Устройство двухкамерной телевизионной системы с юстировкой направления визирной оси и с повышенной чувствительностью до одинакового уровня для каждого из каналов "свет-сигнал"
DEVICE OF A TWO-CHAMBER TELEVISION SYSTEM WITH ADJUSTMENT OF THE DIRECTION OF THE VIEWING AXIS AND WITH HIGH SENSITIVITY TO THE SAME LEVEL FOR EACH OF THE "LIGHT-SIGNAL" CHANNELS

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике, а в ней - к аппаратуре прикладного телевидения, которая выполнена с использованием матричных фотоприемников, изготовленных по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП), и компьютеров. Аппаратура предназначена для применения в составе систем поиска, обнаружения и сопровождения удаленных объектов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство двухкамерной телевизионной системы [1], содержащее размещенные на ее основании первую («широкоугольную») и вторую («узкоугольную») телекамеры, каждая из которых состоит из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива («широкоугольного» или «узкоугольного») и датчика телевизионного сигнала (ДТС), выполненного на базе фотоприемника, изготовленного по технологии матричных приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС), причем геометрические центры фотоприемников обеих телекамер совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали на величину базового расстояния, а каждая из телекамер кинематически связана с механизмом углового перемещения направления оптической оси соответственно по горизонтали и вертикали, а также последовательно соединенные по сигналу «видео» коммутатор-смеситель и персональный компьютер, при этом выходы первой и второй телекамер подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора-смесителя; в состав телевизионной системы также входят генератор электронной таблицы «сетчатое поле» и сигнала «окошко», последовательно расположенные и оптически связанные первый лазерный целеуказатель и отражательная таблица «сетчатое поле», которая расположена в плоскости изображения телевизионной системы, при этом лазерный зонд от первого лазерного целеуказателя излучается в канале, выполненном в основании телевизионной системы, в направлении, параллельном ее посадочной плоскости; в состав телевизионной системы также входят селектор синхроимпульсов, блок задержки по кадру, формирователь сигнала синхронизации и второй лазерный целеуказатель, излучающий лазерный зонд в дополнительном канале, выполненном в основании телевизионной системы, в направлении отражательной таблицы параллельно излучению от первого лазерного целеуказателя, причем расстояние между лазерными зондами по горизонтали составляет двойную величину горизонтального разнесения геометрических центров фотоприемников первой и второй телекамер, при этом вход селектора синхроимпульсов подключен к выходу «видео» второй телекамеры, выход кадровых синхроимпульсов селектора подключен через блок задержки по кадру к входу кадровой синхронизации генератора электронной таблицы, а выход строчных синхроимпульсов селектора соответственно - к входу строчной синхронизации генератора электронной таблицы и к первому входу формирователя сигнала синхронизации, второй вход которого подключен к выходу блока задержки по кадру, а выход - к входу «синхро» первой телекамеры, выход сигнала «сетчатое поле» генератора электронной таблицы подключен к первому управляющему входу коммутатора-смесителя, а выход сигнала «окошко» генератора электронной таблицы - ко второму управляющему входу коммутатора-смесителя, при этом выбор режима работы коммутатора-смесителя осуществляется по команде, подаваемой с компьютера на его управляющий вход.
В прототипе [1] в процессе проведения заводских регулировочных работ (юстировки) обеспечивается повышенная точность направления визирной оси телевизионной системы путем организации зондирования отражательной таблицы от двух лазерных целеуказателей и формирования совмещенного изображения, а также за счет использования в технологическом процессе унифицированных отражательных таблиц.
Однако следует признать и наличие существенного недостатка у прототипа [1] в процессе эксплуатации телевизионной системы. Имеет место ограниченная и неодинаковая чувствительность телекамер, выполненных на базе одного и того же фотоприемника на ПЗС, из-за отличающихся между собой оптических потерь их объективов.
Обозначим основные параметры объективов для первой и второй телекамер прототипа [1] и произведем оценку возникающих оптических потерь.
