RU2012156C1 - Videosignal pick-up built around charge-coupled element - Google Patents

Videosignal pick-up built around charge-coupled element Download PDF

Info

Publication number
RU2012156C1
RU2012156C1 SU904854410A SU4854410A RU2012156C1 RU 2012156 C1 RU2012156 C1 RU 2012156C1 SU 904854410 A SU904854410 A SU 904854410A SU 4854410 A SU4854410 A SU 4854410A RU 2012156 C1 RU2012156 C1 RU 2012156C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
sensor
ccd
inputs
Prior art date
Application number
SU904854410A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.Е. Шаевич
Original Assignee
Шаевич Владимир Евгеньевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Шаевич Владимир Евгеньевич filed Critical Шаевич Владимир Евгеньевич
Priority to SU904854410A priority Critical patent/RU2012156C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2012156C1 publication Critical patent/RU2012156C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

FIELD: television. SUBSTANCE: pick-up includes N identical frame transport matrices based on charge-coupled elements. Each matrix has single-side accumulation sections, store sections, M-bit register, commutation unit, controlled key, multiplication unit, comparator, amplifiers. All the matrices are combined in a multilayer module so that their adjacent sections form step-like light-sensitive surface, in front of which fibre bundle having the same face is positioned. EFFECT: higher reliability. 4 dwg

Description

Изобретение относится к телевизионной технике, преимущественная область его использования - разработка электронных фотоприемных устройств, предназначенных для астрономических оптико-электронных систем. The invention relates to television technology, the predominant area of its use is the development of electronic photodetectors designed for astronomical optoelectronic systems.

Известен датчик в виде ПЗС-матрицы с переносом кадра, состоящий из идентичных по числу элементов в направлении переноса зарядов областей: светочувствительной секции накопления и светозащищенной секции хранения информации. Последняя соединена с регистром считывания, подсоединенным к выходному устройству, например, с плавающей диффузионной областью, выход которого является информационным выходом ПЗС-матрицы (Ф. П. Пресс. Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью. М. : Радио и связь, 1981, с. 20-21, 39-40). A known sensor in the form of a CCD matrix with frame transfer, consisting of areas identical in the number of elements in the direction of charge transfer: a photosensitive storage section and a lightproof information storage section. The latter is connected to a read register connected to an output device, for example, with a floating diffusion region, the output of which is the information output of a CCD matrix (F. P. Press. Video signal shapers on charge-coupled devices. M.: Radio and communication, 1981, S. 20-21, 39-40).

Недостатками этого датчика являются расплывание заряда от ярких источников света (при превышении им глубины потенциальной ямы ПЗС-элемента) в смежные элементы секции накопления, что уменьшает помехозащищенность ТВ-системы, использующей этот датчик. The disadvantages of this sensor are the spreading of the charge from bright light sources (when it exceeds the depth of the potential well of the CCD element) into adjacent elements of the storage section, which reduces the noise immunity of the TV system using this sensor.

Для устранения указанных недостатков применяются антиблуминговые стоковые каналы, разделяющие регистры переноса зарядовых пакетов (К. Секен, М. Томпсет. Приборы с переносом заряда, М. : Мир, 1978, с. 194-199), а также увеличивают частоту переноса заряда. To eliminate these drawbacks, anti-blooming drain channels are used that divide the charge packet transfer registers (K. Seken, M. Thompset. Charge transfer devices, M.: Mir, 1978, pp. 194-199), and also increase the charge transfer frequency.

Однако при этом теряется информация о сигналах ярких световых источников, что исключает возможность их измерения, и увеличиваются шумы переноса, которые вместе с остаточным паразитным сигналом образуют протяженные следы переноса заряда от ярких источников на потенциальном рельефе секции хранения ПЗС-матрицы, снижающие помехозащищенность ТВ-системы. However, at the same time, information about the signals of bright light sources is lost, which excludes the possibility of measuring them, and transport noise increases, which together with the residual spurious signal form extended traces of charge transfer from bright sources on the potential topography of the storage section of the CCD matrix, which reduce the noise immunity of the TV system .

Во многих технических устройствах применяются ПЗС-датчики, использующие указанную ПЗС-матрицу с разнообразными устройствами обработки ее видеосигнала. Many technical devices use CCD sensors that use the specified CCD matrix with various devices for processing its video signal.

При построении оптимальных обнаружителей сигнала объекта применение на выходе регистра считывания ПЗС-матрицы известного ПЗС-канала переноса заряда, разделенного на составляющие (в общем случае неравновесные) каналы, позволяет получить несколько автономных трактов первичной обработки видеосигнала, каждый из которых включает в себя по выходному устройству (К. Секен, М. Томпсет, Приборы с переносом заряда М. : Мир, 1978, с. 72-74). When constructing optimal object signal detectors, the use of a known CCD charge transfer channel at the output of the readout register of the CCD matrix, divided into component (generally nonequilibrium) channels, allows one to obtain several autonomous paths for primary processing of the video signal, each of which includes an output device (K. Sechen, M. Thompset, Charge Transfer Devices M.: Mir, 1978, p. 72-74).

