УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ ВРЕМЕНИ НАКОПЛЕНИЯ ФОТОПРИЕМНОЙ МАТРИЦЫ НА ПРИБОРАХ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ
DEVICE FOR AUTOMATIC REGULATION OF ACCUMULATION TIME OF PHOTODETECTOR MATRIX ON CHARGE COUPLED DEVICES

Предлагаемое изобретение относится к телевидению и может быть использовано, в частности, при построении телекамер, у которых регулировка чувствительности осуществляется посредством автоматического изменения времени накопления фотоприемника, выполненного на матрице приборов с зарядовой связью (матрице ПЗС).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство автоматической регулировки времени накопления [1, с.89], содержащее последовательно соединенные предварительный видеоусилитель и блок фиксации, при этом вход предварительного видеоусилителя подключен к выходу матрицы ПЗС, а выход блока фиксации подключен к входу детектора видеосигнала, состоящего из диода и конденсатора, причем анод диода подключен к входу детектора видеосигнала, катод диода, соединенный с первым выводом конденсатора, - к выходу детектора видеосигнала, а второй вывод конденсатора - к общей шине детектора видеосигнала, а также первый и второй компараторы, при этом выход детектора видеосигнала подключен соответственно к неинвертирующему входу первого компаратора и к инвертирующему входу второго компаратора, причем инвертирующий вход первого компаратора подключен к первому пороговому напряжению, а неинвертирующий вход второго компаратора - ко второму пороговому напряжению, а также формирователь длительности импульса (ФДИ), первый и второй управляющие входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго компараторов, а выход ФДИ через преобразователь уровней (ПУ) подключен к управляющему входу матрицы ПЗС.
Недостаток прототипа - пониженная точность регулирования, что определяется:
- возможностью возникновения ошибки в выборе направления регулирования при экспозициях фотоприемника, близких к максимальной величине;
- высокой инерционностью регулирования при изменении освещенности на фотоприемнике в сторону уменьшения.
Задача изобретения - разработка устройства автоматической регулировки времени накопления (устройства АРВН) с повышенной точностью регулирования путем устранения ошибки в выборе направления регулирования с одновременным снижением инерционности регулирования.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемое устройство АРВН, которое содержит последовательно соединенные предварительный видеоусилитель и блок фиксации, при этом вход предварительного видеоусилителя подключен к выходу матрицы ПЗС, а выход блока фиксации подключен к первому входу детектора видеосигнала, состоящего из первого диода и первого конденсатора, причем анод первого диода подключен к первому входу детектора видеосигнала, катод первого диода, соединенный с первым выводом первого конденсатора, - к выходу детектора видеосигнала, а второй вывод первого конденсатора - к общей шине детектора видеосигнала, а также первый и второй компараторы, при этом выход детектора видеосигнала подключен соответственно к неинвертирующему входу первого компаратора и к инвертирующему входу второго компаратора, причем инвертирующий вход первого компаратора подключен к первому пороговому напряжению, а неинвертирующий вход второго компаратора - ко второму пороговому напряжению, а также ФДИ, первый и второй управляющие входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго компараторов, а выход через ПУ - к управляющему входу матрицы ПЗС, введены третий компаратор и фильтр нижних частот (ФНЧ), а в детектор видеосигнала введены второй и третий диоды, первый и второй резисторы, второй конденсатор и PNP-транзистор, при этом анод второго диода подключен к первому входу детектора видеосигнала, а катод второго диода - к базе транзистора и к соединенным между собой первым выводам второго конденсатора и первого резистора, эмиттер транзистора подключен к выходу детектора видеосигнала и соответственно к катоду третьего диода, а коллектор транзистора подключен через третий резистор к общей шине детектора видеосигнала, к которой подключены соответственно вторые выводы первого резистора и второго конденсатора, причем анод третьего диода является вторым выходом детектора видеосигнала и подключен к выходу третьего компаратора, инвертирующий вход которого подключен через ФНЧ к выходу матрицы ПЗС, а неинвертирующий вход третьего компаратора - к третьему пороговому напряжению, при этом управляющий вход блока фиксации подключен к импульсному сигналу фиксации.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство АРВН отличается наличием новых блоков: третьего компаратора и ФНЧ; наличием новых элементов в составе детектора видеосигнала, а именно: второго и третьего диодов, первого и второго резисторов, второго конденсатора и PNP-транзистора; наличием новых связей между новыми блоками, а также наличием новых связей между новыми элементами в детекторе видеосигнала. Совокупность этих отличительных признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается следующим образом:
- в части исключения ошибки в выборе направления регулирования, путем введения дополнительного контура управления, который включается в моменты достижения на фотоприемнике экспозиции насыщения;
- в части снижения инерционности регулирования за счет использования в детекторе видеосигнала для первого конденсатора в качестве сопротивления разряда эмиттерно-коллекторного перехода PNP-транзистора.
