Способ формирования цифрового видеосигнала на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП Российский патент 2019 года по МПК G06T11/00 H04N5/374 H04N5/335 

Предполагаемое изобретение относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах, выполненных на базе однокристального «кольцевого» телевизионного сенсора по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП). Такие камеры обеспечивают формирование цифрового видеосигнала «кольцевого» кадра и предназначены для телевизионно-компьютерного наблюдения панорамных сюжетов или объектов, имеющих форму кругового кольца.

При этом управление работой телевизионной камеры, регистрация ее видеосигнала и его воспроизведение производится при помощи компьютеров, объединенных в локальную вычислительную сеть.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ формирования цифрового видеосигнала [1, с. 67, рис. 1.21] на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП, путем реализации метода «координатная адресация», причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления К, а также встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на вертикальную шину видео, которая объединяет все активные пикселы мишени в столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных по горизонтали, осуществляется при помощи отдельно взятой горизонтальной (строчной) шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество вертикальных шин видео - число элементов (пикселов) в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещается его электронное «обрамление - блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно: регистр вертикальной (кадровой) развертки, осуществляющий выбор строки; коммутаторы видеосигнала для каждого столбца, управляемые с соответствующего выхода мультиплексора горизонтальной (строчной) развертки, обеспечивающие передачу видеосигнала на выходе каждой вертикальной шины видео на горизонтальную шину видео, выход которой является выходом «Видео» фотоприемника, при этом в активных пикселах мишени сенсора с периодом кадров осуществляют накопление зарядовых пакетов текущего кадра и одновременно считывание видеоинформации предыдущего кадра последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки мишени и последовательного строка за строкой для мишени в целом, формируя на выходе фотоприемника в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала сенсора.

Сенсор прототипа - матрица КМОП, имеющая прямоугольную форму мишени, которая не является оптимальной применительно к кольцевому оптическому изображению наблюдаемой панорамной сцены, формируемому панорамным объективом, или применительно к оптическому изображению объектов, имеющих форму кругового кольца, но контролируемых при помощи обычного объектива.

Обоснованием этого утверждения служит необходимость в такой ситуации иметь для сенсора высокое число пикселов по горизонтали и вертикали. Но при этом существенная часть пикселов мишени является бесполезной, т.к. не несет информации о наблюдаемом сюжете, а принудительно используется при формировании выходного сигнала изображения сенсора, который по своему содержанию является цифровым видеосигналом.

Задачей изобретения является повышение коэффициента использования для общей площади кристалла прибора за счет реализации мишени сенсора в форме кругового кольца при «кольцевом» размещении на кристалле электронного «обрамления» фотоприемника.

В заявляемом способе формирования цифрового видеосигнала, как и в прототипе, решается тем, что на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП, путем реализации метода «координатная адресация», причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K, а также встроенный АЦП, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на шину видео, которая объединяет все активные пикселы мишени в столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных по горизонтали, осуществляется при помощи отдельно взятой строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество вертикальных шин видео - число пикселов в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно: регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор строки; коммутаторы видеосигнала для каждого столбца, управляемые с соответствующего выхода мультиплексора строчной развертки, и обеспечивающие передачу видеосигнала на выходе каждой шины видео столбца на шину видео строки, выход которой является выходом «Видео» фотоприемника, при этом в активных пикселах мишени сенсора с периодом кадров осуществляют накопление зарядовых пакетов текущего кадра и одновременно считывание видеоинформации предыдущего кадра последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки мишени и последовательного строка за строкой для мишени в целом, формируя на выходе фотоприемника в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала сенсора, но в отличие от прототипа, мишень сенсора имеет форму кругового кольца, а столбцы мишени и параллельные им шины видео этих столбцов расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии, при этом на мишени сенсора каждая строка пикселов и соответствующая строчная шина управления, а также шина видео строки становятся «кольцевыми», шины видео столбцов становятся «радиальными», а светочувствительная площадь пикселов каждого активного столбца мишени различна от строки к строке, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии сенсора, причем коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки сенсора изменяется по соотношению:

где Δ₁ и Δ_m - соответственно светочувствительная площадь активного пиксела для первой и текущей строки считывания в «кольцевом» сенсоре, обеспечивая одинаковую величину считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра изображения, при этом расположенные на общем «кольцевом» кристалле регистр кадровой развертки, коммутатор видеосигналов и мультиплексор строчной развертки, как и сенсор, становятся «кольцевыми» по форме их реализации.

Совокупность известных и новых признаков заявляемого способа формирования видеосигнала на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП, не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.

