СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович,
доктор технических наук

УСТРОЙСТВО ПЗС-ТЕЛЕКАМЕРЫ С НОВШЕСТВОМ
ПО РАСШИРЕНИЮ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА

Рассмотрен подход к проблеме разработки телекамеры с повышенным динамическим диапазоном путем оптимизации в фотоприемнике преобразования «заряд – напряжение».
Ключевые слова: телекамера, матрица ПЗС, динамический диапазон.

An approach to the problem of the TV-camera developing with wider dynamic range by optimal «charge to voltage» conversion for CCD-sensor.
Keywords: TV-camera, CCD-matrix, dynamic range.

Динамический диапазон телекамеры специального применения по праву может быть отнесен к таким же «вечным» параметрам этого устройства, как чувствительность и разрешающая способность. Название «вечный» употреблено потому, что данный параметр относится к числу тех, уровня которого в складывающихся эксплуатационных условиях пользователю часто оказывается недостаточно, а от разработчика требуется постоянное его повышение.

Решению задачи расширения динамического диапазона телекамеры на матрице ПЗС посвящено немало работ, среди них и недавние статьи автора [1–3]. В настоящей публикации автор продолжает эту тему, как будто следует правилу великого М. Фарадея, которое состоит из трех английских глаголов: «to work», to finish, to publish», что в переводе означает: «работать, заканчивать, публиковать».

Если обратиться к вопросу проектирования матриц ПЗС с типовой организацией во взаимосвязи с ожидаемым динамическим диапазоном фотоприемника, то следует отметить важное обстоятельство. Конструкция выходного считывающего элемента матрицы ПЗС выбирается, а режим его электрического смещения задается, исходя из неискаженной передачи максимального заряда от светочувствительных (детекторных) элементов.

При этом максимальный перепад напряжения ∆U_{вых.макс} на выходе преобразователя «заряд – напряжение» оценивается соотношением [4]:

∆U_{вых.макс} = U_оп – U_о.макс ³ Q_Д.макс / С_{сч kc-1} ,

где U_оп – опорное напряжение, устанавливаемое на емкости считывающего элемента;

U_о.макс – максимальное остаточное напряжение на емкости;

Q_Д.макс – максимальная величина детектируемого заряда;

С_{сч kc-1} – эффективное значение емкости элемента считывания с учетом действия всех шунтирующих емкостей.

В каждом элементе выводимого из матрицы ПЗС видеосигнала дополнительно к входному фотонному шуму проявляется собственный источник шума, называемый шумом считывания. Среднеквадратичное отклонение (СКО) шума считывания определяется площадью затвора выходного транзистора преобразователя «заряд – напряжение», т.е. «вкладом» параметра С_{сч kc-1}. Типичное значение СКО шума считывания составляет 20 электронов [5], и оно является результатом проектирования выходного транзистора, площадь затвора которого вмещает максимальную величину ожидаемого заряда (Q_Д.макс)!

По мнению специалистов-телевизионщиков, теоретически СКО шума считывания может быть снижено на порядок [5, с. 52]. Следовательно, причина ограничения динамического диапазона снизу уже заложена в типовой организации матрицы ПЗС, а для расширения динамического диапазона целесообразно усовершенствовать саму матрицу.

Структурная схема предлагаемой телекамеры изображена на рис. 1, а функциональная схема технологической организации нового фотоприемника – на рис. 2. Его фотоприемная секция 2-1 имеет типовую конструкцию для матриц ПЗС с организацией «строчный перенос». Она 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.

Рис. 1. Структурная схема телекамеры

Рис. 2. Организация матрицы ПЗС

Зарядовые пакеты из вертикальных ПЗС-регистров секции 2-1 построчно переносятся в горизонтальный регистр 2-2, из которого поэлементно считываются через блок преобразования заряда в напряжение (БПЗН) 2-3. Горизонтальный регистр 2-2 и БПЗН 2-3 также являются типовыми представителями матрицы ПЗС со строчным переносом.

В предлагаемом решении телекамеры на общий кристалл матрицы ПЗС дополнительно введены разделительный электрод 2-4, секция памяти 2-5, второй горизонтальный регистр 2-6 и второй БПЗН 2-7, которые выполняют следующее функциональное назначение.

Разделительный электрод 2-4 разрешает построчный перенос зарядов из вертикальных регистров секции 2-1 сквозь регистр 2-2 в секцию памяти 2-5 или изолирует секцию 2-5 от такого переноса. Число элементов в каждом столбце секции 2-5 должно быть равно числу элементов вертикального регистра секции 2-1. Под секцией 2-5 расположен горизонтальный регистр 2-6, который организован точно так же, как и регистр 2-2, а заканчивается БПЗН 2-7.

