Датчик видеосигнала на приборе с зарядовой связью

 

Изобретение относится к телевизионной технике и предназнач ено для астрономических оптико-электронных систем. Датчик видеосигнала на приборе с зарядовой связью включает N идентичных ПЗС-матриц с переносом кадра, каждая из которых содержит односторонние секции накопления, секции хранения и M-разрядный регистр, блок коммутации, управляемый ключ и блок умножения, компаратор, усилители, причем все матрицы объединены в многослойный модуль так, что их вплотную пристыкованные секции образуют ступенчатую светочувствительную поверхность, перед которой расположен имеющий идентичную конфигурацию торец волоконно-оптического жгута. 4 ил.

Изобретение относится к телевизионной технике, преимущественная область его использования - разработка электронных фотоприемных устройств, предназначенных для астрономических оптико-электронных систем.

Известен датчик в виде ПЗС-матрицы с переносом кадра, состоящий из идентичных по числу элементов в направлении переноса зарядов областей: светочувствительной секции накопления и светозащищенной секции хранения информации. Последняя соединена с регистром считывания, подсоединенным к выходному устройству, например, с плавающей диффузионной областью, выход которого является информационным выходом ПЗС-матрицы (Ф. П. Пресс. Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью. М. : Радио и связь, 1981, с. 20-21, 39-40).

Недостатками этого датчика являются расплывание заряда от ярких источников света (при превышении им глубины потенциальной ямы ПЗС-элемента) в смежные элементы секции накопления, что уменьшает помехозащищенность ТВ-системы, использующей этот датчик.

Для устранения указанных недостатков применяются антиблуминговые стоковые каналы, разделяющие регистры переноса зарядовых пакетов (К. Секен, М. Томпсет. Приборы с переносом заряда, М. : Мир, 1978, с. 194-199), а также увеличивают частоту переноса заряда.

Однако при этом теряется информация о сигналах ярких световых источников, что исключает возможность их измерения, и увеличиваются шумы переноса, которые вместе с остаточным паразитным сигналом образуют протяженные следы переноса заряда от ярких источников на потенциальном рельефе секции хранения ПЗС-матрицы, снижающие помехозащищенность ТВ-системы.

Во многих технических устройствах применяются ПЗС-датчики, использующие указанную ПЗС-матрицу с разнообразными устройствами обработки ее видеосигнала.

При построении оптимальных обнаружителей сигнала объекта применение на выходе регистра считывания ПЗС-матрицы известного ПЗС-канала переноса заряда, разделенного на составляющие (в общем случае неравновесные) каналы, позволяет получить несколько автономных трактов первичной обработки видеосигнала, каждый из которых включает в себя по выходному устройству (К. Секен, М. Томпсет, Приборы с переносом заряда М. : Мир, 1978, с. 72-74).

Является достаточно простым и устройство дальнейшей обработки видеосигнала этих автономных трактов, осуществляющее их коммутацию и АЦ-преобразование соответствующего сигнала с учетом неравновесности составляющих ПЗС-каналов. Такая обработка обеспечивает разбиение динамического диапазона видеосигнала на составляющие поддиапазоны с требуемой точностью АЦ-преобразования в каждом из них.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является ПЗС-датчик, использующий указанную ПЗС-матрицу, выход регистра считывания которой подключен к ПЗС-каналу, разделенному на два канала, подключенных к идентичным выходным устройствам. Двухканальное устройство обработки сигнала ПЗС-матрицы содержит в каждом из двух трактов по идентичному усилителю, например, с двойной коррелированной выборкой (под ред. П. Йесперса, Ф. Ван де Виле и М. Уайта. Полупроводниковые формирователи сигналов изображения, М. : Мир, 1979, с. 406-408), подключенному своим входом к выходу соответствующего выходного устройства. Выходы усилителей подключены соответственно к двум коммутируемым входам двухпозиционного управляемого ключа, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с одним коммутируемым входом второго двухпозиционного управляемого ключа и с входом блока умножения, выход которого соединен с вторым коммутируемым входом второго двухпозиционного управляемого ключа, выход которого является информационным выходом датчика, а управляющие входы обоих ключей соединены с выходом компаратора, один вход которого соединен с выходом одного усилителя, а на другой вход подано постоянное пороговое напряжение.

