FI98777C

FI98777C - CCD-elementin ohjausjärjestely

Info

Publication number: FI98777C
Application number: FI942530A
Authority: FI
Inventors: Jukka Okkonen; Kaarlo Sipola
Original assignee: Specim Oy
Priority date: 1994-05-30
Filing date: 1994-05-30
Publication date: 1997-08-11
Also published as: FI98777B; WO1997020429A1; FI942530A0; FI942530A

Description

98777;

CCD-ELEMENTIN OHJAUSJÄRJESTELY - STYRARRANGEMANG VID ETT CCD-ELEMENT

5 Keksinnön kohteena on CCD-elementin oh- jauselektroniikka, johon kuuluu CCD-elementti ja sitä ohjaava sekvensseri.

Markkinoilla on saatavissa suuri määrä erilaisia CCD-elementin sovelluksia, joista yksi esimerk-10 kisovellus on CCD-elementtien käyttö kuvantavan spektroskopian kamerasovelluksissa. Eräs tällainen alue on lentokoneesta tapahtuva kaukokartoitus sekä erilaiset ympäristön tilaan liittyvät mittaukset.

Lentokoneesta otetaan maastosta viivakuva 15 lentosuuntaan nähden poikittain, mikä vastaa ns. spatiaalista eli paikkatietoa. Lentokoneen lentäessä esim. 1 km:n korkeudella jokainen kuvapiste vastaa l m x l m aluetta maastossa. Kuva hajotetaan spektrografilla aallonpituus spektriksi .

20 CCD-elementti koostuu joukosta puolijohdeil- maisimia. Ilmaisimet on tässä sovelluksessa järjestetty matriisimuotoon. CCD-elementtiä ohjataan sekvensseril-

• I

lä. Sovellus vaatii lyhyitä kuvan integrointiaikoja ja siten CCD-elementin lukemista erittäin nopeasti. Toi-25 saalta vaaditaan myös monipuolisia toimintamoodeja.

Matriisimuotoinen CCD-elementti sisältää suu- • · · ren määrän dataa, esim. 384x288 kuvapistettä. Tunne-:/·<. tuilla CCD-elementtien ohjausjärjestelyillä on jokainen kuvapiste A/D-muunnettava, mikä johtaa talletettavan 30 datan määrän kasvamiseen ja vaatii datan kompressoin- • · : *' tia.

♦ · · V ‘ Kuva-aineistoa on pystyttävä keräämään reaa- • ♦*· *;·>’: liajassa. Ongelmana entuudestaan tunnetuissa laitteissa on, että käytetyllä suurella kuvapistetaajuudella sek-35 vensserin ohjausta ei voida toteuttaa perinteisellä tavalla.

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä 2 98777; mainitut tunnettujen ratkaisujen epäkohdat.

Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uudenlainen CCD-elementin ohjausjärjestely, joka mahdollistaa A/D-muunnettavan datan valinnan laitteis-5 ton avulla.

Lisäksi keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin laite, joka soveltuu erityisen hyvin lentokoneesta käsin tapahtuvaan kaukokartoitukseen, ympäristön tilan mittauksiin seka nopeisiin teollisuussovelluksiin.

10 Keksinnön mukaiselle laitteelle on tun nusomaista, että sekvensseriin on kytketty ainakin yksi puskurielementti, joka on FIFO-tyyppiä, ja johon elementtiin sekvensserin ohjauskäskyt syötetään.

Keksinnön mukaisesti laite voidaan toteuttaa 15 edullisilla komponenteilla. Keksinnön mukainen ratkaisu on joustava. Keksinnön mukaisesti instrumentin etuosaa ohjaavan rakenteen, (esimerkiksi mikrokontrolleri) ei tarvitse olla nopea eikä osallistua koko aikaa sekvenssin ohjaukseen, vaan ainoastaan integrointiajastimen 20 ylläpitämiseen sekä vikojen diagnostisointiin.

Keksinnön etuna on, että keksinnön mukaisella toteutuksella voidaan hinnaltaan edullisia komponentte- : 1 ja käyttäen toteuttaa sovelluksissa tarvittava lait teiston joustavuus sekä riittävä nopeus. Edelleen kek-25 sinnön etuna on, että ohjaussekvenssien lataukseen riittää esim. kohtuullisen hidas mikrokontrollerityyp- ..!<·· pinen ohjain, joka saa ohjauskäskyt esim. sarjaväylän ·% · · <:*. kautta.

i · ·

Lisäksi keksinnön ansiosta on mahdollista .. 30 kompressoida CCD-kameran kuva jo alustavasti laitteis- • · ton avulla, valitsemalla halutut kuvapisteet A/D-muun- • · < V ‘ nettavaksi.

« v ”·/*: Keksinnön mukaisen CCD-elementin ohjauselekt- roniikan eräässä sovellutuksessa CCD-elementtiä ohjaa- : 35 vaan sekvensseriin on kytketty ainakin yksi puskuriele- mentti, joka on FIFO-tyyppiä. Sekvensserin ohjauskäskyt syötetään FIFO-tyyppiseen puskurielementtiin, jolloin 98777' 3 saavutetaan joustavuus ja muunneltavuus.

