СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА ИЗОБРАЖЕНИЯ
IMAGE SIGNAL FORMATION METHOD

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в телекамерах на фоточувствительных матричных приборах с зарядовой связью (ФМПЗС), предназначенных для работы в условиях световых перегрузок и имеющих электронную регулировку чувствительности за счет изменения внутрикадрового времени накопления.
1
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ формирования сигнала изображения [1], заключающийся в том, что с периодом кадров (полукадров) накапливают на мишени (секции накопления) ФМПЗС информационные заряды, переносят информационные заряды с частотой кадрового (полукадрового) переноса из секции накопления в секцию памяти, построчно переносят информационные заряды из секции памяти в выходной регистр в интервале обратного хода строчной развертки, а в интервале прямого хода строчной развертки поэлементно переносят информационные заряды из выходного регистра в выходной блок ФМПЗС с одновременным преобразованием заряда в напряжение видеосигнала, причем в секции накопления в интервале между кадровым переносом текущего кадра и циклом накопления последующего кадра отводят избыточные заряды путем их инжекции в подложку фотоприемника, а в секции памяти в интервале, предшествующем очередному кадровому переносу, осуществляют очистку от паразитных зарядов путем их инжекции в подложку фотоприемника.
Недостатком прототипа является невозможность по данному способу формирования сигнала изображения достичь расширения динамического диапазона ФМПЗС со скрытым (объемным) каналом проводимости, т.к. их схемотехническая организация и физика работы исключают использование метода инжекции зарядов в подложку за счет введения секции накопления и секции памяти в режим обогащения зарядовыми носителями. На практике при локальных пересветках ФМПЗС со скрытым каналом применяется отвод избыточных зарядов в подложку фотоприемника за счет технологической организации антиблюминговой (стоковой) области и электронного затвора в секции накопления [2, с.74], что также оказывается недостаточным в плане требуемого динамического диапазона для формирователя сигнала изображения.
Задача изобретения - расширение динамического диапазона ФМПЗС путем устранения паразитных зарядов в секции памяти в условиях световых перегрузок фотоприемника независимо от его канала проводимости.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемом способе формирования сигнала изображения, заключающемся в том, что с периодом кадров (полукадров) накапливают на мишени (секции накопления) ФМПЗС информационные заряды, переносят информационные заряды с частотой кадрового (полукадрового) переноса из секции накопления в секцию памяти, построчно переносят информационные заряды из секции памяти в выходной регистр в интервале обратного хода строчной развертки, а в интервале прямого хода строчной развертки поэлементно переносят информационные заряды из выходного регистра в выходной блок ФМПЗС с одновременным преобразованием заряда в напряжение видеосигнала, причем в секции накопления в интервале между кадровым переносом текущего кадра и циклом накопления последующего кадра отводят избыточные заряды в подложку фотоприемника путем технологической организации антиблюминговой области и электронного затвора в секции накопления, согласно предлагаемому изобретению кадровый (полукадровый) перенос информационных зарядов из секции накопления в секцию памяти осуществляют на заключительном промежутке интервала обратного хода кадровой развертки с выполнением соответствующей временной задержки длительности накопления информационных зарядов, а в промежутке интервала обратного хода кадровой развертки, предшествующем переносу информационных зарядов, осуществляют очистку секции памяти от паразитных зарядов согласно двум альтернативным вариантам исполнения, а именно: по варианту 1 - за счет их перемещения с частотой кадрового (полукадрового) переноса в выходной регистр или по варианту 2 - за счет отвода паразитных зарядов в подложку фотоприемника путем технологической организации антиблюминговой области и электронного затвора в секции памяти.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ формирования сигнала изображения отличается наличием новых признаков, а именно наличием следующих действий:
- выполнением переноса информационных зарядов из секции накопления в секцию памяти на заключительном промежутке времени интервала обратного хода кадровой развертки при условии соответствующей временной задержки длительности накопления информационных зарядов;
- выполнением по альтернативному варианту 1 очистки секции памяти от паразитных зарядов за счет их перемещения с частотой кадрового (полукадрового) переноса в выходной регистр;
- выполнением по альтернативному варианту 2 очистки секции памяти от паразитных зарядов за счет их отвода в подложку путем технологической организации в секции памяти антиблюминговой области и электронного затвора.
Совокупность признаков неизвестна из уровня техники, поэтому заявляемое решение соответствует требованию новизны.
