УСТРОЙСТВО ДАТЧИКА ЦИФРОВОГО МОНОХРОМНОГО ВИДЕОСИГНАЛА ДЛЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ ПАНОРАМНОГО НАБЛЮДЕНИЯ "ДЕНЬ - НОЧЬ" Российский патент 2017 года по МПК H04N5/335 

Изобретение имеет отношение к панорамному телевизионному наблюдению «день - ночь», которое выполняется в вечернее и/или в ночное время суток телевизионной камерой кругового обзора в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению следует считать устройство датчика цифрового монохромного видеосигнала для телевизионной камеры панорамного наблюдения «день - ночь» [1], которое формирует «кольцевой» растр изображения, передавая на выход цифровой композитный видеосигнал черно-белого изображения, и содержит в своем составе «кольцевой» фотоприемник, блок «кольцевой» развертки и соединенные последовательно сигнальный процессор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого является выходом цифрового телевизионного сигнала (ЦТС) датчика, при этом «кольцевой» фотоприемник, выполненный по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), имеет кристалл мишени в виде кругового кольца и состоит из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, «кольцевого» регистра сдвига и преобразователя «заряд - напряжение» (БПЗН), причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, число элементов которого равно числу элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области, при этом блок «кольцевой» развертки состоит из временного контроллера, первого преобразователя уровней (ПУ) и второго ПУ, причем первый управляющий вход фотоприприемной области «кольцевого» фотоприемника подключен к выходу первого ПУ, управляющий вход «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника - к выходу второго ПУ, а выход БПЗН «кольцевого» фотоприемника - к информационному входу сигнального процессора, выход управления экспозицией которого подключен к управляющему входу временного контроллера, первый выход которого подключен к входу первого ПУ, второй выход временного контроллера - к входу второго ПУ, третий выход временного контроллера - к входу синхронизации сигнального процессора, а четвертый выход временного контроллера - к тактовому входу АЦП.

Для прототипа предполагается, что кристалл «кольцевого» фотоприемника выполнен из кремния. БПЗН «кольцевого» фотоприемника организован по типу «плавающая диффузионная область» [2], а поэтому имеет управляющий вход, обеспечивающий поэлементный сброс напряжения формируемого видеосигнала. Предполагается, что логический сигнал поэлементного сброса формируется на пятом выходе временного контроллера и подается через третий ПУ на управляющий вход БПЗН.

Недостаток датчика цифрового монохромного видеосигнала для телевизионной камеры прототипа - переменная величина разрешающей способности изображения в пределах кадра, изменяющаяся в сторону уменьшения по направлению к внешней периферии «кольцевого» фотоприемника из-за увеличивающейся величины зазора между его светочувствительными элементами, которые имеют одинаковый показатель по геометрической площади.

Задачей изобретения является выравнивание разрешающей способности изображения монохромного датчика телевизионной камеры путем реализации в его «кольцевом» фотоприемнике различной по площади светочувствительных элементов и управления зарядовым считыванием в видеосигнале сенсора с одинаковой величиной площади апертуры.

