Способ формирования видеосигнала на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП
METHOD OF FORMING A VIDEO SIGNAL ON A SENSOR CHIP, MADE BY THE TECHNOLOGY OF A CMOS

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах, выполненных на базе однокристального «кольцевого» телевизионного сенсора по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП). Такие камеры обеспечивают формирование видеосигнала «кольцевого» кадра и предназначены для телевизионно-компьютерного наблюдения панорамных сюжетов или объектов, имеющих форму кругового кольца.
При этом управление работой телевизионной камеры, регистрация ее видеосигнала и его воспроизведение производится при помощи компьютеров, объединенных в локальную вычислительную сеть.
1
2
3
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ формирования видеосигнала [1, с. 64, рис. 1.18] на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП, путем реализации метода «координатная адресация», причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет коэффициент усиления K, а также транзисторный МОП-ключ, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на шину видео, которая объединяет все активные пикселы мишени в активные столбцы, каждый из которых имеет дополнительно усилитель видеосигнала с коэффициентом усиления K, причем управление МОП-ключами активных пикселов, расположенных по горизонтали, осуществляется при помощи отдельно взятой горизонтальной (строчной) шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество шин видео - число элементов (пикселов) в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещается его электронное «обрамление - блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения видеосигнала, а именно: регистр вертикальной (кадровой) развертки, осуществляющий выбор строки; ключевые МОП-транзисторы для каждого активного столбца, обеспечивающие передачу видеосигнала на выходе его усилителя на соответствующий вход мультиплексора горизонтальной (строчной) развертки, который выполняет подключение видеосигнала с каждого активного пиксела на вход выходного усилителя с коэффициентом усиления K, при этом в активных пикселах мишени сенсора с периодом кадров осуществляют накопление зарядовых пакетов текущего кадра и одновременно считывание видеоинформации предыдущего кадра последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки мишени и последовательного строка за строкой для мишени в целом, формируя на выходе фотоприемника в аналоговом виде напряжение выходного видеосигнала сенсора.
Сенсор прототипа - матрица КМОП, имеющая прямоугольную форму мишени, которая не является оптимальной применительно к кольцевому оптическому изображению наблюдаемой панорамной сцены, формируемому панорамным объективом, или применительно к оптическому изображению объектов, имеющих форму кругового кольца, но контролируемых при помощи обычного объектива.
Обоснованием этого утверждения служит необходимость в такой ситуации иметь для сенсора высокое число пикселов по горизонтали и вертикали. Но при этом существенная часть пикселов мишени является бесполезной, т.к. не несет информации о наблюдаемом сюжете, а принудительно используется при формировании выходного сигнала изображения сенсора, который по своему содержанию является аналоговым видеосигналом. Отсюда и возникает вынужденное расширение полосы пропускания выходного аналогового видеосигнала сенсора, что является очевидным недостатком прямоугольного по форме фотоприемника на КМОП в упомянутых выше условиях применения.
Задачей изобретения является устранение избыточной полосы пропускания выходного аналогового видеосигнала КМОП-сенсора и повышения коэффициента использования для общей площади кристалла прибора за счет реализации мишени в форме кругового кольца при «кольцевом» размещении на кристалле электронного «обрамления» фотоприемника.
