УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКИ ВРЕМЕНИ НАКОПЛЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО СЕНСОРА, ИЗГОТОВЛЕННОГО ПО ТЕХНОЛОГИИ ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ

Изобретение относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах панорамного наблюдения, выполненных на базе телевизионных сенсоров по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), имеющих электронную регулировку чувствительности за счет изменения внутрикадрового времени накопления.

Известен «кольцевой» ПЗС-фотоприемник [1], состоящей 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 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 [2] организации устройства автоматической регулировки времени накопления (устройства АРВН) является пониженная точность управления чувствительностью сенсора, которая одинаково справедлива как для матричных, так и для «кольцевых» сенсоров, выполненных по технологии ПЗС с организацией «кадровый перенос».

С другой стороны, известно устройство АРВН [3], в котором решена задача повышения точности управления чувствительностью для фотоприемной матрицы ПЗС путем устранения ошибки в выборе направления регулирования с одновременным снижением инерционности регулирования.

Это устройство АРВН содержит последовательно соединенные предварительный видеоусилитель и блок фиксации, причем вход предварительного видеоусилителя является информационным входом устройства АРВН, а управляющий вход блока фиксации подключен к импульсному сигналу фиксации; в состав АРВН входят также детектор видеосигнала, первый компаратор, второй компаратор, третий компаратор, формирователь длительности импульса (ФДИ), первый и второй управляющие входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго компараторов, а выход ФДИ через преобразователь уровней (ПУ) подключен к управляющему входу матрицы ПЗС; фильтр нижних частот (ФНЧ), вход которого соединен с входом предварительного видеоусилителя и подключен к выходу «видео» матрицы ПЗС, при этом выход блока фиксации подключен к первому входу детектора видеосигнала, состоящего из первого диода и первого конденсатора, причем анод первого диода подключен к первому входу детектора видеосигнала, катод первого диода, соединенный с первым выводом первого конденсатора, - к выходу детектора видеосигнала, а второй вывод первого конденсатора - к общей шине детектора видеосигнала, имеющего в своем составе также второй и третий диоды, первый и второй резисторы, второй конденсатор и PNP-транзистор, при этом анод второго диода подключен к первому входу детектора видеосигнала, а катод второго диода - к базе транзистора и к соединенным между собой первым выводам второго конденсатора и первого резистора, эмиттер транзистора подключен к выходу детектора видеосигнала и соответственно к катоду третьего диода, а коллектор транзистора подключен через третий резистор к общей шине детектора видеосигнала, к которой подключены соответственно вторые выводы первого резистора и второго конденсатора, причем анод третьего диода является вторым входом детектора видеосигнала, выход которого подключен соответственно к неинвертирующему входу первого компаратора и к инвертирующему входу второго компаратора, причем инвертирующий вход первого компаратора подключен к первому пороговому напряжению, неинвертирующий вход второго компаратора - ко второму пороговому напряжению, неинвертирующий вход третьего компаратора - к третьему пороговому напряжению, инвертирующий вход третьего компаратор - к выходу ФНЧ, а выход третьего компаратора - ко второму входу детектора видеосигнала.

Очевидно, что данное устройство АРВН принципиально способно решить задачу повышения точности управления чувствительностью и для «кольцевого» сенсора, изготовленного по той же ПЗС-технологии, но такое использование технического решения по патенту [3] не учитывалось и не предусмотрено самим этим охранным документом.

Задача устранения сформулированного недостатка решается тем, что применяют устройство АРВН по патенту [3], реализующее 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.

Повышение точности управления чувствительностью «кольцевого» фотоприемника на ПЗС достигается следующим образом:

исключением ошибки в выборе направления регулирования, путем введения дополнительного контура управления, который включается в моменты достижения на фотоприемнике экспозиции насыщения;

снижением инерционности регулирования за счет использования в детекторе видеосигнала для первого конденсатора в качестве сопротивления разряда эмиттерно-коллекторного перехода PNP-транзистора.

По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства АРВН по патенту [3]; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие работу этого устройства; на фиг. 4 - электрическая схема одного из возможных вариантов выполнения ФНЧ и третьего компаратора; на фиг. 5 - семейство световых характеристик фотоприемника на ПЗС при изменении времени накопления от значения до значения ; на фиг. 6 - эпюры, иллюстрирующие временное положение выходного сигнала ФДИ; на фиг. 7 - схемотехническая организация матричного фотоприемника на ПЗС; на фиг. 8 - схемотехническая организация «кольцевого» фотоприемника на ПЗС.

