Устройство однократного формирования сигнала изображения

 

Изобретение относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в устройствах телевизионного фотографирования, предназначенных для регистрации объектов контроля путем однократного формирования видеосигнала при помощи фоточувствительной матрицы приборов с зарядовой связью (ФМПЗС). Техническим результатом изобретения является разработка устройства однократного формирования сигнала изображения с автоматическим выбором длительности времени накопления фотоприемника при параллельном контроле уровня темнового тока, исключающее ошибку в выборе длительности накопления. Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее последовательно включенные объектив и трехфазную ФМПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, секции хранения и выходного регистра сдвига (PC), а также синхрогенератор, первый, второй и третий преобразователи уровней (ПУ) и видеоусилитель, введены четвертый ПУ, блок запуска, блок управления и формирования (БУФ), блок измерения заряда (БИЗ), пиковый детектор, первый и второй компараторы, блок выборки-хранения (БВХ), индикатор, первый, второй, третий и четвертый элементы ИЛИ, элемент НЕ, первый и второй элементы И, а секция накопления ФМПЗС дополнительно снабжена стоковой областью с затвором. 1 з.п. ф-лы, 15 ил.

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в устройствах телевизионного фотографирования, предназначенных для регистрации объектов контроля путем однократного формирования видеосигнала при помощи фоточувствительной матрицы приборов с зарядовой связью (ФМПЗС).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство однократного формирования сигнала изображения [1] , содержащее последовательно включенные объектив и ФМПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью фоточувствительной зоны, зоны памяти и выходного регистра сдвига (РС), причем управляющие входы фоточувствительной зоны подключены через преобразователь уровней (ПУ) к соответствующим выходам "фазных сигналов накопления" синхрогенераторатора, управляющие входы зоны памяти - через ПУ к соответствующим выходам "фазных сигналов хранения" синхрогенератора, управляющие входы РС - через ПУ к соответствующим выходам "фазных сигналов регистра" синхрогенератора, выход "сигнала поэлементного тактирования" которого подключен к первому управляющему входу видеоусилителя, второй управляющий вход которого подключен к выходу "импульсного сигнала фиксации" синхрогенератора, третий управляющий вход видеоусилителя - к выходу "импульсного сигнала гашения" синхрогенератора, четвертый управляющий вход видеоусилителя - к выходу "импульсного сигнала синхронизации приемника" синхрогенератора, управляющий вход которого является входом "задания длительности накопления" устройства, при этом выход РС соединен с информационным входом видеоусилителя, выход "полного телевизионного сигнала" которого является выходом устройства.

Для прототипа предполагается, что ФМПЗС может иметь схемотехническую организацию "строчно-кадровый перенос" (СКП) или "кадровый перенос" (КП) с двух-, трех- или четырехфазным выполнением самого переноса. Недостатками прототипа являются: отсутствие автоматического выбора длительности времени накопления фотоприемника в зависимости от входной освещенности; отсутствие контроля уровня темнового тока фотоприемника в зависимости от времени накопления и окружающей температуры.

Задачей настоящего изобретения является разработка устройства однократного формирования сигнала изображения с автоматическим выбором длительности времени накопления фотоприемника при параллельном контроле уровня его темнового тока.

Поставленная задача решается тем, что в устройство однократного формирования сигнала изображения, содержащее последовательно включенные объектив и трехфазную ФМПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, секции хранения и выходного РС, выход которого подключен к информационному входу видеоусилителя, причем второй и третий управляющие входы секции накопления ФМПЗС подключены соответственно к второму и третьему выходам первого ПУ, второй и третий фазные входы которого подключены соответственно к второму и третьему выходам синхрогенератора, первый, второй и третий управляющие входы секции хранения ФМПЗС подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам второго ПУ, первый, второй и третий фазные входы которого подключены соответственно к пятому, шестому и седьмому выходам синхрогенератора, первый, второй и третий управляющие входы выходного РС ФМПЗС подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам третьего ПУ, первый, второй и третий фазные входы которого подключены соответственно к восьмому, девятому и десятому выходам синхрогенератора, одиннадцатый выход которого подключен к выходу "импульсов поэлементного тактирования" видеоусилителя, вход "импульсов фиксации, гашения и синхронизации" которого подключен к двенадцатому выходу синхрогенератора (в целях упрощения описания заявляемого решения двенадцатый выход синхрогенератора условно объединяет три выхода этого блока в прототипе, а именно "импульсного сигнала фиксации", "импульсного сигнала гашения" и "импульсного сигнала синхронизации приемника"), а выход "полного телевизионного сигнала" видеоусилителя является выходом "видео" устройства, введены четвертый ПУ, блок запуска, блок управления и формирования (БУФ), блок измерения заряда (БИЗ), пиковый детектор, первый и второй компараторы, блок выборки-хранения (БВХ), индикатор, первый, второй, третий и четвертый элементы ИЛИ, элемент НЕ, первый и второй элементы И, а секция накопления ФМПЗС дополнительно снабжена стоковой областью с затвором, управляющий вход которого подключен через четвертый ПУ к выходу второго элемента ИЛИ, первый вход которого подключен к четвертому выходу синхрогенератора, первый выход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к прямому выходу блока запуска, а выход - к первому фазному входу первого ПУ, первый выход которого подключен к первому управляющему входу БУФа, второй управляющий вход которого подключен к инверсному выходу блока запуска и соответственно к первому управляющему входу синхрогенератора, тактовый вход БУФа - к одиннадцатому выходу синхрогенератора, первый выход БУФа - к первому управляющему входу секции накопления ФМПЗС, второй выход БУФа - к управляющему входу БИЗа, информационный вход которого подключен к второму управляющему входу секции накопления ФМПЗС, а выход - к информационному входу пикового детектора, установочный вход которого объединен с установочным входом БВХ и первым установочным входом блока запуска соответственно и является входом "пуск" устройства, при этом выход пикового детектора подключен к информационному входу первого компаратора, опорный вход которого является входом первого порогового напряжения, а выход первого компаратора подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму установочному входу блока запуска, а второй вход третьего элемента ИЛИ объединен с вторыми входами второго и четвертого элементов ИЛИ, а также с входами индикатора и элемента НЕ соответственно и подключен к выходу второго компаратора, опорный вход которого является входом второго порогового напряжения, а информационный вход второго компаратора подключен к выходу БВХ, информационный вход которого подключен к промежуточному выходу видеоусилителя, а управляющий вход - к тринадцатому выходу синхрогенератора, четырнадцатый выход которого подключен к первому входу четвертого элемента ИЛИ, пятнадцатый выход синхрогенератора - к первому входу второго элемента И, а второй управляющий вход синхрогенератора - к выходу первого элемента И, второй вход которого объединен с вторым входом второго элемента И и подключен к выходу элемента НЕ, при этом выход четвертого элемента ИЛИ является выходом сигнала "готовность изображения" устройства, первый вход первого элемента И - входом сигнала "запрос изображения" устройства, а выход второго элемента И - выходом сигнала "подтверждение изображения" устройства.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство однократного формирования сигнала изображения отличается наличием новых блоков, а именно четвертого ПУ, блока запуска, БУФа, БИЗа, пикового детектора, первого и второго компараторов, БВХ, индикатора, первого, второго, третьего и четвертого элементов ИЛИ, элемента НЕ, первого и второго элементов И, а также стоковой области с затвором в составе секции накопления ФМПЗС.

