Телевизионная камера на приборах с зарядовой связью

 

Использование: телевизионная техника, твердотельные телевизионные камеры. Сущность изобретения: телевизионная камера содержит матрицу 1 приборов с зарядовой связью (ПЗС), синхрогенератор 2, видеоусилитель 3, блок 4 отсчета длительности импульсов, первый и второй формирователи 5 и 6 сигнала, блок 7 стробирования, вычитатель 8, первый 9, второй 10, третий 11 преобразователи сигналов уровней, третий формирователь 12 сигнала, инвертор 13. Изобретение позволяет упростить телевизионную камеру за счет исключения режима импульсного экспонирования матрицы ПЭС. 1 ил.

Изобретение относится к телевизионной технике преимущественно может быть использовано в телекамерах, в которых в качестве датчиков видеосигнала применены матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС).

Известна телевизионная камера, содержащая матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления (первой секции), секции памяти (второй секции) и выходного регистра, причем управляющие входы секции накопления и секции памяти соединены через соответствующие преобразователи уровней с выходами первой, второй и третьей фаз соответствующих формирователей фаз, а управляющий вход выходного регистра подключен к выходу преобразователя уровней выходного регистра, а выход выходного регистра, являющийся выходом матрицы ПЗС, соединен с сигнальным входом усилителя-формирователя.

Недостатком телекамеры является ограниченная контрастная чувствительность, оцениваемая величиной отношения сигнал/шум, которое генерирует матрица ПЗС при передаче изображения с малым наперед заданным контрастом. Вследствие этого в телекамере низка надежность выделения малоконтрастных объектов, включая их границы, которые несут наиболее ценную информацию, например о дефектах изделий в промышленной интроскопии.

Известна другая телевизионная камера, в которой обеспечивается выделение информативных фрагментов изображений - видеосигналов контуров. В этой телекамере передаваемое изображение поступает одновременно на две передающие телевизионные трубки: через делитель на вход первой трубки и после отражения от зеркала через расфокусирующий элемент на вход второй трубки. С помощью амплитудного дискриминатора выделяются промежутки времени, когда считывающий луч второй трубки проходит через информативные фрагменты на мишени трубки. Сигнал с амплитудного дискриминатора замешивается в видеоусилителе в видеосигнал, формируемый первой трубкой, и через модулятор поступает на выходе телекамеры.

Недостатками телекамеры являются существенная сложность аппаратуры вследствие наличия в ее составе двух передающих трубок, а также принципиально неустранимая погрешность в определении координаты информативных фрагментов изображения, вызываемая "плавающим" характером растра трубки.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению следует считать телевизионную камеру, содержащую матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления (первой секции), среднего регистра (второго регистра), секции памяти (второй секции) и выходного регистра (первого регистра), причем первый и второй управляющие входы второй секции и первого регистра соединены с соответствующими выходами первого и второго преобразователей сигнала уровней (ПУ), синхрогенератор, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему входам второго ПУ, видеоусилитель, выход которого является выходом камеры, блок отсчета длительности импульсов, выход кадровой частоты которого соединен с третьим управляющим входом второй секции, выход строчной частоты - с третьим управляющим входом первого регистра, а первый и второй управляющие входы - соответственно с третьими выходами первого и второго ПУ, первый формирователь сигнала, блок стробирования, второй формирователь сигнала, вычитатель, третий ПУ, причем управляющий вход первого ПУ подключен к четвертому выходу синхрогенератора, а входы кадровой и строчной синхронизации блока отсчета длительности импульсов соединены соответственно с пятым и шестым выходами синхрогенератора, седьмой, восьмой и девятый выходы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему входам первого формирователя сигнала, стробирующий вход которого соединен с пятым выходом синхрогенератора, а выходы - с первым, вторым и третьим входами первого ПУ и соответственно с первым, вторым и третьим входами строки второго формирователя сигнала, первый, второй и третий входы столбца которого подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам синхрогенератора, пятый выход которого подключен к входу кадровой синхронизации блока стробирования, вход строчной синхронизации которого соединен с шестым выходом синхрогенератора, а первый выход блока стробирования - со стробирующим входом второго формирователя сигнала, второй выход - со стробирующим входом вычитателя, третий выход - с управляющим входом третьего ПУ, первый, второй и третий входы которого подключены к соответствующим выходам второго формирователя сигнала, а первый, второй и третий выходы - к соответствующим управляющим входам второго регистра матрицы ПЗС, выход которого соединен с первым информационным входом вычитателя, второй информационный вход которого подключен к выходу первого регистра матрицы ПЗС, а выход - к информационному входу видеоусилителя. В прототипе обеспечивается повышение отношения сигнал/помеха при формировании сигнала изображения локальных контрастов, но его недостатком является схемная и конструктивная сложность камеры, вызываемая необходимостью организации режима импульсного экспонирования фотоприемника в реальном времени (в темпе телевизионного стандарта) при помощи оптически связанного с матрицей ПЗС блока экспонирования.