Является достаточно простым и устройство дальнейшей обработки видеосигнала этих автономных трактов, осуществляющее их коммутацию и АЦ-преобразование соответствующего сигнала с учетом неравновесности составляющих ПЗС-каналов. Такая обработка обеспечивает разбиение динамического диапазона видеосигнала на составляющие поддиапазоны с требуемой точностью АЦ-преобразования в каждом из них. The device for further processing the video signal of these autonomous paths, carrying out their switching and AD conversion of the corresponding signal, taking into account the nonequilibrium components of the CCD channels, is also quite simple. Such processing provides a breakdown of the dynamic range of the video signal into component subbands with the required accuracy of the AD conversion in each of them.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является ПЗС-датчик, использующий указанную ПЗС-матрицу, выход регистра считывания которой подключен к ПЗС-каналу, разделенному на два канала, подключенных к идентичным выходным устройствам. Двухканальное устройство обработки сигнала ПЗС-матрицы содержит в каждом из двух трактов по идентичному усилителю, например, с двойной коррелированной выборкой (под ред. П. Йесперса, Ф. Ван де Виле и М. Уайта. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения, М. : Мир, 1979, с. 406-408), подключенному своим входом к выходу соответствующего выходного устройства. Выходы усилителей подключены соответственно к двум коммутируемым входам двухпозиционного управляемого ключа, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с одним коммутируемым входом второго двухпозиционного управляемого ключа и с входом блока умножения, выход которого соединен с вторым коммутируемым входом второго двухпозиционного управляемого ключа, выход которого является информационным выходом датчика, а управляющие входы обоих ключей соединены с выходом компаратора, один вход которого соединен с выходом одного усилителя, а на другой вход подано постоянное пороговое напряжение. The closest in technical essence to the proposed device is a CCD sensor using the indicated CCD matrix, the output of the read register of which is connected to a CCD channel, divided into two channels connected to identical output devices. A two-channel signal processing device for the CCD matrix contains in each of the two paths an identical amplifier, for example, with a double correlated sample (edited by P. Jespers, F. Van de Wiele, and M. White. Semiconductor imaging devices, M.: Mir , 1979, pp. 406-408), connected by its input to the output of the corresponding output device. The outputs of the amplifiers are connected respectively to the two switched inputs of the on-off controlled key, the output of which is connected to the input of an analog-to-digital converter, the output of which is connected to one switched input of the second on-off controlled key and to the input of the multiplication unit, the output of which is connected to the second switched input of the second on-off controlled key , the output of which is the information output of the sensor, and the control inputs of both keys are connected to the output of the comparator, one input to torogo connected to the output of one amplifier and the other input is a constant threshold voltage.

Для улучшения помехозащищенности этого датчика, в нем применены антиблуминговые стоковые каналы, предотвращающие растекание зарядов от ярких световых источников по соседним элементам секции накопления ПЗС-матрицы, но при этом уменьшается динамический диапазон сигнала датчика за счет ограничения максимального накопленного заряда глубиной потенциальной ямы элемента секции накопления (при заданном его линейном размере, обусловленном требованиями по разрешающей способности и точности ТВ-системы). Кроме того, этому датчику присущ и другой недостаток, связанный с накоплением паразитных зарядов во время переноса информации из секции накопления в секцию хранения ПЗС-матрицы. To improve the noise immunity of this sensor, it uses anti-blooming drain channels to prevent charges from bright light sources from spreading across neighboring elements of the CCD array storage section, but this reduces the dynamic range of the sensor signal by limiting the maximum accumulated charge to the depth of the potential well of the storage section element ( given its linear size, due to the requirements for resolution and accuracy of the TV system). In addition, this sensor also has another disadvantage associated with the accumulation of parasitic charges during the transfer of information from the accumulation section to the storage section of the CCD matrix.

Цель изобретения - повышение динамического диапазона сигнала датчика видеосигнала на приборе с зарядовой связью. The purpose of the invention is to increase the dynamic range of the signal of the video signal sensor on a charge-coupled device.

