Предлагаемое изобретение относится к телекамерам, выполненным на основе преобразователя «свет - сигнал» в виде матрицы приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС) и работающим в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов. Эти условия означают, что в поле зрения камеры могут находиться одновременно сильно и слабо освещенные объекты и/или объекты с резким отличием по яркости.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телекамеру [1], содержащую последовательно расположенные и оптически связанные объектив и светоделитель, причем первый выход светоделителя оптически связан с фотомишенью первого датчика телевизионного сигнала, второй выход светоделителя - с фотомишенью второго датчика телевизионного сигнала, а оптическое изображение от сильно освещенных и/или ярких объектов занимает центральную часть угла поля зрения, геометрические размеры фотомишеней датчиков одинаковы, а проекции оптического кадра объектива на фотомишенях совпадают, при этом вход «синхро» второго датчика подключен к выходу «синхро» первого датчика, выход «видео» которого подключен к первому информационному входу коммутатора-смесителя, второй информационный вход которого подключен к выходу «видео» второго датчика, «окно» фотометрирования автоматической регулировки чувствительности (АРЧ) которого установлено на центральную область его фотомишени, а «окно» фотометрирования АРЧ первого датчика - на всю область его фотомишени, кроме центральной, управляющий вход коммутатора-смесителя подключен к выходу сигнала «окошка» первого датчика, а выход коммутатора-смесителя является выходом «видео» телекамеры.
Телекамера прототипа формирует композитный видеосигнал комбинированного изображения, который является результатом синтеза изображений, вырабатываемых первым и вторым датчиками.
Для устройства прототипа предполагается наличие следующих признаков:
- первый и второй датчики синхронизированы в режиме Genlock по сигналу синхронизации приемника (ССП);
- первый и второй датчики в отдельности содержат матрицу ПЗС, сигнальный процессор и генератор управляющих импульсов, состоящий из последовательно соединенных временного контроллера и преобразователей уровней;
- матрицы ПЗС выполнены по схемотехнической организации «строчный перенос»;
- сигнальный процессор содержит в своем составе видеоусилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ), а также блок управляющих сигналов (БУС), который подключен к линейному выходу «видео» видеоусилителя и обеспечивает формирование управляющих напряжений для АРУ и для блока автоматической регулировки времени накопления (АРВН) фотоприемника;
- служебные импульсы, необходимые для работы сигнального процессора, подаются через управляющий вход с выхода временного контроллера;
- блок АРВН входит в состав генератора управляющих импульсов, а его выходной сигнал с изменяемой длительностью импульса подается непосредственно на электронный затвор матрицы ПЗС, расположенный на ее фотоприемной секции;
- сигнал «окошко» первого датчика, совпадающий по временному размещению в растре с «окном» фотометрирования второго датчика, может быть взят с выхода этого сигнала во временном контроллере.
Недостаток прототипа - ограничение динамического диапазона изображения телекамеры из-за ограниченных возможностей преобразования «свет - сигнал» и недостаточная геометрическая точность формирования выходного видеосигнала комбинированного изображения по причине использования двух матриц ПЗС в качестве фотоприемников.