Целью изобретения является упрощение камеры за счет исключения режима импульсного экспонирования матрицы ПЗС.

Поставленная цель достигается тем, что в телевизионную камеру, содержащую матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью первой секции, второго регистра, второй секции и первого регистра, причем первый и второй управляющие входы второй секции и первого регистра соединены с соответствующими выходами первого и второго ПУ, синхрогенератор, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему входам второго ПУ, видеоусилитель, выход которого является выходом камеры, блок отсчета длительности импульсов, выход кадровой частоты которого соединен с третьим управляющим входом второй секции, выход строчной частоты - с третьим управляющим входом первого регистра, а первый и второй управляющие входы - соответственно с третьими выходами первого и второго ПУ, первый формирователь сигнала, блок стробирования, второй формирователь сигнала, вычитатель, третий ПУ, причем управляющий вход первого ПУ подключен к четвертому выходу синхрогенератора, а входы кадровой и строчной синхронизации блока отсчета длительности импульсов соединены соответственно с пятым и шестым выходами синхрогенератора, седьмой, восьмой и девятый выходы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему входам первого формирователя сигнала, стробирующий вход которого соединен с пятым выходом синхрогенератора, а выходы - с первым, вторым и третьим входами первого ПУ и соответственно с первым, вторым и третьим входами строки второго формирователя сигнала, первый, второй и третий входы столбца которого подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам синхрогенератора, пятый выход которого подключен к входу кадровой синхронизации блока стробирования, вход строчной синхронизации которого соединен с шестым выходом синхрогенератора, а первый выход блока стробирования - со стробирующим входом второго формирователя сигнала, второй выход - со стробирующим входом вычитателя, третий выход - с управляющим входом третьего ПУ, первый, второй и третий входы которого подключены к соответствующим выходам второго формирователя сигнала, а первый, второй и третий выходы - к соответствующим управляющим входам второго регистра матрицы ПЗС, выход которого соединен с первым информационным входом вычитателя, второй информационный вход которого подключен к выходу первого регистра матрицы ПЗС, а выход - к информационному входу видеоусилителя, введены четвертый и пятый ПУ, третий формирователь сигнала, инвертор, а в матрицу ПЗС введена третья секция, находящаяся в зарядовой связи с первой секцией и являющаяся фотомишенью камеры, причем первый, второй и третий управляющие входы третьей секции соединены с соответствующими выходами четвертого ПУ, управляющий вход которого подключен к пятому выходу синхрогенератора, на первый, второй и третий входы - к соответствующим выходам третьего формирователя сигнала, стробирующий вход которого соединен через инвертор с пятым выходом синхрогенератора, седьмой, восьмой и девятый выходы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему входам третьего формирователя сигнала и соответственно к первому, второму и третьему входам пятого ПУ, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом синхрогенератора, а выходы пятого ПУ - с первым, вторым и третьим управляющими входами первой секции.

На чертеже изображена структурная схема предлагаемой телекамеры.

Телевизионная камера содержит матрицу 1 ПЗС, состоящую из третьей секции 1-5, первой секции 1-1, второго регистра 1-4, второй секции 1-2 и первого регистра 1-3; первый ПУ 2, второй ПУ 3, синхрогенератор 4, видеоусилитель 5, блок 6 отсчета длительности импульсов, первый формирователь 7 сигнала, блок 8 стробирования, второй формирователь 9 сигнала, вычитатель 10, третий ПУ 11, четвертый ПУ 12, пятый ПУ 13, третий формирователь 14 сигнала и инвертор 15.

Телевизионная камера работает следующим образом.

На третью секцию 1-5 матрицы 1 ПЗС, являющейся фотомишенью камеры, в режиме непрерывного экспонирования проецируется оптическое изображение объекта контроля. Синхрогенератор 14 в совокупности с первым 7, вторым 9 и третьим 14 формирователями сигнала, первым ПУ 2, вторым ПУ 3, третьим ПУ 11, четвертым ПУ 12, пятым ПУ 13, инвертором 15, блоком 6 отсчета длительности импульсов и блоком 8 стробирования обеспечивает в матрице 1 ПЗС формирование видеоинформации и ее развертку в приводимой ниже последовательности.

В течение прямого хода по кадру в потенциальных ямах, сформированных под вторыми фазными электродами секции 1-5, производится накопление фотозарядов. После завершения процесса накопления фотозарядов начинается процесс переноса зарядового изображения кадра из секции 1-5 в секцию 1-1, который занимает по времени интервал обратного хода по кадру.

По окончании переноса зарядового изображения в секцию 1-1 в течение последующего цикла прямого хода кадровой развертки в секции 1-5 производится накопление "нового" кадра, а зарядовые пакеты "старого" кадра из секции 1-1 через второй регистр 1-4 переносятся в секцию 1-2. Для этого на первые, вторые и третьи фазные электроды первой секции 1-1, второго регистра 1-4 и второй секции 1-2 подаются одинаковые трехфазные импульсные сигналы, осуществляющие перенос зарядов кадра построчно в течение обратного хода строчной развертки для каждой строки.