Совокупность этих отличительных признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение соответствует требованию новизны.

Автоматический выбор длительности времени накопления в предлагаемом изобретении осуществляется за счет неразрушающего измерения зарядового рельефа непосредственно в процессе его формирования на мишени фотоприемника с учетом параллельно получаемой оценки величины его темнового тока.

Поэтому предлагаемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.

На фиг.1 изображена схема заявляемого устройства; на фиг.2-3 - временные диаграммы, поясняющие работу синхрогенератора; на фиг.4-7 - временные диаграммы, поясняющие работу заявляемого устройства; на фиг.8 - структурная схема БУФа; на фиг.9 - электрическая схема одного из возможных вариантов реализации формирователя импульса измерения (в составе БУФа); на фиг. 10 - электрическая схема одного из возможных вариантов реализации генератора пилообразного напряжения (в составе БУФа); на фиг. 11 - временная диаграмма, поясняющая работу генератора пилообразного напряжения; на фиг. 12 - электрическая схема одного из возможных вариантов реализации БИЗа; на фиг. 13 - электрическая схема одного из возможных вариантов реализации БВХ; на фиг. 14 - временная диаграмма, поясняющая работу БВХ; на фиг. 15 - фрагменты поперечного сечения секции накопления ФМПЗС, иллюстрирующие физические процессы на фотомишени при закрытом затворе стоковой области (а) и при открытом затворе (б).

Устройство однократного формирования сигнала изображения (фиг.1) содержит последовательно включенные объектив 1 и ФМПЗС в позиции 2, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции 2-1 накопления со стоковой областью и затвором, секции 2-2 хранения и выходного РС 2-3; синхрогенератор 3, первый ПУ 4, второй ПУ 5, третий ПУ 7, четвертый ПУ 6, видеоусилитель 8, блок 9 запуска, первый элемент ИЛИ 10, БУФ 11, БИЗ 12, пиковый детектор 13, первый компаратор 14, БВХ 15, второй компаратор 16, второй элемент ИЛИ 17, третий элемент ИЛИ 18, четвертый элемент ИЛИ 19, индикатор 20, элемент НЕ 21, первый элемент И 22 и второй элемент И 23, причем первый управляющий вход секции 2-1 накопления ФМПЗС подключен к первому выходу БУФ 11, второй и третий управляющие входы секции 2-1 - соответственно к второму и третьему выходам ПУ 4, первый, второй и третий управляющие входы секции 2-2 хранения ФМПЗС - соответственно к первому, второму и третьему выходам ПУ 5, а первый, второй и третий управляющие входы РС 2-3 - соответственно к первому, второму и третьему выходам ПУ 7, при этом первый выход синхрогенератора 3 подключен к первому входу элемента ИЛИ 10, второй вход которого подключен к прямому выходу блока 9 запуска, а выход элемента ИЛИ 10 - к первому фазному входу ПУ 4, второй и третий фазные входы которого подключены соответственно к второму и третьему выходам синхрогенератора 3, четвертый выход которого подключен к первому входу элемента ИЛИ 17, пятый, шестой и седьмой выходы синхрогенератора 3 - соответственно к первому, второму и третьему фазным входам ПУ 5, восьмой, девятый и десятый выходы синхрогенератора 3 - соответственно к первому, второму и третьему фазным входам ПУ 7, одиннадцатый выход синхрогенератора 3 - к тактовому входу БУФ 11 и соответственно к входу "импульсов поэлементного тактирования" видеоусилителя 8, двенадцатый выход синхрогенератора 3 - к входу "импульсов фиксации, гашения и синхронизации" видеоусилителя 8, тринадцатый выход синхрогенератора 3 - к управляющему входу БВХ 15, четырнадцатый выход синхрогенератора 3 - к первому входу элемента ИЛИ 19, пятнадцатый выход синхрогенератора 3 - к первому входу элемента И 23, первый управляющий вход синхрогенератора 3 - к инверсному выходу блока 9 запуска и соответственно к второму управляющему входу БУФ 11, а второй управляющий вход синхрогенератора - к выходу элемента И 22, второй вход которого объединен с вторым входом элемента И 23 и подключен к выходу элемента НЕ 21, вход которого подключен к выходу компаратора 16 и соответственно к входу индикатора 20 и к вторым входам элементов ИЛИ 17-19, при этом выход элемента ИЛИ 17 подключен через ПУ6 к затвору стоковой области секции 2-1 накопления ФМПЗС, выход РС 2-3 которого подключен к информационному входу видеоусилителя 8, промежуточный выход которого подключен к информационному входу БВХ 15, установочный вход которого объединен с установочным входом пикового детектора 13 и первым установочным входом блока 9 запуска соответственно и является входом "пуск" устройства, а выход БВХ 15 подключен к информационному входу компаратора 16, опорный вход которого является входом второго порогового напряжения, при этом первый выход БУФ 11 подключен к первому управляющему входу секции 2-1 накопления ФМПЗС, а второй выход БУФ 11 - к управляющему входу БИЗ 12, информационный вход которого подключен к второму управляющему входу секции 2-1 накопления ФМПЗС, а выход - к информационному входу пикового детектора 13, выход которого подключен к информационному входу компаратора 14, опорный вход которого является входом первого порогового напряжения, а выход компаратора 14 подключен к первому входу элемента ИЛИ 18, выход которого подключен к второму установочному входу блока 9 запуска, при этом выход "полного телевизионного сигнала" видеоусилителя 8 является выходом "видео" устройства, выход элемента ИЛИ 19 - выходом сигнала "готовность изображения" устройства, первый вход элемента И 22 - входом сигнала "запрос изображения" устройства, а выход элемента И 23 - выходом сигнала "подтверждение изображения" устройства.