Итак, имеем следующие показатели:
1
1
D/ƒ - относительное отверстие объектива первой телекамеры;
1
τ - коэффициент пропускания объектива первой телекамеры;
2
2
D/ƒ - относительное отверстие объектива второй телекамеры;
2
τ - коэффициент пропускания объектива второй телекамеры,
1
2
где D и D - эффективный диаметр входного зрачка объектива для первой и второй телекамер соответственно;
1
2
ƒ и ƒ - фокусное расстояние объектива для этих телекамер соответственно.
Тогда величина коэффициента β, определяемого как отношение показателя светосилы объектива первой телекамеры к показателю светосилы объектива второй телекамеры, может быть определена по соотношению:
1
2
Если, как упоминалось в описании прототипа [1], для реализации практической задачи по поиску, обнаружению и сопровождению удаленных объектов принять, что ƒ=30 мм, a ƒ=120 мм, то величина коэффициента β, имея в виду лучшие на сегодняшний день по светосиле объективы, может достигнуть значения около одного порядка (т.е. в пределах 10 раз).
Посмотрим на проблему чувствительности телекамер системы со стороны фотоприемника.
Известно, [см. 2, с. 65], что емкость плавающей диффузионной области - выходного блока современных матричных ПЗС, в котором осуществляется считывание заряда, составляет величину порядка 0,01 пФ.
Это соответствует коэффициенту преобразования в 15…25 мкВ напряжения видеосигнала на один электрон зарядового сигнала.
В КМОП фотоприемнике [см. там же 2, с. 65] емкость считывания обычно того же порядка, однако применение активного усилителя (докоммутационного усиления) позволяет добиться эквивалентного коэффициента преобразования на порядок больше, чем у ПЗС- до 250 мкВ/е.
Задачей изобретения является повышенная до одинакового уровня чувствительность телекамер (каждого из каналов «свет - сигнал») путем использования в качестве их сенсоров фотоприемных матриц КМОП, устанавливая для их мишеней необходимое соотношение коэффициентов усиления светочувствительных элементов.
1
2
3
1
1
Поставленная задача решается тем, что в заявляемое устройство двухкамерной телевизионной системы, содержащее размещенные на ее основании первую («широкоугольную») и вторую («узкоугольную») телекамеры, каждая из которых состоит из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива («широкоугольного» или «узкоугольного») и матричного фотоприемника, причем геометрические центры фотоприемников обеих телекамер совпадают по вертикали и разнесены по горизонтали на величину базового расстояния, а каждая из телекамер кинематически связана с механизмом углового перемещения направления оптической оси соответственно по горизонтали и вертикали, а также последовательно соединенные по сигналу «видео» коммутатор-смеситель и персональный компьютер, при этом выходы первой и второй телекамер подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора-смесителя; в состав телевизионной системы также входят генератор электронной таблицы «сетчатое поле» и сигнала «окошко», последовательно расположенные и оптически связанные первый лазерный целеуказатель и отражательная таблица «сетчатое поле», которая расположена в плоскости изображения телевизионной системы, при этом лазерный зонд от первого лазерного целеуказателя излучается в канале, выполненном в основании телевизионной системы, в направлении, параллельном ее посадочной плоскости; в состав телевизионной системы также входят селектор синхроимпульсов, блок задержки по кадру, формирователь сигнала синхронизации и второй лазерный целеуказатель, излучающий лазерный зонд в дополнительном канале, выполненном в основании телевизионной системы, в направлении отражательной таблицы параллельно излучению от первого лазерного целеуказателя, причем расстояние между лазерными зондами по горизонтали составляет двойную величину горизонтального разнесения геометрических центров фотоприемников