Поставленная задача в заявляемом датчике цифрового монохромного видеосигнала решается тем, что в устройство его прототипа [1], которое формирует «кольцевой» растр изображения, передавая на выход цифровой композитный видеосигнал черно-белого изображения, и содержит в своем составе «кольцевой» фотоприемник, блок «кольцевой» развертки и соединенные последовательно сигнальный процессор и АЦП, выход которого является выходом ЦТС датчика, при этом «кольцевой» фотоприемник, выполненный по технологии ПЗС, имеет кристалл мишени в виде кругового кольца из кремния и состоит из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, «кольцевого» регистра сдвига и БПЗН, причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, число элементов которого равно числу элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области, при этом блок «кольцевой» развертки состоит из временного контроллера, первого ПУ, второго ПУ и третьего ПУ, причем первый управляющий вход фотоприприемной области «кольцевого» фотоприемника подключен к выходу первого ПУ, управляющий вход «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника - к выходу второго ПУ, управляющий вход БПЗН «кольцевого» фотоприемника – к выходу третьего ПУ, а выход БПЗН «кольцевого» фотоприемника - к информационному входу сигнального процессора, выход управления экспозицией которого подключен к управляющему входу временного контроллера, первый выход которого подключен к входу первого ПУ, второй выход временного контроллера - к входу второго ПУ, третий выход временного контроллера - к входу синхронизации сигнального процессора, а четвертый выход временного контроллера - к тактовому входу АЦП, введен блок формирования апертуры (БФА), информационный вход которого подключен к пятому выходу временного контроллера, синхронизирующий вход БФА - к шестому выходу временного контроллера, а выход БФА - к входу третьего ПУ, при этом на фотоприемной области вносятся следующие конструкторско-технологические изменения топологического характера, а именно площадь светочувствительных элементов и равная ей площадь экранированных элементов различны от строки к строке, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента «кольцевого» регистра сдвига, при реализации в выходном видеосигнале сенсора одинаковой площади считывающей апертуры, причем период управляющих импульсов T_r, формируемых на выходе БФА, определяется соотношением

где T_p - период считывания элемента в «кольцевом» фотоприемнике;

n_m - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике равна отношению

где Δ₁ и Δ_m - соответственно площадь светочувствительного элемента для первой и текущей строк считывания в «кольцевом» фотоприемнике.

Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемое устройство датчика цифрового монохромного видеосигнала отличается тем, что в его «кольцевом» фотоприемнике светочувствительные элементы имеют геометрическую площадь, которая монотонно увеличивается в радиальном направлении на пути к внешней периферии.

При этом при помощи вводимого в состав телевизионной камеры БФА реализуется одинаковый показатель площади считывающей апертуры сенсора, что обеспечивает одинаковую чувствительность сенсора по всей его мишени и без внесения шумовых потерь для видеосигнала.

Учитывая, что в новой топологии фотоприемника зазоры, т.е. промежутки между светочувствительными элементами по всей мишени становятся одинаковыми (или близкими к одинаковым) по величине, осуществляется выравнивание параметра разрешающей способности изображения в пределах всего «кольцевого» телевизионного кадра.

Совокупность известных и новых признаков для заявляемого устройства не известна из уровня техники, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.

Выравнивание разрешающей способности изображения выполняется в «кольцевом» растре изображения. Поэтому данное техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого устройства датчика цифрового монохромного видеосигнала для телевизионной камеры панорамного наблюдения «день - ночь»; на фиг. 2 приведена схемотехническая организации «кольцевого» фотоприемника из состава этого датчика; на фиг. 3 показан фрагмент этого фотоприемника, иллюстрирующий подробности его конструкции; на фиг. 4, по данным [2, с.19], представлена структурная схема БПЗН с организацией «плавающая диффузионная область»; на фиг. 5 изображена эпюра выходного сигнала БФА, который выполняет управление апертурой заявляемого «кольцевого» сенсора; на фиг. 6, по данным [3], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива.