По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 изображена структурная схема заявляемого устройства АРВН;
на фиг.2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие работу заявляемого устройства; на фиг.4 - электрическая схема одного из возможных вариантов выполнения ФНЧ и третьего компаратора; на фиг.5 - семейство световых характеристик матрицы ПЗС при изменении времени накопления от значения  до значения ; на фиг.6 - эпюры, иллюстрирующие временное положение выходного сигнала ФДИ.
n1
n2
n3
Устройство АРВН (фиг.1) содержит последовательно соединенные предварительный видеоусилитель 2 и блок 3 фиксации, при этом вход предварительного видеоусилителя 2 подключен к выходу матрицы ПЗС в позиции 1, управляющий вход блока 3 - к импульсному сигналу фиксации, а выход блока 3 - к первому входу детектора 4 видеосигнала, состоящего из первого диода 4-1, первого конденсатора 4-2, второго диода 4-3, третьего диода 4-4, первого резистора 4-5, второго резистора 4-6, второго конденсатора 4-7 и PNP-транзистора 4-8, при этом аноды диодов 4-1 и 4-3 подключены к первому входу детектора 4, а анод диода 4-4 - ко второму входу детектора 4, к выходу которого подключены соответственно катоды диодов 4-1 и 4-4, первый вывод конденсатора 4-2 и эмиттер транзистора 4-8, причем катод диода 4-3 подключен к базе транзистора 4-8 и к соединенным между собой первым выводам конденсатора 4-7 и резистора 4-5 соответственно, а коллектор транзистора 4-8 подключен через резистор 4-6 к общей шине детектора 4, к которой присоединены соответственно вторые выводы резистора 4-5 и конденсаторов 4-2 и 4-7, а также первый компаратор 5, второй компаратор 6, ФДИ 7, ПУ 8, третий компаратор 9, ФНЧ 10, первый элемент «И» 11, второй элемент «И» 12 и переключатель 13, при этом выход детектора 4 подключен соответственно к неинвертирующему входу компаратора 5 и инвертирующему входу компаратора 6, причем инвертирующий вход компаратора 5 подключен к первому пороговому напряжению U, а неинвертирующий вход компаратора 6 - ко второму пороговому напряжению U, второй вход детектора 4 подключен к выходу компаратора 9, инвертирующий вход которого через ФНЧ 10 подключен к выходу матрицы 1 ПЗС, а неинвертирующий вход компаратора 9 - к третьему пороговому напряжению U, при этом выходы компараторов 5 и 6 подключены соответственно к первым входам элементов «И» 11 и 12, вторые входы которых соединены между собой и подключены через переключатель 13 в положении «вверх» к напряжению логической единицы (логической «1»), а в положении «вниз» переключателя 13 - к напряжению логического нуля (логического «0»), выходы элементов «И» 11 и 12 подключены соответственно к первому и второму управляющим входам ФДИ 7, выход которого через ПУ 8 подключен к управляющему входу матрицы 1 ПЗС.
Заявляемое устройство АРВН может быть рекомендовано для применения в телекамерах, в которых в качестве фотоприемника использованы матрицы ПЗС с организацией «строчный перенос» или «кадровый перенос, или «строчно-кадровый перенос».
