КЛАССИФИКАЦИЯ УСТРОЙСТВ ФОТОМЕТРИРОВАНИЯ НА БАЗЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ И РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА  РЕШЕНИЙ ПО УЛУЧШЕНИЮ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК

А.Я. Суранов

 

Появление отечественных многоэлементных фотоприемников (МЭФ) в конце 70-х годов вызвало развитие контрольно-измерительных устройств на их основе. По сравнению с вакуумными и применяемыми в то время полупроводниковыми приемниками с непрерывной чувствительной поверхностью МЭФ характеризовались высокой координатной и амплитудной точностью и стабильностью характеристик преобразования излучения в электрический сигнал, простотой формирования импульсных низковольтных управляющих напряжений, потенциально высокими скоростными и функциональными возможностями. Вместе с тем, реализации указанного потенциала МЭФ препятствовали погрешности преобразования, имеющие индивидуальный характер для каждого элемента и требующие, соответственно, индивидуальной калибровки и компенсации или коррекции.


Рис. 1

 

Рис. 2

Таким образом, высокая точность и информационная производительность устройств фотометрирования на базе МЭФ могли быть достигнуты при условии включения в их состав ЭВМ. В связи с этим автором при проведении работ по проектированию таких устройств в начале 80-х годов был взят ориентир на разработку автоматизированных и автоматических устройств фотометрирования. На первом этапе применялись микроЭВМ “Электроника-60” и ДВК-3, а затем IBM PC. За прошедшие годы был накоплен определенный опыт проектирования устройств фотометрирования на базе МЭФ, который нашел отражение в данной работе.

Исходным этапом работ по проектированию каких-либо устройств является анализ областей применения и классификация требований, предъявляемых к устройствам в различных областях. Такая классификация позволяет проектировать “проблемно-ориентированные” устройства с оптимальным для класса областей набором характеристик. С учетом этого автором предложен вариант классификации параметров входного излучения, опирающийся на классификацию областей применения устройств фотометрирования на базе МЭФ, (рис. 1) и вариант классификации алгоритмов обработки данных на выходе устройств фотометрирования (рис. 2)

Предложенные варианты классификации позволяют решать проблему проектирования устройств фотометрирования с позиций системного подхода и целенаправленно вести поиск методов улучшения их характеристик.

Так, в частности, большие резервы повышения точностных и скоростных характеристик устройств фотометрирования связаны с учетом временной динамики входного излучения и адаптацией параметров и режимов работы МЭФ к условиям регистрации. Для МЭФ, работающих с накоплением сигнала, особое значение имеет выбор оптимального времени накопления как для всего информативного изображения, так и для отдельных его частей.

Анализ современного состояния алгоритмического обеспечения устройств фотометрирования (рис. 2) также свидетельствует о наличии резервов совершенствования данных устройств в направлении поиска новых алгоритмов обработки информативных изображений, опирающихся на современные вычислительные средства и более точные модельные представления изображений.

И, наконец, существенные возможности улучшения характеристик устройств фотометрирования связаны с устранением с помощью ЭВМ погрешностей, возникающих в процессе преобразования излучения в электрический сигнал в самом МЭФ.

В рамках выделенных направлений совершенствования устройств фотометрирования на базе МЭФ автором в работах  [1-8] предложен комплекс технических и алгоритмических решений, в основе которых лежит коррекция или компенсация погрешностей, вносимых МЭФ, организация нетиповых режимов накопления и считывания сигнала этих приемников или использование новых структурных схем МЭФ, а также использование новых алгоритмов обработки изображений.   

Так, в частности, для  компенсации  неоднородности  темнового сигнала линейных фотодиодных приемников (ФДП), обусловленной различием пороговых напряжений выходных полевых транзисторов ячеек, в работе  [1] предложено использовать линейную зависимость  пороговых  напряжений от напряжения смещения и регулировать напряжение смещения при стирании сигнала инверсно величине темнового сигнала. Результат компенсации темнового сигнала (рис. 3) приведен на рис. 4. Как видно из рисунка, погрешность компенсации находится на уровне 0,1%.