ФМПЗС 2 в заявленном решении имеет организацию КП с трехфазным выполнением зарядового переноса. Однако по сравнению с прототипом имеют место три особенности.

Это, во-первых, введение в состав фотомишени стоковой области с затвором. Этот затвор является "электронным" затвором фотоприемника. Его работа иллюстрируется фиг. 15. Если на затворе GA присутствует низкий (относительно подложки) потенциал, он закрыт, а потенциальные ямы под фазными электродами секции 2-1 изолированы от стоковой области за счет этого барьерного смещения. При этом на самой фотомишени идет процесс накопления зарядовых носителей (фотоэлектронов), как показано на фиг. 15а.

Когда на затвор GA подается высокий потенциал, то потенциальный барьер снимается, затвор открывается, а в секции 2-1 исключается процесс накопления фотоэлектронов (см. фиг. 15б). Это объясняется тем, что носители, не задерживаясь в потенциальных ямах под фазными электродами, устремляются в более глубокие ямы, создаваемые потенциалом DA в стоковой области, а далее рекомбинируют в подложку фотоприемника. Введение в состав фотомишени стоковой области с затвором технологически реализовано в отечественном приборе ФППЗ-134М с числом элементов 520х580 и каналом n-типа, который разработан в 1995 г. в НПО "Электрон" (г. С.-Петербург).

Второй особенностью фотоприемника является возможность, когда это необходимо, включения его в режим принудительного охлаждения кристалла при помощи термоэлектрического холодильника, с целью уменьшения начальной плотности темнового тока.

Заряд темнового тока является аддитивной помехой в видеосигнале, формируемом ФМПЗС, поэтому он сокращает динамический диапазон фотоприемника и ухудшает качество выходного сигнала изображения.

Необходимо отметить, что заряд темнового тока практически пропорционален времени накопления и в силу этого оказывает существенное влияние на работу заявляемого устройства. Экспериментально установлено, что для большинства ФМПЗС при понижении температуры на 8-10oC плотность темнового тока снижается в два раза.

Третьей особенностью фотоприемника является наличие со стороны выхода около 10-12 столбцов матрицы, защищенных от света, и соответственно введение такого же числа "холостых" элементов в РС 2-3, что необходимо для измерения уровня темнового тока ФМПЗС (см. ниже). Последние две технологические особенности используемого в настоящем решении фотоприемника хорошо известны и апробированы (см., например, [2, с. 159]).

Синхрогенератор 3 может быть выполнен с использованием микросхемы КНС14АП24, разработанной в 1995 г. АОЗТ "Элми" (г. С.-Петербург). В соответствии с техническим описанием [3] эта микросхема в режиме фотозатвора вырабатывает сигналы, показанные на фиг.2-3. Если на первом управляющем входе микросхемы в момент t0 устанавливается низкий логический уровень (см. фиг. 2а), то обеспечивается формирование низкого уровня сигнала на первом и третьем выходах микросхемы (см. соответственно фиг.2в и фиг.2д) и высокого уровня на ее втором выходе (см. фиг.2г).

Одновременно и на четвертом выходе микросхемы (синхрогенератора 3) устанавливается низкий уровень (см. фиг.2б). Отметим, что установка низкого уровня на первом управляющем входе микросхемы не вызывает изменений в сигналах, формируемых синхрогенератором на пятом, шестом и седьмом выходах (см. соответственно фиг.2е, фиг.2ж и фиг.2з).

Предположим, что в момент t1 на первом управляющем входе синхрогенератора устанавливается высокий логический уровень (см. фиг.2а). Тогда, начиная с этого момента, на первом, втором, третьем и соответственно на пятом, шестом, седьмом выходах синхрогенератора формируются трехфазные импульсные сигналы кадрового переноса (см. фиг.2в-д и 2е-з). В интервале кадрового переноса на четвертом выходе синхрогенератора удерживается низкий уровень, а после его окончания в момент t2 устанавливается высокий логический уровень. Начиная с момента t2, на пятом и седьмом выходах синхрогенератора формируется низкий уровень, а на шестом выходе - высокий уровень. Одновременно на четырнадцатом выходе синхрогенератора (см. фиг.3б) в сигнале "готовность изображения", предназначенном для работы с пользователем в диалоговом режиме, формируется низкий логический уровень. Пусть в момент t3 на втором управляющем входе синхрогенератора по сигналу пользователя "запрос изображения" (см. фиг. 3в) устанавливается низкий логический уровень. Когда низкий уровень в сигнале "запрос изображения" совпадает с окончанием ближайшего кадрового гасящего импульса (см. фиг.3а), синхрогенератор на пятнадцатом выходе в сигнале "подтверждение изображения" в интервале (t4-t5) формирует высокий логический уровень (см. фиг.3г).

