ТЕЛЕВИЗИОННАЯ КАМЕРА ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ И/ИЛИ СЛОЖНОЙ ЯРКОСТИ ОБЪЕКТОВ
TELEVISION CAMERA FOR VIEWING IN CONDITIONS OF LOW ILLUMINATION AND/OR LOW BRIGHTNESS OF OBJECTS

Предлагаемое изобретение относится к телекамерам, работающим в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов, когда в поле зрения камеры могут находиться одновременно сильно и слабо освещенные объекты и/или объекты с резким отличием по яркости.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телекамеру [1], содержащую последовательно расположенные и оптически связанные объектив и матрицу приборов с зарядовой связью (матрицу ПЗС), состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, первой секции хранения, первого выходного регистра, первого блока преобразования заряда в напряжение (БПЗН), разделительного электрода, второй секции хранения, второго выходного регистра и второго БПЗН, а также генератор управляющих импульсов, состоящий из формирователя импульсов (ФИ), формирователя фаз (ФФ) и пяти преобразователей уровней (ПУ), причем выходы импульсов тактовой частоты, строчного гасящего импульса, кадрового гасящего импульса и сигналов управления регистрами ФИ подключены к первому, второму, третьему и четвертому входам ФФ соответственно, а первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы ФФ подключены к входам первого, второго, третьего, четвертого и пятого ПУ соответственно, при этом выходы первого, второго, третьего, четвертого и пятого ПУ являются соответственно первым, вторым, третьим, четвертым и пятым выходами сигнала развертки генератора управляющих импульсов, а выход импульсов синхронизации ФИ - выходом сигнала синхронизации генератора управляющих импульсов, который подключен к управляющему входу сигнального процессора, состоящего из первого и второго видеоусилителей, компаратора, опорный вход которого подключен к опорному напряжению, и блока коммутации видеосигналов (БКВ), причем выход второго видеоусилителя подключен к информационному входу компаратора и к первому информационному входу БКВ, второй информационный вход которого подключен к выходу первого видеоусилителя, управляющий вход которого объединен с управляющим входом первого видеоусилителя и подключен к управляющему входу сигнального процессора, при этом информационный вход первого видеоусилителя является первым информационным входом сигнального процессора, информационный вход второго видеоусилителя - вторым информационным входом сигнального процессора, а выход БКВ - выходом сигнального процессора, при этом выход первого БПЗН матрицы ПЗС подключен к первому информационному входу сигнального процессора, выход второго БПЗН - ко второму информационному входу сигнального процессора, выход которого является выходом «Видео» телекамеры.
При эксплуатации телекамеры прототипа возможны условия сложного освещения и/или сложной яркости наблюдаемых сюжетов и объектов. В зарубежной литературе эти условия наблюдения носят название «Back light».
Примерами условий сложного освещения могут служить:
- наблюдение старта ракеты с ярким факелом от работающих двигателей;
- наблюдение через окно или на фоне открытых дверей, когда нужно одновременно различать объекты на улице и в комнате;
- наблюдение против рассеянного солнечного света;
- наблюдение на фоне бликов, фонарей освещения и прочее.
Характерным примером условий сложной яркости для промышленного телевидения является наблюдение за зоной горячего проката в металлургии, а также контроль процессов дуговой или электронно-лучевой сварки в автоматическом или полуавтоматическом режиме.
Телекамера прототипа обеспечивает расширение динамического диапазона градаций яркости изображений наблюдаемой сцены путем формирования комбинированного изображения, являющегося результатом синтеза видеосигналов, вырабатываемых матрицей ПЗС при «длинном» - «long charge» и «коротком» - «short charge» по времени зарядовом накоплении.
Недостаток прототипа - ограничение динамического диапазона изображения телекамеры из-за ограниченных возможностей фотоприемника. При выборе одинаковой площади (S) затвора для полевого транзистора, выполняющего сбор фотозарядов в первом и втором БПЗН, возможно лишь компромиссное решение. При малой площади затвора сокращается внесение в сигнал изображения собственных шумов и достигается необходимая чувствительность телекамеры. Но при этом ограничена управляющая способность зарядового преобразования, которая сказывается для больших по уровню зарядовых пакетов на входе (при высокой освещенности или яркости объектов контроля), вызывая ограничение верхней границы динамического диапазона. При большой площади затвора, наоборот, будет ухудшена чувствительность телекамеры и ограничена нижняя граница динамического диапазона.
