Матрица фоточувствительных элементов

Полезная модель относится к многоэлементным матричным фоточувствительным приборам инфракрасного диапазона.
Известны устройства оптического ввода информации в устройство с памятью и обработки указанной информации, основанные на использовании различных многоэлементных фотоэлектрических приемников, таких как линейки и матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС), фотодиодные линейки и матрицы и др. (А.Н. Писаревский, А.Ф. Чернявский "Системы технического зрения", Л. Машиностроение, 1988, с. 119-132 [1]. Подлежащая вводу в устройство с памятью, в частности в ЭВМ, информация представляется в виде распределения световых потоков, падающих на отдельные элементы фотоэлектрического приемника, которые вырабатывают под действием света аналоговые электрические сигналы. Аналоговые электрические сигналы от каждого из элементов фотоэлектрического приемника последовательно считываются и подвергаются первичной обработке, включающей аналого-цифровое преобразование. Полученные цифровые данные заносятся в буферное запоминающее устройство (ЗУ) и считываются из буферного ЗУ через интерфейс связи в ЭВМ, где подвергаются последующей обработке по заданному алгоритму. Недостатком известных устройств является относительно высокий порог чувствительности, что ограничивает их использование в условиях малой освещенности
Известно устройство для воспроизведения изображения интерферограмм, имеющее с своем составе матрицу на приборе с зарядовой связью (ПЗС) конструктивно-технологическая организация которой выполнена по принципу "кадровый перенос" с двумя разнесенными секциями и одним выходным регистром.
с
э
Матрица состоит из связанных зарядовой связью первой секции накопления и выходного регистра, блока управления, предварительного усилителя и видеоконтрольного блока, при этом первый выход блока управления соединен с управляющим входом первой секции накопления матрицы ПЗС, второй выход - с управляющим входом выходного регистра матрицы ПЗС, введенной в матрицу ПЗС второй секции накопления, которая связана зарядовой связью с первой секцией накопления и выходным регистром. причем управляющий вход второй секции накопления соединен с первым выходом блока управления, а светоделитель оптически связан с первой секцией накопления матрицы ПЗС непосредственно, а с второй секцией - через светорегулирующую ячейку (RU 2030841 [2]). Во время активной части кадра (в течение прямого хода кадровой развертки под действием фазных последовательностей, формируемых преобразователями уровней, производится построчный (с периодом Т) и поэлементный (с периодом Т) сдвиг накопленного зарядового рельефа из секции накопления к выходу выходного регистра, а также одновременное заполнение секции зарядовым рельефом. В последующем (n+1) кадре производится новый цикл экспозиции для секций накопления. В течение активной части (n+1) кадра зарядовый сигнал считывается и известным способом через предварительный усилитель и воспроизводится на экране видеоконтрольного блока. Далее процесс периодически с кадровой частотой повторяется.
Устройство обеспечивает увеличение точности воспроизведения изображения интерферограмм в условиях случайных колебаний контролируемого объекта, однако эффект повышения чувствительности возникает только при наблюдении малоподвижных объектов и относительно высокий порог чувствительности ограничивает использование в условиях малой освещенности.
Известна телевизионная камера, которая содержит в своем составе матричный ПЗС с покадровым переносом, включающий секцию накопления, секцию памяти и выходной регистр, синхрогенератор, усилитель-формирователь импульсов управления секцией накопления и секцией памяти (RU 2014744 [3]), Устройство обеспечивает увеличение точности формирования функции распределения яркости изображения, но относительно высокий порог чувствительности ограничивает использование в условиях малой освещенности.
Телевизионная камера, которая может быть использована в условиях пониженной освещенности объекта описана в (RU 2199191 [3]). В камере применен автоматический выбор длительности времени накопления фотоприемника на матрице ПЗС при работе камеры в режиме однократного формирования видеосигнала (в режиме "MONOSHOT") в условиях пониженной освещенности объекта. В телевизионную камеру, содержащую последовательно расположенные и оптически связанные объектив и датчик видео- и синхросигналов, первый управляющий вход которого является входом "задания длительности накопления", второй управляющий вход датчика - входом "задания длительности считывания", третий управляющий вход датчика - входом "выбора режима работы", выход тактовых синхроимпульсов датчика - выходом "синхро" камеры, а выход видеосигнала датчика - выходом "видео" камеры, введены пиковый детектор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), формирователь длительности накопления, одновибратор, первый и второй RS-триггеры, элемент "ИЛИ" и инвертор. При этом выход видеосигнала датчика подключен к информационному входу пикового детектора, управляющий вход которого объединен с входом одновибратора и входами "S" первого и второго RS-триггеров и подключен к входу "пуск" камеры, а выход пикового детектора подключен к информационному входу АЦП, выход которого подключен к установочному входу формирователя длительности накопления, разрешающий вход которого подключен к выходу одновибратора. Управляющий вход формирователя длительности накопления подключен к инверсному выходу первого RS-триггера, тактовый вход формирователя длительности накопления объединен с тактовым входом АЦП и подключен к выходу тактовых синхроимпульсов датчика, а выход формирователя длительности накопления подключен к входу "R" первого RS-триггера и соответственно к первому управляющему входу датчика, второй управляющий вход которого подключен через инвертор к входу "R" второго RS-триггера, инверсный выход которого подключен к первому входу элемента "ИЛИ", второй вход которого подключен к выходу одновибратора, а выход элемента "ИЛИ" - к третьему управляющему входу датчика. Технический результат достигается за счет дополнительного введения в телевизионную камеру пикового детектора, АЦП, формирователя длительности накопления, одновибратора, первого и второго RS-триггеров, элемента "ИЛИ" и инвертора, что позволяет в режиме "TV" осуществлять измерение уровня видеосигнала от интересующего объекта в условиях данной освещенности, а по полученному результату определять оптимальную величину длительности накопления фотоприемника в режиме "MONOSHOT."
