ФОТОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ Российский патент 1997 года по МПК H01L27/10 

Изобретение предназначено для использования в телевизионных (ТВ) измерительных системах, работающих в широком диапазоне входного сигнала, например, в ТВ-датчиках астрономических комплексов обнаружения и идентификации объектов наблюдения.

Известен формирователь видеосигнала (ФВС) на приборе с зарядовой связью (ПЗС), работающий в режиме временной задержки и накопления (ВЗН), содержащий двумерную ПЗС-матрицу (N x M) светочувствительных элементов, соединенных в N M-разрядных сдвиговых ПЗС-регистров задержки и накопления, объединенных по другой оси в светозащищенный N-разрядный выходной сдвиговый ПЗС-регистр считывания, подключенный к входу выходного устройства.

Непременным условием работы этого формирователя, конструктивно оформленного в виде микросхемы, является совпадение вектора скорости просматриваемого поля в плоскости светочувствительной поверхности с вектором перемещения зарядовых пакетов в регистрах задержки и накопления [под ред. П. Йесперса, Ф. Ван де Виле и М. Уайта Полупроводниковые формирователи сигналов изображения. М. Мир, 1979, с.501-503; Ф.П. Пресс Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью. М. Радио и связь, 1981, с.46-48 (прототип)]
Однако такой формирователь имеет недостаточно высокий динамический диапазон сигнала, что обусловлено ограничением суммарного (накопленного за время движения изображения вдоль регистра задержки и накопления) заряда емкостью потенциальной ямы элемента матрицы. Эта емкость зависит от размеров элемента, обусловленных комплексом требований по обеспечению заданных чувствительности, помехозащищенности и точности формирователя. Избыток заряда, генерируемого световым излучением ярких источников, растекается в смежные элементы регистра задержки и накопления.

В случае использования такого ФВС в астрономической ТВ- системе это приводит к повышению вероятности пропуска объекта наблюдения вследствие возможного попадания его изображения на расплывшиеся пятна изображений ярких звезд. Известные методы [К. Секен, М. Томпсет. Приборы с переносом заряда. М. Мир, 1978] предотвращения растекания заряда (блуминга) связаны не с расширением динамического диапазона сигнала приемника изображения, а с отводом избыточного заряда в специальные стоковые области. При этом из-за потери информации исключается возможность измерения больших сигналов.

Задача изобретения расширение динамического диапазона сигнала формирователя видеосигнала, работающего в режиме ВЗН.

Для этого в фоточувствительную микросхему с зарядовой связью, на которой реализован ФВС, работающий в режиме ВЗН, состоящую из M строк и N столбцов фоточувствительных элементов, снабженных антиблуминговыми устройствами, светозащищенного N-разрядного выходного регистра и выходного устройства, дополнительно введены линия задержки сигнала на основе регистра переноса с зарядовой связью, подключенная между выходным регистром и выходным устройством двумерной ПЗС-матрицы, и линейная фоточувствительная микросхема с зарядовой связью, содержащая N фоточувствительных элементов, аналогичных строке матрицы, выходной светозащищенный N-разрядный регистр с таким же, как в выходном регистре матрицы, направлением считывания зарядов, и выходное устройство, причем фоточувствительная поверхность ПЗС-линейки закрыта оптическим фильтром с коэффициентом пропускания 1/n, а каждый из ее элементов примыкает к соответствующему элементу выходного регистра матрицы.

Предлагаемая фоточувствительная микросхема с зарядовой связью позволяет получить два независимых неравновесных видеосигнала от одного элемента просматриваемого поля. Причем, если в видеотракте ПЗС матрицы возникают вышеуказанные информационные потери, то сигнал на выходе видеотракта ПЗС-линейки несет достоверную информацию о яркости соответствующего элемента.

Соответствующая обработка этих сигналов обеспечит на выходе ФВС один информационный сигнал, динамический диапазон которого в Mn крат выше, чем у прототипа.

Сопоставительный анализ с прототипом, описанным в книгах Ф.П. Пресс и под редакцией П. Йесперса, показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых блоков (регистр задержки, ПЗС-линейка с дополнительными выходными регистром и выходным устройством, оптический фильтр) и их связями между собой и остальными элементами.

Другие известные решения с признаками, сходными с отличительными от прототипа признаками предлагаемой микросхемы, не обнаружены. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям "новизна" и "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемой фоточувствительной микросхемы с зарядовой связью; на фиг. 2 временные диаграммы, иллюстрирующие работу ее составляющих блоков.

Микросхема состоит из ПЗС-матрицы, состоящей из N x M светочувствительных элементов, объединенных в N M-разрядных сдвиговых ПЗС-регистров 1 задержки и накопления, выходы которых соединены с соответствующими разрядами светозащищенного N-разрядного выходного сдвигового ПЗС-регистра 2, подключенного к регистру 4 задержки, выход которого соединен с входом выходного устройства 3, и ПЗС-линейки 5, светочувствительная поверхность которой находится в одной плоскости со светочувствительной поверхностью ПЗС-матрицы и закрыта оптическим фильтром с коэффициентом пропускания 1/n. Каждый из N элементов линейки 5 примыкает к соответствующему элементу регистра 2 и соединен с соответствующим разрядом дополнительного светозащищенного N-разрядного выходного сдвигового ПЗС-регистра 6 с таким же, как в матрице, направлением считывания зарядов, соединенного с входом дополнительного идентичного выходного устройства 7.

