ТЕЛЕВИЗИОННАЯ КАМЕРА ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ВО ВСЕМ ПОЛЕ ЗРЕНИЯ ОСВЕЩЕННОСТИ И/ИЛИ ЯРКОСТИ ОБЪЕКТОВ
TELEVISION CAMERA FOR VIEWING IN CONDITIONS OF ILLUMINATION AND/OR BRIGHTNESS OF OBJECTS VARYING IN ENTIRE FIELD OF VIEW

Предлагаемое изобретение относится к телекамерам, выполненным на основе преобразователя «свет - сигнал» в виде матрицы приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС) и работающим в условиях регулярно и монотонно изменяющейся по всей площади мишени фотоприемника освещенности и/или яркости наблюдаемых объектов.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телекамеру [1], содержащую последовательно расположенные и оптически связанные оптический блок и трехфазную матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, секции памяти, выходного регистра и блока преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), выход которого подключен к входу видеоусилителя, а также формирователь управляющих напряжений и последовательно соединенные блок измерения заряда, пиковый детектор и компаратор, опорный вход которого подключен к пороговому напряжению, при этом первые, вторые и третьи управляющие входы секции накопления, секции памяти и выходного регистра подключены к соответствующим выходам формирователя управляющих напряжений, синхронизирующий вход которого является входом тактовых импульсов телекамеры, а выход видеоусилителя - выходом «видео» телекамеры.
Телекамера прототипа формирует сигнал изображения для системы технического зрения промышленных роботов, которые предназначены для установки деталей и сборки узлов. Осуществляемая при помощи системы технического зрения высокая точность измерения геометрических размеров и координат местоположения деталей обеспечивается за счет повышенной чувствительности телекамеры прототипа путем оперативной перестройки частоты кадров ее выходного видеосигнала. Переменная частота кадров - важнейший признак адаптации телекамеры прототипа к условиям облученности и скорости движения деталей при достижении компромиссных соотношений между шумовой, линейной и нелинейной составляющими ошибки измерения размеров этих деталей.
Благодаря применению телекамеры в качестве устройства системы технического зрения не требуется визуальный контроль обстановки человеком-оператором, а поэтому исключается необходимость соответствия выходного видеосигнала телекамеры телевизионному стандарту.
Задача настоящего изобретения - рост чувствительности в условиях изменяющейся во всем поле зрения освещенности и/или яркости объектов для наблюдения изображения человеком-оператором путем повышения отношения сигнал/шум на нижнем участке рабочего диапазона с устранением расплывания (блюминга) изображения на верхнем участке диапазона при соблюдении для выходного видеосигнала его соответствия телевизионному стандарту.
1
2
1
2
Поставленная задача решается тем, что в заявляемую телекамеру, которая содержит последовательно расположенные и оптически связанные оптический блок и трехфазную матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, секции памяти, первого выходного регистра и первого БПЗН, а также видеоусилитель, формирователь управляющих напряжений и последовательно соединенные блок измерения заряда, пиковый детектор и компаратор, опорный вход которого подключен к первому пороговому напряжению, при этом первые, вторые и третьи управляющие входы секции накопления, секции памяти и первого выходного регистра матрицы ПЗС подключены к соответствующим выходам формирователя управляющих напряжений, второй управляющий вход секции накопления матрицы ПЗС соединен с входом блока измерения заряда, а выход видеоусилителя является выходом «видео» телекамеры, введены коммутатор, преобразователь уровней (ПУ) и соединенные между собой последовательно разностный усилитель и выполненная на основе электрохромного прибора светорегулирующая ячейка, которая расположена на оптическом отрезке между выходом оптического блока и секцией накопления матрицы ПЗС, на кристалл которой введены разделительный электрод, второй выходной регистр и второй БПЗН, причем первые, вторые и третьи управляющие входы второго выходного регистра матрицы ПЗС объединены соответственно с первыми, вторыми и третьими управляющими входами первого выходного регистра матрицы ПЗС, управляющий вход разделительного электрода матрицы ПЗС подключен к выходу ПУ, выход первого БПЗН матрицы ПЗС - к первому входу коммутатора, а выход второго БПЗН - ко второму входу коммутатора, управляющий вход которого объединен с входом ПУ и подключен к выходу компаратора, а выход коммутатора - к входу видеоусилителя, вход служебных импульсов синхронизации и гашения которого подключен к выходу служебных импульсов формирователя управляющих напряжений, выход импульсов сброса которого подключен к входу «сброс» пикового детектора, выход которого подключен к первому входу разностного усилителя, второй вход которого подключен ко второму пороговому напряжению, при этом площадь затвора ΔS полевого транзистора, выполняющего сбор зарядовых носителей в первом БПЗН, выполнена по критерию минимального внесения в сигнал изображения собственных шумов, а площадь затвора ΔS полевого транзистора, выполняющего сбор зарядовых носителей во втором БПЗН - по критерию максимальной управляющей способности, причем ΔS<ΔS.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая телекамера отличается следующими признаками:
- наличием в ее составе новых блоков, в том числе: коммутатора, ПУ, разностного усилителя и светорегулирующей ячейки, а также дополнительно на кристалле матрицы ПЗС разделительного электрода, второго регистра и второго БПЗН;
- конструктивным различием первого и второго БПЗН по площади затвора полевого транзистора;
- наличием новых связей между новыми блоками и новых связей между новыми блоками и отдельными блоками прототипа.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.
