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Einrichtung zur Bildformanalyse Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Verbesserung der Einrichtung zur Analyse der Bildform, die auf einer Umwandlung
der Bildform in einen Fourierkoeffizientensatz nach einem System zweidimensionaler
Funktionen beruhen, und kann beispielsweise zur Bilderkennung, Trennung des Bildes
vom Rauschhintergrund, Codierung und Fotometrierung eingesetzt werden.
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Bekanntlich kann ein beliebiges Bild in Form einer Fourierreihe dargestellt
werden, deren Koeffizienten, die das Bild eindeutig charakterisieren, ein Bildspektrum
nach
Raumfrequenzen bilden. Üblicherweise werden als vollständiges
orthogonales Funktionensystem, nach dem eine Fourierentwicklung erfolgt, Sinus-
und Kosinusfunktionen benutzt.
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Jedoch können als Basis-Funktionensystem Tschebyschewsche Polynome,
Walsh- und Besselfunktionen sowie ein beliebiges anderes vollständiges orthogonales
Funktionensystem eingesetzt werden. Die Operationen über den Raumfrequenzspektren
eröffnen im Unterschied zu den Operationen unmittelbar über dem Bild weite Möglichkeiten
zur Bildumwandlung, zum Vergleich des Gesamtbildes oder von dessen Teilen mit Normalen,
zur Entfernung der überflüssigen Bildteile, Identifizierung u. dgl. m.
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Normalerweise wird das optische Bild in eine Fourierreihe nach orthogonalen
Funktionen zur anschließenden Analyse durch eine mechanische Modulierung des Bildes
mittels Masken entwickelt, deren geometrisches Bild den genannten Funktionen entspricht.
Die Fourierkoeffizienten können unter Verwendung elektronenoptischer Einrichtungen
zur Analyse der Bildform berechnet werden.
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Es ist zum Beispiel eine Einrichtung weitbekannt, die ein Mittel
zur optischen Wiedergabe des zu analysierenden Bildes enthält, das eine Lichtquelle
in sich einschließt, die mittels Linse ein paralleles Strahlenbündel ausbildet,
in dessen Weg eine Begrenzungsblende für das Bildfeld steht.
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Hinter der Begrenzungsblende liegt ein Photofilm mit dem zu analysierenden
Bild und ein Photofilm mit einem Satz optischer Masken, die abwechselnd in das Bildfeld
eingeführt werden und eine Gesamtheit durchsichtiger und undurchsichtiger Filmteile
darstellen, deren Verteilung auf Gruppen einem durch ein System zweidimensionaler
Funktionen vorgegebenen Gesetz entspricht. Die Einführung von Matrizen in
das
Bildfeld wird mittels eines mechanischen Antriebs verwirkliche, Der durch das Bild
und die Maske durchgegangene Lichtstrom wird durch eine Linse auf einem Lichtempfänger
gesammelt. In Abhängigkeit davon, welcher der Fourierkoeffizienten bei der Bildanalyse
zu erhalten ist, wird in das Bildfeld diese oder jene Maske aus dem genannten Satz
eingeführt. Bei reihenmäßiger Maskierung des Bildes nach einem durch eine Wahl zweidimensionaler
Funktionen beschriebenen vorgegebenen Gesetz bildet sich am Ausgang des Lichtempfängers
eine Zeitfolge elektrischer, den Integralwerten von Lichtströmen des gesamten Bildfeldes,
die durch die Maske durchgegangen und also den Fourierkoeffizienten proportional
sind, proportionaler Signale aus. Die Ausgangssignale des Lichtempfängers können
im weiteren zur Verarbeitung beispeilsweise in einem Computer ausgenutzt werden.
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Wesentlicher Nachteil der beschriebenen Einrichtung ist eine begrenzte
Geschwindigkeit des durch das Vorhandensein eines mechanischen Antriebs bedingten
Maskenwechsels.
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Darüber hinaus ist der Maskensatz für den betreffenden Film fest
vorgegeben und bleibt unverändert, was das schnelle Ansprechen der Einrichtung beim
Übergang von der Bildzerlegung nach einem Funktionssystem zur Bildzerlegung nach
dem anderen Funktionssystem oder bei Änderung dar Reihenfolge deren Wechsels herabsetzt.
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Ein weiterer Nachteil der oben beschriebenen Einrichtung besteht
darin, daß beim mechanischen Maskenwechsel eine genaue Einstellung der Maske im
Bildfeld wesentlich
erschwert ist. Schließlich zählen zu den Mängeln
der beschriebenen Konstruktion deren große Abmessungen.
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Es ist auch eine Einrichtung bekannt, die es gestattet, den Vorgang
der Maskierung auszuschließen. Bei dieser Einrichtung wird das Bild abgetastet,
wodurch eine Zeitfolge elektrischer, der Beleuchtungsstärke einzelner Abschnitte
im Bildfeld entsprechender Signale ausgebildet wird. Diese Signale werden in einen
Computer eingegeben, wo unter Benutzung schneller Algorithmen das zu analysierende
Bild eindeutig bestimmende Fourierkoeffizienten berechnet werden.