первой и второй телекамер, при этом вход селектора синхроимпульсов подключен к выходу «видео» второй телекамеры, выход кадровых синхроимпульсов селектора подключен через блок задержки по кадру к входу кадровой синхронизации генератора электронной таблицы, а выход строчных синхроимпульсов селектора соответственно - к входу строчной синхронизации генератора электронной таблицы и к первому входу формирователя сигнала синхронизации, второй вход которого подключен к выходу блока задержки по кадру, а выход - к входу «синхро» первой телекамеры, выход сигнала «сетчатое поле» генератора электронной таблицы подключен к первому управляющему входу коммутатора-смесителя, а выход сигнала «окошко» генератора электронной таблицы - ко второму управляющему входу коммутатора-смесителя, при этом выбор режима работы коммутатора-смесителя осуществляется по команде, подаваемой с компьютера на его управляющий вход, а в отличие от прототипа [1] фотоприемник первой и фотоприемник второй телекамеры соответственно выполнены согласно работе [см. 2, с. 64, рис 1.18] на кристалле сенсора, изготовленном по технологии матриц КМОП, путем реализации метода «координатная адресация», причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет коэффициент усиления K, а также транзисторный МОП-ключ, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на шину видео, которая объединяет все активные пикселы мишени в активные столбцы, каждый из которых имеет дополнительно усилитель видеосигнала с коэффициентом усиления K, причем управление МОП-ключами активных пикселов, расположенных по горизонтали, осуществляется при помощи отдельно взятой горизонтальной (строчной) шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество шин видео - число элементов (пикселов) в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещается его электронное «обрамление - блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения видеосигнала, а именно: регистр вертикальной (кадровой) развертки, осуществляющий выбор строки; ключевые МОП-транзисторы для каждого активного столбца, обеспечивающие передачу видеосигнала на выходе его усилителя на соответствующий вход мультиплексора горизонтальной (строчной) развертки, который выполняет подключение видеосигнала с каждого активного пиксела на вход выходного усилителя с коэффициентом усиления K, при этом в активных пикселах мишени сенсора с периодом кадров осуществляют накопление зарядовых пакетов текущего кадра и одновременно считывание видеоинформации предыдущего кадра последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки мишени и последовательного строка за строкой для мишени в целом, формируя на выходе фотоприемника в аналоговом виде напряжение выходного видеосигнала сенсора, причем для компенсации оптических потерь величина коэффициента усиления K фотоприемника второй телекамеры в β раз превышает величину коэффициента усиления K фотоприемника первой телекамеры, где величина коэффициента β вычисляется по соотношению (1).
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство двухкамерной телевизионной системы отличается от прототипа [1] реализацией в качестве фотоприемников первой и второй телекамер матричных приборов, изготовленных по технологии однокристальной КМОП.
Совокупность известных и новых признаков заявляемого устройства не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
На фиг. 1 изображена структурная схема заявляемого устройства; на фиг. 2 - схемотехническая организация фотоприемника КМОП в составе первой и второй телекамер; на фиг. 3 представлена отражательная таблица, соответствующая универсальной электронной испытательной таблице (УЭИТ); на фиг. 4 показано относительное положение растров первой и второй телекамер; на фиг. 5…6 приведены изображения с экрана монитора компьютера, наблюдаемые в процессе юстировки телевизионной системы.
