RU2696766C1 - Способ управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС и воспроизведения её видеосигнала в составе мобильного устройства в условиях сложной освещённости и/или сложной яркости объектов - Google Patents

Способ управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС и воспроизведения её видеосигнала в составе мобильного устройства в условиях сложной освещённости и/или сложной яркости объектов Download PDF

Info

Publication number
RU2696766C1
RU2696766C1 RU2018135525A RU2018135525A RU2696766C1 RU 2696766 C1 RU2696766 C1 RU 2696766C1 RU 2018135525 A RU2018135525 A RU 2018135525A RU 2018135525 A RU2018135525 A RU 2018135525A RU 2696766 C1 RU2696766 C1 RU 2696766C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
accumulation
interval
frame
photodetector
transfer
Prior art date
Application number
RU2018135525A
Other languages
English (en)
Inventor
Вячеслав Михайлович Смелков
Original Assignee
Вячеслав Михайлович Смелков
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 Вячеслав Михайлович Смелков filed Critical Вячеслав Михайлович Смелков
Priority to RU2018135525A priority Critical patent/RU2696766C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2696766C1 publication Critical patent/RU2696766C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00Details of television systems
    • H04N5/222Studio circuitry; Studio devices; Studio equipment ; Cameras comprising an electronic image sensor, e.g. digital cameras, video cameras, TV cameras, video cameras, camcorders, webcams, camera modules for embedding in other devices, e.g. mobile phones, computers or vehicles
    • H04N5/225Television cameras ; Cameras comprising an electronic image sensor, e.g. digital cameras, video cameras, camcorders, webcams, camera modules specially adapted for being embedded in other devices, e.g. mobile phones, computers or vehicles

Abstract

Изобретение относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах, выполненных на базе матричных телевизионных сенсоров по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), в которых обеспечена электронная регулировка чувствительности за счет изменения внутрикадрового времени накопления. Техническим результатом является организация в составе мобильного устройства автоматического режима повышения чувствительности для фрагментов телевизионного кадра, которые наблюдаются при низкой освещенности (яркости) соответствующих им объектов путем увеличения для них времени накопления и с возможностью правильного выбора их пространственного положения, а также с одновременной реализацией экономии энергопотребления фотоприемника. Результат достигается тем, что секция накопления сенсора разделена по горизонтали на n изолированных друг от друга мишеней с одинаковым форматом, которые имеют параллельно действующее управление процессами фотоприема и развертки, при этом выходной регистр выполняют в виде двух смежных линейных регистров, действующих поочередно на первый двухканальный БПЗН в одном направлении или на второй двухканальный БПЗН в противоположном направлении, при этом каждый из этих линейных регистров содержит половину элементов от числа пикселов для каждой фотоприемной строки, а в интервале τо.х.с. загружают зарядовыми пакетами текущей информационной строки оба линейных регистра последовательно во времени и раздельно для нечетных и четных пикселов этой строки, а число фазных электродов для отдельно взятого пиксела в обоих линейных регистрах должно быть четным, составляя показатель 2 или 4. Воспроизведение видеосигнала телевизионной камеры осуществляется на видеомониторе, который совместно с камерой интегрирован в состав мобильного устройства, например, как это выполнено в составе мобильного телефона. 10 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах, выполненных на базе матричных телевизионных сенсоров по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), в которых обеспечена электронная регулировка чувствительности за счет изменения внутрикадрового времени накопления. При этом воспроизведение видеосигнала телевизионной камеры осуществляется на видеомониторе, который совместно с камерой интегрирован в состав мобильного устройства, например, как это выполнено в составе мобильного телефона.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС [1], заключающийся в том, что на мишени (секции накопления) матрицы ПЗС с организацией «кадровый перенос» с периодом кадров накапливают информационные заряды, переносят информационные заряды с частотой кадрового переноса из секции накопления в секцию памяти, построчно переносят информационные заряды из секции памяти в выходной регистр в интервале обратного хода строчной развертки, а в интервале прямого хода строчной развертки поэлементно переносят информационные заряды из выходного регистра в выходной блок матрицы ПЗС с одновременным преобразованием заряда в напряжение видеосигнала (БПЗН), причем в секции накопления в интервале между кадровым переносом текущего кадра и циклом накопления последующего кадра отводят избыточные заряды в подложку фотоприемника путем технологической организации антиблюминговой области и электронного затвора в секции накопления, при этом кадровый перенос информационных зарядов из секции накопления в секцию памяти осуществляют на заключительном промежутке интервала обратного хода кадровой развертки с выполнением соответствующей временной задержки длительности накопления информационных зарядов, а в промежутке интервала обратного хода кадровой развертки, предшествующем переносу информационных зарядов, осуществляют очистку секции памяти от паразитных зарядов за счет их перемещения с частотой кадрового переноса в выходной регистр или за счет их отвода в подложку фотоприемника путем технологической организации антиблюминговой области и электронного затвора в секции памяти.

