Способ управления поэлементным переносом зарядовых пакетов в матричном фотоприёмнике на ПЗС Российский патент 2018 года по МПК H04N5/00 

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах, выполненных на базе матричных фотоприемников, которые изготовлены по технологии приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ управления поэлементным переносом зарядовых пакетов в матричном фотоприемнике на ПЗС [1, с. 168], заключающийся в том, что в телевизионной матрице ПЗС, имеющей схемотехническую организацию «кадровый перенос», которая содержит на прямоугольном кристалле секцию накопления, секцию памяти, выходной регистр сдвига и блок преобразования «заряд - напряжение», при этом на мишени в телевизионном интервале прямого хода кадровой развертки накапливают зарядовое изображение информационного кадра, затем в телевизионном интервале обратного хода кадровой развертки переносят информационные заряды из секции накопления в экранированную от света секцию памяти, в последующем интервале прямого хода кадровой развертки на мишени накапливают новое зарядовое изображение информационного кадра, а зарядовое изображение предыдущего информационного кадра построчно переносят из секции памяти к выходному регистру сдвига, загружая его зарядовыми пакетами каждой накопленной строки в телевизионном интервале обратного хода строчной развертки τ_о.х.с., а в последующем телевизионном интервале прямого хода строчной развертки выполняют перенос этих зарядовых пакетов вдоль регистра и считывание в БПЗН с частотой поэлементного переноса ,

Отметим, что у прототипа текущая загрузка информационными зарядовыми пакетами выходного регистра сдвига матрицы ПЗС выполняется в пределах временного промежутка, который в телевизионной развертке занимает интервал τ_о.х.с - длительность обратного хода по строке.

Следует отметить и другое. Предложившие в 1971 году организацию «кадровый перенос» для матричных фотоприемников на ПЗС американские ученые К. Секен и М. Томпсет стали лауреатами Нобелевской премии по физике за 2009 год.

Из той же монографии [1, с. 153] известно, что в n-канальном ПЗС с размером ячейки 30 мкм, работающем на частоте 1 МГц, зарядовый пакет величиной 0,5 пКл потребляет удельную мощность около 2,8 нВт/элемент. И эта величина растет как квадрат рабочей частоты. Отсюда следует, что мощность энергопотребления фотоприемника на ПЗС в первом приближении определяется затратами по организации в нем поэлементного переноса зарядов.

Недостаток способа прототипа - повышенное энергопотребление матричного фотоприемника, связанное с высокой частотой поэлементного переноса зарядов ƒ_э за время строки, которым сопровождается существенное наращивание числа светочувствительных пикселов, необходимое для достижения желаемой разрешающей способности выходного видеосигнала.

Задачей изобретения является сокращение энергопотребления фотоприемника за счет двойного снижения частоты поэлементного переноса зарядов ƒ_э за время строки, путем выполнения выходного регистра в виде двух линейных регистров, каждый из которых содержит число пикселов, равное (половине) по отношению к их количеству у прототипа.

Поставленная задача в заявляемом способе управления поэлементным переносом зарядовых пакетов в матрице ПЗС решается тем, что по сравнению с прототипом [1] частоту поэлементного переноса ƒ_э снижают в два раза, а выходной регистр сдвига выполняют в виде двух смежных линейных регистров, действующих поочередно на двухканальный БПЗН, при этом каждый из этих линейных регистров содержит половину элементов от числа пикселов для каждой фотоприемной строки, а в интервале τ_{о.х.с. загружают зарядовыми пакетами текущей информационной строки оба линейных» регистра последовательно во времени и раздельно для нечетных и четных пикселов этой строки, а число фазных электродов для отдельно взятого пиксела в обоих линейных регистрах должно быть четным, составляя показатель 2 или 4.}

По отношению к прототипу [1] заявляемый способ отличается показателем частоты поэлементного переноса ƒ_э в матричном фотоприемнике на ПЗС, которая уменьшена в два раза, а также новой организацией в нем составляющих его блоков: выходного регистра сдвига и БПЗН. Согласно заявляемому способу выходной регистр сдвига состоит из двух параллельно действующих линейных регистров, а БПЗН из одноканального блока становится двухканальным. При этом зарядовые сигналы будут регистрироваться БПЗН в правильном фазовом соотношении за счет выбора четного показателя для числа фазных электродов применительно к отдельно взятому элементу этих регистров.