Заявляемое устройство датчика цифрового монохромного видеосигнала (см. фиг. 1-3) содержит в своем составе «кольцевой» фотоприемник 1, блок 2 «кольцевой» развертки и соединенные последовательно сигнальный процессор 3 и АЦП 4, выход которого является выходом устройства датчика, при этом «кольцевой» фотоприемник 1 состоит из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области 1-1, «кольцевого» регистра сдвига 1-2 и БПЗН 1-3, при этом блок 2 «кольцевой» развертки состоит из временного контроллера 2-1, первого ПУ 2-2, второго ПУ 2-3, третьего ПУ 2-4 и БФА 2-3, причем первый управляющий вход фотоприприемной области «кольцевого» фотоприемника 1 подключен к выходу первого ПУ 2-1, управляющий вход «кольцевого» регистра сдвига 1-2 «кольцевого» фотоприемника - к выходу второго ПУ 2-3, управляющий вход БПЗН 1-3 «кольцевого» фотоприемника - к выходу третьего ПУ 2-4, а выход БПЗН 1-3 «кольцевого» фотоприемника - к информационному входу сигнального процессора 3, выход управления экспозицией которого подключен к управляющему входу временного контроллера 2-1, первый выход которого подключен к входу первого ПУ 2-2, второй выход временного контроллера 2-1 - к входу второго ПУ 2-3, третий выход временного контроллера 2-1 - к входу синхронизации сигнального процессора 3, а четвертый выход временного контроллера 2-1 - к тактовому входу АЦП 4, при этом информационный вход БФА 2-5 подключен к пятому выходу временного контроллера 2-1, синхронизирующий вход БФА 2-5 - к шестому выходу временного контроллера 2-1, а выход БФА 2-5 - к входу третьего ПУ 2-4.

Наличие пассивной (неинформативной) области в центре оптического кадра панорамного изображения (см. фиг. 6) подтверждает целесообразность выбора формы фотоприемника 1, как и в прототипе, в пользу кругового кольца.

Следует отметить, что в «кольцевом» фотоприемнике 1 электроды переноса на фотоприемной области 1-2 и в «кольцевом» регистре сдвига 1-3 могут быть выполнены с геометрической формой не в виде прямоугольника, а в виде части кругового кольца. Несомненно, что это предоставит и определенные преимущества при изготовлении «кольцевого» фотоприемника по технологии ПЗС.

При использовании заявляемого датчика цифрового монохромного видеосигнала в системах охранного телевидения разумно кристалл «кольцевого» фотоприемника 1 выполнить не на основе кремния, а на основе полупроводника из арсенида галлия.

Тогда физически реально достигнуть красной границы спектральной характеристики 1,7 мкм и даже 2,2 мкм, не применяя принудительное охлаждение кристалла фотоприемника [4, с. 113], а в результате получить существенный выигрыш в чувствительности датчика.

На фиг. 4 показана возможная структурная схема БПЗН «кольцевого» фотоприемника с организацией «плавающая диффузионная область», которая полностью совпадает со схемой, применяемой в настоящее время в матрицах ПЗС для реализации прямоугольной развертки видеосигнала. На фиг. 4 приняты следующие обозначения: U_ф1, U_ф2, U_ф3 - напряжения на шинах для трехфазного управления «кольцевым» регистром сдвига 1-2-2; U_выхЗ - напряжение на выходном затворе; Д_вых, Д_сбр - выходной и сбрасывающие диоды соответственно.

Перед считыванием информационного заряда очередного элемента (пиксела) в процессе его преобразования в напряжение видеосигнала информационный заряд предыдущего элемента должен быть сброшен в стирающий диод Д_сбр.

Эта процедура осуществляется при помощи управляющих импульсов T_r, называемых часто в литературе импульсами сброса, которые подаются на соответствующую шину управления БПЗН 1-3.

Блок формирования апертуры (БФА) 1-6 предназначен для управления считывающей апертурой в «кольцевом» фотоприемнике 1 при поэлементном съеме напряжения видеосигнала в БПЗН 1-3. В результате для всех строк фотоприемника обеспечивается одинаковая по полю площадь считывающей апертуры при различной от строки к строке площади электродов светочувствительных элементов сенсора.

Эпюра выходного сигнала T_r, вырабатываемая на выходе БФА 2-5, представлена на фиг. 5. Предполагается, что фотоприемник 1 содержит n «кольцевых» строк. На этой диаграмме первая строка обозначена как T_c1, а последняя строка - как T_cn.

Управляющие импульсы имеют положительную полярность, малую (короткую) длительность и различный период следования в пределах каждой из «кольцевых» строк.

