LU87822A1

LU87822A1 - CIRCUIT FOR AMPLIFYING A VIDEO SIGNAL IN A CCD-TYPE CAMERA

Info

Publication number: LU87822A1
Application number: LU87822A
Authority: LU
Inventors: Jean-Claude Grossetie; Joseph-Albert Miehe; Bernard Cunin; Jean-Pierre Oberlin
Original assignee: Europ Communities
Priority date: 1990-10-16
Filing date: 1990-10-16
Publication date: 1992-05-25

Description

Circuit d'amplification d'un signal vidéo dans une caméra du type CCD L'invention se réfère à un circuit d'amplification d'un signal vidéo dans une caméra du type CCD dont la matrice opto-élec-tronique présente, en bordure de chaque ligne, quelques pixels correspondant aux charges accumulées dans les sites cachés et constituant la référence du noir.Circuit for amplifying a video signal in a CCD type camera The invention relates to a circuit for amplifying a video signal in a CCD type camera whose optoelectronic matrix is present at the edge of each line, a few pixels corresponding to the charges accumulated in the hidden sites and constituting the reference for black.

Les dispositifs matriciels au silicium dits CCD (charge coup-led device) sont de plus en plus utilisés comme capteurs photoniques dans les caméras modernes, car ils sont compacts et de mise en oeuvre aisée.CCD (charge coup-led device) silicon matrix devices are more and more used as photonic sensors in modern cameras, because they are compact and easy to use.

Ils comportent généralement une zone formée d'environ 300 lignes de 400 sites photosensibles chacune (taille d'un pixel environ 20 pm fois 20 um). Lorsque cette partie est illuminée, les électrons créés par effet photoélectrique s'accumulent dans des puits de potentiel pendant une durée dite d'intégration. En général, ils sont ensuite transférés, ligne par ligne, dans une zone mémoire d'architecture identique à la précédente, mais maintenus dans l'obscurité.They generally comprise an area formed of approximately 300 lines of 400 photosensitive sites each (size of a pixel approximately 20 μm times 20 μm). When this part is illuminated, the electrons created by photoelectric effect accumulate in potential wells during a so-called integration period. In general, they are then transferred, line by line, to a memory area of architecture identical to the previous one, but kept in the dark.

Une nouvelle période d'intégration peut alors commencer, en mime temps que débute la phase de lecture de la mémoire. Les charges associées aux pixels de chaque ligne sont déposées dans un registre de lecture, puis décalées séquentiellement vers une capacité de conversion dans laquelle elles sont transférées après décharge préalable de celle-ci. La tension résultante constitue le signal vidéo proportionnel au flux lumineux absorbé par chaque élément photosensible. Chaque ligne vidéo est complétée par quelques pixels, par exemple par 10 pixels, qui correspondent aux charges accumulées dans des sites cachés; celles-ci sont créées par agitation thermique et constituent la référence dite "du noir".A new integration period can then begin, at the same time as the memory reading phase begins. The charges associated with the pixels of each line are deposited in a reading register, then shifted sequentially to a conversion capacity into which they are transferred after prior discharge thereof. The resulting voltage constitutes the video signal proportional to the light flux absorbed by each photosensitive element. Each video line is completed by a few pixels, for example by 10 pixels, which correspond to the charges accumulated in hidden sites; these are created by thermal agitation and constitute the so-called "black" reference.

Ce signal est soit mélangé à des impulsions de synchronisation pour être visualisé sur un écran, soit numérisé, pixel par pixel, et stocké dans la mémoire d'un ordinateur pour y subir un traitement immédiat ou différé.This signal is either mixed with synchronization pulses to be viewed on a screen, or digitized, pixel by pixel, and stored in a computer memory for immediate or delayed processing.

La plupart des caméras disponibles sur le marché fonctionnent selon les normes CCIR. La cadence des prises de vue est donc de 50 images par seconde, ce qui correspond à un temps d'intégration fixe, légèrement inférieur à 20 ms, et à une fréquence de lecture du registre de sortie de 7,4 MHz (soit environ 135 ns par pixel). Le signal délivré par le capteur est amplifié par un étage vidéo, habituellement à liaisons alternatives, associé à un système de restitution du niveau continu.Most of the cameras available on the market operate according to CCIR standards. The frame rate is therefore 50 images per second, which corresponds to a fixed integration time, slightly less than 20 ms, and to a reading frequency of the output register of 7.4 MHz (or approximately 135 ns per pixel). The signal delivered by the sensor is amplified by a video stage, usually with alternative links, associated with a continuous level restitution system.