Необходимо отметить, что выходные сигналы синхрогенератора с восьмого, девятого, десятого, одиннадцатого, двенадцатого и тринадцатого выходов (здесь не показаны) не зависят от логического уровня сигнала на первом управляющем входе и полностью совпадают с сигналами по этим выходам для микросхемы, работающей в известном телевизионном режиме.

ПУ 6 предназначен для формирования из входного сигнала с четвертого выхода синхрогенератора 3 выходного импульса, подаваемого на затвор стоковой области ФМПЗС. Особенностью ПУ 6 применительно к отечественному фотоприемнику ФППЗ-134М является отрицательная величина (относительно подложки) низкого уровня в выходном импульсе. Необходимое схемное решение такого ПУ можно найти в [4].

В видеоусилителе 8, как и в аналогичном блоке прототипа, предполагается выполнение обработки видеосигнала с выхода ФМПЗС по методу двойной коррелированной выборки (ДКВ), привязка видеосигнала к уровню черного, замешивание в видеосигнал гасящих и синхроимпульсов и усиление для формирования полного телевизионного сигнала на выходе.

Отметим, что управление схемой ДКВ в видеоусилителе производится по сигналу поэлементного тактирования, поступающего с одиннадцатого выхода синхрогенератора 3. Особенностью видеоусилителя заявляемого решения является наличие промежуточного выхода видеосигнала (после схем ДКВ и привязки к уровню черного) для выполнения процедуры измерения уровня темнового тока фотоприемника.

БУФ 11 предназначен для получения: сигнала управления первой фазой секции 2-1 накопления ФМПЗС (первый выход); сигнала управления БИЗ 12 (второй выход).

При этом на первый управляющий вход БУФ 11 подаются импульсы с первого выхода ПУ 4 (см. фиг.5д), на второй управляющий вход - импульс с инверсного выхода блока 9 запуска (см. фиг.4б), а на тактовый вход - импульсы поэлементного тактирования с одиннадцатого выхода синхрогенератора 3 (здесь не показаны).

БУФ 11 содержит (фиг.8) последовательно включенные делитель 24 частоты и формирователь 25 импульса измерения, а также генератор 26 пилообразного напряжения, элемент ИЛИ 27, первый коммутатор 28, второй коммутатор 29 и элемент НЕ 30, при этом разрешающий вход формирователя 25 подключен к первому входу элемента ИЛИ 27, а выход формирователя 25 - к входу генератора 26 и соответственно к второму входу элемента ИЛИ 27, выход которого подключен к входу элемента НЕ 30 и соответственно к управляющему входу коммутатора 29, информационный вход которого подключен к выходу генератора 26, а выход объединен с выходом коммутатора 28, управляющий вход которого подключен к выходу элемента НЕ 30, причем информационный вход коммутатора 28 является первым управляющим входом БУФ 11, разрешающий вход формирователя 25 - вторым управляющим входом БУФ 11, вход делителя 24 частоты - тактовым входом БУФ 11, выход коммутатора 28 - первым выходом БУФ 11, а выход элемента НЕ 30 - вторым выходом БУФ 11.

Формирование выходных сигналов в БУФ 11 показано на эпюрах, приведенных на фиг.4-6, при этом на фиг.5е - выход формирователя 25; на фиг. 6б - выход генератора 26; на фиг.6а - выход элемента ИЛИ 27; на фиг.6в - выход элемента НЕ 30; на фиг.4г - выход коммутаторов 28 и 29.

БИЗ 12 предназначен для выделения информации о распределении заряда по всей поверхности секции 2-1 накопления ФМПЗС.

Электрическая схема блока 12 (см. фиг. 12) содержит преобразователь "ток-напряжение" на операционном усилителе (ОУ). Так как измерение заряда необходимо выполнять в определенные промежутки времени (см. ниже), то для используемого ОУ должно быть предусмотрено управление его режимом по дополнительному внешнему выводу.

Рассмотрим работу предлагаемой схемы БИЗ 12.

Импульсный сигнал разрешения с управляющего входа блока усиливается с помощью транзистора, включенного по схеме с общей базой. Усиленный сигнал разрешения поступает далее на внешний вывод ОУ. Когда в сигнале разрешения передается высокий уровень, ОУ включен, а на его выходе формируется информационный сигнал. Если в сигнале разрешения передается низкий уровень, ОУ выключен, а на его выходе имеет место нулевое напряжение независимо от токового сигнала на входе.

Пиковый детектор 13 предназначен для запоминания напряжения, пропорционального максимальному уровню зарядового рельефа, который измеряется блоком 12. Перед началом очередного цикла измерений выполняется обнуление детектора при помощи импульса, подаваемого на установочный вход. Блок 13 может быть выполнен на базе ОУ (см., например, [5, c.233]).

Компараторы 14 и 16 выполняются совершенно аналогично. Каждый из них предназначен для сравнения по уровню информационного сигнала и порогового напряжения со скачкообразным изменением выходного напряжения в случае, когда напряжение сигнала больше порогового.

