Телевизионная камера на матрице приборов с зарядовой связью

 

Изобретение относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в телевизионных камерах, осуществляющих телевизионное наблюдение в условиях сложного освещения. Достигаемый технический результат - автоматическое расширение динамического диапазона освещенностей сцены в условиях сложного освещения, например в условиях Back light, и выражается в автоматическом увеличении абсолютного контраста передаваемых изображений, т. е. в повышении отношения видеосигналов от самой яркой и от самой темной детали наблюдаемых объектов. Телевизионная камера содержит объектив (1), матрицу приборов с зарядовой связью (2), формирователь импульсов (3), пять преобразователей уровня (4-8), два видеоусилителя (9, 10), формирователь фаз (12), блок коммутации видеосигналов (13), компаратор (11), а в матрицу ПЗС введены связанные зарядовой связью вторая секция хранения, второй выходной регистр и второй БПЗН, при этом матрица приборов с зарядовой связью состоит из секции накопления (2-1), двух секций хранения (2-2, 2-6), двух выходных регистров (2-3, 2-7), двух блоков преобразования заряда в напряжение (2-4, 2-8), разделительного электрода (2-5). 5 ил.

Предлагаемое изобретение относятся к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в телевизионных камерах, осуществляющих телевизионное наблюдение в условиях сложного освещения. Примерами этих условий могут служить:

- наблюдение старта ракеты с ярким факелом от работающих двигателей;

- наблюдение через окно или на фоне открытых дверей, когда нужно одновременно различать объекты на улице и в комнате;

- наблюдение против рассеянного солнечного света;

- наблюдение на фоне бликов, фонарей освещения и прочее.

В зарубежных публикациях эти условия наблюдения обозначаются Back light, что в перевода с английского означает “задний свет”, или “против света”.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телевизионную камеру [1, с.75-80], содержащую последовательно расположенные и оптически связанные объектив и матрицу приборов с зарядовой связью (матрицу ПЗС), состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, секции хранения, выходного регистра и блока преобразования заряда в напряжение (БПЗН), а также формирователь импульсов (ФИ), содержащий в своем составе синхрогенератор, генератор драйвера и третий формирователь фазовых напряжений, при этом первый, второй и третий выходы формирователя импульсов подключены соответственно через первый, второй и третий преобразователи уровней (ПУ) к управляющим входам секции накопления, секции хранения и выходного регистра матрицы ПЗС, выход БПЗН которой подключен к информационному входу видеоусилителя, управляющий вход которого подключен к выходу импульсов синхронизации ФИ, а выход является выходом “видео” телевизионной камеры.

Недостатком прототипа является ограниченный динамический диапазон освещенностей сцены в условиях наблюдения Back light, вследствие чего видеосигнал от светлых деталей объекта может “уйти” в белое или, наоборот, видеосигнал от темных деталей объекта - в черное.

Задача настоящего изобретения - автоматическое расширение динамического диапазона освещенностей сцены в условиях наблюдения Baсk light.

Положительный эффект предлагаемого решения выражен в автоматическом увеличении абсолютного контраста передаваемых изображений, т.е. в повышении отношения видеосигналов от самой яркой и от самой темной детали из наблюдаемых объектов.

Поставленная задача решается тем, что в телевизионную камеру, содержащую последовательно расположенные и оптически связанные объектив и матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, первой секции хранения, первого выходного регистра и первого БПЗН, а также ФИ, первый, второй, третий ПУ и первый видеоусилитель, информационный вход которого подключен к выходу первого БПЗН матрицы ПЗС, а управляющий вход - к выходу импульсов синхронизации ФИ, введены четвертый и пятый ПУ, формирователь фаз (ФФ), второй видеоусилитель, компаратор и блок коммутации видеосигналов (БКВ), а в матрицу ПЗС введены связанные зарядовой связью разделительный электрод, вторая секция хранения, второй выходной регистр и второй БПЗН, выход которого подключен к информационному входу второго видеоусилителя, при этом выход сигнала тактовой частоты ФИ подключен к первому входу ФФ, выход строчного гасящего импульса ФИ - к второму входу ФФ, выход кадрового гасящего импульса ФИ - к третьему входу ФФ, а выход сигналов управления регистрами ФИ - к четвертому входу ФФ, первый выход которого подключен к управляющему входу первого ПУ, второй выход ФФ - к управляющему входу второго ПУ, третий выход ФФ - к управляющему входу третьего ПУ, четвертый выход ФФ - к управляющему входу четвертого ПУ, а пятый выход ФФ - к управляющему входу пятого ПУ, причем управляющие входы секции накопления, первой секции хранения, второй секции хранения и объединенные управляющие входы первого и второго регистров подключены к соответствующим выходам первого, второго, четвертого и третьего ПУ, а управляющий вход разделительного электрода - к выходу пятого ПУ, при этом управляющий вход второго усилителя подключен к выходу импульсов cихронизации ФИ, а выход второго видеоусилителя - к первому информационному входу БКВ и к информационному входу компаратора, опорный вход которого подключен к пороговому напряжению, второй информационный вход БКВ подключен к выходу первого видеоусилителя, управляющий вход которого подключен к выходу импульсов синхронизации ФИ, а выход БКВ является выходом “видео” телевизионной камеры.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая телевизионная камера отличается наличием новых блоков, в т.ч. ФФ, БКВ, компаратора, четвертого и пятого ПУ, а также введением в чип ПЗС-матрицы разделительного электрода, второй секции хранения, второго выходного регистра и второго БПЗН.