Keksinnön mukaisen CCD-elementin ohjauselekt-roniikan eräässä sovellutuksessa puskurielementtejä on kaksi kappaletta. Kumpaankin puskurielementtiin on 5 järjestetty takaisinkytkentä sekvensseriltä. Edelleen ensimmäinen puskurielementti saa tiedon sekvensserin tilasta takaisinkytkennän kautta.

Keksinnön mukaisen CCD-elementin ohjauselekt-roniikan eräässä sovellutuksessa ensimmäistä pusku-10 rielementtiä käytetään tilatiedon ja spektraalisen kanavan kaistanleveyden ohjaamiseen sekvensserillä. Tilatietoa syötetään esim. kolmella bitillä ja spektraalisen kanavan kaistanleveyttä ohjataan esim. kolmella bitillä.

15 Keksinnön mukaisen CCD-elementin ohjauselekt- roniikan eräässä sovellutuksessa toisella puskuriele-mentillä ohjataan oheislogiikkaa.

Keksinnön mukaisen CCD-elementin ohjauselekt-roniikan eräässä sovellutuksessa puskurielementin kel-20 lotus tapahtuu synkronoituna sekvensserin detektorin rivikelloon.

Keksinnön mukaisen CCD-elementin ohjauselekt-: ‘ ' roniikan eräässä sovellutuksessa toisella puskuriele- mentillä ohjataan spektraalisen kanavan sisäisten spa-25 tiaalikuvapisteiden A/D-muunnosta binäärisesti. Tarvit- V taessa binäärinen muunnostieto voidaan ohittaa ohjaa- valta logiikalta. Puskurielementin kellotus tapahtuu M*t. synkronoituna sekvensserin kuvapistekelloon.

I · ·

Keksinnön mukaisen CCD-elementin ohjauselekt-30 roniikan erääseen sovellutukseen kuuluu ohjausrakenne, : *’ kuten mikrokontrolleri. Mikrokontrolleria käytetään V ‘ puskurielementtien lataukseen ja integrointiajan yllä- • »I* *:?y; pitämiseen. Edelleen mikrokontrollerilla ladataan mo- lemmat puskurielementit ja käynnistetään sekvensserin • 35 toiminta.

Keksinnön mukaisen CCD-elementin ohjauselekt-roniikan eräässä sovellutuksessa mikrokontrollerilla 98777'.

4 tarkkaillaan sekvensserin toimintaa.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa kuva 1 esittää lentokoneessa olevan kameran kuvaamaa 5 viivakuvaa ja siitä spektrografin avulla hajotettua spektraalikuvaa, ja kuva 2 esittää esillä olevan keksinnön mukaista CCD-elementtikytkentää lohkokaaviokuvana.

Kuvassa 1 esitetään lentokoneesta kuvattu 10 viivakuva, joka on spektrografin avulla hajotettu spektraalikuvaksi. Lentosuuntaan nähden vaakasuora kuva jaetaan 384: ään kuvaosaan spatiaalitiedon saamiseksi. Jokainen kuvaosa hajotetaan spektrografin avulla 288: aan osaan eli kanavaan spektraalisen tiedon saamiseksi. 15 Em. tavalla hajotettua kuvaa on keksinnön erään sovellutuksen mukaisella laitteella mahdollista käsitellä neljällä eri toimintamoodilla. Toimintamoodeja ovat esimerkiksi: -täysi spektraalinen tai täysi spatiaalinen 20 informaatio, jolloin kaikki CCD-elementin kuvapisteet ovat käytössä, -täysi spatiaalinen informaatio valituilla aallonpituuskaistoilla, -täysi spektraalinen informaatio tasavälein 25 (47) olevilla spatiaalisilla katselukulmilla, ; -valittavat aallonpituuskaistat, joiden lisäk- • « ♦ ..*«·· si muilta juovilta halutut katselukulmat.

♦ M· Tämä edellyttää, että ohjaava rakenne kykenee suureen nopeuteen ja myös joustavuuteen.

.. 30 Kuvassa 2 esitetään keksinnön mukaisen CCD- • · * _* elementin ohjauselektroniikan eräs sovellutus, johon • · · V ‘ kuuluu kaksi FIFO -tyyppistä (First In, First Out) pus- "·*·*: kurielementtiä. Esitetty sovellutus perustuu siihen perusajatukseen, että käytetään CCD-elementtiä, jossa : 35 on sekä kuva- että muistialue. Samalla kun luetaan edellistä kuvaa muistialueelta, voidaan integroida uutta kuvaa kuva-alueelle. Sama sovellutus sopii kui- 98777'.

5 tenkin myös CCD-elementeille, joissa on pelkkä kuva-alue. Tällöin ainoastaan puskurielementteihin ladattavat koodit ovat poikkeavat.