БВХ 15 предназначен для захвата и запоминания уровня напряжения в видеосигнале, соответствующем текущему уровню темнового тока ФМПЗС. Темновой сигнал считывается РС 2-3 (см. фиг. 14б) с "холостых" элементов. При этом само считывание производится в интервале обратного хода по строке (см. эпюру на фиг. 14а, где показан импульс гашения). БВХ 15 может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг. 13, за базу которой принято техническое решение, опубликованное в [6, c.234]. Основными компонентами схемы являются два операционных усилителя ОУ 1 и ОУ 2, конденсатор C и два переключателя на полевых транзисторах ПТ 1 и ПТ 2. Входной сигнал с промежуточного выхода видеоусилителя 8 поступает на информационный вход блока 15, а на управляющий вход подается импульс выборки (см. эпюру на фиг. 14в). Конденсатор C запоминает сигнал таким, каким он был в момент выключения транзистора ПТ 1. Перед началом очередного цикла измерений выполняется обнуление БВХ 15 при помощи импульса, подаваемого на его установочный вход. При этом в момент включения транзистора ПТ 2 осуществляется сброс напряжения на конденсаторе C, а следовательно, и на выходе блока 15.

Индикатор 20 может быть выполнен в виде последовательно соединения светодиода и ограничительного резистора, при этом включение светодиода производится по высокому уровню напряжения с выхода компаратора 16.

Делитель 24 частоты предназначен для понижения частоты счетных импульсов, подаваемых на тактовый вход формирователя 25 импульса измерения, и может быть выполнен с использованием цифровых микросхем.

Формирователь 25 импульса измерения может быть выполнен по схеме, показанной на фиг.9. Схема является, по сути, кольцевым счетчиком, выполненным на микросхемах К561ИЕ8 (DD1-DD3), К561ЛА7 (DD4), К561ЛН2 (DD5) и К561ТМ2 (DD6).

На разрешающий вход счетчика подается импульс (см. фиг.4б) с второго управляющего входа БУФ 11. На тактовый вход счетчика поступают импульсы с периодом, равным периоду поэлементного тактирования в ФМПЗС, помноженному на коэффициент деления частоты блока 24. Выходной импульс блока 25 (см. фиг.5е) формируется на прямом выходе триггера DD6.1. Интервал T1 в данной схеме отсчитывается 520 тактами, а интервал T2 составляет (640 - 520) = 120 тактов.

Отметим, что интервал T1 определяет дискрет накопления (см. ниже), поэтому при его выборе необходимо учитывать соотношение T1 - tк.п., где tк.п. - длительность кадрового переноса зарядов из секции 2-1 накопления в секцию 2-2 хранения ФМПЗС.

Генератор 26 пилообразного напряжения может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг. 10.

Эмиттерный повторитель на транзисторе УТ 1 обеспечивает преобразование импульсного сигнала с отсчетом смещений в положительной области (см. фиг. 11а) в импульсный сигнал с отсчетом смещений в отрицательной области (см. фиг. 11б). Непосредственно генератор пилы выполнен на транзисторах УТ 2 и УТ 3 по известной схеме генератора линейно убывающего напряжения с отрицательной обратной связью (см., например, [7, с.442]). Необходимо отметить, что линейно убывающее напряжение формируется на выходе блока 26 (см. фиг. 11в) в течение интервала T2, составляющего некоторую часть от периода следования входных импульсов.

Коммутаторы 28 и 29 могут быть выполнены с использованием аналоговых ключей микросхемы серии К590 (см., например, [8, c.447]). Эти ключи устанавливаются в замкнутое состояние, когда на управляющем входе присутствует низкий уровень сигнала. Если на управляющий вход подается высокий уровень, то ключи устанавливаются в разомкнутое состояние.

Блок 9 запуска может быть выполнен в виде RS-триггера. Первый установочный вход блока 9 является входом S триггера, второй установочный вход блока 9 - входом R триггера. Отметим, что активным уровнем для установки триггера в состояния 1 и 0 является уровень логической 1 на одном из входов.

Логические элементы ИЛИ 10, 17-19, элемент НЕ 21 и элементы И 22 и 23 имеют функциональные признаки однозначно определенного понятия.

Объектив 1, ПУ 4, ПУ 5 и ПУ 7 по схемотехническому исполнению не отличаются от соответствующих блоков прототипа.

Устройство однократного формирования сигнала изображения работает следующим образом.

Изображение наблюдаемой сцены проецируется при помощи объектива 1 на фотомишень 2-1 ФМПЗС. Для определенности изложения описания работы устройства предположим, что в качестве фотоприемника 2 используется трехфазная ФМПЗС с каналом n-типа.

Допустим, что на вход "пуск" устройства в момент t0 поступает импульс запуска (см. фиг.4а). Тогда блок 9 запуска переходит в новое состояние, при котором на его прямом выходе (см. фиг.5в) устанавливается уровень логической 1, а на его инверсном выходе - уровень логического 0 (см. фиг.4б). Импульс запуска поступает также на установочные входы соответственно пикового детектора 13 и блока 15, осуществляя обнуление (сброс) их выходных напряжений.

Появление низкого логического уровня на первом управляющем входе синхрогенератора 3 обеспечивает установку низкого уровня на первом и третьем его выходах (см. соответственно фиг.5г и фиг.4е) и высокого уровня сигнала на его втором выходе (см. фиг.4д). Одновременно на четвертом выходе синхрогенератора 3 устанавливается низкий логический уровень (см. фиг.4в). Благодаря тому что в это время на второй вход элемента ИЛИ 10 с прямого выхода блока 9 подается логическая 1, высокий логический уровень формируется и на выходе блока 10 (см. фиг.5д).

Отметим, что, начиная с момента t0, блок 15 выполняет цикл измерения темнового тока фотоприемника, уровень которого контролируется компаратором 16.

