Оптимизация двухканального фотоэлектрического преобразования в телекамере на матрице ПЗС кадрового переноса

СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, доктор технических наук

ОПТИМИЗАЦИЯ ДВУХКАНАЛЬНОГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ТЕЛЕКАМЕРЕ НА МАТРИЦЕ ПЗС КАДРОВОГО ПЕРЕНОСА

Рассмотрен подход к проблеме разработки телекамеры, с повышенным, динамическим, диапазоном, путем, оптимизации в фотоприемнике преобразования, «заряд — напряжение».

Ключевые слова: телекамера, матрица ПЗС, динамический диапазон.

An. approach, to the problem, of the TV camera developing with, wider dynamic range by optimal «charge to voltage» conversion, for CCD sensor.

Keywords: TV-camera, CCD-matrix, dynamic range.

В конце восьмидесятых годов в Советском Союзе был разработан прибор А-1131 — специализированная матрица ПЗС с организацией «кадровый перенос» [1], которая предполагалась для использования в телевизионных детекторах движения, в целях выделения сигнала межкадровой разности. Фотоприемник на ПЗС становился датчиком видеосигнала не только для телекамеры, но и для обнаружителя движения, т.е. совмещал в одном приборе две функции. Схемотехническая организация такого прибора оказалась плодотворной, и на ее основе позднее была реализована идея двухканального фотоэлектрического преобразования в телекамере [2] в целях расширения динамического диапазона изображений наблюдаемой

сцены в условиях сложного освещения и/или сложной яркости контролируемых объектов. Рост динамического диапазона достигался в ней путем формирования комбинированного изображения, являющегося результатом синтеза видеосигналов, вырабатываемых матрицей ПЗС при «длинном» — «long charge» и «коротком» — «short charge» по времени зарядовом накоплении.

В настоящей статье автор, развивая применение замысла по конструированию выходного устройства матрицы ПЗС из работы. [3], предлагает, оптимизировать преобразование «заряд — напряжение» и в этом, фотоприемнике, чтобы, получить дополнительный выигрыш, в динамическом, диапазоне телекамеры.

Напомним, что, исходя из физических представлений работы ПЗС, в каждом элементе выводимого из матрицы видеосигнала дополнительно к входному фотонному шуму проявляется собственный источник шума, называемый шумом считывания фотоприемника. Среднеквадратичное отклонение (СКО) шума считывания определяется площадью затвора выходного транзистора преобразователя «заряд — напряжение», встроенного на кристалл ПЗС. Типичное значение СКО шума считывания составляет 20 электронов [4, с. 52], и оно является результатом проектирования выходного транзистора, площадь затвора которого вмещает максимальную величину ожидаемого заряда. Но величина СКО шума считывания может быть снижена на порядок

Рис. 1. Структурная схема телекамеры

[4, с. 52] за счет пропорционального уменьшения площади этого затвора. Следовательно, для матрицы ПЗС с кадровым переносом, на кристалл которой интегрированы два преобразователя «заряд — напряжение», появляется реальная возможность оптимизации фотоэлектрического процесса. А именно: путем выполнения площади затвора транзистора одного преобразователя по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования, а площади затвора аналогичного транзистора другого преобразователя — по критерию минимального внесения в сигнал изображения. собственных шумов. Структурная схема телекамеры на базе этого фотоприемника изображена на рис. 1, а световая характеристика фотоэлектрического преобразования, осуществляемого в телекамере, — на рис. 2.

Матрица ПЗС (поз. 2), как и в работах [1, 2] содержит на одном кристалле секцию накопления 2-1, первую секцию хранения 2-2, первый выходной регистр 2-3, первый блок преобразования заряда в напряжение (БПЗН) 2-4, разделительный электрод 2-5,

Напряжение видеосигнала ис

Освещенность Е

Рис. 2. Световая характеристика фотоэлектрического преобразования

а)

б)

в)

Тк

''О.Х.К

I I I I I I

I

Тв

I

I_______I

I I 1

\тп,\ т,

д)

е)

ж)

з)

и) к) л) м) Н)

о)

я2 >1 к-

1н1

Тг

п2^\ !<

ы

1 1 ^ л.с ^

1 1 1 1 1 1 1 1 1 I II

1— 1 1 1  —1 1 1 1 1 -! !  1 1 1 1 1 1

Рис. 3. Временная диаграмма, поясняющая работу телекамеры

вторую секцию хранения 2-6, второй выходной регистр 2-7 и второй БПЗН 2-8.

Особенностью матрицы ПЗС является различие в конструкции блоков 2-4 и 2-8. Для БПЗН 2-4 ожидается высокий уровень полезного зарядового сигнала, поэтому необходимо гарантировать максимальную управляющую способность блока путем выбора соответствующей площади затвора (5,). Напротив, для БПЗН 2-8 предполагается низкий уровень полезного зарядового сигнала, поэтому емкость затвора должна быть предельно малой, что достигается выбором геометрии его размеров, обеспечивающей малую площадь (52). Так что обязательным при конструировании нагрузочных транзисторов является условие: Б, > Б2.

