О возможности использования резерва для расширения динамического диапазона телекамеры на ПЗС

СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, доктор технических наук

о возможности использования РЕЗЕРВА ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА ТЕЛЕКАМЕРЫ НА ПЗС

Рассмотрен подход к проблеме разработки телекамеры с повышенным динамическим диапазоном путем регулярной очистки памяти ПЗС-датчика.

Ключевые слова:

An approach to the problem of the TV camera developing with wider dynamic range by using regular clearing memory CCD sensor. Keywords:

В книге [1] автор отвел самую большую главу вопросу динамического диапазона телевизионной системы. Это не случайно, т.к. для преодоления априорной неопределенности сюжетов, наблюдаемых телекамерами прикладного назначения в условиях сложной освещенности или сложной яркости контролируемых объектов и в одном телевизионном поле, исключительно широкий динамический диапазон является решающим параметром. Теоретически увеличение динамического диапазона телекамеры может быть достигнуто путем осуществления многоканального преобразования «свет - сигнал» в фотоприемнике. Но применяя в качестве фотоприемника современную матрицу, выполненную по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), в реальном масштабе времени, осуществимо лишь двухканальное преобразование.

Из послужного изобретательского списка автора четыре патента РФ [2 -5] имеют прямое отношение к реше-

нию актуальной задачи расширения динамического диапазона телекамеры на матрице ПЗС. Однако в этой «четверке» особо можно выделить патент [2] по той простой причине, что реализация двухканального преобразования в этом решении могла быть обеспечена с использованием одного фотоприемника.

К сожалению, идея разработки необходимой для этого отечественной специализированной матрицы ПЗС с организацией «кадровый перенос», содержащей на общем кристалле три секции (одна из них секция накопления), два горизонтальных регистра и два выходных устройства, поддержана не была, и дело ограничилось двумя публикациями в открытой печати [6, 7].

Можно понять реальные трудности российской экономики во время широкомасштабных реформ, но уникальный технологический опыт освоения в 1991 г. в НПП «Пульсар» подобной матрицы ПЗС в виде прибора А-1131 со скрытым каналом и числом элементов

3x144x230 для выполнения межкадро-вого вычитания был в распоряжении разработчика, но не был реализован в производстве.

Но прошло некоторое время, и подтвердилось известное наблюдение, что мысль подобна певчей птичке, которая обязательно сядет на подготовленную голову. А тут уж не зевай, а быстрей пиши заявочные материалы...

Так или примерно так возникло, а затем было оформлено документально альтернативное техническое решение телекамеры, в которой расширение динамического диапазона достигается с использованием типовой (обычной) матрицы ПЗС путем обмена искомого параметра на разрешающую способность по времени. Настойчивость же автора была вознаграждена, т.к. совсем недавно это решение было признано изобретением [8] на федеральном уровне.

Однако внимательное рассмотрение физики работы типовой матрицы ПЗС с организацией «кадровый перенос»

Рис. 1. Диаграммы управляющих сигналов по методу прототипа [9] для матрицы ПЗС с поверхностным каналом

позволяет вскрыть и дополнительный, ранее не использовавшийся резерв для расширения динамического диапазона телекамеры. Практическое его приложение и рассмотрено в настоящей публикации.

Технология изготовления матричных фотоприемников на ПЗС была разработана в США в 1970 г. и сразу стала предполагать острое соперничество двух способов схемотехнической организации приборов: «кадровый перенос» и «строчный перенос». Разработанные в советское время отечественные матрицы преимущественно, а серийно выпускаемые — все без исключения,

- имели организацию «кадровый перенос». К достоинствам матричных ПЗС с кадровым переносом относят возможность реализации освещения со стороны подложки и полное использование фотомишени (секции накопления), что в совокупности обеспечивает рекордный квантовый выход до 98%. Для мат-

риц ПЗС со строчным переносом время кадрового переноса существенно ниже, чем для матриц ПЗС с кадровым переносом, что определяет их преимущество в борьбе с вертикальной «тянучкой» («смазом») изображения. Последовательное увеличение освещенности секции накопления матричного ПЗС с кадровым переносом, которое при использовании в телекамере автоматической регулировки чувствительности (АРЧ) по методу электронного затвора сопровождается соответствующим уменьшением времени экспонирования в пределах неизменного кадра, приводит к физической возможности образования паразитных зарядов в секции памяти фотоприемника из-за переотражений света и диффузии зарядов в кристалле из секции накопления. По мере считывания очередного информационного кадра из секции памяти в ее верхней части образуются строки, свободные от информацион-

ных зарядов. В потенциальных ямах этих строк происходит накопление паразитных зарядов. К концу считывания информационного кадра все строки секции памяти содержат паразитные заряды, но распределение этих зарядов по площади секции 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. Очевидно, что появление этого паразитного заряда приводит к дополнительному ограничению динамического диапазона матрицы ПЗС и с ним следует бороться всеми допустимыми методами.