В предлагаемом решении опережающая оценка уровня зарядового рельефа на фотомишени матрицы ПЗС по окончании накопления текущего кадра позволяет затем оптимально выполнить его поэлементное считывание, используя для низкого уровня сигнала первый выходной регистр и первый БПЗН, а для высокого - второй выходной регистр и второй БПЗН.
1
2
Площадь затвора ΔS полевого транзистора первого БПЗН меньше, чем соответственно ΔS для второго БПЗН, поэтому отношение сигнал/шум для нижнего участка рабочего диапазона освещенности и/или яркости объектов дополнительно повышается за счет минимального внесения в сигнал изображения собственных шумов.
Уровень максимально допустимого зарядового рельефа на фотомишени матрицы ПЗС управляется по цепи обратной связи: напряжение на выходе блока измерения заряда - выходное напряжение пикового детектора - выходное напряжение разностного усилителя - коэффициент пропускания светорегулирующей ячейки - облученность матрицы ПЗС. Благодаря этому устраняется причина возникновения расплывания изображения.
По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 изображена структурная схема заявляемой телекамеры; на фиг.2…3 - функциональная схема формирователя пилообразного сигнала (в составе формирователя управляющих напряжений), необходимого для выполнения неразрушающих измерений фотозарядов и временная диаграмма, поясняющая работу этого формирователя; на фиг.4…5 - электрическая схема формирователя сигнала управления первой фазой секции накопления матрицы ПЗС (в составе формирователя управляющих напряжений) и временная диаграмма, поясняющая работу этого формирователя; на фиг.6 - структурная схема блока измерения заряда; на фиг.7 - электрическая схема пикового детектора; на фиг.8 - электрическая схема разностного усилителя; на фиг.9 слева представлена конструкция светорегулирующей ячейки, а справа - типовая характеристика ее пропускания.
n1
n2
Заявляемая телекамера (см. фиг.1) содержит последовательно расположенные и оптически связанные оптический блок 1 и трехфазную матрицу 2 ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции 2-1 накопления, секции 2-2 памяти, первого выходного регистра 2-3 и первого БПЗН 2-4, разделительного электрода 2-5, второго выходного регистра 2-6 и второго БПЗН 2-7, а также видеоусилитель 3, формирователь 4 управляющих напряжений, последовательно соединенные блок 5 измерения заряда, пиковый детектор 6 и компаратор 7, опорный вход которого подключен к первому пороговому напряжению U, коммутатор 8, ПУ 9, последовательно соединенные разностный усилитель 10 и светорегулирующую ячейку 11, при этом первые, вторые и третьи управляющие входы секции 2-1 и секции 2-2, а также объединенные первые, вторые и третьи управляющие входы выходных регистров 2-3 и 2-6 матрицы ПЗС подключены к соответствующим выходам формирователя 4 управляющих напряжений, второй управляющий вход секции 2-1 матрицы ПЗС соединен с входом блока 5 измерения заряда, управляющий вход разделительного электрода 2-5 матрицы ПЗС подключен к выходу ПУ 9, выход БПЗН 2-4 матрицы ПЗС - к первому входу коммутатора 8, а выход БПЗН 2-7 - ко второму входу коммутатора 8, управляющий вход которого объединен с входом ПУ 9 и подключен к выходу компаратора 7, а выход коммутатора 8 - к входу видеоусилителя 3, вход служебных импульсов синхронизации и гашения которого подключен к выходу служебных импульсов формирователя 4 управляющих напряжений, выход импульсов сброса которого подключен к входу «сброс» пикового детектора 6, выход которого подключен к первому входу разностного усилителя 10, второй вход которого подключен ко второму пороговому напряжению U, при этом выход видеоусилителя 3 является выходом «видео» телекамеры.