Для улучшения помехозащищенности этого датчика, в нем применены антиблуминговые стоковые каналы, предотвращающие растекание зарядов от ярких световых источников по соседним элементам секции накопления ПЗС-матрицы, но при этом уменьшается динамический диапазон сигнала датчика за счет ограничения максимального накопленного заряда глубиной потенциальной ямы элемента секции накопления (при заданном его линейном размере, обусловленном требованиями по разрешающей способности и точности ТВ-системы). Кроме того, этому датчику присущ и другой недостаток, связанный с накоплением паразитных зарядов во время переноса информации из секции накопления в секцию хранения ПЗС-матрицы.

Цель изобретения - повышение динамического диапазона сигнала датчика видеосигнала на приборе с зарядовой связью.

Это достигается тем, что в датчик видеосигнала на приборе с зарядовой связью, содержащий ПЗС-матрицу с переносом кадра, состоящую из однострочных секций накопления и хранения информации и М-разрядного регистра считывания, выход которого подключен к ПЗС-каналу переноса зарядов, разделенному на два неравновесных канала, подключенных соответственно к входам двух выходных устройств, и два усилителя, выходы которых подключены соответственно к двум коммутируемым входам первого двухпозиционного управляемого ключа, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с одним коммутируемым входом второго двухпозиционного управляемого ключа и с входом блока умножения, выход которого соединен с вторым коммутируемым входом второго двухпозиционного управляемого ключа, выход которого является информационным выходом датчика, а управляющие входы обоих ключей соединены с выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого усилителя, а на другой вход подано постоянное пороговое напряжение, введены дополнительно (N-1) идентичных ПЗС-матриц, выходы выходных устройств всех составляющих матриц подключены к соответствующим входам блока коммутации, два выхода которого подключены к входам усилителей. Все матрицы объединены конструктивно в многослойный модуль так, что их вплотную пристыкованные секции накопления образуют ступенчатую светочувствительную поверхность форматом NхМ элементов, к которой пристыкован имеющий идентичную конфигурацию торец волоконно-оптического жгута, другой торец которого является фокальной плоскостью датчика.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве, заряды, генерируемые в светочувствительной поверхности за время накопления, многократно (а не за один прием) переносятся в светозащищенные секции хранения информации, где суммируются, а затем уже поступают в соответствующие регистры считывания. При превышении площади элемента секций хранения информации и регистра считывания над площадью элемента секций накопления за счет соответствующего возрастания глубины потенциальной ямы получается выигрыш в динамическом диапазоне сигнала, а построчный сброс информации из каждой секции накопления в соответствующую секцию хранения (без переноса зарядов по светочувствительной поверхности, как это реализовано в прототипе) позволяет избежать паразитного сигнала переноса заряда, что приводит к возрастанию помехозащищенности предлагаемого датчика. Причем, обладая указанными преимуществами, он будет (при одинаковой разрешающей способности) иметь чувствительность практически такую же, как у прототипа.

Предложенное устройство отличается от прототипа отсутствием электрической связи между выходными устройствами и усилителями, наличием (N-1) дополнительных матриц, объединением всех ПЗС-матриц в оригинальную модульную конструкцию, наличием новых блоков (волоконно-оптического жгута и блока коммутации) и их конструктивными и электрическими связями с остальными элементами схемы.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого датчика видеосигнала на приборе с зарядовой связью; на фиг. 2 - структурная схема блока коммутации; на фиг. 3 - конструкция датчика видеосигнала на приборе с зарядовой связью; на фиг. 4 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу составляющих блоков предлагаемого датчика.