Рассмотрим работу заявляемого устройства в ситуации, когда уровень темнового тока ФМПЗС таков, что в результате всех последовательных измерений на выходе блока 15 формируется напряжение, не превышающее величину порогового значения Uп2 компаратора 16. При этом низкий логический уровень на выходе компаратора 16 не влияет на состояние элементов ИЛИ 17-19 по выходу, а отсутствие свечения индикатора 20 свидетельствует о нормальном уровне темнового тока фотоприемника. В этой ситуации на выходе ПУ 6 повторяется низкий уровень напряжения (см. фиг.4в) с четвертого выхода синхрогенератора 3, который поступает на четвертый управляющий вход секции 2-1 ФМПЗС и закрывает электронный затвор фотомишени.

На выходах ПУ 4 входные логические сигналы также повторяются, и сигнал с первого его выхода подается далее на первый управляющий вход блока 11.

Формирователь 25 импульса измерения обеспечивает на первом выходе блока 11 в течение интервала T1 наличие высокого уровня сигнала, который линейно спадает в последующем интервале T2. В дальнейшем форма сигнала на первом выходе блока 11 повторяется с периодом T1 + T2 (см. фиг.4г).

В течение каждого интервала T1 на первых фазовых электродах секции 2-1 накопления ФМПЗС действует положительное относительно подложки смещение. Отметим, что на вторые фазовые электроды секции 2-1 в это время также прикладывается положительное смещение (см. фиг.4д), а на третьи фазовые шины подается потенциал, близкий к потенциалу подложки (см. фиг.4е).

При закрытом электронном затворе фотомишени ФМПЗС находится в состоянии "накопления", т. е. в интервале T1 осуществляется сбор фотозарядов под первыми и вторыми фазными шинами секции 2-1 в формируемых там потенциальных ямах. В интервале T2 потенциал на первых электродах секции 2-1 линейно спадает. В результате в каждом элементе секции 2-1 начинается процесс переноса зарядов из потенциальных ям под первыми фазными шинами в потенциальные ямы, расположенные под вторыми шинами. Потенциальные ямы под первыми фазовыми электродами монотонно разрушаются, а в цепи второго электрода секции 2-1 возникает ток, который максимален в первый момент, а затем монотонно спадает. Величина тока в этой внешней цепи является суммой токов в каждом элементе ПЗС секции 2-1. Таким образом, внешний ток содержит информацию о распределении заряда по всей поверхности фотомишени. Блок 12 выполняет преобразование "ток - напряжение", причем необходимое информативное преобразование осуществляется в течение интервала измерения T2. Для этого на управляющий вход блока 12 с второго выхода блока 11 подается необходимый сигнал разрешения (см. фиг.6в). Предварительно обнуленный пиковый детектор 13 запоминает максимальное значение напряжения с выхода блока 12. Поэтому выходное напряжение блока 13 пропорционально текущему уровню накопления зарядов в секции 2-1 ФМПЗС.

В зависимости от освещенности объекта контроля процесс "накоплениe - неразрушающее измерение" зарядового рельефа в секции 2-1 может происходить в течение единственного интервала T1 + T2 либо в целое число раз дольше, т.е. (T1 + T2)m, где m - целое число.

Допустим, что по истечении некоторого числа периодов T1 + T2 величина напряжения с выхода блока 13 меньше величины порогового напряжения Uп1 компаратора 14. В этом случае компаратор 14 сохраняет предыдущее состояние, а в секции 2-1 ФМПЗС процесс накопления продолжается еще как минимум один интервал T1 (один дискрет), а затем в последующем интервале T2 блоком 12 вновь выполняется измерение сформированного зарядового рельефа. Если результат измерений с выхода пикового детектора 13 снова окажется меньше, чем Uп1, то накопление в секции 2-1 будет продолжаться еще один дискрет T1, а затем в интервале T2 опять выполняется измерение полученного зарядового массива, и так далее.

Пусть по результатам последовательных измерений в момент t1 напряжение с выхода пикового детектора 13 превышает напряжение Uп1 компаратора 14. Тогда последний опрокидывается, а процесс "накопление - неразрушающее измерение" фотозарядов в секции 2-1 для информационного кадра (точнее, информационного полукадра по телевизионному стандарту) заканчивается.

Далее, как и в прототипе, зарядовый рельеф информационного кадра в интервале (t1-t2) переносится из секции 2-1 накопления в секцию 2-2 хранения при помощи трехфазных импульсов, действующих на фазовых электродах обеих секций (см. фиг.4г-и).

Затем, начиная с момента t2, секция 2-1 ФМПЗС возвращается к состоянию "ненакопления", т.к. высокий уровень на ее четвертом управляющем входе (см. фиг. 4в) открывает электронный затвор фотомишени, вызывая инжекцию всех фотозарядов в подложку ФМПЗС.

Секция 2-2 ФМПЗС с момента t2, как и в прототипе, благодаря высокому уровню на вторых фазовых электродах (см. фиг.4з) обеспечивает хранение зарядовых носителей сформированного ранее информационного кадра. Одновременно с четырнадцатого выхода синхрогенератора 3 через элемент ИЛИ 19 заявляемое устройство посылает потребителю сигнал "готовность изображения" (см. фиг.5а), низкий уровень в котором является активным, и сообщает о возможности получения видеоинформации.

Предположим, что потребитель в момент t3 посылает на вход "запрос изображения" устройства одноименный сигнал (см. фиг.6г). Благодаря тому что на втором входе элемента И 22 присутствует с выхода инвертора 21 логическая 1, сигнал "запрос изображения" без изменений передается на второй управляющий вход синхрогенератора 3. Когда низкий уровень в сигнале "запрос изображения", являющийся также активным уровнем, совпадает с окончанием ближайшего кадрового гасящего импульса (см. фиг.5б), заявляемое устройство на пятнадцатом выходе синхрогенератора 3 формирует сигнал "подтверждение изображения" (см. фиг.6д).

