Оптоэлектронный анализатор

 

Союз Советских

Социалистических

1ееотублик (11) 434843

К АВТОРСКОМУ СВИДИТ1еЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено14.03.72 (21)1758555/18-24 с присоединением заявки №(23) Приоритет (51) М. Кл.2

G 06 0 9/00 (53) УДК 621.381, .19(0ВВ.В) Государственный комитет

Совета еенннстрав СССР ао делам изооретений и открытий (43) Опубликовано 25,08.77.Бюллетень № 31 (45) Дата опубликования описания .26.09.77 (72) Авторы изобретения

К. Ф. Берковская и Б. Г. Подласкин (71) Заявитель

Ордена Ленина физико-технический институт им. А, Ф. Иоффе (54) ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ АНАЛИЗАТОР

Изобретение относится к оптоэлектронике. Устройство представляет собой оптоэлектронный функциональный преобразователь сигнала, выполненный на основе излучающей и фотоприемной матрицы методами интегральной технологии.

Области применения такого устройства распознавание сигналов, оптимальная и адаптивная фильтрация, выделение сигналов на фоне шумов и мешающих объектов, ходиро- 1О вание, спектрометрирование и т. д.

В настоящее время эти операции над электрическим сигналом проводят с помощью электрических RC- или LC - фильтров. Син тезирование излучающей конфигурации на основе электрического сигнала позволяет испольэовать все методы оптической фильтрации изображений к анализу электрического сигнала и, в том числе, метод опти- 20 ческого маскирования.

В одном из известных устройств такого типа в результате логического преобразо,вания сигнала получают н1Е4 коэффициентов ряда разложения сигнала по функциям Уэлша, 25 однозначно соответствующих двумерному оптическому изображению

Сп (те 42,..., й; щ М2,..., М), Известное устройство содержит источник света, который при помощи объектива соэ» дает параллельный пучок лучей. B этом пуе» ке расположена диафрагма, создающая поле изображения 8 (X, Y} . 3a диафрагмой раэ мешена фотопленка с анализируемым изображением G(X> т ) ..Эти элементы вместе составлевот блок синтеза оптического изо( ражения. Изображение проецируется на пространственно-распределительную фото» приемную структуру, снабженную системой г ортогональных шин. Блок синтеза масок, оо держащий многовыходные функциональные генераторы Хи т, осуществляетсменумасок, т, е. изменяет площадь и конфигурацию воспринимающей свет поверхности фотоприетеника, Фоточувствительность..приемника в

l пределах описывается функцией > (М Y), !

С о о оку он оооо t > (Х, Y ) (n L 2,..., И m 1, Р, М) J представляет собой систему ортогональных функций, например функций Уолша, по кото

434843 рым осуществлаот разложение анализируемого изображения в ряд.

Световой поток, прошедший через транс парант с изображением и промодулированный йо площади маской, интегриру> тся по полю в сумматоре, величина результирующего фототока поступает в блок анализа. Временное распределение величин результирующих сум маторных фототоков по всем шинам при по следовательной во времени смене масок О к свет совок>нность ко»ф(»ннентов онов (Се > однозначно характеризующих данное изображение.

Однако известное устройство не позволяеу анализировать электрические сигналы, l6 оно анализирует только оптические изображения. В нем блок синтеза изобраркения требует необходимости запоминания оптического изображения на время смены всех алектрических масок на фотоприемной матрице. 30, Гочность аналогового преобразования светфототок в таком устройстве ограничена однородностью фотоприемной полупроводниковой структуры по полю 8 и.однородностью источника света, а также градационной точ- 25 цостью передачи изображения на транспаран те. Кроме того, сложна технология выполне. ния и конструкция фотоприемной матрицы главным образом из-за требования высокого коэффициента заполнения площади > фоточув 80 ствительными элементами, он должен приближаться к 1007о. При коэффициенте заполнения менее 100% необходимы точная юстировка и,согласование шага отверстий в кодовой маске с шагом фоточувствительных площадок: > фотоприемной матрицы, Цель изобретения - расширение функциональных возможностей„ т. е, обеспечение возможности анализа электрических сигналов, а также йолучение свойства памяти фо- 4О топриемной матрицы, повышение точности функционального преобразования, упрощение фотоприемной матрицы, снятие требования ° юстировки оптического изображения на фотоприемной матрице.