Предложенная схема реализуется на ПЗС видеоматрицах с секцией накопления. При этом часть схемы управления должна быть интегрирована с схему видеоматрицы.
К недостаткам схемы относятся:
- необходимо внесение радикальных изменений в схему матрицы; устройство не может быть реализовано на матрицах без внесения изменений;
- схема предназначена для автоматического выбора длительности накопления (экспозиции) в режиме "MONOSHOT" (одиночного кадра);
- при использовании в схеме с фиксированной частотой кадров экспозиция не может превышать межкадрового интервала.
Все рассмотренные выше устройства используют в своем составе фотоприемники на основе ПЗС, что ограничивает их сферу применения в условиях малой освещенности. В видимом и ближнем ИК диапазоне осуществлен качественный скачок благодаря переходу от главного типа фотоприемников на ПЗС к КМОП фотоприемникам. Принципиальное отличие этих приборов от ПЗС состоит в методе реализации развертки. Координатная адресация к каждому элементу вместо протаскивания заряда каждого элемента сначала по всему столбцу, а потом по всей строке позволяет избежать искажений, связанных с неэффективностью переноса заряда. Телекамеры нового поколения, основанные на КМОП фотоприемниках, объединяют в себе фотоприемник, устройства развертки, квантования и обработки изображения, и в силу своей структурной сложности переходят в класс видеосистемам на кристалле
Технология КМОП, в отличие от ПЗС, позволяет осуществлять большее количество операций прямо на кристалле, на котором расположена фоточувствительная матрица. Кроме высвобождения электронов и их передачи, КМОП-сенсоры могут также обрабатывать изображения, выделять контуры изображения, уменьшать помехи и производить аналого-цифровые преобразования. Более того, имеется возможность создавать программируемые КМОП-сенсоры, следовательно, можно получить очень гибкое многофункциональное устройство.
Столь широкий набор функций, выполняемых одной микросхемой, - основное преимущество технологии КМОП над ПЗС. При этом сокращается количество необходимых внешних компонентов. Использование в цифровой камере КМОП-сенсора позволяет устанавливать на освободившееся место другие чипы - например, цифровые сигнальные процессоры (DSP) и аналого-цифровые преобразователи.
Известна ячейка многоэлементного приемника изображения, выполненная в составе интегральной схемы, которая состоит из чувствительного элемента с накоплением заряда, пропорционального интенсивности принятого излучения и времени его экспозиции, элемента запоминания накопленного заряда, элемента передачи заряда под управлением координатных шин адресной выборки на сигнальные шины (RU 2327250 [4]).
Ячейка работает следующим образом.
После предустановки фоточувствительного элемента путем задания потенциала на стоке транзистора ТХ включением транзистора RST и по завершении экспозиции накопленный в фотодиоде заряд при включении транзистора ТХ и подаче на координатную шину адресной выборки высокого потенциала перетекает в зарядово-связанный с ним МОП-конденсатор, являющийся элементом запоминания. После зарядки затем сигнальной шины высоким потенциалом и последующим снятии его с шины адресной выборки происходит перетекание заряда из элемента запоминания в зарядово-связанный с ним элемент передачи заряда, который, будучи связанным с сигнальной шиной, меняет ее заряд и, следовательно, потенциал. Изменение потенциала на сигнальной шине является сигналом. В матрице сигнальная шина имеет по сравнению с МОП-конденсаторами ячейки много большую емкость, поэтому на нее могут суммироваться заряды многих ячеек, одновременно подключаемых к ней в соответствии с алгоритмом сжатия информации в изображении. При изменении последовательности подачи высоких потенциалов на шинах и на обратную происходит обратное перетекание заряда с сигнальной шины в элемент запоминания.