Заявляемое устройство двухкамерной телевизионной системы с юстировкой направления визирной оси и с повышенной чувствительностью до одинакового уровня каждого из каналов «свет - сигнал», см. фиг. 1, содержит первую («широкоугольную») телекамеру 1 с механизмом 1-1 углового перемещения оптической оси и вторую («узкоугольную») телекамеру 2 с механизмом 2-1 углового перемещения оптической оси, которые размещены на основании 3 телевизионной системы; коммутатор-смеситель 4; селектор 5 синхроимпульсов; генератор 6 таблицы «сетчатое поле» и сигнала «окошко»; первый лазерный целеуказатель 7; второй лазерный целеуказатель 8; компьютер 9 и отражательную таблицу 10, при этом лазерный целеуказатель 7 через канал 11, выполненный в основании 3 телевизионной системы, формирует в плоскости отражательной таблицы 10 первое пятно 12 видимого спектра, а лазерный целеуказатель 8 через канал 13 - второе пятно 14, при этом выходы телекамер 1 и 2 подключены соответственно к первому и второму входам коммутатора-смесителя 4, а выход «видео» телекамеры 2 дополнительно - и к входу селектора 5 синхроимпульсов; выход кадровых синхроимпульсов (КСИ) селектора 5 подключен через блок 15 задержки по кадру к входу кадровой синхронизации генератора 6, а выход строчных синхроимпульсов (ССИ) селектора 5 соответственно - к входу строчной синхронизации генератора 6 и к первому входу формирователя 16 сигнала синхронизации приемника, второй вход которого подключен к выходу блока 15 задержки по кадру, а выход - к входу «синхро» телекамеры 1; выход сигнала «сетчатое поле» генератора 6 подключен к первому управляющему входу коммутатора-смесителя 4, выход сигнала «окошко» - ко второму управляющему входу коммутатора-смесителя 4, выход которого подключен к входу «видео» компьютера 9, по команде с которого на управляющий вход коммутатора-смесителя 4 осуществляется выбор его режима работы и телевизионной системы.
Фотоприемник на КМОП каждой из телекамер (см. фиг. 2) содержит на общем кристалле фотоприемную область (мишень) в позиции 17, регистр кадровой развертки в позиции 18 и мультиплексор строчной развертки в позиции 19.
1
Каждый активный пиксел мишени имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 17-1, усилитель 17-2 с коэффициентом усиления K и МОП-ключ (ключевой МОП-транзистор в позиции 17-3.
Управление ключевого МОП-транзистора 17-3 пиксела для каждой строки фотоприемника осуществляется при помощи отдельной (своей) строчной шины 17-4, передающей сигнал управления с соответствующего выхода регистра 18 кадровой развертки.
2
3
Видеосигнал с выхода каждого ключевого МОП-транзистора 17-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого активного столбца передается шину видео 17-5, а затем - на вход усилителя столбца 17-6 с коэффициентом усиления K. Далее с выхода усилителя 17-6 при помощи ключевого МОП-транзистора 17-7, управляемого с одного из выходов мультиплексора 19, видеосигнал транслируется на вход выходного усилителя 17-8 с коэффициентом усиления K для получения необходимого уровня аналогового видеосигнала текущего пиксела данного активного столбца на выходе сенсора.
Заметим, что выходной усилитель 17-8 - не принадлежность этого отдельно взятого активного столбца, а является общим элементом для всех активных столбцов прибора.
То же самое формирование видеосигнала происходит и в пределах других активных столбцов мишени 17 сенсора.
В результате на выходе усилителя 17-8 в прямоугольном растре последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом формируется в аналоговом виде напряжение выходного видеосигнала фотоприемника.
Благодаря принятой для изготовления сенсора технологии КМОП, обеспечивается возможность интегрировать на один общий кристалл не только фотоприемник, но и блоки развертки телевизионной камеры, которые могут быть реализованы с существенным понижением их энергопотребления.
Блоки телевизионной системы, предназначенные для заводской юстировки направления визирной оси, см. фиг. 1, в т.ч.: коммутатор-смеситель 4, селектор 5 синхроимпульсов, генератор 6 таблицы «сетчатое поле» и сигнала «окошко», первый лазерный целеуказатель 7, второй лазерный целеуказатель 8, компьютер 9, блок 15 задержки по кадру, формирователь 16 ССП, а также необходимее принадлежности для выполнения этой юстировки, в т.ч.: механизм 1-1 углового перемещения оптической оси телекамеры 1; механизм 2-1 углового перемещения телекамеры 2; основание 3 телевизионной системы с каналами 11 и 13; отражательная таблица 10, - ничем не отличаются от соответствующих блоков и принадлежностей прототипа [1].