Датчик видеосигнала на приборе с зарядовой связью состоит из N идентичных ПЗС-матриц 1 с переносом кадра, состоящих из однострочных секций накопления 2 и хранения 3 информации и М-разрядного регистра 4 считывания, выход которого подключен к ПЗС-каналу 5 переноса зарядов, разделенному на два неравновесных канала, подключенных к идентичным выходным устройствам 6, 7, например, с плавающей диффузионной областью. Все выходные устройства подсоединены к соответствующим входам блока коммутации 8, состоящего, например, из тактового генератора 16, выход которого подключен к входу счетчика 17, соответствующие выходы триггеров которого подключены к входам комбинационной схемы 18, N выходов которой подсоединены соответственно к управляющим входам сдвоенных двухпозиционных управляемых ключей 19. Два выхода блока коммутации 8 подсоединены к входам идентичных усилителей 9, 10, например, с двойной коррелированной выборкой, выходы которых подключены соответственно к двум коммутируемым входам двухпозиционного управляемого ключа 11, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 12, выход которого соединен с одним коммутируемым входом второго двухпозиционного управляемого ключа 14 и с входом цифрового блока умножения 13, подключенного своим выходом к другому коммутируемому входу второго управляемого ключа 14, выход которого является информационным выходом датчика. Управляющие входы ключей 11, 14 подключены к выходу компаратора 15, один вход которого соединен с выходом усилителя 9, а на другой подано постоянное пороговое напряжение U_n.

Конструктивно матрицы 1 собраны в многослойный модуль 20 так, что их вплотную пристыкованные секции накопления образуют ступенчатую светочувствительную поверхность форматом N х М элементов, к которой пристыкован имеющий идентичную конфигурацию торец волоконно-оптического жгута 21, другой торец которого является фокальной плоскостью датчика. В каждом слое модуля 20 расположены элементы 1-7; плата 22 обработки видеосигнала датчика содержит элементы 9-19. Электрическое соединение модуля 20 и платы 22, а также подача на них необходимых управляющих импульсов обеспечивается с помощью многожильного кабеля 23.

В качестве компаратора 15 может быть использована ИМС 521 СА5, в качестве управляемых ключей 11, 14 - ИМС 590 КН4, АЦП 12 может быть реализован на ИМС К572 ПВ1А-В, цифровой блок умножения 13 - на ИМС КР 1802 ВР2, а усилители 9, 10 выполняются на ИМС 544 УД2. Коммутационное устройство 8 может быть выполнено на следующих ИМС: 531 ЛАЗ - тактовый генератор 16; 531 ИЕ17П - счетчик 17, 555 ИД8, 531ТМ2П - комбинационная схема 18; 590КН4 - управляемые ключи 19.

К конструктивным особенностям предлагаемого датчика следует отнести наличие стоковых каналов, разделяющих регистры переноса зарядовых пакетов в секциях накопления и хранения информации составляющих матриц, а также следующие зависимости некоторых параметров, характеризующих его работу.

S_эсх = S_эрс = S_э1к + S_э2к, Q_сх = Q_рс = Q_1К+Q_2К, K= = = = = K_БУ, U_п= U_1Кмах, d_B<< l_эсн, где S_эсн, S_эсх, S_эрс, S_э1К, S_э2К - соответственно площади элементов секций накопления 2 и хранения 3 информации, регистра 4 считывания, первого и второго составляющих каналов ПЗС-канала 5; Q_cн, Q_cх, Q_pc, Q_1K, Q_2K - соответственно глубина потенциальной ямы ПЗС-элемента секций 2 и 3, регистра 4, первого и второго каналов ПЗС-канала 5; К - коэффициент пропорциональности (К > 1); К_БУ - множитель в цифровом блоке 13 умножения; U_1Кмах - максимальный сигнал на выходе усилителя 9; Т_накΣ - суммарное время накопления заряда в секциях хранения информации 3;
Т_нак - время накопления заряда в секциях накопления информации 2;
d_В - диаметр волокна волоконно-оптического жгута 22;
l_эсн - линейный размер элемента секций накопления 2
Датчик видеосигнала на приборе с зарядовой связью работает следующим образом.