Важно отметить следующее. Если для прототипа светочувствительная площадь активных пикселов мишени сенсора от строки к строке одинакова, то для заявляемого решения она различна. Это вызывается необходимостью для «кольцевого» фотоприемника, имеющего, как и для матрицы прототипа, одинаковое число активных пикселов в каждой строке, выравнивания разрешающей способности в пределах кадра путем обеспечения одинаковой величины технологического (производственного) зазора между светочувствительными элементами.

Выполнение поставленной задачи, а именно: повышения коэффициента использования для общей площади кристалла прибора, - осуществляется за счет реализации одинаковой величины считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра изображения.

Параметр считывающей апертуры для всех активных пикселов каждой текущей строки «кольцевого» кадра определяется произведением коэффициента усиления K_m активного пиксела на величину его светочувствительной площади Δ_m.

Как следует из соотношения (1), этот показатель остается постоянным для всех светочувствительных пикселов фотоприемника. Не меняется и величина шумовой «дорожки» для каждого активного пиксела сенсора, что является обязательным условием для реализации чувствительности фотоприемника и его отношения сигнал/шум.

Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена схемотехническая организация «кольцевого» фотоприемника, реализующая заявляемый способ; на фиг. 2 - подробности этой организации применительно к отдельно взятому «радиальному» столбцу.

«Кольцевой» сенсор, см. фиг. 1, выполнен по технологии КМОП и содержит на общем кристалле «кольцевую» фотоприемную область (мишень) в позиции 1, «кольцевой» регистр кадровой развертки в позиции 2, «кольцевой» коммутатор видеосигналов в позиции 3 и «кольцевой» мультиплексор строчной развертки в позиции 4.

Как показано на фиг. 1, активные пикселы на мишени сенсора объединены в столбцы, которые расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца.

Каждый активный пиксел мишени, см. фиг. 2, имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 1-1, усилитель 1-2 с коэффициентом усиления K₁ и АЦП 1-3. «Кольцевой» коммутатор видеосигналов 3 состоит из отдельных коммутаторов 3-1 видеосигнала, число которых соответствует числу активных пикселов в строке, объединенных «кольцевой» шиной видео 3-2.

Отметим, что показанная на фиг. 1 форма светочувствительной площади пиксела в виде прямоугольника, а на фиг. 2 - латинской буквы L, как у прототипа, являются условными. На практике электроды зарядового накопления активных пикселов мишени сенсора, совпадающие с площадью их светочувствительной площади, могут быть выполнены совершенно иначе, например, с геометрической формой в виде части кругового кольца.

Управление АЦП 1-3 пиксела для каждой «кольцевой» строки фотоприемника осуществляется при помощи отдельной (своей) строчной шины 1-4, передающей сигнал управления с соответствующего выхода «кольцевого» регистра 2 кадровой развертки.

Видеосигнал с выхода каждого АЦП 1-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого «радиального» столбца передается на «радиальную» шину видео 1-5. Далее при помощи ключевого МОП-транзистора коммутатора 3-1, управляемого с одного из выходов мультиплексора 4, цифровой видеосигнал текущего пиксела передается на «кольцевую» шину видео 3-2, а затем транслируется по ней на выход сенсора.

То же самое формирование цифрового видеосигнала происходит и в пределах других радиально расположенных столбцов «кольцевой» мишени 1 предлагаемого сенсора.

Отметим, что на фиг. 1 пунктирные стрелки показывают управление «кольцевыми» строчными шинами 1-4 фотоприемника со стороны «кольцевого» регистра 2. То, что здесь, как и на фиг. 2, изображены лишь четыре строчные шины является условностью чертежа. Как упоминалось ранее, число шин 1-4 соответствует показателю действительного числа «кольцевых» строк в заявляемом сенсоре.

Поясним дополнительно на фиг. 2 и другое. Стрелки с непрерывными линиями отмечают передачу сигнала изображения в сенсоре по «радиальным» шинам видео 1-5 в направлении к «кольцевому» коммутатору 3 видеосигналов.

В результате на выходе шины видео 3-2 в «кольцевом» растре последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой «кольцевой» строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом формируется в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала заявляемого сенсора.

Благодаря принятой для изготовления предлагаемого сенсора, как и для прототипа, технологии КМОП, обеспечивается возможность интегрировать на один общий кристалл не только фотоприемник с АЦП для каждого активного пиксела, но и блоки цифровой развертки телевизионной камеры, которые могут быть реализованы с существенным понижением их энергопотребления.

