а поверхность материала матрицы имела такую структуру (шероховатость), при которой возможное отражение на внешнем слое обеспечивало бы захват фотонов под углом в 90 градусов к элементам структуры матрицы. Кроме того, предпочтительно, чтобы поверхность матрица имела шероховатость структуры, в пределе абсолютно черную.

На фиг.3 представлен график характеристической кривой (Х.К.) сенситометрии. На графике по оси Y (абсцисс) откладываются значения чувствительности (или плотности в случае сравнения с кино- или фотопленкой), а по оси Х (ординат) значения экспозиции или времени, при котором происходит регистрация процесса накопления заряда под воздействием фотонов падающего света. Значение экспозиции измеряется в люксах на секунду и имеет логарифмическую форму для компактности удобства оценки и восприятия конечных значений. Значения т.н. нейтрально-серого стандартного клина, по которому в настоящее время измеряют значения плотности почернения (недодержки) в нижней части Х.К. или побеления (передержки) в верхней части Х.К, позволяют наилучшим образом описать процесс взаимодействия количества падающих фотонов света и их энергий (и соответственно, спектрального состава регистрируемого светового потока) на сам процесс регистрации. На чертеже видно, что расширение динамического диапазона достигается в нижней части Х.К. за счет смещения участка почернения (недодержки) Х.К. в нижнюю часть и регистрации практически всех фотонов (это происходит за счет конструкции самого первого и самого чувствительного слоя матрицы, описанной выше) практически на порядок, а в верхней части Х.К. за счет регулировки границы побеления (передержки), т.е. плавного смещения области регистрации или реакции на поток падающих фотонов и ограничения этого потока в верхней части Х.К. (это происходит грубо за счет подбора материала фоточувствительного слоя, количества примесей в материале, т.е. изменения количества носителей заряда, а также изменения размера и толщины как самих слоев, так и регистрирующих свет областей матрицы, а более точная регулировка и настройка осуществляются путем смещения величины потенциала прикладываемого к электроду слоя и, соответственно, смещению зоны реакции потенциальной ямы в сторону больших или меньших значений). В области «белого» все пикселы обычной матрицы будут засвечены и определить, например, 100001 фотон из 100000 будет проблематично. В области «черного», наоборот, для определения одиночных фотонов требуются пикселы с высокой чувствительностью и требуется различать, например, 3 от 4 упавших фотонов. Используя многослойную матрицу, можно варьировать съем информации с каждого слоя и использовать, например, первый слой как слой, пропускающий практически все фотоны и являющийся слоем корректировки ошибок. Или, наоборот, использовать его как высокочувствительный слой. Также можно изменять чувствительность слоев относительно друг друга, создавая, например, логарифмическое распределение чувствительности по слоям. Таким образом возможно расширить яркостной диапазон, в котором работает заявленная матрица. Существующие матрицы работают, как правило, только в зоне L или Lmax.

Наиболее предпочтительно для заявленного способа использовать TDI-матрицу, поскольку она позволит наилучшим образом зарегистрировать весь спектр энергий падающего излучения. При этом каждый слой будет лучше накапливать и передавать энергию взаимодействия между фотонами и электронами, а суммарный заряд этого взаимодействия будет оценен и зафиксирован.

Для описания расширения спектрального состава регистрируемого светового излучения обратимся к описанию цветовых пространств, точнее их моделей.

1) Пространство RGB (фиг.4): Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий. Цвет разбит на 3 характеристики, выражающие содержание основных цветов. Модель является аддитивной, так как эти компоненты суммируются. Данное цветовое пространство используется при выводе на экран монитора. Это означает, что модель аппаратно зависима, на разных мониторах одинаковые цвета будут выглядеть различно. RGB цвет используется с разной точностью: 8-битный RGB дает 256 цветов, 16-битный 65536 (схема 5-6-5), 24-битный 16777216 (8-8-8). В скобках указаны биты на канал.

