Способ формирования сигнала управления чувствительностью телевизионного сенсора, изготовленного по технологии ПЗС
METHOD FOR FORMING SENSITIVITY CONTROL SIGNAL OF TELEVISION SENSOR MANUFACTURED BY CCD TECHNOLOGY

Изобретение относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах, выполненных на базе «кольцевых» телевизионных сенсоров по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), в которых обеспечена электронная регулировка чувствительности за счет изменения внутрикадрового времени накопления.
Известен «кольцевой» ПЗС-фотоприемник [1], который выполнен на кристалле в виде кругового кольца и состоит 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 (АРВН) 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 в [3, 4] организации устройства АРВН в «кольцевом» фотоприемнике является пониженная скорость адаптации телевизионного сенсора в условиях быстро изменяющейся освещенности наблюдаемой сцены.
Это объясняется тем, что чувствительность сенсора здесь, как и в матрице ПЗС, регулируется по информации, заключенной в обычном электрическом сигнале изображения, которая является запаздывающей по отношению к процессу формирования текущего телевизионного кадра. По этой причине возникает существенная задержка для каждого (i-го) элемента в каждой (j-ой) строке видеосигнала, которая складывается из времени накопления, времени считывания и времени принятия решения (вычисления) в камерном процессоре [5, с. 97].
Важно отметить, что эта оценка одинаково справедлива, как для «кольцевых», так и для «прямоугольных» (матричных) сенсоров, выполненных по технологии ПЗС. Она может быть распространена на все три известные схемотехнические организации телевизионных фотоприемников: «кадровый перенос», «строчный перенос» и «строчно-кадровый перенос».
С другой стороны, известен способ формирования сигнала управления чувствительностью матричного сенсора на ПЗС [6], в котором решена задача повышения его скорости адаптации в условиях быстро изменяющейся освещенности сцены путем неразрушающего информационный заряд считывания сигнала.
Согласно этому способу выполнение неразрушающего измерения уровня зарядового рельефа осуществляется в секции накопления (мишени) матрицы ПЗС параллельно, путем преобразования в напряжение токового сигнала в цепи первого фазного электрода мишени, причем одновременно с формированием этого сигнала периодически, непосредственно в течение времени накопления заряда каждого кадра, монотонно изменяют напряжение обеднения второго фазного электрода мишени от нулевого до удвоенного значения потенциала накопления, а после преобразования в напряжение токового сигнала из него вычитают с соответствующим весовым коэффициентом монотонно изменяющееся напряжение обеднения второго фазного электрода мишени, при этом полученный разностный сигнал дифференцируют и инвертируют,
Очевидно, что данный способ формирования сигнала управления чувствительностью принципиально способен решить задачу повышения скорости адаптации в условиях быстро изменяющейся освещенности наблюдаемой сцены и для «кольцевого» сенсора, изготовленного по той же ПЗС-технологии, но такое использование технического решения по авторскому свидетельству СССР [6] не учитывалось и, естественно, не было предусмотрено самим этим охранным документом.
Задача устранения сформулированного недостатка решается тем, что применяют способ по авторскому свидетельству [6], реализующий управление чувствительностью в матричном фотоприемнике, изготовленном по технологии ПЗС, и для выполнения управления чувствительностью в «кольцевом» фотоприемнике на ПЗС по патенту [1], состоящем из связанных последовательно зарядовой связью «кольцевой» мишени, «кольцевой» секции памяти, «кольцевого» регистра сдвига и БПЗН.
Следует отметить, что адаптация «кольцевого» сенсора по этому сигналу, несмотря на несколько большую статическую ошибку управления, гарантирует минимальную ошибку в условиях быстро изменяющейся освещенности наблюдаемой сцены, что в результате обеспечивает и повышение точности управления (слежения) за параметром чувствительность телевизионной камеры.
По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего предложенный в [6] способ применительно к «кольцевому» телевизионному сенсору; на фиг. 2 - схематичный поперечный разрез фрагмента мишени этого сенсора при трехфазном переносе зарядовых пакетов; на фиг. 3 - временные диаграммы (упрощенные осциллограммы) сопутствующих сигналов; на фиг. 4 - эквивалентная схема ПЗС-структуры трехфазной мишени сенсора, поясняющая механизм формирования управляющего сигнала и помехи; на фиг. 5б) - эпюра, иллюстрирующая временное положение выходного сигнала устройства АРВН (относительно кадрового гасящего импульса, представленного на фиг. 5а); на фиг. 6…7 - возможные варианты схемотехнической организации «кольцевого» фотоприемника на ПЗС.