Селектор 5 синхроимпульсов предназначен для выделения из полного телевизионного сигнала, вырабатываемого на выходе «видео» телекамеры 2, импульсов КСИ и ССИ.
Коммутатор-смеситель 4 предназначен для формирования на выходе:
в режиме 1 - полного телевизионного сигнала (композитного видеосигнала) от телекамеры 1 и «наложенного» на него сигнала «сетчатое поле»;
в режиме 2 - композитного видеосигнала комбинированного изображения, состоящего из видеосигнала от телекамеры 2 в пределах «окошка» и видеосигнала от телекамеры 1 на остальной части ее растра при сохранении на всей площади сигнала «сетчатое поле».
Выбор режима работы (режима 1 или режима 2) коммутатора-смесителя 4 осуществляется по команде с компьютера 9.
Генератор 6 предназначен для формирования в режиме ведомой синхронизации от КСИ и ССИ двух выходных импульсных сигналов, а именно: сигнала «сетчатое поле» и сигнала «окошко».
Сигнал «сетчатое поле» имеет формат кадра, равный формату кадра фотоприемников телекамер. В нашем примере этот формат 4/3, а электронная таблица содержит 24 клетки по горизонтали и 18 клеток по вертикали, как показано на фиг. 5 и 6.
Сигнал «окошко» в пределах растра имеет ширину в единицах времени, равную расстоянию между лазерными зондами, которое кратно числу электронных клеток таблицы «сетчатое поле». По вертикали сигнал «окошко» занимает половину высоты растра.
Отражательная таблица 10 используется в качестве оптического теста при выполнении процесса юстировки телевизионной системы.
Пример выполнения отражательной таблицы 10, показанной на фиг. 3, соответствует универсальной электронной испытательной таблице (УЭИТ), являясь ее компьютерной распечаткой.
Блок 15 задержки по кадру реализует на интервал полукадра временную задержку кадрового синхроимпульса (КСИ) от телекамеры 2.
Формирователь 16 сигнала синхронизации обеспечивает получение на выходе по сигналам строк и кадров сигнала синхронизации приемника (ССП) с временными характеристиками его составляющих по ГОСТ 7845-92.
Как и в прототипе [1], здесь реализован режим принудительной внешней синхронизации телекамеры 1 от телекамеры 2 путем подачи на вход «синхро» телекамеры 1 сигнала синхронизации приемника (ССП), создаваемого на выходе формирователя 16.
Особенностью этого режима является задержка на полукадр момента начала вертикальной синхронизации телекамеры 1 относительно аналогичного момента для телекамеры 2. Режим синхронизации иллюстрирует фиг. 4, где представлено взаимное расположение растров телекамер. На этом рисунке прямоугольник со сплошной заливкой обозначает растр телекамеры 1, а границы растра телекамеры 2 отмечены штрихпунктирной линией. Прямоугольник с размерами (а × b), имеющий штриховку «от центра», показывает растровое положение сигнала «окошко».
В конструкциях обеих телекамер, как и в прототипе [1], предусмотрены механизмы 1-1 и 2-1 для выполнения углового перемещения оптической оси каждой из телекамер.
Технологический процесс заводской юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы, осуществляемый, как и в прототипе [1], представлен на фиг. 1.
Упомянутые выше режимы работы 1 и 2 для коммутатора-смесителя 4 будем рассматривать и как два основных режима работы телевизионной системы.
Коммутатор-смеситель 4 в режиме 1 по команде с компьютера 9 подает на его вход «видео» полный телевизионный сигнал от телекамеры 1, а в режиме 2 - композитный видеосигнал комбинированного изображения от телекамер 1 и 2 одновременно.
От генератора 6 в выходной видеосигнал коммутатора-смесителя 4 добавляется маркерный сигнал «сетчатое поле», а в режиме 2 дополнительно выполняется коммутация входных видеосигналов по управляющему сигналу «окошко».