Блок 2-7, как и блок 2-3, 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 2-3 априори предполагается низкий уровень зарядового сигнала, поэтому емкость затвора должна быть предельно малой, что достигается выбором геометрии его размеров, обеспечивающей малую площадь (S₁). Напротив, для БПЗН 2-7 ожидается высокий уровень зарядового сигнала, поэтому необходимо увеличить управляющую способность блока путем увеличения площади затвора (S₂). Так что обязательным при конструировании нагрузочных транзисторов является условие: S₁ < S₂.

Генератор 3 управляющих импульсов предназначен для осуществления развертки в матрице 2 ПЗС и формирования служебных импульсов для сигнального процессора 4. Входящий в его состав временной контроллер (ВК) 3-1 может быть выполнен в виде большой интегральной схемы (БИС), например, микросхемы CXD2463R фирмы Sony [6]. Остальные блоки генератора 3 управляющих импульсов, а именно: преобразователи уровней (ПУ) 3-2 и 3-3, которые предназначены для преобразования уровней логических сигналов ВК 3-1 в уровни сигналов, необходимые для работы матрицы ПЗС, могут быть реализованы в виде второй БИС необходимого комплекта. Отметим, что особенностью ПУ 3-3 является инвертирование входных импульсов.

Особенностью ВК 3-1 в предлагаемом решении является наличие первого и второго управляющих входов. Применительно к микросхеме CXD2463R первым управляющим входом является вывод 20. Если необходимо включить автоматическую регулировку времени накопления в телекамере, нужно подать на этот вывод логический «0», для переключения в режим ручного управления временем накопления – логическую «1» в уровнях ТТЛ. Второй управляющий вход микросхемы CXD2463R образуют выводы 11, 12, 13. Для работы телекамеры в режиме АРВН эти выводы должны «висеть в воздухе», т.к. на них с помощью высокоомных резистивных делителей поданы соответствующие потенциалы в диапазоне 1,3 – 3,5 Вольт. Если необходимо переключение восьми значений фиксированных экспозиций в диапазоне от 10 мкс до 10 мс, то на них должны быть поданы кодовые комбинации из нулей («0») и единиц («1»), указанные в табл. 1.

Таблица 1

Номер вывода	Время экспозиции (накопления) фотоприемника, мкс
	10,0	100,0	200,0	500,0	1000,0	2000,0	4000,0	10000,0
	Кодовая комбинация
11	0	1	0	1	0	1	0	1
13	0	0	1	1	0	0	1	1
12	0	0	0	0	1	1	1	1

В настоящем решении используются две кодовые комбинации: «000», соответствующая минимальному времени накопления фотоприемника, равному 10 мкс, и «111» – максимальному времени в 10 000 мкс. Предустановка этих кодов выполняется в формирователе комбинированного изображения (ФКИ) 5.

Сигнальный процессор 4 предназначен для двухканального усиления и обработки сигнала изображения с выходов матрицы ПЗС, формирования по видео управляющего сигнала и реализации автоматической регулировки времени накопления (АРВН) фотоприемника, формирования на первом и втором выходах полных телевизионных сигналов (композитных видеосигналов). Сигнальный процессор 4 может быть выполнен в виде одной БИС или двух микросхем CXA1310AQ фирмы Sony [7].

Первый блок задержки на кадр (БЗК) 6 и второй БЗК 7 предназначены для выполнения задержки входного видеосигнала на длительность одного кадра. Если в телекамере использована прогрессивная развертка с частотой кадров 50 Гц, то длительность задержки в каждом канале составляет 20 мс. При организации в телекамере стандартной чересстрочной развертки длительность требуемой задержки будет составлять два полукадра, т.е. 40 мс. Техническая реализация блоков 6 и 7 может быть осуществлена путем последовательного соединения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ) и цифро-аналогового устройства (ЦАП).

Структурная схема формирователя комбинированного изображения (ФКИ) 5 представлена на рис. 3. Она содержит RS-триггер 5-1, счетчик-делитель 5-2, коммутатор 5-3, первый компаратор 5-4, второй компаратор 5-5, а также элемент «ИЛИ» 5-6, элемент «И» 5-7 и коммутатор-смеситель 5-8.

Рис. 3. Структурная схема формирователя комбинированного изображения

RS-триггер 5-1 является тактируемым триггерным устройством RS-типа с высоким активным уровнем на входах управления.