Оптическое изображение, фокусируемое оптической системой в фокальной плоскости, совпадающей с плоским торцом волоконно-оптического жгута 22, переносится им на светочувствительную поверхность. Под действием света в М элементах каждой секции 2 накопления за время Т_накнакапливаются заряды, пропорциональные распределению освещенности. При превышении зарядом, накопленным в секции 2, глубины потенциальной ямы элемента избыточные носители отводятся в стоковые области, предотвращая расплывание изображения. Накопленный зарядовый рельеф за время переноса Т_пер1 одновременно для всех матриц переносится в элементы секций 3 хранения, которые, имея в К раз большую, чем у элементов секций накопления, площадь, обладают соответственно в К раз большей глубиной потенциальной ямы. Стоковые области в секциях 3 хранения информации предотвращают растекание заряда, накопленного в них за время Т_накΣ= КТ_нак. После К циклов переноса заряда в секции 3 зарядовый рельеф переносится из них синхронно для всех матриц 1 за время Т_пер2 в регистры 4, из которых далее поочередно считывается. При этом зарядовые пакеты разделяются в ПЗС-каналах 5 на пары неравновесных зарядов в соотношении 1: К и преобразуются в соответствующие видеоимпульсы идентичными выходными устройствами 6, 7.

Необходимость разделения видеотракта на два неравновесных канала обусловлена тем, что максимальный считываемый с регистра 4 заряд превышает допустимый заряд на входе выходных устройств 6, 7, при котором обеспечивается линейность и требуемая высокая точность АЦ-преобразования видеосигнала. Поэтому заряды регистра 4, соответствующие большим сигналам, снимаются с второго канала переноса с К раз меньшей площадью элемента, т. е. с уменьшением в К раз, а малые сигналы, диапазон которых составляет 1/К общего диапазона, снимаются с первого канала 1 К.

При считывании зарядов из регистров 4 блок коммутации 8 осуществляет поочередное подключение выходных устройств 6,7 составляющих матриц 1 (последовательно от первой до N-й). Такое подключение выходных устройств каждой матрицы производится на время считывания зарядового рельефа с М элементов соответствующего регистра считывания (Т_счi). При каждом переключении устройств 6, 7 производятся следующие операции в коммутационном устройстве 8: под действием тактового импульса с тактового генератора 16 срабатывает счетчик 17. При этом на соответствующих выходах комбинационной схемы 18 происходит изменение потенциала, которые, воздействуя на управляющие входы соответствующих ключей 19, вызывают их срабатывание, в результате чего выходные устройства 6, 7 i-й матрицы 1 отключаются от входов усилителей 9, 10, к которым подключаются выходные устройства 6, 7 (i+1)-й матрицы.

Компаратор 15 фиксирует превышение сигнала U_1K над порогом U_п, соответствующим уровню максимального сигнала в тракте 6-8-9. Управляемый ключ 11 в соответствии с выходным сигналом компаратора U_K подключает к АЦП 12 либо 9, если U_1K<U, либо 10, если U_1K ≥U_п. АЦП производит преобразование видеосигнала в цифровой код. Соответственно по сигналу U_Kдля слабых сигналов выходным сигналом датчика является непосредственно цифровой видеосигнал с выхода АЦП 12, а для больших сигналов - после умножения на К_БУ с выхода блока 13. Коммутационное подключение выходов 12 и 13 к информационному выходу датчика осуществляет ключ 14 под действием управляющего сигнала U_K.

Дополнительными условиями реализации предлагаемого датчика являются K(Т_нак+Т_пер1)>NMT_сч.э,
K(T_нак+T_пер1) > NMT_сч.э,
T_сч.э>+++++, где Т_сч.э - длительность считывания одного заряда с регистра 4;
τ_срi- время срабатывания соответствующего блока (см. фиг. 1).