1
2
3
В заявляемом способе формирования видеосигнала, как и в прототипе, решается тем, что на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП, путем реализации метода «координатная адресация», причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет коэффициент усиления K, а также транзисторный МОП-ключ, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на шину видео, которая объединяет все активные пикселы мишени в активные столбцы, каждый из которых имеет дополнительно усилитель зарядового видеосигнала с коэффициентом усиления K, причем управление МОП-ключами активных пикселов, расположенных вдоль строки, объединено и осуществляется при помощи отдельно взятой строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество шин видео - число элементов (пикселов) в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование исходного напряжения видеосигнала, а именно: регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор строки; ключевые МОП-транзисторы для каждого активного столбца, обеспечивающие передачу сигнала изображения на выходе его усилителя на соответствующий вход мультиплексора строчной развертки, который выполняет подключение видеосигнала с каждого активного пиксела на вход выходного усилителя с коэффициентом усиления K, при этом в активных пикселах мишени сенсора с периодом кадров осуществляют накопление зарядовых пакетов текущего кадра и одновременно считывание видеоинформации предыдущего кадра последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки мишени и последовательного строка за строкой для мишени в целом, формируя на выходе фотоприемника в аналоговом виде напряжение выходного видеосигнала сенсора, но в отличие от прототипа, мишень сенсора имеет форму кругового кольца, а активные столбцы мишени и параллельные им шины видео расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии, при этом на мишени сенсора каждая строка пикселов и соответствующая строчная шина управления становятся «кольцевыми», а светочувствительная площадь пикселов каждого активного столбца мишени рзлична от строки к строке, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии, причем коэффициент усиления  активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки сенсора изменяется по соотношению:
1
где Δ и- соответственно светочувствительная площадь активного пиксела для первой и текущей строки считывания в «кольцевом» сенсоре, обеспечивая одинаковую величину считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра изображения, при этом расположенные на общем «кольцевом» кристалле регистр кадровой развертки и мультиплексор строчной развертки, как и сенсор, становятся «кольцевыми» по форме их реализации.
Совокупность известных и новых признаков заявляемого способа формирования видеосигнала на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП, не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
Важно отметить следующее. Если для прототипа светочувствительная площадь активных пикселов мишени сенсора от строки к строке одинакова, то для заявляемого решения она различна. Это вызывается необходимостью для «кольцевого» фотоприемника, имеющего, как и в прототипе, одинаковое число активных пикселов в каждой строке, выравнивания разрешающей способности в пределах кадра путем обеспечения одинаковой величины технологического (производственного) зазора между светочувствительными элементами.
Выполнение поставленной задачи, а именно: устранение избыточной полосы пропускания выходного видеосигнала КМОП сенсора и повышения коэффициента использования для общей площади кристалла прибора, -осуществляется за счет реализации одинаковой величины считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра изображения.
Параметр считывающей апертуры для всех активных пикселов каждой текущей строки «кольцевого» кадра определяется произведением коэффициента усиления  активного пиксела на величину его светочувствительной площади
Как следует из соотношения (1), этот показатель остается постоянным для всех светочувствительных пикселов фотоприемника. Не меняется и величина шумовой «дорожки» для каждого активного пиксела сенсора, что является обязательным условием для реализации чувствительности фотоприемника и его отношения сигнал/шум.
Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена схемотехническая организация «кольцевого» фотоприемника, реализующая заявляемый способ; на фиг. 2 - подробности этой организации применительно к отдельно взятому активному столбцу.
«Кольцевой» сенсор, см. фиг. 1, выполнен по технологии КМОП и содержит на общем кристалле «кольцевую» фотоприемную область (мишень) в позиции 1, «кольцевой» регистр кадровой развертки в позиции 2 и «кольцевой» мультиплексор строчной развертки в позиции 3.
Как показано на фиг. 1, активные пикселы на мишени сенсора объединены в активные столбцы, которые расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца.
1
Каждый активный пиксел мишени, см. фиг. 2, имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 1-1, усилитель 1-2 с коэффициентом усиления K и ключевой МОП-транзистор 1-3.
Отметим, что показанная на фиг. 1 форма светочувствительной площади пиксела в виде прямоугольника, а на фиг. 2 - латинской буквы L, как у прототипа, являются условными. На практике электроды зарядового накопления активных пикселов мишени сенсора, совпадающие с площадью их светочувствительной площади, могут быть выполнены совершенно иначе, например, с геометрической формой в виде части кругового кольца.
Управление ключевого МОП-транзистора 1-3 пиксела для каждой «кольцевой» строки фотоприемника осуществляется при помощи отдельной (своей) строчной шины 1-4, передающей сигнал управления с соответствующего выхода «кольцевого» регистра 2 кадровой развертки.
