ПЗС-ВИДЕОКАМЕРА

Полезная модель относится к области телевизионной техники, конкретно - к системам скоростной видеосъемки, видеокамеры которых выполнены на основе матриц приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрицы), и может применяться для регистрации объектов с быстроизменяющейся интенсивностью излучения.
Регулировка чувствительности в таких устройствах обычно осуществляется посредством изменения времени накопления информационного заряда, пропорционального освещенности на фоточувствительных элементах ПЗС-матриц, имеющих электроды антиблюминга (электронный затвор). Матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС матрицы), используемые в телевизионной технике, представляют собой двумерный массив М*К фоточувствительных элементов, объединенных с накопительными ячейками и регистрами сдвига электрических зарядов. Под воздействием падающего излучения в элементах ПЗС-матрицы образуется информационный заряд, который интегрируется в накопительной емкости фоточувствительной ячейки. Величина накопленного заряда прямо пропорциональна интенсивности падающего излучения и времени интегрирования сигнала (время экспозиции) Динамический диапазон фоточувствительных элементов ограничен снизу уровнем собственных шумов ПЗС-матрицы, а сверху - емкостью накопителя элементарной ячейки. Элементы матрицы объединены вертикальными выходными регистрами в К столбцов, имеющих общее управление. Один такт переноса в вертикальном направлении приводит к одновременному переносу из К столбцов матрицы М элементов одной строки изображения в горизонтальный регистр сдвига, откуда элементы последовательно выводятся через общее выходное устройство. Таким образом, для формирования видеосигнала последовательности кадров изображения накопленный за время экспозиции информационный заряд выводится с помощью заданной последовательности тактовых импульсов, подаваемых на регистры сдвига и формируемых блоком формирования управляющих напряжений ПЗС-матрицы (драйвер). Время вывода одного кадра изображения определяется тактовой частотой горизонтального регистра и
быстродействием схем передачи/обработки видеосигнала и не может быть меньше времени, необходимого для последовательного вывода М*К элементов ПЗС-матрицы.
В стандартных телевизионных системах время кадра составляет 20 мс (50 кадров в секунду). В высокоскоростных телевизионных системах время кадра может составлять единицы и даже доли миллисекунды (системы, передающие более 1000 кадров в секунду), и для повышения быстродействия в них обычно используются ПЗС-матрицы, фоточувствительная поверхность которых разделена на несколько секций, что позволяет использовать несколько параллельных выходов (так называемая Сплит-организация) Для получения времен экспозиции меньших, чем заданное время кадра, в ПЗС-матрицах необходимо наличие электродов антиблюминга, позволяющих периодически «сбрасывать» накопленный в элементарной ячейке заряд в подложку (электронный экспонометр).
Видеокамеры на основе ПЗС-матриц используют принцип регулировки их чувствительности как за счет изменения времени накопления информационного заряда пропорционального освещенности на фоточувствительных элементах ПЗС-матрицы (времени экспозиции), так и изменяя величину падающего на фоточувствительные элементы излучения (используя управляемые механические диафрагмы), используя для расчета требуемого времени экспозиции различные программные и аппаратные средства обработки выходного видеосигнала ПЗС-матрицы.
Известно устройство («Method and apparatus for controlling an exposure period of a solid-state imaging apparatus based upon an image signal output» US №6995801, опубликовано 2006-02-07), содержащее ПЗС-матрицу с электродами антиблюминга, блок формирования управляющих напряжений ПЗС-матрицы (драйвер), блок синхронизации, определяющий временные соотношения между управляющими импульсами ПЗС матрицы, интегратор, блок логической обработки сигнала и счетчик. В данном устройстве вход интегратора подключен к выходу Y ПЗС-матрицы и на его выходе получается величина IY, пропорциональная среднему уровню сигнала ПЗС-матрицы, соответствующая среднему уровню интенсивности излучения объекта. Сигнал IY поступает на вход блока логической обработки, в котором сравнивается с нижним и верхним уровнями сигнала, соответствующим границам линейной области динамического диапазона фоточувствительных элементов ПЗС-мптрицы. На
выходах блока логической обработки вырабатываются сигналы "ОР" (увеличить экспозицию) в случае, если величина сигнала IY оказывается меньше нижнего уровня, и "CL" (уменьшить экспозицию) в случае, если величина сигнала IY оказывается больше верхнего уровня. Время экспозиции определяется длительностью интервала времени между импульсом «СБРОС», поступающим на электрод затвора антиблюминга, и импульсом «ПЕРЕНОС КАДРА», период которого определяет длительность кадра видеосигнала (время, необходимое для считывания информации со всех элементов ПЗС-матрицы). Выходы блока логической обработки соединены с входами счетчика, который в зависимости от наличия сигналов на его входах смещает положение импульса «СБРОС» на один такт ближе (сигнал "CL") или дальше (сигнал "ОР") от импульса «ПЕРЕНОС КАДРА». Устройство обладает возможностью задания времени экспозиции по произвольно выбранному фрагменту изображения.
