RU2420018C1 - Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects - Google Patents
Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects Download PDFInfo
- Publication number
- RU2420018C1 RU2420018C1 RU2010107141/09A RU2010107141A RU2420018C1 RU 2420018 C1 RU2420018 C1 RU 2420018C1 RU 2010107141/09 A RU2010107141/09 A RU 2010107141/09A RU 2010107141 A RU2010107141 A RU 2010107141A RU 2420018 C1 RU2420018 C1 RU 2420018C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- charge
- output
- control
- signal
- storage section
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к телекамерам, работающим в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов, когда в поле зрения камеры могут находиться одновременно сильно и слабо освещенные объекты и/или объекты с резким отличием по яркости.The present invention relates to cameras operating in conditions of complex lighting and / or complex brightness of objects, when in the field of view of the camera can be simultaneously highly and dimly lit objects and / or objects with a sharp difference in brightness.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телекамеру [1], содержащую последовательно расположенные и оптически связанные объектив и матрицу приборов с зарядовой связью (матрицу ПЗС), состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, первой секции хранения, первого выходного регистра, первого блока преобразования заряда в напряжение (БПЗН), разделительного электрода, второй секции хранения, второго выходного регистра и второго БПЗН, а также генератор управляющих импульсов, состоящий из формирователя импульсов (ФИ), формирователя фаз (ФФ) и пяти преобразователей уровней (ПУ), причем выходы импульсов тактовой частоты, строчного гасящего импульса, кадрового гасящего импульса и сигналов управления регистрами ФИ подключены к первому, второму, третьему и четвертому входам ФФ соответственно, а первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы ФФ подключены к входам первого, второго, третьего, четвертого и пятого ПУ соответственно, при этом выходы первого, второго, третьего, четвертого и пятого ПУ являются соответственно первым, вторым, третьим, четвертым и пятым выходами сигнала развертки генератора управляющих импульсов, а выход импульсов синхронизации ФИ - выходом сигнала синхронизации генератора управляющих импульсов, который подключен к управляющему входу сигнального процессора, состоящего из первого и второго видеоусилителей, компаратора, опорный вход которого подключен к опорному напряжению, и блока коммутации видеосигналов (БКВ), причем выход второго видеоусилителя подключен к информационному входу компаратора и к первому информационному входу БКВ, второй информационный вход которого подключен к выходу первого видеоусилителя, управляющий вход которого объединен с управляющим входом первого видеоусилителя и подключен к управляющему входу сигнального процессора, при этом информационный вход первого видеоусилителя является первым информационным входом сигнального процессора, информационный вход второго видеоусилителя - вторым информационным входом сигнального процессора, а выход БКВ - выходом сигнального процессора, при этом выход первого БПЗН матрицы ПЗС подключен к первому информационному входу сигнального процессора, выход второго БПЗН - ко второму информационному входу сигнального процессора, выход которого является выходом «Видео» телекамеры.The closest in technical essence to the claimed invention should be considered a camera [1], containing sequentially located and optically coupled lens and a matrix of devices with charge coupling (CCD matrix), consisting of successively connected charge connection storage section, the first storage section, the first output register, the first block of conversion of charge to voltage (BPS), a separation electrode, a second storage section, a second output register and a second BPS, and also a pulse control generator in, consisting of a pulse shaper (FI), a phase shaper (FF) and five level converters (PU), and the outputs of the clock pulses, horizontal blanking pulse, frame blanking pulse and control signals of the FI registers are connected to the first, second, third and fourth FF inputs respectively, and the first, second, third, fourth and fifth FF outputs are connected to the inputs of the first, second, third, fourth and fifth controllers, respectively, while the outputs of the first, second, third, fourth and fifth controllers are respectively the first, second, third, fourth and fifth outputs of the sweep signal of the control pulse generator, and the output of the PI synchronization pulses is the output of the synchronization signal of the control pulse generator, which is connected to the control input of the signal processor, consisting of the first and second video amplifiers, a comparator, the reference input of which connected to the reference voltage, and the video switching unit (BKV), and the output of the second video amplifier is connected to the information input of the comparator and to the first information input BKV, the second information input of which is connected to the output of the first video amplifier, the control input of which is combined with the control input of the first video amplifier and connected to the control input of the signal processor, while the information input of the first video amplifier is the first information input of the signal processor, the information input of the second video amplifier is the second information input of the signal processor, and the output of the BKV - the output of the signal processor, while the output of the first CPS of the CCD matrix n to the first information input of the signal processor, the output of the second BPZN - to the second information input of the signal processor, the output of which is the output of the "Video" camera.
При эксплуатации телекамеры прототипа возможны условия сложного освещения и/или сложной яркости наблюдаемых сюжетов и объектов. В зарубежной литературе эти условия наблюдения носят название «Back light».When operating the prototype camera, conditions of complex lighting and / or complex brightness of the observed plots and objects are possible. In foreign literature, these observation conditions are called “Back light”.