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Die zur Berechnung der Fourierkoeffizienten notwendige Zeit T wird
durch die Anzahl der Abtastpunkte bestimmt und ist dieser proportional, d. h. T
' NM lgNM, wo NM die Anzahl der Abtastpunkte im Raster ist. Bei größerer Zahl der
Abtastpunkte beträgt die Verarbeitungszeit einige Minuten, was nicht immer annehmbar
ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Erhöhung der Geschwindigkeit
der Analyse des Bildes; ferner eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Maskenwechsels
bei der Entwicklung nach einer der vorgegebenen Funktionen; außerdem eine Geschwindigkeitssteigerung
beim Maskenwechsel während des Überganges von der Zerlegung eines Bildes bei der
Analyse nach einem Funktionensystem zur Zerlegung desselben Bildes nach einem anderen
Funktionssystem; und schließlich Justierungen beim Maskenwechsel zu eliminieren
und die Abmessungen der Gesamteinrichtung zu reduzieren. Genauer gesagt, der Erfindung
liegt die Aufgabe zugrunde, die Einrichtung zur Analyse des Bildes derart auszuführen,
daß die Maskierung dieses Bildes lediglich mittels elektrischer Signale ohne Anwendung
mechanischer Mittel zustandekommt,
was es gestattet, sowohl die
Geschwindigkeit der Bildanalyse als auch die des Maskenwechsels zu erhöhen ebenso
wie die Justierungen zu vermeiden und die Abmessungen der Gesamteinrichtung zu verringern.
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Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung zur Bildformanalyse mit
einem Mittel zur optischen Wiedergabe des zu analysierenden Bildes, dessen Strahlung
zur Trennung der Strahlung verschiedener Bildteile zu verschiedenen Zeitpunkten
gemäß einem vorgegebenen, durch einen Satz zweidimensionaler Funktionen beschriebenen
Gesetz maskiert wird, und mit einem Lichtempfänger, der die maskierte Lichtstrahlung
registriert und in eine Zeitfolge elektrischer Impulse umwandelt, die den Integralwerten
von Lichtströmen des Bildfeldes proportional sind, die jeder zweidimensionalen Funktion
entsprechen und eine Information über die Bildform tragen, erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß der Lichtempfänger eine im Bildfeld aufzustellende Matrix lichtempfindlicher
Zellen darstellt, die bei Lichtbestrahlung symmetrische Strom-Spannungs-Kennlinien
mit Sättigungsabschnitten aufweisen, und daß ein System gegenseitig orthogonaler
elektrischer Schienen vorgesehen ist, in deren Fadenkreuzen die lichtempfindlichen
Zellen liegen, wobei die Schienen jede für sich an einen derart ausgeführten Spannungsgenerator
angeschlossen sind, daß an den Schienen zu vorgegebenen Zeitpunkten eine Spannung
anliegt, die die Zellen in einen lichtempfindlich bzw. lichtunempfindlich gemachten
Zustand nach Gruppen überführt, die räumlich auf die Matrizenfläche gemäß einer
des Satzes der vorgegebenen zweidimensionalen Funktionen verteilt sind, worauf die
Matrix die maskierte Lichtstrahlung gleichzeitig maskiert und registriert, wobei
dem Integralwert des auf die Gruppe lichtempfindlich gemachter Zellen auftreffenden
Lichtstromes proportional
die Summe der Absolutwerte der Fotoströme
der Zellen ist, die den Koeffizienten der vorgegebenen zweidimensionalen Maskierungsfunktion
entspricht.
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Bei dieser Ausführung der Einrichtung ist die Maske mit den Lichtempfängern
der Matrix vereinigt, und die Maskierungsgeschwindigkeit wird durch die Geschwindigkeit
der Überführung der Lichtempfänger aus dem lichtempfindlichen in den lichtunempfindlichen
Zustand bestimmt. Dies gestattet es, die Geschwindigkeit des Maskenwechsels ebenso
wie die Geschwindigkeit des Überganges von einem Maskensatz zum anderen zu steigern,
da bei der erfindungsgemäßen Einrichtung die Maskierung lediglich durch elektrische
Signale gesteuert wird.
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Es ist zweckmäßig, daß die Matrix ein Satz von Abtastern ist, der
eine lichtempfindliche Halbleiterstruktur mit pn-Übergängen in Form von die gleiche
Trennungswirkung für die bei der Lichtbestrahlung der Struktur entstehenden Minoritätsträger
aufweisenden und in zwei zur Strukturoberfläche, auf die die Lichtstrahlung einzufallen
hat, parallelen Ebenen liegenden Streifen darstellt, wobei die in den gleichnamigen
Ebenen liegenden Streifen der pn-Ubergänge geometrisch zueinander parallel, elektrisch
gegeneinander isoliert und zu den Streifen der pn-Übergänge der anderen Ebene orthogonal
sind, weshalb sich an den Kreuzungsstellen der Streifen eine bei der Lichtbestrahlung
eine symmetrische Strom-Spannungs-Kennlinie aufweisende Dreischichtenstruktur ausbildet,
und daß Jeder Streifen der pn-Ubergänge mit einer eigenen Schiene versehen ist,
deren Gesamtheit das System gegenseitig orthogonaler, an einen Spannungsgenerator
angeschlossener Schienen bildet.