Матрица 2 ПЗС, как и у прототипа, имеет организацию «кадровый перенос», но, в отличие от него, содержит на одном кристалле фотоприемника две секции: 2-1 и 2-2, два выходных регистра: 2-3 и 2-6, разделительный электрод 2-5 и два БПЗН: 2-4 и 2-7. В секции 2-1 матрицы ПЗС, как и в прототипе, выполняется опережающее и неразрушающее измерение зарядового рельефа по методу, предложенному в изобретении [2].
Блок 2-4, как и блок 2-7, предназначен для осуществления поэлементного преобразования зарядового сигнала изображения в напряжение видеосигнала. Принципиальным их отличием является различный уровень зарядовых пакетов на входе, который учитывается при конструктивном исполнении полевого транзистора в части емкости его затвора.
1
Для БПЗН 2-4 ожидается низкий уровень зарядового сигнала, поэтому емкость затвора должна быть предельно малой, что достигается выбором геометрии его размеров, обеспечивающей малую площадь затвора (ΔS).
2
Напротив, для БПЗН 2-7 предполагается высокий уровень зарядового сигнала, поэтому необходимо увеличить управляющую способность блока путем увеличения площади затвора (ΔS).
1
2
Так что обязательным при конструировании нагрузочных транзисторов является условие: ΔS<ΔS.
Здесь необходимо привести техническое обоснование данного предложения. Дело в том, что в каждом элементе выводимого из матрицы ПЗС видеосигнала дополнительно к фотонному шуму проявляется собственный источник шума, называемый шумом считывания.
Среднеквадратичное отклонение (СКО) шума считывания определяется площадью затвора выходного полевого транзистора. Типовое значение СКО шума считывания составляет 20 электронов [3, с.52] и оно является результатом проектирования выходного транзистора, площадь затвора (ΔS) которого вмещает максимальную величину ожидаемого заряда, т.е. соответствует критерию максимальной управляющей способности зарядового фотоэлектронного преобразования, осуществляемого в матрице ПЗС. По мнению специалистов, теоретически СКО шума считывания может быть снижено на порядок [3, с.52].
Формирователь 4 управляющих напряжений, как и в прототипе, выполняет функции синхрогенератора, формирователя логической последовательности управляющих импульсов и преобразователя уровней этих импульсов для работы на фазные шины матрицы ПЗС.
В отличие от прототипа, формирователь 4 работает не на регулируемой, а на единственной частоте кадров, обеспечивающей режим развертки фотоприемника в темпе телевизионного стандарта.
В составе формирователя 4 реализуются также управляющие сигналы, необходимые для выполнения периодических неразрушающих измерений уровня зарядового рельефа в секции 2-1 матрицы ПЗС.
с
к
к
Структурная схема формирователя этих сигналов (см. фиг.2) содержит генератор пилообразного напряжения, коммутатор (КТ) и элемент И. При этом на первый вход формирователя подаются с периодом Т строчные гасящие импульсы (см. фиг.3а), а на второй вход - импульсы измерительной строки с периодом Т (см. фиг.3в). В качестве измерительной строки целесообразно выбрать первую строку в интервале кадрового гасящего импульса (кадрового бланка с периодом Т).
Промежуточные и выходные сигналы формирователя изображены на эпюрах: фиг.3б - выход генератора пилообразного напряжения; фиг.3г - выход элемента «И»; фиг.3д - выход коммутатора.
Генератор линейного пилообразного напряжения может быть выполнен по схеме генератора на базе двух операционных усилителей (см. например [4, с.257]), а коммутатор - с использованием аналоговых ключей отечественных микросхем серии К590 (см. [5, с.447]).
Блок 5 измерения заряда предназначен для выделения информации о распределении заряда по всей поверхности секции 2-1 матрицы ПЗС и содержит (см. фиг.6) последовательно соединенные преобразователь «ток - напряжение» и усилитель напряжения. Преобразователь тока в напряжение может быть выполнен на одном операционном усилителе (см. [6, с.57]).
Отметим, что это преобразование «заряд - напряжение» в отличие от преобразования, выполняемого в БПЗН 2-4 или в БПЗН 2-7 матрицы ПЗС, является безразверточным. Термин «безразверточный» предложен авторами монографии [7, с.96] и означает, что съем видеосигнала осуществляется без соблюдения режима твердотельной развертки, т.е. он не привязан к координате конкретного элемента (пиксела) фотоприемника.
Будет справедливо добавить, что авторы монографии [7] являются и авторами изобретений [1, 2].
Формирование логического сигнала управления первой фазой секции 2-1 матрицы ПЗС в настоящем решении выполняется в блоке 4 и может быть реализовано по схеме, изображенной на фиг.4.
