Способ управления поэлементным переносом зарядовых пакетов в "кольцевом" фотоприёмнике на ПЗС для панорамного телевизионно-компьютерного наблюдения
METHOD OF CONTROLLING ELEMENT-BY-ELEMENT TRANSFER OF CHARGE PACKETS IN RING PHOTODETECTOR ON CCD FOR PANORAMIC TELEVISION AND COMPUTER SURVEILLANCE

Предполагаемое изобретение имеет отношение к панорамному компьютерному наблюдению, которое выполняется телевизионной камерой кругового обзора в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места, при помощи «кольцевого» фотоприемника, изготовленного по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС).
о.х.с.
э
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ управления поэлементным переносом зарядовых пакетов в «кольцевом» фотоприемнике на ПЗС [1], заключающийся в том, что в «кольцевом» фотоприемнике, изготовленном по технологии ПЗС, который имеет кристалл в виде кругового кольца и содержит в его пределах фотоприемную область (мишень), «кольцевой» выходной регистр и блок преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН) с организацией «плавающая диффузия», при этом на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» выходному регистру, а число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области равно числу элементов (пикселов) в «кольцевом» выходном регистре, причем площадь светочувствительных и экранированных элементов на фотоприемной области от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь пиксела его «кольцевого» выходного регистра, при этом в телевизионном интервале прямого хода кадровой развертки накапливают зарядовое изображение информационного кадра на светочувствительных элементах фотоприемной области, затем в телевизионном интервале обратного хода кадровой развертки накопленные зарядовые пакеты переносят за один шаг поворота в экранированные от света пикселы на той же мишени; в последующем интервале прямого хода кадровой развертки на светочувствительных элементах фотоприемной области накапливают новое зарядовое изображение информационного кадра, а зарядовое изображение предыдущего информационного кадра построчно переносят из экранированных элементов мишени в направлении к «кольцевому» выходному регистру, 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 ƒ, при этом в процессе получения сигнала изображения управляют площадью считывающей апертуры видеосигнала пропорционально изменению площади светочувствительных элементов мишени фотоприемника.
В прототипе [1] обеспечивается выравнивание разрешающей способности формируемого цветного изображения за счет управления площадью считывающей апертуры видеосигнала. Отметим, что для этого БПЗН фотоприемника прототипа организован по типу «плавающая диффузионная область» [2], а поэтому имеет управляющий вход, обеспечивающий поэлементный сброс напряжения формируемого видеосигнала.
о.х.с.
Применительно к отдельно взятой строке в прототипе [1] выполняется традиционная загрузка зарядовыми пакетами «кольцевого» выходного регистра в пределах временного промежутка, который по телевизионному стандарту занимает интервал τ - длительность обратного хода строчной развертки.
Из монографии [3, 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 «кольцевого» фотоприемника, связанное с высокой частотой поэлементного переноса зарядов ƒ в «кольцевой» строке, 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 в «кольцевой» строке, путем выполнения выходного «кольцевого» регистра в виде двух «кольцевых» 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 «кольцевом» фотоприемнике на ПЗС для панорамного телевизионно-компьютерного наблюдения решается тем, что по сравнению с прототипом [1] частоту поэлементного переноса ƒ снижают в два раза, а «кольцевой» выходной регистр выполняют в виде двух смежных «кольцевых» регистров, действующих поочередно на двухканальный БПЗН, при этом каждый из этих «кольцевых» регистров содержит половину элементов от числа пикселов для каждой фотоприемной строки, а в интервале τ загружают зарядовыми пакетами текущей информационной строки оба «кольцевых» регистра последовательно во времени и раздельно для нечетных и четных пикселов этой строки, причем для зарядовых пакетов, поступающих по второму входу БПЗН, выполняют, как и по первому входу, управление площадью считывающей апертуры видеосигнала, а число фазных электродов для отдельно взятого пиксела в обоих «кольцевых» регистрах должно быть четным, составляя показатель 2 или 4.