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Diese Ausführung der Matrix gestattet es, den Aufbau der Einrichtung
durch Reduzierung der Zahl elektrischer Verbindungen der Matrizenelemente untereinander
zu vereinfachen sowie die Gesamtzahl der Matrizenelemente ohne Vergrößerung der
Abmessungen der Matrix zu vergrößern, das Auflösungsvermögen und den Füllfaktor
für die Lichtempfangsfläche durch die lichtempfindlichen Zellen zu erhöhen.
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Als Matrix kann auch ein diskreter Abtaster ausgenutzt werden, von
dem jede lichtempfindliche Zelle zwei pn-Übergänge aufweist, die die gleiche Trennungswirksamkeit
für die bei der Lichtbestrahlung der lichtempfindlichen Matrizenzellen entstehenden
Minoritätsträger besitzen und auf der Außenfläche der Matrix symmetrisch in bezug
auf das sie trennende Basisgebiet in einer Ebene liegen, auf die die Lichtstrahlung
einzufallen hat, wobei jede lichtempfindliche Zelle in das entsprechende Fadenkreuz
des Systems orthogonaler Schienen mit den Gebieten vom gleichen Leitungstyp geschaltet
ist.
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Dieser Aufbau der Matrix erlaubt es, sie unter Verwendung einer einfachen
Herstellungstechnologie zu fertigen sowie eine hohe Auflösung zu gewährleisten.
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Als lichtempfindliche Zelle de Matrix kenn eine Fünfschichten-Halbleiterstruktur
mit vier pn-8bergängen benutzt werden, deren zwei innere abwechselnd als Kollektorübergänge
in Abhängigkeit von der Polarität der Spannung auftreten und eine gleiche Trennungswirkung
für die bei der Lichtbestrahlung der Matrix entstehenden Minoritätsträger aufweisen,
während die beiden anderen Emitterübergänge sind und das Vorhandensein eines Zweigs
mit negativem Widerstand bei der Strom-Spannungs-Kennlinie gewährleisten, weshalb
die Halbleiterstruktur eine Speicherfähigkeit besitzt.
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Als Mittel zur optischen Wiedergabe des zu analysierenden Bildes
kann eine Matrix aus Injektions-Leuchtdioden verwendet werden, deren jede mit einer
der lichtempfindlichen Zellen in der Weise fest verbunden ist, daß deren Strahlung
auf den lichtempfindlichen Abschnitt der entsprechenden Zelle auftrifft.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
der Einrichtung sowie beiliegender Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Blockschaltung der Einrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 2 eine elektrische
Ersatzschaltung der lichtempfindlichen Matrix; Fig. 3 die Strom-Spannungs-Kennlinie
der lichtempfindlichen Matrizenzelle; Fig. 4 graphisch ein System zweidimensionaler
Walsh-Funktionen; Fig. 5 Verläufe der am System gegenseitig orthogonaler Schienen
zur Maskierung des Bildes nach dem System der Walsh-Funktionen eintreffenden Spannungen;
Fig. 6 eine lichtempfindliche Matrix in Form eines Skanistors; Fig. 7 einen Schnitt
VII-VII nach Fig. 6;
Fig. 8 eine Matrix in Form eines diskreten
Skanistors; Fig. 9 eine lichtempfindliche Fünfschichtenstruktur (Fotosymistor);
Fig 10 die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Fotosymistors; Fig. 11 eine elektrische
Ersatzschaltung für den Anschluß der Fotosymistoren an ein Schienensystem.
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Die Einrichtung zur Bildanalyse enthält ein Mittel zur optischen
Bildwiedergabe, das durch eine Beleuchtungsvorrichtung 1 (Fig. 1) mit einer Blende
2 und einem Halter 3 gebildet wird, in dem ein Film mit einem zu untersuchenden
Bild untergebracht wird; eine Matrix 4 aus lichtempfindlichen Zellen (lichtempfindliche
Matrix); Spannungsgeneratoren 5 und 6 und einen Integrator 7 für Fotoströme der
lichtempfindlichen Zellen (in Fig. 1 nicht gezeigt). Jede derartige Zelle kann durch
zwei antiparallel geschaltete Fotodioden (in Fig. 1 nicht gezeigt) gebildet werden.
Diese beiden Fotodioden müssen mit den lichtempfindlichen Flächen dem zu untersuchenden
Bild zugewandt sein. Die Stromversorgung der Zellen erfolgt durch die Spannungsgeneratoren
5 und 6 über ein System gegenseitig orthogonaler horizontaler und vertikaler Schienen
X und Y. Hierbei werden die lichtempfindlichen Zellen aus zwei Fotodioden in die
Fadenkreuze der Schienen X und Y geschaltet.
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Die elektrische Ersatzschaltung der Matrix 4 ist in Fig. 2 dargestellt,
wo jede Zelle 8 in das entsprechende Fadenkreuz geschaltet ist. Bei gleicher Fotoempfindlichkeit
der Fotodioden müssen derartige Zellen symmetrische Strom-
Spannungs-Kennlinien
mit Sättigungsabschnitten aufweisen.