Это достигается тем> что блок синтеза оптического изображения дополнительно содержит блок управления излучающей матрицей и матрицу излучающих элементов, причем элементы ее включены в перекрестия ортсгональных шин, связанных с выходами блока управления излучающей матрицей, и совмещены с соответствующими элементами матрицы фотоприемников, шины которой подключен к выходам блока синтеза масок.

При этом элементы фотоприемной матрицы представля>от собой полупроводниковые элементы с симметричной волыамперной характеристикоИ, имжицеИ участки насы це» иия и отрицательные сопротивления.

На, фФгн -1 показана блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2, a - один из возможных вариантов выполнения, основного; узла устройства - совмещенные фотоприемная и излучающая матрицы; Н8 фиг. 2, бтехнологический вариант исполнения ячейки, удобный для выполнения устройства на единой монокристаллической пластине в виде интегральной схемы; на фиг. 3 показана работа устройства в динамике; на фиг. 4волы-амперная характеристика фотоприемной ячейки матрицы, Оптоалектронный анализатор содержит (фиг. 1) блок 1 синтеза оптического изображения, включающий в себя блок 2 управления излучающей матрицей и собственно матрицу излучающих алементов, которая поэлементно совмещена с матрицей фотс приемников в блоке 3. Блок управления излучающей матрицей связан с шинами излу чающих алементов, Блок 4 синтеза масок соединен с шинами матрицы фотоприемников и с сумматором 5, а сумматор - с блоком 6 анализа, Все упомянутые связи могут быть как алектричест. кими, так и оптическими, в последнем случае шины снабжены фотоэлектрическими преобразователями.

Совмещенные излучающая и фотоприем- ная матрицы (фиг. 2) содержат излучающие элементы светодиоды 7 и 7 (или 7, фиг, 2

l б,)> матрицы включенные параллельно друг другу в перекрестия ортогональных шин 8 и 8 матрицы излучающих алементов, а также элементы 10 и 10 (или 10, фиг. 2, б) фотоприемной матрицы, включенные в противовоположной полярности параллельно друг другу в перекрестия ортогональных шин 11 и 12 фотоприемной матрицы. Элементы 7 и 10 атрид совмешеные

Ячейка матрицы, выполненная в виде со четания алементов 7 и 10 (фиг.:2, б), имеет полупроводниковую структуру с чередующв мися слоями проводимости, как это пока» зано штриховкой. В фотоприемном алементе атих слоев не менее пяти.

Участки шин 8 и 9 на алементе излучающей матрицы показаны в виде электрических контактов к излучающему элементу, участки шин к фотоприемной матрице - 11 и 12 (фиг. 2, б).

Рассмотрим работу устройства в дина мике.

На вход блока 2 управления излучающей матрицей поступает анализируемый электра» ческий сигнал с периодом .повторения Т, Блок 2 обеспечивает преобразозание вре» менной последовательности электрических импульсов в пространственное распределение излучения на матрице светодиодов 7 и

434843 (7, При атом амплитуда импульсов преобразовывается в координаты излучающего элемента двумерной матрицы, т, е. изображение электрического сигнала двухградационно. Изображение лишено памяти — элементы излучают лишь в моменты поступления алектрических сигналов на те шины, в перекрестии которых они находятся, На атот, же первый интервал времени Т = Т( на фотоприемной матрице должна бы(ь синтезирована первая маска S((, тах ках она соответствует полной нечувствительности матрицы, напряжения на шинах 11 и 12 от блока 4 синтеза масох должны быть равны

О ,г U

Действительно, подача напряжения — †2 на все шины создает в перекрестиях смещение, близкое к нулю. Фотоприемные ячей»ки свет практически не воспринимают, а ток через них близок к нулю или не превышает .((тох насыщения в непереключенном состоянии).