Электрическая схема формирователя собрана на двух цифровых микросхемах DD1, DD2 и одной аналоговой микросхеме DA1. На вход 1 формирователя подается сигнал управления первой фазой секции 2-1, который используется в прототипе (см. фиг.5в), на вход 2 - кадровый гасящий импульс (см. фиг.5а), на вход 3 - сигнал кадровой «пилы» (см. фиг.5ж), а на вход 4 - положительный импульс, определяющий длительность «пилы» (см. фиг.5е).
Отметим, что сигнал «пилы» и импульс ее длительности вырабатываются на выходах другого формирователя (см. фиг.2), работа которого была рассмотрена нами выше.
Представим и промежуточные сигналы для схемы на фиг.5:
- выход микросхемы DD1.1 - фиг.5г;
- выход микросхемы DD2 - фиг.5д.
Выходной сигнал формирователя, являющийся логическим сигналом управления первой фазой секции 2-1, показан на фиг.5з.
Отметим, что на этой временной диаграмме представлена и фиг.5б - эпюра импульса сброса («ИС»), необходимого для работы детектора 6.
Пиковый детектор 6 предназначен для запоминания напряжения, пропорционального максимальному уровню зарядового рельефа, который измеряется блоком 5. Возможная электрическая схема блока 6 показана на фиг.7. Перед началом очередного цикла измерений выполняется обнуление детектора при помощи кратковременного по длительности положительного импульса «ИС», подаваемого на вход «Сброс».
Разностный усилитель 10 предназначен для формирования управляющего напряжения светорегулирующей ячейки 11. Схема блока 10 (см. фиг.8) может быть выполнена на основе операционного усилителя, как это предложено в работе [8, с.282].
Выходное напряжение разностного усилителя, благодаря использованию диода на выходе, не имеет отрицательных значений, а только отсчеты положительной полярности и может быть определено по соотношению:
вых
вх1
вх2
U=K(U-U),
где К - коэффициент передачи;
вх1
U - напряжение на первом входе усилителя;
вх2
n2
U - напряжение на втором входе усилителя (в нашем примере это второе пороговое напряжение U).
Номиналы резисторов R1…R4 для этой схемы выбираются по соотношениям:
R2=R1·К; R3=R1/K; R4=R1·К.
Светорегулирующая ячейка 11 предназначена для управляемого ослабления облученности фотомишени первого датчика 3 и может быть выполнена по технологии [9] на основе электрохромного прибора.
Ячейка 14 (см. фиг.9, слева) представляет собой два плоскопараллельных стекла толщиной 2,5 мм, соединенные между собой в кювету так, что между внутренними поверхностями стекол образован зазор порядка 0,1-0,2 мм, заполненный электрохромным материалом ЭХМ-11. Внутренние поверхности стекол покрыты токопроводящим покрытием и образуют электроды, выводы которых расположены снаружи ячейки.
max
min
max
min
Световая характеристика ячейки 11 (см. фиг.9, справа) определяется свойствами электрохромной жидкости. Изменение коэффициента пропускания от τ (70%) до τ (1÷1,5%) составляет для большинства ячеек величину τ/τ=70÷150 при подаче на выводы постоянного напряжения, регулируемого в пределах U=0÷1,2 В.
При конструировании оптической схемы телекамеры целесообразно рассмотреть вопрос о расположении светорегулирующей ячейки 11 на входе оптического блока 1, а также о технологической возможности введения (интегрирования) ячейки 11 в состав оптического блока 1.
Коммутатор 8 предназначен для трансляции на вход видеоусилителя 3 по команде с выхода компаратора 7 соответственно видеосигналов с выхода БПЗН 2-4 матрицы ПЗС или с выхода БПЗН 2-7, как это показано в табл.1.
Таблица 1
<b>Уровень напряжения на управляющем входе коммутатора 8</b>
<b>Видеосигнал на входе видеоусилителя 3</b>
<b>логический «0»</b>
<b>с выхода БПЗН 2-4</b>
<b>логическая «1»</b>
<b>с выхода БПЗН 2-7</b>
Преобразователь уровней ПУ 9 предназначен для согласования нагрузки и управляющих смещений на выходе компаратора 7 и на входе разделительного электрода 2-5 матрицы ПЗС.
Видеоусилитель 3, как и в прототипе, предназначен для формирования выходного сигнала изображения телекамеры, но, в отличие от него, он вырабатывает композитный видеосигнал по телевизионному стандарту. Для этого на вход служебных импульсов видеоусилителя 3 с выхода формирователя 4 управляющих напряжений поступают сигналы синхронизации и гашения приемника (ССП и ГСП).