э
По отношению к прототипу [1] заявляемый способ отличается показателем частоты поэлементного переноса ƒ в «кольцевом» фотоприемнике, которая уменьшена в два раза, а также новой организацией в нем составляющих его блоков: выходного регистра и БПЗН. Согласно заявляемому способу выходной «кольцевой» регистр состоит из двух параллельно действующих «кольцевых» 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 «кольцевого» фотоприемника такого режима управления поэлементным переносом зарядовых пакетов разрешающая способность видеосигнала панорамного сюжета остается неизменной, а энергопотребление от блока развертки сокращается почти в два раза.
Поэтому заявляемый способ управления поэлементным переносом зарядовых пакетов в «кольцевом» фотоприемнике на ПЗС способен при тех же энергетических затратах прототипа [1] реализовать повышенную разрешающую способность видеосигнала, т.е. повышенную четкость формируемого изображения.
Очевидно, что предлагаемый способ может быть использован как в «кольцевых» фотоприемниках монохромного изображения, так и в «кольцевых» фотоприемниках цветного видеосигнала, получаемых путем покрытия мишени сенсора цветным мозаичным фильтром в форме кольца.
Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена схемотехническая организация «кольцевого» фотоприемника, реализующая заявляемый способ; на фиг. 2 - эпюры, поясняющие управление первым и вторым «кольцевыми» регистрами фотоприемника, в котором управление поэлементным переносом осуществляется согласно заявляемому способу; на фиг. 3, по данным [2, с. 19], представлена структурная схема БПЗН с организацией «плавающая диффузионная область»; на фиг. 4 изображена эпюра выходного сигнала блока формирования апертуры (БФА) в составе телевизионной камеры с использованием новой организации «кольцевого» фотоприемника, на фиг. 5 - структурная схема компьютерной системы цветного изображения по данным [4] для ведения панорамного телевизионного наблюдения с этим фотоприемником; на фиг. 6, по данным [5], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 7 - предлагаемое оператору панорамное изображение текущего «кольцевого» кадра в виде последовательности из 6-ти «прямоугольных» кадров.
«Кольцевой» фотоприемник, см. фиг. 1, в позиции 1-3, выполнен по технологии ПЗС, на кристалле которого, имеющего форму кругового кольца, расположены: «кольцевая» фотоприемная область 1-3-1, первый «кольцевой» регистр 1-3-2-(1), второй «кольцевой» регистр 1-3-2-(2) и БПЗН 1-3-3.
Каждый из этих «кольцевых» 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.
Фотоприемник 1-3 реализует «кольцевую» развертку зарядового изображения на фотоприемной области 1-3-1 с последующим поэлементным считыванием зарядов параллельно в обоих «кольцевых» регистрах 1-3-2-(1) и 1-3-2-(2) и формированием на выходе БПЗН 1-3-3 напряжения видеосигнала в аналоговой форме.
При этом в интервале прямого хода по кадру происходит процесс накопления зарядовых пакетов пропорционально освещенности панорамного сюжета в светочувствительных пикселах мишени 1-3-1. В течение кратковременного промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки открывается затвор мишени, и заряды всех «кольцевых» строк, участвовавших в накоплении, переносятся (за один шаг поворота) в экранированные от света пикселы, расположенные на той же области мишени 1-3-1.
Затем затвор мишени закрывается и в новом кадровом цикле на мишени выполняется накопление другой зарядовой «картины», а накопленные в предыдущем кадре зарядовые пакеты в радиальных направлениях переносятся на периферию кристалла фотоприемника, загружая в интервале обратного хода по строке новыми зарядами оба «кольцевых» 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 «кольцевого» регистра 1-3-2-(2) и первого «кольцевого» регистра 1-3-2-(1) соответственно.
Отметим, что первый «кольцевой» регистр 1-3-2-(1) является универсальным, обеспечивая перенос зарядовых пакетов двух направлениях, а именно: как вдоль регистра, так и поперек (насквозь), т.е. в ячейки второго «кольцевого регистра 1-3-2-(2).
Для реализации второй функции в зазоры между элементами регистра 1-3-2-(1), имеющие 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 «кольцевом» переносе в регистре 1-3-2-(1). По этой причине точно такие же дополнительные электроды устанавливаются и в зазоры между элементами регистра 1-3-2-(2).