2) Пространство CMYK (фиг.5): Cyan, Magenta, Yellow, Key - голубой, пурпурный, желтый, ключ (черный). Данный формат используется в принтерах. Позволяет экономить чернила. К сожалению, нельзя создать красок, аналогичных RGB для печати. Все дело в том, что эти цвета работают только "на просвет", т.е. через пленку-фильтр или люминофор монитора. Цвета словно вырезаются соответствующими фильтрами из сплошного спектра. В печати все происходит с точностью до наоборот, т.е. бумага поглощает весь спектр за исключением того цвета, в который она покрашена. Создать краски, являющиеся абсолютно точно "противоположными" (дополнительными) к цветам RGB, не удается, поэтому приходится вводить четвертую дополнительную краску - черную. Ее задача - усилить поглощение света в темных областях, сделать их максимально черными, т.е. увеличить тоновый диапазон печати. Четырехканальный CMYK весомее RGB и обрабатывается медленнее, занимая больше памяти.

3) Пространство HLS (фиг.6): Hue, Lightness, Space - оттенок, яркость, насыщенность. Довольно распространенный формат, удобен для применения различных эффектов. В отличие от двух предыдущих кубических спектров RGB и CMYK HLS является коническим. Очень сходны с ней модели HSB (Hue, Space, Brightness) и HSV (Hue, Space, Value), также конические. Эти модели наиболее близки к восприятию цвета человеком. Кроме того, наиболее удобна для оптических и фотометрических расчетов: оттенок соответствует длине волны, яркость - количеству света, насыщенность - интенсивности. Так что эта модель будет удобна при работе с источниками света и материалами.

4) Пространство СIЕ XYZ (фиг.7): Нормальная цветовая схема - плоская модель цветопередачи. Красные компоненты цвета вытянуты вдоль оси Х координатной плоскости (горизонтально), а зеленые компоненты цвета вытянуты вдоль оси Y (вертикально). При таком способе представления каждому цвету соответствует определенная точка на координатной плоскости. Спектральная чистота цветов уменьшается по мере того, как вы перемещаетесь по координатной плоскости влево. Но в этой модели не учитывается яркость. Данная модель аппаратно независима, поддерживает намного больше цветов, чем способны различать современные устройства (сканеры, мониторы, принтеры) СIЕ XYZ построено на основе зрительных возможностей так называемого "Стандартного Наблюдателя", то есть гипотетического зрителя, возможности которого были тщательно изучены и зафиксированы в ходе проведенных комитетом СIЕ длительных исследований человеческого зрения. Комитет СIЕ провел множество экспериментов с огромным количеством людей, предлагая им сравнивать различные цвета, а затем с помощью совокупных данных этих экспериментов построил так называемые функции соответствия цветов (color matching functions) и универсальное цветовое пространство (universal color space), в котором был представлен диапазон видимых цветов, характерный для среднестатистического человека. Функции соответствия цветов - это значения каждой первичной составляющей света, которые должны присутствовать, чтобы человек со средним зрением мог воспринимать все цвета видимого спектра

5) Пространство CIE Lab (фиг.8): Усовершенствованная модель XYZ. Конечной целью комитета CIE была разработка повторяемой системы стандартов цветопередачи для производителей красок, чернил, пигментов и других красителей. Самая важная функция этих стандартов - предоставить универсальную схему, в рамках которой можно было бы устанавливать соответствие цветов. В основу этой схемы легли Стандартный Наблюдатель и цветовое пространство XYZ, однако несбалансированная природа пространства XYZ, вызванная тем, что человек различает разницу между оттенками зеленого и желтого гораздо лучше, чем между оттенками красного и пурпурного, сделала эти стандарты трудными для четкой реализации. В результате СIЕ разработал более однородные цветовые шкалы - CIE Lab и CIE Luv. Из этих двух моделей более широко применяется модель CIE Lab. Хорошо сбалансированная структура цветового пространства Lab основана на той теории, что цвет не может быть одновременно зеленым и красным или желтым и синим. Следовательно, для описания красно-зеленого и желто-синего атрибутов можно воспользоваться одними и теми же значениями. Когда цвет представляется в пространстве CIE Lab, величина L обозначает яркость (luminosity), a - величину красно-зеленой составляющей, a b - величину желто-синей составляющей.