Имеет место наличие и новых связей между новыми и остальными блоками. Совокупность этих признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение соответствует требованию новизны.

В предлагаемом решении в темпе телевизионного стандарта (в реальном масштабе времени) на мишени фотоприемника осуществляется зарядовое накопление наблюдаемой сцены с двумя различными временами экспозиции, с последующим формированием по этим зарядовым изображениям параллельно двух кадровых видеосигналов. Первое зарядовое изображение и первый видеосигнал соответствуют освещенности темных участков сцены, а второе зарядовое изображение и второй видеосигнал - освещенности светлых участков. Выходной видеосигнал камер является композицией двух раздельно полученных видеосигналов. В выходном изображении камеры, благодаря синтезу выходного видеосигнала, темные участки передаются с высоким отношением сигнал/шум Ψ, а светлые участки передаются без ограничения и “не страдают болезнью заплывания в белом”.

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

На фиг.1 изображена структурная схема заявляемой телевизионной камеры; на фиг.2 - функциональная схема ФФ; на фиг.3, 5 - временные диаграммы, поясняющие работу камеры; на фиг.4 - структурная схема БКВ.

Телевизионная камера (фиг.1) содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1 и матрицу 2 ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции 2-1 накопления, первой секции 2-2 хранения, первого выходного регистра 2-3, первого БПЗН 2-4, разделительного электрода 2-5, второй секции 2-6 хранения, второго выходного регистра 2-7 и второго БПЗН 2-8, в также ФИ 3, пять ПУ 4, 5, 6, 7 и 8, первый и второй видеоусилители 9 и 10, компаратор 11, ФФ 12 и БКВ 13, при этом выход сигнала тактовой частоты ФИ 3 подключен к первому входу ФФ 12, выход строчного гасящего импульса ФИ 3 - к второму входу ФФ 12, выход кадрового гасящего импульса ФИ 3 - к третьему входу ФФ 12, а выход сигналов управления регистрами ФИ 3 - к четвертому выходу ФФ 12, первый выход которого подключен через первый ПУ 4 к управляющим входам секции 2-1 накопления, второй выход ФФ 12 - через второй ПУ 5 к управляющим входам первой секции 2-2 хранения, третий выход ФФ 12 - через третий ПУ 6 к объединенным управляющим входам первого 2-3 и второго 2-7 регистров, четвертый выход ФФ 12 - через четвертый ПУ 7 к управляющим входам второй секции 2-6 хранения, а пятый выход ФФ 12 - чepeз пятьй ПУ 5 к управляющему вxoдy раздeлитeльного электрода 2-5 матрицы 2 ПЗС, выход первого БПЗН 2-4 подключен к входу первого видеоусилителя 9, а выход второго БПЗН 2-8 - к входу второго видеоусилителя 10, причем управляющие входы видеоусилителей 9, 10 объединены и подключены к выходу импульсов синхронизации ФИ 3, выход второго видеоусилители 10 подключен к первому информационному входу БКВ 13 и соответственно к информационному входу компаратора 11, опорный вход которого подключен к пороговому напряжению U_п, в выход - к управляющему входу БКВ 13, второй информационный вход которого подключен к выходу первого видеоусилителя 9, в выход БКВ 13 является выходом “видео” телевизионной камеры.

Особенностью матрицы 2 ПЗС по сравнению с фотоприемником прототипа является введение в ее однокристальную схему (в чип) разделительного электрода, второй секции хранения, второго выходного регистра и второго БПЗН. Отметим, что отечественный прибор А-1131 с каналом n-типа и трехфазным управлением секциями и регистрами, разработанный специально для телевизионных детекторов движения, с цепью выделения сигнала межкадровой разности, полностью обладает необходимой для реализации изобретения схемотехнической организацией. Информация о приборе А-1131 опубликована в [2].