В дальнейшем изложении описания заявляемого решения предполагается, что матрица ПЗС организована по принципу «кадровый перенос». Она состоит из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления с антиблюминговой областью, секции хранения, выходного регистра и выходного устройства преобразования «заряд - напряжение».
n
н
Выходной сигнал ФДИ 7 (см. фиг.6б) подается через ПУ 8 на управляющий вход матрицы 1 ПЗС, который является затвором антиблюминговой области и одновременно «электронным затвором» фотоприемника. Для иллюстрации временного положения выходного сигнала ФДИ 7 на фиг.6а показан импульс, длительность которого соответствует интервалу кадрового переноса зарядов из секции накопления в секцию хранения, а период следования T - периоду полукадров. Уровень логического «0» в импульсном сигнале на фиг.6б определяет интервал накопления Т. Если интервал накопления максимален (), то выходной импульс ФДИ 7 преобразуется в сигнал низкого уровня. Отметим, что особенностью выходного регистра матрицы ПЗС является наличие «холостых» элементов, которые не находятся в зарядовой связи с элементами последней строки секции хранения, но при помощи этих дополнительных элементов в выходном сигнале изображения матрицы передается «темновой уровень», т.е. информация о темновой составляющей видеосигнала фотоприемника. Примерами матрицы ПЗС с такой схемотехнической организацией являются отечественные приборы [2], разработанные в ЦНИИ «Электрон» (г.С.-Петербург).
Предварительный видеоусилитель 2, компараторы 5 и 6 не отличаются по схемотехническому исполнению от соответствующих блоков прототипа.
Блок 3 фиксации выполнен по известной схеме управляемой фиксации, а его особенностью в заявляемом решении является временное положение импульса фиксации, которое совпадает с временным положением «темнового уровня» в видеосигнале фотоприемника. Поэтому блок 3 фиксации осуществляет «привязку» уровня черного в выходном видеосигнале к «темновому уровню» сигнала изображения матрицы ПЗС.
н
ФДИ 7, как и в прототипе, может быть выполнен с использованием микросхемы КНС14АП24, разработанной АОЗТ «Элми» (г.С.-Петербург). В соответствии с техническим описанием [3, с.7] микросхема содержит в своем составе формирователь длительности импульсов, обеспечивающих управление «электронным затвором» матрицы ПЗС. Длительность интервала накопления Т в этих импульсах может принимать следующие значения: 64 мкс, 128 мкс, 256 мкс, 480 мкс, 1024 мкс, 2048 мкс, 4000 мкс, 8000 мкс, 16000 мкс и 20000 мкс, а их установка происходит по следующему алгоритму. Если на управляющем входе RP присутствует логический «0», а на управляющем входе RM - логическая «1», то длительность времени накопления дискретно увеличивается. При RP=«1», a RM=«0» длительность накопления уменьшается. При RP=«1», a RM=«1» запоминается предыдущее значение длительности накопления. Если RP=«0», а RM=«0», то время накопления максимально (). Изменение длительности накопления происходит с частотой полукадров.
n3
Последовательно включенные блоки: ФНЧ 10 и третий компаратор 9 могут быть выполнены по схеме, показанной на фиг.4. ФНЧ 10 включает резистор R1 и конденсатор С1. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, подаваемого на инвертирующий вход компаратора, который выполнен на базе операционного усилителя DA1. Резистор R3 задает пороговое напряжение U, подаваемое на неинвертирующий вход компаратора. Резисторы R4 и R5 выполняют роль делителя выходного напряжения компаратора.
Устройство АРВН работает следующим образом.
n.x.c.
1
o.x.c.
2
1
2
o.x.c.
Для режима автоматической регулировки переключатель 13 устанавливается в положение «вверх». В матрице 1 ПЗС осуществляется формирование сигнала изображения. Предположим, что в качестве фотоприемника используется матрица ПЗС с каналом проводимости n-типа, а освещенность фотомишени не превышает максимальную величину, при которой наступает насыщение потенциальных ям зарядовыми носителями. Видеосигнал на выходе фотоприемника (см. эпюру А на фиг.2а) имеет отрицательную полярность и во время прямого хода каждой строки t передает информацию об освещенности объекта контроля, а в течение интервала t, во время обратного хода строки t информацию о темновой составляющей видеосигнала фотоприемника путем считывания зарядовых пакетов, находящихся в «холостых» элементах выходного регистра матрицы 1 ПЗС. Отметим, что временной промежуток t в сигнале изображения на фиг.2а соответствует интервалу переноса зарядовых пакетов из секции хранения в выходной регистр матрицы ПЗС, a t+t=t.
1
Далее в предварительном видеоусилителе 2, как и в прототипе, из видеосигнала удаляется тактовая помеха, а на его выходе создается информационная огибающая положительной полярности (см. эпюру А1 на фиг.2б). Уровень U на этой эпюре соответствует темновой составляющей сигнала изображения матрицы 1 ПЗС.