Недостатком этого устройства является ограничение на быстродействие, связанное в первую очередь с тем, что информация о требуемом изменении времени экспозиции поступает с задержкой по крайней мере на время одного кадра, так как определяется по значению сигнала на выходе интегратора (сигнал IY), который появляется только после считывания всех элементов ПЗС-матрицы. При определении требуемого времени экспозиции в случае больших интенсивностей сигнала, приводящих к насыщению (пересвету) элементов ПЗС-матрицы, это приводит к потерям информации о сигнале, так как установка времени экспозиции, не приводящей к насыщению фоточувствительных элементов ПЗС-матрицы, может потребовать значительного времени, соответствующего нескольким кадрам видеосигнала, которые окажутся «засвеченными» (при работе с объектами, которые имеют очень сильное свечение, причем оно может сильно и быстро меняться во времени, например, в плазме).
Известна видеокамера («Automatic camera exposure control using variable exposure index CCD sensor.». US №5610654, опубликовано 03.11.1997), содержащая объектив, ПЗС-матрицу, блок формирования управляющих напряжений ПЗС матрицы (драйвер), блок переменного усиления видеосигнала и блок автоматической регулировки экспозиции, содержащий фотодиод, микропроцессор и механический затвор с управляемой диафрагмой, наиболее близкая по совокупности существенных признаков, принятая за прототип. В данном устройстве объектив оптически связан с входом ПЗС-матрицы через
механический затвор с управляемой диафрагмой, а выход ПЗС-матрицы электрически подсоединен к блоку обработки видеосигнала с переменным коэффициентом усиления. Блок автоматической регулировки экспозиции содержит фотодиод, который оптически связан с изображением объекта, формируемым объективом в плоскости ПЗС-матрицы, выход которого соединен с микропроцессором. Один из выходов микропроцессора соединен с входом управления механическим затвором, время срабатывания которого и определяет время экспозиции. Другой выход микропроцессора соединен с входом объектива с переменным фокусным расстоянием. Регулировка чувствительности в видеокамере-прототипе основана на анализе сигнала с выхода фотодиода, поступающего на вход микропроцессора блока автоматической регулировки чувствительности и управлении апертурой диафрагмы, и времени срабатывания механического затвора, находящегося между объективом и ПЗС-матрицей. Устройство позволяет регулировать чувствительность в широких пределах изменяющейся интенсивности излучения исследуемого объекта.
Однако, данное устройство имеет ограниченную скорость реакции на изменение освещенности объекта, т.к. использует для регулировки чувствительности механические элементы (максимальная скорость работы механического затвора и изменения размера отверстия диафрагмы - 1/2000 секунды=0,5 мс)
Заявляемое техническое решение решает задачу повышения быстродействия ПЗС-видеокамеры.
Задача решается тем, что в известной ПЗС-видеокамере, включающей объектив, ПЗС-матрицу, блок формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы, блок усиления и обработки видеосигнала ПЗС-матрицы и блок автоматической регулировки экспозиции, содержащий фотодиод, электронный ключ, интегратор и микропроцессор, причем объектив оптически связан с ПЗС-матрицей и фотодиодом, входы ПЗС-матрицы электрически соединены с управляющими выходами блока формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы, выход ПЗС-матрицы электрически соединен с первым входом блока усиления и обработки видеосигнала ПЗС-матрицы, выход которого является выходом видеосигнала, выход фотодиода электрически соединен с входом электронного ключа, выход которого электрически соединен с входом интегратора, выход которого электрически соединен с первым входом
микропроцессора, упомянутая ПЗС-матрица выполнена высокоскоростной и содержит электроды антиблюминга, фотодиод выполнен с площадью, равной площади светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы, первый выход микропроцессора электрически соединен с электронным ключом, второй выход микропроцессора электрически соединен с управляющим входом блока формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы, а выход синхронизации блока формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы электрически соединен со вторым входом микропроцессора.