Это достигается тем, что в датчик видеосигнала на приборе с зарядовой связью, содержащий ПЗС-матрицу с переносом кадра, состоящую из однострочных секций накопления и хранения информации и М-разрядного регистра считывания, выход которого подключен к ПЗС-каналу переноса зарядов, разделенному на два неравновесных канала, подключенных соответственно к входам двух выходных устройств, и два усилителя, выходы которых подключены соответственно к двум коммутируемым входам первого двухпозиционного управляемого ключа, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с одним коммутируемым входом второго двухпозиционного управляемого ключа и с входом блока умножения, выход которого соединен с вторым коммутируемым входом второго двухпозиционного управляемого ключа, выход которого является информационным выходом датчика, а управляющие входы обоих ключей соединены с выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого усилителя, а на другой вход подано постоянное пороговое напряжение, введены дополнительно (N-1) идентичных ПЗС-матриц, выходы выходных устройств всех составляющих матриц подключены к соответствующим входам блока коммутации, два выхода которого подключены к входам усилителей. Все матрицы объединены конструктивно в многослойный модуль так, что их вплотную пристыкованные секции накопления образуют ступенчатую светочувствительную поверхность форматом NхМ элементов, к которой пристыкован имеющий идентичную конфигурацию торец волоконно-оптического жгута, другой торец которого является фокальной плоскостью датчика. This is achieved by the fact that in the video signal sensor on a device with a charge-coupled connection containing a CCD matrix with frame transfer, consisting of single-line sections for the accumulation and storage of information and an M-bit read register, the output of which is connected to a CCD channel for transferring charges, divided into two nonequilibrium channels, respectively connected to the inputs of two output devices, and two amplifiers, the outputs of which are connected respectively to two switched inputs of the first on-off controlled key, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital converter, the output of which is connected to one switched input of the second on-off controlled key and to the input of the multiplication unit, the output of which is connected to the second switched input of the second on-off controlled key, the output of which is the sensor information output, and the control inputs of both keys are connected to the output a comparator, the first input of which is connected to the output of the first amplifier, and a constant threshold voltage is applied to the other input, an additional (N-1) identifier is introduced CCD matrices, the outputs of the output devices of all component matrices are connected to the corresponding inputs of the switching unit, two outputs of which are connected to the inputs of the amplifiers. All matrices are structurally combined into a multilayer module so that their closely adjoining accumulation sections form a stepped photosensitive surface with the NxM format of elements to which the end face of the fiber optic bundle having the identical configuration is joined, the other end of which is the focal plane of the sensor.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве, заряды, генерируемые в светочувствительной поверхности за время накопления, многократно (а не за один прием) переносятся в светозащищенные секции хранения информации, где суммируются, а затем уже поступают в соответствующие регистры считывания. При превышении площади элемента секций хранения информации и регистра считывания над площадью элемента секций накопления за счет соответствующего возрастания глубины потенциальной ямы получается выигрыш в динамическом диапазоне сигнала, а построчный сброс информации из каждой секции накопления в соответствующую секцию хранения (без переноса зарядов по светочувствительной поверхности, как это реализовано в прототипе) позволяет избежать паразитного сигнала переноса заряда, что приводит к возрастанию помехозащищенности предлагаемого датчика. Причем, обладая указанными преимуществами, он будет (при одинаковой разрешающей способности) иметь чувствительность практически такую же, как у прототипа. Unlike the prototype in the proposed device, the charges generated in the photosensitive surface during the accumulation time are repeatedly (and not in one go) transferred to the light-protected sections of information storage, where they are summed and then transferred to the corresponding read registers. If the area of the element of the information storage sections and the read register exceeds the area of the element of the accumulation sections due to a corresponding increase in the depth of the potential well, a gain is obtained in the dynamic range of the signal, and line-by-line dumping of information from each accumulation section to the corresponding storage section (without transferring charges on the photosensitive surface, as this is implemented in the prototype) avoids the spurious signal of charge transfer, which leads to an increase in noise immunity proposed on the sensor. Moreover, having these advantages, it will (with the same resolution) have a sensitivity almost the same as that of the prototype.

Предложенное устройство отличается от прототипа отсутствием электрической связи между выходными устройствами и усилителями, наличием (N-1) дополнительных матриц, объединением всех ПЗС-матриц в оригинальную модульную конструкцию, наличием новых блоков (волоконно-оптического жгута и блока коммутации) и их конструктивными и электрическими связями с остальными элементами схемы. The proposed device differs from the prototype in the absence of electrical connection between the output devices and amplifiers, the presence of (N-1) additional matrices, the combination of all CCD matrices in the original modular design, the presence of new units (fiber optic bundle and switching unit) and their structural and electrical links to other elements of the circuit.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого датчика видеосигнала на приборе с зарядовой связью; на фиг. 2 - структурная схема блока коммутации; на фиг. 3 - конструкция датчика видеосигнала на приборе с зарядовой связью; на фиг. 4 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу составляющих блоков предлагаемого датчика. In FIG. 1 is a structural diagram of the proposed sensor video signal on the device with a charge-coupled connection; in FIG. 2 is a block diagram of a switching unit; in FIG. 3 - design of a video signal sensor on a charge-coupled device; in FIG. 4 is a timing diagram illustrating the operation of the constituent blocks of the proposed sensor.