Отметим, что у прототипа [1] текущая загрузка информационными зарядовыми пакетами выходного регистра матрицы ПЗС выполняется в пределах временного промежутка, который в телевизионной развертке занимает интервал τo.x.c - длительность обратного хода по строке. Перенос этих зарядовых пакетов вдоль выходного регистра и считывание в БПЗН производится с частотой поэлементного переноса ƒэ.

Данный способ управления чувствительностью способен решить задачу адаптации фотоприемника к условиям световых перегрузок на мишени.

Предполагается, что в состав телевизионной камеры, в которой реализован этот способ управления чувствительностью, входит устройство автоматической регулировки времени накопления (АРВН), а формируемое этим блоком по цепи обратной связи управляющее напряжение определяет длительность экспонирования (накопления) матрицей ПЗС за кадр в зависимости от освещенности (яркости) наблюдаемого сюжета. Очевидно, что секция памяти матрицы ПЗС прототипа [1] экранирована от света.

Однако при работе в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов, когда высокой освещенности (яркости) на одних участках поля зрения сопутствует низкая освещенность (яркость) на других его участках, реализованный в телевизионной камере способ управления чувствительностью прототипа [1] принципиально не может справиться с ситуацией, не избежав ухудшения качества изображения по всему кадру.

Это объясняется тем, что в этих условиях автоматическая регулировка времени накопления (АРВН) телевизионной камеры, работающая по этому сигналу управления чувствительности, выполняет отсчет его напряжения при помощи амплитудного детектора по пиковому или по среднему значению видеосигнала, формируемого на выходе фотоприемника. Но распространяет свой полученный результат, а именно: длительность времени накопления, - на все элементы (пикселы) мишени.

Недостаток способа управления чувствительностью в прототипе [1] заключается в том, что возникает режим ограниченного накопления (по времени) для тех участков изображения, которые наблюдаются при низкой освещенности (яркости) соответствующих им объектов.

Задачей изобретения является организация в составе мобильного устройства автоматического режима повышения чувствительности для этих фрагментов телевизионного кадра путем увеличения для них времени накопления и с возможностью правильного выбора их пространственного положения, а также с одновременной реализацией экономии энергопотребления фотоприемника.

Поставленная задача в заявляемом способе управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС, основанном на том, что на мишени (секции накопления) матрицы ПЗС с организацией «кадровый перенос» с периодом кадров накапливают информационные заряды в соответствии с управляющим напряжением для АРВН; переносят информационные заряды с частотой кадрового переноса из секции накопления в экранированную от света секцию памяти; построчно переносят информационные заряды из секции памяти в выходной регистр в интервале обратного хода строчной развертки; а в интервале прямого хода строчной развертки поэлементно переносят информационные заряды из выходного регистра в выходной блок матрицы ПЗС с одновременным преобразованием заряда в напряжение видеосигнала (БПЗН), причем в секции накопления в интервале между кадровым переносом текущего кадра и циклом накопления последующего кадра отводят избыточные заряды в подложку фотоприемника путем технологической организации антиблюминговой области и электронного затвора в секции накопления, при этом кадровый перенос информационных зарядов из секции накопления в секцию памяти осуществляют на заключительном промежутке интервала обратного хода кадровой развертки с выполнением соответствующей временной задержки длительности накопления информационных зарядов, а в промежутке интервала обратного хода кадровой развертки, предшествующем переносу информационных зарядов, осуществляют очистку секции памяти от паразитных зарядов за счет их перемещения с частотой кадрового переноса в выходной регистр или за счет их отвода в подложку фотоприемника путем технологической организации антиблюминговой области и электронного затвора в секции памяти, решается тем, что секция накопления матрицы ПЗС имеет формат (отношение ширины секции к ее высоте) больше единицы, например, 4:3 или 16:9 и он совпадает с форматом экрана видеомонитора, который совместно с камерой встроен (интегрирован) в состав мобильного устройства, причем секция накопления сенсора разделена по горизонтали на n изолированных друг от друга мишеней с одинаковым форматом, которые имеют параллельно действующее управление процессами фотоприема и развертки, при этом величина управляющего напряжения АРВН и соответственно длительность накопления информационных зарядов за кадр определяются раздельно для каждой этой отдельно взятой мишени по пиковому значению видеосигнала, формируемого на выходе фотоприемника в течение соответствующего временного интервала в пределах прямого хода по кадру, при этом частоту поэлементного переноса зарядовых пакетов ƒэ снижают в два раза, а выходной регистр выполняют в виде двух смежных линейных регистров, действующих поочередно на первый двухканальный БПЗН в одном направлении или на второй двухканальный БПЗН в противоположном направлении, при этом каждый из этих линейных регистров содержит половину элементов от числа пикселов для каждой фотоприемной строки, а в интервале τo.x.c. загружают зарядовыми пакетами текущей информационной строки оба линейных» регистра последовательно во времени и раздельно для нечетных и четных пикселов этой строки, а число фазных электродов для отдельно взятого пиксела в обоих линейных регистрах должно быть четным, составляя показатель 2 или 4, причем для оптимизации выбора режима накопления матрицы ПЗС реализуют пространственный поворот фотоприемника вокруг центральной точки его мишени на угол 90° с одновременным поворотом на этот же угол и в том же направлении экрана видеомонитора мобильного устройства.

Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемый способ отличается наличием следующих признаков:

- условием осуществления предварительных действий, а именно: интегрирования телевизионной камеры совместно с видеомонитором в состав мобильного устройства, а также разделения секции накопления фотоприемника на n изолированных друг от друга мишеней с одинаковым форматом, которые управляются параллельно;

- выбором одного из двух возможных пространственных положений матрицы ПЗС путем поворота ее мишени на угол 90° относительно предыдущего положения;

- выполнением в телевизионной камере параллельных действий по установке длительности накопления зарядов за кадр для каждой из n мишеней сенсора;

- новой организацией выходного регистра матричного фотоприемника, снабженного двумя БПЗН, с реализацией поэлементного переноса зарядов вдоль выходного регистра в двух противоположных направлениях;

- выполнением экономии энергопотребления матричного фотоприемника за счет снижения в два раза частоты поэлементного переноса ƒэ а также новой организацией в нем составляющих его блоков: выходного регистра и БПЗН. Согласно заявляемому способу выходной регистр состоит из двух параллельно действующих регистров, а каждый из двух БПЗН является двухканальным блоком. При этом зарядовые сигналы будут регистрироваться в первом или во втором БПЗН в правильном фазовом соотношении за счет выбора четного показателя для числа фазных электродов применительно к отдельно взятому элементу этих регистров.

Здесь важно отметить следующее. Из монографии [2, с. 153] известно, что в «-канальном ПЗС с размером ячейки 30 мкм, работающем на частоте 1 МГц, зарядовый пакет величиной 0,5 пКл потребляет удельную мощность около 2,8 нВт/элемент. И эта величина растет как квадрат рабочей частоты!

При организации для матричного фотоприемника на ПЗС такого режима управления поэлементным переносом зарядовых пакетов разрешающая способность видеосигнала наблюдаемого сюжета остается неизменной, а энергопотребление телевизионной камеры на базе такого сенсора - «тормозится», компенсируя полностью или частично сопутствующие энергетические затраты.

Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемый способ отвечает требованию новизны.

По техническому результату и методу его достижения предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена схемотехническая организация матрицы ПЗС кадрового переноса с тремя изолированными мишенями (n=3); на фиг. 2 показаны два рабочих положения матричного фотоприемника, в которых относительно друг друга реализован пространственный поворот мишени на угол 90°; на фиг. 3 представлена структурная схема устройства, поясняющая реализацию заявляемого способа управления чувствительностью и являющаяся, по сути, схемой замысла новой АРВН фотоприемника; на фиг. 4 - пример выполнения принципиальной схемы пикового детектора, четыре из которых приняты (обозначены) на фиг. 3; на фиг. 5б-5д относительно временного положения гасящего импульса строк, показанного на фиг. 5а, приведены эпюры управляющих сигналов для получения необходимых областей («окон») фотометрирования зарядового рельефа фотоприемника; на фиг. 6б - эпюра, иллюстрирующая временное положение выходного сигнала устройства АРВН (относительно кадрового гасящего импульса, представленного на фиг. 6а); на фиг. 7 дан фрагмент поперечного сечения секции накопления или секции памяти матрицы ПЗС, иллюстрирующий физические процессы, которые сопровождает технологическая организация антиблюминговой области и электронного затвора в этих секциях фотоприемника; на фиг. 8а) и 8б) показано положение четырех «окон» фотометрирования секции накопления матрицы ПЗС в условиях ее сложной освещенности и/или сложной яркости применительно к двум рабочим положениям фотоприемника; на фиг. 9 - эпюры, поясняющие управление первым и вторым линейными регистрами фотоприемника, в котором управление поэлементным переносом осуществляется согласно заявляемому способу; на фиг. 10 - внешний вид мобильного устройства, содержащего в своем составе телевизионную камеру и видеомонитор.

Матрица 1 на ПЗС (фиг. 1) с организацией «кадровый перенос» выполнена на кремниевом кристалле и состоит из связанных последовательно зарядовой связью секции 1-1 накопления, секции 1-2 памяти, первого линейного регистра 1-3-(1), второго линейного регистра 1-3-(2), первого БПЗН 1-4-(1) и второго БПЗН 1-4-(2).

Штрихпунктирные линии на фиг. 1 показывают выделение на секции 1-1 накопления фотоприемника четырех изолированных мишеней с одинаковым форматом, т.е. n=4. Введем обозначение данных сенсоров соответственно как: 1-1-1, 1-1-2, 1-1-3 и 1-1-4.

Аналогично прототипу [1], по первому варианту исполнения матрицы ПЗС каждая из этих мишеней содержит встроенные в ее полупроводниковую структуру антиблюминговую область и электронный затвор GA. По второму варианту исполнения матрицы ПЗС антиблюминговая область и электронный затвор GB дополнительно встроены и в секцию памяти 1-2.