Задача изобретения - расширение динамического диапазона и повышение геометрической точности формирования выходного изображения телекамеры путем оптимизации преобразования «свет - сигнал» и выполнения его на единственном кристалле фотоприемника.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемую телекамеру, которая содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив и светоделитель, причем первый выход светоделителя оптически связан с фотомишенью матрицы ПЗС с организацией «строчный перенос», состоящей из последовательно связанных зарядовой связью первой фотоприемной секции, первого горизонтального регистра и первого блока преобразования заряда в напряжение (БПЗН), а также сигнальный процессор, содержащий в своем составе первый видеоусилитель и первый БУС, информационный вход которого подключен к линейному выходу «видео» первого видеоусилителя, генератор управляющих импульсов, состоящий из последовательно соединенных временного контроллера (ВК) и преобразователей уровней (ПУ), и коммутатор-смеситель, причем первый и второй выходы ПУ подключены соответственно к управляющим входам первой фотоприемной секции и первого горизонтального регистра матрицы ПЗС, а третий выход ПУ - к электронному затвору первой фотоприемной секции, выход первого БПЗН матрицы ПЗС подключен через первый информационный вход сигнального процессора к информационному входу первого видеоусилителя, первый управляющий вход которого, являющийся первым управляющим входом сигнального процессора, подключен ко второму выходу ВК, первый управляющий вход которого подключен к первому выходу управления сигнального процессора, который является выходом «сигнала управления временем накопления» первого БУС, управляющий вход которого, являющийся вторым управляющим входом сигнального процессора, подключен к третьему выходу ВК, а выход «сигнала управления усилением» первого БУС - ко второму управляющему входу первого видеоусилителя, выход «видео» которого, являющийся первым информационным выходом сигнального процессора, подключен к первому информационному входу коммутатора-смесителя, управляющий вход которого подключен к третьему выходу ВК, а выход коммутатора-смесителя является выходом «видео» телекамеры, в составе сигнального процессора которой также содержится второй видеоусилитель и второй БУС, информационный вход которого подключен к линейному выходу «видео» второго видеоусилителя, а также последовательно связанные зарядовой связью вторая фотоприемная секция, второй горизонтальный регистр и второй БПЗН, причем вторая фотоприемная секция, геометрические размеры которой совпадают с геометрическими размерами первой фотоприемной секции, оптически связана со вторым выходом светоделителя, при этом вторая фотоприемная секция, второй горизонтальный регистр и второй БПЗН введены на кристалл матрицы ПЗС, а второй видеоусилитель и второй БУС введены в сигнальный процессор, причем управляющие входы второй фотоприемной секции и второго горизонтального регистра подключены соответственно к первому и второму выходам ПУ, а электронный затвор второй фотоприемной секции - к четвертому выходу ПУ, выход второго БПЗН матрицы ПЗС - через второй информационный вход сигнального процессора - к информационному входу второго видеоусилителя, первый управляющий вход которого подключен к первому управляющему входу сигнального процессора, второй управляющий вход ВК подключен ко второму выходу управления сигнального процессора, который является выходом «сигнала управления временем накопления» второго БУС, управляющий вход которого, являющийся третьим управляющим входом сигнального процессора, подключен к четвертому выходу ВК, а выход «сигнала управления усилением» второго БУС - ко второму управляющему входу второго видеоусилителя, выход «видео» которого, являющийся вторым информационным выходом сигнального процессора, подключен ко второму информационному входу коммутатора-смесителя, причем площадь затвора ΔS1 полевого транзистора, выполняющего сбор зарядовых носителей в первом БПЗН, выполнена по критерию минимального внесения в сигнал изображения собственных шумов, а площадь затвора ΔS2 аналогичного полевого транзистора во втором БПЗН - по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования, при этом ΔS1<ΔS2.
Для усиления эффекта расширения динамического диапазона в устройство телекамеры дополнительно вводится светофильтр с «окном» непрозрачности, устанавливаемый между первым выходом светоделителя и первой фотоприемной секцией матрицы ПЗС, причем пространственное положение и геометрические размеры «окна» непрозрачности светофильтра соответствуют временному размещению в растре и параметрам в единицах времени для «окна» фотометрирования этой секции ПЗС.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая телевизионная камера отличается следующими признаками:
- взаимным расположением фотомишеней для первого и второго фотоприемников, т.к. конструктивно и технологически эти мишени выполняются в виде двух фотоприемных секций, размещаемых на общем кристалле единственной матрицы ПЗС;
- взаимным расположением первого и второго горизонтальных регистров, размещаемых на общем кристалле единственной матрицы ПЗС;
- взаимным расположением первого и второго БПЗН, размещаемых на общем кристалле единственной матрицы ПЗС;
- схемотехнической организацией двухканального фотоприемника как формой выполнения этого элемента - матрицы ПЗС;
- взаимным расположением первого и второго видеусилителей, а также первого и второго БУС, размещаемых на общем сигнальном процессоре телекамеры;
- конструктивным различием первого и второго БПЗН по площади затвора полевого транзистора, который осуществляет поэлементный сбор носителей зарядового изображения;
- применением светофильтра с «окном» непрозрачности, взаимно совпадающим с расположением «окна» фотометрирования для первой фотоприемной матрицы ПЗС.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.