Так как на втором входе элемента И 23 присутствует логическая 1, сигнал "подтверждение изображения" без изменений передается на соответствующий выход заявляемого устройства. Одновременно в интервале t4-t5 производится считывание через выходной РС 2-3 фотоприемника информационного кадра из секции 2-2. В результате на выходе "видео" устройства формируется электрический сигнал одиночного кадра (см. фиг.6е).

Рассмотрим работу заявляемого устройства в ситуации, когда уровень темнового тока ФМПЗС из-за повышенной окружающей температуры и (или) длительного времени накопления формирует на выходе блока 15 в момент t6 (см. фиг. 7б) выходное напряжение, превышающее величину порогового напряжения Uп2 компаратора 16. Отметим, что к этому моменту напряжение на выходе пикового детектора 13 не достигает порогового значения Uп1 компаратора 14. Тогда компаратор 16 опрокидывается, а на его выходе формируется уровень логической 1 (см. фиг.7в) и вызывается свечение индикатора 20.

В момент t6 на выходе элемента ИЛИ 18 также устанавливается напряжение логической 1, которое возвращает блок 9 запуска в первоначальное состояние.

Появление логической 1 на инверсном выходе блока 9 запуска (см. фиг.7г) вызывает в момент t6 прекращение процесса "накопление - неразрушающее измерение" фотозарядов в секции 2-1 ФМПЗС. Начиная с момента t6 секция 2-1 возвращается к состоянию "ненакопления", т.к. высокий логический уровень на выходе элемента ИЛИ 17 (см. фиг.7д) открывает электронный затвор фотомишени, вызывая инжекцию всех фотозарядов в подложку ФМПЗС.

Благодаря появлению логической 1 с выхода компаратора 16 на втором входе элемента ИЛИ 19, на выходе "готовность изображения" устройства удерживается высокий уровень (см. фиг.7и), что свидетельствует об отсутствии в фотоприемнике видеоинформации в зарядовой форме. При этом независимо от сигнала "запрос изображения" на соответствующем входе синхрогенератора 3, начиная с момента t6, присутствует низкий логический уровень сигнала. Поэтому при его совпадении с окончанием ближайшего кадрового гасящего импульса (см. фиг.7е) на пятнадцатом выходе синхрогенератора 3 формируется сигнал логической 1 в интервале t7-t8 (см. фиг. 7ж). Однако, т.к. на втором входе элемента И 23 присутствует логический 0, на выходе "подтверждение изображения" устройства также формируется низкий логический уровень (см. фиг.7з), что свидетельствует о невозможности получения пользователем видеоинформации. Одновременно в интервале t7-t8 производится "очистка" секции 2-2 фотоприемника от паразитных носителей заряда путем их считывания через выходной РС 2-3.

Далее в этой ситуации необходимо выполнить следующее. Во-первых, увеличить относительное отверстие объектива 1, тем самым априори уменьшив время накопления как информационных, так и темновых носителей заряда, а после этого вновь провести однократное формирование сигнала изображения.

Если даже при максимально открытой диафрагме объектива 1 при последующем включении опять горит индикатор 20, то, во-вторых, требуется обеспечить принудительное охлаждение фотоприемника. Затем после его выхода на новый тепловой режим вновь провести формирование одиночного кадра изображения.

В предлагаемом устройстве благодаря неразрушающему измерению зарядового рельефа на мишени ФМПЗС и параллельном контроле его темнового тока осуществляется автоматический выбор длительности времени накопления фотоприемника. Этот выбор соответствует размаху выходного сигнала изображения устройства, в котором отношение сигнал/помеха с учетом темновой составляющей последней обеспечивается на уровне "не менее предварительно выставленной (настроечной) величины". В условиях заранее неизвестной освещенности объекта контроля и окружающей температуры это исключает ошибку в выборе длительности накопления фотоприемника, которая может иметь место в прототипе, где этот выбор осуществляется оператором вручную.

В настоящее время все блоки заявляемого устройства освоены или осваиваются отечественной промышленностью, поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

На время подачи заявки предлагаемое устройство разработано на уровне технического предложения по теме "Сплав".

Источники информации 1. Заявка Франции N2589301 от 28.10.85 г. Заявитель - фирма l2S (Франция). Реферат заявки опубликован в бюллетене "Передача изображения, телевидение", выпуск 136, кл. H 04 N, N12, М., 1987 г.

2. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. -М.: Радио и связь, 1991 г.

3. Микросхема КНС14АП24. Техническое описание ДКШ 431.362.018ТО.

4. Лазовский Л.Ю., Тимофеев В.О., Хвиливицкий А.Т. Схемы управления ПЗС и усиления сигнала. "Электронная промышленность", 1982 г., выпуск 7, c.69-74.

5. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985 г.

6. Хоровиц П. , Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: T.1. Пер. англ. - 4 изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1993 г.

7. Ерофеев Ю.П. Импульсные устройства. М.: Высшая школа, 1989 г.

8. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон и др. - М.: Радио и связь, 1990 г.