Также существуют и другие цветовые модели (такие, как CCY, Luv, модели Манселла и Оствальда), но они используются намного реже.

Как видно из представленных моделей, наиболее ограниченная и соответственно зависимая модель пространства - это модель пространства RGB, и т.к. все существующие матрицы регистрируют световое излучение именно по этой модели, то яркостная характеристика L у этих матриц жестко привязана к цветовым характеристикам и любое изменение в яркостном диапазоне сразу приводит к изменению в цветовом и наоборот.

В нашем случае, т.к. яркостная характеристика измеряется отдельно от цветовой и модель цветового диапазона наиболее соответствует представлению модели CIE Lab, диапазон измеренных цветов и их оттенков ограничивается только количеством шагов регистрации цветового спектра для данного материала и исполнения матрицы. Таким образом достигается принципиально другой уровень точности при обработке цветовой информации и, соответственно, диапазон измеряемых и регистрируемых цветовых оттенков, ограниченный только математическим аппаратом текущего представления модели пространства CIE Lab.

Рассмотренные способ и устройство для регистрации светового излучения могут быть применены при сканировании различных объектов. В общем случае сканирование объекта осуществляется следующим образом.

Для сканирования в области видимого излучения используют белый свет, а в случае сканирования в прилегающих к видимым областям - инфракрасный или ультрафиолетовый свет. При этом предпочтительно, чтобы этот поток имел выровненную по амплитуду по спектру. Световой поток направляют на объект сканирования, и, проходя через этот объект на просвет или отражаясь от него, свет приобретает спектральную и яркостную характеристики, соответствующие сканируемой области объекта. Полученный световой поток раскладывают на спектральные составляющие и «выравнивают», формируя из него когерентный поляризованный световой поток. В таком виде световой поток, несущий в себе информацию о сканируемом объекте, направляют на поверхность ПЗС-матрицы. Далее происходит регистрация светового сигнала по способу, описанному выше.

Предпочтительный вариант конструкции устройства для сканирования по данному способу показан на фиг.9.

Устройство содержит источник света 16 (например, светодиодная матрица с обратной связью), оптическую систему 17 для нормирования светового потока, щелевую маску 18, оптическую систему 19 (канал, тракт, систему линз, призм, щелей и решеток) для разложения светового потока, ПЗС-матрицу 20, конструкция которой описана выше, АЦП (аналого-цифровой преобразователь) 21 и устройство хранения информации 22.