При соблюдении последнего условия предлагаемый датчик производит автоматическую коммутацию обоих трактов обработки и преобразования информации в реальном масштабе времени.

Техническая эффективность предлагаемого ПЗС-датчика относительно прототипа может быть оценена путем сравнения их основных параметров.

Чувствительность ПЗС-приемника характеризуется отношением сигнал/шум на выходе усилителя
Ψ = , где N_min - минимальный сигнал элемента матрицы;
σ_Σ- среднеквадратическое значение суммарного шума элемента матрицы.

Из фиг. 4 видно, что длительность накопления и переноса предлагаемого датчика и прототипа (П) связаны следующим соотношением:
+T+K(T_нак+T)= T+KT
Откуда при Т_перП= КТ_пер1 следует Т_накΣ= Т_накП.

Тогда при одинаковых размерах элемента светочувствительной поверхности, а следовательно одинаковой разрешающей способности предлагаемого датчика (Д) и прототипа зависимость их минимальных сигналов составляет
N= τN, где τ - коэффициент пропускания волоконно-оптического жгута.

При идентичности элементов структуры видеотракта датчика и прототипа
= .

Тогда ϑ_Д+τϑ_П, т. е. при малых потерях энергии в световоде можно считать сравниваемые приемники близкими по чувствительности.

Исходя из принципа работы предлагаемого датчика максимальный накопленный сигнал элемента его секции хранения информации связан с максимальным сигналом элемента матрицы прототипа соотношением
N= τKN
Тогда выигрыш в динамическом диапазоне сигнала, обеспечиваемый ПЗС-датчиком, по сравнению с прототипом составляет
η = = K Кроме того, в предлагаемом датчике накопленные на светочувствительной поверхности зарядовые пакеты за один такт построчно выносятся в светозащищенные секции хранения, а не переносятся по всей секции накопления, как в прототипе. Это принципиально исключает паразитные заряды, накапливаемые во время переноса в матрице прототипа, а следовательно повышает по сравнению с ним помехозащищенность предлагаемого датчика.

Указанные преимущества особенно эффективны при использовании датчика видеосигнала на приборе с зарядовой связью в ТВ-системах астрономических комплексов.

Например, расширение динамического диапазона сигнала в 10 крат позволит увеличить яркость анализируемых объектов, излучение которых преобразуется в цифровой сигнал, на звездную величину Δm_v= 2,5 lg 10 = - 2,5 при одновременном повышении вероятности обнаружения слабых объектов (КО и звезд) на сложном фоне.

Формула изобретения

ДАТЧИК ВИДЕОСИГНАЛА НА ПРИБОРЕ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ, содержащий ПЗС-матрицу с переносом кадра, состоящую из однострочных секций накопления и хранения информации и M-разрядного регистра считывания, выход которого подключен к ПЗС-каналу переноса зарядов, разделенному на два канала, подключенных соответственно к входам двух коммутируемых входов первого двухпозиционного управляемого ключа, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с одним коммутируемым входом второго двухпозиционного управляемого ключа и с входом блока умножения, выход которого соединен с вторым коммутируемым входом второго двухпозиционного управляемого ключа, выход которого является информационным выходом датчика, а управляющие входы обоих ключей соединены с выходом компаратора, первый вход которого соединен с выходом первого усилителя, а другой вход является входом постоянного порогового напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения динамического диапазона сигнала, в него введены дополнительно (N - 1) идентичные ПЗС-матрицы, выходы выходных устройств всех ПЗС-матриц подключены к соответствующим входам блока коммутации, два выхода которого подключены к входам усилителей, причем все матрицы объединены конструктивно в многослойный модуль так, что их вплотную пристыкованные секции накопления образуют ступенчатую светочувствительную поверхность форматом N x M элементов, перед которой расположен имеющий идентичную конфигурацию торец волоконно-оптического жгута, другой торец которого является фокальной плоскостью датчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4