В работе [9] задача устранения паразитных зарядов в секции памяти решена применительно к фотоприемнику на ПЗС с поверхностным каналом. Предлагаемый способ формирования сигнала изображения иллюстрируется на

Формирователь импульсов электронного затвора секции накопления 4

Рис. 2. Функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ

рис. 1 эпюрами управляющих сигналов для матрицы ПЗС относительно кадрового гасящего импульса, показанного на первой диаграмме этого чертежа. Сущность способа состоит в том, что интервале Ти (рис. 1д - ж) в сигналах управления первой, второй и третьей фазой секции памяти формируется уровень обогащения Uоб отрицательной полярности относительно подлож-ки1, благодаря чему осуществляется электронная очистка секции памяти от паразитных зарядов путем их ин-жекции в подложку фотоприемника. Отметим, что в условиях световой перегрузки фотоприемника с поверхностным каналом по методу электронного затвора уровень обогащения Uоб устанавливается максимальное время на всех трех фазных сигналах управления секцией накопления (рис. 1б

- г), исключая интервал Тн для второй фазы, как показано на рис. 1в.

Недостатком данного решения является невозможность по этому способу формирования сигнала изображения достичь расширения динамического диапазона матриц ПЗС со скрытым (объемным) каналом проводимости, обладающих преимуществом в части низкого уровня собственных шумов. Объяснение этой причины дается с позиции физических представлений, т.к. принцип работы зарубежных фотоприемников и отечественных приборов [10] такого класса исключает использование метода инжекции зарядов в подложку за счет введения секции накопления и секции памяти в режим обогащения зарядовыми носителями. Ниже предлагается техническое решение способа формирования сигнала изображения, обеспечивающего расширение динамического диапазона телекамеры на матрице ПЗС путем устранения паразитных зарядов в секции

памяти в условиях световых перегрузок фотоприемника независимо от его канала проводимости.

На рис. 2 изображена функциональная схема устройства, реализующего данный способ. На рис. 3 приведены эпюры управляющих сигналов фотоприемника, требуемые для реализации предлагаемого способа и выполненные с диаграммами на рис. 1 в одном масштабе. На рис. 4 показан фрагмент поперечного сечения секции накопления или секции памяти матрицы ПЗС со скрытым каналом, иллюстрирующий физические процессы, которые сопровождает необходимая технологическая организация в этом приборе стоковой области и электронного затвора. В литературе эта стоковая область фотоприемника получила название «анти-блюминговой».

Устройство на рис. 2 содержит первый задающий генератор 1, синхрогене-

1 - Уровень подложки фотоприемника принят равным потенциалу «общего провода» (корпуса) и совпадает на чертежах диаграмм с положением оси времени.

АА

1________Г

1_______I-------і_

1 I.

1________г

Рис. 3. Диаграммы управления матрицей ПЗС по предлагаемому способу

ратор 2, формирователь 3 импульсов вертикального переноса, формирователь 4 импульсов электронного затвора секции накопления, второй задающий генератор 5, формирователь 6 импульсов горизонтального переноса, ПЗС 7, формирователь 8 интервала очистки и импульсов электронного затвора секции памяти.

Блоки 2 - 4 и 6 - 8, обведенные на рис. 2 пунктирной линией, могут быть выполнены в виде большой интегральной схемы (БИС), например, аналогично разработанной отечественной БИС К1124АП2 [11, с. 182].