Примерами условий сложного освещения могут служить:Examples of complex lighting conditions include:
- наблюдение старта ракеты с ярким факелом от работающих двигателей;- observation of the launch of a rocket with a bright torch from running engines;
- наблюдение через окно или на фоне открытых дверей, когда нужно одновременно различать объекты на улице и в комнате;- observation through a window or against the background of open doors, when you need to simultaneously distinguish between objects on the street and in the room;
- наблюдение против рассеянного солнечного света;- observation against diffused sunlight;
- наблюдение на фоне бликов, фонарей освещения и прочее.- observation against the background of glare, lighting lamps and more.
Характерным примером условий сложной яркости для промышленного телевидения является наблюдение за зоной горячего проката в металлургии, а также контроль процессов дуговой или электронно-лучевой сварки в автоматическом или полуавтоматическом режиме.A typical example of complex brightness conditions for industrial television is the monitoring of the hot-rolled zone in metallurgy, as well as the control of arc or electron-beam welding processes in automatic or semi-automatic mode.
Телекамера прототипа обеспечивает расширение динамического диапазона градаций яркости изображений наблюдаемой сцены путем формирования комбинированного изображения, являющегося результатом синтеза видеосигналов, вырабатываемых матрицей ПЗС при «длинном» - «long charge» и «коротком» - «short charge» по времени зарядовом накоплении.The prototype camera provides an extension of the dynamic range of gradations of brightness of the images of the observed scene by forming a combined image, which is the result of the synthesis of video signals generated by the CCD with “long” - “long charge” and “short” - “short charge” in charge accumulation time.
Недостаток прототипа - ограничение динамического диапазона изображения телекамеры из-за ограниченных возможностей фотоприемника. При выборе одинаковой площади (S) затвора для полевого транзистора, выполняющего сбор фотозарядов в первом и втором БПЗН, возможно лишь компромиссное решение. При малой площади затвора сокращается внесение в сигнал изображения собственных шумов и достигается необходимая чувствительность телекамеры. Но при этом ограничена управляющая способность зарядового преобразования, которая сказывается для больших по уровню зарядовых пакетов на входе (при высокой освещенности или яркости объектов контроля), вызывая ограничение верхней границы динамического диапазона. При большой площади затвора, наоборот, будет ухудшена чувствительность телекамеры и ограничена нижняя граница динамического диапазона.The disadvantage of the prototype is the limitation of the dynamic range of the image of the camera due to the limited capabilities of the photodetector. When choosing the same gate area (S) for a field-effect transistor collecting photo charges in the first and second SPRs, only a compromise solution is possible. With a small shutter area, the introduction of intrinsic noise into the image signal is reduced and the necessary camera sensitivity is achieved. But at the same time, the control ability of the charge conversion is limited, which affects large-level charge packets at the input (at high illumination or brightness of the objects under control), causing a limitation of the upper boundary of the dynamic range. With a large shutter area, on the contrary, the sensitivity of the camera will be deteriorated and the lower limit of the dynamic range will be limited.
Задача изобретения - расширение динамического диапазона градаций яркости формируемого телекамерой изображения путем оптимизации в фотоприемнике преобразования «заряд-напряжение».The objective of the invention is the expansion of the dynamic range of gradations of brightness generated by the camera image by optimizing the charge-voltage conversion in the photodetector.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемую телекамеру, которая содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив и матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, первой секции хранения, первого выходного регистра, первого БПЗН, разделительного электрода, второй секции хранения, второго выходного регистра и второго БПЗН, а также генератор управляющих импульсов и сигнальный процессор, причем управляющие входы секции накопления, первой секции хранения и объединенные управляющие входы первого и второго выходных регистров матрицы ПЗС подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам сигнала развертки генератора управляющих импульсов, четвертый и пятый выходы сигнала развертки которого подключены соответственно к управляющему входу второй секции хранения и к управляющему входу разделительного электрода матрицы ПЗС, выход первого БПЗН которой подключен к первому информационному входу сигнального процессора, второй информационный вход которого подключен к выходу второго БПЗН, а управляющий вход - к выходу сигнала синхронизации генератора управляющих импульсов, при этом выход сигнального процессора является выходом «Видео» телекамеры, причем площадь затвора S1 полевого транзистора, выполняющего сбор зарядовых носителей в первом БПЗН, выполнена по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования, а площадь затвора S2 аналогичного полевого транзистора во втором БПЗН - по критерию минимального внесения в сигнал изображения собственных шумов, при этом S1>S2.The problem is solved in that in the inventive camera, which contains sequentially located and optically coupled lens and a CCD matrix, consisting of sequentially charge-coupled sections of the accumulation, the first storage section, the first output register, the first SPS, the separation electrode, the second storage section, the second the output register and the second overhead voltage protection device, as well as a control pulse generator and a signal processor, the control inputs of the accumulation section, the first storage section and combined at the control inputs of the first and second output registers of the CCD matrix are connected respectively to the first, second and third outputs of the scan signal of the control pulse generator, the fourth and fifth outputs of the scan signal of which are connected respectively to the control input of the second storage section and to the control input of the separation electrode of the CCD matrix, the output of the first BPSN which is connected to the first information input of the signal processor, the second information input of which is connected to the output of the second BPS, and yayuschy input - to the output of the generator control pulse synchronizing signal, the output of the signal processor is output "Video" camera, the shutter S 1 FET area, performing the collection of the charge carriers in the first BPZN is formed by the criterion of maximum control capacity charge conversion, and the area the gate S 2 of a similar field-effect transistor in the second SPR - according to the criterion of the minimum introduction of intrinsic noise into the image signal, while S 1 > S 2 .