Предлагаемая же «кольцевая» форма мишени КМОП-фотоприемника и блоков развертки позволяет эффективнее использовать в телевизионных камерах полезную площадь используемого кристалла для телевизионно-компьютерного наблюдения панорамных сюжетов или объектов, имеющих форму кругового кольца.

Применительно к этим практическим задачам прикладного телевидения заявляемое решение потенциально способно качественно улучшить ранее запатентованные автором технические решения [2, 3, 4], где в качестве «кольцевого» фотоприемника использован сенсор, изготовленный по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС). Именно метод реализации развертки в КМОП-сенсоре является гарантом получения нового качества для телевизионного фотоприемника.

Очевидно, что координатная адресация к каждому пикселу в КМОП-фотоприемнике вместо неизбежного для ПЗС-сенсора протаскивания заряда каждого элемента сначала по всему столбцу, а затем по всей строке, позволяет избежать специфичных искажений, связанных с неэффективностью переноса зарядовых пакетов.

Это означает возможность реализации в КМОП-сенсорах более высокой частоты опроса, превышающей частоту считывания зарядовых пакетов в ПЗС-фотоприемниках, или при той же частоте опроса существенно увеличить число пикселов по строке и по кадру, а в результате добиться выигрыша в разрешающей способности прибора.

В настоящее время все элементы схемотехнической организации «кольцевого» сенсора на кристалле, изготовленном по технологии КМОП, согласно заявляемому способу освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.

Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К. и Шипилов Н.Н. Твердотельная революция в телевидении: Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле. Под ред. А.А. Умбиталиева и А.К. Цыцулина. -М.: «Радио и связь», 2006.

2. Патент РФ №2631830. МПК H04N7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. -

2017. -№27.

3. Патент РФ №2665695. МПК H04N7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. -

2018. -№25.

4. Патент РФ №2671229. МПК H04N7/00. Способ формирования видеосигнала в телевизионно-компьютерной системе для контроля промышленных изделий, имеющих форму кругового кольца. / В.М. Смелков //Б.И.-2018.-№31.

Изобретение относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах, выполненных на базе однокристального «кольцевого» телевизионного сенсора по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП). Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента использования для общей площади кристалла прибора. Технический результат достигается за счет того, что мишень сенсора имеет форму кругового кольца, а столбцы мишени и параллельные им шины видео этих столбцов расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии, при этом на мишени сенсора каждая строка пикселов и соответствующая строчная шина управления, а также шина видео строки становятся «кольцевыми», шины видео столбцов становятся «радиальными», а светочувствительная площадь пикселов каждого активного столбца мишени различна от строки к строке, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии сенсора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ формирования цифрового видеосигнала на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП, путем реализации метода «координатная адресация», причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K, а также встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на шину видео, которая объединяет все активные пикселы мишени в столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных по горизонтали, осуществляется при помощи отдельно взятой строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество вертикальных шин видео - число элементов (пикселов) в каждой строке сенсора, при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно: регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор строки, коммутаторы видеосигнала для каждого столбца, управляемые с соответствующего выхода мультиплексора строчной развертки, и обеспечивающие передачу видеосигнала на выходе каждой шины видео столбца на шину видео строки, выход которой является выходом «Видео» фотоприемника, при этом в активных пикселах мишени сенсора с периодом кадров осуществляют накопление зарядовых пакетов текущего кадра и одновременно считывание видеоинформации предыдущего кадра последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки мишени и последовательно строка за строкой для мишени в целом, формируя на выходе фотоприемника в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала сенсора, отличающийся тем, что мишень сенсора имеет форму кругового кольца, а столбцы мишени и параллельные им шины видео этих столбцов расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии, при этом на мишени сенсора каждая строка пикселов и соответствующая строчная шина управления, а также шина видео строки становятся «кольцевыми», шины видео столбцов становятся «радиальными», а светочувствительная площадь пикселов каждого активного столбца мишени различна от строки к строке, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии сенсора, причем коэффициент усиления K_m активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки сенсора изменяется по соотношению:

где Δ₁ и Δ_m - соответственно светочувствительная площадь активного пиксела для первой и текущей строк считывания в «кольцевом» сенсоре, обеспечивая одинаковую величину считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра изображения, при этом расположенные на общем «кольцевом» кристалле регистр кадровой развертки, коммутатор видеосигналов и мультиплексор строчной развертки, как и сенсор, становятся «кольцевыми» по форме их реализации.

2. Способ формирования цифрового видеосигнала на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП, по п. 1, отличающийся тем, что электроды зарядового накопления активных пикселов мишени сенсора, совпадающие с площадью их светочувствительной площади, выполнены с геометрической формой в виде части кругового кольца.