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Unter einer Strom-Spannungs-Kennlinie versteht man die Gesamtheit
der Abhängigkeiten des durch eine Zelle fließenden Stromes von der Spannung bei
verschiedenen Beleuchtungsstärken.
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Eine symmetrische Strom-Spannungs-Kennlinie einer lichtempfindlichen
Zelle ist in Fig. 3 dargestellt, wo auf der Ordinatenachse Stromwerte und auf der
Abszissenachse Spannungswerte aufgetragen sind, wobei die Kurve 9 einer größeren
und die Kurve 9' einer kleineren Lichtintensität entspricht.
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Als die Spannungsgeneratoren 5 und 6 können die bekannten Mehrkanal-Rechteckimpulsgeneratoren
eingesetzt werden, bei denen die Anzahl der Ausgänge jeweils der Anzahl der an sie
anzuschließenden Schienen gleich ist. Hierbei muß bei den Generatoren 5 und 6 die
Möglichkeit einer Anderung der Impulsabstände vorgesehen werden. Diese Impulse erzeugen
an den Schienen Spannungen, die die Zellen 8 in einen lichtempfindlichen bzw. lichtunempfindlichen
Zustand nach Gruppen überführen, deren räumliche Verteilung auf der Matrizenfläche
dem vorgegebenen, durch einen Satz zweidimensionaler Funktionen bestimmten Maskierungsgesetz
entspricht. Durch Umpolung der Ausgangsspannungen der Generatoren 5 und 6 kann man
eine beliebige Verteilungskombination für die Zellen 8 nach den genannten Gruppen
erhalten und folglich eine Maskierung des zu untersuchenden Bildes nach einem beliebigen
Gesetz zu verwirklichen, Bei der vorliegenden Einrichtung erweist sich also die
Maske als vereinigt mit der Lichtempfangs-Matrix, und die Überführung der lichtempfindlichen
Zellen in lichtempfindliche bzw.
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lichtunempfindliche Zustände entspricht der Maskierung.
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Der Eingang des Integrators 7 ist mit sämtlichen Schienen X und Y
derart verbunden, daß darin eine Summierung der Absolutwerte der diese Schienen
von den lichtempfindlichen Zellen durchfließenden Fotoströme erfolgt. Auf diese
Weise erweist sich das elektrische Signal am Ausgang des Integrators 7 als proportional
dem Integralwert des auf die Gruppe der lichtempfindlichen Zellen-auftreffenden
Lichtstromes und entspricht der vorgegebenen Maskierungsfunktion, d. h. enthält
die gesuchte Information über das zu untersuchende Bild Der Ausgang des Integrators
7 kann zum Beispiel zwecks anschließender Bilderkennung, Filterung oder Durchführung
anderer Operationen der Analyse mit einem Computer gekoppelt werden In einigen Fällen
kann für die Durchführung der Operationen der Analyse eine Registrierung des Ausgangssignals
durch den Integrator 7 ausreichen.
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Nachstehend wird die Arbeitsweise der vorliegenden Einrichtung anhand
einer Bildumwandlung (in der Figur nicht gezeigt) unter Verwendung zweidimensionaler
Walsh-Funktionen betrachtet.
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Graphisch ist das System zweidimensionaler Walsh-Funktionen in Fig.
4 dargestellt. Zur Realisierung dieser Funktionen mit Hilfe einer Matrix ist deren
Maskierung in der Weise vorzunehmen, daß die Natrizenzellen zu bestimmten Zeitpunkten
in einen lichtunempfindlichen Zustand nach Gruppen übergeführt werden, wodurch den
verdunkelten Abschnitten nach Fig. 4 entsprechende räumliche Konfigurationen aus--gebildet
werden, während sich die anderen in einem lichtempfindlichen Zustand befinden.
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Bei der vorliegenden Einrichtung geschieht eine derartige
Umschaltung
mit Hilfe der Spannungsgeneratoren 5 und 6 und des Systems gegenseitig orthogonaler
Schienen X und Y.
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Es sei angenommen, daß zum Ausgangszeitpunkt an allen Ausgängen der
Generatoren 5 und 6 eine gleiche, beispielsweise einen Wert von - 2 betragende Spannung
anliegt (UO 2 ist eine Vorspannung an den Zellen 8). Dann ist in den Fadenkreuzen
der Schienen X und Y (Fig. 2) der Spannungsabfall gleich Null, und über die Zellen
8 fließt kein Strom unabhängig davon, ob sie beleuchtet sind oder nicht. Diese Eigenschaft
der Zellen 8 ist durch die Symmetrie von deren Strom-Spannungs-Kennlinie bezüglich
der Null spannung bedingt. Dieser Zustand der Zellen bleibt im Zeitintervall T11
(Fig. 5) erhalten und entspricht der Lebensdauer der ersten Maske S11 - der Zeit
einer vollständigen Unempfindlichkeit der Matrix gegenüber der Strahlung. In dem
nächsten der Lebensdauer der Maske S12 entsprechenden Zeitintervall ist die Spannung
an den Schienen X1, X2, X3, X4, Y4 gleich - 2 und an den Schienen Y1 und Y2 gleich
+ so daß an den Fadenkreuzen der Schienen Y und Y4 und al-3 Y4 ler Schienen X die
Vorspannung gleich Null und an den Fadenkreuzen der Schienen Y1 und Y2 und aller
Schienen X'der Spannungsabfall nach dem Betrag gleich U ist. Dank einer 0 derartigen
Vorspannung nimmt die obere Hälfte der Matrix das Licht auf und die untere nicht.
