Способ увеличения динамического диапазона в ячейках фотоприемной матрицы ИК диапазона
METHOD OF INCREASING DYNAMIC RANGE IN CELLS OF IR PHOTODETECTOR ARRAY

Изобретение относится к области приема и обработки оптической информации матричными преобразователями изображений (МПИ) в условиях высокого контраста наблюдаемых объектов.
n
0
n
Известен способ расширения динамического диапазона (multi-framing), основанный на суперпозиции подкадров с различным временем накопления программно-аппаратными средствами за пределами МПИ [A. Richards and В. Cromwell, Superframing: Scene Dynamic Range Extension of Infrared Cameras. FLIR Systems, Indigo Operations]. В этом способе предполагается запоминание подкадров изображения с изменяемым временем накопления, например, по закону T=T2, где n - порядковый номер подкадра (0, 1, 2, …). При этом синтезируется изображение с широким динамическим диапазоном и с передаточной характеристикой, близкой к логарифмической. Существенным недостатком этого способа является снижение кадровой частоты МПИ в n раз, что допустимо только при наблюдении статических или малоподвижных объектов.
Известен способ расширения динамического диапазона (solar-cell mode), основанный на логарифмической зависимости фото-ЭДС на p-n переходе от освещенности фоточувствительного элемента, т.е. режим «солнечного элемента» [Yang Ni, et al. A 768×576 Logarithmic Image Sensor. New Image Technologies SA]. Притом что динамический диапазон в этом варианте расширяется до 120-140 дБ, существует ряд следующих недостатков: низкая чувствительность, порядка 60-90 мВ на декаду изменения фототока; низкая скорость стекания фотогенерированного заряда при слабых уровнях освещенности; большой уровень геометрического шума, связанный с температурной зависимостью ВАХ p-n переходов. Кроме того, для режима «солнечного элемента» требуется специально разработанная технология изготовления фоточувствительной матрицы для исключения межэлементной взаимосвязи при прямом смещении фотодетекторов, характерном для этого режима.
Известен способ расширения динамического диапазона (multi-reset), основанный на дополнительном сбросе накопительной емкости в течение кадра [SypressSemiconductor. «LUPA1300-2». Available at htpp//:www.supress.com, 2008]. Этот способ наиболее близок к заявляемому техническому решению и принят за прототип. К недостаткам прототипа можно отнести то, что он эффективен только в накопительных ячейках с интегрированием фототока на собственной емкости фотодетектора, применяемых в МПИ видимого диапазона. В МПИ коротковолнового ИК диапазона накопительные ячейки преимущественно строятся по схеме с емкостным трансимпедансным усилителем (CTIA - capacitance trans impedance amplifier), которая позволяет стабилизировать рабочий режим фотодетектора в широком диапазоне освещенностей, а также реализовать режим snap-shot (мгновенная фотография) с высокой кадровой частотой.
Техническим результатом является значительное (более чем на 2 порядка) расширение динамического диапазона МПИ, вследствие чего повышается информативность получаемого изображения.
Технический результат достигается за счет применения в МПИ способа расширения динамического диапазона интегральной схемы считывания, состоящего в том, что в течение каждого кадра на вход антиблюминга накопительной ячейки интегральной схемы считывания сигнала подается не постоянное, а ступенчатое напряжение антиблюминга, содержащее несколько последовательно увеличивающихся уровней, первый из которых имеет длительность, превышающую длительность второго уровня, второй имеет длительность, превышающую длительность третьего уровня и т.д., в результате чего, для пикселей с низким уровнем освещенности время накопления остается постоянным и равным периоду кадра, а для пикселей с высоким уровнем освещенности время накопления уменьшается обратно пропорционально величине фотоэлектрического сигнала, что приводит к формированию линейно-логарифмической передаточной характеристики.
Особенностью функционирования МПИ в коротковолновом ИК диапазоне является необходимость регистрации изменений освещенности на четыре-пять порядков в пределах наблюдаемой сцены. Накопительные ячейки интегральных схем считывания фотосигнала с линейной передаточной характеристикой не в состоянии обеспечить детальную передачу столь высококонтрастного изображения. В связи с этим к накопительным ячейкам предъявляются повышенные требования по величине динамического диапазона.
Суть заявляемого устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена элементарная схема устройства.
На фиг. 2, 3 приведены диаграммы работы устройства.
На фиг. 4 приведены фотографии применения данного устройства.
int
p
int
max
Суть предлагаемого способа расширения динамического диапазона можно охарактеризовать как введение в накопительные ячейки МПИ функции «динамического антиблюминга». Обычно транзистор антиблюминга стоит в каждой накопительной ячейке и ограничивает накопленное напряжение при больших засветках, снижая при этом взаимосвязь между ячейками, но не расширяя динамический диапазон. Типичная накопительная ячейка со схемой CTIA и с p-канальным транзистором антиблюминга PMOS приведена на фиг. 1. Рост напряжения на накопительной емкости C происходит пропорционально фототоку I и времени накопления t до заданного уровня ограничения V:
ABL
T
где V - напряжение антиблюминга, V - пороговое напряжение р-МОП транзистора антиблюминга.
ABL1
ABL2
max
ABL1
T
ABL2
T
В предлагаемом способе вместо статического напряжения на вход антиблюминга подается ступенчатое напряжение с двумя уровнями: V (интервал 0-1), V (интервал 1-2) (фиг. 2). В соответствии с выражением (1), максимальные значения накопленного напряжения V на каждом из интервалов будут заданы уровнями (V+V) и (V+V).
int
max1
p1
int
max1
ABL1
T
int
p1
0-1-2
p2
p1
int
ABL
ABL2
max2
ABL2
T
int
Если напряжение заряда накопительного конденсатора V(t) достигает уровня V, то оно перестает дальше расти и процесс накопления останавливается до включения следующего уровня антиблюминга. При фототоке I напряжение V(t) не достигает первого уровня ограничения, равного V=V+V, поэтому накопление идет в течение полного кадра, т.е. время накопления равно t(I)=t. При фототоке I>I напряжение V(t) достигает первого уровня ограничения и до момента окончания интервала 0-1 не меняется. При переключении напряжения антиблюминга V на уровень V растет уровень второго ограничения V=V+V и, соответственно, напряжение V(t) снова начинает расти на интервале 1-2 до конца кадра. Моментом начала накопления в этом случае будет «плавающая» точка 0', а время накопления при этом снижается до значения:
р3
p2
Аналогично, при фототоке I>I время накопления будет еще ниже:
int
int
p
ABL
int
p
ABL
Таким образом, время накопления в ячейке автоматически снижается при увеличении уровня фототока. На фиг. 3 приведены зависимости времени накопления t в ячейке и соответствующего выходного сигнала V от величины фототока I при двух уровнях напряжения V. Следует отметить, что вид функции t=f(I), определяющей ширину динамического диапазона, может оптимизироваться за счет выбора параметров напряжения V в зависимости от распределения и соотношения яркостей фрагментов наблюдаемой сцены.