При сканировании объекта свет испускается источником света 16 и нормируется при помощи оптической системы 17, на выходе из которой свет представляет собой поток белого света или близкий к нему, у которого амплитуда (яркость) по всему частотному (спектральному) диапазону выровнена. Далее световой поток проходит через щелевую маску 18, где он преобразуется в узкий световой пучок. В центре щелевой маски размещается объект сканирования (например, пленка или пластина), плоскость которого перемещается перпендикулярно плоскости узкого светового потока. Проходя через этот объект сканирования на просвет или отражаясь от него, белый нормированный поток света или близкий к нему изменяет свой спектральный состав и яркостной характер, а именно приобретает яркостную характеристику (амплитуду) для каждой длинны волны входящий в видимый (400-700 нм) или близкий к нему световой спектр в соответствии со сканируемой областью объекта и в зависимости от нанесенной на него цветовой маски. Сформированный таким образом световой поток попадает в оптическую систему 19 и, проходя через этот оптический канал в части видимого спектра (400-700 нм) или близкого к видимому, дифференцируется (раскладывается, разлетается в пространстве за счет разных углов преломления для разных длин волн) на бесчисленное множество световых волн (спектральных составляющих). В таком виде световой поток попадает на светочувствительную поверхность ПЗС матрицы 20. При этом сканирование объекта возможно производить построчно, т.е. поэтапно «засвечивая» объект узкими «полосками». В этом случае при перемещении светового потока по «ширине» объекта в каждый момент времени он, проходя через объект сканирования (или отражаясь от него) и раскладываясь с помощью оптической системы, формирует на активной матрице световую плоскость, разложенную (развернутую) в видимом (400-700 нм) или близком к нему спектре по ширине, а по длине световой поток соответствует ширине сканируемого объекта. Таким образом, когда на объекте сканирования "засвечивается" только одна строка (полоска), на ПЗС-матрице путем разложения света по частотному спектру "засвечиваются" все строки. Сигнал с ПЗС-матрицы обрабатывается с помощью АЦП 21. В нем накопленный заряд, несущий информацию о яркостной характеристике объекта, суммируясь в определенные промежутки времени и с заданной частотой опроса на множестве полос и слоев с информацией о спектральной характеристике объекта, преобразуется в результирующий цифровой код образа сканируемого объекта. С выхода АЦП информация в виде файла поступает на устройство хранения 22.

Способ сканирования объекта с использованием описанной технологии регистрации светового сигнала позволяет получать более качественный цифровой образ за счет:

1) Увеличения различимости градаций серого (до 10 раз) при той же мощности или освещенности объекта либо позволяет получить то же качество различимости при освещенности меньшей освещенности, чем известными способами. Динамический яркостной коэффициент различимости D (соотношения самого светлого участка к самому темному) с применением заявленного способа - D=4, а различимость 10 000, с применением аналогичных способов - D=3, различимость 1 000.

2) Значительного увеличения различимости количества цветовых оттенков (до 16000000 раз) по сравнению с существующими сегодня технологиями. С применением существующих способов различимость спектра 2 в 24 степени (линейная система). С применением заявленного способа различимость спектра 2 в 48 степени (логарифмическая система).

Таким образом, заявленные способ и устройство для регистрации светового сигнала (ПЗС-матрица), а также способ сканирования объектов обеспечивают наиболее точное определение интенсивности светового потока в каждой области светового спектра за счет предварительного разложения потока на спектральные составляющие и использования нескольких фоточувствительных слоев.

Следует отметить, что заявленная группа изобретений не ограничена частными формами реализации, приведенными в описании.

1. Способ регистрации светового сигнала, включающий разложение светового потока на составляющие спектра, формирование из него когерентного поляризованного светового потока, направление полученного потока на поверхность датчика в виде ПЗС матрицы, имеющей по меньшей мере два слоя фоточувствительных элементов, обеспечивающих поглощение фотонов светового потока фоточувствительными элементами первого относительно их движения слоя матрицы и/или по меньшей мере одного из последующих ее слоев при пробое фотонами предыдущих слоев, с накоплением фоточувствительными элементами слоев электрических зарядов, причем разложенный световой поток распределяют по поверхности матрицы с образованием по меньшей мере двух областей, в каждой из которых поглощается часть спектра разложенного светового потока, после чего определяют значения интенсивности светового потока для каждой части спектра по суммарному заряду, накопленному фоточувствительными элементами на всех слоях матрицы в каждой из ее областей.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что направляют световой поток на поверхность датчика в виде ПЗС матрицы так, что этот поток имеет вертикальную поляризацию по отношению к плоскости датчика.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве каждой из упомянутых областей матрицы используют по меньшей одну строку пикселов из фоточувствительных элементов.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве ПЗС матрицы используют TDI матрицу.