ф
В блоке 3 выполняется операция управляемой фиксации видеосигнала при помощи импульсного сигнала, показанного на фиг.2в. В результате уровень черного в сигнале изображения «привязывается» в интервале передачи информации о темновой составляющей к напряжению фиксации U (см. эпюру А2 на фиг.2г).
С выхода блока 3 видеосигнал подается на блок 4, где выполняется его детектирование. Выпрямленное диодом 4-1 значение видеосигнала выделяется на конденсаторе 4-2, напряжение которого является регулирующим напряжением автоматической регулировки. Емкость конденсатора 4-2 выбирается достаточно большой, чтобы базовый ток транзистора 4-8 практически не влиял на величину регулирующего напряжения. Одновременно через диод 4-3 заряжается конденсатор 4-7, напряжение которого является опорным при сравнении с регулирующим напряжением. Параллельно конденсатору 4-7 подключен разрядный резистор 4-5, величина которого выбирается достаточно большой, чтобы исключить влияние на источник сигнала. Постоянная времени цепочки: резистор 4-5, конденсатор 4-7 выбирается порядка длительности нескольких полукадров.
Сравнение напряжений на конденсаторах 4-2 и 4-7 осуществляется с помощью транзистора 4-8, который при постоянном видеосигнале или при его увеличении закрыт, т.к. разница напряжений на конденсаторах 4-7 и 4-2 недостаточна для его открывания.
Изменение освещенности в сторону уменьшения приводит к снижению размаха видеосигнала, при этом конденсатор 4-7 быстро разряжается до нового значения, в то время как напряжение на конденсаторе 4-2 остается практически неизменным. Возникающая за счет этого разность напряжений между эмиттером и базой транзистора 4-8 открывает его, а через сопротивление 4-6 в коллекторе открытого транзистора происходит быстрый разряд конденсатора 4-2 до нового значения, после чего транзистор 4-8 снова закрывается.
0
н
Предположим, что коэффициент передачи детектора 4 видеосигнала близок к единице, а освещенность на объекте контроля не превышает значение Е (см. фиг.5). Допустим также, что время накопления фотоприемника Т составляет промежуточное значение из возможных, т.е.:  где  - минимальное время накопления ПЗС;  - максимальное время накопления ПЗС.
n1
n1
n2
Тогда величина регулирующего напряжения Up на выходе детектора 4 меньше первого порогового напряжения U. Поскольку величина первого порогового напряжения, как и в прототипе, всегда меньше второго порогового напряжения, т.е.: U<U, то на выходе компаратора 5 устанавливается состояние логического «0», а на выходе компаратора 6 - состояние логической «1». Благодаря тому, что на вторых входах элементов «И» 11 и 12 присутствует логическая «1», состояние «01» передается без изменений на управляющие входы ФДИ 7, а последнее вызывает в последующем полукадре на его выходе увеличение интервала накопления на один дискрет.
Выходной импульс ФДИ 7 через ПУ 8 подается на управляющий вход матрицы ПЗС, что в результате вызывает увеличение выходного сигнала фотоприемника. Если в последующем полукадре состояние «01» на выходах компараторов сохранится, то время накопления ПЗС вновь увеличится на один дискрет.
p
n1
p
n2
Если по истечении нескольких полукадров величина регулирующего напряжения U на выходе детектора 4 удовлетворяет неравенству: U<U<U, то на выходе компараторов 5 и 6 устанавливается состояние «11», а на выходе ФДИ 7 сохраняется интервал накопления предыдущего полукадра.
p
n2
Предположим, что при состоянии «11» на выходах компараторов 5 и 6, освещенность матрицы ПЗС возрастает. Величина регулирующего напряжения U на выходе детектора 4 становится больше, чем величина второго порогового напряжения U. тогда на выходах компараторов 5 и 6, а следовательно, и на управляющих входах ФДИ 7 устанавливается новое состояние «10», что вызывает на выходе последнего уменьшение интервала накопления на один дискрет. В результате выходной импульс блока 7 через ПУ 8, воздействуя на управляющий вход матрицы ПЗС, приводит к уменьшению в последующем полукадре видеосигнала с фотоприемника.