Задача изобретения - расширение динамического диапазона градаций яркости формируемого телекамерой изображения путем оптимизации в фотоприемнике преобразования «заряд-напряжение».
1
2
1
2
Поставленная задача решается тем, что в заявляемую телекамеру, которая содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив и матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, первой секции хранения, первого выходного регистра, первого БПЗН, разделительного электрода, второй секции хранения, второго выходного регистра и второго БПЗН, а также генератор управляющих импульсов и сигнальный процессор, причем управляющие входы секции накопления, первой секции хранения и объединенные управляющие входы первого и второго выходных регистров матрицы ПЗС подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам сигнала развертки генератора управляющих импульсов, четвертый и пятый выходы сигнала развертки которого подключены соответственно к управляющему входу второй секции хранения и к управляющему входу разделительного электрода матрицы ПЗС, выход первого БПЗН которой подключен к первому информационному входу сигнального процессора, второй информационный вход которого подключен к выходу второго БПЗН, а управляющий вход - к выходу сигнала синхронизации генератора управляющих импульсов, при этом выход сигнального процессора является выходом «Видео» телекамеры, причем площадь затвора S полевого транзистора, выполняющего сбор зарядовых носителей в первом БПЗН, выполнена по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования, а площадь затвора S аналогичного полевого транзистора во втором БПЗН - по критерию минимального внесения в сигнал изображения собственных шумов, при этом S>S.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в устройстве заявляемой телекамеры заложено конструктивное различие первого и второго БПЗН по площади затвора полевого транзистора, который осуществляет поэлементный сбор носителей зарядового изображения.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.
В предлагаемом решении на первом и втором выходах фотоприемника вырабатываются видеосигналы, сформированные при двух различных длительностях накопления матрицы ПЗС. Благодаря оптимизации преобразования «заряд-напряжение» для светлых и темных фрагментов сцены в фотоприемнике по двум выходам и синтезу комбинированного изображения в выходном видеосигнале телекамеры обеспечивается дополнительное расширение динамического диапазона. Достигаемый технический результат является выгодным преимуществом предлагаемой телекамеры при контроле наблюдаемой сцены, для которой в одном поле зрения имеет место резкое отличие объектов по освещенности и/или яркости. По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 изображена структурная схема заявляемой телекамеры; на фиг.2 - световая характеристика фотоэлектрического преобразования, осуществляемого в телекамере; на фиг.3 - возможная структурная схема генератора управляющих импульсов; на фиг.4 - возможная структурная схема сигнального процессора; на фиг.5 - временная диаграмма, поясняющая работу телекамеры.
Заявляемая телекамера (см. фиг.1) содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1 и матрицу 2 ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления 2-1, первой секции хранения 2-2, первого выходного регистра 2-3, первого БПЗН 2-4, разделительного электрода 2-5, второй секции хранения 2-6, второго выходного регистра 2-7 и второго БПЗН 2-8; генератор 3 управляющих импульсов и сигнальный процессор 4, причем первый выход сигнала развертки генератора 3 управляющих импульсов подключен к управляющим входам секции накопления 2-1, второй выход сигнала развертки - к управляющим входам секции хранения 2-2, третий выход сигнала развертки - к объединенным между собой управляющим входам выходных регистров 2-3 и 2-7, четвертый выход сигнала развертки - к управляющим входам секции хранения 2-6, пятый выход сигнала развертки - к управляющему входу разделительного электрода 2-5, а выход сигнала синхронизации - к управляющему входу сигнального процессора 4, первый информационный вход которого подключен к выходу БПЗН 2-4, второй информационный вход - к выходу БПЗН 2-8, а выход сигнального процессора 4 является выходом «Видео» телекамеры.
Матрица 2 ПЗС, как и у прототипа, имеет организацию «кадровый перенос» и содержит на одном кристалле три секции, два выходных регистра, разделительный электрод и два БПЗН. Отметим, что отечественный прибор А-1131 с каналом n-типа и трехфазным управлением секциями и регистрами, разработанный специально для телевизионных детекторов движения, с целью выделения сигнала межкадровой разности, потенциально обладает необходимой схемотехнической организацией и может считаться технологическим заделом для реализации изобретения. Информация о приборе А-1131 опубликована в работе [2].