э
э
о.х.с.
На фиг. 2г, фиг. 2д представлены эпюры импульсных сигналов, управляющие работой обоих «кольцевых» регистров параллельно применительно для двухфазной системы переноса зарядов, где Т=1/ƒ - период поэлементного переноса зарядовых пакетов. В промежутке  τ - интервале активного действия импульса на фиг. 2б через открытый затвор загрузки в регистр 1-3-2-(2) будут поступать заряды первого, третьего, пятого и других нечетных элементов строки.
о.х.с.
А в последующем интервале  τ - интервале активного действия импульса, изображенного на фиг. 2в, через открытый затвор будет загружаться зарядами регистр 1-3-2-(1), но применительно для второго, четвертого, шестого и других четных элементов этой строки. Отметим, что в этом временном промежутке зарядовые пакеты, загруженные ранее в «кольцевой» регистр 1-3-2-(2), остаются там «на своих местах», находясь в ячейках (потенциальных ямах) регистра в режиме хранения.
Телевизионная камера цветного изображения, выполненная на базе «кольцевого» фотоприемника, см. фиг. 5, содержит последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив 1-1, инфракрасный отсекающий фильтр (ИК-фильтр) 1-2 и фотоприемник 1-3, мишень которого накрыта мозаичным цветным фильтром, являющимся«кольцевым» по форме, который разделяет световой поток, попадающий на светочувствительные элементы, соответственно на его голубой, желтый, пурпурный и зеленый компоненты; в состав телевизионной камеры также входят следующие блоки: сигнальный процессор 1-4, блок 1-5 «кольцевой» развертки, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1-6 и БФА 1-7; выход БПЗН фотоприемника 1-3 подключен к информационному входу сигнального процессора 1-4, соединенному последовательно с АЦП 1-6; выход управления экспозицией сигнального процессора 1-4 подключен к первому управляющему входу блоку 1-5 «кольцевой» развертки видеосигнала, первый выход которого подключен к управляющим входам мишени фотоприемника 1-3, второй выход блока 1-5 - к управляющим входам «кольцевого» регистра фотоприемника 1-3, третий выход блока 1-5 - к входу синхронизации сигнального процессора 1-4, а четвертый выход блока 1-5 - к тактовому входу АЦП 1-6, выход которого является выходом телевизионной камеры; информационный вход БФА 1-7 подключен к выходу импульсов сброса блока 1-5 «кольцевой» развертки, синхронизирующий вход БФА 1-7 - к соответствующему выходу блока 1-5 «кольцевой» развертки, а выход БФА 1-7 - ко второму управляющему входу блока 1-5 «кольцевой» развертки.
Панорамный объектив 1-1 телевизионной камеры, как и в прототипе [1], предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора («кольцевого» изображения). В качестве технического решения для панорамного объектива 1-1 может быть предложен панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами из Московского государственного университета геодезии и картографии [5].
Фотография кольцевого изображения, формируемого панорамным объективом, представлена на фиг. 6. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360 градусов по азимуту и может достигать (75-80) градусов по углу места.
ИК-фильтр 1-2 изменяет спектральную характеристику «кольцевого» фотоприемника 1-3, обеспечивая согласование со спектральной чувствительностью человеческого глаза.
Отметим, что период управляющих импульсов  формируемых на выходе БФА 1-7, как и у прототипа [1], определяется соотношением:
р
где Т - период считывания элемента в фотоприемнике;
m
n - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в фотоприемнике равна отношению:
1
где Δ - площадь светочувствительного элемента для первой строки считывания в фотоприемнике;
m
Δ - площадь светочувствительного элемента для текущей строки считывания в фотоприемнике.
ф1
ф2,
выхз
вых
сбр
На фиг. 3 показана возможная структурная схема БПЗН «кольцевого» фотоприемника 1-3 с организацией «плавающая диффузионная область», которая полностью совпадает со схемой, применяемой в настоящее время в матрицах ПЗС для реализации прямоугольной развертки видеосигнала, см. например, [2]. На этом чертеже приняты следующие обозначения: U, U -напряжения на шинах для двухфазного управления «кольцевым» регистром; U - напряжение на выходном затворе; Д, Д - выходной и сбрасывающие диоды соответственно.