Фотоприемник 7 является матрицей ПЗС со скрытым каналом (рис. 2) и включает последовательно связанные зарядовой связью секцию 7-1 накопления, секцию 7-2 памяти, выходной регистр 7-3 и выходное устройство 7-4. В секцию 7-1 матрицы ПЗС встроены ан-тиблюминговая область и электронный затвор. Как показано на рис. 4, затвор СА является «электронным» затвором секции накопления. Для фотоприемника с л-каналом, если на затворе СА присутствует низкий (относительно подложки) потенциал, последний закрыт, а потенциальные ямы под фаз-

ными 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 (рис. 4а). Когда на затвор СА 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 БА в стоковой области, а далее рекомбинируют в подложку фотоприемника (рис. 4б).

Примерами ФПЗС с такой организацией являются отечественные приборы [10], разработанные в ЦНИИ «Электрон» (г. С.-Петербург).

С другой стороны, соблюдая физику работы ФМПЗС, совершенно аналогично можно организовать в фотоприемнике 7 «электронный» затвор СВ с антиблюминговой областью, управляемой потенциалом БВ, встроив их в секцию памяти вокруг фазных электродов Ф2П. Поэтому для реализации настоящего способа формирования сигнала изображения могут быть предложены два варианта технологической организации матрицы ПЗС: по варианту 1, когда антиблюминговая область и электронный затвор встроены в секцию 7-1 , и по варианту 2, когда эти структуры интегрированы в ПЗС дважды, - соответственно в секцию 7-1 и в секцию 7-2.

Суть предлагаемого решения, как и в прототипе [9], состоит в очистке секции памяти матричного ПЗС от паразитных зарядов, но «механизм» очистки здесь иной. Согласно предлагаемому способу кадровый 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 переноса в прототипе на необходимую величину Тз. Выходной импульсный сигнал блока 3, соответствующий интервалу кадрового (полукадрового) переноса согласно новому способу, представлен на рис. 3а. Одновременно в блоке 3 вы-

а

о;

'О

о

I__________________I

б

Рис. 4. Технологическая организация антиблюмингового стока и электронного затвора в матрице ПЗС со скрытым каналом

полняется задержка на величину Тз интервала накопления Тн.

Формирование импульсного сигнала, определяющего интервал очистки То секции памяти от паразитных зарядов (рис. 3б), осуществляется в блоке 8. Сама очистка производится в двух альтернативных вариантах. Эти варианты на функциональной схеме устройства (рис. 2) определяются положением переключателя.

По варианту 1 (положение переключателя — «вниз») блок 3 формирует импульсные сигналы управления первой (Ф1Н), второй (Ф2Н) и третьей

(Ф3Н) фазой секции 7-1 накопления (рис. 3г - е), а совместно с блоком 8 — импульсные сигналы управления первой (Ф1П), второй (Ф2П) и третьей (Ф3П) фазой секции 7-2 памяти (рис. 3ж- и). Блок 4 вырабатывает импульс управления электронным затвором (СА) секции накопления (рис. 3в), а блок 6 — импульсные сигналы управления первой (Ф1Р), второй (Ф2Р) и третьей (Ф3Р) фазой выходного регистра 7-3 (на диаграммах не показаны). При этом в интервале То производится перемещение паразитных зарядов из секции 7-2 памяти в вы-

ходной регистр 7-3 с частотой переноса Тв, как показано на выноске АА (рис. 3). Во время обратного хода строчной развертки ^охс:) зарядовые строки паразитного сигнала складываются (укрупняются) в выходном регистре 7-3, а затем во время прямого хода строки поэлементно переносятся из него в выходное устройство 7-4. Пусть 1ох!с — интервал приема зарядовых строк в выходном регистре. Тогда интервал То составляет величину:

Т0 = КсТс(Т/10.Хс),

где N. — количество строк в секции 7-2, Тс — период строки.

Возьмем типовые значения параметров: N. = 290; Тс = 64 мкс; Тв = 0,6 мкс; ^1с:: = 12 мкс. В результате требуемая величина То составит 928 мкс, а в сумме с интервалом кадрового (полукадрово-го) переноса Тп, равным М*Тв и составляющим 174 мкс, «укладывается» в промежуток обратного хода кадровой развертки, т.е. занимает не более 1600 мкс. С учетом того, что управляющая способность выходного регистра ПЗС в несколько раз выше управляющей способности секции памяти, а распределение паразитного заряда убывает в направлении «сверху — вниз», за интервал То может быть осуществлена полная очистка матрицы 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 (Ф3Н) фазой секции 7-1 накопления (рис. 3г - е), а также типовые импульсные сигналы управления первой (Ф1П), второй (Ф2П) и третьей (Ф3П) фазой секции 7-2 памяти (рис. 3к - м). Аналогично варианту 1 блок 6 формирует импульсные сигналы управления первой (Ф1Р), второй (Ф2Р) и третьей (Ф3Р) фазой выходного регистра 7-3, блок 4 - импульс управления электронным затвором (СА) секции накопления (рис. 3в), а дополнительно блок 8 транслирует на фотоприемник импульс управления электронным затвором (СВ) секции памяти (рис. 3б).