Особенностью матрицы 2 ПЗС по сравнению с фотоприемником прототипа является различие в конструкции блоков 2-4 и 2-8.
1
2
1
2
Блок 2-4, как и блок 2-8, предназначен для осуществления преобразования зарядового сигнала изображения в напряжение видеосигнала. Принципиальным их отличием является различный уровень зарядовых пакетов на входе, который учитывается при конструктивном исполнении выходного полевого транзистора в части емкости его затвора. Для БПЗН 2-4 ожидается высокий уровень полезного зарядового сигнала, поэтому необходимо увеличить управляющую способность блока путем увеличения площади затвора (S). Напротив, для БПЗН 2-8 предполагается низкий уровень полезного зарядового сигнала, поэтому емкость затвора должна быть предельно малой, что достигается выбором геометрии его размеров, обеспечивающей малую площадь (S). Так что обязательным при конструировании нагрузочных транзисторов является условие: S>S.
Здесь необходимо привести техническое обоснование данного предложения. Дело в том, что в каждом элементе выводимого из матрицы ПЗС видеосигнала дополнительно к фотонному шуму проявляется собственный источник шума, называемый шумом считывания. Среднеквадратичное отклонение (СКО) шума считывания определяется площадью затвора выходного полевого транзистора. Типовое значение СКО шума считывания составляет 20 электронов [3, с.52], и оно является результатом проектирования выходного транзистора, площадь затвора (S) которого вмещает максимальную величину ожидаемого заряда, т.е. соответствует критерию максимальной управляющей способности зарядового фотоэлектронного преобразования, осуществляемого в матрице ПЗС.
По мнению специалистов, теоретически СКО шума считывания может быть снижено на порядок [3, с.52]. Следовательно, причина ограничения динамического диапазона снизу уже заложена в типовой организации матрицы ПЗС, а для расширения динамического диапазона целесообразно усовершенствовать саму матрицу.
min2
пор
2
min1
пор
2
На световой характеристике заявляемой телекамеры (см. фиг.2) точка Б соответствует минимальной (пороговой) освещенности телекамеры E для порогового отношения сигнал/шум Ψ=6, когда площадь затвора S выбрана по критерию минимального внесения в видеосигнал собственных шумов матрицы. Точка А на той же характеристике соответствует минимальной освещенности E для того же порогового отношения сигнал/ шум Ψ=6, а площадь S выбрана по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования. Поэтому отношение пороговых освещенностей может составить:
Генератор 3 управляющих импульсов предназначен для осуществления развертки в матрице 2 ПЗС и формирования сигнала синхронизации для сигнального процессора 4. Возможная структурная схема генератора 3 управляющих импульсов, совпадающая с решением прототипа [1], (см. фиг.3) содержит ФИ 3-1, ФФ 3-2, первый ПУ 3-3, второй ПУ 3-4, третий ПУ 3-5, четвертый ПУ 3-6 и пятый ПУ 3-7, при этом выходы импульсов тактовой частоты, строчного гасящего импульса, кадрового гасящего импульса и сигналов управления регистрами ФИ 3-1 подключены к первому, второму, третьему и четвертому входам ФФ 3-2 соответственно, а первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы ФФ 3-2 подключены к входам ПУ 3-3, ПУ 3-4, ПУ 3-5, ПУ 3-6 и ПУ 3-7 соответственно, при этом выходы ПУ 3-3, ПУ 3-4, ПУ 3-5, ПУ 3-6 и ПУ 3-7 являются соответственно первым, вторым, третьим, четвертым и пятым выходами сигнала развертки генератора 3, а выход импульсов синхронизации ФИ 3-1 - его выходом сигнала синхронизации.