В предлагаемом решении первичное формирование составляющих видеосигнала комбинированного изображения выполняется в зарядовой форме параллельно на двух мишенях одной матрицы ПЗС, но во взаимодополняющих и взаимоисключающих «окнах» фотометрирования и, благодаря этому, при различных параметрах этого процесса (времени экспозиции и коэффициента усиления) для каждого из передаваемых фрагментов наблюдаемой сцены.
За счет использования в качестве фотоприемника телекамеры единственной матрицы ПЗС в заявляемой телекамере для составляющих видеосигналов комбинированного изображения отсутствует ошибка пространственного смещения, возможность которой в прототипе принципиально сохраняется из-за погрешности внешней синхронизации первого и второго датчиков телевизионного сигнала. Повышается и стабильность поддержания амплитуды видеосигнала комбинированного изображения при эксплуатации телекамеры в температурном диапазоне из-за воздействия на фотоприем лишь одного, а не двух различных отсчетов плотности темнового тока ПЗС.
В результате усовершенствования фотоэлектрического процесса в матрице ПЗС путем оптимизации конструкции БПЗН в выходном видеосигнале телекамеры обеспечивается расширение динамического диапазона и усиление этого положительного эффекта при дополнительном введении в предлагаемое устройство светофильтра с «окном» непрозрачности.
По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 изображена структурная схема заявляемой телекамеры; на фиг.2 приведена функциональная схема технологической организации матрицы ПЗС; на фиг.3 и 4 показаны эпюры сигналов для управления фотометрированием матрицы ПЗС; на фиг.5 представлено размещение составляющих комбинированного изображения в телевизионном растре и соответствующие им взаимное положение и размеры светофильтра и первой фотоприемной секции матрицы ПЗС; на фиг.6 - типовая световая характеристика телекамеры; на фиг.7 - временные диаграммы, иллюстрирующие управление электронным затвором фотоприемной секции матрицы ПЗС; на фиг.8 - иллюстрация процесса антиблюмингового стока в фотоприемной секции трехфазной матрицы ПЗС; на фиг.9 - пример схемного решения, поясняющий реализацию одного из двух каналов фотоэлектрического преобразования в телекамере.
Заявляемая телекамера (см. фиг.1), содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1, светоделитель 2 и матрицу 3 ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью первой фотоприемной секции 3-1, первого горизонтального регистра 3-2 и первого БПЗН 3-3, а также из расположенных на кристалле матрицы и последовательно связанных зарядовой связью второй фотоприемной секции 3-4, второго горизонтального регистра 3-5 и второго БПЗН 3-6, причем первый выход светоделителя 2 через светофильтр 8 оптически связан с фотоприемной секцией 3-1, а второй выход светоделителя 2 - с фотоприемной секцией 3-4; а также генератор 4 управляющих импульсов, состоящий из последовательно соединенных ВК 4-1 и ПУ 4-2; сигнальный процессор 5, содержащий первый видеоусилитель 5-1 и первый БУС 5-2, информационный вход которого подключен к линейному выходу «видео» видеоусилителя 5-1, второй видеоусилитель 5-3 и второй БУС 5-4, информационный вход которого подключен к линейному выходу «видео» видеоусилителя 5-3; и коммутатор-смеситель 6, причем первый выход ПУ 4-2 подключен к соединенным между собой управляющим входам секций 3-1 и 3-4, второй выход ПУ 4-2 - к соединенным между собой управляющим входам горизонтальных регистров 3-2 и 3-5, третий выход ПУ 4-2 - к электронному затвору секции 3-1, а четвертый выход ПУ 4-2 - к электронному затвору секции 3-4; выход БПЗН 3-3 подключен через первый информационный вход сигнального процессора к информационному входу видеоусилителя 5-1, а выход БПЗН 3-6 - через второй информационный вход сигнального процессора 5 - к