УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ ВРЕМЕНИ НАКОПЛЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО СЕНСОРА, ИЗГОТОВЛЕННОГО ПО ТЕХНОЛОГИИ ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ
DEVICE FOR AUTOMATIC REGULATION OF ACCUMULATION TIME OF TELEVISION SENSOR MANUFACTURED USING TECHNOLOGY OF CHARGE-COUPLED DEVICES

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах панорамного наблюдения, выполненных на базе телевизионных сенсоров по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), имеющих электронную регулировку чувствительности за счет изменения внутрикадрового времени накопления.
Известен «кольцевой» ПЗС-фотоприемник [1], состоящей из связанных последовательно зарядовой связью «кольцевой» мишени, «кольцевой» секции памяти и «кольцевого» регистра сдвига, заканчивающегося блоком преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), при этом на всей площади мишени «кольцевого» фотоприемника в радиальных направлениях (от воображаемого геометрического центра кольца к его внешней периферии) расположены линейки светочувствительных элементов, а экранированная от света секция памяти заполнена в тех же радиальных направлениях линейками с таким же числом элементов, что и на мишени, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени и в каждой «кольцевой» строке секции памяти равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига.
Сенсор обеспечивает «кольцевой» растр телевизионного изображения, а реализуемая в нем развертка может быть охарактеризована как «кольцевая» развертка видеосигнала по методу «кольцевой кадровый перенос».
Для формирования сигнала изображения в этом фотоприемнике и управления его чувствительностью по методу автоматической регулировки времени накопления принципиально может быть применен комплект гибридно-пленочных микросхем или комплект больших интегральных схем (см., например, [2, с. 189-219]), который используется для организации «прямоугольной» развертки в матрицах ПЗС кадрового переноса того же информационного формата.
Недостатком реализованной там организации устройства автоматической регулировки времени накопления (АРВН) с целью управления чувствительностью фотоприемника является низкая ее помехоустойчивость, вызываемая сбоями уровней выходного импульса, определяющего длительность кадрового экспонирования сенсора.
Важно отметить, что вывод о недостаточной помехоустойчивости устройства АРВН может быть одинаково отнесен как применительно к матричным, так и к «кольцевым» сенсорам, выполненным по технологии ПЗС.
С другой стороны, известно устройство АРВН [3], в котором решена задача управления чувствительностью с повышенной помехоустойчивостью путем исключения сбоев уровней выходного импульса накопления в интервалах воздействия помехи.
Это устройство АРВН содержит последовательно соединенные блок обработки видеосигнала и блок оценки уровня видеосигнала, причем информационный вход блока обработки видеосигнала, являющийся информационным входом устройства АРВН, подключен к выходу «видео» матрицы ПЗС, первый управляющий вход блока обработки видеосигнала - к выходу сигнала синхронизации приемника (ССП), второй управляющий вход блока обработки видеосигнала - к выходу сигнала смеси гасящих импульсов (СмГИ), выход блока оценки уровня видеосигнала - соответственно к неинвертирующему входу первого компаратора и инвертирующему входу второго компаратора, причем инвертирующий вход первого компаратора подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, вход которого подключен к выходу сигнала кадровых синхроимпульсов (КСИ), а неинвертирующий вход второго компаратора - к выходу сумматора, первый вход которого подключен к источнику напряжения смещения, а второй вход сумматора - к выходу генератора пилообразного напряжения, при этом выход первого компаратора подключен к R-входу RS-триггера, S-вход которого подключен к выходу второго компаратора, а выход RS-триггера - к D-входу D-триггера, С-вход которого подключен к инверсному выходу сигнала строчных синхроимпульсов (ССИ), а выход D-триггера - к входу блока преобразования уровней, выход которого подключен к управляющему входу матрицы ПЗС.
Отметим, что управляющий вход матричного фотоприемника является так называемым «электронным затвором», как это имеет место в современных отечественных сенсорах на ПЗС, см., например, [4].