Датчик видеосигнала на приборе с зарядовой связью состоит из N идентичных ПЗС-матриц 1 с переносом кадра, состоящих из однострочных секций накопления 2 и хранения 3 информации и М-разрядного регистра 4 считывания, выход которого подключен к ПЗС-каналу 5 переноса зарядов, разделенному на два неравновесных канала, подключенных к идентичным выходным устройствам 6, 7, например, с плавающей диффузионной областью. Все выходные устройства подсоединены к соответствующим входам блока коммутации 8, состоящего, например, из тактового генератора 16, выход которого подключен к входу счетчика 17, соответствующие выходы триггеров которого подключены к входам комбинационной схемы 18, N выходов которой подсоединены соответственно к управляющим входам сдвоенных двухпозиционных управляемых ключей 19. Два выхода блока коммутации 8 подсоединены к входам идентичных усилителей 9, 10, например, с двойной коррелированной выборкой, выходы которых подключены соответственно к двум коммутируемым входам двухпозиционного управляемого ключа 11, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 12, выход которого соединен с одним коммутируемым входом второго двухпозиционного управляемого ключа 14 и с входом цифрового блока умножения 13, подключенного своим выходом к другому коммутируемому входу второго управляемого ключа 14, выход которого является информационным выходом датчика. Управляющие входы ключей 11, 14 подключены к выходу компаратора 15, один вход которого соединен с выходом усилителя 9, а на другой подано постоянное пороговое напряжение Un.The video signal sensor on a charge-coupled device consists of N identical CCD matrices 1 with frame transfer, consisting of single-line storage sections 2 and 3 information storage and an M-bit read register 4, the output of which is connected to the charge transfer CCD channel 5, divided into two nonequilibrium channels connected to identical output devices 6, 7, for example, with a floating diffusion region. All output devices are connected to the corresponding inputs of the switching unit 8, consisting, for example, of a clock generator 16, the output of which is connected to the input of the counter 17, the corresponding outputs of the triggers of which are connected to the inputs of the combinational circuit 18, N outputs of which are connected respectively to the control inputs of the dual on-off controlled keys 19. Two outputs of the switching unit 8 are connected to the inputs of identical amplifiers 9, 10, for example, with double correlated sampling, the outputs of which are connected respectively but to the two switched inputs of the on-off controlled key 11, the output of which is connected to the input of the analog-to-digital converter 12, the output of which is connected to one switched input of the second on-off controlled key 14 and to the input of the digital multiplication unit 13, connected by its output to the other switched input of the second controlled key 14, the output of which is the information output of the sensor. The control inputs of the keys 11, 14 are connected to the output of the comparator 15, one input of which is connected to the output of the amplifier 9, and a constant threshold voltage U n is applied to the other.

Конструктивно матрицы 1 собраны в многослойный модуль 20 так, что их вплотную пристыкованные секции накопления образуют ступенчатую светочувствительную поверхность форматом N х М элементов, к которой пристыкован имеющий идентичную конфигурацию торец волоконно-оптического жгута 21, другой торец которого является фокальной плоскостью датчика. В каждом слое модуля 20 расположены элементы 1-7; плата 22 обработки видеосигнала датчика содержит элементы 9-19. Электрическое соединение модуля 20 и платы 22, а также подача на них необходимых управляющих импульсов обеспечивается с помощью многожильного кабеля 23. Structurally, the matrices 1 are assembled into a multilayer module 20 so that their closely adjoining accumulation sections form a stepped photosensitive surface in the format of N x M elements, to which an end face of the fiber optic bundle 21, the other end of which is the focal plane of the sensor, is docked. In each layer of module 20, elements 1-7 are located; the sensor video processing board 22 comprises elements 9-19. The electrical connection of the module 20 and the board 22, as well as the supply of the necessary control pulses to them, is provided using a multi-core cable 23.

В качестве компаратора 15 может быть использована ИМС 521 СА5, в качестве управляемых ключей 11, 14 - ИМС 590 КН4, АЦП 12 может быть реализован на ИМС К572 ПВ1А-В, цифровой блок умножения 13 - на ИМС КР 1802 ВР2, а усилители 9, 10 выполняются на ИМС 544 УД2. Коммутационное устройство 8 может быть выполнено на следующих ИМС: 531 ЛАЗ - тактовый генератор 16; 531 ИЕ17П - счетчик 17, 555 ИД8, 531ТМ2П - комбинационная схема 18; 590КН4 - управляемые ключи 19. As a comparator 15, IC 521 CA5 can be used, as controlled keys 11, 14 - IC 590 KN4, ADC 12 can be implemented on IC K572 PV1A-B, digital multiplication unit 13 - on IC KR 1802 BP2, and amplifiers 9, 10 are performed on the IC 544 UD2. Switching device 8 can be performed on the following integrated circuits: 531 LAZ - clock generator 16; 531 IE17P - counter 17, 555 ID8, 531TM2P - combinational circuit 18; 590KN4 - managed keys 19.

К конструктивным особенностям предлагаемого датчика следует отнести наличие стоковых каналов, разделяющих регистры переноса зарядовых пакетов в секциях накопления и хранения информации составляющих матриц, а также следующие зависимости некоторых параметров, характеризующих его работу. The design features of the proposed sensor include the presence of runoff channels separating charge packet transfer registers in the sections for accumulating and storing information of constituent matrices, as well as the following dependences of some parameters characterizing its operation.