2
3
Видеосигнал с выхода каждого ключевого МОП-транзистора 1-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого активного столбца передается шину видео 1-5, а затем - на вход усилителя столбца 1-6 с коэффициентом усиления K. Далее с выхода усилителя 1-6 при помощи ключевого МОП-транзистора 1-7, управляемого с одного из выходов мультиплексора 3, видеосигнал транслируется на вход выходного усилителя 1-8 с коэффициентом усиления K для получения необходимого уровня аналогового видеосигнала текущего пиксела данного активного столбца на выходе сенсора.
Заметим, что выходной усилитель 1-8 - не принадлежность этого отдельно взятого активного столбца, а является общим элементом для всех активных столбцов прибора.
То же самое формирование видеосигнала происходит и в пределах других радиально расположенных активных столбцов «кольцевой» мишени 1 предлагаемого сенсора.
Отметим, что на фиг 1 пунктирные стрелки показывают управление «кольцевыми» строчными шинами 1-4 фотоприемника со стороны «кольцевого» регистра 2. То, что здесь, как и на фиг. 2, изображены лишь четыре строчные шины является условностью чертежа. Как упоминалось ранее, число шин 1-4 соответствует показателю действительного числа «кольцевых» строк в заявляемом сенсоре.
Поясним дополнительно на фиг. 2 и другое. Стрелки с непрерывными линиями отмечают передачу сигнала изображения в сенсоре по шинам видео 1-5 в направлении к «кольцевому» мультиплексору 3.
В результате на выходе усилителя 1-8 в «кольцевом» растре последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой «кольцевой» строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом формируется в аналоговом виде напряжение выходного видеосигнала заявляемого сенсора.
Благодаря принятой для изготовления предлагаемого сенсора, как и для прототипа, технологии КМОП, обеспечивается возможность интегрировать на один общий кристалл не только фотоприемник, но и блоки развертки телевизионной камеры, которые могут быть реализованы с существенным понижением их энергопотребления.
Предлагаемая «кольцевая» форма мишени КМОП-фотоприемника позволяет эффективнее использовать полезную площадь кристалла и снизить полосу пропускания специализированных телевизионных камерах для телевизионно-компьютерного наблюдения панорамных сюжетов или объектов, имеющих форму кругового кольца.
Применительно к этим практическим задачам прикладного телевидения заявляемое решение потенциально способно качественно улучшить ранее запатентованные автором технические решения [2, 3, 4], где в качестве «кольцевого» фотоприемника использован сенсор, изготовленный по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС). Именно метод реализации развертки в КМОП-сенсоре является гарантом получения нового качества для телевизионного фотоприемника.
Очевидно, что координатная адресация к каждому пикселу в КМОП вместо неизбежного для ПЗС протаскивания заряда каждого элемента сначала по всему столбцу, а затем по всей строке, позволяет избежать специфичных искажений, связанных с неэффективностью переноса зарядовых пакетов.
Это означает и возможность реализации в КМОП-сенсорах и более высокой частоты опроса, превышающей частоту считывания зарядовых пакетов в ПЗС-фотоприемниках, или при той же частоте опроса существенно увеличить число пикселов по строке и по кадру и в результате добиться выигрыша в разрешающей способности прибора.
В настоящее время все элементы схемотехнической организации «кольцевого» сенсора на кристалле, изготовленном по технологии КМОП, согласно заявляемому способу освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К. и Шипилов Н.Н. Твердотельная революция в телевидении: Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле. Под ред. А.А. Умбиталиева и А.К. Цыцулина. -М.: «Радио и связь», 2006.
2. Патент РФ №2631830. МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2017. - №27.
3. Патент РФ №2665695. МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2018. - №25.
4. Патент РФ №2671229. МПК H04N 7/00. Способ формирования видеосигнала в телевизионно-компьютерной системе для контроля промышленных изделий, имеющих форму кругового кольца. / В.М. Смелков // Б.И. - 2018. - №31.