Ce dispositif est souvent de réalisation délicate, et son efficacité devient problématique dans le cas de caméras à haute sensibilité, d'autant que les variations du niveau du noir ne sont pratiquement jamais corrigées. Ces variations sont induites par l'augmentation du nombre des porteurs libres générés par agitation thermique et correspondent à un coefficient voisin de 3 mV/°C à 25°C. Cette dérive réduit assez nettement la résolution en intensité de la caméra. En effet, si l'on considère un accroissement de la température du substrat de l'ordre de 10°C et si l'on tient compte du seuil de solarisation qui est proche de 1 Volt, on en déduit que la résolution pratique, approximativement égale à 3%, est très supérieure à la limite théorique imposée par les convertisseurs analogiques-numériques à 8 bits couramment utilisés (0,4%).This device is often of delicate realization, and its effectiveness becomes problematic in the case of cameras with high sensitivity, especially as the variations of the level of the black are practically never corrected. These variations are induced by the increase in the number of free carriers generated by thermal agitation and correspond to a coefficient close to 3 mV / ° C at 25 ° C. This drift quite significantly reduces the resolution in intensity of the camera. Indeed, if we consider an increase in the temperature of the substrate of the order of 10 ° C and if we take into account the solarization threshold which is close to 1 Volt, we deduce that the practical resolution, approximately equal to 3%, is much higher than the theoretical limit imposed by commonly used 8-bit analog-digital converters (0.4%).

Par ailleurs, les circuits de contrôle du capteur CCD et 1'amplificateur présentent généralement des caractéristiques telles que la largeur spectrale du signal vidéo excède rarement 5 MHz au lieu de 7 MHz escomptés. Il en résulte évidemment une détérioration de la résolution spatiale.Furthermore, the control circuits of the CCD sensor and the amplifier generally have characteristics such that the spectral width of the video signal rarely exceeds 5 MHz instead of the expected 7 MHz. This obviously results in a deterioration of the spatial resolution.

Enfin, il existe actuellement des caméras vidéo rapides capables de délivrer 100 à 200 images par seconde. Elles travaillent en général avec une définition spatiale réduite d'un facteur compris entre 2 et 4. En effet, pour diminuer le débit d'informations à traiter, les contenus de lignes et colonnes voisines sont sommées. Ainsi, il est possible d'augmenter la cadence de prise de vue avec une bande vidéo modérée ne dépassant en aucun cas 14 MHz. L'objectif de l'invention est d'atteindre une cadence de 200 images par seconde en conservant la résolution spatiale intrinsèque du capteur CCD et en portant la résolution en intensité à une valeur inférieure à 0,02%, soit une amélioration d'un facteur supérieur à 100 par rapport aux réalisation actuelles.Finally, there are currently fast video cameras capable of delivering 100 to 200 images per second. They generally work with a reduced spatial definition by a factor of between 2 and 4. Indeed, to reduce the bit rate of information to be processed, the contents of neighboring rows and columns are summed. Thus, it is possible to increase the frame rate with a moderate videotape in no case exceeding 14 MHz. The objective of the invention is to achieve a frame rate of 200 images per second by preserving the intrinsic spatial resolution of the CCD sensor and by bringing the resolution in intensity to a value less than 0.02%, ie an improvement of factor greater than 100 compared to current achievements.

Cet objectif est atteint selon l'invention par le fait que le signal sortant de la matrice opto-électronique est appliqué à un amplificateur différentiel qui reçoit en outre sur sa seconde entrée un signal de réaction provenant d'une boucle qui incorpore une porte de tri dont la fenêtre correspond aux pixels constituant la référence du noir et dont l'entrée est reliée à la sortie dudit amplificateur différentiel, cette porte étant suivie d'un circuit moyenneur, d'un échantil-lonneur-bloqueur et d'un comparateur-correcteur fournissant ledit signal de réaction.This objective is achieved according to the invention by the fact that the signal leaving the opto-electronic matrix is applied to a differential amplifier which also receives on its second input a reaction signal coming from a loop which incorporates a sorting gate. whose window corresponds to the pixels constituting the reference of black and whose input is connected to the output of said differential amplifier, this gate being followed by an averaging circuit, a sample-and-hold-blocker and a comparator-corrector providing said reaction signal.

De préférence, le comparateur-correcteur compare le signal sortant de 1'échantillonneur-bloqueur à une valeur de consigne de "noir" et fournit audit amplificateur différentiel un signal qui est fonction de la divergence dudit signal sortant de 1'échantillonneur-bloqueur par rapport à la valeur de con- signe.Preferably, the comparator-corrector compares the signal leaving the sampler-blocker with a set value of "black" and provides said differential amplifier with a signal which is a function of the divergence of said signal leaving the sampler-blocker with respect to at the set value.