2
Рассмотрим ситуацию, когда освещенность фотомишени матрицы ПЗС в некоторый момент времени превышает максимальную, и потенциальные ямы оказываются полностью заполненными фотоэлектронами. В этом случае видеосигнал на выходе ПЗС приобретает новую форму (см. эпюру Б на фиг.2а, показанную пунктиром). Отметим ее важную особенность: она иллюстрирует максимальное заполнение потенциальных ям зарядовыми носителями и в «холостых» элементах выходного регистра. Благодаря этому видеосигнал на выходе предварительного видеоусилителя 2 имеет форму, приведенную на эпюре Б1 (см. фиг.2б), а уровень сигнала изображения U становится общим для всех элементов выходного регистра матрицы ПЗС.
Поэтому форма видеосигнала на выходе блока 3 фиксации в этом случае (см. эпюру Б2 на фиг.2г) существенно отличается от А2, которая имела место в ранее описанной ситуации. По этой причине величина регулирующего напряжения на выходе детектора 4 уменьшается, а на выходах компараторов 5 и 6 устанавливается состояние «10», что для прототипа вызывает в конечном итоге дополнительное увеличение интервала накопления на один дискрет, а следовательно, ошибку в выборе направления регулирования.
Однако в заявляемом решении ошибка в выборе направления регулирования исключена, т.к. имеется дополнительный контур управления, состоящий из ФНЧ 10 и третьего компаратора 9, причем вход ФНЧ подключен к выходу матрицы ПЗС, а выход компаратора соединен со вторым входом детектора 4.
Рассмотрим работу дополнительного контура управления.
n3
Если освещенность на ПЗС не превышает максимальную для данного времени накопления, то видеосигнал на выходе ФНЧ 10 имеет вид, показанный на эпюре A3 (см. фиг.3). На выходе компаратора 9 при этом установится низкий логический уровень, т.к. напряжение видеосигнала, подаваемое на его инвертирующий вход, превышает пороговое напряжение U на его неинвертирующем входе. Выходное напряжение компаратора 9 закрывает диод 4-4 детектора видеосигнала и поэтому не воздействует на процесс детектирования сигнала изображения.
Но когда освещенность на ПЗС такова, что экспозиция больше максимальной, видеосигнал на выходе ФНЧ 10 приобретает вид, показанный на эпюре Б3 (см. фиг.3). При этом на выходе компаратора 9 появляется высокий логический уровень, который открывает диод 4-4 детектора и увеличивает напряжение на конденсаторе 4-2. В результате время накопления фотоприемника уменьшается на один дискрет, а ошибка в выборе направления регулирования исключена, т.к. устранены условия ее вызывающие.
1
2
3
4
макс
Обращаясь к фиг.5, можно добавить, что при возрастании освещенности на фотомишени ПЗС в рабочем диапазоне это переключение на меньшую величину времени накопления фотоприемника будет происходить в точках Е, Е, Е, Е и Е.
Благодаря новому техническому решению детектора 4 видеосигнала, инерционность регулирования в сторону уменьшения освещенностей уменьшается и практически совпадает с инерционностью регулирования в сторону увеличения. Экспериментально установлено, что для данного решения время автоматического регулирования при переходе от одного крайнего значения диапазона освещенностей к другому независимо от направления составляет не более 0,5 секунд.
Следует отметить, что структурная схема заявляемого устройства АРВН обладает дополнительным преимуществом. Оно заключается в возможности оперативного перевода матрицы ПЗС в режим максимальной чувствительности. Для реализации этого режима переключатель 13 (см. фиг.1) необходимо установить в положение «вниз». При этом на вторые входы элементов «И» 11 и 12 подается сигнал логического «0», а это, в свою очередь, определяет состояние «00» на управляющих входах ФДИ 7. В этом случае интервал накопления в выходном импульсе блока 7 максимальный (), что в результате, при прочих равных условиях, и обеспечивает режим максимальной чувствительности фотоприемника.
В настоящее время все блоки предлагаемого решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Муравьев A.M., Сенчуков А.И., Фридман А.Н. Автоматическая регулировка чувствительности телевизионных передающих камер с датчиками изображения на ПЗС. // Техника средств связи, серия Техника телевидения, 1978, вып.3(11), с.82-94.
2. 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.
3. Микросхема КНС14АП24 - Формирователь импульсов переноса. Техническое описание ДКГШ.431262.018 ТО, С.-Петербург, 1995.