Счетчик-делитель 5-2 предназначен для выполнения деления частоты кадровых синхроимпульсов на два (с 50 Гц до 25 Гц) при прогрессивной развертке и соответственно на четыре (с 50 Гц до 12,5 Гц) при чересстрочной развертке видеосигнала в телекамере.

Коммутатор 5-3 предназначен для установки внешнего кода управления в ВК 3-1 генератора 3 управляющих импульсов. Установка этого кода осуществляется в блоке 5 по второму выходу управления.

Особенностями компараторов 5-4 и 5-5 является применение в каждом из них стробирующего входа. В качестве элементной базы для выполнения необходимых компараторов могут быть использованы отечественные микросхемы КМ597СА1. При подаче на стробирующий вход компаратора логической «1» происходит сравнение исследуемого сигнала с опорным напряжением. Если на стробирующем входе компараторов устанавливается логический «0», тогда происходит исключение процесса сравнения, а на выходе компаратора формируется нулевой уровень.

Элементы «ИЛИ»5-6 и «И» 5-7 являются логическими компонентами с однозначным представлением о выполняемых ими функциях.

Коммутатор-смеситель 5-8 предназначен для синтеза выходного видеосигнала телекамеры. Электрическая схема блока 5-8 может быть выполнена на базе одного из двух четырехканальных аналоговых коммутаторов отечественной микросхемы КР590КН3, как показано на рис. 4. В зависимости от уровней логических сигналов, подаваемых на первый и второй управляющие входы, в соответствии с табл. 2. истинности открывается один из каналов, а именно: 1А или 2А, или 3А, или 4А.

Таблица 2

Уровни на управляющих входах			Номер открытого канала
#2	#1	E
0	0	1	1A
1	0	1	2A
0	1	1	3A
1	1	1	4A

 

 

Рис. 4. Электрическая схема коммутатора-смесителя

Телекамера (рис. 1) работает следующим образом. При включении напряжения питания телекамеры на прямом выходе RS-триггера 5-1, а, следовательно, и на первом и третьем выходах управления ФКИ 5 устанавливается уровень логического «0». Это обеспечивает низкий логический уровень на входе ПУ 3-3, а также на первом управляющем входе ВК 3-1. В результате на выходе ПУ 3-3 формируется низкий уровень напряжения, гарантирующий «изоляцию» секции 2-1 и регистра 2-2 фотоприемника от секции 2-5. Матрица 2 ПЗС становится типовым фотоприемником с организацией «строчный перенос». Уровень логического «0» на первом выходе управления ФКИ 5, а, следовательно, и уровня «0» на первом управляющем входе ВК 3-1, гарантирует включение схемы автоматической регулировки времени накопления фотоприемника.

Предположим, что телекамера работает в режиме разложения прогрессивной развертки. Тогда на втором выходе ВК 3-1 формируются кадровые синхроимпульсы с периодом Т_п (рис. 5а), а входящий в состав ФКИ 5 счетчик-делитель 5-2 выполняет деление входной частоты на два, формируя на выходе меандр с периодом Т_Д1 = 2Т_п (рис. 5б).

Рис. 5. Временная диаграмма, поясняющая работу телекамеры

Допустим, что в поле зрения телекамеры могут одновременно находиться сильно и слабо освещенные объекты и/или объекты с резким отличием по яркости. Тогда схема АРВН установит по сильно освещенному или яркому сюжету величину текущей экспозиции. Для передаваемых в одном телевизионном поле темных и низко освещенных деталей сцены это время экспонирования приведет к реальной потере чувствительности и искажениям соответствующих фрагментов изображения из-за ограничения динамического диапазона телекамеры снизу.

Для перевода телекамеры в режим сложной освещенности и/или сложной яркости на вход «Пуск» подается импульс положительной полярности. В момент совпадения на «S»-входе RS-триггера 5-1 высокого уровня этого импульса с высоким уровнем кадровых синхроимпульсов на его тактовом («CLC») входе состояние триггера изменяется. На прямом выходе триггера 5-1 устанавливается сигнал логической «1». Последний подается на управляющий вход блока 5-3, на стробирующие входы компараторов 5-4, 5-5 и на первый управляющий вход ВК 3-1. Поэтому схема АРВН отключается, а второй управляющий вход ВК 3-1 оказывается подключенным к выходу блока 5-3. Одновременно компараторы 5-4 и 5-5 оказываются подготовленными к работе. Необходимо отметить, что независимо от коммутации на входе «Пуск» на выходе счетчика-делителя 5-2 продолжают формироваться импульсы с периодом Т_Д.