Затем в интервале обратного хода по кадру в секции 1-2 производится расфокусировка по вертикали хранящихся там зарядовых пакетов.

Расфокусированное по вертикали зарядовое изображение кадра построчно и поэлементно считывается через первый регистр 1-3 с одновременной расфокусировкой зарядовых пакетов по горизонтали. При этом в видеосигнале расфокусированного изображения имеет место двумерное сужение пространственных частот по отношению к видеосигналу четкого изображения.

Одновременно со считыванием расфокусированного изображения через первый регистр 1-3 производится считывание зарядовых пакетов четкого изображения, накопленных в предыдущем цикле, через второй регистр 1-4. Видеосигнал четкого изображения и видеосигнал расфокусированного изображения поступают на информационные входы вычитателя 10, на выходе которого образуются составляющие разностного сигнала изображения, содержащие повышенную информацию о локальных контрастах объекта контроля.

Разностный видеосигнал в видеоусилителе 5 преобразуется в полный телевизионный сигнал размером 1 В на нагрузке 75 Ом. В зависимости от выбора оператором степени зарядовой расфокусировки по двум координатам локальное контрастирование изображений может осуществляться либо путем подчеркивания границ объектов либо их оконтуриванием.

Согласно изобретению отпадает необходимость в блоке экспонирования, который для работы камеры в телевизионном стандарте представляет собой сложное и дорогостоящее устройство, например электронно-оптический преобразователь с сеточным управлением. В то же время затраты на вводимые блоки незначительны, так как они реализуются простыми средствами цифровой электроники. Кроме того, в изобретении по сравнению с прототипом обеспечивается пропорциональное повышение пороговой чувствительности за счет увеличения времени накопления фотозарядов примерно порядок. Этот выигрыш в чувствительности позволяет снизить рабочую освещенность матрицы ПЗС при сохранении величины отношения сигнал/шум.

Формула изобретения

ТЕЛЕВИЗИОННАЯ КАМЕРА НА ПРИБОРАХ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ, содержащая матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью первой секции, второго регистра, второй секции и первого регистра, причем первый и второй управляющие входы второй секции и первого регистра соединены с соответствующими выходами первого и второго преобразователей сигнала уровней (ПУ), синхрогенератор, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему входам второго ПУ, видеоусилитель, выход которого является выходом камеры, блок отсчета длительности импульсов, выход кадровой частоты которого соединен с третьим управляющим входом второй секции, выход строчной частоты - с третьим управляющим входом первого регистра, а первый и второй управляющие входы - соответственно с третьими входами первого и второго ПУ, первый формирователь сигнала, блок стробирования, второй формирователь сигнала, вычитатель, третий преобразователь сигнала уровней, причем управляющий вход первого ПУ подключен к четвертому выходу синхрогенератора, а входы кадровой и строчной синхронизации блока отсчета длительности импульсов соединены соответственно с пятым и шестым выходами синхрогенератора, седьмой, восьмой и девятый выходы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему входам первого формирователя сигнала, стробирующий вход которого соединен с пятым выходом синхрогенератора, а выходы - с первым, вторым и третьим входами первого ПУ и соответственно с первым, вторым и третьим входами строки второго формирователя сигнала, первый, второй и третий входы столбца которого подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам синхрогенератора, пятый выход которого подключен к входу кадровой синхронизации блока стробирования, вход строчной синхронизации которого соединен с шестым выходом синхрогенератора, а первый выход блока стробирования - со стробирующим входом второго формирователя сигнала, второй выход - со стробирующим входом вычитателя, третий выход - с управляющим входом третьего ПУ, первый, второй и третий входы которого подключены к соответствующим выходам второго формирователя сигнала, а первый, второй и третий выходы - к соответствующим управляющим входам второго регистра матрицы ПЗС, выход которого соединен с первым информационным входом вычитателя, второй информационный вход которого подключен к выходу первого регистра матрицы ПЗС, а выход - к информационному входу видеоусилителя, отличающаяся тем, что, с целью упрощения телевизионной камеры за счет исключения режима импульсного экспонирования матрицы ПЗС, введены четвертый и пятый преобразователи сигнала уровней (ПУ), третий формирователь сигнала, инвертор, а в матрицу ПЗС введена третья секция, находящаяся в зарядовой связи с первой секцией и являющаяся фотомишенью камеры, причем первый, второй и третий управляющие входы третьей секции соединены с соответствующими выходами четвертого ПУ, управляющий вход которого подключен к пятому выходу синхрогенератора, а первый, второй и третий входы - к соответствующим выходам третьего формирователя сигнала, стробирующий вход которого соединен через инвертор с пятым выходом синхрогенератора, седьмой, восьмой и девятый выходы которого подключены соответственно к первому, второму и третьему входам третьего формирователя сигнала и соответственно к первому, второму и третьему входам пятого ПУ, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом синхрогенератора, а выходы пятого ПУ - с первым, вторым и третьим управляющими входами первой секции.

РИСУНКИ

Рисунок 1