Устройство для считывания оптической информации

Союз Советск ихСоциапнстичесиииРеспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИ ТЕЛЬСТВУ 860135.3 Ьсудауствсиимй кеиитет СССР ио делал изфбретеиий и отарцтий,327. 66 (088.8) Дата опубликования описания 01,09,8 1 В. К. Гусев, И, А. Шилов, В, Б. федоров и М. Л. Рослова(7) Заявитель 2ОУ является сложным электронным прибором, имеющим большое количество радиоэлектронных компонентов (более 30). Указанное обстоятельство приводит, вопервых, к трудностям при конструировании многоканальных матричных устройств считывания оптической информации, что связано с необходимостью размещения большого числа ОУ в ограниченном объеме, определяемом размерами фотоприемного поля, во-вторых, к существенному повышению стоимости устройства.Известно устройство для считывания оптической информации, которое содержит фотоприемный блок, выполненный в виде матрицы светочувствительных триггеров, каждый из которых имеет входы стиранияО" и 1, вход опроса и парафззный вььход, усилитель-формирователь, формирователь импульсов стирания, блок опроса триггеров выполненный в виде матрицы формирователей импульсов опроса, имею. щий М входов выбора срок, М входов вы- бора столбцов, вход синхроимпульсов опИзобретение относится к устройствам считывания дискретной оптической инфор мации и может использоваться для построения многоканальных матричных фот приемников оптоэлектронных запоминающих устройств.Известен базовый элемент для счйтывания оптической информации, на основе которого может бьггь построено многоканальное устройство для считывания оптической информации, Эгог элемент содержит фотодиод (ФД), подключенный ко входу операционного усилителя, охваченного необходимыми цепями отрицательной обратной связи. В результате действия отрицательной обратной связи в таком устройсгтз ве оказывается скомпенсированным негативное действие разброса характеристик как ФД, так и ОУ. Поэтому чувсгвитель ность такого устройства может быть очень высокой и достигать предельных значений, определяемых флукгуационными шумами Г 33.Однако указанное устройство имеет ряд недостатков, которые связаны с тем, что(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЧИТЫВАНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ8601роса и МЧ выходов, и блок управленияустройством, имеющий фвыходов выборастрок, М выходов выбора столбцов, выходсинхроимпульсов стирания и выход синхроимпульсов опроса. В этом устройстве наодин фоточувствительный элемент приходится существенно меньшее число радиоэлектронных компонентов. При этом благодаряпроцессу регенеративного усиления в светочувствительном триггере обеспечиваетсяусиление фотоэлектрического сигнала, такжекак в случае схемы фотодиод - операционный усилитель Г 21,Недостаток известного устройства заключается в том, что для получения высокойчувствительности требуется высокая степень идентичности электрических параметров схемносимметричных радиокомпонентов схемы светочувствительного триггера, Если это требование выполняется, то2 Вчувствительность устройства может бытьтакой же высокой, как и у схемы ф,П;ОУ,На практике трудно достичь требуемойстепени электрической симметрии, поэто,му и чувствительность известного устрой 25ства оказывается существенно ниже предельно возможной.Цель изобретения - повышение чувствительности устройства.Поставленная цель достигается тем,что в устройстве для считывания оптической информации, содержащем фотоприемный блок, выполненный в виде матрицысветочувствительных триггеров, каждыйиз которых имеет входы стирания "О иф 1", вход опроса и парафазный выход,подключенный к входу усилителя-формирователя, формирователь импульсов стирания, блок опроса триггеров, выполненныйв виде матрицы формирователей импульсовопроса, имеющий входы выбора строк, вы 40бора столбцов, синхроимпульсов опроса,выходы опроса, и блок управления, имеющий выходы выбора строк, выбора столбцов, выход синхроимпульсов опроса и выход синхроимпульсов стирания вводится 45автоматическая настройка чувствительности каждоГо светочувствительного триггера,основанная на использовании импульснойотрицательной управляемой обратной связи,И ходе такой настройки устройство обеспечивает определение величины и знакадополнительного заряда, который необходимо ввести в каждый светочувствительный триггер для компенсации заряда помехи, обусловленного неоднородностью 