При подключении второго управляющего входа ВК 3-1 к выходу блока 5-3 на этом входе на время действия высокого уровня меандра импульсов с выхода блока 5-2 устанавливается логическая комбинация «111», обеспечивающая длительность кадрового накопления зарядов в фотоприемнике, равной 10000 мкс (табл. 1).

Высокий уровень меандра с выхода блока 5-2 означает и такой же уровень на третьем выходе управления ФКИ 5, но низкий уровень на разделительном электроде 2-4 из-за инверсии в ПУ 3-3. Поэтому секция 2-1 на это время будет изолирована от секции 2-5, а считывание накопленных зарядовых пакетов осуществляется построчно в регистр 2-2, а из него – поэлементно в БПЗН 2-3. Обозначим условно этот видеосигнал, снимаемый с первого выхода матрицы 2 ПЗС, «длинным» сигналом из-за прямой зависимости его уровня от длительного (10000 мкс) накопления зарядового кадра.

Когда же с выхода блока 5-2 будет подан низкий уровень меандра импульсов, тогда на это время на втором управляющем входе ВК 3-1 установится логическая комбинация «000», гарантирующая время накопления матрицы ПЗС 10 мкс (табл. 1). Отметим, что во время действия низкого уровня меандра на разделительном электроде 2-4 установится высокий уровень. Поэтому он разрешает для зарядовых пакетов накопленного кадра построчный их перенос из секции 2-1 сквозь регистр 2-2 в секцию 2-5 и хранение зарядов в ней до момента наступления очередного промежутка Т_п «изоляции».

В последующем интервале Т_п выполняется построчный перенос каждой строки этого зарядового кадра в регистр 2-6 и считывание каждого элемента строки в БПЗН 2-7. Обозначим условно этот видеосигнал, снимаемый со второго выхода матрицы 2 ПЗС, «коротким» сигналом из-за прямой зависимости его уровня от кратковременного (10 мкс) накопления зарядового кадра.

Отметим, что «длинный» сигнал на первом выходе матрицы 2 ПЗС (рис. 5в) и «короткий» сигнал на ее втором выходе (рис. 5з) следуют с периодом 2Т_п, а в течение паузы (интервала Т_п) регистры 2-3 и 2-6 матрицы ПЗС параллельно осуществляют считывание темнового сигнала и удаляют паразитную информацию из фотоприемника.

Видеосигнал с первого выхода матрицы 2 ПЗС поступает на вход видеоусилителя 4-1 сигнального процессора 4, а с его выхода – на первый информационный вход ФКИ 5 и на вход БЗК 6. Одновременно видеосигнал со второго выхода матрицы 2 ПЗС подается на вход видеоусилителя 4-2, а с выхода – на второй информационный вход ФКИ 5 и на вход БЗК 7 соответственно.

Задержанный на кадр видеосигнал (рис. 5д) с выхода БЗК 6 поступает на третий информационный вход ФКИ 5, а задержанный на кадр видеосигнал (рис. 5и) с выхода БЗК 7 – на четвертый информационный вход ФКИ 5.

Компаратор 5-4 (рис. 3) сравнивает «длинный» сигнал с пороговым напряжением U_{опорное}, формируя на выходе импульсы, показанные на рис. 5г, а компаратор 5-5 выполняет сравнение с этим опорным уровнем задержанного «длинного» сигнала, вырабатывая на выходе импульсы, представленные на рис. 6е. Длительность этих импульсов определяет время превышения в видеосигнале порогового напряжения.

Выходные импульсы компараторов 5-4 и 5-5 логически суммируются на элементе «ИЛИ» 5-6, обеспечивая формирование необходимого сигнала на втором управляющем входе коммутатора-смесителя 5-8 (рис. 5ж). На первом управляющем входе блока 5-8 присутствуют импульсы с выхода счетчика-делителя 5-2, показанные на рис. 5б, которые являются результатом логического умножения на элементе «И» 5-7 этого сигнала и логической «1» с прямого выхода RS-триггера 5-1.

Синтез выходного сигнала изображения осуществляется в коммутаторе-смесителе 5-8 при помощи четырехканальной коммутации составляющих видеосигналов (рис. 4 и табл. 2).

Когда на первом и втором управляющих входах блока 5-8 присутствуют логические «0», то на это время открывается канал 1А, а на выход транслируется видеосигнал с первого информационного входа. Если в течение действия на первом управляющем входе логического «0» на втором управляющем входе устанавливается логическая «1», тогда на это время открывается канал 2А, а на выход транслируется видеосигнал со второго информационного входа.