информационному входу видеоусилителя 5-3, первый управляющий вход которого объединен с первым управляющим входом видеоусилителя 5-1 и является первым управляющим входом сигнального процессора 5, который подключен ко второму выходу ВК 4-1, третий выход которого через второй управляющий вход сигнального процессора 5 подключен к управляющему входу БУС 5-2, выход «сигнала управления временем накопления» которого через первый выход управления сигнального процессора 5 подключен к первому управляющему входу ВК 4-1, а выход «сигнала управления усилением» БУС 5-2 - ко второму управляющему входу видеоусилителя 5-1, выход «видео» которого через первый информационный выход сигнального процессора 5 подключен к первому информационному входу коммутатора-смесителя 6; четвертый выход ВК 4-1 через третий управляющий вход сигнального процессора 5 подключен к управляющему входу БУС 5-4, выход «сигнала управления временем накопления» которого через второй выход управления сигнального процессора 5 подключен ко второму управляющему входу ВК 4-1, а выход «сигнала управления усилением» БУС 5-4 - ко второму управляющему входу видеоусилителя 5-3; выход «видео» которого через второй информационный выход сигнального процессора 5 подключен ко второму информационному входу коммутатора-смесителя 6, управляющий вход которого подключен к третьему выходу ВК 4-1, а выход является выходом «видео» телекамеры.
Отметим, что на третьем выходе ВК 4-1, обозначенном на фиг.1 как «BLC1», формируется сигнал для «окна» фотометрирования секции 3-1 матрицы ПЗС, а на четвертом выходе ВК 4-1 («BLC2») - сигнал для «окна» фотометрирования секции 3-4. Осциллограммы (эпюры) сигнала BLC1 относительно сигнала гашения (CBLK) показаны на фиг.3. Временные характеристики сигнала BLC1 даны соответственно для кадровой и строчной его составляющих при работе телекамеры в вещательном телевизионном стандарте. Аналогично эпюры сигнала BLC2 относительно сигнала CBLK с указанием необходимых временных параметров приведены на фиг.4.
Объектив 1 и светоделитель 2 по исполнению не отличаются от аналогичных блоков прототипа. Светоделитель 2 (см. фиг.1) содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало 2-1 и отражающее зеркало 2-2, причем вход полупрозрачного зеркала является входом светоделителя, а второй выход полупрозрачного зеркала и выход отражающего - соответственно первым и вторым выходами светоделителя.
Фотоприемные секции 3-1 и 3-4 (см. фиг.2) фотоприемника 3 имеют типовую конструкцию для матриц ПЗС с организацией «строчный перенос». Каждая из них обеспечивает накопление зарядовых пакетов в светочувствительных элементах, в качестве которых используются фотодиоды, организованные в столбцы. В непосредственной близости от каждого столбца фотодиодов находится нечувствительный к свету вертикальный ПЗС-регистр, отделенный от фотодиодов фотозатвором. Во время накопления зарядовых пакетов в фотодиодах на фотозатвор подается низкий уровень напряжения, обеспечивающий потенциальный барьер между фотодиодами и вертикальным ПЗС-регистром. По окончании накопления на фотозатвор кратковременно подается высокий уровень напряжения, разрешающий перенос зарядовых пакетов из фотодиодов в потенциальные ямы, образованные в вертикальных ПЗС-регистрах.
Как и в прототипе, каждая из фотоприемных секций матрицы 3 ПЗС снабжена электронным затвором, выполняющим электронную регулировку чувствительности путем управления временем накопления зарядовых носителей в течение кадрового периода. Импульсный сигнал, подаваемый на соответствующий электрод управления, показан на фиг.7б по отношению к кадровому бланку, представленному на фиг.7а. По сути, электронный затвор является затвором антиблюминговой (стоковой) области GA, технологически выполненной в фотоприемной секции матрицы ПЗС, как показано на фиг.8.