Устройство АРВН (фиг. 1) содержит последовательно соединенные предварительный видеоусилитель 2 и блок 3 фиксации, при этом вход предварительного видеоусилителя 2, являющийся информационным входом АРВН, подключен к выходу «видео» «кольцевого» фотоприемника на ПЗС в позиции 1, управляющий вход блока 3 - к импульсному сигналу фиксации, а выход блока 3 - к первому входу детектора 4 видеосигнала, состоящего из первого диода 4-1, первого конденсатора 4-2, второго диода 4-3, третьего диода 4-4, первого резистора 4-5, второго резистора 4-6, второго конденсатора 4-7 и PNP-транзистора 4-8, при этом аноды диодов 4-1 и 4-3 подключены к первому входу детектора 4, а анод диода 4-4 - ко второму входу детектора 4, к выходу которого подключены соответственно катоды диодов 4-1 и 4-4, первый вывод конденсатора 4-2 и эмиттер транзистора 4-8, причем катод диода 4-3 подключен к базе транзистора 4-8 и к соединенным между собой первым выводам конденсатора 4-7 и резистора 4-5 соответственно, а коллектор транзистора 4-8 подключен через резистор 4-6 к общей шине детектора 4, к которой присоединены соответственно вторые выводы резистора 4-5 и конденсаторов 4-2 и 4-7, а также первый компаратор 5, второй компаратор 6, ФДИ 7, ПУ 8, третий компаратор 9 и ФНЧ 10; при этом выход детектора 4 подключен соответственно к неинвертирующему входу компаратора 5 и инвертирующему входу компаратора 6, причем инвертирующий вход компаратора 5 подключен к первому пороговому напряжению U_n1, а неинвертирующий вход компаратора 6 - ко второму пороговому напряжению U_n2, второй вход детектора 4 подключен к выходу компаратора 9, инвертирующий вход которого через ФНЧ 10 подключен к выходу «кольцевого» фотоприемника 1 на ПЗС, а неинвертирующий вход компаратора 9 - к третьему пороговому напряжению U_n3, при этом выходы компараторов 5 и 6 подключены соответственно к первым входам элементов «И» 11 и 12, вторые входы которых соединены между собой и подключены через переключатель 13 в положении «вверх» к напряжению логической единицы (логической «1»), а в положении «вниз» переключателя 13 - к напряжению логического нуля (логического «0»), выходы элементов «И» 11 и 12 подключены соответственно к первому и второму управляющим входам ФДИ 7, выход которого через ПУ 8 подключен к управляющему входу «кольцевого» фотоприемника на ПЗС.

Отметим, что первый элемент «И» в позиции 11, второй элемент «И» позиции 12 и переключатель в позиции 13 не являются принципиально необходимыми для устройства АРВН, а приведены с целью выполнения необходимых пояснений его возможностей (см. ниже).

«Кольцевой» фотоприемник 1 на ПЗС (см. фиг. 8) содержит мишень 1-1, на всей площади которой в радиальных направлениях (от воображаемого геометрического центра кольца к его внешней периферии) расположены линейки светочувствительных элементов; экранированную от света секцию памяти 1-2, заполненную в тех же радиальных направлениях линейками с таким же числом элементов, что и на мишени, а также «кольцевой» регистр сдвига 1-3, заканчивающийся БПЗН 1-4. При этом число элементов в каждой сформированной «кольцевой» строке мишени 1-1 и в каждой образованной «кольцевой» строке секции памяти 1-2 равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига 1-3, а линейки светочувствительных элементов мишени 1-1 непосредственно и последовательно связаны зарядовой связью с линейками элементов секции памяти 1-2.

Выходной сигнал ФДИ 7 (см. фиг. 6б) подается через ПУ 8 на управляющий вход «кольцевого» фотоприемника 1 на ПЗС, который является затвором антиблюминговой области и одновременно «электронным затвором» сенсора точно так же, как в матричном фотоприемнике, представленном на фиг. 7. Для иллюстрации временного положения выходного сигнала ФДИ 7 на фиг. 6а показан импульс, длительность которого соответствует интервалу кадрового переноса зарядов из секции накопления в секцию хранения, а период следования T_n - периоду полукадров. Уровень логического «0» в импульсном сигнале на фиг. 6б определяет интервал накопления Т_н. Если интервал накопления максимален , то выходной импульс ФДИ 7 преобразуется в сигнал низкого уровня.