Формула изобретения

1. Устройство однократного формирования сигнала изображения, содержащее последовательно включенные объектив и трехфазную фоточувствительную матрицу приборов с зарядовой связью (ФМПЗС), состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, секции хранения и выходного регистра сдвига (РС), выход которого подключен к информационному входу видеоусилителя, причем второй и третий управляющие входы секции накопления ФМПЗС подключены соответственно к второму и третьему выходам первого преобразователя уровней (ПУ), второй и третий фазные выходы которого подключены соответственно к второму и третьему выходам синхрогенератора, первый, второй и третий управляющие входы секции хранения ФМПЗС подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам второго ПУ, первый, второй и третий фазные входы которого подключены соответственно к пятому, шестому и седьмому выходам синхрогенератора, первый, второй и третий управляющие входы выходного РС ФМПЗС подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам третьего ПУ, первый, второй и третий фазные входы которого подключены соответственно к восьмому, девятому и десятому выходам синхрогенератора, одиннадцатый выход которого подключен к входу "импульсов поэлементного тактирования" видеоусилителя, вход "импульсов фиксации, гашения и синхронизации" которого подключен к двенадцатому выходу синхрогенератора, а выход "полного телевизионного сигнала" видеоусилителя является выходом "видео" устройства, отличающееся тем, что введены четвертый ПУ, блок запуска, блок управления и формирования (БУФ), блок измерения заряда (БИЗ), пиковый детектор, первый и второй компараторы, блок выборки-хранения (БВХ), индикатор, первый, второй, третий и четвертый элементы ИЛИ, элемент НЕ, первый и второй элементы И, а секция накопления ФМПЗС дополнительно снабжена стоковой областью с затвором, управляющий вход которого подключен через четвертый ПУ к выходу второго элемента ИЛИ, первый вход которого подключен к четвертому выходу синхрогенератора, первый выход которого подключен к первому входу первого элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к прямому выходу блока запуска, а выход - к первому фазному входу первого ПУ, первый выход которого подключен к первому управляющему входу БУФа, второй управляющий вход которого подключен к инверсному выходу блока запуска и соответственно к первому управляющему входу синхрогенератора, тактовый вход БУФа - к одиннадцатому выходу синхрогенератора, первый выход БУФа - к первому управляющему входу секции накопления ФМПЗС, второй выход БУФа - к управляющему входу БИЗа, информационный вход которого подключен к второму управляющему входу секции накопления ФМПЗС, а выход - к информационному входу пикового детектора, установочный вход которого объединен с установочным входом БВХ и первым установочным входом блока запуска соответственно и является входом "пуск" устройства, при этом выход пикового детектора подключен к информационному входу первого компаратора, опорный вход которого является входом первого порогового напряжения, а выход первого компаратора подключен к первому входу третьего элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму установочному входу блока запуска, а второй вход третьего элемента ИЛИ объединен с вторыми входами второго и четвертого элементов ИЛИ, а также с входами индикатора и элемента НЕ соответственно и подключен к выходу второго компаратора, опорный вход которого является входом второго порогового напряжения, а информационный вход второго компаратора подключен к выходу БВХ, информационный вход которого подключен к промежуточному выходу видеоусилителя, а управляющий вход - к тринадцатому выходу синхрогенератора, четырнадцатый выход которого подключен к первому входу четвертого элемента ИЛИ, пятнадцатый выход синхрогенератора - к первому входу второго элемента И, а второй управляющий вход синхрогенератора - к выходу первого элемента И, второй вход которого объединен с вторым входом элемента И и подключен к выходу элемента НЕ, при этом выход четвертого элемента ИЛИ является выходом сигнала "готовность изображения" устройства, первый вход первого элемента И - входом сигнала "запрос изображения" устройства, а выход второго элемента И - выходом сигнала "подтверждение изображения" устройства.

2. Устройство по п. 1, в котором блок управления и формирования (БУФ) содержит последовательно включенные делитель частоты и формирователь импульса измерения, а также генератор пилообразного напряжения, элемент ИЛИ, первый коммутатор, второй коммутатор и элемент НЕ, при этом разрешающий вход формирователя подключен к первому входу элемента ИЛИ, а выход формирователя - к входу генератора и соответственно к второму входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу элемента НЕ и соответственно к управляющему входу второго коммутатора, информационный вход которого подключен к выходу генератора, а выход объединен с выходом первого коммутатора, управляющий вход которого подключен к выходу элемента НЕ, причем информационный вход первого коммутатора является первым управляющим входом БУФа, разрешающий вход формирователя - вторым управляющим входом БУФа, вход делителя частоты - тактовым входом БУФа, выход первого коммутатора - первым выходом БУФа, а выход элемента НЕ - вторым выходом БУФа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в криминалистике для проведения трасологических экспертиз пуль и гильз стрелкового оружия и создания банка данных пулегильзотек

Изобретение относится к формированию изображения в видимом и инфракрасном излучении

Изобретение относится к технике телевидения и может быть использовано в телевизионных камерах на приборах с зарядовой связью прикладного назначения

Изобретение относится к телевизионной технике и может найти применение при формировании сигнала функции распределения яркости

Изобретение относится к телевизионной технике и предназнач ено для астрономических оптико-электронных систем

Изобретение относится к технике телевидения и может быть использовано для формирования сигналов изображения

Изобретение относится к способам приема и воспроизведения подвижных и неподвижных изображений

Изобретение относится к технике телевидения и может быть использовано в телевизионных камерах на приборах с зарядовой связью прикладного назначения

Изобретение относится к оптической электронике и может использоваться в телевизионных и тепловизионных системах, измерительных системах, содержащих линейные и матричные фотоприемники

Изобретение относится к телевидению, обеспечивает повышение контраста кольцевых структур изображения

Изобретение относится к телевизионной технике

Изобретение относится к телевизионной технике и может быть использовано в прикладных телевизионных системах высокого разрешения

Изобретение относится к технике телевидения и может быть использовано при разработке зрительных сенсоров роботов, оптоэлектронных измерителей геометрических размеров, формы и параметров положения объектов, а также устройств ввода и обработки символьной информации

Изобретение относится к телевизионной технике и может быть использовано в передающих камерах на матричных фоточувствительных приборах с переносом зарядов (ФШ13)

Изобретение относится к телевизионной технике и может быть использовано в устройствах телевизионного фотографирования
Наверх