Для  компенсации  неоднородности  чувствительности МЭФ в работе  [2] предложено аналогичное решение (рис. 5) с инверсным по отношению к величине чувствительности изменением опорного напряжения на соответствующем входе АЦП устройства фотометрирования. Для фотометрирования изображений с широким диапазоном освещенности в работе [3] предложена схема многоканального фотометра (рис. 6),  в которой с помощью организации повторного считывания сигнала линейных ФДП обеспечена поэлементная адаптация времени накопления к уровню освещенности.

Для решения аналогичной задачи при наличии  в изображении выраженного максимума   освещенности   (например,  при  фото-

 

 

метрировании дифракционных распределений) в работе [4]  предложено тактировать сдвигающие регистры стирания и считывания линейного ФДП фазными импульсами разной частоты. Выбор моментов переключения  частот позволяет управлять направлением линейного изменения времени  накопления и формировать режимы накопления с максимальным значением времени накопления как на одном краю МЭФ, так и на обоих краях.

На рис. 7 приведено изображение одного из крыльев дифракционного распределения от узкой щели при использовании предложенного режима накопления сигнала. При этом исходное квадратичное убывание огибающей максимумов распределения преобразуется в более плавное обратно пропорциональное убывание.

 

 

 

Рис. 3

Рис. 4

 

 

Рис. 5

Рис. 6

 

Рис. 7

Рис. 8

 

Рис. 9

Рис. 10

 

 

Для фотометрирования изображений спектров  с  нестационарной фоновой компонентой в работе [5] предложена схема  многоканального спектрометра,  базирующаяся  на  оригинальном  ПЗС-фотодиодном приемнике с модифицированной билинейной  организацией (рис. 8).  Специфика фотоприемника заключается в организации зарядовой связи  накапливающих элементов с обоими  сдвигающими  регистрами,  а  специфика многоканального спектрометра - в  синхронизированном  с  прерыванием зондирующего излучения накоплении порций суммарного и  фонового сигналов в соответствующих секциях накопления  данного  МЭФ. Высокая частота прерывания излучения обеспечивает подавление  фоновой компоненты при аналоговом вычитании накопленных сигналов на выходе МЭФ.

Для решения задачи оптимизации времени накопления сигнала ФДП в совокупности изображений в работе [6] предложено программно-аппаратное решение (рис. 9), позволяющее   путем "пробного" неразрушающего считывания сигнала этого приемника установить оптимальное время накопления за один цикл  регистрации.

В области поиска новых алгоритмов обработки в работах [7,8] предложены два алгоритма обработки дифракционных распределений (ДР). Первый алгоритм, служащий для измерения координат минимумов,  базируется на кубической аппроксимации изображения ДР в окрестности минимумов и позволяет достичь погрешности измерения квазипериода (расстояния между минимумами) не более (0,1 -0,2)%. Величина случайной составляющей данной погрешности была оценена с помощью аналитических расчетов и подтверждена экспериментально. Исходным этапом получения аналитического выражения для расчета случайной погрешности измерения квазипериода ДР явилось получение аналогичного выражения для погрешности измерения координаты минимума, которое имело следующий вид:

sIo =1,5**dE*(1 + 2*/(M + )),   (1) где

d­E

относительная погрешность измерения амплитуды  сигнала

M

порядок минимума

= n/DX

относительная (нормированная к величине квазипериода  DX) полуширина окна аппроксимации

На основе выражения (1) было получено выражение для расчета  случайной погрешности измерения квазипериода ДР по первым двум минимумам

sDT=1,5**dE1*.    (2)

Оценки величины  sDT  при nO = 0,2 - 0,3, dE1 = 10-2, и n = 40 - 50 и дают значение  0,2 - 0,3 элемента МЭФ.