Блоки ФИ 3-1 и ФФ 3-2 могут быть выполнены в виде большой интегральной микросхемы (БИС), например, по технологии микросхемы CXD2463R фирмы Sony [4]. Остальные блоки генератора 3 управляющих импульсов, а именно: ПУ 3-3, ПУ 3-4, ПУ 3-5, ПУ 3-6 и ПУ 3-7, могут быть реализованы в виде второй БИС необходимого комплекта.
n
Сигнальный процессор 4 предназначен для двухканального усиления и обработки сигнала изображения с выходов матрицы ПЗС и формирования на выходе комбинированного видеосигнала. Возможная структурная схема сигнального процессора 4, совпадающая с решением прототипа [1] (см. фиг.4), содержит первый видеоусилитель 4-1, второй видеоусилитель 4-2, компаратор 4-3, опорный вход которого подключен к опорному напряжению U, и БКВ 4-4, при этом выход видеоусилителя 4-2 подключен к информационному входу компаратора 4-3 и к первому информационному входу БКВ 4-4, второй информационный вход которого подключен к выходу видеоусилителя 4-1, управляющий вход которого, объединенный с управляющим входом видеоусилителя 4-2, является управляющим входом процессора 4, информационный вход видеоусилителя 4-1 - первым информационным входом процессора 4, информационный вход видеоусилителя 4-2 - вторым информационным входом процессора 4, а выход БКВ 4-4 - выходом процессора 4.
Все блоки сигнального процессора 4 могут быть выполнены в виде одной БИС, например, по технологии микросхемы CXA1310AQ фирмы Sony [5].
Телекамера работает следующим образом.
Предположим, что матрица 2 ПЗС, как и сенсор А-1131 [2], является трехфазным прибором с каналом n-типа. Поэтому первый, второй, третий и четвертый выходы сигнала развертки генератора 3 имеют три фазы управления по каждому из выходов, а пятый выход является однофазным.
Воспользуемся временной диаграммой, изображенной на фиг.5, где приведены эпюры выходных сигналов генератора 3, в том числе:
- фиг.5б - первый выход, первая фаза,
- фиг.5в - первый выход, вторая фаза,
- фиг.5г - первый выход, третья фаза,
- фиг.5д - второй выход, первая фаза,
- фиг.5е - второй выход, вторая фаза,
- фиг.5ж - второй выход, третья фаза,
- фиг.5и - третий выход, первая фаза,
- фиг.5к - третий выход, вторая фаза,
- фиг.5л - третий выход, третья фаза,
- фиг.5м - четвертый выход, первая фаза,
- фиг.5н - четвертый выход, вторая фаза,
- фиг.5о - четвертый выход, третья фаза,
- фиг.5з - пятый выход.
к
о.х.к.
1
Отметим, что эпюры выходных сигналов представлены на временной диаграмме относительно кадрового гасящего импульса с периодом Т и длительностью t (см. фиг.5а). Уровень управляющего потенциала, обеспечивающий для n-канальной матрицы накопление и перенос зарядовых пакетов, относительно подложки (Уровень подложки фотоприемника принят равным потенциалу «общего провода» (корпуса) и совпадает на чертеже диаграмм с положением оси времени) является высоким.
0
н1
п1
п1
Рассмотрим работу телекамеры, начиная с окончания обратного хода кадровой развертки, обозначенного на эпюре фиг.5а моментом t. С этого момента в течение прямого хода кадровой развертки T на фотомишени 2-1 матрицы 2 ПЗС выполняется «длинное» зарядовое накопление кадра - «long charge». Затем в интервале кадрового переноса T зарядовая картина кадра «long charge» переписывается из секции 2-1 через секцию 2-2 и регистр 2-3 в секцию 2-6. Это становится возможным благодаря высокому уровню потенциала, присутствующему на время T на разделительном электроде 2-5 (см. фиг.5з).
п1
н2
По окончании интервала T в секции 2-1 в течение времени Т производится «короткое» накопление зарядов - «short charge».
в
о
н2
Параллельно с накоплением «short charge» кадра в секции 2-2 выполняется очистка массива от паразитных зарядов путем подачи на ее фазовые электроды трехфазных импульсных последовательностей, которые имеют частоту, равную частоте кадрового выноса F=1/Т (см. фиг.5д-ж). Максимальная длительность интервала очистки Т равна промежутку Т.
o.x.c.