Способ формирования сигнала управления чувствительностью может быть реализован для этих вариантов устройства «кольцевого» телевизионного сенсора применительно к двухфазному, трехфазному или четырехфазному зарядовому переносу. Отметим, что здесь далее при изложении происходящих процессов в сенсоре рассматривается только механизм трехфазного переноса зарядов.
Структурная схема устройства на фиг. 1 содержит «кольцевой» фотоприемник 1 на ПЗС с организацией «кольцевой кадровый перенос» (см. фиг. 6), а все его фазные электроды, за исключением электродов первой и второй фазы мишени, подключены к соответствующим выходам генератора 2 управляющих напряжений; первый фазный электрод мишени сенсора 1 подключен к входу преобразователя 3 «ток - напряжение», выход которого подключен к неинвертирующему входу блока 4 вычитания; второй фазный электрод мишени сенсора 1 к выходу генератора 5 линейно изменяющегося напряжения, который стробируется по входу «Запуск развертки»; выход генератора 5 линейно изменяющегося напряжения дополнительно через делитель 6 напряжения подключен к инвертирующему входу блока 4 вычитания, выход которого через дифференциатор 7 соединен с инвертором 8, выход которого является выходом устройства.
Пунктирные линии на фиг. 1 отражают наличие имеющихся электрических связей между первыми и соответственно вторыми фазными электродами сенсора 1 и генератором 2 управляющих напряжений, которые, для упрощения изложения в предлагаемом описании не комментируются.
Устройство (см. фиг. 1) работает следующим образом. Для упрощения будем полагать, что фрагмент мишени сенсора 1, показанный на фиг. 2, отображает всю мишень, которая состоит из четырех трехфазных элементов, которые выполнены на кремниевом «кольцевом» кристалле по технологии ПЗС с каналом проводимости р-типа. Это означает, что для выполнения переноса зарядовых пакетов управляющие смещения на фазных электродах фотоприемнике должны иметь отрицательную полярность относительно подложки кристалла. Именно такую проводимость канала имела отечественная матрица ПЗС с техническим наименованием К1200ЦМ1, которая была использована авторами работ [5, 6] в экспериментальных исследованиях.
В нашем примере будем считать, что во время развертки к третьему фазному электроду мишени приложено нулевое напряжение подложки кристалла сенсора 1, которое необходимо для создания барьеров, препятствующих растеканию зарядов в соседние потенциальные ямы.
H
Рассмотрим режим работы устройства, когда перед разверткой напряжения на первом и втором фазных электродах мишени устанавливаются одинаковыми и равными минус U относительно подожки. При этом в каждом элементе (пикселе) мишени накопленный заряд делится на две равные части: половина заряда находится под правым (вторым) фазным электродом, вторая половина - под левым (первом) фазным электродом. При неравномерной засветке мишени в каждом ее пикселе накапливается разное количество заряда.
В некоторый момент включается генератор 5 линейно изменяющегося напряжения, и потенциал на втором фазном электроде мишени начинает плавно возрастать (фиг. 3а). При этом в каждом пикселе глубина потенциальных ям под вторыми фазными электродами уменьшается (см. фиг. 2), поэтому во всех элементах мишени начинается процесс переноса заряда из правого электрода под левый электрод. В результате движения заряда в цепи левого (первого) фазного электрода мишени возникает ток, равный сумме токов в каждом ее пикселе (фиг. 3б). Сначала этот ток максимален, т.к. заряд есть в каждом пикселе. По мере роста потенциала на втором фазном электроде наступает момент, когда в пикселе с наименьшим количеством зарядовых носителей весь заряд перетекает из правого фазного электрода в левый фазный электрод. При этом суммарный ток уменьшается (фиг. 3б). Затем кончается заряд под правым фазным электродом в следующем пикселе, и суммарный ток снова уменьшается. Так продолжается до тех пор, пока не кончится заряд под правым фазным электродом мишени в пикселе, содержащем перед началом процесса зарядового переноса наибольшее количество зарядовых носителе. После этого ток становится равным нулю, и весь заряд мишени оказывается в потенциальных ямах первого фазного электрода.