55электрических параметров радиокомпонентов светочувствительного триггера, дляэтого в устройство дополнительно введены З 8блок суммирования, выполненный в виде матрицы элементов аналогового суммирования, блок памяти, выполненный в виде матрицы аналоговых накопительных элементов и блок записи, выполненный в виде матрицы формирователей импульсов записи, при этом выходы одного элемента аналогового суммирования каждой строки матрицы элементов аналогового суммирования подключены к входам стирания "О" светочувствительных триггеров, а выход каждого из остальных элементов аналоговогосуммирования подключен к входу стиранияф 1" соответствующего светочувствительного триггера, выходы каждого аналоговогонакопителя подключены к первому входусоответствующего элемента аналоговогосуммирования, вторые входы элементованалогового суммирования подключены квыходу формирователя импульсов стирания,входы аналоговых накопителей подключены к соответствующим выходам формирователей импульсов записи, входы выборкистрок и столбцов, входы разрешения суммирования, вычитания и записи исходнойинформации блока записи подключены квыходам блока управления,На фиг. 1 приведена функциональнаясхема предлагаемого устройства; нафиг, 2 - схема реализации предлагаемогоустройства. Устройство содер жит светочувствительные триггеры 1 матричного фотоприемного блока, каждый из которых имеет вход 2 стирания "О", вход 3 стирания "1", вход 4 опроса, парафазный выход 5, элементы 6 аналогового суммирования матричного блока суммирования, при этом каждый элемент аналогового суммирования имеет два суммирующих входа и один выход, аналоговые накопительные элементы 7, формирователь 8 импульсов стирания, блок 9 опроса, имеющий И входов 10 выбора строк, М входов 11 выбора столбцов, вход 12 синхроимпульсов опроса и выходы 13 импульсов опроса, блок 14 записи, имеющий входы 15 выбора строк, входы 16 выбора столбцов, вход 17 разрешения суммирования, вход 18 разрешения вычитания, вход 19 разрешения записи исходной информации и выходы импульсов записи, блок 21 управления, имеюший информационный вход 22, а также выход разрешения суммирования, выход разрешения вычитания, выход разрешения записи исходной информации, выход синхроимпульсов опроса, выход синхроимпульсов стирания, выходы выбора строк5 8601и выходы выбора столбцов, усилитель-формирователь 23,Устройство работаег следующим образом.Имеется два чередующихся режима работы устройства. Первый режим - режимкеркодкческой настройки, второй - режимсчктывания оптической информации, Режимнастройки отличается от режима считывания отоптической инФормации тем, что, во- Опервых, на устройство не подаегся оптическая информация, к во-вторых, ттри помощк блоков 14 к 21 осуществляются операции по настройке всех светочувствительныхтриггеров 1 на максимальную чувсгвительностьВ ходе этих операций определяютсязнак и величина баланскрующего заряда,который необходимо ввести внутрь каждого светочувствительного гркгге для компенсации его собственных зарядов помех. Для формирования компенсирующегозаряда используется зависимость велкчкны заряда, вносимого в одно кз плеч светочувствительного триггере во время выполнения операции сгкранкя, от амплктудыкмпульса стирания, подаваемого на соответствующий вход стирания. Зля определенкя необходимого направления измененияамплитуды импульса стирания и, следовательно, направления изменения компенсирующего заряда используется зависимостьлогического значения сигнала ( "О" или"1"), создаваемого на выходе усилителяформирователя при опросе настраиваемогосветочувствительного триггера, от знака35эффективного заряда помехи, действующего внутри триггера. При этом амплитудаимпульса стирания изменяется дискретнотаким образом, чтобы дополнительный заряд, вносимый в светочувствительный40триггер, частично компенсировал бы заряд помехи и тем самым приводил к изменению предпочтительного состояниятриггера в сторону противоположногопредпочтительного состояния. Такой ре 45эультат может быть достигнут соответствующим изменением амплитуды импульсовстирания как на входе 3 стирании ф 1,так и на входе 2 стирания "О. Необходимая прк этом отрицательная обратнаясвязь между логическим значением сигнала на выходе усилителяюрмирователя23 к направлением изменения амплитудыимпульса стирания обеспечивается блоком21 управления.55В начале режима настройки кз блока21 управления на вход 