Очевидно, что данное устройство АРВН принципиально способно решить задачу повышения ее помехоустойчивости по выходному импульсу накопления и для «кольцевого» сенсора, изготовленного по той же ПЗС-технологии, но такое использование технического решения по патенту [3] не учитывалось и не предусмотрено самим этим охранным документом.
Задача устранения сформулированного недостатка решается тем, что применяют устройство АРВН по патенту [3], обеспечивающее повышенную помехоустойчивость выходного импульса накопления в матричном фотоприемнике, изготовленном по технологии ПЗС, и для выполнения управления чувствительностью с повышенной помехоустойчивостью выходного импульса накопления в «кольцевом» фотоприемнике на ПЗС по патенту [1], состоящем из связанных последовательно зарядовой связью «кольцевой» мишени, «кольцевой» секции памяти, «кольцевого» регистра сдвига и БПЗН.
Технический результат изобретения в части повышения помехоустойчивости достигается введением гистерезиса в процесс сравнения измеряемой величины (видеосигнала) с линейно изменяющимся в течение прямого хода по кадру напряжением.
По техническому результату и методам его достижения данное решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства АРВН; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого устройства; на фиг. 3-иллюстрация процесса антиблюмингового стока в матрице ПЗС со скрытым каналом проводимости; на фиг. 4 - схемотехническая организация матричного фотоприемника на ПЗС; на фиг. 5 - схемотехническая организация «кольцевого» фотоприемника на ПЗС.
Устройство АРВН (фиг. 1) содержит последовательно соединенные блок 2 обработки видеосигнала и блок 3 оценки уровня видеосигнала, причем информационный вход блока 2, являющийся информационным входом устройства АРВН, подключен к выходу матрицы ПЗС в позиции 1, первый управляющий вход блока 2 - к выходу ССП, а второй управляющий вход блока 2 - к выходу СмГИ, выход блока 3 - соответственно к неинвертирующему входу первого компаратора 4 и инвертирующему входу второго компаратора 5, причем инвертирующий вход компаратора 4 подключен к выходу генератора 6 пилообразного напряжения, а неинвертирующий вход компаратора 5 - к выходу сумматора 7, первый вход которого подключен к источнику 8 напряжения смещения, а второй вход сумматора 7 - к выходу генератора 6, при этом выход компаратора 4 подключен к R-входу RS-триггера 9, S-вход которого подключен к выходу компаратора 5, а выход RS-триггера 9 - к D-входу D-триггера 10, С-вход которого подключен к инверсному выходу ССИ, а выход D-триггера 10 - к входу блока 11 преобразования уровней, выход которого подключен к управляющему входу матрицы 1 ПЗС.
«Кольцевой» фотоприемник 1 на ПЗС (см. фиг. 5) содержит мишень 1-1, на всей площади которой в радиальных направлениях (от воображаемого геометрического центра кольца к его внешней периферии) расположены линейки светочувствительных элементов; экранированную от света секцию памяти 1-2, заполненную в тех же радиальных направлениях линейками с таким же числом элементов, что и на мишени, а также «кольцевой» регистр сдвига 1-3, заканчивающийся БПЗН 1-4. При этом число элементов в каждой сформированной «кольцевой» строке мишени 1-1 и в каждой образованной «кольцевой» строке секции памяти 1-2 равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига 1-3, а линейки светочувствительных элементов мишени 1-1 непосредственно и последовательно связаны зарядовой связью с линейками элементов секции памяти 1-2.
Блок 2 обработки видеосигнала предназначен для обеспечения предварительной фильтрации тактовой помехи, усиления и привязки видеосигнала по уровню «черного», а также замешивания в сигнал изображения кадровых и строчных импульсов гашения.