сбр
Перед считыванием информационного заряда очередного элемента в процессе его преобразования в напряжение видеосигнала информационный заряд предыдущего элемента должен быть сброшен в стирающий диод Д.
Эта процедура осуществляется в «кольцевом» фотоприемнике параллельно, как для первого, так и для второго «кольцевых» регистров при помощи импульсов сброса  которые подаются на соответствующую шину управления БПЗН 1-3-4 (см. фиг. 1).
Блок формирования апертуры (БФА) 1-7 принимает здесь непосредственное участие, обеспечивая управления считывающей апертурой сенсора. В результате для всех строк фотоприемника обеспечивается одинаковая по полю площадь считывающей апертуры видеосигнала при различной от строки к строке площади электродов светочувствительных элементов сенсора.
r
Эпюра выходного сигнала T, вырабатываемая на выходе БФА 1-7, представлена на фиг. 4.
В физическом плане управление площадью апертуры осуществляется за счет суммирования зарядовых пакетов в соседних элементах каждой текущей «кольцевой» строки сенсора до выполнения процедуры преобразования «заряд - напряжение».
Поэтому это зарядовое сложение не может быть дополнительным источником шумов для видеосигнала на выходе телевизионной камеры.
Рассмотрим работу телевизионной камеры цветного изображения с «кольцевым» фотоприемником в составе компьютерной системы панорамного наблюдения, см. фиг. 5.
Система содержит телевизионную камеру в позиции 1 и сервер в позиции 2, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров в позиции 3.
В разъем расширения на материнской плате сервера 2 установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольный» (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров (k), соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:
г
где γ - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем, априори означающее оптимизированное использование мишени фотоприемника.
Предполагается, что телевизионная камера 1 установлена в фиксированное положение, например при помощи фотоштатива (на фиг. 5 он не показан).
Панорамный объектив 1-1 формирует «кольцевое» оптическое изображение наблюдаемой сцены, проецируя его через ИК-фильтр 1-2 на мишень 1-3-1 фотоприемника.
В результате фотоэлектрического и последующего аналого-цифрового преобразования видеосигнала на выходе телевизионной камеры 1 формируется цифровой телевизионный сигнал цветного изображения.
По интерфейсу (например, USB 2,0) в оперативную память сервера 2 строка за строкой будет транслироваться цифровой видеосигнал «кольцевого» кадра контролируемого панорамного сюжета.
г
Предположим, что текущий угол поля зрения (γ) предъявляемого панорамного изображения составляет 60 градусов по горизонтали, тогда «кольцевой» кадр записи согласно соотношению (3) включает 6 (шесть) условных областей.
Очевидно, что в этом случае оперативная память сервера 2, куда заносится видеоинформация о панорамном цветном изображении, должно содержать 6 областей для записи входного видеосигнала текущего «кольцевого» кадра.
Далее, как и у прототипа [1], в сервере 2 осуществляется операция считывания видеосигнала, а в результате - конвертирование «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть» сервера 2.
Поэтому цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности (см. фиг. 7) операторам персональных компьютеров.
Это означает, что в реальном масштабе времени может быть реализован контроль шести изображений с одинаковой по полю (повышенной) четкостью наблюдаемой «картины», как у прототипа [1], но с уменьшенным почти в два раза энергопотреблением фотоприемника.
В настоящее время все элементы структурной схемы устройства «кольцевого» 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. Патент РФ №2611421. МПК H04N 5/225. Телевизионная камера и ее «кольцевой» фотоприемник для компьютерной системы панорамного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. -2017. - №6.
2. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. - «Радио и связь», 1986.
3. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. Перевод с англ. - «Мир», 1978.
4. Патент РФ №2641284. МПК H04N 5/225. Телевизионная камера цветного изображения для панорамного компьютерного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И.-2018.-№2.
5. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // Б.И. - 2002. - №20.