Во время световой перегрузки матрицы ПЗС на затвор GA подается высокий уровень импульсного смещения, поэтому потенциальный барьер снимается, затвор открывается, а на фомишени исключается процесс накопления фотоэлектронов. Носители зарядов, не задерживаясь в потенциальных ямах под фазными электродами, например под шинами Ф2Н при трехфазной организации переноса, устремляются в более глубокие ямы, создаваемые потенциалом DA стоковой области, а далее рекомбинируют в подложку фотоприемника (см. фиг.8б). Когда световая перегрузка матрицы ПЗС устранена, на затвор GA подается нижний уровень импульсного смещения, закрывая его и реализуя режим накопления с сокращенным внутри кадра временем Тк сбора носителей (см. фиг.8а).
Продолжая изложение работы фотоприемника 3 телекамеры, отметим, что зарядовые пакеты из вертикальных ПЗС-регистров секции 3-1 построчно переносятся в горизонтальный регистр 3-2, из которого поэлементно считываются через БПЗН 3-3. Зарядовые пакеты из вертикальных регистров секции 3-4 аналогично поступают в горизонтальный регистр 3-5, а далее - в БПЗН 3-6. Все они также являются типовыми представителями матрицы ПЗС со строчным переносом.
Блок 3-6, как и блок 3-3, предназначен для осуществления преобразования зарядового сигнала изображения в напряжение видеосигнала. Принципиальным их отличием является различный уровень зарядовых пакетов на входе, который учитывается при конструктивном исполнении полевого транзистора в части емкости его затвора.
Для БПЗН 3-3 ожидается низкий уровень зарядового сигнала, поэтому емкость затвора должна быть предельно малой, что достигается выбором геометрии его размеров, обеспечивающей малую площадь затвора (ΔS1).
Напротив, для БПЗН 3-6 предполагается высокий уровень зарядового сигнала, поэтому необходимо увеличить управляющую способность блока путем увеличения площади затвора (ΔS2).
Так что обязательным при конструировании нагрузочных транзисторов является условие: ΔS1<ΔS2.
Здесь необходимо привести техническое обоснование данного предложения. Дело в том, что в каждом элементе выводимого из матрицы ПЗС видеосигнала дополнительно к фотонному шуму проявляется собственный источник шума, называемый шумом считывания. Среднеквадратичное отклонение (СКО) шума считывания определяется площадью затвора выходного полевого транзистора. Типовое значение СКО шума считывания составляет 20 электронов [2, с.52], и оно является результатом проектирования выходного транзистора, площадь затвора (AS) которого вмещает максимальную величину ожидаемого заряда, т.е. соответствует критерию максимальной управляющей способности зарядового фотоэлектронного преобразования, осуществляемого в матрице ПЗС.
По мнению специалистов, теоретически СКО шума считывания может быть снижено на порядок [2, с.52]. Следовательно, причина ограничения динамического диапазона снизу для телекамеры прототипа уже заложена в конструкции БПЗН матрицы ПЗС, а для расширения динамического диапазона целесообразно оптимизировать в фотоприемнике сам процесс преобразования «заряд - напряжение».
На световой характеристике заявляемой телекамеры (см. фиг.6) точка Б соответствует минимальной (пороговой) освещенности телекамеры Emin2 для порогового отношения сигнал/шум Ψпор=6, когда площадь затвора ΔS1 выбрана по критерию минимального внесения в видеосигнал собственных шумов матрицы. Точка А на той же характеристике соответствует минимальной освещенности Emin1 для того же порогового отношения сигнал/шум Ψпор=6, а площадь ΔS1 выбрана по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования. Поэтому отношение пороговых освещенностей может составить: 
.
По сути, в заявляемом решении на общем кристалле фотоприемника размещены две матрицы ПЗС со строчным переносом и с оптимизированным преобразованием «заряд - напряжение» для каждой из них. Технически реализуемо, что для такой матрицы ПЗС число элементов для фотоприемных секций 3-1 и 3-4 составляет 582(V)×752(Н), а размер каждой мишени по диагонали - ½ дюйма.
Другой особенностью заявляемого решения является применение светофильтра 7 с «окном» непрозрачности. Как показано на фиг.5б, пространственное положение и геометрические размеры «окна» непрозрачности соответствуют растровому положению и временным параметрам для «окна» фотометрирования секции 3-1 матрицы ПЗС.