Благодаря адресной передаче заряда из ячейки в ячейку через сигнальную шину возможна реализация алгоритма временной задержки и накопления, применяемого в фотоприемниках со сканированием для увеличения отношения сигнал-шум.
Схема требует введения в фоточувствительную ячейку дополнительных элементов, что снижает фактор заполнения и тем самым, чувствительность ячейки; реализуемый предложенным способом режим временной задержки и накопления (ВЗН) применим только в видеосистемах с оптическим сканированием (видеосистемы первого поколения), и неприменим к «смотрящим» матрицам (видеосистемы второго поколения).
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по своей технической сущности является многоэлементный видеопреобразователь оптического излучения, содержащий матрицу фоточувствительных элементов, в котором накопленный в элементарной ячейке заряд определяет ток управляющего транзистора истокового повторителя, расположенного в ячейке матрицы, нагрузка которого привязана к общей шине столбца матрицы. Управление считыванием видеосигнала производится с помощью КМОП-мультиплексоров (US 5933190, [5]). В известном устройстве считывание информации с матричного преобразователя оптического излучения осуществляется по схеме строчно-кадровой выборки. По этой схеме с помощью вертикального сдвигового регистра производится выборка строки фоточувствительных ячеек и передача потенциала фоточувствительного элемента на общую вертикальную шину через истоковый повторитель, нагрузка которого привязана к общей шине. Установившийся на нагрузке потенциал, соответствующий заряду фоточувствительной ячейки, запоминается с помощью схемы выборки-хранения. Затем последовательно опрашивая ячейки выборки-хранения с помощью горизонтального сдвигового регистра осуществляется мультиплексирование строки видеосигнала на общую шину и через буферный усилитель осуществляется последовательный вывод видеоизображения на внешние устройства. Перезарядка чувствительного элемента осуществляется при помощи второго вертикального сдвигового регистра, под действием которого происходит построчное подключение к источнику опорного потенциала, регулировка задержки которого относительно считывания позволяет регулировать время экспозиции кадра. Недостатком прототипа является низкая пороговая чувствительность вследствие малого фактора заполнения фоточувствительной ячейки.
Заявляемая полезная модель направлена на увеличение пороговой чувствительности и чувствительности устройства в целом за счет увеличения времени накопления.
Указанный результат достигается тем, что матрица фоточувствительных элементов с накоплением на диодах Шоттки, содержит строчно-кадровую структуру из фоточувствительных элементов, управляемый от внешней системы управления регистр заряда строк этой структуры, выход которого соединен со структурой фоточувствительных элементов, и управляемый от внешней системы управления регистр считывания строк, выход которого соединен со структурой фоточувствительных элементов, которая соединена с блоком ячеек буферной памяти, вход которого соединен с регистром выноса информации из буферной памяти, а выход - с выходным усилителем. При этом между внешней системой управления и входом в регистр заряда фоточувствительных элементов установлен управляемый затвор, а вход управления затвора соединен с входом управления регистром считывания.
Отличительным признаком заявляемого устройства является установка между внешней системой управления и входом в регистр заряда ячеек управляемого затвора, вход управления которым соединен с входом управления регистром считывания.
Наличие в матрице управляемого затвора, вход управления которым соединен с входом управления регистром считывания, позволяет блокировать один или несколько последовательных циклов перезаряда фоточувствительных ячеек, и тем самым увеличить длительность периода накопления фотосигнала на один или несколько межкадровых интервалов. При этом сохраняется возможность регулирования длительности накопления в пределах одного межкадрового интервала штатным для фоточувствительной матрицы на диодах Шоттки способом.
Схема фоточувствительной ячейки и фактор заполнения не изменяются, а схема управления накоплением может быть реализована как формированием управляемого затвора на кристалле матрицы, так и подключением внешнего управляемого затвора.
Сущность заявляемого устройства поясняется примером реализации и чертежом, на котором показана его принципиальная схема.
Матрица фоточувствительных элементов с накоплением на диодах Шоттки, содержит строчно-кадровую структуру 1 из фоточувствительных элементов, управляемый от внешней системы управления 2 регистр 3 заряда строк этой структуры, выход которого соединен со структурой фоточувствительных элементов, и управляемый от внешней системы управления регистр 4 считывания строк, выход которого соединен со структурой фоточувствительных элементов, которая соединена с блоком 5 ячеек буферной памяти, вход которого соединен с регистром 6 выноса информации из фоточувствительных элементов, а выход - с выходным усилителем (не показан). Между внешней системой управления 2 и входом в регистр 3 заряда фоточувствительных элементов установлен управляемый затвор 7, а вход управления затвора соединен с входом управления регистром считывания 4.
Регистрация кадра изображения происходит следующим образом.
