Базовый фотоприёмник системы фасеточного зрения

Изобретение относится к приемникам фасеточного зрения и может быть использовано для создания омматидиев - основных структурных единиц устройств систем фасеточного зрения, например, искусственных фасеточных глаз, которые можно использовать в миниатюрных системах видеонаблюдения и контроля.

Основным преимуществом устройств фасеточного зрения является их малые габариты и способность формировать широкие поля зрения произвольной конфигурации. Элементарным приемником устройств фасеточного зрения является омматидий, который может быть небольшого размера, что позволяет создавать компактные видеосенсоры с произвольными полями зрения. Конструкция подобных устройств основана на том, что каждая из линз небольшого размера, располагаемых, например, по поверхности полусферы, фокусирует световой поток на один или несколько дискретных фоточувствительных элементов. Основным преимуществом таких устройств является отсутствие аберраций по краям поля зрения, бесконечная глубина резкости, крайне высокая чувствительна к движению. В качестве базового элемента для организации фасеточного сенсора с произвольной трехмерной формой предлагается использовать базовый фотоприемник фасеточного зрения (искусственный омматидий), конструкция которого, представлена в настоящем изобретении.

Известно устройство, представляющее собой матричный сенсор [RU 2551257 C1, G01T 1/18, 20.05.2015], в котором чувствительный элемент ионизирующего излучения представляет собой p-i-n структуру, выполненную по планарной технологии, содержащую высокоомную подложку высокочистого БЗП кремния n-типа проводимости, на лицевой (рабочей) стороне которой расположены р-области, слой (покрытие) из SiO₂, алюминиевая металлизация, пассивирующий (защитный) слой, причем, Р-области, занимающие большую часть площади поверхности, образуют чувствительную область сенсора, количество р-областей, образующих чувствительную область сенсора, выполнено равным 2ⁿ, где n=1÷8, по крайней мере, две р-области, выполненные в виде кольцеобразных элементов (охранных колец), расположены в нечувствительной области по периферии подложки вокруг сформированной р-областями чувствительной области с обеспечением снижения величины поверхностного тока и плавного падения потенциала от чувствительной области к периферии прибора, в слое 4 SiO₂ сформированы окна для обеспечения контакта металла (алюминиевой металлизации) с р-областью, в пассивирующем слое над р-областью, расположенной в центральной части подложки, сформированы окна для контактирования с р-n областями в процессе тестирования и окна для присоединения выводов, а на подложке со стороны, противоположной лицевой поверхности, расположен слой n-области и металла.

Недостатком этого устройства является относительно узкая область применения, поскольку оно может быть использовано только для ионизирующего излучения.

Кроме того, известно приемное устройство теплового потока оптического излучения исследуемого объекта [RU 2551257 С1, G01T 1/18, 20.05.2015], содержащее приемник с преобразователем теплового потока в электрический сигнал, усилитель и регистрирующее устройство, при этом, приемник включает растровое устройство фасеточного типа в виде пакета горизонтально расположенных плоскопараллельных пластин, размещенного в корпусе-каркасе в виде параллелепипеда и концентратора в виде усеченной пирамиды, причем, растровое устройство фасеточного типа, выполненное в виде пакета плоскопараллельных горизонтально расположенных пластин, дополнительно снабжено вертикально расположенными под углом 90° пластинами с образованием квадратных ячеек, а сторона квадратной ячейки равна расстоянию между горизонтально расположенными пластинами, а общая длине вертикально расположенной пластины равна высоте растрового устройства, при этом, вертикально расположенные пластины снабжены прорезями, посредством которых осуществляют крепеж на горизонтально расположенные пластины, закрепленные герметиком в месте стыка пластин, образующих квадратную ячейку.

Недостатком этого устройства также является относительно узкая область применения, поскольку оно может быть использовано только для теплового потока оптического излучения наблюдаемого объекта.

Известно также устройство [RU 150399 U1, Е21В 47/00, H04N 7/18, 20.02.2015], содержащее объектив с блоком преобразования оптического сигнала в электрический, соединенные посредством линии передачи сигнала с блоком преобразования электрического сигнала в видеосигнал, причем, в качестве блока преобразования оптического сигнала в электрический используется матрица с установленной на ней печатной платой, а в качестве линии передачи сигнала используется гибкий шлейф проводов.

Это устройство может быть использовано в качестве видеокамеры, однако, оно характеризуется относительно узким полем зрения.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является техническое решение [RU 2390045 C1, G02B 3/10, G02C 7/02, 20.05.2010], представляющее собой фасеточную линзу с направленным призматическим действием, состоящую из ячеек, представляющих собой одинаковые фрагменты 90-градусных секторов сферических линз, ориентированные скатами в одном направлении.