Период управляющих импульсов для первой «кольцевой» строки обозначен T_r1, а период управляющих импульсов для последней «кольцевой» строки - T_rn. Период T_r1 является самым малым и равен периоду считывания элемента T_p, а период считывания T_rn - самым большим, который равен nT_r.

В физическом плане управление площадью апертуры осуществляется за счет суммирования зарядовых пакетов в соседних элементах каждой текущей «кольцевой» строки сенсора до выполнения процедуры преобразования «заряд - напряжение». Поэтому это зарядовое сложение не может быть дополнительным источником шумов для видеосигнала на выходе телевизионной камеры.

БФА 2-5 на практике может быть реализован с использованием классического набора технических средств (логических элементов) цифровой электроники. Очевидно, что БФА 2-5 может быть выполнен в составе временного контроллера 2-1 блока 2 «кольцевой» развертки.

Остальные блоки заявляемого датчика, а именно временной контроллер 2-1, ПУ 2-2, ПУ 2-3, ПУ 2-4, сигнальный процессор 3 и АЦП 4, - ничем не отличаются от блоков прототипа, имеющих те же наименования.

Устройство датчика цифрового монохромного видеосигнала (см. фиг. 1-5) работает следующим образом.

Как и в прототипе [1], «кольцевой» фотоприемник 1 заявляемого датчика реализует «кольцевую» развертку зарядового изображения на фотоприемной области 1-1 с последующим поэлементным считыванием зарядов в «кольцевом» регистре 1-2 и формированием на выходе БПЗН 1-3 напряжения черно-белого видеосигнала в аналоговой форме.

При этом в интервале прямого хода по кадру происходит процесс накопления зарядовых пакетов пропорционально освещенности панорамного сюжета в светочувствительных элементах (пикселах) мишени 1-1-1.

В течение кратковременного промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки открывается фотозатвор мишени 1-1-2, и заряды всех «кольцевых» строк, участвовавших в накоплении, переносятся (за один шаг поворота) в экранированные от света пикселы 1-1-3, расположенные на той же мишени 1-1.

Затем фотозатвор мишени 1-1-2 закрывается и в новом кадровом цикле на мишени выполняется накопление другой зарядовой «картины», а накопленные в предыдущем кадре зарядовые пакеты в радиальных направлениях переносятся на периферию кристалла фотоприемника, загружая в интервале обратного хода по строке новыми зарядами «кольцевой» регистр 1-2.

Но в отличие от прототипа [1], процесс текущего поэлементного преобразования «заряд - напряжение», выполняемый в БПЗН 1-3, осуществляется с переменной величиной периода сброса предыдущего зарядового пакета в стирающий диод.

Этот период, обозначенный как T_r, в пределах «кольцевого» кадра меняется по величине от самого малого (T_r1) для первой строки до самого большого (T_cn) для последней строки.

Благодаря тому, что площадь светочувствительных элементов для «кольцевых» строк на фотоприемной области 1-2 априори изменяется в этом направлении пропорционально, но в сторону уменьшения, обеспечивается одинаковая величина площади считывающей апертуры сенсора.

Величина же промежутка между отдельными апертурными площадками («апертурными пятнами») за счет новой топологии фотоприемника обеспечивается практически одинаковой по всей площади мишени и равной величине зазоров между светочувствительными элементами сенсора.

Следовательно, для заявляемого датчика черно-белого видеосигнала будет достигаться выравнивание параметра разрешающей способности непосредственно в фотоприемнике 1.

Далее монохромный видеосигнал сенсора, как и в датчике прототипа, преобразуется на выходе сигнального процессора 3 в аналоговый композитный видеосигнал, а затем на выходе АЦП 4 - в цифровой телевизионный сигнал (ЦТС) черно-белого изображения, являющийся и выходным сигналом самого датчика.

Техническим результатом заявляемого датчика можно считать получение одинакового показателя четкости монохромного изображения по всему пространству «кольцевого» кадра.