ПЗС-видеокамера может быть выполнена с фотодиодом, разделенным на несколько секций, соответствующих числу независимых участков изображения исследуемого объекта и имеющих независимые электрические выходы.
ПЗС-видеокамера также может быть выполнена с микропроцессором блока автоматической регулировки экспозиции, имеющим третий выход, электрически связанный со вторым входом блока усиления и обработки видеосигнала ПЗС-матрицы.
Техническим результатом является повышение скорости определения и установки требуемой величины экспозиции и, таким образом, улучшение эксплуатационных параметров видеокамеры в условиях быстро меняющейся интенсивности излучения исследуемого объекта, при этом отсутствуют потери информации за счет явления насыщения элементов ПЗС-матрицы.
Решение задачи стало возможным за счет создания устройства, в котором требуемое время экспозиции (время накопления сигнала на фотоприемниках ПЗС-матрицы) определяется с помощью фотодиода, площадь которого равна площади светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы, а регулировка чувствительности осуществляется путем изменения времени накопления информационного заряда, пропорционального освещенности на фоточувствительных элементах высокоскоростной ПЗС-матрицы, имеющей электроды антиблюминга (электронный затвор), при этом уровень светимости объекта определяется непосредственно перед экспозицией.
Высокоскоростная ПЗС-матрица позволяет формировать видеосигнал со скоростью более 1000 кадров в секунду, при этом время кадра составляет менее 1 мс, и необходимое время экспозиции должно быть определено менее чем за 0.01 мс. Такие скорости управления временем экспозиции недостижимы для механических элементов и могут быть получены только в ПЗС-матрицах с
1
0
0
1
4
-2
электродами антиблюминга. Фотодиод площадью S=S, где S - площадь светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы, на котором от объектива с помощью произвольного светоделительного устройства и/или дополнительного объектива формируется изображение, полностью идентичное изображению исследуемого объекта, формируемого в плоскости ПЗС-матрицы, используется для определения интегральной яркости исследуемого объекта. Площадь S в N раз большая площади каждого из N фоточувствительных элементов ПЗС-матрицы обеспечивает, в свою очередь, в N раз большую его интегральную чувствительность, и, следовательно, для получения регистрируемого уровня сигнала с фотодиода необходимо в N раз меньшее время, чем для фоточувствительного элемента ПЗС-матрицы. Если считать, что время экспозиции, равное времени кадра, обеспечивает передачу изображения объекта ПЗС-матрицей без потерь информации, связанных с насыщением сигнала, то информация об освещенности в плоскости фотоприемника может быть получена за время в N раз меньшее времени кадра. Для минимальной размерности ПЗС-матриц, используемых в видеокамерах, N=256*256=65536>10. Таким образом, для любых систем видеонаблюдения с частотой кадров равной и выше телевизионного стандарта (время кадра, соответствующего телевизионному стандарту, составляет 20 мс), предлагаемое устройство обеспечивает быстродействие, более чем на 2 порядка превышающее быстродействие существующих аналогов и прототипа. Высокая чувствительность фотодиода, соединенного со схемой обработки его сигнала в блоке автоматической регулировки экспозиции, работающего синхронно с блоком формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы, позволяет за время импульса кадровой синхронизации (длительность составляет величину порядка 10 времени кадра) измерять освещенность на 3 порядка превышающую освещенность исследуемого объекта относительно некоторой пороговой величины, соответствующей сигналу насыщения элементов ПЗС-матрицы. Это позволяет с высокой скоростью устанавливать требуемое время экспозиции непосредственно перед каждым кадром в условиях освещенности объекта, превышающей уровень насыщения элементов ПЗС-матрицы более чем в 1000 раз, оставляя выходной видеосигнал ПЗС-матрицы на выходе ее блока усиления и обработки видеосигнала в пределах линейного участка передаточной характеристики.