В этом техническом решении линза формируется по фасеточному принципу, при этом, в качестве микроячеек, формирующих макролинзу, используются одинаковые фрагменты четвертей сферической линзы, ориентированные в одном направлении. Это создает призматический эффект, который может быть полезен в системах обзора близко расположенных объектов. Например, при ориентировании фрагментов 90-градусных секторов «толстым» краем в направлении внутреннего нижнего угла глаза создается эффект, «вынимающий» взгляд из нижнего внутреннего угла, куда он обычно попадает при работе на близком расстоянии с объектом, расположенным ниже уровня горизонта.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно высокий уровень искажений формируемого изображения, обусловленный дискретным характером изображения с высоким уровнем аберраций по краям поля зрения, малой глубиной резкости и высоким уровнем собственных шумов связанных с дискретным характером формируемого изображения, что позволяет работать только в ограниченном диапазоне условий освещенности.

Задачей, которая решается в предложенном изобретении, является снижение искажений формируемого изображения путем создание базового фотоприемника систем фасеточного зрения (искусственного омматидия). По сути, искусственный омматидий является базовым приемником нижнего уровня, который осуществляет непосредственное взаимодействие со средой. Весь зрительный тракт представляет собой набор иерархически связанных уровней, каждый такой уровень имеет свой функционал, где входными данными являются результаты, полученные на более низком уровне. На следующем уровне обработки информации несколько омматидиев, расположенных на гексагональной сетке, за счет использования центральных, периферических колец, а так же частичных сумм от смежных омматидиев, формируют согласованное, непрерывное поле фотоприемной системы фасеточного зрения.

Такое согласование позволяет произвести установку соседних омматидиев в разных плоскостях для достижения требуемой формы фотоприемной сети системы фасеточного зрения. При этом обеспечивается компенсация искажений формируемого изображения, формирование которого осуществляется в непрерывном (аналоговом) режиме даже в условиях низкой освещенности.

Технический результат, который достигается при реализации предложенного технического решения, заключается в снижении искажений формируемого изображения вне зависимости от углов наклона омматидиев, а также путем снижения уровня собственных шумов фотоприемника, обеспечения инвариантности фотоприемника к повороту и непрерывности поля зрения, наблюдаемого сетью базовых фотоприемников.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, выполненное в виде восемнадцати микроячеек, каждая из которых содержит микролинзу, согласно изобретению, каждая из микроячеек снабжена фотоприемником, на которые проецируется изображение соответствующей микролинзы, причем фотоприемники выполнены правильной шестиугольной формы с образованием центрального кольца из примыкающих друг к другу с первого по шестой фотоприемников первой группы с включенными на их выходах соответствующих им эмиттерных повторителей, выходные сигналы которых суммируются первым аналоговым сумматором, и сомкнутого с ним периферийного кольца из примыкающих друг к другу с седьмого по восемнадцатый фотоприемников второй группы с включенными на их выходах соответствующих им эмиттерных повторителей, выходные сигналы которых суммируются вторым аналоговым сумматором, при этом в устройство дополнительно введены первый параллельный сумматор частичных сумм, выполненный с возможностью суммирования выходных сигналов эмиттерных повторителей, включенных на выходах седьмого, восьмого и девятого фотоприемников второй группы, второй сумматор частичных сумм, выполненный с возможностью суммирования выходных сигналов эмиттерных повторителей, включенных на выходах девятого, десятого и одиннадцатого фотоприемников второй группы, третий сумматор частичных сумм, выполненный с возможностью суммирования выходных сигналов эмиттерных повторителей, включенных на выходах одиннадцатого, двенадцатого и тринадцатого фотоприемников второй группы, четвертый сумматор частичных сумм, выполненный с возможностью суммирования выходных сигналов эмиттерных повторителей, включенных на выходах тринадцатого, четырнадцатого и пятнадцатого фотоприемников второй группы, пятый сумматор частичных сумм, выполненный с возможностью суммирования выходных сигналов эмиттерных повторителей, включенных на выходах пятнадцатого, шестнадцатого и семнадцатого фотоприемников второй группы, и шестой сумматор частичных сумм, выполненный с возможностью суммирования выходных сигналов эмиттерных повторителей, включенных на выходах седьмого, семнадцатого и восемнадцатого фотоприемников второй группы.

Выходы фотоприемников центрального кольца из примыкающих друг к другу шести фотоприемников первой группы и сомкнутого с ним периферийного кольца из примыкающих друг к другу двенадцати фотоприемников второй группы используются образуют непрерывное фоточувствительное пространство системы фасеточного зрения или, по крайней мере, ее части. Использование только одного кольца сужает поле зрения системы фасеточного зрения, а включение дополнительных колец существенно ее усложняет.

На чертежах представлены:

на фиг. 1 - базовый фотоприемник системы фасеточного зрения (искусственный омматидий), вид сверху;

на фиг. 2 - базовый фотоприемник системы фасеточного зрения (искусственный омматидий), электрическая функциональная схема.

