RU2087051C1 - Charge-coupled photosensitive integrated circuit - Google Patents

Abstract

FIELD: television measuring systems operating in wide output signal range. SUBSTANCE: integrated circuit implementing video signal shaper has M lines and N columns of photosensitive elements 1, light-shielded output register 2, and output device 3; in addition, it is provided with signal delay line built around charge-coupled carry register and charge-coupled linear photosensitive integrated circuit incorporating N photosensitive elements 5 similar to matrix lines, output register 6, and output device 7; surface of photosensitive elements 5 carries optical filter and delay line 4 is inserted between first output register 2 and output device 3. EFFECT: enlarged output-signal range. 2 dwg

Description

Изобретение предназначено для использования в телевизионных (ТВ) измерительных системах, работающих в широком диапазоне входного сигнала, например, в ТВ-датчиках астрономических комплексов обнаружения и идентификации объектов наблюдения. The invention is intended for use in television (TV) measuring systems operating in a wide range of input signal, for example, in TV sensors of astronomical complexes for detecting and identifying objects of observation.

Известен формирователь видеосигнала (ФВС) на приборе с зарядовой связью (ПЗС), работающий в режиме временной задержки и накопления (ВЗН), содержащий двумерную ПЗС-матрицу (N x M) светочувствительных элементов, соединенных в N M-разрядных сдвиговых ПЗС-регистров задержки и накопления, объединенных по другой оси в светозащищенный N-разрядный выходной сдвиговый ПЗС-регистр считывания, подключенный к входу выходного устройства. Known video driver (FVS) on a charge-coupled device (CCD) operating in a time delay and accumulation mode (WZN) containing a two-dimensional CCD matrix (N x M) of photosensitive elements connected to N M-bit shift CCD delay registers and accumulation, combined along the other axis into a light-proof N-bit output shift CCD read register connected to the input of the output device.

Непременным условием работы этого формирователя, конструктивно оформленного в виде микросхемы, является совпадение вектора скорости просматриваемого поля в плоскости светочувствительной поверхности с вектором перемещения зарядовых пакетов в регистрах задержки и накопления [под ред. П. Йесперса, Ф. Ван де Виле и М. Уайта Полупроводниковые формирователи сигналов изображения. М. Мир, 1979, с.501-503; Ф.П. Пресс Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью. М. Радио и связь, 1981, с.46-48 (прототип)]
Однако такой формирователь имеет недостаточно высокий динамический диапазон сигнала, что обусловлено ограничением суммарного (накопленного за время движения изображения вдоль регистра задержки и накопления) заряда емкостью потенциальной ямы элемента матрицы. Эта емкость зависит от размеров элемента, обусловленных комплексом требований по обеспечению заданных чувствительности, помехозащищенности и точности формирователя. Избыток заряда, генерируемого световым излучением ярких источников, растекается в смежные элементы регистра задержки и накопления.An indispensable condition for the operation of this shaper, structurally designed as a microcircuit, is the coincidence of the velocity vector of the field being viewed in the plane of the photosensitive surface with the vector of movement of charge packets in the delay and accumulation registers [ed. P. Jespers, F. Van de Ville, and M. White Semiconductor imaging devices. M. Mir, 1979, pp. 501-503; F.P. Press Video signal formers on charge-coupled devices. M. Radio and communications, 1981, pp. 46-48 (prototype)]
However, such a shaper does not have a sufficiently high dynamic range of the signal, which is due to the limitation of the total (accumulated during the movement of the image along the delay and accumulation register) charge by the capacity of the potential well of the matrix element. This capacity depends on the size of the element, due to a set of requirements to ensure the given sensitivity, noise immunity and accuracy of the shaper. Excess charge generated by light from bright sources spreads into adjacent elements of the delay and accumulation register.

В случае использования такого ФВС в астрономической ТВ- системе это приводит к повышению вероятности пропуска объекта наблюдения вследствие возможного попадания его изображения на расплывшиеся пятна изображений ярких звезд. Известные методы [К. Секен, М. Томпсет. Приборы с переносом заряда. М. Мир, 1978] предотвращения растекания заряда (блуминга) связаны не с расширением динамического диапазона сигнала приемника изображения, а с отводом избыточного заряда в специальные стоковые области. При этом из-за потери информации исключается возможность измерения больших сигналов. In the case of using such a PFV in an astronomical TV system, this leads to an increase in the probability of skipping the object of observation due to the possible hit of its image on blurry spots of images of bright stars. Known Methods [K. Sechen, M. Thompset. Charge transfer devices. M. Mir, 1978] prevention of charge spreading (blooming) is associated not with the expansion of the dynamic range of the signal of the image receiver, but with the removal of excess charge in special stock areas. Moreover, due to loss of information, the possibility of measuring large signals is excluded.

Задача изобретения расширение динамического диапазона сигнала формирователя видеосигнала, работающего в режиме ВЗН. The objective of the invention is the expansion of the dynamic range of the signal of the shaper video signal operating in the WZN mode.