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в устройстве заявляемой телекамеры заложено конструктивное различие первого и второго БПЗН по площади затвора полевого транзистора, который осуществляет поэлементный сбор носителей зарядового изображения.Comparative analysis with the prototype shows that in the device of the inventive camera there is a constructive difference between the first and second overvoltage arresters in terms of the gate area of the field effect transistor, which performs element-by-element collection of charge image carriers.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.The combination of known and new features is not known from the prior art, therefore, the claimed solution meets the requirement of novelty.
В предлагаемом решении на первом и втором выходах фотоприемника вырабатываются видеосигналы, сформированные при двух различных длительностях накопления матрицы ПЗС. Благодаря оптимизации преобразования «заряд-напряжение» для светлых и темных фрагментов сцены в фотоприемнике по двум выходам и синтезу комбинированного изображения в выходном видеосигнале телекамеры обеспечивается дополнительное расширение динамического диапазона. Достигаемый технический результат является выгодным преимуществом предлагаемой телекамеры при контроле наблюдаемой сцены, для которой в одном поле зрения имеет место резкое отличие объектов по освещенности и/или яркости. По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.In the proposed solution, at the first and second outputs of the photodetector, video signals are generated that are generated at two different durations of accumulation of the CCD matrix. Thanks to the optimization of the charge-voltage conversion for light and dark fragments of the scene in the photodetector for two outputs and the synthesis of the combined image in the output video signal of the camera, an additional expansion of the dynamic range is provided. Achievable technical result is a beneficial advantage of the proposed camera when monitoring the observed scene, for which in one field of view there is a sharp difference between objects in terms of illumination and / or brightness. According to the technical result and methods for its achievement, the claimed solution meets the requirement of inventive step.
На фиг.1 изображена структурная схема заявляемой телекамеры; на фиг.2 - световая характеристика фотоэлектрического преобразования, осуществляемого в телекамере; на фиг.3 - возможная структурная схема генератора управляющих импульсов; на фиг.4 - возможная структурная схема сигнального процессора; на фиг.5 - временная диаграмма, поясняющая работу телекамеры.Figure 1 shows the structural diagram of the inventive camera; figure 2 - light characteristic of the photoelectric conversion carried out in a television camera; figure 3 is a possible structural diagram of a generator of control pulses; figure 4 is a possible structural diagram of a signal processor; 5 is a timing diagram explaining the operation of the camera.
Заявляемая телекамера (см. фиг.1) содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1 и матрицу 2 ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления 2-1, первой секции хранения 2-2, первого выходного регистра 2-3, первого БПЗН 2-4, разделительного электрода 2-5, второй секции хранения 2-6, второго выходного регистра 2-7 и второго БПЗН 2-8; генератор 3 управляющих импульсов и сигнальный процессор 4, причем первый выход сигнала развертки генератора 3 управляющих импульсов подключен к управляющим входам секции накопления 2-1, второй выход сигнала развертки - к управляющим входам секции хранения 2-2, третий выход сигнала развертки - к объединенным между собой управляющим входам выходных регистров 2-3 и 2-7, четвертый выход сигнала развертки - к управляющим входам секции хранения 2-6, пятый выход сигнала развертки - к управляющему входу разделительного электрода 2-5, а выход сигнала синхронизации - к управляющему входу сигнального процессора 4, первый информационный вход которого подключен к выходу БПЗН 2-4, второй информационный вход - к выходу БПЗН 2-8, а выход сигнального процессора 4 является выходом «Видео» телекамеры.The inventive camera (see figure 1) contains sequentially located and optically coupled
Матрица 2 ПЗС, как и у прототипа, имеет организацию «кадровый перенос» и содержит на одном кристалле три секции, два выходных регистра, разделительный электрод и два БПЗН. Отметим, что отечественный прибор А-1131 с каналом n-типа и трехфазным управлением секциями и регистрами, разработанный специально для телевизионных детекторов движения, с целью выделения сигнала межкадровой разности, потенциально обладает необходимой схемотехнической организацией и может считаться технологическим заделом для реализации изобретения. Информация о приборе А-1131 опубликована в работе [2].