В сформированном так токе (фиг. 3б) заключена информация о распределении зарядов по всей поверхности мишени «кольцевого» фотоприемника на ПЗС. Для ее выделения достаточно продифференцировать сигнал тока и поменять знак. Для этого служат преобразователь 3 «ток - напряжение», дифференциатор 7 и инвертор 8.
i
i
Результирующий сигнал представляет собой гистограмму распределения заряда (фиг. 3в). По оси абсцисс шкалу времени (t) можно заменить шкалой заряда (q), т.к. в структуре ПЗС разность потенциалов между фазными электродами пропорциональна разности зарядов, а в качестве сигнала развертки у нас использовалось линейно изменяющееся во времени напряжение. По оси ординат на фиг. 3в отложена величина N, пропорциональная количеству зарядовых пакетов, имеющих соответствующее количество зарядовых носителей.
Очевидно, что полученную так гистограмму распределения заряда на мишени «кольцевого» фотоприемника на ПЗС, как и на мишени ПЗС-матрицы, можно получать очень быстро, поскольку заряд все время находится в одних и тех же спаренных потенциальных ямах. Экспериментально установлено [5, с. 101], что период измерения управляющего сигнала (период развертки) может составлять 20 мкс, что в 1000 раз меньше периода вещательного кадра.
ок1
ок2
о2
об1
об2
12
13
23
Следует отметить, что применяемый здесь прием формирования сигнала управления чувствительностью основан на методе бескоординатной развертки, а ее точность ограничена помехой (фиг. 4), возникающей из-за перезаряда ПЗС-структуры развертывающим линейно изменяющимся напряжением. На эквивалентной схеме ПЗС-структуры трехфазной мишени (см. фиг. 4) С и С иллюстрируют емкости окисла (Si) под первым и вторым фазными электродами, C и С, - емкости формируемых потенциальных ям под этими электродами, а С, С и С - паразитные емкости, которые необходимо учитывать при анализе процесса формирования управляющего сигнала чувствительностью сенсора..
Возникающая помеха представляет собой часть линейно изменяющегося напряжения, преобразованного в цепи первого фазного электрода мишени (см. пунктир на фиг. 3б). Для вычитания этой помехи служит делитель 6 напряжения и блок 4 вычитания.
Коэффициент деления блока 6 устанавливается таким, чтобы при отсутствии носителей заряда на мишени (при ее перекрытии от света) ток в цепи первого фазного электрода (фиг. 3б) был постоянным в интервале развертки.
н
н
При реализации настоящего изобретательского решения, как и в прототипе [6], можно использовать не только линейно возрастающее напряжение, но и линейно убывающее напряжение. Например, при использовании удвоенного размаха линейно изменяющегося напряжения (см. пунктир на фиг. 3а) напряжение на втором фазном электроде за время развертки уменьшается относительно подложки кристалла фотоприемника от минус U до минус 2U. Тогда возникающий ток изменяет свое направление, т.к. заряд перетекает не из правых электродов под левые электроды, а наоборот.
При использовании предлагаемого изобретения для создания устройства АРВН телевизионной камеры этот опережающий сигнал управления чувствительностью можно регистрировать при помощи пикового детектора, подключая его на выход блока 4 вычитания. При этом выходной сигнал пикового детектора, подаваемый на информационный вход устройства АРВН, обязательно должен раз за кадр обнуляться (сбрасываться).
Тогда на выходе устройства АРВН будет вырабатываться цифровой сигнал накопления в «кольцевом» фотоприемнике на ПЗС (см. фиг. 5б), который может изменяться в течение кадра от максимального значения отсчета  до его минимального отсчета  в зависимости от уровня освещенности наблюдаемой сцены. Полученный цифровой сигнал необходимо подать на управляющий вход сенсора, являющийся его «электронным» затвором (см. фиг. 6 и фиг. 7а).
Обратимся теперь к некоторым техническим особенностям самого «кольцевого» телевизионного сенсора. Схемотехническая организация фотоприемника на ПЗС по методу «кольцевой кадровый перенос», которая была предложена в патенте РФ [1], представлена на фиг. 6.
«Кольцевой» фотоприемник 1 имеет форму кругового кольца и состоит из связанных последовательно зарядовой связью «кольцевой» мишени 1-1, «кольцевой» секции памяти 1-2 и «кольцевого» регистра сдвига, заканчивающегося блоком преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН) 1-4 с организацией «плавающая диффузия», а его выход является выходом «видео» «кольцевого» фотоприемника, при этом на всей площади мишени 1-1 «кольцевого» фотоприемника в радиальных направлениях (от воображаемого геометрического центра кольца к его внешней периферии) расположены линейки светочувствительных элементов, а экранированная от света секция памяти 1-2 заполнена в тех же радиальных направлениях линейками с таким же числом элементов, что и на мишени 1-1, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени 1-1 и в каждой «кольцевой» строке секции памяти 1-2 равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига 1-3, а площадь светочувствительных элементов на мишени от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента секции памяти 1-2.