5. ПЗС матрица для регистрации светового сигнала, содержащая по меньшей мере два слоя фоточувствительных элементов, выполненных с возможностью поглощения фотонов светового потока фоточувствительными элементами первого относительно их движения слоя матрицы и/или по меньшей мере одного из последующих ее слоев при пробое фотонами предыдущих слоев и накопления фоточувствительными элементами слоев электрических зарядов, при этом матрица снабжена электродами параллельного переноса заряда для его перетекания от одного слоя к другому и имеет по меньшей мере две области, выполненные с возможностью поглощения в каждой из них части спектра разложенного светового потока.

6. Матрица по п.5, в которой каждая упомянутая область слоя выполнена в виде по меньшей мере одной строки активных пикселов из фоточувствительных элементов.

7. Матрица по п.6, в последнем слое которой установлены выходные элементы, а пикселы каждой строки в последнем слое соединены электродами последовательного переноса заряда, для перетекания накопленного заряда со всех слоев в каждой строке к выходным элементам.

8. Способ сканирования объекта, включающий направление потока белого или ультрафиолетового, или инфракрасного света на объект сканирования с получением светового потока со спектральной и яркостной характеристиками, соответствующими сканируемой области объекта, разложение светового потока на составляющие спектра, формирование из него когерентного поляризованного светового потока, направление полученного потока на поверхность датчика в виде ПЗС матрицы, имеющей по меньшей мере два слоя фоточувствительных элементов, обеспечивающих поглощение фотонов светового потока фоточувствительными элементами первого относительно их движения слоя матрицы и/или по меньшей мере одного из последующих ее слоев при пробое фотонами предыдущих слоев, с накоплением фоточувствительными элементами слоев электрических зарядов, причем разложенный световой поток распределяют по поверхности матрицы с образованием по меньшей мере двух областей, в каждой из которых поглощается часть спектра разложенного светового потока, после чего определяют значения интенсивности светового потока для каждой части спектра по суммарному заряду, накопленному фоточувствительными элементами на всех слоях матрицы в каждой из ее областей.

9. Способ по п.8, в котором на объект сканирования направляют поток белого или ультрафиолетового, или инфракрасного света с выровненной амплитудой по спектру.

10. Способ по п.8, при котором объект сканирования перемещают относительно светового потока.

11. Способ по п.8, характеризующийся тем что световой поток направляют на поверхность датчика в виде ПЗС матрицы так, что он имеет вертикальную поляризацию по отношению к плоскости этого датчика.

12. Способ по п.8, характеризующийся тем, что в качестве каждой из упомянутых областей матрицы используют по меньшей одну строку пикселов из фоточувствительных элементов.

13. Способ по п.8, характеризующийся тем, в качестве ПЗС матрицы используют TDI матрицу.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области производства оптоэлектронных приборов, в частности к производству матричных фоточувствительных приборов с зарядовой связью. .

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в видеокамерах и фотоаппаратах, предназначенных для регистрации изображений. .

Изобретение относится к телевидению и может быть использовано при создании прикладных систем, в частности для пространственно-временной обработки изображений. .

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в видеокамерах и фотоаппаратах, предназначенных для регистрации изображений со сжатием избыточной информации.

Изобретение относится к технике машинного зрения и может быть использовано в видеокамерах и фотоаппаратах, предназначенных для регистрации изображений со сжатием избыточной информации, а также в фотоприемниках с временной задержкой и накоплением сигнала при сканировании изображения.

Изобретение относится к области производства электронно-оптических приборов, а именно к области производства электронно-чувствительных матриц для электронно-оптических преобразователей (ЭОП), и может быть использовано при изготовлении указанных преобразователей.

Изобретение относится к телевизионной технике и может быть использовано в системах наблюдения быстропротекающих процессов. .

Изобретение относится к способу и соответствующему устройству для определения информации об амплитуде и/или фазе электромагнитной волны. .