Телекамера (см. фиг.1) работает следующим образом. Предполагается, что освещенность и/или яркость наблюдаемых объектов монотонно и регулярно изменяется во всем поле зрения телекамеры.
к
Независимо от облученности секции 2-1 матрицы ПЗС с периодом Т, в интервале прямого хода кадровой развертки, осуществляется накопление зарядового рельефа под вторыми фазными шинами, как у прототипа, и дополнительно в том же объеме производится сбор зарядовых носителей под первыми фазовыми электродами, как показано на фиг.5з. В интервале обратного хода кадровой развертки потенциал накопления под первыми фазными шинами секции 2-1 линейно спадает (см. фиг.5з). В результате в каждом пикселе секции 2-1 начинается процесс переноса зарядов из потенциальных ям под первыми фазными шинами в потенциальные ямы под вторыми шинами. Потенциальные ямы под первыми фазовыми электродами монотонно разрушаются, а в цепи второго электрода секции 2-1 возникает ток, который максимален в первый момент, а затем монотонно спадает. Внешнюю цепь второго электрода секции 2-1 замыкает вход блока 5 измерения заряда, а величина тока в этой внешней цепи является суммой токов в каждом пикселе секции 2-1.Таким образом, внешний ток содержит полученную «безразверточным» методом информацию о распределении заряда по всей поверхности секции 2-1 матрицы ПЗС.
Блок 5 выполняет преобразование тока в напряжение, а пиковый детектор 6, который предварительно обнулен импульсом ИС (см. фиг.5б), запоминает максимальное значение этого напряжения.
n1
Пусть облученность фотомишени матрицы ПЗС является низкой (слабой), а поэтому запомненное напряжение на выходе пикового детектора 6 меньше первого порогового напряжения U. Следовательно, на выходе компаратора 7 удерживается низкий уровень, а коммутатор 8 транслирует на вход видеоусилителя 3 сигнал изображения с выхода БПЗН 2-4 (см. табл.1).
n1
Если облученность секции 2-1 матрицы ПЗС повышается, то напряжение на выходе пикового детектора 6 может превысить напряжение U. В результате, компаратор 7 опрокидывается, на его выходе устанавливается высокий уровень, который через ПУ 9 снимает «изоляцию» с разделительного электрода 2-5 матрицы ПЗС. Зарядовые пакеты из секции памяти 2-2 построчно, минуя выходной регистр 2-3, через разделительный электрод 2-5 переносятся в потенциальные ямы выходного регистра
2-6, а из них затем поэлементно - в направлении БПЗН 2-7. При этом коммутатор 8 передает на вход видеоусилителя 3 сигнал изображения с выхода БПЗН 2-7 (см. табл.1).
n2
n1
Если при этом параметре накопления матрицы ПЗС облученность ее мишени достаточно высокая, то выходное напряжение пикового детектора 9 может достигнуть второго порогового значения U, величина которого заведомо больше значения U. Поэтому появится сигнал напряжения на выходе разностного усилителя 10. Это управляющее напряжение снизит коэффициент пропускания τ светорегулирующей ячейки 11, а следовательно, уменьшится и максимальная облученность мишени фотоприемника.
В результате будет достигнуто равновесное состояние матрицы ПЗС, при котором расплывания изображения не наблюдается, вплоть до возникновения чрезмерной перегрузки облучением.
В настоящее время все блоки предлагаемого решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Авторское свидетельство №1327323 СССР. МПК H04N 5/235. Адаптивная телевизионная камера на матрице приборов с зарядовой связью. / А.Н.Куликов, А.В.Мартынихин, Л.И.Хромов и А.К.Цыцулин // БИ - 1987. - №28.
2. Авторское свидетельство №1417210 СССР. МПК H04N 5/228. Способ формирования сигнала управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС. / А.Н.Куликов и Л.И.Хромов // БИ - 1988. - №30.
3. Никитин В.В., Цыцулин А.К. Телевидение в системах физической защиты. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001.
4. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. / Перевод с англ. - М.: «Мир», 1985.
5. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон, В.И.Кулешова и др. - М.: «Радио и связь», 1990.
6. Пейтон Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. / Перевод с англ. - М.: «Бином», 1994.
7. Хромов Л.И., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Видеоинформатика. Передача и компьютерная обработка видеоинформации. М.: «Радио и связь», 1991.
8. Ленк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство. Перевод с англ. - М.: «Мир», 1985.
9. Разработка светорегулирующих ячеек и технологического процесса их изготовления. Технический отчет по теме «Балтика». Новгород (Великий Новгород), 1979.