Способ управления поэлементным переносом зарядовых пакетов в матричном фотоприёмнике на ПЗС
CHARGE PACKAGES ELEMENT-BY-ELEMENT TRANSFER CONTROL METHOD IN THE CCD MATRIX PHOTO RECEIVER

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах, выполненных на базе матричных фотоприемников, которые изготовлены по технологии приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС).
о.х.с.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ управления поэлементным переносом зарядовых пакетов в матричном фотоприемнике на ПЗС [1, с. 168], заключающийся в том, что в телевизионной матрице ПЗС, имеющей схемотехническую организацию «кадровый перенос», которая содержит на прямоугольном кристалле секцию накопления, секцию памяти, выходной регистр сдвига и блок преобразования «заряд - напряжение», при этом на мишени в телевизионном интервале прямого хода кадровой развертки накапливают зарядовое изображение информационного кадра, затем в телевизионном интервале обратного хода кадровой развертки переносят информационные заряды из секции накопления в экранированную от света секцию памяти, в последующем интервале прямого хода кадровой развертки на мишени накапливают новое зарядовое изображение информационного кадра, а зарядовое изображение предыдущего информационного кадра построчно переносят из секции памяти к выходному регистру сдвига, загружая его зарядовыми пакетами каждой накопленной строки в телевизионном интервале обратного хода строчной развертки τ, а в последующем телевизионном интервале прямого хода строчной развертки выполняют перенос этих зарядовых пакетов вдоль регистра и считывание в БПЗН с частотой поэлементного переноса ,
о.х.с
Отметим, что у прототипа текущая загрузка информационными зарядовыми пакетами выходного регистра сдвига матрицы ПЗС выполняется в пределах временного промежутка, который в телевизионной развертке занимает интервал τ - длительность обратного хода по строке.
Следует отметить и другое. Предложившие в 1971 году организацию «кадровый перенос» для матричных фотоприемников на ПЗС американские ученые К. Секен и М. Томпсет стали лауреатами Нобелевской премии по физике за 2009 год.
Из той же монографии [1, с. 153] известно, что в n-канальном ПЗС с размером ячейки 30 мкм, работающем на частоте 1 МГц, зарядовый пакет величиной 0,5 пКл потребляет удельную мощность около 2,8 нВт/элемент. И эта величина растет как квадрат рабочей частоты. Отсюда следует, что мощность энергопотребления фотоприемника на ПЗС в первом приближении определяется затратами по организации в нем поэлементного переноса зарядов.
э
Недостаток способа прототипа - повышенное энергопотребление матричного фотоприемника, связанное с высокой частотой поэлементного переноса зарядов ƒ за время строки, которым сопровождается существенное наращивание числа светочувствительных пикселов, необходимое для достижения желаемой разрешающей способности выходного видеосигнала.
э
Задачей изобретения является сокращение энергопотребления фотоприемника за счет двойного снижения частоты поэлементного переноса зарядов ƒ за время строки, путем выполнения выходного регистра в виде двух линейных регистров, каждый из которых содержит число пикселов, равное  (половине) по отношению к их количеству у прототипа.
э
о.х.с.
Поставленная задача в заявляемом способе управления поэлементным переносом зарядовых пакетов в матрице ПЗС решается тем, что по сравнению с прототипом [1] частоту поэлементного переноса ƒ снижают в два раза, а выходной регистр сдвига выполняют в виде двух смежных линейных регистров, действующих поочередно на двухканальный БПЗН, при этом каждый из этих линейных регистров содержит половину элементов от числа пикселов для каждой фотоприемной строки, а в интервале τзагружают зарядовыми пакетами текущей информационной строки оба линейных» регистра последовательно во времени и раздельно для нечетных и четных пикселов этой строки, а число фазных электродов для отдельно взятого пиксела в обоих линейных регистрах должно быть четным, составляя показатель 2 или 4.
э
По отношению к прототипу [1] заявляемый способ отличается показателем частоты поэлементного переноса ƒ в матричном фотоприемнике на ПЗС, которая уменьшена в два раза, а также новой организацией в нем составляющих его блоков: выходного регистра сдвига и БПЗН. Согласно заявляемому способу выходной регистр сдвига состоит из двух параллельно действующих линейных регистров, а БПЗН из одноканального блока становится двухканальным. При этом зарядовые сигналы будут регистрироваться БПЗН в правильном фазовом соотношении за счет выбора четного показателя для числа фазных электродов применительно к отдельно взятому элементу этих регистров.
Совокупность известных и новых признаков для этого способа не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
При организации в телевизионной камере для матрицы ПЗС такого режима управления поэлементным переносом зарядовых пакетов разрешающая способность формируемого видеосигнала остается неизменной, а энергопотребление от блока развертки сокращается почти в два раза.
Следовательно, заявляемый способ управления поэлементным переносом зарядовых пакетов в матричном фотоприемнике на ПЗС способен при тех же энергетических затратах прототипа реализовать повышенную разрешающую способность видеосигнала, т.е. повышенную четкость формируемого изображения.
Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена схемотехническая организация матричного фотоприемника, реализующая заявляемый способ; на фиг. 2 - эпюры, поясняющие управление первым и вторым линейными регистрами фотоприемника, в котором управление поэлементным переносом осуществляется согласно заявляемому способу.