19 разрешениязапкск исходной информации блока 14 записк поступает управлявший согнал, по 3, 36которому через выходы 20 разрешения записи блока 14 в общие для строки устройства аналоговые накопительные элементы 7 осуществляется запись исходной информации, В результате устанавливается заданная велкчкна амплитуды импульса сткранкя О" ка входах 2 стирания О всех светочувствктельных триггеров 1. Затем выпоиняегся последовательность рабочих циклов настройки устройства, Каждый цикл состоит вз последовательно выполняемых операций сткраиия, накопления за" ряда к опроса. Временные характеристики эгкх операций для режимов как настройки, гак к счктывания опткч ской информацкк .кдентичны к типичны для устройства на светочувствительных триггерах, Во время операцкк стирания иэ блока 21 управления устройством на вход формирователя 8 сгкранкя поступает скнлрокмпульс сгкранкя. Прк этом на вход 2 стирания "О" светочувствктельных триггеров одной сгрокк поступает импульс стирания, амплкгуда которого является одинаковой для триггеров этой строки (велкчкна амплитуды определена кнфармацией, хранимой в общем для этой строки аналоговом накопительном элементе 7), На вход 3 стирания 1 каждого светочувствительного триггера поступает импульс стирания, амплитуда которого индивидуальна для этого светочувствктельного триггера, Величина амплитуды определяется информацией, хранимой в соответствующем этому светочувствительному триггеру аналоговом накопительном элементе 7, В результате прк стирании в каждый светочувствительный гркггер вносится дополнительный компенсирующий заряд, величина к знак которого определяются величиной и знаком разности амплитуд импульсов сткранкя Оф и "1" на его входах стирания. В ходе пооледующей операции, происходит накопление в тркггере электрического заряда. В режим настройки, когда информационный сигнал ка оптических входах свегочувсгвктенькых гркггеровотсутствуег, величкна этого заряда определяется неоднородностью элементов схемы светочувствительного триггера к флукгуацконнымк шумами. Затем следует операция опроса, в ходе которой кз блока 21 управлснкя устройством на входы 10 выбора строк и входы 11 выбора столбцов поступают сигналы, по которым осуществляется выбор опрашиваемого светочувствительного триггера, к по подаче на вход 12 синхрокмпульсов опроса очередного скнхроимпульса через вход 4 опроса в выбранный све45 и величина компенсирующего заряда, вносимого в светочувствительный триггерпри стирании. На этом заканчиваетсяодин цикл работы рассматриваемого светочувствительного триггера в режименастройки. Затем в соответствии с командами блока 21 управления выбираетсяследующий светочувствительный триггер. 7 8601 точувствительный триггер подается ток опроса. В результате протекания тока опроса в светочувствительном триггере начинает развиваться процесс регенеративного усиления. Направление развития этого процесса определяется величиной и знаком заряда помехи, имеющегося в светочувствительном триггере к моменту опроса. В результате развития регенеративного процесса в триггере происходит пе- О реключение тока опроса в одну из выходных шин парафазного выхода 5. Этот факт фиксируется усилителем-формирователем 23, логический сигнал с выхода которого подается на информационный вход 22 бло ка 21 управления. В соответствии с логи ческим значением этого сигнала из блока 21 либо на вход 17 разрешения суммирования, либо на вход 18 разрешения вычитания блока 14 записи поступает коман- о да, по которой информация, хранимая в аналоговом накопительном элементе 7, соответствующем опрашиваемому светочувствительному триггеру 1, изменяется на один дискретный шаг, выбор этого аналогового элемента осуществляется соответственно тем номером входа 15 выбора строки и входа 16 выбора столбца блока 14 записи, на который поданы сигналы выбора из блока 21. Так как входы 15 и 16 выбора блока 14 попарно обьединены с соответствующими входами 10 и 11 выбора матричного блока 9 опроса, то выбор светочувствительного тра гера 1 при опросе однозначно определяет и вы 35 бор соответствующего ему аналогового накопительного элемента 7 при настройке. Направление изменения информации в аналоговом накопительном элементе определяется тем, по какому из входов 17 или 18 блока 14 поступает разрешающий сигнал. В результате изменения информации в аналоговом накопительном элементе 7 изменяется и амплитуда импульса стирания на выходе элемента 6 аналогового суммирования, один из входов которого соединен с выходом этого аналогового накопительного элемента 7, а выход подключен к входу 3 стирания 1" настраиваемого светочувсгвительно 50 го гратера. Следовательно, изменяется 35Аналогичным образом выполняется опрос этого триггера и изменение информации в соответствующем ему аналоговом накопительном элементе.