ФФ 12 предназначен для формирования логических импульсных сигналов, необходимых для работы трехфазной матрицы 2 ПЗС.

Функциональная схема ФФ 12 приведена на фиг.2, которая может быть реализована в виде микросборки, выполненной на базе БМК КБ14ХМ02.

Эпюры сигналов, снимаемых с выходов ФФ 12, приведены на фиг.3, в т.ч.:

фиг.3б - Ф1Н (первый выход, первая фаза),

фиг.3в - Ф2Н (первый выход, вторая фаза),

фиг.3г - Ф3Н (первый выход, третья фаза),

фиг.3д - Ф¹1П (второй выход, первая фаза),

фиг.3е - Ф¹2П (второй выход, вторая фаза),

фиг.3ж - Ф¹3П (второй выход, третья фаза),

фиг.3з - Ф1Р (третий выход, первая фаза),

фиг.3и - Ф2Р (третий выход, вторая фаза),

фиг.3к - Ф3Р (третий выход, третья фаза),

фиг.3л - Ф²1П(чeтвертый выход, первая фаза),

фиг.3м - Ф²2П (четвертый выход, вторая фаза),

фиг.3н - Ф²3П (четвертый выход, третья фаза),

фиг.3о - Ф_RM (пятый выход).

Отметим, что интервал Тn1=2Тn2, а все эпюры сигналов показаны относительно кадрового гасящего импульса (см. фиг.3а).

БКВ 13 предназначен для получения синтезированного видеосигнала из двух входных сигналов изображения в соответствии с управляющим логическим сигналом. Структурная схема БКВ 13 приведена на фиг.4.

БКВ 13 содержит первый коммутатор 13-1, второй коммутатор 13-2 и элемент НЕ 13-3. Коммутаторы 13-1 и 13-2 могут быть выполнены на основе управляемых ключей микросхемы КР590КН2 [3, с.447], включение которых происходит при подаче на их входы управления сигналов логического “0”.

Поэтому, когда в течение кадра сигнал логического “0” подается на управляющий вход БКВ 13, на его выход транслируется видеосигнал с первого информационного входа. Бели на управляющем входе блока 13 в течение кадра присутствует логическая “1”, то в это время на выход блока поступает видеосигнал со второго информационного входа.

Телевизионная камера работает следующим образом. Воспользуемся временной диаграммой, изображенной на фиг.3, с периодом Тк (Тк означает период кадров прогрессивной развертки или период полукадров чересстрочной развертки) и рассмотрим работу камеры (см. фиг.1), начиная с окончания обратного хода кадровой развертки, обозначенного на эпюрах моментом t₀. С этого момента в течение прямого хода кадровой развертки Тn1 на фотомишени 2-1 матрицы 2 ПЗС выполняется зарядовое накопление кадра, которому условно присвоим название “long change” - “длинный заряд”. Затем в интервале кадрового переноса Tn1 зарядовая картина кадра “long charge” переписывается из секции 2-1 через секцию 2-2, регистр 2-3, разделительный электрод 2-5 в секцию 2-6. Характер импульсных смещений, подаваемых на это время на фазовые электроды секции 2-1, соответствует фиг.3 б-г), на фазовые электроды секции 2-2 - фиг.3д-ж), на фазовые шины регистра 2-3 - фиг.3з-к), на разделительный электрод 2-5 - фиг.3о) и на фазовые электроды секции 2-6 - фиг.3л-н). По окончании интервала Тn1 в секции 2-1 в течение времени Тn2 производится накопление зарядов нового кадра, которому присвоим условное название “short charge” - ”короткий заряд”. Одновременно 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_в=1/Тв (см. фиг.3д-ж).

Импульсные сигналы управления регистром 2-3 (см. фиг.3з-к) обеспечивают в это время такое движение носителей, что вовремя обратного хода строчной развертки в интервале Тпр зарядовые строки паразитного сигнала складываются (укрупняются) в нем, а затем во время прямого хода строки эти паразитные заряды поэлементно переносятся из него в БПЗН 2-4.

Пусть Тпр - интервал приема зарядовых строк в регистрах 2-3 и 2-7. Тогда Тпр/Тв - коэффициент укрупнения зарядовых строк, а величина То, равная Nс×Тс×Св/Тпр, определяет время выноса паразитных зарядов из секции 2-2 в регистр2-3 или интервал очистки, где Nc - количество строк в секции 2-1; Тс - период строк. Возьмем типовые значения: Nc=290; Тс=64 мкс; Тв=0,6 мкс; Тпp=10 мкс. В результате требуемая величина То составит 1113,6 мкс. 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.3б-г и фиг.3д-ж).