Pour profiter de la résolution accrue grâce à la boucle de stabilisation du niveau du "noir", il est nécessaire d'utiliser un convertisseur analogique-numérique à au moins 10 bits. Si la vitesse de ce convertisseur ne suffit pas pour la cadence de conversion souhaitée, on utilise de préférence deux circuits de conversion identiques qui travaillent en modes alternés. L'invention sera décrite ci-après plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation et des figures annexées.To take advantage of the increased resolution thanks to the stabilization loop of the "black" level, it is necessary to use an analog-digital converter with at least 10 bits. If the speed of this converter is not sufficient for the desired conversion rate, two identical conversion circuits are preferably used which work in alternating modes. The invention will be described below in more detail with the aid of an exemplary embodiment and the appended figures.

La figure 1 est un schéma du circuit d'amplification selon l'invention, et la figure 2 représente deux signaux vidéo à deux endroits différents du circuit selon l'invention.FIG. 1 is a diagram of the amplification circuit according to the invention, and FIG. 2 represents two video signals at two different places on the circuit according to the invention.

Le bloc 1 de la figure 1 représente une matrice au silicium dite CCD qui est associée à des lentilles optiques non représentées et reçoit le flux lumineux correspondant à l'image à capter. Le temps de lecture d'un pixel est d'environ 35 ns, ce qui donne une fréquence d'environ 28 MHz pour l'échantillonnage des pixels. La matrice 1 reçoit des signaux de commande par une entrée 3, qui proviennent d'un circuit de contrôle 4 assurant le synchronisme de l'ensemble. Les signaux sortant de la matrice 1 par la sortie 2 sont du type tel que représenté sur la figure 2a. On y voit six impulsions correspondant à six pixels, dont les trois premiers appartiennent à des pixels de 1'image à capter et les trois restants appartiennent à des sites cachés constituant la référence du noir. Ce signal est appliqué à un amplificateur différentiel 5, qui est réalisé à l'aide de deux transistors bipolaires. Le gain de cet amplificateur est voisin de 5 et sa bande passante supérieure à 30 MHz. En plus, son taux de rejection en mode commun élevé garantit une stabilité thermique bien meilleure que celle de la matrice 1. La seconde entrée de l'amplificateur différentiel 5 fait partie d'une boucle de réaction qui comporte en série un circuit de tri 6 commandé par le circuit de contrôle 4, et qui sélectionne la partie du signal correspondant aux pixels des sites cachés, un circuit moyenneur 7, un échantillonneur-blo-queur 8 et un comparateur-correcteur 9. L'entrée du circuit de tri est reliée à la sortie de l'amplificateur différentiel 5 et la sortie du comparateur-correcteur 9 est reliée à la seconde entrée de cet amplificateur. Le comparateur-correcteur 9 comporte un circuit d'addition 10, qui reçoit sur une entrée REF une tension de référence et sur une autre entrée le signal de sortie de 1'échantillonneur-bloqueur 8. Le signal vidéo amplifié, qui est disponible à la sortie de l'amplificateur différentiel 5, est appliqué à un convertisseur analogique-numérique 11 lorsqu'on désire une sortie numérisée. Autrement, le signal analogique est combiné avec des signaux de synchronisation standardisés en vue d'une visualisation sur un écran de télévision.Block 1 of FIG. 1 represents a so-called CCD silicon matrix which is associated with optical lenses not shown and receives the light flux corresponding to the image to be captured. The read time of a pixel is approximately 35 ns, which gives a frequency of approximately 28 MHz for sampling the pixels. The matrix 1 receives control signals by an input 3, which come from a control circuit 4 ensuring the synchronism of the assembly. The signals leaving the matrix 1 via the output 2 are of the type as shown in FIG. 2a. There are seen six pulses corresponding to six pixels, the first three of which belong to pixels of the image to be captured and the remaining three belonging to hidden sites constituting the reference for black. This signal is applied to a differential amplifier 5, which is produced using two bipolar transistors. The gain of this amplifier is close to 5 and its bandwidth greater than 30 MHz. In addition, its rejection rate in high common mode guarantees a much better thermal stability than that of the matrix 1. The second input of the differential amplifier 5 is part of a feedback loop which includes in series a sorting circuit 6 controlled by the control circuit 4, and which selects the part of the signal corresponding to the pixels of the hidden sites, an averaging circuit 7, a sampler-blocker 8 and a comparator-corrector 9. The input of the sorting circuit is connected at the output of the differential amplifier 5 and the output of the comparator-corrector 9 is connected to the second input of this amplifier. The comparator-corrector 9 comprises an addition circuit 10, which receives on a REF input a reference voltage and on another input the output signal of the sampler-blocker 8. The amplified video signal, which is available to the output of the differential amplifier 5, is applied to an analog-digital converter 11 when a digital output is desired. Otherwise, the analog signal is combined with standardized synchronization signals for viewing on a television screen.