Получаемый в результате всех этих операций видеосигнал воспроизводится на жидкокристаллическом экране монитора компьютера 9.
В режиме 1 (см. фиг. 5) на экране компьютера 9 воспроизводится изображение «УЭИТ», сигнал «сетчатое поле», пятно от лазерного целеуказателя 7 и пятно от лазерного целеуказателя 8.
В режиме 2 (см. фиг. 6) на экране компьютера 9 будет воспроизводиться изображение «УЭИТ» с увеличенным в пределах «окошка» его фрагментом, сигнал «сетчатое поле», пятно от лазерного целеуказателя 7, пятно от лазерного целеуказателя 8, а также третье пятно увеличенного диаметра по отношению к диаметрам первых двух пятен. На фиг. 6 положение «окошка» в растре отмечено пунктирной линией. Увеличение изображения «окошка» происходит в соответствии с кратностью масштабирования, равного отношению фокусного расстояния второй телекамеры к фокусному расстоянию первой телекамеры.
Точность совмещения всех трех пятен с узловыми точками электронной таблицы «сетчатое поле» определяется толщиной линий этого теста по горизонтали и вертикали. Будем считать, что толщина электронного маркера по горизонтали и вертикали составляет два элемента по каждому направлению.
1
Предположим, что новые фотоприемники КМОП имеют, как и у матриц ПЗС прототипа [1], число элементов мишени 768(H)×576(V), размер мишени  дюйма или (6,4×4,8) мм при формате 4/3. Сохраним и величину фокусного расстояния для объектива телекамеры 1 (ƒ=30 мм.), т.е. угловое поле зрения первой телекамеры составляет (12×7,8) град.
Тогда в режиме 1 работы телевизионной системы имеем величину погрешности (Δ) направления визирования в миллирадах:
В результате по соотношению (2) получаем величину ошибки направления визирования, равную 0,54 мрад.
2
В режиме 2 работы телевизионной системы погрешность (Δ) будет в четыре раза меньше (0,14 мрад), т.к. фокусное расстояние объектива ƒ=120 мм., а угловое поле зрения по горизонтали составляет здесь не двенадцать, а три угловых градуса. Это означает, что точность выполнения регулировочной работы на заключительном этапе возрастает тоже пропорционально, т.е. в четыре раза.
Формирование напряжения видеосигнала непосредственно в каждом активном пикселе КМОП сенсора позволяет отказаться от неизбежного протаскивания заряда для ПЗС-сенсора по всей строке, а поэтому - избежать специфичных искажений, связанных с неэффективностью переноса зарядовых пакетов.
Это дает возможность реализации в КМОП-фотоприемниках более высокой частоты опроса или при той же частоте опроса существенно увеличить число пикселов по строке.
Это означает, что в соотношении (2) величина 768 потенциально может быть заменена на другой, более высокий показатель, а в результате этого погрешность (Δ) направления визирования будет соответственно уменьшаться. Следовательно, точность юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы будет обязательно повышаться.
Устанавливая на мишенях фотоприемных матриц КМОП необходимое соотношение в β раз коэффициентов усиления светочувствительных элементов, в заявляемом решении осуществляется относительная компенсация потерь оптических элементов телекамер системы и достижение повышенной до одинакового уровня чувствительности каждого из каналов «свет - сигнал».
Важно отметить, что сам процесс этого усиления в фотоприемнике КМОП является усилением фотогенерированных зарядовых сигналов, т.е. докоммутационным усилением, вносящим минимум шумов.
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. Патент РФ №2504915. МПК H04N 5/225, G01C 3/00. Способ юстировки направления визирной оси двухкамерной телевизионной системы и устройство для его осуществления. / В.М. Смелков // Б.И. - 2014. - №2.
2. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К. и Шипилов Н.Н. Твердотельная революция в телевидении: Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле. Под ред. А.А. Умбиталиева и А.К. Цыцулина. - М.: «Радио и связь», 2006.