з
макс
макс
Блок 3 оценки уровня видеосигнала осуществляет детектирование сигнала изображения с выхода блока 2 для получения регулирующего напряжения автоподстройки, которое пропорционально размаху видеосигнала. Регулирующее напряжение появляется на выходе блока 3 с некоторой амплитудной задержкой (U), что необходимо для обеспечения стабилизации видеосигнала при высоком отношении сигнал/шум. Это означает, что при значениях освещенности Е матрицы 1 ПЗС, удовлетворяющих условию: 0<Е≤(0,85…0,9)Е, где Е - максимальная освещенность, определяющая точку перегиба световой характеристики ПЗС при максимальной длительности времени накопления, величина регулирующего напряжения с выхода блока 3 должна быть равна нулю.
Блок 3 может быть реализован на основе пикового детектирования видеосигнала или, если детектирование пикового значения видеосигнала оказывается неприемлемым, то необходимо выполнять детектирование среднего уровня сигнала изображения.
Компараторы 4 и 10 выполняются совершенно аналогично. При этом компаратор 4 сравнивает информационный сигнал (регулирующее напряжение) с выхода блока 3 с уровнем пилообразного напряжения с выхода блока 5, а компаратор 10 - тот же информационный сигнал, но при подаче его на инвертирующий вход, с уровнем пилообразного напряжения, подаваемого на неинвертирующий вход, - с выхода сумматора 9.
смещения
Сумматор 9 предназначен для осуществления простого суммирования постоянного напряжения U с выхода блока 8 и пилообразного напряжения с выхода блока 5. Блок 9 может быть выполнен на операционном усилителе по схеме неинвертирующего сумматора, например [5, с. 113].
Источник 8 напряжения смещения может быть выполнен на основе схемы регулируемого стабилизированного напряжения с двумя стабилитронами. Максимальная величина выходного напряжения блока 8 равна разности напряжений стабилизации. Такая схема обеспечивает хорошую температурную компенсацию выходного напряжения, поскольку напряжения обоих стабилитронов в диапазоне температур изменяются одинаковым образом.
RS-триггер 11 имеет функциональные признаки однозначно определенного понятия. Обращаем внимание, что инвертирующие кружки у входов R и S (см. фиг. 1) означают, что активным уровнем сигнала для установки триггера в состояния 1 и 0 является уровень логического нуля на одном из входов.
Устройство АРВН (см. фиг. 1) работает следующим образом.
Здесь в том же качестве сенсора используется не матрица ПЗС, показанная на фиг. 4, а «кольцевой» фотоприемник на ПЗС с «архитектурой», представленной на фиг. 5.
п
Воспользуемся для описания работы устройства АРВН временными диаграммами, изображенными на фиг. 2. Отметим, что на этом чертеже на эпюре «а» для раскладки процессов во времени изображен кадровый синхроимпульс КСИ, который следует с периодом полукадров Т, а его длительность соответствует интервалу переноса зарядовых пакетов в «кольцевом» фотоприемнике 1 на ПЗС из фотоприемной области (мишени) в секцию памяти.
макс
смещения
1
Б
А
В
Б
Допустим, что в некоторый момент освещенность на фотомишени «кольцевого» фотоприемника 1 на ПЗС превышает максимальную (Е). Тогда величина видеосигнала с выхода ПЗС будет такова, что на выходе блока 3 появится регулирующее напряжение, отличное от нуля (см. фиг. 2б, эпюра Б). Это напряжение подается на инвертирующий вход компаратора 10 и одновременно на неинвертирующий вход компаратора 4. При этом на инвертирующий вход компаратора 4 в качестве опорного напряжения поступает с выхода блока 5 пилообразное напряжение (см. эпюру А), а на неинвертирующий вход компаратора 10 - пилообразное напряжение с выхода сумматора 9 (см. эпюру В). Отметим, что эпюра В совпадает по форме с эпюрой А, но смещена относительно нее на величину U в сторону положительных значений напряжения. В интервале Δt U>U, а U<U, поэтому на выходе компаратора 4 устанавливается уровень логической 1, а на выходе компаратора 10 - уровень логического 0.