Отметим, что применение данных технологических особенностей обусловлено необходимостью устранения паразитных зарядов в фотоприемнике в условиях его световых перегрузок. Для телевизионной камеры такие перегрузки являются часто сопутствующим явлением и наблюдения в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов.

Как показано на фиг. 7, затвор GA является «электронным» затвором секции накопления. Для фотоприемника с трехфазным зарядовым переносом в секциях (накопления и памяти) и с n-каналом проводимости, если на затворе GA присутствует низкий (относительно подложки) потенциал, последний закрыт, а потенциальные ямы под фазными электродами мишени изолированы от стоковой области за счет этого барьерного смещения. Тогда на самой фотомишени инициируется процесс накопления зарядовых фотоэлектронов под электродами Ф2Н (см. фиг. 7а).

Когда на затвор GA подается высокий потенциал, то потенциальный барьер снимается, затвор открывается, а на мишени исключается процесс накопления фотоэлектронов. Это объясняется тем, что носители, не задерживаясь в потенциальных ямах под фазными электродами Ф2Н, устремляются в более глубокие ямы, создаваемые потенциалом DA в стоковой области, а далее рекомбинируют в подложку фотоприемника (см. фиг. 7б).

Очевидно, что совершенно аналогично реализуется «электронный» затвор GB с антиблюминговой областью, управляемой потенциалом DB, когда они встроены в секцию памяти 1-2 вокруг фазных электродов Ф2П, как показано на фиг. 7.

Для всех трех изолированных мишеней матрицы 1 ПЗС действует параллельное управление, которое обеспечивает процесс текущего накопления зарядового рельефа в соответствии с длительностью, задаваемой выходным импульсом на входе электронного затвора сенсора каждой мишени, т.е. через GA1, GA2 GA3 и GA4, как показано на фиг. 1.

Организация этого параллельного управления может быть осуществлена за счет «размножения» импульсных сигналов при помощи внешних буферных каскадов для готовых микросхем, реализующих набор (комплект) необходимых управляющих напряжений.

Предлагаемый в настоящем техническом решении способ управления чувствительностью телевизионной камеры может быть реализован и для двух других технологических вариантов матрицы ПЗС, т.е. для сенсоров, изготовленных соответственно по методу «строчный перенос» и «строчно-кадровый перенос» [3, с. 134-137]. При этом фотоприемная область этих приборов, в которой вертикально расположенные линейки светочувствительных элементов чередуются с вертикальными линейками изолированных от света пикселов, должна быть технологически подготовлена аналогично секции накопления матрицы ПЗС кадрового переноса, т.е. путем разделения по горизонтали на n изолированных друг от друга мишеней с одинаковым форматом, а выходной регистр этих сенсоров выполнен в виде двух смежных линейных регистров, действующих поочередно на первый двухканальный БПЗН или при изменении направления (реверсе) поэлементного переноса - на второй двухканальный БПЗН.

Рассмотрим анонсированную ранее структурную схему АРВН на фиг. З. Она содержит формирователь 2 сигналов «окон» для фотометрирования сенсора, последовательно соединенные первый пиковый детектор 3 и первый широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 4, последовательно соединенные второй пиковый детектор 5 и второй ШИМ 6, последовательно соединенные третий пиковый детектор 7 и третий ШИМ 8, а также последовательно соединенные четвертый пиковый детектор 9 и четвертый ШИМ 10. Информационные входы всех четырех пиковых детекторов (3, 5, 7, 9) подключены к выходу видео фотоприемника 1, а управляющие входы этих пиковых детекторов - соответственно к первому, второму и третьему выходам формирователя 2.

Четвертый выход формирователя 2 подключен к входам сброса всех трех пиковых детекторов (3, 5, 7, 9).

Выход блока 4 подключен к электронному затвору GA1 мишени 1-1-1, выход блока 6 - к электронному затвору GA2 мишени 1-1-2, выход блока 8 - к электронному затвору GA3 мишени 1-1-3, а выход блока 10 к электронному затвору GA4 мишени 1-1-4. Предполагается, что в телевизионной камере от ее микроконтроллера на вход формирователя 2 сигналов «окон» подаются импульсы запуска и синхронизации.

Формирователь 2 предназначен для реализации четырех х импульсных сигналов (см. фиг. 5б-5д), которые подаются на управляющие входы пиковых детекторов. Для получения этих сигналов может быть использован трехразрядный двоичный счетчик [см., например, 4, с. 168-170].

Трансляцией через формирователь 2 от микроконтроллера телевизионной камеры осуществляется подача кадрового синхроимпульса положительной полярности для выполнения в начале каждого кадра обнуления (сброса) всех четырех пиковых детекторов (3, 5, 7, 9).

Пиковые детекторы предназначены для регистрации максимального уровня аналогового видеосигнала, поступающего на их информационные входы в интервале присутствия высокого уровня импульсного сигнала на их управляющих входах.