На световой характеристике телекамеры (рис. 2) точка Б соответствует минимальной (пороговой) освещенности телекамеры ЕшП2 для порогового отношения сигнал/шум Wnор = 6, когда площадь затвора Б2 выбрана по критерию минимального внесения в видеосигнал собственных шумов матрицы. Точка А на той же характеристике соответствует минимальной освещенности Ешт! для того же порогового отношения сигнал/ шум Wnор = 6, а площадь Б2 выбрана по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования. Поэтому отношение пороговых освещенностей может составить:

ЕШ1П1/ ЕШ1П2 10.

Генератор 3 управляющих импульсов предназначен для осуществления развертки в матрице 2 ПЗС и формирования сигнала синхронизации для сигнального процессора 4.

Сигнальный процессор 4 предназначен для двухканального усиления и обработки сигнала изображения с выходов матрицы ПЗС и формирования на выходе комбинированного видеосигнала.

Телекамера работает следующим образом.

Предположим, что матрица 2 ПЗС, как и сенсор А-1131 [1], является трехфазным прибором с каналом п-типа. Поэтому первый, второй, третий и четвертый выходы сигнала развертки генератора 3 имеют три фазы управления

по каждому из выходов, а пятый выход является однофазным.

Воспользуемся временной диаграммой, изображенной на рис. 3, где приведены эпюры выходных сигналов генератора

3, в том числе:

♦ рис. 3б — первый выход, первая фаза,

♦ рис. 3в — первый выход, вторая фаза,

♦ рис. 3г — первый выход, третья фаза,

♦ рис. 3д — второй выход, первая фаза,

♦ рис. 3е — второй выход, вторая фаза,

♦ рис. 3ж — второй выход, третья фаза,

♦ рис. 3и — третий выход, первая фаза,

♦ рис. 3к — третий выход, вторая фаза,

♦ рис. 3л — третий выход, третья фаза,

♦ рис. 3м — четвертый выход, первая фаза,

♦ рис. 3н — четвертый выход, вторая фаза,

♦ рис. 3о — четвертый выход, третья фаза,

♦ рис. 3з — пятый выход.

Отметим, что эпюры выходных сигналов представлены на временной диаграмме относительно кадрового гасящего импульса с периодом Тк и длительностью (рис. 3а). Уровень управляющего потенциала, обеспечивающий для л-канальной матрицы накопление и перенос зарядовых пакетов, относительно подложки является высоким (уровень подложки фотоприемника принят равным потенциалу «общего провода» (корпуса) и совпадает на чертеже диаграмм с положением оси времени).

Рассмотрим работу телекамеры, начиная с окончания обратного хода кадровой развертки, обозначенного на эпюре рис. 3а моментом t0. С этого момента в течение прямого хода кадровой развертки THi на фотомишени 2-1 матрицы 2 ПЗС выполняется «длинное» зарядовое накопление кадра — «long charge». Затем в интервале кадрового переноса Тп, зарядовая картина кадра «long charge» переписывается из секции 2-1 через секцию 2-2 и регистр 2-3 в секцию 2-6. Это становится возможным благодаря высокому уровню потенциала, присутствую-

щему на время Тп1 на разделительном электроде 2-5 (рис. 3з).

По окончании интервала Тп1 в секции 2-1 в течение времени Тн2 производится «короткое» накопление зарядов — «short charge».

Параллельно с накоплением «short charge» кадра в секции 2-2 выполняется очистка массива от паразитных зарядов путем подачи на ее фазовые электроды трехфазных импульсных последовательностей, которые имеют частоту, равную частоте кадрового выноса F = 1/Тв (рис. 3д—ж). Максимальная длительность интервала очистки Т0 равна промежутку Тн2.

Импульсные сигналы управления регистром 2-4 (рис. 3и—л) обеспечивают такое движение носителей, что во время обратного хода строчной развертки (taxc) зарядовые строки паразитного сигнала складываются (укрупняются) в нем под второй фазой, а затем во время прямого хода строчной развертки эти паразитные заряды поэлементно переносятся в БПЗН 2-4.

По окончании накопления «short charge» кадра зарядовая картина в интервале Тп2 переписывается из секции 2-1 в предварительно очищенную от паразитных зарядов секцию 2-2 (рис. 3б—г и рис. 3д—ж).

Минимальный интервал очистки Т0 составляет величину:

То = NJC (Т/ t„.x.c.),

где Nc — количество строк в секции 2-1; Тс — период строки.