Расширение динамического диапазона ФМПЗС согласно предлагаемому способу осуществляется при помощи метода электронной очистки секции памяти от паразитных зарядов благодаря выбору оптимального временного положения цикла кадрового (полукадрового) экспонирования информационных зарядов в секции накопления и цикла кадрового (полукадрового) переноса этих зарядов в заранее подготовленную секцию памяти. С учетом возможности использования заявляемого способа для фотоприемников на ФМПЗС как с поверхностным, так и со скрытым каналом проводимости предлагаемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 изображена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ; на фиг.2, фиг.3 и фиг.5 приведены в едином масштабе, с общим отсчетом по времени эпюры управляющих сигналов, необходимые для реализации предлагаемого способа и способа прототипа, относительно кадрового гасящего импульса (КГИ), показанного на фиг.2а; на фиг.4 показаны эпюры фрагмента управляющих сигналов согласно фиг.3 в другом масштабе; на фиг.6 дан фрагмент поперечного сечения секции накопления или секции памяти ФМПЗС, иллюстрирующий физические процессы, которые сопровождает технологическая организация антиблюминговой области и электронного затвора в этих секциях фотоприемника.
Устройство на фиг.1 содержит первый задающий генератор 1, синхрогенератор 2, формирователь 3 импульсов вертикального переноса, формирователь 4 импульсов электронного затвора секции накопления, второй задающий генератор 5, формирователь 6 импульсов горизонтального переноса, ФМПЗС 7, формирователь 8 интервала очистки и импульсов электронного затвора секции памяти.
Блоки 2-4 и 6-8, обведенные на фиг.1 штрихпунктирной линией, могут быть выполнены в виде большой интегральной схемы (БИС), например, аналогично разработанной отечественной БИС К1124АП2 [3, с.182].
Фотоприемник 7 в заявляемом решении имеет организацию «кадровый перенос» с поверхностным или объемным (скрытым) каналом проводимости. Предпочтительнее использовать ФМПЗС со скрытым каналом, т.к. они обладают низким уровнем собственных шумов. ФМПЗС 7 с такой «архитектурой» включает (см. фиг.1) последовательно связанные зарядовой связью секцию 7-1 накопления, секцию 7-2 памяти, выходной регистр 7-3 и выходной блок 7-4. По варианту 1 фотоприемник 7 содержит встроенные в секцию 7-1 антиблюминговую область и электронный затвор. По варианту 2 антиблюминговая область и электронный затвор встроены в фотоприемник 7 дважды, - соответственно в секцию 7-1 и в секцию 7-2.
Как показано на фиг.6, затвор GA является «электронным» затвором секции накопления. Для фотоприемника с n-каналом, если на затворе GA присутствует низкий (относительно подложки) потенциал, последний закрыт, а потенциальные ямы под фазными электродами секции 7-1 изолированы от стоковой области за счет этого барьерного смещения. Тогда на самой фотомишени инициируется процесс накопления зарядовых фотоэлектронов под электродами Ф2Н (см. фиг.6а).
Когда на затвор GA подается высокий потенциал, то потенциальный барьер снимается, затвор открывается, а в секции 7-1 исключается процесс накопления фотоэлектронов. Это объясняется тем, что носители, не задерживаясь в потенциальных ямах под фазными электродами Ф2Н, устремляются в более глубокие ямы, создаваемые потенциалом DA в стоковой области, а далее рекомбинируют в подложку фотоприемника (см. фиг.6б).
Примерами ФПЗС с такой организацией являются отечественные приборы [2], разработанные в ЦНИИ «Электрон» (г.С.-Петербург).
С другой стороны, соблюдая физику работы ФМПЗС, совершенно аналогично можно реализовать в фотоприемнике 7 «электронный» затвор GB с антиблюминговой областью, управляемой потенциалом DB, встроив их в секцию памяти вокруг фазных электродов Ф2П, как показано на фиг.6.
Способ формирования сигнала изображения осуществляется следующим образом. Оптическое изображение объекта контроля проецируется на секцию 7-1 накопления ФМПЗС, при этом секция 7-2 памяти защищена от засветки экраном, нанесенным непосредственно на ее поверхность.
В условиях световых перегрузок в секции 7-2 памяти образуются паразитные заряды из-за переотражений света и диффузии зарядов в кремнии из секции накопления. По мере считывания очередного информационного кадра (полукадра) из секции 7-2 памяти в ее верхней части образуются строки, свободные от информационных зарядов. В потенциальных ямах этих строк происходит накопление паразитных зарядов. К концу считывания информационного кадра (полукадра) все строки секции 7-2 памяти содержат паразитные заряды, но распределение этих зарядов по площади секции 7-2 неравномерно. Наибольший паразитный заряд содержат верхние строки секции памяти, т.к. суммарное время накопления зарядов, там оказавшихся, превышает время накопления для остальных строк, которые расположены ниже их.
и
об
об
н
2
Согласно способу прототипа в интервале T (см. фиг.2д-ж) в сигналах управления первой (Ф1П), второй (Ф2П) и третьей (ФЗП) фазы секции памяти формируется уровень обогащения U отрицательной полярности относительно подложки, благодаря чему осуществляется очистка секции памяти от паразитных зарядов путем их инжекции в подложку фотоприемника. Отметим, что в прототипе в условиях световой перегрузки фотоприемника с поверхностным каналом по методу электронного затвора уровень обогащения U должен быть установлен максимальное время на всех трех фазных сигналах управления секцией накопления (см. фиг.2б-г), исключая интервал T для фазы Ф2Н (см. фиг.2в).