Sэсх = Sэрс = Sэ1к + Sэ2к,
Qсх = Qрс = Q+Q,
K=

Figure 00000001
=
Figure 00000002
=
Figure 00000003
=
Figure 00000004
= KБУ,
Uп= U1Кмах,
dB<< lэсн, где Sэсн, Sэсх, Sэрс, Sэ1К, Sэ2К - соответственно площади элементов секций накопления 2 и хранения 3 информации, регистра 4 считывания, первого и второго составляющих каналов ПЗС-канала 5;
Q, Q, Qpc, Q1K, Q2K - соответственно глубина потенциальной ямы ПЗС-элемента секций 2 и 3, регистра 4, первого и второго каналов ПЗС-канала 5;
К - коэффициент пропорциональности (К > 1);
КБУ - множитель в цифровом блоке 13 умножения;
U1Кмах - максимальный сигнал на выходе усилителя 9;
ТнакΣ - суммарное время накопления заряда в секциях хранения информации 3;
Тнак - время накопления заряда в секциях накопления информации 2;
dВ - диаметр волокна волоконно-оптического жгута 22;
lэсн - линейный размер элемента секций накопления 2
Датчик видеосигнала на приборе с зарядовой связью работает следующим образом.S esh = S ems = S e1k + S e2k ,
Q cx = Q pc = Q 1K + Q 2K ,
K =
Figure 00000001
=
Figure 00000002
=
Figure 00000003
=
Figure 00000004
= K BU ,
U p = U 1 Kmah ,
d B << l esn , where S esn , S eskh , S ers , S e1K , S e2K are, respectively, the area of the elements of the sections of accumulation 2 and storage of 3 information, read register 4, the first and second component channels of the CCD channel 5;
Q cn , Q cx , Q pc , Q 1K , Q 2K - respectively, the depth of the potential well of the CCD element of sections 2 and 3, register 4, the first and second channels of the CCD channel 5;
K is the coefficient of proportionality (K>1);
To BU - the multiplier in the digital block 13 multiplication;
U 1Kmakh - the maximum signal at the output of the amplifier 9;
T nkΣ is the total charge accumulation time in the information storage sections 3;
T NK - the time of accumulation of charge in the sections of the accumulation of information 2;
d In the diameter of the fiber optic bundle 22;
l esn - linear element size of accumulation sections 2
The video sensor on the device with a charge-coupled device operates as follows.

Оптическое изображение, фокусируемое оптической системой в фокальной плоскости, совпадающей с плоским торцом волоконно-оптического жгута 22, переносится им на светочувствительную поверхность. Под действием света в М элементах каждой секции 2 накопления за время Тнакнакапливаются заряды, пропорциональные распределению освещенности. При превышении зарядом, накопленным в секции 2, глубины потенциальной ямы элемента избыточные носители отводятся в стоковые области, предотвращая расплывание изображения. Накопленный зарядовый рельеф за время переноса Тпер1 одновременно для всех матриц переносится в элементы секций 3 хранения, которые, имея в К раз большую, чем у элементов секций накопления, площадь, обладают соответственно в К раз большей глубиной потенциальной ямы. Стоковые области в секциях 3 хранения информации предотвращают растекание заряда, накопленного в них за время ТнакΣ= КТнак. После К циклов переноса заряда в секции 3 зарядовый рельеф переносится из них синхронно для всех матриц 1 за время Тпер2 в регистры 4, из которых далее поочередно считывается. При этом зарядовые пакеты разделяются в ПЗС-каналах 5 на пары неравновесных зарядов в соотношении 1: К и преобразуются в соответствующие видеоимпульсы идентичными выходными устройствами 6, 7.The optical image focused by the optical system in the focal plane, coinciding with the flat end of the fiber optic bundle 22, is transferred by it to the photosensitive surface. Under the action of light, in M elements of each accumulation section 2, charges proportional to the distribution of illumination accumulate during the time T nk . When the charge accumulated in section 2 exceeds the depth of the potential well of the element, excess carriers are diverted to the stock areas, preventing the image from blurring. The accumulated charge relief during the transfer time T per1 simultaneously for all matrices is transferred to the elements of the storage sections 3, which, having K times larger than that of the elements of the accumulation sections, have an area corresponding to K times greater depth of the potential well. Stock areas in sections 3 of information storage prevent the spread of the charge accumulated in them during the time T nakΣ = KT nak . After K charge transfer cycles in section 3, the charge relief is transferred from them synchronously for all matrices 1 during the time T per2 to registers 4, from which it is subsequently read out alternately. In this case, the charge packets are separated in the CCD channels 5 into pairs of nonequilibrium charges in a 1: K ratio and are converted into the corresponding video pulses by identical output devices 6, 7.

Необходимость разделения видеотракта на два неравновесных канала обусловлена тем, что максимальный считываемый с регистра 4 заряд превышает допустимый заряд на входе выходных устройств 6, 7, при котором обеспечивается линейность и требуемая высокая точность АЦ-преобразования видеосигнала. Поэтому заряды регистра 4, соответствующие большим сигналам, снимаются с второго канала переноса с К раз меньшей площадью элемента, т. е. с уменьшением в К раз, а малые сигналы, диапазон которых составляет 1/К общего диапазона, снимаются с первого канала 1 К. The necessity of dividing the video path into two nonequilibrium channels is due to the fact that the maximum charge read from register 4 exceeds the allowable charge at the input of output devices 6, 7, which ensures linearity and the required high accuracy of the AD conversion of the video signal. Therefore, the charges of register 4, corresponding to large signals, are removed from the second transfer channel with K times a smaller area of the element, i.e., with a decrease in K times, and small signals, the range of which is 1 / K of the total range, are removed from the first channel 1 K .