Le fonctionnement du circuit d'amplification selon l'invention est le suivant:The operation of the amplification circuit according to the invention is as follows:

Comme il a été exposé ci-dessus, la résolution d'un signal vidéo provenant d'une matrice CCD est affectée par la sensibilité thermique de cette matrice. Cette sensibilité a pour conséquence que les amplitudes des signaux électriques correspondant aux différents pixels ne dépend non seulement de la lumière incidente, mais également de la température à laquelle est soumise la matrice 1 et du temps d'intégration de la lumière. Sans cette sensibilité, le niveau "noir" qu'on peut extraire des pixels cachés serait toujours constant. Or, en réalité, cette amplitude varie dans une fourchette qui est symbolisée par 12 dans la figure 2a. Corrélativement, les signaux vidéo utiles sont affectés de la même imprécision.As discussed above, the resolution of a video signal from a CCD matrix is affected by the thermal sensitivity of that matrix. This sensitivity has the consequence that the amplitudes of the electrical signals corresponding to the different pixels depend not only on the incident light, but also on the temperature to which the matrix 1 is subjected and on the integration time of the light. Without this sensitivity, the "black" level that can be extracted from hidden pixels would still be constant. However, in reality, this amplitude varies within a range which is symbolized by 12 in FIG. 2a. Correspondingly, the useful video signals are affected by the same imprecision.

La figure 2b représente les signaux qui sont disponibles (après inversion) à la sortie de l'amplificateur différentiel 5. Grâce à la boucle comportant les éléments 6 à 9, le niveau du noir est ramené à une valeur constante définie par la tension de référence, et cela indépendamment d'un changement de la température dans la matrice 1 et (ou) du temps d'intégration. La boucle avec les éléments 6 à 9 constitue donc une boucle de contrôle automatique du niveau du noir. Le coéffici-ent de température apparent, ramené à la sortie de la matrice 1, est suffisamment faible (inférieur à 8 uV/°C) pour que l'on puisse envisager de numériser le signal vidéo sur 12 ou même 14 bits, soit une résolution équivalente d'environ 60 pV à la sortie de la matrice. Si le convertisseur 11 n'est pas capable de faire face à un temps de conversion inférieur à 40 ns, on peut envisager l'emploi de deux convertisseurs qui fonctionnent en modes alternés.FIG. 2b represents the signals which are available (after inversion) at the output of the differential amplifier 5. Thanks to the loop comprising the elements 6 to 9, the black level is brought back to a constant value defined by the reference voltage , and this independently of a change of the temperature in the matrix 1 and / or of the integration time. The loop with elements 6 to 9 therefore constitutes an automatic black level control loop. The apparent temperature coefficient, brought to the output of the matrix 1, is sufficiently low (less than 8 uV / ° C) so that one can consider digitizing the video signal on 12 or even 14 bits, i.e. equivalent resolution of approximately 60 pV at the output of the matrix. If the converter 11 is not able to cope with a conversion time of less than 40 ns, it is possible to envisage the use of two converters which operate in alternating modes.

Les performances accrues de ce circuit selon l'invention lui ouvrent un vaste champ d'applications. De manière générale, celles-ci concernent l'observation et l'analyse en temps réel de phénomènes qui varient avec des constantes de temps de l'ordre de la milliseconde. En outre, l'adjonction d'un obturateur rapide permet l'enregistrement des phénomènes transitoires dans le domaine des nanosecondes. Le correcteur 9 peut corriger les variations du niveau de noir en un temps très court équivalent à 3 ou 4 lignes vidéo.The increased performance of this circuit according to the invention opens up a wide field of applications for it. In general, these relate to the observation and analysis in real time of phenomena which vary with time constants of the order of a millisecond. In addition, the addition of a fast shutter allows the recording of transient phenomena in the field of nanoseconds. The corrector 9 can correct the variations in the black level in a very short time equivalent to 3 or 4 video lines.

Claims

1. Amplification circuit of a video signal in a CCD type camera whose opto-electronic matrix (1) has, at the edge of each line, a few pixels corresponding to the charges accumulated in hidden sites and constitute the reference for black , characterized in that the signal leaving said opto-electronic matrix (1) is applied to a differential amplifier (5) which also receives on its second input a feedback signal from a loop which incorporates a sorting gate ( 6) whose window corresponds to the pixels constituting the reference of black and whose input is connected to the output of said differential amplifier, this gate being followed by an averaging circuit (7), a sample-and-hold-blocker (8 ) and a comparator-corrector (9) providing said feedback signal.

2. The circuit as claimed in claim 1, characterized in that the comparator-corrector (9) compares the signal leaving the sampler-blocker (8) with a reference value of "black" and supplies said differential amplifier (5) with a signal which is a function of the divergence of said signal leaving the sampler-blocker (8) with respect to the reference value.

3. Circuit according to one of claims 1 and 2, characterized in that the signal leaving the differential amplifier (5) is applied to an analog-digital converter (11) at least 10 bits.

4. Circuit according to claim 3, characterized in that the converter (11) comprises two identical conversion circuits which work in alternating modes.