Ensimmäinen puskurielementti (tilafifo) 4 5 sisältää tiedon sekvensserin 3 tilasta, valitun aallonpituuden kaistanleveydestä sekä kolmebittisen ohjaustiedon siitä, onko kyseessä spektriviiva (muunnettava CCD-elementin rivi), sekvenssin uudelleen aloitus (uusi kuva) vai odotustila (odotetaan integrointiajastimen 10 laukeamista). Toiseen puskurielementtiin 5 ladataan binäärinen tieto siitä, mitkä kuvapisteet digitoidaan kunkin spektraalisen rivin sisällä. Tätä tietoa käytetään sekä katselukulmien että valitun spektrijuovan sisäisen informaation valinnassa. Ohjaussekvenssit 15 ladataan puskurielementteihin ohjaavalla rakenteella 7, kuten mikrokontrollerilla. Mikrokontrolleria ohjataan esim. mikrotietokoneella (ei esitetty kuvassa) esim. sarjaväylän kautta. Tulevat käskyt puretaan sekvensseiksi, jotka ladataan puskurielementteihin. Tämän 20 jälkeen käynnistetään sekvenssointi ja sekvensseri hoitaa itse tarvittavan tiedon kellotuksesta itselleen.

Ohjaava rakenne, kuten mikrokontrolleri, pitää yllä integrointiaikaa ja seuraa sekvenssoinnin onnistumista pohjautuen integrointiajan täyttymisen ja kehys-25 laskentatiedon väliseen tarkkailuun.

... Kunkin kuvakehyksen sisällä lasketaan rivilas- ·1« kurin pulssit, joiden perusteella päätellään toiminnan V:fi onnistuminen. Mikäli kehyslaskentatieto ei ole saapunut ennen integrointiajan täyttymistä, on kyseessä joko ;·. 3 0 sekvenssointilogiikan virhe tai valittu liian lyhyt • 1 · integrointiaika. Tähän perustuen päätellään integroin-tiajan riittävyys valitulle sekvenssille.

: Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitet tyjä sovellusesimerkkejä koskevaksi, vaan monet muun- • 35 nokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

a

Claims

98777'.
1. CCD-elementin ohjauselektroniikka (1), johon kuuluu CCD-elementti (2), sitä ohjaava sekvensseri (3) ja kaksi puskurielementtiä (4, 5), jotka ovat FI-
5 FO-tyyppiä ja jotka on kytketty sekvensseriin, johon sekvensserin ohjauskäskyt syötetään, tunnettu siitä, että ensimmäinen puskurielementti (4) on järjestetty tilatiedon ja/tai spektraalisen kanavan kaistanleveyden ohjaukseen sekvensserin avulla; ja että 10 toinen puskurielementti (5) on järjestetty ohjaamaan oheislogiikkaa (6) .
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen CCD-elementin ohjauselektroniikka, tunnettu siitä, että, puskurielementteihin on järjestetty takaisinkyt- 15 kentä sekvensseriltä.
3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen CCD-elementin ohjauselektroniikka, tunnettu siitä, että ensimmäinen puskurielementti (4) saa tiedon sekvensserin tilasta takaisinkytkennän kautta.
4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukai- • ·. nen CCD-elementin ohjauselektroniikka, tunnettu siitä, että puskurielementin kellotus on synkronoitu ; sekvensserin detektorin rivikelloon. ': ' 5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukai- 25 nen CCD-elementin ohjauselektroniikka, tunnettu V... siitä, että toinen puskurielementti on järjestetty ·#· j*«*: ohjaamaan spektraalisen kanavan sisäisten spatiaaliku- vapisteiden A/D-muunnosta. • ·*·,, 6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukai- V7.r. 30 nen CCD-elementin ohjauselektroniikka, tunnettu ’·;*·„ siitä, että puskurielementin kellotus on synkronoitu * *v » . \ * sekvensserin kuvapistekelloon. • IM *·*-* 7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukai nen CCD-elementin ohjauselektroniikka, tunnettu 35 siitä, että CCD-elementin ohjauselektroniikkaan kuuluu ohjausrakenne, kuten mikrokontrolleri (7), joka on järjestetty puskurielementtien lataukseen. 98777]
8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukainen CCD-elementin ohjauselektroniikka, tunnettu siitä, että ohjaava rakenne, kuten mikrokontrolleri, on järjestetty ylläpitämään integrointiaikaa.
9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukai nen CCD-elementin ohjauselektroniikka, tunnettu siitä, että ohjaava rakenne, kuten mikrokontrolleri, on järjestetty lataamaan molemmat puskurielementit ennen sekvensserin toiminnan aloittamista ja käynnis-10 tämään sekvensserin toiminta.
10. Jonkin patenttivaatimuksista 1-9 mukainen CCD-elementin ohjauselektroniikka, tunnettu siitä, että ohjaava rakenne, kuten mikrokontrolleri, on järjestetty monitoroimaan sekvensserin toimintaa. < i · | I I 1 · I 1 • 1 ·» · ·· ·· · • · « »♦·· • · · « · · • · · • · • · • ( p • f > · · m, ti «· m m • · • «M • · % V·': «··1 } 1 .8 98777'