Совокупность известных и новых признаков для этого способа не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.

При организации в телевизионной камере для матрицы ПЗС такого режима управления поэлементным переносом зарядовых пакетов разрешающая способность формируемого видеосигнала остается неизменной, а энергопотребление от блока развертки сокращается почти в два раза.

Следовательно, заявляемый способ управления поэлементным переносом зарядовых пакетов в матричном фотоприемнике на ПЗС способен при тех же энергетических затратах прототипа реализовать повышенную разрешающую способность видеосигнала, т.е. повышенную четкость формируемого изображения.

Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена схемотехническая организация матричного фотоприемника, реализующая заявляемый способ; на фиг. 2 - эпюры, поясняющие управление первым и вторым линейными регистрами фотоприемника, в котором управление поэлементным переносом осуществляется согласно заявляемому способу.

Матричный фотоприемник в позиции 1, см. фиг. 1, выполнен по технологии ПЗС на прямоугольном кристалле, на котором расположены: секция 1-1 накопления, секция 1-2 памяти, первый линейный регистр 1-3-(1), второй линейный регистр 1-3-(2) и БПЗН 1-4.

Каждый из этих линейных регистров имеет входное управление через затвор загрузки, который по импульсному сигналу может быть открыт, обеспечивая поступление зарядовых пакетов в ячейки своего регистра, или наоборот - закрыт, изолируя тем самым ячейки своего регистра от поступления зарядов.

В интервале прямого хода по кадру происходит процесс накопления зарядовых пакетов пропорционально освещенности на мишени 1-1. В течение последующего интервала обратного хода кадровой развертки заряды строк, участвовавших в накоплении, переносятся в экранированную от света секцию 1-2 памяти. В последующем интервале прямого хода кадровой развертки на мишени 1-1 накапливают новое зарядовое изображение информационного кадра, а зарядовое изображение предыдущего информационного кадра построчно переносят из секции 1-2 памяти (вниз по кристаллу), загружая в интервале обратного хода по строке новыми зарядами оба линейных регистра.

Рассмотрим подробнее «механизм» этой зарядовой загрузки, используя временные диаграммы сигналов, представленные на фиг. 2.

На фиг. 2а изображена эпюра сигнала для строчного гасящего импульса телевизионной развертки, активно действующего в течение интервала τ_о.х.с. с периодом строк Т_с.

На фиг. 2б, фиг. 2в показаны эпюры импульсных сигналов, управляющие затворами загрузки второго линейного регистра 1-3-(2) и первого линейного регистра 1-3-(1) соответственно.

Отметим, что первый линейный регистр 1-3-(1) является универсальным, обеспечивая перенос зарядовых пакетов двух направлениях, а именно: как вдоль регистра, так и поперек (насквозь), т.е. в ячейки второго линейного регистра 1-3-(2).

Для реализации второй функции в зазоры между элементами регистра 1-3-(1), имеющими ширину пиксела, устанавливаются дополнительные электроды (на фиг. 1 они отмечены пунктиром), соединенные между собой и подключенные к постоянному напряжению, величина которого не менее управляющего потенциала зарядового переноса. Эти дополнительные электроды выполняют одновременно и другую важную роль, а именно: исключают зарядовые потери при переносе в регистре 1-3-(1). По этой причине точно такие же дополнительные электроды устанавливаются и в зазоры между элементами регистра 1-3-(2).

На фиг. 2г, фиг. 2д представлены эпюры импульсных сигналов, управляющие работой обоих линейных регистров параллельно применительно для двухфазной системы зарядового переноса зарядов, где Т_э = 1/ƒ_э - период поэлементного переноса зарядовых пакетов.

В промежутке τ_о.х.с. - интервале активного действия импульса на фиг. 2б через открытый затвор загрузки в регистр 1-3-(2), в ячейки под первыми фазными электродами, будут поступать заряды первого, третьего, пятого и других нечетных элементов этой строки.

А в последующем интервале τ_о.х.с. - интервале активного действия импульса, изображенного на фиг. 2в, через открытый затвор, в ячейки под первыми фазными электродами, будет загружаться зарядами регистр 1-3-(1), но применительно для второго, четвертого, шестого и других четных элементов этой строки.