Благодаря последнему паразитные заряды из секции 7-2 памяти в интервале То отводятся в подложку фотоприемника. Применение предлагаемого способа

формирования сигнала изображения позволяет в обоих вариантах удалить паразитный заряд, накапливаемый в условиях световой перегрузки ПЗС в секции памяти с объемным каналом проводимости, а, следовательно, при прочих равных условиях расширить динамический диапазон фотоприемника.

Следует отметить, что в условиях световой перегрузки мишени диффузионное проникновение паразитных зарядов имеет место и в экранированные от света вертикальные столбцы матрицы ПЗС с организаций «строчный перенос», причем выполнение принудительной очистки этих столбцов становится еще более трудной

задачей. Выходом из этой ситуации зарубежные специалисты считают применение матриц ПЗС с организаций «строчно-кадровый перенос», где к обычной матрице со строчным переносом добавлена секция памяти от ПЗС с кадровым переносом [12].

С технико-экономических позиций это, конечно, означает, что процент выхода годных кристаллов существенно уменьшается, а стоимость фотоприемника значительно возрастает. Отмечу и другую, «болезненную» для меня тему, а именно: прибор с такой организацией не сможет на сто процентов заменить специализированную матрицу кадрового переноса, необходимую для решения пробле-

мы двухканального преобразования «свет - сигнал».

Выводы

1. Проанализирована причина ограничения динамического диапазона телекамер на матричных ПЗС с кадровым переносом из-за диффузионного проникновения паразитных зарядов в секцию памяти фотоприемника.

2. Предложен метод устранения этих искажений в двух альтернативных вариантах технического решения по способу формирования сигнала изображения

Литература

1. Смелков В.М. Иду на растр: Эссе об изобретениях по классу И04Ы. / Великий Новгород: Изд. НовГУ им. Ярослава Мудрого, 2007.

2. Патент. 2235443 РФ. МПК Н04Ы 5/335, 3/14, 5/202. Телевизионная, камера на матрице приборов с зарядовой связью. / В.М. Смелков // Б.И. — 2004. - № 24.

3. Патент. 2299524 РФ. МПК И04Ы 7/18. Телевизионная, система для. наблюдения, за перемещением, горячего проката. / В.М. Смелков, Н.С. Крылова, А.П. Огарков //Б.И. — 2007. - № 14.

4. Патент. 2305376 РФ. МПК И04Ы 5/225, С08Б 13/196. Телевизионная, камера для. наблюдения, в условиях сложного освещения. и/или сложной яркости объектов. / В.М. Смелков // Б.И. — 2007. - № 24.

5. Патент. 2317652 РФ. МПК И04Ы 5/225. Способ телевизионного наблюдения, в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов и устройство для. его осуществления. / В.М. Смелков // Б.И. — 2008. - № 5.

6. Смелков В.М. Аналоговый метод автоматического режима работы, охранной телевизионной камеры, для. наблюдения, в условиях сложного освещения. / Системы, и средства связи, телевидения, и радиовещания, 2002. - № 1 - 2. — С. 35 - 39.

7. Смелков В.М. Методы, расширения, динамического диапазона телекамер на матричных ПЗС/ Вопросы, радиоэлектроники, серия. «Техника телевидения», 2007. — выпуск 2. - С. 60 - 75.

8. Решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2007143432/20(047575) от 26.02.2009. МПК И04Ы 5/225, 5/238, 5/335. Телевизионная, камера для. наблюдения, в условиях сложной освещенности и /или сложной яркости объектов. / Заявитель — В.М. Смелков.

9. 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.

10. 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.

11. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы, с зарядовой связью. — М.: «Радио и связь», 1991.

12. Владо Дамьяновски. ОСТУ. Библия, видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии / Перевод с англ. — М.:

ООО «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.