Особенностью матрицы 2 ПЗС по сравнению с фотоприемником прототипа является различие в конструкции блоков 2-4 и 2-8.A feature of the
Блок 2-4, как и блок 2-8, предназначен для осуществления преобразования зарядового сигнала изображения в напряжение видеосигнала. Принципиальным их отличием является различный уровень зарядовых пакетов на входе, который учитывается при конструктивном исполнении выходного полевого транзистора в части емкости его затвора. Для БПЗН 2-4 ожидается высокий уровень полезного зарядового сигнала, поэтому необходимо увеличить управляющую способность блока путем увеличения площади затвора (S1). Напротив, для БПЗН 2-8 предполагается низкий уровень полезного зарядового сигнала, поэтому емкость затвора должна быть предельно малой, что достигается выбором геометрии его размеров, обеспечивающей малую площадь (S2). Так что обязательным при конструировании нагрузочных транзисторов является условие: S1>S2.Block 2-4, like block 2-8, is designed to convert the charge signal of the image into the voltage of the video signal. Their principal difference is the different level of charge packets at the input, which is taken into account in the design of the output field effect transistor in terms of the capacitance of its gate. For BPS 2-4, a high level of useful charge signal is expected, therefore, it is necessary to increase the control ability of the unit by increasing the shutter area (S 1 ). On the contrary, for BPS 2-8, a low level of the useful charge signal is assumed, therefore, the shutter capacity should be extremely small, which is achieved by choosing a geometry of its size that provides a small area (S 2 ). So the condition for the design of load transistors is: S 1 > S 2 .
Здесь необходимо привести техническое обоснование данного предложения. Дело в том, что в каждом элементе выводимого из матрицы ПЗС видеосигнала дополнительно к фотонному шуму проявляется собственный источник шума, называемый шумом считывания. Среднеквадратичное отклонение (СКО) шума считывания определяется площадью затвора выходного полевого транзистора. Типовое значение СКО шума считывания составляет 20 электронов [3, с.52], и оно является результатом проектирования выходного транзистора, площадь затвора (S) которого вмещает максимальную величину ожидаемого заряда, т.е. соответствует критерию максимальной управляющей способности зарядового фотоэлектронного преобразования, осуществляемого в матрице ПЗС.Here it is necessary to provide a technical justification for this proposal. The fact is that in each element of the video signal output from the CCD matrix, in addition to the photon noise, an intrinsic noise source, called read noise, appears. The standard deviation (RMS) of the read noise is determined by the gate area of the output field effect transistor. The typical value of the standard deviation of reading noise is 20 electrons [3, p.52], and it is the result of designing an output transistor, the gate area (S) of which contains the maximum value of the expected charge, i.e. meets the criterion of maximum control ability of the charge photoelectronic conversion carried out in the CCD matrix.
По мнению специалистов, теоретически СКО шума считывания может быть снижено на порядок [3, с.52]. Следовательно, причина ограничения динамического диапазона снизу уже заложена в типовой организации матрицы ПЗС, а для расширения динамического диапазона целесообразно усовершенствовать саму матрицу.According to experts, theoretically, the standard deviation of read noise can be reduced by an order of magnitude [3, p. 52]. Therefore, the reason for limiting the dynamic range from below is already inherent in the typical organization of the CCD matrix, and to expand the dynamic range it is advisable to improve the matrix itself.