Таким образом, вся совокупность признаков приводит к повышению быстродействия ПЗС-видеокамеры, что необходимо в условиях быстрого изменения светимости объекта исследования
Запас по чувствительности фотодиода блока автоматической регулировки экспозиции позволяет разделить его на несколько независимых секций и одновременно измерять уровень освещенности в различных участках исследуемого объекта, используя любой из получаемых сигналов для установки экспозиции, в зависимости от того, какой участок на объекте представляет наибольший интерес. При использовании в видеокамерах высокоскоростных ПЗС-матриц, состоящих из нескольких секций, имеющих общее управление и независимые электроды антиблюминга, каждой из секций ПЗС-матрицы может соответствовать своя секция фотодиода блока автоматической регулировки экспозиции.
Наличие в видеокамере дополнительного выхода микропроцессора служит для контроля времени экспозиции и позволяет учесть его при дальнейшей обработке видеосигнала для обеспечения возможности расчета абсолютных значений интенсивности свечения исследуемого объекта.
Техническое решение поясняется блок-схемой ПЗС-видеокамеры, представленной на Фиг., где:
1 - объектив;
2 - ПЗС-матрица;
3 - блок формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы;
4 - блок усиления и обработки видеосигнала ПЗС-матрицы;
5 - блок автоматической регулировки экспозиции;
6 - фотодиод;
7 - электронный ключ;
8 - интегратор;
9 - микропроцессор.
В предлагаемом устройстве вход интегратора 8 подключен к выходу фотодиода 6 через электронный ключ 7, замыкаемый на короткое время перед началом экспозиции (во время импульса «ПЕРЕНОС КАДРА»). На выходе интегратора 8 формируется сигнал IY, величина которого пропорциональна среднему уровню интенсивности изображения, аналогичного поступающему на вход ПЗС-матрицы 2, и соответствующего среднему уровню интенсивности излучения объекта. Сигнал IY поступает на вход микропроцессора 9, в котором
сравнивается с верхним уровнем сигнала, соответствующего верхней границе линейной области динамического диапазона фоточувствительных элементов ПЗС-матрицы 2. Выход микропроцессора 9 соединен с входом блока формирования управляющих сигналов 3 ПЗС-матрицы 2, в котором формируется импульс «СБРОС» для затвора антиблюминга ПЗС-матрицы 2. Время экспозиции определяется длительностью интервала времени между импульсом «СБРОС», и импульсом «ПЕРЕНОС КАДРА», период которого определяет длительность кадра видеосигнала (время, необходимое для считывания информации со всех элементов ПЗС-матрицы).
Работа устройства.
Изображение исследуемого объекта формируется объективом 1 одновременно в плоскости ПЗС-матрицы 2 и фотодиода 6, являющегося входным устройством блока 5 автоматической регулировки экспозиции. Фотодиод 6 непрерывно формирует на своем выходе сигнал тока, пропорционального пространственному интегралу падающего на него излучения. Выход фотодиода 6 через электронный ключ 7 подключается к входу интегратора 8. Замыкание ключа 7 происходит на время, определяемое схемой обработки его сигнала, реализованной в микропроцессоре 9, и лежащее в пределах импульса кадровой синхронизации, поступающего на вход микропроцессора 9 от блока формирования управляющих сигналов 3 ПЗС-матрицы 2. Величина сигнала, поступающего с выхода интегратора 8 на вход микропроцессора 9, используется для расчета требуемого времени экспозиции и формирования управляющего сигнала на выходе микропроцессора 9. Сигнал с выхода микропроцессора 9 поступает на вход блока формирования управляющих сигналов 3 ПЗС-матрицы 2 и используется для формирования требуемой последовательности импульсов управления ПЗС-матрицей, обеспечивающих расчетное значение времени экспозиции. Результирующий видеосигнал формируется блоком 4 усиления и обработки видеосигнала ПЗС-матрицы 2.
При выполнении устройства с разделенным на секции фотодиодом 6 замыкание ключа 7 происходит на время, определяемое схемой обработки его сигнала, реализованной в микропроцессоре 9, последовательно с каждой из секций фотодиода 6.