Каждый из пиковых детекторов может быть выполнен на базе двух операционных усилителей (ОУ) по схеме, предложенной в работе [5, с. 301]. Особенностью схемы, представленной на фиг. 4, является выбор первого (входного) ОУ. Этот ОУ дополнительно должен иметь управляющий вход для реализации внешнего управления резервной мощностью и рабочей точкой с помощью внешнего напряжения смещения. Примером выполнения такого ОУ является микросхема СА3078Т фирмы RCA (США).

Импульсные сигналы, которые необходимо подать на управляющие входы всех четырех пиковых детекторов (3, 5, 7, 9), представлены на временных диаграммах, изображенных соответственно на фиг. 5б, 5в, 5г и 5д.

Выходные сигналы пиковых детекторов 3, 5, 7 и 9 являются управляющими напряжениями для блоков 4, 6, 8 и 10 широтно-импульсного модулятора (ШИМ), на выходах каждого из которых будет сформирован «автономный» цифровой сигнал накопления (см. фиг. 6б).

Отметим, что этот сигнал может изменяться в течение кадра от максимального значения отсчета

Figure 00000001
до его минимального отсчета
Figure 00000002
в зависимости от величины входного управляющего напряжения.

Для выполнения своей функциональной «обязанности» цифровой сигнал накопления подается на управляющий вход сенсора, являющийся его «электронным» затвором GA.

Очевидно, что такой процесс оптимизированного накопления зарядов на секции 1-1 матрицы ПЗС в зависимости от уровня освещенности контролируемой сцены будет происходить параллельно и на всех четырех мишенях 1-1-1, 1-1-2, 1-1-3 и 1-1-4 путем управления через соответствующие затворы GA1, GA2, GA3 и GA4 (см. фиг. 1).

Мобильное устройство, содержащее в одном приборе телевизионную камеру и видеомонитор, работает следующим образом.

Допустим, что первоначальное пространственное положение этого устройства соответствует тому, что приведено на фиг. 10. Здесь фотоприемник на ПЗС занимает положение, показанное на фиг. 2а. Это так называемая «альбомная» ориентация мишени нашего сенсора относительно контролируемого сюжета.

Оптическое изображение наблюдаемой сцены в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов проецируется на секцию накопления 1-1 матрицы ПЗС, а, следовательно, и на все четыре составляющие ее мишени (1-1-1, 1-1-2, 1-1-3, 1-4).

Пусть в нашем примере, показанном на фиг. 8а, в условиях высокой освещенности наблюдаемого сюжета оказывается область, которую занимает «Окно» 1; в условиях слабо пониженной освещенности - «Окно» 2; в условиях средне пониженной освещенности - «Окно» 3, а в условиях существенно пониженной освещенности - «Окно» 4.

В интервале прямого хода каждого телевизионного кадра происходит процесс оптимизированного накопления зарядов в светочувствительных пикселах всех четырех мишеней 1-1-1, 1-1-2, 1-1-3 и 1-1-4 пропорционально освещенности контролируемого сюжета.

В течение промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки заряды всех строк, участвовавших в накоплении, переносятся в экранированные от света пикселы, расположенные в секции 1-2 памяти.

Затем в новом кадровом цикле выполняется накопление другой зарядовой «картины», а накопленные в предыдущем кадре зарядовые пакеты переносятся из секции 1-2 памяти на периферию кристалла фотоприемника, загружая в интервале обратного хода строчной развертки (τo.х.с) новыми зарядами оба линейных регистра. Заметим, что на фиг. 1 затворы загрузки показаны утолщенными линиями.

Рассмотрим подробнее «механизм» зарядовой загрузки, используя временные диаграммы сигналов, представленные на фиг. 9.

На фиг. 9а изображена эпюра сигнала для строчного гасящего импульса телевизионной развертки, активно действующего в течение интервала τo.х.с. с периодом строк Тс.

На фиг. 9б, фиг. 9в показаны эпюры импульсных сигналов, управляющие затворами загрузки второго линейного регистра 1-3-(2) и первого линейного регистра 1-3-(1) соответственно.

Отметим, что первый линейный регистр 1-3-(1) является универсальным, обеспечивая перенос зарядовых пакетов двух направлениях, а именно: как вдоль регистра, так и поперек (насквозь), т.е. в ячейки второго линейного регистра 1-3-(2).

Для реализации второй функции в зазоры между элементами регистра 1-3-(1), имеющими ширину пиксела, устанавливаются дополнительные электроды (на фиг. 1 они отмечены пунктиром), соединенные между собой и подключенные к постоянному напряжению, величина которого не менее управляющего потенциала зарядового переноса. Эти дополнительные электроды выполняют одновременно и другую важную роль, а именно: исключают зарядовые потери при переносе в регистре 1-3-(1). По этой причине точно такие же дополнительные электроды устанавливаются и в зазоры между элементами регистра 1-3-(2).

На фиг. 9г, фиг. 9д представлены эпюры импульсных сигналов, управляющие работой обоих линейных регистров параллельно применительно для двухфазной системы зарядового переноса зарядов, где Тэ=1/ƒэ - период поэлементного переноса зарядовых пакетов.