Вариант А. При нормальной освещенности объекта, в штатном режиме затвор 7 не управляется, находится в состоянии «включен» (сигнал запуска регистра пропускается).
Процесс заряда строк происходит следующим образом. По сигналу (импульсу) от внешней системы управления 2 запускается регистр заряда ячеек 3; ячейки каждой строки заряжаются одновременно; все строки заряжаются последовательно, с частотой тактовых импульсов, Процесс накопления фотосигнала в фоточувствительных ячейках каждой следующей строки начинается через интервал времени, равный периоду тактовых импульсов.
Процесс считывания строк происходит следующим образом. Через заданный интервал времени после запуска регистра 3, определяющий время экспозиции, от внешней системы управления 2 поступает импульс запуска регистра считывания 4. Информация об уровне накопленного фотосигнала из ячеек строки одновременно сбрасывается (считывается) в буферную память 5, затем по сигналу от внешней системы управления 2 запускается регистр выноса информации 6, и информация из буферного накопителя передается на выход. Процесс завершается до считывания информации из ячеек следующей строки, в период между тактовыми импульсами регистра 4.
Следующий кадр снова начинается с заряда строк. В этом режиме интервал между зарядом ячеек и считыванием сигнала - время накопления, или экспозиция, не может быть больше периода одного кадра.
Вариант Б. При слабой освещенности объекта осуществляется режим с увеличением времени накопления на период одного кадра: управление затвором 7 включено, затвор 7 находится в состоянии «включен»; состояние затвора 7 изменяется по каждому импульсу от внешней системы управления 2.
Для первого кадра:
- процесс заряда строк аналогичен описанному в варианте А.
- процесс считывания строк происходит через заданный интервал времени после запуска регистра 3, определяющий время экспозиции. От внешней системы управления 2 поступает импульс запуска регистра считывания 4; одновременно импульс приводит затвор в состояние «выключен». Информация об уровне накопленного фотосигнала из ячеек строки одновременно сбрасывается (считывается) в буферную накопитель (память) 5, затем по сигналу от внешней системы управления 2, запускается регистр выноса информации 6, и информация из буферного накопителя передается на выход. Процесс завершается до считывания информации из ячеек следующей строки, в период между тактовыми импульсами регистра 4.
Для второго кадра:
- процесс заряда строк не происходит, так как затвор 7 находится в состоянии «выключен»; процесс накопления сигнала в фоточувствительных ячейках матрицы (экспозиция), продолжается.
- процесс считывания строк происходит через заданный интервал времени после запуска регистра 3. От внешней системы управления 2 поступает импульс запуска регистра считывания 4; одновременно импульс приводит затвор в состояние «включен». Далее цикл аналогичен описанному в варианте А.
В результате, в первом кадре считываются значения фотосигнала с нормальным временем экспозиции, а во втором кадре - считываются значения фото-сигнала с временем экспозиции, увеличенным на период одного кадра.
Циклы каждой последующей пары кадров аналогичны циклам первой пары.
Вариант В. При очень слабой освещенности объекта осуществляется режим с увеличением времени накопления на период двух кадров. Управление затвором 7 включено, затвор 7 находится в состоянии «включен»; состояние затвора 7 изменяется по каждому нечетному импульсу от внешней системы управления 2 (через один импульс).
Для первого кадра:
- процесс заряда строк аналогичен описанному в варианте А.
- процесс считывания строк аналогичен описанному в варианте А.
Для второго кадра:
- процесс заряда строк не происходит, так как затвор 7 находится в состоянии «выключен»; процесс накопления сигнала в фоточувствительных ячейках матрицы (экспозиция), продолжается.
- процесс считывания строк аналогичен описанному в варианте А.
Для третьего кадра:
- процесс заряда строк не происходит, так как затвор 7 находится в состоянии «выключен»; процесс накопления сигнала в фоточувствительных ячейках матрицы (экспозиция), продолжается.
- процесс считывания строк происходит через заданный интервал времени после запуска регистра 3. От внешней системы управления 2 поступает импульс запуска регистра считывания 4; одновременно импульс приводит затвор в состояние «включен». Информация об уровне накопленного фотосигнала из ячеек строки одновременно сбрасывается (считывается) в буферную память 5, затем по сигналу от внешней системы управления 2, запускается регистр выноса информации 6, и информация из буферного накопителя передается на выход. Процесс завершается до считывания информации из ячеек следующей строки, в период между тактовыми импульсами регистра 4.
В результате, в первом кадре считываются значения фотосигнала с нормальным временем экспозиции, во втором кадре считываются значения фотосигнала с временем экспозиции, увеличенным на период одного кадра, в третьем кадре считываются значения фотосигнала с временем экспозиции, увеличенным на период двух кадров.
Циклы каждой последующей тройки кадров аналогичны циклам первой тройки.