Базовый фотоприемник системы фасеточного зрения (искусственный омматидий) выполнен в виде восемнадцати микроячеек, каждая из которых содержит микролинзу, снабженную фотоприемником, на которые проецируются изображение соответствующей микролинзы, причем, фотоприемники выполнены правильной шестиугольной формы с образованием центрального кольца из примыкающих друг к другу с первого по шестой 1…6 фотоприемников первой группы и сомкнутого с ним периферийного кольца из примыкающих друг к другу с седьмого по восемнадцатый 7…18 фотоприемников второй группы (фиг. 1).

В базовом фотоприемнике системы фасеточного зрения (искусственном омматидий) на выходах каждого из первого по шестой 1…6 фотоприемников первой группы включены соответствующие ему эмиттерные повторители с 19 по 24, на выходах каждого из седьмого по восемнадцатый 7…18 фотоприемников второй группы включены соответствующие ему эмиттерные повторители 25…36.

Выходные сигналы эмиттерных повторителей с 19 по 24, суммируются первым аналоговым сумматором 37, а выходные сигналы эмиттерных повторителей 25…36 суммируются вторым аналоговым сумматором 38.

В базовом фотоприемнике системы фасеточного зрения (искусственном омматидий) первый параллельный сумматор 39 частичных сумм, выполненный с возможностью суммирования выходных сигналов эмиттерных повторителей 25, 26 и 27, включенных на выходах седьмого, восьмого и девятого фотоприемников второй группы, второй сумматор 40 частичных сумм, выполненный с возможностью суммирования выходных сигналов эмиттерных повторителей 27, 28 и 29, включенных на выходах девятого, десятого и одиннадцатого фотоприемников второй группы, третий сумматор 41 частичных сумм, выполненный с возможностью суммирования выходных сигналов эмиттерных повторителей 29, 30 и 31, включенных на выходах одиннадцатого, двенадцатого и тринадцатого фотоприемников второй группы, четвертый сумматор 42 частичных сумм, выполненный с возможностью суммирования выходных сигналов эмиттерных повторителей 31, 32 и 33, включенных на выходах тринадцатого, четырнадцатого и пятнадцатого фотоприемников второй группы, пятый сумматор 43 частичных сумм, выполненный с возможностью суммирования выходных сигналов эмиттерных повторителей 33, 34 и 35, включенных на выходах пятнадцатого, шестнадцатого и семнадцатого фотоприемников второй группы, и шестой сумматор 44 частичных сумм, выполненный с возможностью суммирования выходных сигналов эмиттерных повторителей 35, 36 и 25, включенных на выходах седьмого, семнадцатого и восемнадцатого фотоприемников второй группы.

Работает базовый фотоприемник фасеточного зрения (искусственный омматидий) следующим образом.

В основе искусственного омматидия лежат фотоприемники правильной шестиугольной формы, что позволяет покрывать выпуклые трехмерные поверхности оптимальным образом. Омматидий состоит из 18 накрытых микролинзами шестиугольных фотоприемников организованных в два концентрических кольца.

Организация искусственного омматидия в виде двух концентрических колец обусловлена необходимостью обеспечения инвариантности к повороту. Обеспечение согласования полей зрения отдельных омматидиев обеспечивается за счет обмена частичными суммами элементов внешних колец смежных омматидиев.

Каждый искусственный омматидий имеет восемь выходов, а его аппаратная реализация представлена на фиг. 2.

Центральный выход организован фотоприемниками 1-6 первой группы, образующими центральное кольцо. Сигналы фотоприемников поступают на через соответствующими им эмиттерные повторители 19-24 в первый аналоговый сумматор 37. Периферийный выход организован фотоприемниками 7-18 второй группы, образующими периферийное кольцо. Сигналы фотоприемников поступают через соответствующими им эмиттерные повторители 25-36 на второй аналоговый сумматор 38.

Эмиттерные повторители обеспечивают усиление по току, без усиления по напряжению. За счет размещения фотоприемников по кольцевой образующей обеспечивается инвариантность к повороту.

Аналогичным образом на выходах сумматоров частичных сумм 39-44 формируются сигналы частичных сумм, необходимость которых обусловлена согласованием смежных омматидий при построении непрерывного фотоприемного пространства, на более высоком уровне обработки.

Омматидий является базовым элементом и используется для организации сети омматидиев, которая с использованием вышестоящих уровней обработки, реализует систему фасеточного зрения.

Выходы первого 37 и второго 38 аналоговых сумматоров являются внешними выходами омматидия. В то время как выходы частичных сумм являются внутренними и используются соседними омматидиями для организации непрерывной сети омматидиев.

Таким образом, заявленное устройство обеспечивает снижение искажений формируемого изображения за счет инвариантности к повороту (вне зависимости от углов наклона омматидиев), а также снижения уровня собственных шумов фотоприемника и непрерывности поля зрения, наблюдаемого сетью базовых фотоприемников. Тем самым достигается требуемый технический результат.