При считывании зарядов из регистров 4 блок коммутации 8 осуществляет поочередное подключение выходных устройств 6,7 составляющих матриц 1 (последовательно от первой до N-й). Такое подключение выходных устройств каждой матрицы производится на время считывания зарядового рельефа с М элементов соответствующего регистра считывания (Тсчi). При каждом переключении устройств 6, 7 производятся следующие операции в коммутационном устройстве 8: под действием тактового импульса с тактового генератора 16 срабатывает счетчик 17. При этом на соответствующих выходах комбинационной схемы 18 происходит изменение потенциала, которые, воздействуя на управляющие входы соответствующих ключей 19, вызывают их срабатывание, в результате чего выходные устройства 6, 7 i-й матрицы 1 отключаются от входов усилителей 9, 10, к которым подключаются выходные устройства 6, 7 (i+1)-й матрицы.When reading charges from the registers 4, the switching unit 8 carries out alternate connection of the output devices of the 6.7 component matrices 1 (sequentially from the first to the Nth). Such a connection of the output devices of each matrix is made during the reading of the charge relief from the M elements of the corresponding reading register (T cci ). Each time devices 6, 7 are switched, the following operations are performed in the switching device 8: under the action of a clock pulse, a counter 17 is activated from the clock generator 16. At the same time, a potential change occurs at the corresponding outputs of the combinational circuit 18, which, acting on the control inputs of the corresponding keys 19, cause their operation, as a result of which the output devices 6, 7 of the i-th matrix 1 are disconnected from the inputs of the amplifiers 9, 10, to which the output devices of the 6, 7 (i + 1) -th matrix are connected.

Компаратор 15 фиксирует превышение сигнала U1K над порогом Uп, соответствующим уровню максимального сигнала в тракте 6-8-9. Управляемый ключ 11 в соответствии с выходным сигналом компаратора UK подключает к АЦП 12 либо 9, если U1K<Uп, либо 10, если U1K ≥Uп. АЦП производит преобразование видеосигнала в цифровой код. Соответственно по сигналу UKдля слабых сигналов выходным сигналом датчика является непосредственно цифровой видеосигнал с выхода АЦП 12, а для больших сигналов - после умножения на КБУ с выхода блока 13. Коммутационное подключение выходов 12 и 13 к информационному выходу датчика осуществляет ключ 14 под действием управляющего сигнала UK.The comparator 15 captures the excess of the signal U 1K over the threshold U p corresponding to the level of the maximum signal in the path 6-8-9. The managed key 11 in accordance with the output signal of the comparator U K connects to the ADC 12 either 9 if U 1K <U p , or 10 if U 1K ≥U p . The ADC converts the video signal into a digital code. Accordingly, according to the signal U K, for weak signals, the output signal of the sensor is directly a digital video signal from the output of the ADC 12, and for large signals after multiplying by K BU from the output of block 13. Switching of outputs 12 and 13 to the sensor information output is performed by key 14 under the action control signal U K.

Дополнительными условиями реализации предлагаемого датчика являются K(Тнакпер1)>NMTсч.э,
K(Tнак+Tпер1) > NMTсч.э,
Tсч.э>

Figure 00000005
+
Figure 00000006
+
Figure 00000007
+
Figure 00000008
+
Figure 00000009
+
Figure 00000010
, где Тсч.э - длительность считывания одного заряда с регистра 4;
τсрi- время срабатывания соответствующего блока (см. фиг. 1).Additional conditions for the implementation of the proposed sensor are K (T nk + T per1 )> NMT sc .
K (T nk + T per1 )> NMT cf.
T sch.e >
Figure 00000005
+
Figure 00000006
+
Figure 00000007
+
Figure 00000008
+
Figure 00000009
+
Figure 00000010
where T SCE - the duration of reading one charge from register 4;
τ cfi is the response time of the corresponding block (see Fig. 1).

При соблюдении последнего условия предлагаемый датчик производит автоматическую коммутацию обоих трактов обработки и преобразования информации в реальном масштабе времени. Subject to the latter condition, the proposed sensor performs automatic switching of both paths for processing and converting information in real time.

Техническая эффективность предлагаемого ПЗС-датчика относительно прототипа может быть оценена путем сравнения их основных параметров. The technical effectiveness of the proposed CCD sensor relative to the prototype can be assessed by comparing their main parameters.

Чувствительность ПЗС-приемника характеризуется отношением сигнал/шум на выходе усилителя
Ψ =

Figure 00000011
, где Nmin - минимальный сигнал элемента матрицы;
σΣ- среднеквадратическое значение суммарного шума элемента матрицы.The sensitivity of the CCD receiver is characterized by the signal-to-noise ratio at the amplifier output
Ψ =
Figure 00000011
where N min is the minimum signal of the matrix element;
σ Σ is the rms value of the total noise of the matrix element.

Из фиг. 4 видно, что длительность накопления и переноса предлагаемого датчика и прототипа (П) связаны следующим соотношением:

Figure 00000012
+T
Figure 00000013
+K(Tнак+T
Figure 00000014
)= T
Figure 00000015
+KT
Figure 00000016

Откуда при ТперП= КТпер1 следует ТнакΣ= ТнакП.From FIG. 4 shows that the duration of the accumulation and transfer of the proposed sensor and prototype (P) are connected by the following ratio:
Figure 00000012
+ T
Figure 00000013
+ K (T nk + T
Figure 00000014
) = T
Figure 00000015
+ KT
Figure 00000016

Whence at T perP = CT per1 it follows that T nc Σ = T ncP .