Конструктивно элементы 1-7 объединены в твердотельный приемник изображения, размещаемый на одной подложке.

Элементы фоточувствительной микросхемы с зарядовой связью изготавливаются в соответствии с известными принципами, изложенными в указанных книгах Ф.П. Пресс, К. Секена и М. Томпсета, под редакцией П. Йесперса и др.

Оптический фильтр, входящий в состав предлагаемого устройства, выполнен в виде пленочного покрытия на светочувствительной поверхности ПЗС-линейки [Ш.А. Фурман. Тонкослойные оптические покрытия. Л. Машиностроение, 1977]
Регистр 4, используемый в качестве линии задержки, конструктивно является непосредственным продолжением N-разрядного регистра 2, т.е. они оба образуют один сдвиговый ПЗС-регистр с разрядностью 3N.

Предлагаемая микросхема работает следующим образом.

Для работы в режиме ВЗН микросхема предварительно ориентируется так, чтобы направление ее регистров 1 совпадало с направлением вектора скорости сканирования, а частота переноса зарядов вдоль скан и частота считывания в регистрах 2, 4, 6 составляла соответственно

где V_скан линейная скорость сканирования изображения в плоскости светочувствительной поверхности матрицы;
l_эм линейный размер светочувствительного элемента матрицы и линейки в направлении .

При этом в элементах регистра 1 синхронно с перемещением изображения производится накопление и перенос генерируемых под воздействием света зарядовых пакетов. Сдвигаясь на 2l_эм, изображение попадает в элементы ПЗС-линейки 5, генерируя в них в Mn крат меньшие заряды. Построчно считываемые в регистре 2 заряды Q_i2 (где i=1,N}), задерживаются в регистре 4 на Перенос зарядов Q_i5 из элементов линейки 5 в регистр 6 и считывание информации из этого регистра производятся синхронно с аналогичными процессами в регистрах 1 и 2. При этом с выходных устройств 3 и 7, осуществляющих преобразование зарядов в видеоимпульсы, одновременно поступают неравновесные сигналы, соответствующие одному элементу изображения.

Работа микросхемы осуществляется под управлением серии тактовых импульсов [Ф.П. Пресс. Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью. М. Радио и связь, 1981]
Для реализации предлагаемой микросхемы необходимо соблюдение зависимостей
Q₁ Q₂ Q₄ Q₅ Q₆
где Q_1,2,4,5,6 глубина потенциальной ямы элемента соответствующего регистра.

Если накопленный в элементах столбца 1 матрицы заряд не превышает Q₁, то соответствующий сигнал с выходного устройства 3 несет достоверную информацию о яркости элемента просматриваемого поля. При превышении этим зарядом Q₁ избыточные носители отводятся в стоковые области, предотвращая расплывание изображения. Однако в этом случае не происходит, как в прототипе, потери информации о сигнале яркого объекта наблюдения, так как соответствующий ему заряд в ПЗС-линейке, в Mn раз меньший, чем в матрице, не превышает Q₅, а видеосигнал снимается с выходного устройства 7.

Достаточно несложной инженерной задачей представляются усиление сигнала с выходного устройства 7 и автоматическая коммутация его с сигналом выходного устройства 3, производимые в реальном масштабе времени. При такой обработке динамический диапазон информационного сигнала с выхода ФВС, реализованного на предлагаемой микросхеме, будет в Mn крат выше, чем у прототипа.

Так, при M=100 и 1/n=0,2 расширение диапазона входного сигнала в 500 раз соответствует увеличению диапазона яркостей звезд, излучение которых без искажения преобразуется в видеосигнал, на звездную величину
Δm_v= 2,5 lg Mn = 6,75.

Это позволит высокочувствительной ТВ-системе, использующей ФВС на предлагаемой микросхеме, с высокой точностью измерять яркости практически всех светил, попадающих в ее поле зрения.

Использование: в телевизионных измерительных системах, работающих в широком диапазоне выходного сигнала. Сущность: в фоточувствительную микросхему с зарядовой связью, на которой реализован формирователь видеосигнала, состоящую из M строк и N столбцов фоточувствительных элементов 1, светозащищеного выходного регистра 2 и выходного устройства 3, дополнительно введены линия задержки сигнала на основе регистра переноса с зарядовой связью и линейная фоточувствительная микросхема с зарядовой связью, содержащая N фоточувствительных элементов 5, аналогичных строке матрицы, выходной регистр 6 и выходное устройство 7, причем на поверхности фоточувствительных элементов 5 размещен оптический фильтр, а линия задержки 4 подключена между первыми выходным регистром 2 и выходным устройством 3. 2 ил.

Фоточувствительная микросхема с зарядовой связью, состоящая из М строк и N столбцов, фоточувствительных элементов, светозащищенного выходного регистра и выходного устройства, отличающаяся тем, что, с целью расширения динамического диапазона сигнала в режиме задержки и накопления сигнала, в нее дополнительно введены линия задержки сигнала на основе регистра переноса с зарядовой связью и линейная фоточувствительная микросхема с зарядовой связью, содержащая N фоточувствительных элементов, аналогичных строке матрицы, выходной регистр и выходное устройство, причем на поверхности фоточувствительных элементов размещен оптический фильтр, а линия задержки подключена между первым выходным регистром и выходным устройством.