Unter Vernachlässigung des Dunkelstromes (ins) der Fotodioden gegenüber dem Fotostrom
(if) ist der Strom der das Licht aufnehmenden Dioden in jeder Zelle dem Wert des
auf die betreffende Zelle einfallenden Lichtstromes proportional.
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Diese Ströme gelangen in den Integrator 7, wo sie summiert werden,
worauf am Ausgang des Integrators ein der Summe der Fotoströme der in einem der
Maske S12 entsprechenden
lichtempfindlichen Zustand befindlichen
Zellen proportionales elektrisches Signal erscheint0 Auf diese Weise erscheint eines
der Merkmale - der das Bild charakterisierende Koeffizient C12 Betrachtet sei nunmehr
das der Maske S22 entsprechende Zeitintervall T22. Die Spannungen an den Ausgängen
der Generatoren 5 und 6 sorgen bei den in die Fadenkreuze der Schienen X1 und Y3,
X2 und Y4, X3 und Y1, X4 und Y2 geschalteten Zellen 8 für eine Vorspannung gleich
Null, bei den in die Fadenkreuze X1 und Y1, X2 und Y2 geschalteten Zellen für eine
Vorspannung von + UO und bei den in die Fadenkreuze X3 und Y3, X,4 und Y4 geschalteten
Zellen für eine Vorspannung von - UO. Bei der Beleuchtung der Zellen mit der Vorspannung
von + U sind also die Ströme in den,ent-0 sprechenden Schienen gleich + if und der
Zellen mit der Vorspannung von - UO gleich - if. Diese Ströme gelangen in den Integrator
7, wo sie nach dem Betrag summiert werden, worauf am Ausgang des Integrators 7 ein
der Summe der durch die in einem lichtempfindlichen Zustand bei einer der Maske
S22 entsprechenden Konfiguration befindlichen beleuchteten Zellen 8 erzeugten Fotoströme
proportionales elektrisches Signal erscheint.
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Auf diese Weise erscheint ein weiteres Merkmal - der das Bild charakterisierende
Koeffizient C22.
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Indem man die Schienen nacheinander umschaltet, bekommt man im Zeitintervall
//Ti//, wie dies in den Spannangsverläufen nach Fig. 5 gezeigt ist, einen vollen
Maskensatz //sie// und dementsprechend einen Koeffizientensatz
(i
= 1, 2, 3, ..., M, j = 1, 2, 3, 1 N, wo M die Zahl der Matrizenelemente in horizontaler
Richtung und N die Zahl der Matrizenelemente in vertikaler Richtung ist).
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Der Satz der Koeffizienten Cij charakterisiert das Bild eindeutig
mit einer durch die Dimension der Matrix MN bestimmten Genauigkeit und stellt ein
Resultat der Zerlegung dieses Bildes in ein räumliches Spektrum nach orthogonalen
Walsh-Funktionen dar.
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Diese Zerlegung erfolgt für die Zeit Tk = TijNM. Die Wahl des minimalen
Zeitintervalls T hängt mit dem Anspreij chen der lichtempfindlichen Elemente zusammen,
da bei der Umschaltung der Fotodioden vom Zustand mit negativer Vorspannung in den
Zustand mit positiver Vorspannung die Lebensdauer der Minoritätsträger im Basisbereich
des Halbleiterbauelements, die unterhalb von 10 7 s liegen kann, von Bedeutung ist,
und die für die Bildung eines Koeffizienten erforderliche Zeit hat dementsprechend
einen Wert von 10 -7 s unabhängig vom Wert NM.
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Bei der Bildung der Zweigradationsmasken sollte der Wert U , wie
dies sich aus der Strom-Spannungs-Kennlinie ergibt, den Wert von #U/2 überschreiten
und #U = 4k T°/q sein, mit TO = Temperatur in C, q = Elektronenladung, k = Boltzmann-Konstante.
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Grundsätzlich kann die Entwicklung nach beliebigen orthogonalen Funktionen,
darunter auch nicht im Binärcode, sondern beispielsweise nach trigonometrischen
exp (t w t) erfolgen. In diesem Fall muß der Arbeitsbereich der Spannungen für die
Maskierung in den Grenzen des Bereiches L1 U
(Fig. 3) liegen, wobei
dieser Bereich künstlich bis zu einigen Volt durch Reihenschaltung eines ohmschen
Widerstandes in jede lichtempfindliche Zelle erweitert werden kann.