Изобретение относится к электронной технике. В фоточувствительном приборе с зарядовой связью, имеющем подложку первого типа проводимости, в ее приповерхностной части, внутри области объемного канала переноса второго типа проводимости дополнительно сформирована примыкающая к обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной области и имеющая с ней омический контакт дополнительная фоточувствительная область первого типа проводимости, имеющая область перекрытия с областью стоп-диффузии с образованием в этой области перекрытия омического контакта, причем находящаяся под ней область объемного канала переноса второго типа проводимости имеет более низкую концентрацию примеси, чем область объемного канала переноса под обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью, при этом величина потенциала объемного канала переноса под дополнительной фоточувствительной областью меньше величины потенциала объемного канала переноса под обеспечивающей перенос заряда фоточувствительной областью, а глубина залегания дополнительной фоточувствительной области в области канала переноса соответствует глубине проникновения ультрафиолетового излучения в данную полупроводниковую подложку. Изобретение обеспечивает создание фоточувствительного прибора с зарядовой связью с увеличенной чувствительностью к УФ излучению. 1 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.

Изобретение относится к мультиспектральным считывающим фоточувствительным устройствам для считывания субдискретизированных данных фоточувствительных пикселов в фоточувствительных кристаллах с большой матрицей. Техническим результатом является обеспечение субдискретизации с высокой производительностью и эффективной обработки изображений. Указанный технический результат достигается тем, что мультиспектральное фоточувствительное устройство и способ дискретизации пикселов включает: первый процесс комбинирования для комбинирования и дискретизации двух смежных пикселов в идентичной строке и различном столбце, или в различной строке и идентичном столбце, или в различной строке и различном столбце в пикселной матрице, чтобы получать данные дискретизации первого комбинированного пиксела; второй процесс комбинирования для комбинирования и дискретизации данных дискретизации первого комбинированного пиксела, полученного из первого блока комбинирования, чтобы получать данные дискретизации второго комбинированного пиксела; и третий процесс комбинирования, данные дискретизации третьего комбинированного пиксела получаются посредством способа для преобразования цветов и масштабирования изображений в цифровом пространстве. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 26 ил.

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использовано в оптико-электронных приборах (ОЭП) ориентации по звездам, содержащих матричный фотоприемник с накоплением заряда. Решение заключается в проецировании на фоточувствительную площадку фотоприемника через объектив изображения участка звездного неба в трех или более спектральных диапазонах и калибрационных меток с изменяемым временем экспозиции, выделении изображений звездных объектов во всех спектральных диапазонах и формировании мультиспектрального изображения звездных объектов путем выбора по каждому звездному объекту изображения того спектрального диапазона, средняя величина амплитуды в котором оказывается наибольшей, измерении линейных координат центров изображений звезд и калибрационных отметок и пересчете линейных координат центров изображений звезд в угловые координаты звезд в базовой приборной системе координат с учетом результатов измерений линейных координат центров изображений калибрационных отметок. Технический результат - увеличение точности измерения угловых координат звезд за счет повышения отношения сигнал/шум путем обработки изображений звезд в раздельных спектральных диапазонах. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к телевидению и может быть использовано для пространственно-временной обработки изображений. Техническим результатом изобретения является обеспечение адаптации к уровню освещенности без каких-либо ограничений на значения отсчетов импульсной характеристики при выделении неподвижных и движущихся слабоконтрастных объектов на нестационарном фоне при пространственно-временной обработке изображений. Способ пространственно-временной обработки изображений на основе матриц ФПЗС заключается в пространственно-временной обработке изображения в виде свертки изображения, проецируемого на матрицу фоточувствительных приборов с зарядовой связью (ФПЗС), с импульсной характеристикой реализуемого пространственно-временного фильтра (ПВФ). Пространственно-временная свертка изображения осуществляется на двух матрицах фоточувствительных приборов с зарядовой связью. На одной из матриц производится свертка изображения с положительными отсчетами импульсной характеристики, а на второй - с отрицательными. Формируется разность сигналов с выходов фоточувствительных приборов с зарядовой связью как общего выходного.
Наверх