Тогда при одинаковых размерах элемента светочувствительной поверхности, а следовательно одинаковой разрешающей способности предлагаемого датчика (Д) и прототипа зависимость их минимальных сигналов составляет
N= τN

Figure 00000018
, где τ - коэффициент пропускания волоконно-оптического жгута.Then, with the same size of the element of the photosensitive surface, and therefore the same resolution of the proposed sensor (D) and prototype, the dependence of their minimum signals is
N = τN
Figure 00000018
where τ is the transmittance of the fiber optic bundle.

При идентичности элементов структуры видеотракта датчика и прототипа

Figure 00000019
=
Figure 00000020
.With the identical elements of the structure of the video path of the sensor and the prototype
Figure 00000019
=
Figure 00000020
.

Тогда ϑД+τϑП, т. е. при малых потерях энергии в световоде можно считать сравниваемые приемники близкими по чувствительности.Then ϑ Д + τϑ П , i.e., at low energy losses in the fiber, the compared receivers can be considered close in sensitivity.

Исходя из принципа работы предлагаемого датчика максимальный накопленный сигнал элемента его секции хранения информации связан с максимальным сигналом элемента матрицы прототипа соотношением
N

Figure 00000021
= τKN
Figure 00000022

Тогда выигрыш в динамическом диапазоне сигнала, обеспечиваемый ПЗС-датчиком, по сравнению с прототипом составляет
η =
Figure 00000023
= K Кроме того, в предлагаемом датчике накопленные на светочувствительной поверхности зарядовые пакеты за один такт построчно выносятся в светозащищенные секции хранения, а не переносятся по всей секции накопления, как в прототипе. Это принципиально исключает паразитные заряды, накапливаемые во время переноса в матрице прототипа, а следовательно повышает по сравнению с ним помехозащищенность предлагаемого датчика.Based on the principle of operation of the proposed sensor, the maximum accumulated signal of an element of its information storage section is associated with the maximum signal of the element of the prototype matrix by the ratio
N
Figure 00000021
= τKN
Figure 00000022

Then the gain in the dynamic range of the signal provided by the CCD sensor, in comparison with the prototype is
η =
Figure 00000023
= K In addition, in the proposed sensor, the charge packets accumulated on the photosensitive surface in one cycle are taken out line by line into the light-protected storage sections, and are not transferred throughout the accumulation section, as in the prototype. This fundamentally eliminates spurious charges accumulated during transfer in the prototype matrix, and therefore increases the noise immunity of the proposed sensor compared to it.

Указанные преимущества особенно эффективны при использовании датчика видеосигнала на приборе с зарядовой связью в ТВ-системах астрономических комплексов. The indicated advantages are especially effective when using a video signal sensor on a charge-coupled device in TV systems of astronomical complexes.

Например, расширение динамического диапазона сигнала в 10 крат позволит увеличить яркость анализируемых объектов, излучение которых преобразуется в цифровой сигнал, на звездную величину Δmv= 2,5 lg 10 = - 2,5 при одновременном повышении вероятности обнаружения слабых объектов (КО и звезд) на сложном фоне.For example, expanding the dynamic range of the signal by a factor of 10 will increase the brightness of the analyzed objects, the radiation of which is converted into a digital signal, by a magnitude Δm v = 2.5 log 10 = - 2.5, while increasing the probability of detecting faint objects (CR and stars) on a complex background.

Claims (1)

ДАТЧИК ВИДЕОСИГНАЛА НА ПРИБОРЕ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ, содержащий ПЗС-матрицу с переносом кадра, состоящую из однострочных секций накопления и хранения информации и M-разрядного регистра считывания, выход которого подключен к ПЗС-каналу переноса зарядов, разделенному на два канала, подключенных соответственно к входам двух коммутируемых входов первого двухпозиционного управляемого ключа, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с одним коммутируемым входом второго двухпозиционного управляемого ключа и с входом блока умножения, выход которого соединен с вторым коммутируемым входом второго двухпозиционного управляемого ключа, выход которого является информационным выходом датчика, а управляющие входы обоих ключей соединены с выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого усилителя, а другой вход является входом постоянного порогового напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения динамического диапазона сигнала, в него введены дополнительно (N - 1) идентичные ПЗС-матрицы, выходы выходных устройств всех ПЗС-матриц подключены к соответствующим входам блока коммутации, два выхода которого подключены к входам усилителей, причем все матрицы объединены конструктивно в многослойный модуль так, что их вплотную пристыкованные секции накопления образуют ступенчатую светочувствительную поверхность форматом N x M элементов, перед которой расположен имеющий идентичную конфигурацию торец волоконно-оптического жгута, другой торец которого является фокальной плоскостью датчика. VIDEO SENSOR ON THE DEVICE WITH CHARGING COMMUNICATION, containing a CCD matrix with frame transfer, consisting of single-line sections for storing and storing information and an M-bit read register, the output of which is connected to a CCD channel for transferring charges, divided into two channels connected respectively to the inputs two switched inputs of the first on-off controlled key, the output of which is connected to the input of an analog-to-digital converter, the output of which is connected to one switched input of the second on-off control key and with the input of the multiplication unit, the output of which is connected to the second switched input of the second on-off controlled key, the output of which is the information output of the sensor, and the control inputs of both keys are connected to the output of the comparator, the first input of which is connected to the output of the first amplifier, and the other input is constant threshold voltage input, characterized in that, in order to increase the dynamic range of the signal, additional (N - 1) identical CCD matrices are introduced into it, outputs of output devices The properties of all CCD matrices are connected to the corresponding inputs of the switching unit, the two outputs of which are connected to the inputs of the amplifiers, and all matrices are structurally combined into a multilayer module so that their closely connected accumulation sections form a step-sensitive photosensitive surface in the format of N x M elements, in front of which is located identical configuration end of the fiber optic bundle, the other end of which is the focal plane of the sensor.
SU904854410A 1990-07-25 1990-07-25 Videosignal pick-up built around charge-coupled element RU2012156C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904854410A RU2012156C1 (en) 1990-07-25 1990-07-25 Videosignal pick-up built around charge-coupled element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904854410A RU2012156C1 (en) 1990-07-25 1990-07-25 Videosignal pick-up built around charge-coupled element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2012156C1 true RU2012156C1 (en) 1994-04-30