Необходимо отметить, что для «кольцевого» регистра сдвига нового фотоприемника, как и для выходного регистра матрицы ПЗС, обязательным условием является наличие «холостых» элементов, которые не находятся в зарядовой связи с элементами последней строки секции памяти, а поэтому на фиг. 7 и 8 они не показаны. При помощи этих «холостых» элементов в выходном сигнале изображения сенсора передается «темновой уровень», т.е. информация о темновой составляющей видеосигнала.

Предварительный видеоусилитель 2, компараторы 5 и 6 не отличаются по схемотехническому исполнению от соответствующих блоков изобретения [3].

Блок 3 фиксации выполнен по известной схеме управляемой фиксации, а его особенностью является временное положение импульса фиксации, которое совпадает с временным положением «темнового уровня» в видеосигнале фотоприемника. Поэтому блок 3 фиксации осуществляет «привязку» уровня черного в выходном видеосигнале к «темновому уровню» сигнала изображения «кольцевого» фотоприемника 1 на ПЗС.

ФДИ 7, как и в решении по патенту [3], может быть выполнен с использованием микросхемы КНС14АП24, разработанной АОЗТ «Элми» (г. С.-Петербург). В соответствии с техническим описанием [4, с. 7] микросхема содержит в своем составе формирователь длительности импульсов, обеспечивающих управление «электронным затвором» матрицы ПЗС. Длительность интервала накопления Т_н в этих импульсах может принимать следующие значения: 64 мкс, 128 мкс, 256 мкс, 480 мкс, 1024 мкс, 2048 мкс, 4000 мкс, 8000 мкс, 16000 мкс и 20000 мкс, а их установка происходит по следующему алгоритму. Если на управляющем входе RP присутствует логический «0», а на управляющем входе RM - логическая «1», то длительность времени накопления дискретно увеличивается. При RP=«1», a RM = «0» длительность накопления уменьшается. При RP = «1», a RM = «1» запоминается предыдущее значение длительности накопления. Если RP = «0», a RM = «0», то время накопления максимально . Изменение длительности накопления происходит с частотой полукадров.

Последовательно включенные блоки: ФНЧ 10 и третий компаратор 9, - могут быть выполнены по схеме, показанной на фиг. 4. ФНЧ 10 включает резистор R1 и конденсатор С1. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, подаваемого на инвертирующий вход компаратора, который выполнен на базе операционного усилителя DA1. Резистор R3 задает пороговое напряжение U_n3, подаваемое на неинвертирующий вход компаратора. Резисторы R4 и R5 выполняют роль делителя выходного напряжения компаратора.

Устройство АРВН (см. фиг. 1) работает следующим образом.

Устанавливаем переключатель 13 в положение «вверх». Тогда в фотоприемнике 1 на ПЗС (см. фиг. 7 или фиг. 8) в режиме АРВН осуществляется формирование сигнала изображения. Предположим, что в качестве сенсора используется «кольцевой» фотоприемник на ПЗС с каналом проводимости n-типа, а освещенность фотомишени не превышает максимальную величину, при которой наступает насыщение потенциальных ям зарядовыми носителями. Видеосигнал на выходе фотоприемника (см. эпюру А на фиг. 2а) имеет отрицательную полярность и во время прямого хода каждой строки t_n.х.с. передает информацию об освещенности объекта контроля, а в течение интервала t₁, во время обратного хода строки t_o.х.с., - информацию о темновой составляющей видеосигнала фотоприемника путем считывания зарядовых пакетов, находящихся в «холостых» элементах «кольцевого» регистра фотоприемника 1 на ПЗС. Отметим, что временной промежуток t₂ в сигнале изображения на фиг. 2а соответствует интервалу переноса зарядовых пакетов из секции хранения в выходной регистр матрицы ПЗС, a t₁ + t₂ = t_o.х.с..

Далее в предварительном видеоусилителе 2, как и в прототипе, из видеосигнала удаляется тактовая помеха, а на его выходе создается информационная огибающая положительной полярности (см. эпюру A1 на фиг. 2б). Уровень U₁ на этой эпюре соответствует темновой составляющей сигнала изображения фотоприемника 1 на ПЗС.