Пусть размеры фотомишени 3-1 составляют (L×H) в мм, а размеры «окна» непрозрачности - (l×h) в тех же единицах (см. фиг.5б). Площадь «окна» непрозрачности, как и «окна» фотометрирования, составляет 1/9 от площади всей фотомишени. Если видимое с экрана монитора изображение имеет размеры (L1×H1), а размеры области центрального «окошка» составляют (a×b) в мм, как показано на фиг.5а, то имеем соотношение: 
.
С другой стороны, для телекамеры, работающей в вещательном стандарте, размеры этого «окошка» в единицах времени составляют: a=52/3=17,3 мкс, b=288×64/3=6144 мкс.
Для фотоприемной секции 3-1 крутизна (S1) «свет - сигнального» преобразования (см. фиг.6) равна:
где Umax - максимальное напряжение линейного участка преобразования «свет-сигнал»;
Emax - освещенность, при которой наступает насыщение носителями потенциальных ям фотомишени 3-1.
Крутизна «свет - сигнального» преобразования секции 3-4 (S2) составляет:
где Umax - максимальное напряжение линейного участка преобразования «свет-сигнал»;
Emax - освещенность, при которой наступает насыщение носителями потенциальных ям фотомишени 3-4.
Очевидно, что E2<Emax. Поэтому S1>S2.
Генератор 4 управляющих импульсов предназначен для осуществления развертки в матрице 3 ПЗС и формирования служебных импульсов для сигнального процессора 4. Входящий в его состав ВК 4-1 может быть выполнен в виде большой интегральной схемы (БИС), например, микросхемы CXD2463R фирмы Sony [3]. ПУ 4-2, служащий для преобразования уровней логических сигналов ВК 4-1 в уровни сигналов, необходимые для работы матрицы 3 ПЗС, может быть реализован в виде второй БИС необходимого комплекта.
Сигнальный процессор 5 содержит в своем составе первый видеоусилитель 5-1 и первый БУС 5-2, второй видеоусилитель 5-3 и второй БУС 5-4; предназначен для двухканального усиления и обработки сигналов изображения с выходов матрицы ПЗС, выполнения функции АРУ для каждого канала, формирования на первом и втором информационных выходах композитных видеосигналов, формирования на первом и втором выходах управления управляющих сигналов для двухканальной схемы АРВН. БУС-5-2, как и БУС 5-4, содержит в отдельности детектор видеосигнала и два управляемых коммутатора сигналов (см. фиг.9). Сигнальный процессор 5 может быть выполнен в виде одной БИС или двух микросхем CXA1310AQ фирмы Sony [4].
Коммутатор-смеситель 6, как и в прототипе, предназначен для формирования композитного комбинированного видеосигнала. Яркие и светлые детали наблюдаемой телекамерой сцены передаются в нем в пределах центрального растрового «окошка». В пределах оставшейся области кадра осуществляется передача темных и/или низко освещенных деталей сцены.
Телекамера (см. фиг.1) работает следующим образом. Предварительно выполняют размещение и ориентирование телекамеры так, чтобы сильно освещенные и/или яркие объекты воспринимались на контролируемом изображении в центральной части ее угла зрения, т.е. в области центрального «окошка» (см. фиг.5а).
Для фотоприемной секции 3-1 областью фотометрирования является центральная область мишени, а для секции 3-4 - вся область ее мишени минус центральная. В результате для наблюдаемого заявляемой телекамерой сюжета канал АРВН и АРУ для секции 3-1 и канал АРВН и АРУ для секции 3-4 фотоприемника 3 установят различные и оптимальные значения текущей экспозиции и коэффициента усиления видеоусилителей 5-1 и 5-3 сигнального процессора 5, а именно: Tн1>Тн2; Kу1>Kу2,
где Тн1, Kу1 - длительность текущего накопления в секции 3-1 и коэффициент усиления видеоусилителя 5-1;
Тн2, Kу2 - длительность текущего накопления в секции 3-4 и коэффициент усиления видеоусилителя 5-3.
Но, по сравнению с прототипом, благодаря оптимизации площади затвора (ΔS1) в БПЗН 3-3 обеспечивается дополнительное повышение отношения сигнал/шум для темных и/или низко освещенных деталей сцены.