В результате на R-входе RS-триггера 11 присутствует логическая 1, а на S-входе - логический 0, следовательно, сам триггер устанавливается в состояние 1 (см. фиг. 2в, которая изображает уровни выходных напряжений на прямом выходе (Q) триггера 11).
2
Б
А
В
Б
3
Б
А
В
Б
Предположим, что в интервале Δt в сигнале Б имеет место помеха, как показано на фиг. 2б. При этом U>U, a U может в некоторые моменты времени превышать U. Тогда на обоих входах RS-триггера 11 устанавливаются логические 1, но триггер согласно своему устройству хранит состояние 1. Эта ситуация сохраняется и в интервале Δt, но по его окончании U>U, a U<U. Тогда в последующем интервале Δt4 на R-входе RS-триггера 11 присутствует логический 0, а на S-входе - логическая 1, в результате чего сам триггер переходит в состояние 0.
5
В
Б
А
Б
Предположим, что в интервале Δt в сигнале Б снова имеет место помеха. При этом U<U, a U может в некоторые моменты превышать U. В этом случае на обоих входах RS-триггера 11 появляются логические 1, но в соответствии со своим устройством триггер сохраняет предыдущее состояние 0. Таким образом, выходной сигнал RS-триггера 11 (см. фиг. 2в) становится невосприимчив к помехам, которые могут иметь место в регулирующем напряжении на выходе блока 3 оценки уровня видеосигнала.
Далее выходной сигнал RS-триггера 11 подается на D-вход D-триггера 6, на С-вход которого поступает инвертированный строчный синхроимпульс ССИ (см. фиг. 2г). Благодаря этому, передний и задний фронты входного импульса (см. фиг. 2д) оказываются «привязанными» к временному интервалу внутри обратного хода по строке.
Выходной сигнал D-триггера 6 преобразуется затем в блоке 7 в двухуровневый сигнал (см. фиг. 2е) с уровнями импульсных смещений, необходимых для управления электронным затвором и антиблюминговой (стоковой) областью «кольцевого» сенсора.
н
Для типовой технологической организации электронного затвора и антиблюмингового стока в «кольцевом» фотоприемнике на ПЗС с каналом проводимости n-типа (см. фиг. 3а) сигнал с выхода блока 7 подается на затвор GA. Во время световой перегрузки матрицы ПЗС на затвор GA подается высокий уровень импульсного смещения, поэтому потенциальный барьер снимается, затвор открывается, а на мишени исключается процесс накопления фотоэлектронов. Носители зарядов, не задерживаясь в потенциальных ямах под фазными электродами Ф2Н фотоприемной области, устремляются в более глубокие ямы, создаваемые потенциалом DA стоковой области, а далее рекомбинируют в подложку фотоприемника (см. фиг. 3б). Когда световая перегрузка сенсора устранена, на затвор GA подается нижний уровень импульсного смещения, закрывая его и реализуя режим накопления с сокращенным внутри полукадра временем Т сбора носителей (см. фиг. 3а).
В данном устройстве АРВН повышена ее помехоустойчивость, т.к. исключаются ложные срабатывания компаратора, а следовательно, и сбои экспонирования накопителя в процессе его адаптации к освещенности.
В настоящее время все блоки предлагаемого решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
Источники информации
1. Патент РФ №2592831. МПК H04N 5/00. Устройство фотоприемника для панорамного телевизионно-компьютерного наблюдения. / В.М. Смелков // БИ 21, 2016.
2. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. - М.: Радио и связь, 1991.
3. Патент РФ №2420017. МПК H04N 5/00. Устройство автоматической регулировки времени накопления фотоприемной матрицы на приборах с зарядовой связью. / В.М. Смелков // БИ 15, 2011.
4. 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.
5. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. Перевод с английского. - М.: Мир, 1985.