На световой характеристике заявляемой телекамеры (см. фиг.2) точка Б соответствует минимальной (пороговой) освещенности телекамеры Emin2 для порогового отношения сигнал/шум Ψпор=6, когда площадь затвора S2 выбрана по критерию минимального внесения в видеосигнал собственных шумов матрицы. Точка А на той же характеристике соответствует минимальной освещенности Emin1 для того же порогового отношения сигнал/ шум Ψпор=6, а площадь S2 выбрана по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования. Поэтому отношение пороговых освещенностей может составить:On the light characteristic of the claimed camera (see Fig. 2), point B corresponds to the minimum (threshold) illumination of the camera E min2 for the threshold signal-to-noise ratio Ψ pore = 6, when the shutter area S 2 is selected by the criterion of the minimum inclusion of the matrix intrinsic noise into the video signal. Point A on the same characteristic corresponds to the minimum illumination E min1 for the same threshold signal-to-noise ratio Ψ pore = 6, and the area S 2 is selected according to the criterion of the maximum control ability of the charge conversion. Therefore, the ratio of threshold illuminances can be:
Генератор 3 управляющих импульсов предназначен для осуществления развертки в матрице 2 ПЗС и формирования сигнала синхронизации для сигнального процессора 4. Возможная структурная схема генератора 3 управляющих импульсов, совпадающая с решением прототипа [1], (см. фиг.3) содержит ФИ 3-1, ФФ 3-2, первый ПУ 3-3, второй ПУ 3-4, третий ПУ 3-5, четвертый ПУ 3-6 и пятый ПУ 3-7, при этом выходы импульсов тактовой частоты, строчного гасящего импульса, кадрового гасящего импульса и сигналов управления регистрами ФИ 3-1 подключены к первому, второму, третьему и четвертому входам ФФ 3-2 соответственно, а первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы ФФ 3-2 подключены к входам ПУ 3-3, ПУ 3-4, ПУ 3-5, ПУ 3-6 и ПУ 3-7 соответственно, при этом выходы ПУ 3-3, ПУ 3-4, ПУ 3-5, ПУ 3-6 и ПУ 3-7 являются соответственно первым, вторым, третьим, четвертым и пятым выходами сигнала развертки генератора 3, а выход импульсов синхронизации ФИ 3-1 - его выходом сигнала синхронизации.The
Блоки ФИ 3-1 и ФФ 3-2 могут быть выполнены в виде большой интегральной микросхемы (БИС), например, по технологии микросхемы CXD2463R фирмы Sony [4]. Остальные блоки генератора 3 управляющих импульсов, а именно: ПУ 3-3, ПУ 3-4, ПУ 3-5, ПУ 3-6 и ПУ 3-7, могут быть реализованы в виде второй БИС необходимого комплекта.The FI 3-1 and FF 3-2 blocks can be made in the form of a large integrated circuit (LSI), for example, using Sony CXD2463R chip technology [4]. The remaining blocks of the
Сигнальный процессор 4 предназначен для двухканального усиления и обработки сигнала изображения с выходов матрицы ПЗС и формирования на выходе комбинированного видеосигнала. Возможная структурная схема сигнального процессора 4, совпадающая с решением прототипа [1] (см. фиг.4), содержит первый видеоусилитель 4-1, второй видеоусилитель 4-2, компаратор 4-3, опорный вход которого подключен к опорному напряжению Un, и БКВ 4-4, при этом выход видеоусилителя 4-2 подключен к информационному входу компаратора 4-3 и к первому информационному входу БКВ 4-4, второй информационный вход которого подключен к выходу видеоусилителя 4-1, управляющий вход которого, объединенный с управляющим входом видеоусилителя 4-2, является управляющим входом процессора 4, информационный вход видеоусилителя 4-1 - первым информационным входом процессора 4, информационный вход видеоусилителя 4-2 - вторым информационным входом процессора 4, а выход БКВ 4-4 - выходом процессора 4.The signal processor 4 is intended for two-channel amplification and processing of the image signal from the outputs of the CCD matrix and the formation of the combined video signal at the output. A possible structural diagram of the signal processor 4, which coincides with the solution of the prototype [1] (see Fig. 4), contains a first video amplifier 4-1, a second video amplifier 4-2, a comparator 4-3, the reference input of which is connected to the reference voltage U n , and BKV 4-4, while the output of the video amplifier 4-2 is connected to the information input of the comparator 4-3 and to the first information input of the BKV 4-4, the second information input of which is connected to the output of the video amplifier 4-1, the control input of which is combined with the control 4-2 video amplifier input, is the control input processor house 4, the information input of video amplifier 4-1 is the first information input of processor 4, the information input of video amplifier 4-2 is the second information input of processor 4, and the output BKV 4-4 is the output of processor 4.
Все блоки сигнального процессора 4 могут быть выполнены в виде одной БИС, например, по технологии микросхемы CXA1310AQ фирмы Sony [5].All blocks of the signal processor 4 can be made in the form of a single LSI, for example, using the technology of the Sony CXA1310AQ microcircuit [5].
Телекамера работает следующим образом.The camera operates as follows.
Предположим, что матрица 2 ПЗС, как и сенсор А-1131 [2], является трехфазным прибором с каналом n-типа. Поэтому первый, второй, третий и четвертый выходы сигнала развертки генератора 3 имеют три фазы управления по каждому из выходов, а пятый выход является однофазным.Suppose that the
Воспользуемся временной диаграммой, изображенной на фиг.5, где приведены эпюры выходных сигналов генератора 3, в том числе:We use the time diagram shown in figure 5, which shows the diagrams of the output signals of the
- фиг.5б - первый выход, первая фаза,- figb - the first output, the first phase,
- фиг.5в - первый выход, вторая фаза,- figv - the first output, the second phase,
- фиг.5г - первый выход, третья фаза,- fig.5g - the first exit, the third phase,
- фиг.5д - второй выход, первая фаза,- fig.5d - the second output, the first phase,
- фиг.5е - второй выход, вторая фаза,- fig.5e - the second output, the second phase,
- фиг.5ж - второй выход, третья фаза,- fig. 5g - second exit, third phase,
- фиг.5и - третий выход, первая фаза,- figi - the third output, the first phase,
- фиг.5к - третий выход, вторая фаза,- fig.5k - the third output, the second phase,
- фиг.5л - третий выход, третья фаза,- fig.5l - the third exit, the third phase,
- фиг.5м - четвертый выход, первая фаза,- fig. 5m - fourth exit, first phase,
- фиг.5н - четвертый выход, вторая фаза,- fig.5n - the fourth output, the second phase,
- фиг.5о - четвертый выход, третья фаза,- figo - the fourth output, the third phase,
- фиг.5з - пятый выход.- figs - fifth exit.