В блоке 3 выполняется операция управляемой фиксации видеосигнала при помощи импульсного сигнала, показанного на фиг. 2в. В результате уровень черного в сигнале изображения «привязывается» в интервале передачи информации о темновой составляющей к напряжению фиксации U_ф (см. эпюру А2 на фиг. 2г).

С выхода блока 3 видеосигнал подается на блок 4, где выполняется его детектирование. Выпрямленное диодом 4-1 значение видеосигнала выделяется на конденсаторе 4-2, напряжение которого является регулирующим напряжением автоматической регулировки. Емкость конденсатора 4-2 выбирается достаточно большой, чтобы базовый ток транзистора 4-8 практически не влиял на величину регулирующего напряжения. Одновременно через диод 4-3 заряжается конденсатор 4-7, напряжение которого является опорным при сравнении с регулирующим напряжением. Параллельно конденсатору 4-7 подключен разрядный резистор 4-5, величина которого выбирается достаточно большой, чтобы исключить влияние на источник сигнала. Постоянная времени цепочки: резистор 4-5, конденсатор 4-7 выбирается порядка длительности нескольких полукадров.

Сравнение напряжений на конденсаторах 4-2 и 4-7 осуществляется с помощью транзистора 4-8, который при постоянном видеосигнале или при его увеличении закрыт, т.к. разница напряжений на конденсаторах 4-7 и 4-2 недостаточна для его открывания.

Изменение освещенности в сторону уменьшения приводит к снижению размаха видеосигнала, при этом конденсатор 4-7 быстро разряжается до нового значения, в то время как напряжение на конденсаторе 4-2 остается практически неизменным. Возникающая за счет этого разность напряжений между эмиттером и базой транзистора 4-8 открывает его, а через сопротивление 4-6 в коллекторе открытого транзистора происходит быстрый разряд конденсатора 4-2 до нового значения, после чего транзистор 4-8 снова закрывается.

Предположим, что коэффициент передачи детектора 4 видеосигнала близок к единице, а освещенность на объекте контроля не превышает значение E₀ (см. фиг. 5). Допустим также, что время накопления фотоприемника Т_н составляет промежуточное значение из возможных, т.е. , где - минимальное время накопления ПЗС; - максимальное время накопления ПЗС.

Тогда величина регулирующего напряжения U_p на выходе детектора 4 меньше первого порогового напряжения U_n1. Поскольку величина первого порогового напряжения всегда меньше второго порогового напряжения, т.е. U_n1<U_n2, то на выходе компаратора 5 устанавливается состояние логического «0», а на выходе компаратора 6 - состояние логической «1». Благодаря тому что на вторых входах элементов «И» 11 и 12 присутствует логическая «1», состояние «01» передается без изменений на управляющие входы ФДИ 7, а последнее вызывает в последующем полукадре на его выходе увеличение интервала накопления на один дискрет.

Выходной импульс ФДИ 7 через ПУ 8 подается на управляющий вход сенсора на ПЗС, что в результате вызывает увеличение выходного сигнала фотоприемника. Если в последующем полукадре состояние «01» на выходах компараторов сохранится, то время накопления «кольцевого» фотоприемника вновь увеличится на один дискрет.

Если по истечении нескольких полукадров величина регулирующего напряжения U_p на выходе детектора 4 удовлетворяет неравенству: U_n1<U_p<U_n2, то на выходе компараторов 5 и 6 устанавливается состояние «11», а на выходе ФДИ 7 сохраняется интервал накопления предыдущего полукадра.

Предположим, что при состоянии «11» на выходах компараторов 5 и 6, освещенность матрицы ПЗС возрастает. Величина регулирующего напряжения U_p на выходе детектора 4 становится больше, чем величина второго порогового напряжения U_n2. Тогда на выходах компараторов 5 и 6, а следовательно, и на управляющих входах ФДИ 7 устанавливается новое состояние «10», что вызывает на выходе последнего уменьшение интервала накопления на один дискрет. В результате выходной импульс блока 7 через ПУ 8, воздействуя на управляющий вход сенсора на ПЗС, приводит к уменьшению в последующем полукадре видеосигнала с фотоприемника.