Для экспериментальной проверки чувствительности предложенного алгоритма использовался пьезоэлектрический перемещатель на базе четырех таблеток пьезокерамики ЦТС-19 общей длиной 60 мм., на электроды которого ступенчато с шагом 140 В подавалось возрастающее и убывающее напряжение в диапазоне от 0 до 1250 В. С помощью данного устройства производилось ступенчатое перемещение одной из полуплоскостей узкой щели шириной 40 мкм в диапазоне 0-2 мкм. Результаты выполненных измерений, приведенные на рис. 10, свидетельствуют о возможности достижения субмикронной точности. Так, в частности, на рисунке отчетливо просматривается петля гистерезиса пьезоперемещателя шириной порядка 0,02 - 0,03 мкм.

Второй алгоритм обеспечивает скоростное измерение параметров центрированного относительно МЭФ дифракционного распределение путем  расчета и линейной аппроксимации амплитудного спектра. При этом ширина щели определяется по ширине амплитудного спектра

         Расчет относительной систематической погрешности измерения параметров ДР с помощью предложенного метода (рис.10) показывает, что в диапазоне относительных (нормированных к частоте первой гармоники с периодом, равным числу элементов МЭФ) частот М от 4 до 10 ее величина не превышает 1%. Для расчета случайной погрешности измерения получено следую-щее аналитическое выражение:

gFo = 4* sU/Um*.        (3)

Была предложена и практически реализована схема скоростного дифрактометра на базе умножителя-аккумулятора К1518ВЖ1, позволяющего рассчитывать амплитуду гармонических составляющих по 1000 отсчетам за время не более 1 мс, а ширину спектра по 10 гармоникам за время не более 25 мс, т.е. в реальном масштабе времени регистрации изображения ДР.

Подводя итог анализу областей применения и комплексу предложенных решений можно отметить, что для решения широкого класса задач контроля параметров изделий и процессов необходима разработка двух классов устройств фотометрирования на базе МЭФ. В устройствах первого класса основная обработка производится в универсальной ЭВМ, в связи с чем они обладают высокой гибкостью в выборе алгоритмов обработки, но, вместе с тем, предъявляют высокие требования к скоростным характеристикам канала связи. Примером такого устройства является анализатор МАСИ-2 разработки СО РАН. В устройствах второго класса основная обработка данных может производиться с помощью встроенного микропроцессора, в связи с чем такие устройства обладают определенной автономностью. Вместе с тем, данные устройства за счет выделения аппаратного ядра и специализированных блоков, часть из которых описана в данной работе, могут обладать достаточной аппаратной гибкостью и настраиваться под конкретную задачу.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

 1. Патент РФ  2102837 Устройство компенсации темнового сигнала многоэлементного фотодиодного приемника / А.Я. Суранов. - опубл. в Б.И., 1998, № 2.

2. Патент РФ  2108685 Устройство компенсации различий в чувствительности элементов матрицы фотоприемников./ А.Я. Суранов. - опубл. в Б.И., 1998, №.5.

3. А.с. 1569584 (СССР) Многоканальный фотометр /А.Я.Суранов. - опубл. в Б.И., 1990, № 21.

4. Патент РФ  2084842 Устройство фотометрирования изображений с выраженным максимумом пространственного распределения освещенности./ А.Я.Суранов. - опубл. в Б.И., 1997, № 20.

5. А.с. 1627865 (СССР) Многоканальный спектрометр / А.Я.Суранов.  - опубл. в Б.И., 1991, № 6.

 6. А.с. 1748283 (СССР) Устройство стабилизации амплитуды сигнала / А.Я.Суранов. - опубл. в Б.И. 1992, № 26.

7. Суранов А.Я. Измерение квазипериода колебаний дифракционного распределения от узкой щели с помощью многоэлементного фотоприемника.//Датчики электрических и неэлектрических величин. Межунар. конф. Докл. -Барнаул. 1995. - С. 117 - 119.

8. Суранов А.Я. Измерение параметров дифракционных картин по спектру сигнала системы регистрации на базе многоэлементного фотоприемника // Датчики электрических и неэлектрических величин. Междунар. конф. Докл. -Барнаул. 1995. - С. 107 - 108.