Матричный фотоприемник в позиции 1, см. фиг. 1, выполнен по технологии ПЗС на прямоугольном кристалле, на котором расположены: секция 1-1 накопления, секция 1-2 памяти, первый линейный регистр 1-3-(1), второй линейный регистр 1-3-(2) и БПЗН 1-4.
Каждый из этих линейных регистров имеет входное управление через затвор загрузки, который по импульсному сигналу может быть открыт, обеспечивая поступление зарядовых пакетов в ячейки своего регистра, или наоборот - закрыт, изолируя тем самым ячейки своего регистра от поступления зарядов.
В интервале прямого хода по кадру происходит процесс накопления зарядовых пакетов пропорционально освещенности на мишени 1-1. В течение последующего интервала обратного хода кадровой развертки заряды строк, участвовавших в накоплении, переносятся в экранированную от света секцию 1-2 памяти. В последующем интервале прямого хода кадровой развертки на мишени 1-1 накапливают новое зарядовое изображение информационного кадра, а зарядовое изображение предыдущего информационного кадра построчно переносят из секции 1-2 памяти (вниз по кристаллу), загружая в интервале обратного хода по строке новыми зарядами оба линейных регистра.
Рассмотрим подробнее «механизм» этой зарядовой загрузки, используя временные диаграммы сигналов, представленные на фиг. 2.
о.х.с.
с
На фиг. 2а изображена эпюра сигнала для строчного гасящего импульса телевизионной развертки, активно действующего в течение интервала τ с периодом строк Т.
На фиг. 2б, фиг. 2в показаны эпюры импульсных сигналов, управляющие затворами загрузки второго линейного регистра 1-3-(2) и первого линейного регистра 1-3-(1) соответственно.
Отметим, что первый линейный регистр 1-3-(1) является универсальным, обеспечивая перенос зарядовых пакетов двух направлениях, а именно: как вдоль регистра, так и поперек (насквозь), т.е. в ячейки второго линейного регистра 1-3-(2).
Для реализации второй функции в зазоры между элементами регистра 1-3-(1), имеющими ширину пиксела, устанавливаются дополнительные электроды (на фиг. 1 они отмечены пунктиром), соединенные между собой и подключенные к постоянному напряжению, величина которого не менее управляющего потенциала зарядового переноса. Эти дополнительные электроды выполняют одновременно и другую важную роль, а именно: исключают зарядовые потери при переносе в регистре 1-3-(1). По этой причине точно такие же дополнительные электроды устанавливаются и в зазоры между элементами регистра 1-3-(2).
э
э
На фиг. 2г, фиг. 2д представлены эпюры импульсных сигналов, управляющие работой обоих линейных регистров параллельно применительно для двухфазной системы зарядового переноса зарядов, где Т = 1/ƒ - период поэлементного переноса зарядовых пакетов.
о.х.с.
В промежутке  τ - интервале активного действия импульса на фиг. 2б через открытый затвор загрузки в регистр 1-3-(2), в ячейки под первыми фазными электродами, будут поступать заряды первого, третьего, пятого и других нечетных элементов этой строки.
о.х.с.
А в последующем интервале  τ - интервале активного действия импульса, изображенного на фиг. 2в, через открытый затвор, в ячейки под первыми фазными электродами, будет загружаться зарядами регистр 1-3-(1), но применительно для второго, четвертого, шестого и других четных элементов этой строки.
Отметим, что в этом временном промежутке зарядовые пакеты, загруженные ранее в линейный регистр 1-3-(2), остаются там «на своих местах», находясь потенциальных ямах этого регистра в режиме хранения.
Предлагаемый способ управления поэлементным переносом зарядовых пакетов в матричном фотоприемнике на ПЗС может быть реализован и для двух других технологических вариантов матрицы ПЗС, т.е. для сенсоров, изготовленных соответственно по методу «строчный перенос» и «строчно-кадровый перенос» [2, с. 134-137].
В отличие от матрицы ПЗС «кадрового переноса» на фотоприемной области (мишени) этих приборов вертикально расположенные линейки светочувствительных элементов чередуются с вертикальными линейками изолированных от света пикселов.
Но выходной регистр сдвига у этих вариантов матриц ПЗС устроен как у прототипа, предполагая и его аналогичную загрузку зарядами во времени.
Очевидно, что предлагаемый способ может быть использован как в матричных фотоприемниках на ПЗС монохромного изображения, так и в» фотоприемниках цветного видеосигнала, получаемых путем покрытия мишени сенсора цветным мозаичным фильтром.
Следовательно, технический результат заявляемого решения: уменьшенное почти в два раза энергопотребление фотоприемника, - распространяется на все три варианта технологической организации матрицы ПЗС монохромного или цветного изображения.
В настоящее время все элементы структурной схемы матричного ПЗС фотоприемника (все элементы его схемотехнической организации), в котором должны быть реализованы все признаки заявляемого способа управления поэлементным переносом зарядовых пакетов, освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. Перевод с англ. - «Мир», 1978.
2. Владо Дамьяновски. CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии. Перевод с англ. - М.: «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.