Рассмотрим ситуацию, когда освещенность фотомишени матрицы ПЗС в некоторый момент времени превышает максимальную, и потенциальные ямы оказываются полностью заполненными фотоэлектронами. В этом случае видеосигнал на выходе ПЗС приобретает новую форму (см. эпюру Б на фиг. 2а, показанную пунктиром). Отметим ее важную особенность: она иллюстрирует максимальное заполнение потенциальных ям зарядовыми носителями и в «холостых» элементах «кольцевого» регистра. Благодаря этому видеосигнал на выходе предварительного видеоусилителя 2 имеет форму, приведенную на эпюре Б1 (см. фиг. 2б), а уровень сигнала изображения U₂ становится общим для всех элементов «кольцевого» регистра фотоприемника на ПЗС.

Поэтому форма видеосигнала на выходе блока 3 фиксации в этом случае (см. эпюру Б2 на фиг. 2 г) существенно отличается от А2, которая имела место в ранее описанной ситуации. По этой причине величина регулирующего напряжения на выходе детектора 4 уменьшается, а на выходах компараторов 5 и 6 устанавливается состояние «10», что для прототипа вызывает в конечном итоге дополнительное увеличение интервала накопления на один дискрет, а следовательно, ошибку в выборе направления регулирования.

Однако в настоящем решении ошибка в выборе направления регулирования исключена, т.к. имеется дополнительный контур управления, состоящий из ФНЧ 10 и третьего компаратора 9, причем вход ФНЧ подключен к выходу матрицы ПЗС, а выход компаратора соединен со вторым входом детектора 4.

Рассмотрим работу дополнительного контура управления.

Если освещенность на ПЗС не превышает максимальную для данного времени накопления, то видеосигнал на выходе ФНЧ 10 имеет вид, показанный на эпюре A3 (см. фиг. 3). На выходе компаратора 9 при этом установится низкий логический уровень, т.к. напряжение видеосигнала, подаваемое на его инвертирующий вход, превышает пороговое напряжение U_n3 на его неинвертирующем входе. Выходное напряжение компаратора 9 закрывает диод 4-4 детектора видеосигнала и поэтому не воздействует на процесс детектирования сигнала изображения.

Но когда освещенность на ПЗС такова, что экспозиция больше максимальной, видеосигнал на выходе ФНЧ 10 приобретает вид, показанный на эпюре Б3 (см. фиг. 3). При этом на выходе компаратора 9 появляется высокий логический уровень, который открывает диод 4-4 детектора и увеличивает напряжение на конденсаторе 4-2. В результате время накопления фотоприемника уменьшается на один дискрет, а ошибка в выборе направления регулирования исключена, т.к. устранены условия ее вызывающие.

Обращаясь к фиг. 5, можно добавить, что при возрастании освещенности на фотомишени ПЗС в рабочем диапазоне это переключение на меньшую величину времени накопления фотоприемника будет происходить в точках Е₁, Е₂, Е₃, Е₄ и Е_макс.

Благодаря этому техническому решению детектора 4 видеосигнала, инерционность регулирования в сторону уменьшения освещенностей уменьшается и практически совпадает с инерционностью регулирования в сторону увеличения.

Следует отметить, что представленная на фиг. 1 структурная схема устройства АРВН обладает дополнительным преимуществом. Оно заключается в возможности оперативного перевода сенсора на ПЗС в режим максимальной чувствительности. Для реализации этого режима переключатель 13 (см. фиг. 1) необходимо установить в положение «вниз». При этом на вторые входы элементов «И» 11 и 12 подается сигнал логического «0», а это, в свою очередь, определяет состояние «00» на управляющих входах ФДИ 7. В этом случае интервал накопления в выходном импульсе блока 7 максимальный , что в результате, при прочих равных условиях, и обеспечивает режим максимальной чувствительности фотоприемника.

В настоящее время все блоки предлагаемого решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

Источники информации

1. Патент РФ №2592831. МПК H04N 5/00. Устройство фотоприемника для панорамного телевизионно-компьютерного наблюдения. / В.М. Смелков // БИ - 2016. - №21.

2. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. - М.: Радио и связь, 1991.

3. Патент РФ №2420016. МПК H04N 5/00. Устройство автоматической регулировки времени накопления фотоприемной матрицы на приборах с зарядовой связью / В.М. Смелков // БИ - 2011. - №15.

4. Микросхема КНС14АП24 - Формирователь импульсов переноса. Техническое описание ДКГШ.431262.018 ТО, С.-Петербург, 1995.