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Vorstehend wurde eine lichtempfindliche Matrix beschrieben, deren
Zellen durch ein Paar von antiparallel geschalteten Fotodioden gebildet sind. Nachteilig
können bei derartiger Matrix in einer Reihe von Fällen ein geringes Auflösungsvermögen,
beträchtliche Abmessungen der gesamten Matrix und eine unvollständige Ausnutzung
der Matrizenflächen sein.
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Diese Mängel können durch Anwendung einer Matrix gemildert werden,
die einen Satz von auf einer Halbleiterplatte 10, beispielsweise aus n-leitendem
Silizium, hergestellten Abtastern (Fig. 6) darstellt. In die Platte 10 läßt man
von den gegenüberliegenden Flächen zur Ausbildung von p-leitenden Schichten 11 und
12 (Fig. 7), zwischen denen eine n-leitende Schicht 13 eingeschlossen ist, beispielsweise
Bor eindiffundieren.
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Die p-leitenden Schichten ii und 12 müssen derart angeordnet sein,
daß die sich ausbildenden pn-ffbergänge 14 und 15 die Form von Streifen aufweisen,
die in zu der Plattenfläche parallel verlaufenden Ebenen liegen, auf die die Lichtstrahlung
(kg ), wie durch Pfeile angedeutet, einzufallen hat. Hierbei müssen die in den gleichnamigen
Ebenen liegenden pn-8bergänge zueinander geometrisch parallel und gegeneinander
elektrisch isoliert sein. Die elektrische Isolierung der Streifen der pn-8bergänge
wird durch eine künstliche Verringerung der Lebensdauer der Minoritätsträger in
der Schicht 13 mittels Einführung eines Goldzusatzes,
worauf der
Abstand zwischen den in einer Ebene liegenden Streifen bis auf einige Mikrometer
(/um) reduziert werden kann, erreicht.
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Die in verschiedenen Ebenen liegenden Streifen der pn-Übergänge sind
zueinander orthogonal. Auf diese Weise bildet sich an den Kreuzungsabschnitten der
Streifen eine dreischichtige pnp-Struktur (Fig. 7) aus, bei der die p-Schicht 11
das Licht vorgegebener Wellenlänge schwach aufnimmt.
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Die Symmetrie der Strom-Spannungs-Kennlinie der Dreischichtenstruktur
wird durch das Verhältnis der Tiefen der pn-Übergänge 14 und 15 sichergestellt.
Für die vorgegebene Wellenlänge des Lichtes wird dieses Tiefenverhältnis derart
gewählt, daß die beiden pn-Übergänge 14 und 15 eine gleiche Trennungswirkung für
die bei der Lichtbestrahlung der Matrix entstehenden Minoritätsträger aufweisen,
d. h.
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daß die Trennung der Minoritätsträger in gleichem Maße durch die beiden
pn-Ubergänge 14 und 15 beim Anlegen einer Vorspannung an sie geschieht.
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Jeder Streifen der pn-Ubergänge ist mit einer eigenen Schiene Xi
und i versehen, deren Gesamtheit ein System gegegenseitig orthogonaler Schienen
bildet.
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Jede derartige Dreischichtenstruktur stellt eine lichtempfindliche
Matrizenzelle dar und entspricht im Grunde einem Paar von antiparallel geschalteten
Fotodioden, deshalb entspricht deren Ersatzschaltung der betrachteten Schaltung
nach Fig. 2.
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Da alle Zellen in einer Platte ausgeführt sind, haben sie eine gemeinsame
Basiszone. Damit die Verbindung zwischen
den einzelnen Zellen auf
keinen Fall über die gemeinsame Basiszone zustandekommt, wird die letztere hochohmig
ausgeführt; so kann z. B. die Basiszone 13, falls die gesamte Struktur auf der Basis
einer Siliziumplatte 10 hergestellt wird, mit Gold dotiert werden, damit die geringeren
Beimischungen kompensiert werden und ein spezifischer Widerstand nahezu gleich dem
Eigenwiderstand erreicht wird. Bei dieser Struktur mit verteilten Parametern werden
die Abmessungen der Elementarzelle durch die Diffusionslänge der durch das Licht
und die Tiefen der pn-Übergänge 14 und 15 erzeugten Ladungsträger bestimmt. Diese
Dimensionen können in den Grenzen von 100 /um x 100 /um eingehalten werden.
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Die Breite des Streifens der pn-8bergänge und der Abstand zwischen
ihnen werden durch die Möglichkeiten der Fotolithographie bestimmt und können von
ca. 100 /um und bis zu wenigen Mikrometern herab betragen.
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Die Arbeitsweise einer derartigen Matrix entspricht voll und ganz
der Arbeitsweise der oben beschriebenen Matrix.
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Bei der anderen Ausführungsform kann die lichtempfindliche Matrix
einen auf der Basis einer Siliziumplatte 16 (Fig. 8) vom n-Leitungstyp mit erniedrigter
Lebensdauer der Minoritätsträger ausgeführten diskreten Abtaster darstellen.