В промежутке

Figure 00000003
τo.x.c. - интервале активного действия импульса на фиг. 9б через открытый затвор загрузки в регистр 1-3-(2), в ячейки под первыми фазными электродами, будут поступать заряды первого, третьего, пятого и других нечетных элементов этой строки.

А в последующем интервале

Figure 00000003
τo.x.c. - интервале активного действия импульса, изображенного на фиг. 9в, через открытый затвор, в ячейки под первыми фазными электродами, будет загружаться зарядами регистр 1-3-(1), но применительно для второго, четвертого, шестого и других четных элементов этой строки.

Отметим, что в этом временном промежутке зарядовые пакеты, загруженные ранее в линейный регистр 1-3-(2), остаются там «на своих местах», находясь потенциальных ямах этого регистра в режиме хранения.

Зарядовые пакеты каждой строки в каждом последующем кадровом цикле поэлементно считываются в первом БПЗН 1-4-(1), формируя на его выходе аналоговый видеосигнал наблюдаемого изображения.

Технический результат заявляемого решения обеспечивается тем, что в телевизионной камере будут в полностью автоматическом режиме получены оптимальные показатели для времени накопления (Тн) применительно ко всем n участкам площади мишени матрицы ПЗС.

Следовательно, по сравнению с прототипом [1], будет достигнуто повышенное отношение сигнал/шум (ψ) формируемого видеосигнала и соответственно увеличение чувствительности для тех участков изображения, которые регистрируются при низкой освещенности (яркости) соответствующих им объектов, и, что не менее важно, - с выполнением экономии по энергопотреблению сенсора.

Допустим, что условия сложной освещенности наблюдаемой сцены и/или сложной яркости контролируемых объектов существенно изменились с позиции пространственного расположения. А именно, проецируемые на секцию 1-1 накопления фрагменты изображений из «расположенных вертикально» становятся фрагментами «расположенными горизонтально».

Очевидно, что в этой ситуации неизбежна потеря чувствительности телевизионной камеры на ПЗС за счет ошибки в отсчете времени накопления фотоприемника для фрагментов изображений, наблюдаемых в условиях пониженной освещенности.

Но заявляемый способ успешно преодолевает эту «ситуационную» трудность. Для этого необходимо выполнить пространственный поворот нашего мобильного устройства на угол 90° (в направлении против часовой стрелки). Тогда осуществится и поворот фотоприемника вокруг центральной точки его мишени на этот же угол, т.е. матрица ПЗС будет занимать пространственное положение, показанное на фиг. 2б. Тогда это будет так называемая «книжная» или «портретная» ориентация мишени нашего фотоприемника относительно контролируемого сюжета.

В результате для сенсора «окна» фотометрирования становятся ориентированными в пространстве не вертикально, а горизонтально, как представлено на фиг. 8б.

В рассматриваемом примере в условиях высокой освещенности наблюдаемого сюжета там оказывается область, которую занимает «Окно» 4; в условиях слабо пониженной освещенности - «Окно» 3; в условиях средне пониженной освещенности - «Окно» 2, а в условиях существенно пониженной освещенности - «Окно» 1. Поэтому отсчет времени накопления для каждого из этих фрагментов изображений, осуществляемый за счет пикового детектирования видеосигнала, будет правильным, т.е. реализующим искомый рост чувствительности сенсора.

Затем первый и второй регистры матрицы ПЗС будут поочередно переносить заряды в противоположном направлении, т.е. в сторону второго БПЗН 1-4-(2), где они аналогичным образом регистрируются в виде другого аналогового видеосигнала - альтернативе предыдущему видеосигналу.

В результате этого чувствительность фотоприемника будет повышена. Отметим, что реверсивное движение зарядов в регистрах и введение в состав фотоприемника второго БПЗН необходимо для того, чтобы избежать «зеркальности» формируемого изображения.

Заметим, что на выходе «Видео» телевизионной камеры, как и в прототипе [1], формируется композитный видеосигнал, необходимый для воспроизведения наблюдаемого изображения на экране видеомонитора. А в мобильном устройстве при пространственном повороте фотоприемника вокруг центральной точки его мишени на угол 90° на этот же угол автоматически выполняется и поворот экрана видеомонитора.

Для контролируемого сюжета площадь совпадения применительно к двум пространственным положениям секции накопления фотоприемника составляет обратную величину показателя формата мишени. Для формата мишени 4:3 она составляет 75%, а для формата мишени 16:9 - чуть более 56%.

Очевидно, что, чем больше этот показатель, тем потенциально более высокий технический результат может быть получен для заявляемого решения. Но показатель совпадения на 100% имеет место только для формата мишени матрицы ПЗС, равного 1:1.

С другой стороны, форматы мишени 4:3 и 16:9 имеют большее распространение в телевизионной технике, и этот компромисс вполне целесообразен.

В настоящее время все элементы схемотехнической организации матричного фотоприемника на ПЗС, а также блоки и элементы комментируемой структурной схемы устройства АРВН сенсора, реализующей предлагаемый способ управления чувствительностью телевизионной камеры и воспроизведения ее видеосигнала в составе мобильного устройства, освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.

Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2399164. МПК H04N 5/335; H04N 5/217. Способ формирования сигнала изображения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2010. - №25.

2. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. Перевод с англ. - «Мир», 1978.

3. Владо Дамьяновски. CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии. Перевод с англ. - М.: «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.

4. Токхейм Р. Основы цифровой электроники. Перевод с англ. - М.: «Мир», 1988.

5. Пейтон А. Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. Перевод с англ. - М.: «БИНОМ», 1994.

Claims (1)

  1. Способ управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС и воспроизведения ее видеосигнала в составе мобильного устройства в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов, заключающийся в том, что на мишени (секции накопления) матрицы ПЗС с организацией «кадровый перенос» с периодом кадров накапливают информационные заряды в соответствии с управляющим напряжением для автоматической регулировки времени накопления (АРВН), переносят информационные заряды с частотой кадрового переноса из секции накопления в экранированную от света секцию памяти, построчно переносят информационные заряды из секции памяти в выходной регистр в интервале обратного хода строчной развертки, а в интервале прямого хода строчной развертки поэлементно переносят информационные заряды из выходного регистра в выходной блок матрицы ПЗС с одновременным преобразованием заряда в напряжение видеосигнала (БПЗН), причем в секции накопления в интервале между кадровым переносом текущего кадра и циклом накопления последующего кадра отводят избыточные заряды в подложку фотоприемника путем технологической организации антиблюминговой области и электронного затвора в секции накопления, при этом кадровый перенос информационных зарядов из секции накопления в секцию памяти осуществляют на заключительном промежутке интервала обратного хода кадровой развертки с выполнением соответствующей временной задержки длительности накопления информационных зарядов, а в промежутке интервала обратного хода кадровой развертки, предшествующем переносу информационных зарядов, осуществляют очистку секции памяти от паразитных зарядов за счет их перемещения с частотой кадрового переноса в выходной регистр или за счет их отвода в подложку фотоприемника путем технологической организации антиблюминговой области и электронного затвора в секции памяти, формируют на выходе «Видео» телевизионной камеры композитный видеосигнал, необходимый для воспроизведения наблюдаемого изображения на экране видеомонитора, отличающийся тем, что секция накопления матрицы ПЗС имеет формат (отношение ширины секции к ее высоте) больше единицы и он совпадает с форматом экрана видеомонитора, который совместно с камерой встроен (интегрирован) в состав мобильного устройства, причем секция накопления сенсора разделена по горизонтали на n изолированных друг от друга мишеней с одинаковым форматом, которые имеют параллельно действующее управление процессами фотоприема и развертки, при этом величина управляющего напряжения АРВН и соответственно длительность накопления информационных зарядов за кадр определяются раздельно для каждой этой отдельно взятой мишени по пиковому значению видеосигнала, формируемого на выходе фотоприемника в течение соответствующего временного интервала в пределах прямого хода по кадру, при этом частоту поэлементного переноса зарядовых пакетов ƒэ снижают в два раза, а выходной регистр выполняют в виде двух смежных линейных регистров, действующих поочередно на первый двухканальный БПЗН в одном направлении или на второй двухканальный БПЗН в противоположном направлении, при этом каждый из этих линейных регистров содержит половину элементов от числа пикселов для каждой фотоприемной строки, а в интервале τо.х.с. загружают зарядовыми пакетами текущей информационной строки оба линейных» регистра последовательно во времени и раздельно для нечетных и четных пикселов этой строки, а число фазных электродов для отдельно взятого пиксела в обоих линейных регистрах должно быть четным, составляя показатель 2 или 4, причем для оптимизации выбора режима накопления матрицы ПЗС реализуют пространственный поворот фотоприемника вокруг центральной точки его мишени на угол 90° с одновременным поворотом на этот же угол экрана видеомонитора мобильного устройства.
RU2018135525A 2018-10-08 2018-10-08 Способ управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС и воспроизведения её видеосигнала в составе мобильного устройства в условиях сложной освещённости и/или сложной яркости объектов RU2696766C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018135525A RU2696766C1 (ru) 2018-10-08 2018-10-08 Способ управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС и воспроизведения её видеосигнала в составе мобильного устройства в условиях сложной освещённости и/или сложной яркости объектов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018135525A RU2696766C1 (ru) 2018-10-08 2018-10-08 Способ управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС и воспроизведения её видеосигнала в составе мобильного устройства в условиях сложной освещённости и/или сложной яркости объектов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2696766C1 true RU2696766C1 (ru) 2019-08-06