Этот фактор служит основанием утверждать о расширении динамического диапазона телекамеры, оцениваемого по выходному композитному видеосигналу. Если обратиться к световой характеристике телекамеры (см. фиг.6), то для прототипа диапазон рабочих освещенностей составляет (Emin1…Emax), а для заявляемого решения - (Emin2…Emax), который потенциально шире первого диапазона на порядок.
Следует отметить, что предлагаемое решение для расширения динамического диапазона в телекамере на ПЗС может быть успешно реализовано только при условии правильного конструирования антиблюминговой области матрицы ПЗС для выполнения эффективного стока избыточных зарядов в фотоприемнике.
Австралийский специалист Владо Дамьяновски в своей книге [5, с.152] формулирует так критерий ее правильной работы: «Эта секция (область) ограничивает количество зарядов, которые могут собираться в каждом пикселе. Если эта секция спроектирована нормально, ни один пиксел не может аккумулировать больший заряд, чем могут передать сдвиговые регистры». Иначе говоря, благодаря организации эффективного антиблюминга в матрице ПЗС, при любой световой перегрузке растекание зарядов за пределы каждого светочувствительного элемента должно быть исключено.
К сожалению, при больших значениях освещенности верхней границы диапазона (Emax) антиблюминговая область фотоприемной секции 3-1 современной матрицы ПЗС может уже не справляться со стоком избыточных зарядов.
Тогда целесообразно дополнительно установить в телекамере светофильтр 7 с «окном» непрозрачности.
Благодаря размещению в обойме светофильтра «окна» непрозрачности точно напротив участка наблюдаемой сцены с высокой освещенностью и/или яркостью объектов сток избыточных зарядов в секции 3-1 вновь приходит в равновесное состояние.
В предлагаемой телекамере составляющие комбинированного изображения рождаются в зарядовой форме на кристалле единственной матрицы ПЗС, а не на двух кристаллах, как это реализовано в прототипе. Поэтому точность формирования и поддержания комбинированного изображения в заявляемой телекамере по сравнению с прототипом будет заведомо выше.
В настоящее время все блоки предлагаемого решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
Источники информации
1. Патент РФ №2317652, МПК H04N 5/225. Способ телевизионного наблюдения в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов и устройство для его осуществления / В.М.Смелков // Б.И. - 2008. - №5.
2. Никитин В.В., Цыцулин А.К. Телевидение в системах физической защиты. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001.
3. Микросхема CXD2463R фирмы Sony. Timing Controller for CCD Camera. Инструкция для пользователя на английском языке, с.1-12.
4. Микросхема CXA1310AQ фирмы Sony. Single Chip Processing for CCD Camera. Инструкция для пользователя на английском языке, с.1-14.
5. Владо Дамьяновски «CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии / Перевод с англ. - М.: ООО «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.
Изобретение относится к телекамерам, выполненным на основе преобразователя «свет - сигнал» в виде матрицы приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС) и работающим в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов. Техническим результатом является расширение динамического диапазона и повышение геометрической точности формирования выходного изображения телекамеры. Результат достигается путем оптимизации преобразования «свет - сигнал» и выполнения его на единственном кристалле фотоприемника. А также тем, что первичное формирование составляющих видеосигнала комбинированного изображения выполняется в зарядовой форме параллельно на двух мишенях одной матрицы ПЗС во взаимодополняющих и взаимоисключающих областях фотометрирования при различных временах накопления зарядов и различных коэффициентах усиления видеоусилителей. При этом расширение динамического диапазона достигается за счет оптимизации в фотоприемнике преобразования «заряд - напряжение» путем выбора необходимой площади затвора (ΔS) полевого транзистора, выполняющего сбор зарядовых носителей для темных и/или низко освещенных деталей сцены. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.