Отметим, что в этом временном промежутке зарядовые пакеты, загруженные ранее в линейный регистр 1-3-(2), остаются там «на своих местах», находясь потенциальных ямах этого регистра в режиме хранения.

Предлагаемый способ управления поэлементным переносом зарядовых пакетов в матричном фотоприемнике на ПЗС может быть реализован и для двух других технологических вариантов матрицы ПЗС, т.е. для сенсоров, изготовленных соответственно по методу «строчный перенос» и «строчно-кадровый перенос» [2, с. 134-137].

В отличие от матрицы ПЗС «кадрового переноса» на фотоприемной области (мишени) этих приборов вертикально расположенные линейки светочувствительных элементов чередуются с вертикальными линейками изолированных от света пикселов.

Но выходной регистр сдвига у этих вариантов матриц ПЗС устроен как у прототипа, предполагая и его аналогичную загрузку зарядами во времени.

Очевидно, что предлагаемый способ может быть использован как в матричных фотоприемниках на ПЗС монохромного изображения, так и в» фотоприемниках цветного видеосигнала, получаемых путем покрытия мишени сенсора цветным мозаичным фильтром.

Следовательно, технический результат заявляемого решения: уменьшенное почти в два раза энергопотребление фотоприемника, - распространяется на все три варианта технологической организации матрицы ПЗС монохромного или цветного изображения.

В настоящее время все элементы структурной схемы матричного ПЗС фотоприемника (все элементы его схемотехнической организации), в котором должны быть реализованы все признаки заявляемого способа управления поэлементным переносом зарядовых пакетов, освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.

Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. Перевод с англ. - «Мир», 1978.

2. Владо Дамьяновски. CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии. Перевод с англ. - М.: «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.

Изобретение относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах, выполненных на базе матричных фотоприемников, которые изготовлены по технологии приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС). Техническим результатом является сокращение энергопотребления фотоприемника. Результат достигается за счет двойного снижения частоты поэлементного переноса зарядов за время строки путем выполнения выходного регистра в виде двух линейных регистров. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления поэлементным переносом зарядовых пакетов в матричном фотоприемнике на ПЗС, заключающийся в том, что в телевизионной матрице ПЗС, изготовленной по технологии приборов с зарядовой связью (матрице ПЗС), имеющей схемотехническую организацию «кадровый перенос», которая содержит на прямоугольном кристалле секцию накопления (мишень), секцию памяти, выходной регистр сдвига и блок преобразования «заряд-напряжение», при этом на мишени в телевизионном интервале прямого хода кадровой развертки накапливают зарядовое изображение информационного кадра, затем в телевизионном интервале обратного хода кадровой развертки переносят информационные заряды из секции накопления в экранированную от света секцию памяти, в последующем интервале прямого хода кадровой развертки на мишени накапливают новое зарядовое изображение информационного кадра, а зарядовое изображение предыдущего информационного кадра построчно переносят из секции памяти к выходному регистру сдвига, загружая его зарядовыми пакетами каждой накопленной строки в телевизионном интервале обратного хода строчной развертки τ_о.х.с., а в последующем телевизионном интервале прямого хода строчной развертки выполняют перенос этих зарядовых пакетов вдоль регистра и считывание в БПЗН с частотой поэлементного переноса ƒ_э, отличающийся тем, что частоту поэлементного переноса ƒ_э снижают в два раза, а выходной регистр сдвига выполняют в виде двух смежных линейных регистров, действующих поочередно на двухканальный БПЗН, при этом каждый из этих линейных регистров содержит половину элементов от числа пикселов для каждой фотоприемной строки, а в интервале τ_о.х.с. загружают зарядовыми пакетами текущей информационной строки оба линейных регистра последовательно во времени и раздельно для нечетных и четных пикселов этой строки, а число фазных электродов для отдельно взятого пиксела в обоих линейных регистрах должно быть четным, составляя показатель 2 или 4.

2. Способ управления поэлементным переносом зарядовых пакетов в матричном фотоприемнике на ПЗС по п. 1, отличающийся тем, что матрица ПЗС имеет схемотехническую организацию «строчный перенос» или «строчно-кадровый перенос».