Когда на первом управляющем входе устанавливается логическая «1», а на втором управляющем входе присутствует логический «0», то на это время открывается канал 3А, а на выход транслируется видеосигнал с третьего информационного входа. Если в течение действия на первом управляющем входе логической «1» на втором управляющем входе присутствует тоже логическая «1», то на это время открывается канал 4А, а на выход транслируется видеосигнал с четвертого информационного входа.

Синтезированный видеосигнал (рис. 5к) обладает расширенным динамическим диапазоном, т.к. в нем оптимизировано преобразование «заряд – напряжение» для светлых и темных фрагментов сцены в матрице ПЗС с новой организацией. Дополнительный выигрыш в динамическом диапазоне в первом приближении может быть оценен отношением S₂/S₁. Однако следует справедливо отметить, что из-за временных задержек отдельных составляющих этого видеосигнала на длительность кадра достигается данный выигрыш ценой обмена на временную разрешающую способность телекамеры.

Предположим, что телекамера работает в режиме чересстрочной развертки. Тогда на входе синхронизации ФКИ 5 присутствуют импульсы с периодом полукадров Т_п. Счетчик-делитель 5-2 выполняет деление входной частоты на четыре, т.е. период выходных импульсов будет составлять: Т_Д2 = 4Т_п. В течение действия высокого уровня этого меандра в матрице 2 ПЗС будет выполняться не один, а два цикла экспонирования с «длинным» зарядовым накоплением по 100 000 мкс для каждого. Аналогично, в течение действия низкого уровня нового меандра в фотоприемнике будет совершаться не один, а два цикла экспонирования с «коротким» зарядовым накоплением по 10 мкс. БЗК 6 и БЗК 7 осуществляют задержку входного видеосигнала на два полукадра, т.е. по длительности на два Т_п.

В остальном работа телекамеры не отличается от ее функционирования в режиме прогрессивной развертки.

При необходимости возвращения телекамеры в исходный режим работы следует подать импульс положительной полярности на вход «Стоп». В момент совпадения на «R»-входе RS-триггера 3 высокого уровня этого импульса с высоким уровнем тактовых импульсов (КСИ) состояние триггера изменяется. На прямом выходе RS-триггера 5-1 установится сигнал логического «0», а в матрице 2 ПЗС будет восстановлено функционирование схемы АРВН. Одновременно будет приостановлено функционирование компараторов 5-4 и 5-5, благодаря подаче сигнала логического «0» на их стробирующие входы. На первом и втором управляющих входах коммутатора-смесителя 5-8 установится логическая комбинация «00», благодаря которой на выход блока, а, следовательно, и на выход телекамеры, будет передаваться с первого информационного входа типовой телевизионный сигнал фотоприемника 2.

На момент публикации статьи предложенное устройство телекамеры признано изобретением, и Федеральной службой принято решение о выдаче на него патента Российской Федерации [8].

Выводы

1. Предлагаемое новшество по расширению динамического диапазона является продуктом совершенствования метода двухканального преобразования «свет – сигнал» в телекамере, выполненной на базе одного ПЗС-фотоприемника.

2. Синтез необходимого комбинированного видеосигнала в новом решении осуществляется в результате дополнительной задержки сигнала изображения, т.е. путем обмена показателя динамического диапазона телекамеры на параметр ее временной разрешающей способности.

Литература

1. Смелков В.М. Метод двухканального преобразования «свет – сигнал» в телевизионной камере, выполненной на базе единственной ПЗС-матрицы с типовой организацией / Специальная техника, 2008. − №1. − С. 8 – 13.

2. Смелков В.М. К вопросу теоретического обоснования реализации обмена параметров при проектировании телекамер прикладного назначения / Спецтехника и связь, 2009. − №1. − С. 12 – 15.

3. Смелков В.М. О возможности использования резерва для расширения динамического диапазона телекамеры на ПЗС / Спецтехника и связь, 2009. − №3. − С. 29 – 34.

4. Стенин В.Я. Применение микросхем с зарядовой связью. − М.: «Радио и связь», 1989.

5. Никитин В.В., Цыцулин А.К. Телевидение в системах физической защиты. − С-Пб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2001.

6. Микросхема CXD2463R фирмы Sony. Timing Controller for CCD Camera. Инструкция для пользователя на английском языке. − С. 1 – 12.

7. Микросхема CXA1310AQ фирмы Sony. Single Chip Processing for CCD Camera. Инструкция для пользователя на английском языке. − С. 1 – 14.

8. Решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2009145587/09(064988) от 26.11.2010. МПК H04N 5/225. Телевизионная камера для наблюдения в условиях сложной освещённости и/или сложной яркости объектов./ Заявитель – В.М. Смелков.