1. Телевизионная камера для наблюдения в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов, содержащая последовательно расположенные и оптически связанные объектив и светоделитель, причем первый выход светоделителя оптически связан с фотомишенью матрицы приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС) с организацией «строчный перенос», состоящей из последовательно связанных зарядовой связью первой фотоприемной секции, первого горизонтального регистра и первого блока преобразования заряда в напряжение (БПЗН), а также сигнальный процессор, содержащий в своем составе первый видеоусилитель и первый блок управляющих сигналов (БУС), информационный вход которого подключен к линейному выходу «видео» первого видеоусилителя, генератор управляющих импульсов, состоящий из последовательно соединенных временного контроллера (ВК) и преобразователей уровней (ПУ), и коммутатор-смеситель, причем первый и второй выходы ПУ подключены соответственно к управляющим входам первой фотоприемной секции и первого горизонтального регистра матрицы ПЗС, а третий выход ПУ - к электронному затвору первой фотоприемной секции, выход первого БПЗН матрицы ПЗС подключен через первый информационный вход сигнального процессора к информационному входу первого видеоусилителя, первый управляющий вход которого, являющийся первым управляющим входом сигнального процессора, подключен ко второму выходу ВК, первый управляющий вход которого подключен к первому выходу управления сигнального процессора, который является выходом «сигнала управления временем накопления» первого БУС, управляющий вход которого, являющийся вторым управляющим входом сигнального процессора, подключен к третьему выходу ВК, а выход «сигнала управления усилением» первого БУС - ко второму управляющему входу первого видеоусилителя, выход «видео» которого, являющийся первым информационным выходом сигнального процессора, подключен к первому информационному входу коммутатора-смесителя, управляющий вход которого подключен к третьему выходу ВК, а выход является выходом «видео» телекамеры, в составе сигнального процессора которой также содержится второй видеоусилитель и второй БУС, информационный вход которого подключен к линейному выходу «видео» второго видеоусилителя, а также последовательно связанные зарядовой связью вторая фотоприемная секция, второй горизонтальный регистр и второй БПЗН, причем вторая фотоприемная секция, геометрические размеры которой совпадают с геометрическими размерами первой фотоприемной секции, оптически связана со вторым выходом светоделителя, отличающаяся тем, что вторая фотоприемная секция, второй горизонтальный регистр и второй БПЗН введены на кристалл матрицы ПЗС, а второй видеоусилитель и второй БУС введены в сигнальный процессор, причем управляющие входы второй фотоприемной секции и второго горизонтального регистра подключены соответственно к первому и второму выходам ПУ, а электронный затвор второй фотоприемной секции - к четвертому выходу ПУ, выход второго БПЗН матрицы ПЗС - через второй информационный вход сигнального процессора - к информационному входу второго видеоусилителя, первый управляющий вход которого подключен к первому управляющему входу сигнального процессора, второй управляющий вход ВК подключен ко второму выходу управления сигнального процессора, который является выходом «сигнала управления временем накопления» второго БУС, управляющий вход которого, являющийся третьим управляющим входом сигнального процессора, подключен к четвертому выходу ВК, а выход «сигнала управления усилением» второго БУС - ко второму управляющему входу второго видеоусилителя, выход «видео» которого, являющийся вторым информационным выходом сигнального процессора, подключен ко второму информационному входу коммутатора-смесителя, причем площадь затвора ΔS1 полевого транзистора, выполняющего сбор зарядовых носителей в первом БПЗН, выполнена по критерию минимального внесения в сигнал изображения собственных шумов, а площадь затвора ΔS2 аналогичного полевого транзистора во втором БПЗН - по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования, при этом ΔS1<ΔS2.
2. Телевизионная камера по п.1, отличающаяся тем, что между первым выходом светоделителя и первой фотоприемной секцией матрицы ПЗС введен светофильтр с «окном» непрозрачности, причем пространственное положение и геометрические размеры «окна» непрозрачности светофильтра соответствуют временному размещению в растре и параметрам в единицах времени, установленным для «окна» фотометрирования этой секции ПЗС.
| СПОСОБ ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОГО ОСВЕЩЕНИЯ И/ИЛИ СЛОЖНОЙ ЯРКОСТИ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2006 |
|
RU2317652C2 |
| WO 2010118177 А1, 14.10.2010 | |||
| US 4984002 А, 08.01.1991. | |||