Отметим, что выполнение на мишени 1-1 «кольцевого» фотоприемника различных по площади светочувствительных элементов «поддерживается» управляемым во времени зарядовым считыванием пикселов для каждой строки, что обеспечивает реализацию в выходном видеосигнале сенсора одинаковой площади считывающей апертуры при одновременном выравнивании его разрешающей способности.
Очевидно, что предлагаемый в настоящем техническом решении способ формирования сигнала управления чувствительностью может быть с успехом реализован и для двух других вариантов схемотехнической организации «кольцевого» фотоприемника.
Схемотехническая организация фотоприемника на ПЗС по методу «кольцевой строчный перенос», усовершенствованная аналогичным приемом по выравниванию разрешающей способности, которая была предложена в патенте РФ [7], представлена на фиг. 7а и 7б.
Телевизионным сенсором здесь является «кольцевой» фотоприемник на ПЗС, который выполнен на кристалле в виде кругового кольца, имеет схемотехническую организацию «кольцевой строчный перенос» и состоит из связанных последовательно зарядовой связью «кольцевой» мишени 1-1, «кольцевого» регистра сдвига 1-2 и БПЗН 1-3 с организацией «плавающая диффузия», а его выход является выходом «видео» «кольцевого» фотоприемника, при этом на мишени 1-1 радиально расположенные линейки светочувствительных элементов чередуются с радиальными линейками экранированных от света элементами, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени 1-1 равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига 1-2, а площадь светочувствительных элементов на мишени от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента «кольцевого» регистра сдвига 1-2.
Схемотехническая организация фотоприемника на ПЗС по методу «кольцевой строчно-кадровый перенос», которая была также усовершенствована упомянутым приемом по выравниванию разрешающей способности в патенте РФ [8], в чертежах настоящей заявки не показана.
Являясь комбинированной по отношению к двум предыдущим устройствам; организация сенсора более сложна в реализации, но гарантирует и более высокие показатели его предельной чувствительности. Этот «кольцевой» фотоприемник на ПЗС, который выполнен на кристалле в виде кругового кольца, имеет схемотехническую организацию «кольцевой строчно-кадровый перенос» и состоит из связанных последовательно зарядовой связью «кольцевой» мишени, «кольцевой» секции памяти, «кольцевого» регистра сдвига и БПЗН с организацией «плавающая диффузия», а его выход является выходом «видео» «кольцевого» фотоприемника, при этом на мишени радиально расположенные линейки светочувствительных элементов чередуются с радиальными линейками экранированных от света элементами, а экранированная от света секция памяти заполнена радиальными 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, а площадь светочувствительных элементов на мишени от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента секции памяти.
В настоящее время все блоки устройства, которое реализует предлагаемый способ формирования сигнала управления чувствительностью телевизионного сенсора, изготовленного по технологии ПЗС, освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2625163. МПК H04N 7/00. Телевизионная камера и ее «кольцевой» фотоприемник для компьютерной системы панорамного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2017. - №20.
2. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. - М.: «Радио и связь», 1991.
3. Патент РФ №2632573. МПК H04N 5/00. Устройство автоматической регулировки времени накопления телевизионного сенсора, изготовленного по технологии приборов с зарядовой связью. / В.М. Смелков // Б.И. - 2017. - №28.
4. Патент РФ №2632574. МПК H04N 5/00. Устройство автоматической регулировки времени накопления телевизионного сенсора, изготовленного по технологии приборов с зарядовой связью. / В.М. Смелков // Б.И. - 2017. - №28.
5. Хромов Л.И., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Видеоинформатика. Передача и компьютерная обработка видеоинформации. - М.: «Радио и связь», 1991.
6. Авторское свидетельство СССР №1417210. МПК H04N 5/228. Способ формирования сигнала управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС. / А.Н. Куликов и Л.И. Хромов // Б.И. - 1988. - №30.
7. 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.
8. Патент РФ №2611422. МПК H04N 7/00. Телевизионная камера повышенной чувствительности и ее «кольцевой» фотоприемник для компьютерной системы панорамного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2017. - №6.