В настоящее время все элементы структурной схемы устройства датчика цифрового монохромного видеосигнала освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.

Поэтому следует считать изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2555855, МПК H04N 7/00. Устройство панорамного наблюдения «день - ночь» и телевизионная камера для его реализации. / В.М. Смелков // Б.И. - 2015. - №19.

2. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. – М.: Радио и связь, 1986.

3. Патент РФ №2185645, МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // Б.И. - 2002. - №20.

4. Цыцулин А.К. Телевидение и космос: Учебное пособие. / Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2003.

Изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению «день - ночь», которое выполняется в вечернее и/или в ночное время суток телевизионной камерой кругового обзора в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места. Техническим результатом является выравнивание разрешающей способности изображения монохромного датчика телевизионной камеры. Результат достигается путем реализации в его «кольцевом» фотоприемнике различных по площади светочувствительных элементов и управления зарядовым считыванием в видеосигнале сенсора с одинаковой величиной площади апертуры. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство датчика цифрового монохромного видеосигнала для телевизионной камеры панорамного наблюдения «день - ночь», которое формирует «кольцевой» растр изображения, передавая на выход цифровой композитный видеосигнал черно-белого изображения, и содержит в своем составе «кольцевой» фотоприемник, блок «кольцевой» развертки и соединенные последовательно сигнальный процессор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого является выходом цифрового телевизионного сигнала (ЦТС) датчика, при этом «кольцевой» фотоприемник, выполненный по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), имеет кристалл мишени в виде кругового кольца из кремния и состоит из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, «кольцевого» регистра сдвига и преобразователя «заряд - напряжение» (БПЗН), причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, число элементов которого равно числу элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области, при этом блок «кольцевой» развертки состоит из временного контроллера, первого преобразователя уровней (ПУ), второго ПУ и третьего ПУ, причем первый управляющий вход фотоприприемной области «кольцевого» фотоприемника подключен к выходу первого ПУ, управляющий вход «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника - к выходу второго ПУ, управляющий вход БПЗН «кольцевого» фотоприемника – к выходу третьего ПУ, а выход БПЗН «кольцевого» фотоприемника - к информационному входу сигнального процессора, выход управления экспозицией которого подключен к управляющему входу временного контроллера, первый выход которого подключен к входу первого ПУ, второй выход временного контроллера – к входу второго ПУ, третий выход временного контроллера - к входу синхронизации сигнального процессора, а четвертый выход временного контроллера - к тактовому входу АЦП, отличающееся тем, что в него введен блок формирования апертуры (БФА), информационный вход которого подключен к пятому выходу временного контроллера, синхронизирующий вход БФА - к шестому выходу временного контроллера, а выход БФА - к входу третьего ПУ, при этом на фотоприемной области площадь светочувствительных элементов и равная ей площадь экранированных элементов различны от строки к строке, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента «кольцевого» регистра сдвига, при реализации в выходном видеосигнале сенсора одинаковой площади считывающей апертуры, причем период управляющих импульсов T_r, формируемых на выходе БФА, определяется соотношением

где Т_р - период считывания элемента в «кольцевом» фотоприемнике;

n_m - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике равна отношению

где Δ₁ и Δ_m - соответственно площадь светочувствительного элемента для первой и текущей строк считывания в «кольцевом» фотоприемнике.

2. Устройство датчика по п. 1, отличающееся тем, что «кольцевой» фотоприемник выполнен из арсенида галлия.

3. Устройство датчика по п. 1, отличающееся тем, что в «кольцевом» фотоприемнике электроды зарядового переноса на фотоприемной области и в «кольцевом» регистре сдвига выполнены с геометрической формой в виде части кругового кольца.

4. Устройство датчика по п. 1, отличающееся тем, что БФА выполнен в составе временного контроллера блока «кольцевой» развертки.