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Auf der Außenfläche dieser Platte sind durch Eindiffusion von Phosphor
n+-leitende Gebiete 17 in Form von durch Abschnitte 18 des Ausgangsmaterials gegeneinander
isolierten Rechtecken und komplizierten Figuren erzeugt. In jedem n+-leitenden Gebiet
ist ein Paar von p-leitenden Gebieten 19 geschaffen> so daß die pn+-UbergEnge
20 anmitteltar auf der Außenfläche der Platte 16 liegen, die im Arbeitsprozeß der
Lichtstrahlung zugewandt werden muß. Die gbnanttot p-Ge
biete 19
müssen symmetrisch in bezug auf das als Basis wirkende, sie trennende n+-leitende
Gebiet 21 liegen. Die einander zugewandten Ränder der p-Gebiete müssen voneinander
in einer Entfernung liegen, die die Diffusionslänge der Ladungsträger im n+-leitenden
Gebiet unterschreitet.
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Auf diese Weise bildet sich eine Struktur aus, die im Grunde der
Dreischichtenstruktur äquivalent ist.
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Während der Arbeit mit der beschriebenen Matrix sind Bedingungen
einzuhalten, daß der Lichtstrom im wesentlichen auf das Basisgebiet 21 auftrifft,
was die Trennung der Minoritätsträger durch die beiden pn-tbergänge 20 zu gleichen
Teilen und als Folge davon die Symmetrie der Strom-Spannungs-Kennlinie der Zelle
bei der Beleuchtung gewährleistet.
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Auf die die lichtempfindlichen Zellen elektrisch trennenden n-leitenden
Abschnitte 18 ist zur Ausbildung des Systems gegenseitig orthogonaler, an den Kreuzungsstellen
gegeneinander isolierter Schienen X und Y Gold aufgedampft.
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Die p-leitenden Gebiete jeder Zelle sind jeweils mit einem Fadenkreuz
des genannten Schienensystems durch Elektroden 22 verbunden. Diese Schienen sind
an die Generatoren (in Fig. nicht gezeigt) angeschlossen.
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Die beschriebene Matrix besitzt eine der Schaltung nach Fig. 2 ähnliche
elektrische Ersatzschaltung und arbeitet wie oben beschrieben.
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Bei Verwendung einer Matrix auf der Grundlage eines diskreten Abtasters
wird zweckmäßigerweise als Mittel zur optischen Wiedergabe des zu analysierenden
Bildes eine Matrix
(in der Figur nicht gezeigt) aus Injektions-Leuchtdioden
eingesetzt. Jede Leuchtdiode wird in die Basis der entsprechenden lichtempfindlichen
Zelle eingeklebt, wodurch die Symmetrie der Strom- Spannungs-Kennlinie ebenso wie
die effektivste Ausnutzung des Lichtstromes gewährleistet wird In den Fällen, wo
außer'der Maskierung und Umwandlung des Lichtstromes in elektrische Signale das
optische Bild zu speichern ist, werden zweckmäßigerweise als lichtempfangende Zellen
lichtempfindliche Fünfschichtenstrukturen ausgenutzt, die unter der BezeichJung
von eine symmetrische Strom-Spannungs-Kennlinie mit Sättigungsabschnitten und Abschnitten
mit negativem Widerstand in Sperrichtung aufweisenden Fotosymistoren bekannt sind.
Eine derartige Strom-Spannungs-Kennlinie gestattet es, zwei diskrete Zustände -"Eingeschaltet"
und "Ausgeschaltet'e, für jeden Zweig der Strom-Spannungs-Kennlinie zu verwirklichen,
deren erster dem lichtempfindlichen und deren zweiter dem lichtunempSindlichen Zustand
der Zellen entspricht.
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Auf diese Weise arbeiten alle Matrizenzellen im lichtempfindlichen
Zustand unabhängig vom Wert des auf sie einfallenden Lichtstromes gleich, weshalb
die Forderungen an die Einhaltung der Symmetrie der Strom-Spannungs-Kennlinien der
verschiedenen fotoempfindlichen Zellen reduziert werden können.
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Der Fotosymistor 23 (Fig. 9) stellt eine FUnfschichtenstruktur auf
n-Siliziumbasis mit wechselnden npnpn-Schichten 24, 25, 26, 27 und 28 dar. Die inneren
pn-8bergänge 29 und 30 treten abwechselnd in Abhängigkeit von der Polarität der
angelegten Spannung als Kollektor- bzw. Emitterübergänge auf.
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Diese Übergänge weisen im geschlossenen Zustand die gleiche Wirkung
im Hinblick auf die Trennung der Paare der durch das Licht erzeugten Minoritätsladungsträger
auf.
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Bekanntlich ermöglicht es eine derartige Struktur dank dem Vorhandensein
der äußeren Emitterübergänge 31 und 32, bei der Strom-Spannungs-Kennlinie Abschnitte
mit negativem Widerstand in Sperrichtung zu erhalten. Die Strom-Spannungs-Kennlinie
eines Fotosymistors ist in Fig. 10 wiedergegeben.