Импульсные сигналы управления регистром 2-4 (см. фиг.5и-л) обеспечивают такое движение носителей, что во время обратного хода строчной развертки (t) зарядовые строки паразитного сигнала складываются (укрупняются) в нем под второй фазой, а затем во время прямого хода строчной развертки эти паразитные заряды поэлементно переносятся в БПЗН 2-4.
п2
По окончании накопления «short charge» кадра зарядовая картина в интервале Т переписывается из секции 2-1 в предварительно очищенную от паразитных зарядов секцию 2-2 (см фиг.5б-г и фиг.5д-ж).
о
Минимальный интервал очистки Т составляет величину:
о
с
с
в
о.х.с
T=NT(T/t),
с
где N - количество строк в секции 2-1;
с
Т - период строки.
c
с
в
o.x.c.
о
п1
c
в
п2
c
в
о.x.к.
Возьмем типовые значения параметров; N=290; Т=64 мкс; Т=0,6 мкс; t=12 мкс. В результате требуемая величина Т равна 928 мкс, а в сумме с интервалом кадрового переноса T, равным 2N•T и составляющим 348 мкс, и с интервалом кадрового переноса Т, равным N•Т и составляющим 174 мкс, не превышает 1450 мкс. Полученный временной промежуток вполне «укладывается» в обратный ход кадровой развертки t, так как занимает интервал менее 1600 мкс.
о
С учетом того, что управляющая способность выходного регистра ПЗС в несколько раз выше управляющей способности секции хранения, а распределение паразитного заряда убывает в направлении «сверху вниз», за интервал Т может быть осуществлена полная очистка матрицы от паразитных носителей.
н2
п2
Отметим, что во время накопления Т «short charge» кадра и его переноса в интервале Т осуществляется хранение «long charge» кадра под вторыми фазными электродами секции 2-6 (см. фиг.5н).
Затем в интервале прямого хода текущего кадра выполняется параллельное считывание «short charge» пакетов в регистре 2-3 и в БПЗН 2-4 и пакетов «long charge» соответственно в регистре 2-7 и в БПЗН 2-8. Отметим, что для регистра 2-3 это становится возможным благодаря тому, что присутствующий в это время низкий уровень потенциала на разделительном электроде 2-5 (см. фиг.5з) «изолирует» его от секции 2-6.
Обозначим, как и в прототипе, соответствующие видеосигналы кадров как «short signal» и «long signal».
1
2
2
1
min2
min1
В отличие от прототипа, где площади затворов полевых транзисторов в обоих БПЗН равны S и выполнены по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования, площадь затвора S полевого транзистора в БПЗН 2-8 в заявляемом решении выполнена по критерию минимального внесения в сигнал изображения собственных шумов матрицы 2 ПЗС, при этом S<S. Благодаря этому видеосигнал «long signal» на выходе БПЗН 2-8 при той же освещенности наблюдаемой сцены будет иметь прирост отношения сигнал/шум Ψ, а пороговая освещенность сцены будет гарантировано снижена (E<E, см. фиг.2).
В сигнальном процессоре 4 осуществляется синтез комбинированного сигнала изображения, который реализуется совершенно аналогично прототипу. Но синтезированный видеосигнал обеспечивает дополнительное расширение динамического диапазона телекамеры, так как по сравнению с прототипом в ней оптимизировано преобразование «заряд-напряжение».
Ожидаемый выигрыш в динамическом диапазоне, оцениваемом соотношением
в заявляемом решении составляет не менее 20 дБ или 10 раз.
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
7
1. Патент №2235443 РФ, МПК H04N 5/335, 3/14, 5/202. Телевизионная камера на матрице приборов с зарядовой связью / В.М.Смелков // Б.И. - 2004. - №24.
2. Скрылев А.С., Старовойтов В.И., Фрост Н.И. Фоточувствительный прибор с зарядовой связью А-1131 // Электронная промышленность. - 1991. - №7. - с.83.
3. Никитин В.В., Цыцулин А.К. Телевидение в системах физической защиты. С-Пб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001.
4. Микросхема CXD2463R фирмы Sony. Timing Controller for CCD Camera. Инструкция для пользователя на английском языке, с.1-12.
5. Микросхема CXA1310AQ фирмы Sony. Single Chip Processing for CCD Camera. Инструкция для пользователя на английском языке, с.1-14.