О

В следующий интервал времени T = Т ( на излучающей матрице снова синтезируется анализируемая излучающая конфигурация, та же, что в Т((, а на фотоприемной матриценовая маска 5(г . Для этого на шинах

Х > Хг > Х > Х > Y3 > »(от блока синтеза масок в течение ийтервала времени

Т Т поддерживается напряжение а на шинах Y и ((.(- -. Таким г образом, перекрестках шин Y и ((, со з всеми шинами А смещение на ячейках близ»ко нулю, и их токи меньше 3

В перекрестиях шин У и (со всеми шинами X смешение на ячейкахб Up,Êoãäà эти ячейки не освещены, т. е. элементы из» лучающей матрицы, соответствующие указанным фотоприемным ячейкам, не излучают, то ток через фотоприемные алементы равен

+Зв . Если какие-либо из элементов излу чакнцей панели вдоль шин У(и Уг излу чают в интервале Т Т г, то соответствующие им алементы фотоприемной матрицы, находящиеся под напряжение Up, перекщочаются и через них проходит ток Zpa Ь р

%н 0( если сопротивление в цепи ячейки хи много меньше сопротивления непереключенного алемента. Для тиристора это величина порядка единиц мегаом. Так что ато соотно»шение всегда выполняется. В сумматоре подсчитывается число переключенных ячеек, и результирующая величина представляет собой коаффициент С 2

Теперь рассмотрим интервал времени

Т Т2 . Маска синтезируется таким образом, что второй и четвертый алементы квадрантов нефоточувствительны, так как смешение на них близко к нулю. На первых элементах квадранта смещение + Up, а с

l0

l5

2С

55 бО на третьих элементах квадранта — Ур. Если какие-нибудь элементы первого и третьего квадрантов матрицы излучающих алементов работают, то токи через элементы фотоприемной матрицы в первом квадранте равны 3р а во втором квадранте — 3р . Подсчет числа переключенных ячеек в сумматоре должен осуществляться таким образом, чтобы знак тока, текущего через ячейку, нв учитывался. птп = Е р I

Таким образом> мы видим, что функциональное преобразование действительно совершается не над оптичесхим, а над электрическим сигналом, поступающим на вход блока управления излучающей матрицей.

Фотоприемная матрица действительно, обладает свойством памяти. Если излучение переключает фотоприемник в открь(тое состояние - течет ток 3p) в како либо мо мент в интервале времени Т, то это сос»тояние сохраняется весь интервал времени

Tq независимо от того, сохраняется. ли излучающая конфигурация или излучение прекращается. Это свойство фотоприемной мат рицы обеспечивается выбором алемента с отрицательным сопротивлением в вольтамперной характеристике. Наличие памяти в фотоприемной матрице позволяет снять требование памяти с излучающей матрицы.

Точность функционального преобразования сигнала существенно повышена. Число переключенных ячеек, равное C„, в широких, пределах не зависит от разброса параметров излучающей и фотоприемной матрицы, от точности поддержания напряжений на выходах блока 4 синтеза масок.

u( Действительно, если - на Х не точно равно - Р- на f, то смешение на ячвй ке не точно равно О, а близко к нулю, но ток через ячейку меньше (о. Разброс зна чений Uy не должен превышать величины

ЬО = Ucp -Ор, где U(.p — напряжение срыва структуры, чтобы исключить возможность спонтанного переключения в отсутсч вии света, Это „=ловие практически легко выполнимо. Освещение фотоприемника вью зывает увеличение тока 30 n0 в где у - ток неосновных носителей, соэ»

t данных светом. Если величина ky ые слишком велиха, т. е, переключение структуры при напряжении, близком к нулю, только от света невозможно, то разброс величин не влияет на число С„(п,(см, фиг. 4, ° N где < ф ). Таким образом, точность функционального преобразования в предло» гаемом устройстве зависит только от чяо» .