Работа устройства в режиме настройки продолжается до тех пор, пока в аналоговых накопительных элементах 7 не будет накоплена информация о таких величинах амплитуд импульсов стирания "1", при которых заряды помех во всех светочувствительных триггерах не будут скомпенсированы полностью (с точностью до шумового заряда). За критерий окончания настройки может быть принят факт изменения логического сигнала, считываемого светочувствительным триггером после очередного цикла настройки. Другим критерием окончания настройки может служить факт выполнения достаточно большого наперед заданного числа циклов настройки, г,е. светочувствительные триггеры, в которых коЧ- пенсация достигается раньше, будут при последующих циклах настройки колебаться вблизи положения максимальной чувствительности. Как в том, гак и в другом случае при достаточно малом. шаге настройки уровень чувствительности схемы определяется уровнем флукгуационных шумов. В связи с изменением эксплуатационных условий и возможным несовершенством длительного хранения информации в аналоговых накопительных элементах 7, в результате чего могут нарушиться условия компенсации зарядов, режим настройки периодически повторяется.Практическая реализация предлагаемого устройства может быть осуществлена по схеме, приведенной на фиг. 2. В этой схеме каждый элемент 6 аналогового суммирования выполнен . на резисторе 24 и полевом транзисторе 25, причем первый вход элемента аналогового суммврования образован первым выводом соответствующего резистора 24, втоорой вход элемента 6 аналогового суммирования образован затвором соответствующего полевого транзистора 25, выход элемента 6 аналогового суммирования образован точкой соединения второго вывода резистора 24 и стока полевого транзистора 25, входящих в состав элемента 6, истоки полевых транзисторов 25 всех элементов 6 аналогового суммирования обьединены и подключены к общему для устройства дополнительному источнику напряжения.Каждый аналоговый накопительный элемент 7 выполнен на конденсаторе 26, причем первая обкладка 27 конденсатора 26 является одновременно входом записи и вьк одом соответствующего аналогового накопительного элемента, а вторые обкладки конденсаторов всех аналоговых накопигельных элементов, входящих в состав одной строки устройства,объединены и подключены к дополнительной шине 28 управления записью этойстроки устройства. Матричный блок 9 опроса построен на переключателях 29 тока,число которых равно числу строк в Оустройстве, каждый переключатель 29 гока выполнен на биполярных транзисторахс проводимостью и- р-и -типа по схемес обьединенными эмиттерами и разделенными коллекторами, причем число гранзисторов (каналов переключения гока) в каждом переключателе 29 тока на два превышает число столбцов в устройстве. Блок14 записи построен на переключателях 30тока, число которых равно числу строк вустройстве, и насыщенных ключах по одному на каждый переключатель 30 гока, приэтом переключатель 30 гока блока 14 записи анапогичен переключателю 29 гокаматричного блока 9, но содержит на одинтранзистор (один канал переключения) больше, каждый насыщенный ключ блока управления записью выполнен на соогвегсгвующем биполярном транзисторе 31 с проводимостью р-т- р -типа и на токозадающем резисторе 32, подключенном однимсвоим выводом к базе р-и-р транзистора 31,Устройство, посгроенное по схеме, приведенной на фиг. 2, работает следующим35образом.