Отметим, что эпюры выходных сигналов представлены на временной диаграмме относительно кадрового гасящего импульса с периодом Тк и длительностью tо.х.к. (см. фиг.5а). Уровень управляющего потенциала, обеспечивающий для n-канальной матрицы накопление и перенос зарядовых пакетов, относительно подложки1 (Уровень подложки фотоприемника принят равным потенциалу «общего провода» (корпуса) и совпадает на чертеже диаграмм с положением оси времени) является высоким.Note that the diagrams of the output signals are presented in the time diagram with respect to the frame quenching pulse with a period of T to and a duration of t o.h.c. (see figa). The level of the control potential, which ensures the accumulation and transfer of charge packets for the n-channel matrix, relative to the substrate 1 (the substrate level of the photodetector is taken equal to the potential of the "common wire" (housing) and coincides in the diagram drawing with the position of the time axis) is high.
Рассмотрим работу телекамеры, начиная с окончания обратного хода кадровой развертки, обозначенного на эпюре фиг.5а моментом t0. С этого момента в течение прямого хода кадровой развертки Tн1 на фотомишени 2-1 матрицы 2 ПЗС выполняется «длинное» зарядовое накопление кадра - «long charge». Затем в интервале кадрового переноса Tп1 зарядовая картина кадра «long charge» переписывается из секции 2-1 через секцию 2-2 и регистр 2-3 в секцию 2-6. Это становится возможным благодаря высокому уровню потенциала, присутствующему на время Tп1 на разделительном электроде 2-5 (см. фиг.5з).Consider the operation of the camera, starting from the end of the reverse frame scan indicated on the diagram of figa moment t 0 . From this moment, during the forward frame scan T n1 , a “long” charge accumulation of the frame, “long charge”, is performed on the photo target 2-1 of the
По окончании интервала Tп1 в секции 2-1 в течение времени Тн2 производится «короткое» накопление зарядов - «short charge».At the end of the interval T p1 in section 2-1 during the time T n2 is a "short" accumulation of charges - "short charge".
Параллельно с накоплением «short charge» кадра в секции 2-2 выполняется очистка массива от паразитных зарядов путем подачи на ее фазовые электроды трехфазных импульсных последовательностей, которые имеют частоту, равную частоте кадрового выноса F=1/Тв (см. фиг.5д-ж). Максимальная длительность интервала очистки То равна промежутку Тн2.In parallel with the accumulation of the "short charge" of the frame in section 2-2, the array is cleaned of stray charges by applying three-phase pulse sequences to its phase electrodes, which have a frequency equal to the frame removal frequency F = 1 / T in (see fig. g). The maximum duration of the cleaning interval T about equal to the interval T n2 .
Импульсные сигналы управления регистром 2-4 (см. фиг.5и-л) обеспечивают такое движение носителей, что во время обратного хода строчной развертки (to.x.c.) зарядовые строки паразитного сигнала складываются (укрупняются) в нем под второй фазой, а затем во время прямого хода строчной развертки эти паразитные заряды поэлементно переносятся в БПЗН 2-4.The pulse control signals of the register 2-4 (see Fig. 5i-l) provide such a movement of carriers that during the horizontal line reverse (t oxc ) the charge strings of the spurious signal are added (enlarged) in it under the second phase, and then during forward line scan these parasitic charges are element-wise transferred to BPS 2-4.
По окончании накопления «short charge» кадра зарядовая картина в интервале Тп2 переписывается из секции 2-1 в предварительно очищенную от паразитных зарядов секцию 2-2 (см фиг.5б-г и фиг.5д-ж).At the end of the accumulation of the "short charge" of the frame, the charge pattern in the interval T p2 is rewritten from section 2-1 to section 2-2 previously cleared of parasitic charges (see fig. 5b-d and fig. 5d-g).
Минимальный интервал очистки То составляет величину:The minimum cleaning interval T about is:
Tо=NсTс(Tв/tо.х.с),T a = N a T c (T a / t o.h.s)
где Nс - количество строк в секции 2-1;where N with - the number of lines in section 2-1;
Тс - период строки.T with - period of the line.