> ла алементов матриц я нв зависит от их одн ородн ости.

Существенно упрощена технология и ков» струхция устройства благодаря тому, что

434843 совмещение элементов излучающей и фoтоприемной матрицы позволяет снять требование высокого коэффициента заполнения и

ыполнять пары излучатель» уотоприемник на достаточно большом расстоянии друг от друга и даже в виде дискретных оптронных пар. Кроме того, не требуется специальной юстировки оптического изобра жения на фотоприемной матрице, так как элементы двух матриц конструктивно совмещены, Элемент излучающей матрицы в технологическом варианте исполнения, показанном на фиг. 2, а, представляет сббой светодиод, например,. из >a >S, а элемент фотоприем ной матрицы « - фототиристор. Светодиод и фототиристор геометрически совмещены на одном элементе, например, серийно выпускаемая omoerieêòðoííàí пара УО-20 (А, а).

Злемент излучающей матрицы в технологиЬском варианте исполнения, представленном

-э фиг. 2, б, - это, по-прежнему, светодиод з 6a. As, а элемент фотоприемной матрВ ы в - фотопятислойная структура.

В первом случае матрица выполнена из навесных элементов оптронов (светодиодфототиристор), причем на каждую ячейку ириходитси два оптрона, а во втором случае - в виде интегральной схемы на едином монокристалле, элементы разнесены друг от друга на удобное для.монтажа расстояние.

Таким образом, за интервал времени

Т„" И в на фотоприемной матрице, имеющей < "4, элементов, формируется Й М масок, которые модулируют периодически повторяющееся изображение электрического сигнала, синтезируемое на излучающей матрице. На выходе электронного анализатора за время Тк формируется последовательность коэф лщиентов (Сп ), однозначно соотвеч ствующая анализируемому сигналу с точ ностью, лимитируемой числом элементов матриц f4 M

Известно, что современный уровень фотолитографий совместно с диффузионной или эпитаксильной технологией на кремнии и арсеииде галия позволяет получить на M&T ридах, близких к предлагаемой по строению элементарной ячейке и разводке шин, следующие параметры:

Число элементов (мкм ) 256 х 256

Время опроса элемента (Г ) мкс 1

Размер элемента, мкм 10

Коэффициент заполнения, % 70-80

Приведенные величины обеспечивают о» лучение 256 коэффициентов ряда анализируемого сигнала за 256.10 с т. е, за

0,25 мс, При этом линейные размеры совl5 мещенной матрицы 0,1-02 см.

Для многих задач опознавания вполне достаточно получения 32 коэффициента ряда.

В этом случае задача технологически облегчается; достаточно построить матрицу ро 32 х 32 элемента, размеры которого мож но выбрать 100 х 100 мкм. При времени существования маски 10 с, что обеспечивается быстродействием элементов 10 с, время на формирование 32 коэффициентов

М ряда составит 32 10 0,032 мс.

По сравнению со временем разложения

t врядФурье электрического сигнала современными, не оптическими, методами дает экономию в 3-4 ч машинного времени.

30 Формула изобретения

Оптоэлектронный анализатор, состоящий из блока синтеза оптического иэображения, содержащего матрицу фотоприемников, и, 35 последовательно соединенных блока синтеза масок, сумматора и блока анализа, о т» л и ч а ю шийся тем, что, с,целью расширения функциональных возможностей, блок синтеза оптического изображения до»

40 полнительно содержит блок управления излучают ей матрицей и матрицу излучающих элементов, причем элементы ее включены в перекрестия ортогональных шин, связанных с выходами блока управления излучающей

45 матрицей, и совмещены с соответствующими элементами матрицы фотоприемников, шины которой подключены к выходам блока синтеза масок.

Составитель В. Кудривпев

Редактор И. Груэова Текред, В. Куприянов Корректор Л. Небола

Заказ 3108/54 Тираж 818 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж 35, Раушскаи наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4