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Sie hat einen die Unempfindlichkeitszone bestimmenden Ab-4kT schnitt
#U = 4kT, zwei Sättigungsabschnitte (durch ausgeq zogene Linie sind Sättigungsabschnitte
beim Fehlen des Lichtstromes und durch gestrichelte beim Vorhandensein des Lichtstromes
angedeutet) sowie zwei Abschnitte eines linear ansteigenden Durchlaßstromes. Bei
der Einspeisung der der Überführung der Zelle in einen lichtempfindlichen Uo Zustand
entsprechenden Spannung + t7 und beim Fehlen des Lichtes fließt über die Struktur
ein dem Sättigungsabschnitt bei der Stromspannungskennlinie entsprechender Strom
i . Beim Anlegen derselben Spannung und Vorhanden-0 sein des Lichtes fließt über
die Struktur ein bekanntlich von der Lichtstärke unabhängiger und nur von der angelegten
Spannung abhängiger Strom I I0»i0. io. Da die Strom-Spannungs-Kennlinie einen Zweig
mit negativem Widerstand besitzt, fließt der Strom 1 nach der Wegnahme der Beleuch-0
tung weiter, bis die Vorspannung abgeschaltet worden ist.
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Auf diese Weise wird die Information gespeichert. Da 1 0 von der Lichtintensität
unabhängig ist, werden die Forderungen an die Symmetrie der Strom-Spannungs-Kennlinie
der Zelle reduziert.
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Die äußeren Schichten 24 und 25, die bei der Arbeit
der
Einrichtung dem zu analysierenden Bild zugewandt werden müssen, werden derart ausgeführt,
daß sie die vorgegebene Lichtwellenlänge schwach aufnehmen. Die elektrische Schaltung
eines Fotosymistors in ein Fadenkreuz des Systems gegenseitig orthogonaler Schienen
kommt durch die äußeren Abschnitte gleichen Leitungstyps über ohmsche Kontakte 33
und 34 zustande. Die Verwendung des Fotosymistors gestattet es auch, das Mittel
zur optischen Wiedergabe des zu analysierenden Bildes zu vereinfachen, das in Form
einer Matrix von Strahlungselementen, beispielsweise von Injektions-Leuchtdioden,
ausgeführt werden kann. Indiesem Fall wird jede Leuchtdiode 35 an einen Fotosymistor
angeklebt. Die Leuchtdiode ist durch mit ohmschen Kontakten 38 und 39, wie in Fig.
9 gezeigt, versehene p- und n-Schichten 36 bzw. 37 gebildet. Die Leuchtdiodenmatrix
ist mit einem eigenen System gegenseitig orthogonaler Schienen versehen, in deren
Faden~ kreuze die genannten Leuchtdioden geschaltet sind. Durch Anlegen einer Spannung
an diese Schienen wird auf der Strahlungsmatrix ein zu analysierendes Lichtbild
ausgebildet.
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Das elektrische Ersatzschaltbild für die Anschaltung der Fotosymistoren
an das Schienensystem ist in Fig. 11 gezeigt, wo jeder Fotosymistor in Form zweier
antiparallel geschalteter Fotothyristoren 40 dargestellt ist. In dieser Figur ist
eine elektrische Ersatzschaltung für die Leuchtdiodenmatrix wiedergegeben, wo jede
Leuchtdiode in Gestalt zweier hintereinandergeschalteter Leuchtdioden 41 dargestellt
ist.
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Betrachtet sei nun der Mechanismus der Bildung der Fourierkoeffizienten
bei der Bildanalyse.
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Es sei angenommen, daß auf die Schienen der Strahlungsmatrix ein
elektrisches Signal gelangt, das für die Zeit T11 die Erhaltung eines Lichtbildes
vorgegebener Konfiguration gewährleistet. Es sei weiter angenommen, daß hierbei
auf der Lichtempfangs-Matrix die Maske S11 einwirkt. Für das zweite Zeitintervall
T12 wird wiederum dieselbe Strahlungskonfiguration geformt, die dem zu analysierenden
Signal entspricht, und eine neue Maske S12, wie vorstehend beschrieben, usw.
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wirkt ein.
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Da jede Matrix in der oben beschriebenen Weise arbeitet, kann das
Ergebnis jeder Maskierung durch die Matrix gespeichert werden.
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Da der Wert des Stromes J vom Wert des Lichtstromes un-0 abhängig
ist, erhöht sich die Genauigkeit der Berechnung der Koeffizienten C, deren jeder
eine Summe der Absolutwerte der Ströme der beleuchteten Zellen auf den lichtempfindlichen
Abschnitten der Maske darstellt.
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Die Anwendung der vorliegenden Erfindung gestattet es, auf Matrizen
aus 256 x 256 Elementen 256 x 256 Koeffizienten für die Bildzerlegung in eine Fourierreihe
für eine Zeit von 0,05 bis o,o6 s zu erhalten, während bei der Anwendung von "schnellen"
Algorithmen für die Bildzerlegung in eine Fourierreihe mittels Computer ca. 2 bis
4 min erforderlich sind. Die lichtempfindliche Matrix kann in einem Einkristall
ausgeführt werden und Kantenabmessungen von 0,1 x 0,1 cm aufweisen, was die Abmessungen
der Gesamteinrichtung, insbesondere bei Verwendung einer Leuchtdiodenmatrix, als
Mittel zur optischen Wiedergabe des zu analysierenden Bildes wesentlich verringert.