Возьмем типовые значения параметров; Nc=290; Тс=64 мкс; Тв=0,6 мкс; to.x.c.=12 мкс. В результате требуемая величина То равна 928 мкс, а в сумме с интервалом кадрового переноса Tп1, равным 2Nc•Tв и составляющим 348 мкс, и с интервалом кадрового переноса Тп2, равным Nc•Тв и составляющим 174 мкс, не превышает 1450 мкс. Полученный временной промежуток вполне «укладывается» в обратный ход кадровой развертки tо.x.к., так как занимает интервал менее 1600 мкс.Take typical parameter values; N c = 290; T s = 64 μs; T at = 0.6 μs; t oxc = 12 μs. As a result, the required value of Т о is equal to 928 μs, and in total with the personnel transfer interval T p1 equal to 2N c • T in and amounting to 348 μs, and with the personnel transfer interval T p2 equal to N c • T in and amounting to 174 μs, does not exceed 1450 μs. The obtained time period completely "fits" into the reverse course of the personnel sweep t o.x.k. since it takes up an interval of less than 1600 μs.
С учетом того, что управляющая способность выходного регистра ПЗС в несколько раз выше управляющей способности секции хранения, а распределение паразитного заряда убывает в направлении «сверху вниз», за интервал То может быть осуществлена полная очистка матрицы от паразитных носителей.Considering that the control ability of the CCD output register is several times higher than the control ability of the storage section, and the distribution of stray charge decreases in the “top to bottom” direction, the matrix can be completely cleared of stray carriers during the interval T o .
Отметим, что во время накопления Тн2 «short charge» кадра и его переноса в интервале Тп2 осуществляется хранение «long charge» кадра под вторыми фазными электродами секции 2-6 (см. фиг.5н).Note that during the accumulation of T n2 “short charge” of the frame and its transfer in the interval T p2 , the storage of the “long charge” of the frame under the second phase electrodes of section 2-6 is carried out (see Fig. 5n).
Затем в интервале прямого хода текущего кадра выполняется параллельное считывание «short charge» пакетов в регистре 2-3 и в БПЗН 2-4 и пакетов «long charge» соответственно в регистре 2-7 и в БПЗН 2-8. Отметим, что для регистра 2-3 это становится возможным благодаря тому, что присутствующий в это время низкий уровень потенциала на разделительном электроде 2-5 (см. фиг.5з) «изолирует» его от секции 2-6.Then, in the interval of the forward stroke of the current frame, parallel readout of the “short charge” packets in the register 2-3 and in the LPS 2-4 and of the “long charge” packets in the register 2-7 and in the LPS 2-8, respectively. Note that for register 2-3 this becomes possible due to the fact that the low potential level present at this time on the separation electrode 2-5 (see FIG. 5z) “isolates” it from section 2-6.
Обозначим, как и в прототипе, соответствующие видеосигналы кадров как «short signal» и «long signal».Let us designate, as in the prototype, the corresponding video signals of the frames as “short signal” and “long signal”.
В отличие от прототипа, где площади затворов полевых транзисторов в обоих БПЗН равны S1 и выполнены по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования, площадь затвора S2 полевого транзистора в БПЗН 2-8 в заявляемом решении выполнена по критерию минимального внесения в сигнал изображения собственных шумов матрицы 2 ПЗС, при этом S2<S1. Благодаря этому видеосигнал «long signal» на выходе БПЗН 2-8 при той же освещенности наблюдаемой сцены будет иметь прирост отношения сигнал/шум Ψ, а пороговая освещенность сцены будет гарантировано снижена (Emin2<Emin1, см. фиг.2).In contrast to the prototype, where the gate area of the field-effect transistors in both SPLs is equal to S 1 and performed according to the criterion of the maximum control ability of the charge conversion, the gate area S 2 of the field-effect transistor in BPZN 2-8 in the claimed solution is made according to the criterion of the minimum introduction of intrinsic noise into the
В сигнальном процессоре 4 осуществляется синтез комбинированного сигнала изображения, который реализуется совершенно аналогично прототипу. Но синтезированный видеосигнал обеспечивает дополнительное расширение динамического диапазона телекамеры, так как по сравнению с прототипом в ней оптимизировано преобразование «заряд-напряжение».In the signal processor 4, a combined image signal is synthesized, which is implemented in exactly the same way as the prototype. But the synthesized video signal provides an additional extension of the dynamic range of the camera, since in comparison with the prototype it optimized the transformation of the "charge-voltage".
Ожидаемый выигрыш в динамическом диапазоне, оцениваемом соотношением The expected gain in the dynamic range estimated by the ratio
в заявляемом решении составляет не менее 20 дБ или 10 раз.in the claimed solution is at least 20 dB or 10 times.