Family

ID=67586805

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018135525A RU2696766C1 (ru) 2018-10-08 2018-10-08 Способ управления чувствительностью телевизионной камеры на матрице ПЗС и воспроизведения её видеосигнала в составе мобильного устройства в условиях сложной освещённости и/или сложной яркости объектов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2696766C1 (ru)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4087833A (en) * 1977-01-03 1978-05-02 Reticon Corporation Interlaced photodiode array employing analog shift registers
US4811106A (en) * 1986-05-16 1989-03-07 The General Electric Company, P.L.C. Frame transfer image sensor having two vertical clock standards
US5028970A (en) * 1987-10-14 1991-07-02 Fuji Photo Film Co., Ltd. Image sensor
US5309240A (en) * 1991-01-18 1994-05-03 Nec Corporation CCD linear image sensor including a CCD shift register on both sides of linearly arranged photosensor cells
US20040239780A1 (en) * 2003-03-18 2004-12-02 Toshiaki Nakahira Digital still camera
US6895256B2 (en) * 2000-12-07 2005-05-17 Nokia Mobile Phones Ltd. Optimized camera sensor architecture for a mobile telephone
KR100848589B1 (ko) * 2005-10-11 2008-07-28 노키아 코포레이션 Portable camera phones, image recording methods and camera modules
RU2399164C1 (ru) * 2009-03-10 2010-09-10 Вячеслав Михайлович Смелков Способ формирования сигнала изображения
US20110019071A1 (en) * 2009-07-23 2011-01-27 Ryosuke Amano Image pickup apparatus and image pickup method
US20110096216A1 (en) * 2009-09-10 2011-04-28 Fujifilm Corporation Imaging pickup device and image pickup method
JP4695481B2 (ja) * 2005-10-05 2011-06-08 株式会社リコー 撮像装置及び撮像方法
US20110242378A1 (en) * 2010-04-02 2011-10-06 Sony Corporation Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4087833A (en) * 1977-01-03 1978-05-02 Reticon Corporation Interlaced photodiode array employing analog shift registers
US4811106A (en) * 1986-05-16 1989-03-07 The General Electric Company, P.L.C. Frame transfer image sensor having two vertical clock standards
US5028970A (en) * 1987-10-14 1991-07-02 Fuji Photo Film Co., Ltd. Image sensor
US5309240A (en) * 1991-01-18 1994-05-03 Nec Corporation CCD linear image sensor including a CCD shift register on both sides of linearly arranged photosensor cells
US6895256B2 (en) * 2000-12-07 2005-05-17 Nokia Mobile Phones Ltd. Optimized camera sensor architecture for a mobile telephone
US20040239780A1 (en) * 2003-03-18 2004-12-02 Toshiaki Nakahira Digital still camera
JP4695481B2 (ja) * 2005-10-05 2011-06-08 株式会社リコー 撮像装置及び撮像方法
KR100848589B1 (ko) * 2005-10-11 2008-07-28 노키아 코포레이션 Portable camera phones, image recording methods and camera modules
RU2399164C1 (ru) * 2009-03-10 2010-09-10 Вячеслав Михайлович Смелков Способ формирования сигнала изображения
US20110019071A1 (en) * 2009-07-23 2011-01-27 Ryosuke Amano Image pickup apparatus and image pickup method
US20110096216A1 (en) * 2009-09-10 2011-04-28 Fujifilm Corporation Imaging pickup device and image pickup method
US20110242378A1 (en) * 2010-04-02 2011-10-06 Sony Corporation Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10462403B2 (en) Electric camera
US10165212B2 (en) Solid-state imaging device having voltage lines including openings corresponding to pixel units
US9681070B2 (en) Solid-state imaging device, signal processing method of solid-state imaging device, and electronic apparatus
US20190246056A1 (en) Imaging apparatus, imaging system, imaging apparatus driving method, and imaging system driving method
US9214491B2 (en) Solid-state imaging apparatus for causing an FD capacitor value to be variable without increasing a number of elements
US10616522B2 (en) Solid-state imaging device and camera system
US9420208B2 (en) Driving method for image pickup apparatus and driving method for image pickup system
US10110827B2 (en) Imaging apparatus, signal processing method, and program
CN102984468B (zh) 固态成像设备和相机系统
EP1416721B1 (en) Image pickup apparatus
US9942482B2 (en) Image sensor with transfer gate control signal lines
US7804540B2 (en) Image pickup apparatus having a plurality of different readout modes
TWI425830B (zh) A solid-state imaging element and a driving method thereof, and a camera system
US7982789B2 (en) Image sensing apparatus driving method, image sensing apparatus, and image sensing system
US6914227B2 (en) Image sensing apparatus capable of outputting image by converting resolution by adding and reading out a plurality of pixels, its control method, and image sensing system
JP2016012905A (ja) 撮像素子、撮像方法、および電子機器
US20190132533A1 (en) Imaging device and imaging system
JP4307780B2 (ja) 固体撮像装置およびその信号読出し方法
US7719584B2 (en) Image sensor
TWI387334B (zh) 具有延伸動態範圍之影像感測器及影像捕捉系統
US9148590B2 (en) Imaging apparatus with reference signals having different rate of change first and second pixels having same color
US8803990B2 (en) Imaging system with multiple sensors for producing high-dynamic-range images
US7796170B2 (en) Solid-state imaging device with enhanced pixel thinning out configuration and method for driving same
CN1946136B (zh) 一种成像设备的驱动方法
US8823808B2 (en) Method for improved digital video image quality