Family

ID=21529411

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU904854410A RU2012156C1 (en) 1990-07-25 1990-07-25 Videosignal pick-up built around charge-coupled element

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2012156C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2182405C2 (en) * 1995-12-21 2002-05-10 Сони Корпорейшн Solid-state picture signal shaping device, method for exciting solid-state signal shaping device, camera, and camera system
RU2325780C2 (en) * 2003-11-21 2008-05-27 Кэнон Кабусики Кайся Device and method for radiation image retrieval and radiation image retrieval system
RU2430394C2 (en) * 2008-10-09 2011-09-27 Кэнон Кабусики Кайся Shooting device
RU212327U1 (en) * 2021-11-18 2022-07-15 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и механики" (ФГУП "ЦНИИХМ") HIGH DYNAMIC RANGE IMAGE PRODUCER

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2182405C2 (en) * 1995-12-21 2002-05-10 Сони Корпорейшн Solid-state picture signal shaping device, method for exciting solid-state signal shaping device, camera, and camera system
RU2325780C2 (en) * 2003-11-21 2008-05-27 Кэнон Кабусики Кайся Device and method for radiation image retrieval and radiation image retrieval system
US7488948B2 (en) 2003-11-21 2009-02-10 Canon Kabushiki Kaisha Radiation image pick-up device and method therefor, and radiation image pick-up system
US7923695B2 (en) 2003-11-21 2011-04-12 Canon Kabushiki Kaisha Radiation image pick-up device and method therefor, and radiation image pick-up system
RU2430394C2 (en) * 2008-10-09 2011-09-27 Кэнон Кабусики Кайся Shooting device
RU212327U1 (en) * 2021-11-18 2022-07-15 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и механики" (ФГУП "ЦНИИХМ") HIGH DYNAMIC RANGE IMAGE PRODUCER

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3940602A (en) Signal processing imager array using charge transfer concepts
US6831689B2 (en) Optical imager using a method for adaptive real-time expanding of the dynamic range
US5045685A (en) Analog to digital conversion on multiple channel IC chips
EP0627151A4 (en) Method and apparatus for dynamic correction of microscopic image signals.
KR20160067848A (en) Image-capturing device, radiation detection apparatus, and control method for image-capturing device
WO1991018474A1 (en) A digital correlated double sampling circuit for sampling the output of an image sensor
US11095842B2 (en) Image sensor with electronic global shutter and differential sensing using reset-sampling capacitor shared among multiple image storage capacitors
HK1047514A1 (en) Methods and circuits for intrinsic processing of image data within image sensing devices
CN109863604A (en) Image Sensors with Phase Sensitive Pixels
EP3871407B1 (en) Ultra-high dynamic range cmos sensor
RU2012156C1 (en) Videosignal pick-up built around charge-coupled element
US20050088549A1 (en) Noise removing device for image sensor
EP0633691B1 (en) Solid state imager device having a/d converter
EP0684731A1 (en) Video signal noise suppression circuit
US4769552A (en) System for high speed reading of a charge transfer matrix optical sensor organized with one stroke frame transfer for the video detection of brief images
US6822212B2 (en) Photoelectric device having noise reduction circuitry
RU2145154C1 (en) Device for single term generation of image signal
Burns Image signal modulation and noise characteristics of charge-coupled device imagers
US5486858A (en) Method and circuit for a noise-reduced processing of periodical optical signals
US7718945B2 (en) Solid state imaging device including photodetecting section, row selecting section for changing the electric charge accumulating time of each row, and signal processing section
JPH11508117A (en) Synchronous gate control high-speed CCD imager system
JPS5637776A (en) Level detection/elimination system for dark current signal of solid state image pickup element
US5200842A (en) Charge-coupled device with wide dynamic range
US6825877B1 (en) Multiplex bucket brigade circuit
US11523083B2 (en) Low power in-pixel single slope analog to digital converter (ADC)