При выполнении устройства с дополнительным выходом микропроцессора 9 сигнал с этого выхода микропроцессора поступает на вход
блока усиления и обработки видеосигнала 3 и используется для расчета абсолютных значений интенсивности входного сигнала изображения.
5
Предлагаемая конструкция ПЗС-видеокамеры, помимо быстродействия, позволяет определять требуемое время экспозиции за время импульса кадровой синхронизации непосредственно перед началом экспозиции, что исключает потери информации об исследуемом объекте, связанные с насыщением элементов ПЗС-матрицы, использовать недорогие быстродействующие схемы оцифровки видеосигнала, использующие стандартные 10-12 разрядные АЦП для регистрации входных сигналов с изменением интенсивности более чем 10 раз (эквивалентно 17-разрядному АЦП).
Пример.
Был изготовлен опытный образец высокоскоростной видеокамеры по схеме, изображенной на Фиг. В качестве ПЗС-матрицы использовалась высокоскоростная ПЗС-матрица размерностью 256*256 элементов типа «Квалитет» (продукция Петербургского предприятия ООО «Заряд-Т»). Прибор имеет типичную для высокоскоростных фотоприемников «сплит-организацию»-распараллеливание выходов (см. аналогичную продукцию ведущих фирм-производителей ПЗС-матриц - Dalsa, NAC). ПЗС-матрица типа «Квалитет» содержит 4 секции, сигнал каждой из секций выводится через свой горизонтальный регистр, в 2-х направлениях, то есть всего ПЗС-матрица «Квалитет» содержит 8 выходных устройств, что обеспечивает вывод кадров изображения с высокой скоростью (до 4000 кадров в секунду) при тактовой частоте выходных регистров 40 МГц. Каждая из 4-х секций имеет независимые электроды управления, в том числе электроды антиблюминга, что обеспечивает возможность регулировки времени накопления сигнала (времени экспозиции) независимо в каждой из секций матрицы. Для реализации этой возможности фотодиод блока автоматической регулировки экспозиции был также разделен на 4 секции, каждая из которых имела свой выход. Изображение исследуемого объекта формировалось оптической схемой из двух идентичных объективов типа «Вега» одновременно в плоскости ПЗС-матрицы и 4-х секционного фотодиода. Помимо упомянутого выше фотодиода блок автоматической регулировки экспозиции содержал 4 электронных ключа (микросхема ADG411), 4 интегратора собраны на операционных усилителях типа АО 8056 и микропроцессор AT89S8252 для расчета и установки
времени экспозиции для 4-х независимых секций матрицы и обмена служебной информацией с блоком формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы. Блок формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы «Квалитет» был изготовлен на основе программируемой логической матрицы ЕРМ7128 STC_100 и буферных элементов EL 74 57С. Блок усиления и обработки видеосигнала ПЗС-матрицы «Квалитет» содержал 8 идентичных каналов усиления, выполненных на операционных усилителях типа AD 8013, AD 8011, AD 8138, оцифровки (4 двухканальных АЦП типа AD9238BST40) и записи в буферную память (модуль памяти типа SODIMM 144POS R/A) видеосигналов, поступающих с каждого из 8 выходных устройств ПЗС-матрицы. Первые 8 байт цифрового сигнала, формируемого на выходе блока усиления и обработки видеосигнала и несущего информацию об изображении каждой из 4-секций ПЗС-матрицы, содержат информацию о значении времени экспозиции, установленном в выбранной секции ПЗС-матрицы «Квалитет», поступающую с выхода микропроцессора блока автоматической регулировки экспозиции и соответствующую значениям времени накопления сигнала в каждой из секции ПЗС-матрицы, рассчитанным по значениям выходного сигнала соответствующей секции фотодиода блока автоматической регулировки экспозиции. С помощью разработанного образца ПЗС-видеокамеры была выполнена экспериментальная видеосъемка быстропротекающих процессов со скоростью до 1000 кадров/сек, продолжительностью процесса 1 секунда и диапазоне изменения яркости объекта порядка 100000 раз. В процессе работы камеры экспозиция в различных кадрах изменялась от 1 мс до 0.01 мс. Такая скорость изменения экспозиции недостижима для видеокамеры-прототипа с механическими элементами управления экспозицией.