В настоящее время все блоки предлагаемого решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.Currently, all blocks of the proposed solution have been mastered or can be mastered by domestic industry, therefore, the proposed invention should be considered as meeting the requirement for industrial applicability.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES
1. Патент №2235443 РФ, МПК7 H04N 5/335, 3/14, 5/202. Телевизионная камера на матрице приборов с зарядовой связью / В.М.Смелков // Б.И. - 2004. - №24.1. Patent No. 2235443 of the Russian Federation, IPC 7 H04N 5/335, 3/14, 5/202. Television camera on a matrix of devices with charge coupling / V.M.Smelkov // B.I. - 2004. - No. 24.
2. Скрылев А.С., Старовойтов В.И., Фрост Н.И. Фоточувствительный прибор с зарядовой связью А-1131 // Электронная промышленность. - 1991. - №7. - с.83.2. Skrylev A.S., Starovoitov V.I., Frost N.I. Photosensitive device with charge coupling A-1131 // Electronic industry. - 1991. - No. 7. - p. 83.
3. Никитин В.В., Цыцулин А.К. Телевидение в системах физической защиты. С-Пб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001.3. Nikitin VV, Tsytsulin A.K. Television in physical protection systems. S-Pb .: SPbGETU "LETI", 2001.
4. Микросхема CXD2463R фирмы Sony. Timing Controller for CCD Camera. Инструкция для пользователя на английском языке, с.1-12.4. Sony CXD2463R chip. Timing Controller for CCD Camera. User manual in English, p.1-12.
5. Микросхема CXA1310AQ фирмы Sony. Single Chip Processing for CCD Camera. Инструкция для пользователя на английском языке, с.1-14.5. The CXA1310AQ chip from Sony. Single Chip Processing for CCD Camera. User manual in English, pp. 1-14.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010107141/09A RU2420018C1 (en) | 2010-02-26 | 2010-02-26 | Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010107141/09A RU2420018C1 (en) | 2010-02-26 | 2010-02-26 | Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2420018C1 true RU2420018C1 (en) | 2011-05-27 |
Family
ID=44735012
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010107141/09A RU2420018C1 (en) | 2010-02-26 | 2010-02-26 | Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2420018C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2472301C1 (en) * | 2011-09-29 | 2013-01-10 | Вячеслав Михайлович Смелков | Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects |
RU2691942C1 (en) * | 2018-09-13 | 2019-06-19 | Вячеслав Михайлович Смелков | Method of controlling sensitivity of a television camera on a ccd matrix in conditions of high illumination and/or complex brightness of objects |
-
2010
- 2010-02-26 RU RU2010107141/09A patent/RU2420018C1/en active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2472301C1 (en) * | 2011-09-29 | 2013-01-10 | Вячеслав Михайлович Смелков | Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects |
RU2691942C1 (en) * | 2018-09-13 | 2019-06-19 | Вячеслав Михайлович Смелков | Method of controlling sensitivity of a television camera on a ccd matrix in conditions of high illumination and/or complex brightness of objects |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5455798B2 (en) | Image processing device | |
CN102523392B (en) | Circuit capable of improving dynamic range of image sensor and control method thereof | |
JP7297850B2 (en) | LED flicker mitigation for video | |
US10033956B2 (en) | Image sensor | |
US8102454B2 (en) | Image pickup apparatus | |
CN106664380A (en) | Solid-state image pickup element and electronic information device | |
CN102685404B (en) | Image sensor and pixel reading method thereof | |
JP2008283593A (en) | Solid-state imaging apparatus | |
EP3420592B1 (en) | Improved ultra-high dynamic range pixel architecture | |
CN102740009B (en) | image sensor and pixel reading method thereof | |
RU2420018C1 (en) | Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects | |
RU2399164C1 (en) | Image signal formation method | |
KR102604317B1 (en) | Imaging device, imaging method, and electronic equipment | |
EP3911972B1 (en) | Time-of-flight device and 3d optical detector | |
RU2670420C1 (en) | Method of controlling the sensitivity of a television camera on a ccd matrix under conditions of complex illumination and/or complex brightness of objects | |
JP2008099174A (en) | Signal charge reading method and solid-state imaging apparatus | |
WO2021157261A1 (en) | Imaging device and image processing method | |
JP2016502365A (en) | Reading method of imaging apparatus | |
JP2006180482A (en) | Image sensing device with wide dynamic range and image pickup apparatus using the same | |
JP2002354195A (en) | Signal processing circuit and solid-state image pickup device | |
RU2428810C1 (en) | Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects | |
JP4275826B2 (en) | High-speed imaging device | |
RU2235443C2 (en) | Television camera built around ccd matrix | |
RU2416171C1 (en) | Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects | |
CN116193280B (en) | High-speed global shutter pixel circuit and control method thereof |