е Полевой транзистор 25 каждого элемента 6 аналогового суммирования задаег ток через включенный в цепь его стока резистор 24, Величина этого гока оп редепяегся напряжением на конденсаторе 26. При стирании падение напряжения на резисторе 24, создаваемое током полевого транзистора 25, вычитается из напряжения формирователя 8 стирания, и в результате эффективное напряжение стирания, действующее на входное стирание ф 1 ф светочувствительного триггера, оказывается зависящим от напряжения на каяенсагорах 26 соответствующего ана 50 логавого накопительного элемента 7, а напряжение на входах стирания Оф всех светочувствительных триггеров зависит от напряжения на конденсаторе 26 общего для строки устройства аналогового55 накопительного элемента 7, Таким образом, изменяя заряд, хранимый в анапаовых накопигепьных элементах 7, оказывается возможным изменять напряжениеМ на затворе и токи стока полевых транзисторов 25 и эффективно управлять величиной компенсирующего заряда, вводимогов светочувствительные триггеры,По сравнению с известными предпагаемое устройство имеет более высокийуровень чувствительности базового. запядочувсгвитепьного элемента - светочувствительного триггера к энергии принимаемого оптического сигнала, при этомвозможно даже увеличение допуска на разброс параметров входящих в состав светочувствительного триггера компонентов;более высокий уровень чувствительностибазового зарядочувсгвигельного элемента - светочувствительного триггера к мощности оптического информационного сигнала; устойчивость к изменению парамет-ров элементов в результате их естественного старения и изменения условий эксплуатации, так как заряды помех, возникающих при этом, компенсируются в процессе настройки. Кроме того, предлагаемоеустройство имеет меньшее число компонентов по сравнению с устройством, пстроенным по схеме фотодиод-операционный усилительПредлагаемое устройство может бытьприменено для исследования динамики изменения оптических информационных иэоб"ражений во времени и пространстве, Идяэтого необходимо режим настройки устройства выполнять совместно с подачей нанего оп"ического информационного изображения. При этом оптическая информация,подаваемая на устройство, воспринимается как сигнал помехи. В процессе настройки устройство адаптируется к подаваемому на него изображению и перестаегвоспринимать его как полезный сигнал, В.результате при последующем режиме считывания оптической информации устройсяво регистрирует лишь изменения в подаваемой на него информационной картине,Укажлное применение предлагаемого устройства может быть полезным не тольков вычислительной технике, но также и вдругих областях, связанных с обработкойоптической информации. Формула изобретения Устройство дпя считывания оптической. информации, содержащее фотоприемный блок, выпопиенный в виде матрицы, светочувствительных триггеров, парафаэные вь- оды которых подключены к усилителю.Рормироватеао, блок опроса триггеров, 860135 12выполненный в виде матрицы формирователей импульсов опроса, выход каждого из которых подключен к входу опроса соответствующего светочувствительного триггера, формирователь импульсов стирания и блок управления, вход которого соединен с выходом усилителя-формирователя, выход синхроимпульсов, выходы выборки столбцов и строк блока управления подключены к формирователю импульсов опро са, выход стирания блока управления подключен к блоку формирования импульсов стирания, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены блок суммирования, выпол ненный в виде матрицы элементов аналогового суммирования, блок памяти, выполненный в виде матрицы аналоговых накопителей и блок записи, выполненный в виде матрицы формирователей импульсов записи, причем выходы одного элемента аналогового суммирования каждой строки матрицы элементов аналогового суммирования подключены к входам стирания "О" светочувствительных триггеров, а выход каждо- г го из остальных элементов аналогового суммирования подключен к входу стирания 1" соответствующего светочувствительного триггера, выход каждого аналогового накопителя подключен к первому входу со.ответствующего элемента аналогового суммирования, вторые входы элементов аналогового суммирования подключены к выходу формирователя импульсов стирания, входы аналоговых накопителей подключены к соответствующим выходам формирователей импульсов записи, входы выборки строк и столбцов, входы разрешения суммирования, вычитания и записи исходной инфсрмации формирователей импульсов записи подключены к выходам блока управления.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Рутковский Й. Интегральные операционные усилители, М"Мир", 1978,с. 310,2. Авторское свидетельство СССР860138 Составитель С. Самуцевичедактор Л, Филь Техред Е.Кастелевич Корректор С,Патент, г. Ужгород, ул. Проектная лиал каз 7556/32 Тираж ВН ИИПИ Государственнпо делам изобретений 113035, Москва, Ж645о кои отРауш Подоимитета СССРкрьггийская наб., д, 4