Возьмем типовые значения параметров: Nc = 290; Тс = 64 мкс; Тв = 0,6 мкс; t0.x.c. = 12 мкс. В результате требуемая величина Т0 равна 928 мкс, а в сумме с интервалом кадрового переноса Тп1, равным 2NC'TB и составляющим 348 мкс, и с интервалом кадрового переноса Тп2, равным NC•TB и составляющим 174 мкс, не превышает 1450 мкс. Полученный временной промежуток вполне «укладывается» в обратный ход кадровой развертки tOXK, так как занимает интервал менее 1600 мкс.

С учетом того, что управляющая способность выходного регистра ПЗС в несколько раз выше управляющей способности секции хранения, а распределение паразитного заряда убывает в направлении «сверху — вниз», за интервал Т0 может быть осуществлена

полная очистка матрицы от паразитных носителей.

Отметим, что во время накопления Тн2 «short charge» кадра и его переноса в интервале Тп2 осуществляется хранение «long charge» кадра под вторыми фазными электродами секции 2-6 (рис. 3н).

Затем в интервале прямого хода текущего кадра выполняется параллельное считывание «short charge» пакетов в регистре 2-3 и в БПЗН 2-4 и пакетов «long charge» соответственно в регистре 2-7 и в БПЗН 2-8. Отметим, что для регистра 2-3 это становится возможным благодаря тому, что присутствующий в это время низкий уровень потенциала на разделительном электроде 2-5 (рис. 3з) «изолирует» его от секции 2-6. Обозначим, как и в прототипе, соответствующие видеосигналы кадров как «short signal» и «long signal».

В отличие от прибора [1], где площади затворов полевых транзисторов в обоих БПЗН равны Si и выполнены по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования, площадь затвора S2 полевого

транзистора в БПЗН 2-8 в заявляемом решении выполнена по критерию минимального внесения в сигнал изображения собственных шумов матрицы 2 ПЗС, при этом S2 < Si. Благодаря этому, видеосигнал «long signal» на выходе БПЗН 2-8 при той же освещенности наблюдаемой сцены будет иметь прирост отношения сигнал/шум W, а пороговая освещенность сцены будет гарантировано снижена (Emn2 < Emnni, рис. 2).

В сигнальном процессоре 4 осуществляется синтез комбинированного сигнала изображения, который реализуется совершенно аналогично, как и в решении [2]. Но синтезированный видеосигнал обеспечивает дополнительное расширение динамического диапазона телекамеры, так как по сравнению с [2] в ней оптимизировано преобразование «заряд — напряжение». Ожидаемый выигрыш в динамическом диапазоне, оцениваемом соотношением D = 201g (Emax /Emin), в предлагаемом решении составляет не менее 20 дБ или 10 раз.

Следует отметить, что предлагаемая идея для расширения динамического

диапазона в телекамере по методу двухканального накопления в фотоприемнике на ПЗС может быть реализована только при условии выполнения высокоэффективного антиблюмингового стока, для эффективной технологической организации которого на кристалле матрицы ПЗС должен быть отведен самостоятельный массив или даже две отдельные области [5, 6]. Австралийский специалист Владо Да-мьяновски в своей книге [7, с. 152] называет такую область специальной секцией (anti-blooming) и формулирует там же критерий ее правильной работы: «Эта секция ограничивает количество зарядов, которые могут собираться в каждом пикселе. Если эта секция спроектирована нормально, ни один пиксель не может аккумулировать больший заряд, чем могут передать сдвиговые регистры». Иначе говоря, благодаря организации эффективного антиблюминга в матрице ПЗС, при любой световой перегрузке растекание зарядов за пределы каждого светочувствительного элемента должно быть исключено

Литература

1. Скрылев А.С., Старовойтов В.И., Фрост Н.И. Фоточувствительный прибор с зарядовой связью А-1131 / Электронная промышленность, 1991. -№ 7. - С. 83.

2. Патент. №2235443 РФ. МПК7 HO4N 5/335, 3/14, 5/202. Телевизионная, камера на матрице приборов с зарядовой связью / В.М. Смелков // Б.И. - 2004. - № 24.

3. Смелков В.М. Устройство ПЗС-телекамеры с новшеством, по расширению динамического диапазона / Спецтехника и связь, 2011. - № 1. - С. 11 - 17.

4. Никитин В.В., Цыцулин А.К. Телевидение в системах физической защиты.. С-Пб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001.

5. Тимофеев В.О. Матричные ФППЗ видимого и ближнего ИК диапазонов с эффективным, антиблюмингом, и электронным затвором. Доклад на XII научно-технической конференции ««Пути развития, телевизионных фотоэлектронных приборов и устройств на их основе», 27 - 29 июня. 2001, С.-Петербург. - Тезисы, докладов. - С. 74.

6. Смелков В.М. О возможности использования, резерва для. расширения, динамического диапазона телекамеры, на ПЗС / Спецтехника и связь, 2009. - № 3. - С. 29 - 34.

7. Владо Дамьяновски «CCTV. Библия, видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии / Перевод с англ. - М.: ООО «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.