з
3
н
В заявляемом решении «механизм» очистки секции памяти ФПЗС иной. Согласно предлагаемому способу формирования сигнала изображения кадровый (полукадровый) перенос информационных зарядов из секции 7-1 накопления в секцию 7-2 памяти выполняется на заключительной части интервала обратного хода кадровой развертки. Для этого в блоке 3 производится задержка импульса, определяющего временное положение кадрового (полукадрового) переноса в прототипе на необходимую величину T. Выходной импульсный сигнал блока 3, соответствующий интервалу кадрового (полукадрового) переноса согласно заявляемому способу, представлен на фиг.2и. Одновременно в блоке 3 выполняется задержка на величину Т интервала накопления T.
о
Формирование импульсного сигнала, определяющего интервал очистки Т секции памяти от паразитных зарядов (см. фиг.2з), осуществляется в блоке 8. Сама очистка производится в двух альтернативных вариантах. Эти варианты на фиг.1 определяются положением переключателя.
о
в
о.х.c.
о.х.с.
о
По варианту 1 (положение переключателя - «вниз») блок 3 формирует импульсные сигналы управления первой (Ф1Н), второй (Ф2Н) и третьей (ФЗН) фазой секции 7-1 накопления (см. фиг.3б-г), а совместно с блоком 8 - импульсные сигналы управления первой (Ф1П), второй (Ф2П) и третьей (ФЗП) фазой секции 7-2 памяти (см. соответственно фиг.3д-ж). Блок 4 вырабатывает импульс управления электронным затвором (GA) секции накопления (см. фиг.3а), а блок 6 - импульсные сигналы управления первой (Ф1Р), второй (Ф2Р) и третьей (ФЗР) фазой выходного регистра 7-3 (не показаны). При этом в интервале Т производится перемещение паразитных зарядов из секции 7-2 памяти в выходной регистр 7-3 с частотой переноса Т, как показано на фиг.3 и 4. Во время обратного хода строчной развертки (t) зарядовые строки паразитного сигнала складываются (укрупняются) в выходном регистре 7-3, а затем во время прямого хода строки поэлементно переносятся из него в выходной блок 7-4. Пусть t - интервал приема зарядовых строк в выходном регистре. Тогда интервал Т составляет величину:
с
где N - количество строк в секции 7-2;
с
Т - период строки.
с
с
в
о.х.с
о
п
с
в
Возьмем типовые значения параметров: N=290; Т=64 мкс; Т=0,6 мкс; t=12 мкс. В результате требуемая величина Т составит 928 мкс, а в сумме с интервалом кадрового (полукадрового) переноса T, равным N×Tи составляющим 174 мкс, «укладывается» в промежуток обратного хода кадровой развертки, т.е. занимает не более 1600 мкс.
о
С учетом того, что управляющая способность выходного регистра ФМПЗС в несколько раз выше управляющей способности секции памяти, а распределение паразитного заряда убывает в направлении «сверху - вниз», за интервал Т осуществляется полная очистка фотоприемника от паразитных носителей.
По варианту 2 (положение переключателя - «вверх») блок 3 формирует точно такие же, как и по варианту 1, импульсные сигналы управления первой (Ф1Н), второй (Ф2Н) и третьей (ФЗН) фазой секции 7-1 накопления (см. фиг.5б-г), а также типовые импульсные сигналы управления первой (Ф1П), второй (Ф2П) и третьей (ФЗП) фазой секции 7-2 памяти (см. соответственно фиг.5д-ж). Аналогично варианту 1 блок 6 формирует импульсные сигналы управления первой (Ф1Р), второй (Ф2Р) и третьей (ФЗР) фазой выходного регистра 7-3, блок 4 - импульс управления электронным затвором (GA) секции накопления (см. фиг.5а), а дополнительно блок 8 транслирует на фотоприемник импульс управления электронным затвором (GB) секции памяти (см. фиг.5з).
о
Благодаря последнему паразитные заряды из секции 7-2 памяти в интервале Т отводятся в подложку фотоприемника.
Применение предлагаемого способа формирования сигнала изображения позволяет в обоих вариантах удалить паразитный заряд, накапливаемый в условиях световой перегрузки ФМПЗС в секции памяти с объемным каналом проводимости, а следовательно, при прочих равных условиях расширить динамический диапазон фотоприемника. По отношению к прототипу заявляемый способ является универсальным, т.к. может быть использован для ФМПЗС как с объемным, так и с поверхностным каналом.
В настоящее время все блоки функциональной схемы, реализующей предлагаемый способ, могут быть освоены отечественной промышленностью. Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Клевцов В.Г., Лебедев Н.В., Палочкин А.И. Способ расширения динамического диапазона телевизионной камеры на матрице ПЗС.// Техника средств связи, серия «Техника телевидения», 1988, вып.1, с.3-6.
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. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. - М.: «Радио и связь», 1991.