Учитывая, что интервал кадрового переноса Тп1 составляет 2Nc×Тв=248 мкс, а интервал Тп2 равен Nс×Тв=174 мкс, требуемая величина интервала очистки То “укладывается” вместе с ними в промежуток времени обратного хода кадровой развертки t o.х.к. по стандарту, т.к. длительность последнего составляет 1600 мкс. Отметим, что во время накопления Тn2 “short charge” кадра и его переноса в интервале Тп2 в секции 2-6 осуществляется хранение “long charge” кадра (см. эпюры 3л-н).

Затем в интервале прямого хода текущего кадра выполняется параллельное считывание “short charge” кадра в регистре 2-3 и в БПЗН 2-4 и кадра “long charge” соответственно в регистре 2-7 и в БПЗН 2-8. Отметим, что для регистра 2-3 это становится возможным благодаря тому, что разделительный электрод 2-5 “изолирует” его от секции 2-6. Одновременно соответствующие зарядовым изображениям видеосигналы кадров, по аналогии обозначенные далее как “long signal” и “short signal”, формируются в виде полных телевизионных сигналов на выходах видеоусилителей 9 и 10. Очевидно, что в “long signal”, благодаря длительному зарядовому накоплению на мишени фотоприемника, темные участки сцены будут передаваться с высоким отношением сигнал/шум Ψ, в светлые участки - одинаково уровнем “белого” (см. фиг.5а). Поэтому временное положение светлых участков в кадре будет зарегистрировано компаратором 11 в виде уровня логической “1” в выходном сигнале (см. фиг.5б), подаваемом на управляющий вход БКВ 13.

С другой стороны, в “short signal” из-за короткого зарядового накопления на фотомишени темные участки сцены (по сравнению c ”long signal”) передадутся с меньшим Ψ, но зато светлые участки - с высоким Ψ и без ограничения (см. фиг.5в).

В блоке 13 осуществляется синтез выходного видеосигнала (см. фиг.5г) из двух входных (см. фиг.5а и фиг.5в) путем их коммутации по импульсу на управляющем входе (см. фиг.5б). В результате в заявляемой камере в условиях наблюдения Bасk light по сравнению с прототипом выполняется расширение динамического диапазона освещенностей сцены, а технический результат выражается в повышении отношения видеосигналов от самой яркой и от самой темной детали из наблюдаемых объектов.

В настоящее время все блоки заявляемой камеры освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

Источники информации

1. Никифоров Д.Д. Лившиц М.Л. Телевизионные автоматы в сварке элементов атомной техники. - М.: Энергоатомиздат, 1985. – 128 с .

2. Скрылев А.С., Старовойтов В.И., Фрост Н.И. Фоточувствительный прибор с зарядовой связью А-11311. Электронная промышленность, №7, 1991, с.83.

3. Цифровые и аналоговые интегарльные микросхемы: Справочник./ С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др. Под редакцией С.В. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1990 г.

Формула изобретения

Телевизионная камера на матрице приборов с зарядовой связью, содержащая 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 и первого блока преобразования заряда в напряжения (БПЗН), а также формирователь импульсов (ФИ), первый, второй, третий преобразователи уровней (ПУ) и первый видеоусилитель, информационный вход которого подключен к выходу первого БПЗН матрицы ПЗС, а управляющий вход - к выходу импульсов синхронизации ФИ, отличающаяся тем, что введены четвертый и пятый ПУ, формирователь фаз (ФФ), второй видеоусилитель, компаратор и блок коммутации видеосигналов (БКВ), а в матрицу ПЗС введены связанные зарядовой связью разделительный электрод, вторая секция хранения, второй выходной регистр и второй БПЗН, выход которого подключен к информационному входу второго видеоусилителя, при этом 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, причем управляющие входы секции накопления, первой секции хранения, второй секции хранения и объединенные управляющие входы первого и второго регистров подключены к соответствующим выходам первого, второго, четвертого и третьего ПУ соответственно, а управляющий вход разделительного электрода - к выходу пятого ПУ, при этом управляющий вход второго видеоусилителя подключен к выходу импульсов синхронизации ФИ, а выход второго видеоусилителя - к первому информационному входу БКВ и к информационному входу компаратора, опорный вход которого подключен к пороговому напряжению, второй информационный вход БКВ подключен к выходу первого видеоусилителя, а выход БКВ является выходом “Видео” телевизионной камеры.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5