Для этого в фоточувствительную микросхему с зарядовой связью, на которой реализован ФВС, работающий в режиме ВЗН, состоящую из M строк и N столбцов фоточувствительных элементов, снабженных антиблуминговыми устройствами, светозащищенного N-разрядного выходного регистра и выходного устройства, дополнительно введены линия задержки сигнала на основе регистра переноса с зарядовой связью, подключенная между выходным регистром и выходным устройством двумерной ПЗС-матрицы, и линейная фоточувствительная микросхема с зарядовой связью, содержащая N фоточувствительных элементов, аналогичных строке матрицы, выходной светозащищенный N-разрядный регистр с таким же, как в выходном регистре матрицы, направлением считывания зарядов, и выходное устройство, причем фоточувствительная поверхность ПЗС-линейки закрыта оптическим фильтром с коэффициентом пропускания 1/n, а каждый из ее элементов примыкает к соответствующему элементу выходного регистра матрицы. For this, a charge coupled photosensitive microchip that implements a VFD operating in the WZN mode, consisting of M rows and N columns of photosensitive elements equipped with anti-blooming devices, a lightproof N-bit output register and an output device, additionally introduces a signal delay line based on a charge-coupled transfer register connected between an output register and an output device of a two-dimensional CCD array and a charge-coupled linear photosensitive microcircuit containing N photosensitive elements similar to the matrix row, the output light-protected N-bit register with the same direction as the output register of the matrix, the direction of charge reading, and the output device, the photosensitive surface of the CCD line is closed by an optical filter with a transmittance of 1 / n, and each of its elements adjoins the corresponding element of the output matrix register.

Предлагаемая фоточувствительная микросхема с зарядовой связью позволяет получить два независимых неравновесных видеосигнала от одного элемента просматриваемого поля. Причем, если в видеотракте ПЗС матрицы возникают вышеуказанные информационные потери, то сигнал на выходе видеотракта ПЗС-линейки несет достоверную информацию о яркости соответствующего элемента. The proposed photosensitive charge-coupled microcircuit makes it possible to obtain two independent nonequilibrium video signals from one element of the field being viewed. Moreover, if the above information loss occurs in the video path of the CCD matrix, the signal at the output of the video path of the CCD line carries reliable information about the brightness of the corresponding element.

Соответствующая обработка этих сигналов обеспечит на выходе ФВС один информационный сигнал, динамический диапазон которого в Mn крат выше, чем у прототипа. Appropriate processing of these signals will provide one information signal at the output of the PMF, the dynamic range of which is Mn times higher than that of the prototype.

Сопоставительный анализ с прототипом, описанным в книгах Ф.П. Пресс и под редакцией П. Йесперса, показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых блоков (регистр задержки, ПЗС-линейка с дополнительными выходными регистром и выходным устройством, оптический фильтр) и их связями между собой и остальными элементами. Comparative analysis with the prototype described in the books of F.P. The press and edited by P. Jespers, shows that the proposed device is distinguished by the presence of new units (delay register, CCD line with additional output register and output device, optical filter) and their connections between themselves and other elements.

Другие известные решения с признаками, сходными с отличительными от прототипа признаками предлагаемой микросхемы, не обнаружены. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям "новизна" и "существенные отличия". Other well-known solutions with features similar to those of the proposed microcircuit, distinctive from the prototype, were not found. This allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criteria of "novelty" and "significant differences".

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемой фоточувствительной микросхемы с зарядовой связью; на фиг. 2 временные диаграммы, иллюстрирующие работу ее составляющих блоков. In FIG. 1 shows a structural diagram of the proposed photosensitive charge-coupled microcircuit; in FIG. 2 timing diagrams illustrating the operation of its constituent blocks.

Микросхема состоит из ПЗС-матрицы, состоящей из N x M светочувствительных элементов, объединенных в N M-разрядных сдвиговых ПЗС-регистров 1 задержки и накопления, выходы которых соединены с соответствующими разрядами светозащищенного N-разрядного выходного сдвигового ПЗС-регистра 2, подключенного к регистру 4 задержки, выход которого соединен с входом выходного устройства 3, и ПЗС-линейки 5, светочувствительная поверхность которой находится в одной плоскости со светочувствительной поверхностью ПЗС-матрицы и закрыта оптическим фильтром с коэффициентом пропускания 1/n. Каждый из N элементов линейки 5 примыкает к соответствующему элементу регистра 2 и соединен с соответствующим разрядом дополнительного светозащищенного N-разрядного выходного сдвигового ПЗС-регистра 6 с таким же, как в матрице, направлением считывания зарядов, соединенного с входом дополнительного идентичного выходного устройства 7. The microcircuit consists of a CCD matrix consisting of N x M photosensitive elements combined in N M-bit shift CCD registers 1 of delay and accumulation, the outputs of which are connected to the corresponding bits of the light-protected N-bit output shift CCD register 2 connected to the register 4 delays, the output of which is connected to the input of the output device 3, and the CCD line 5, the photosensitive surface of which is in the same plane as the photosensitive surface of the CCD matrix and is covered by an optical filter with transmittance of 1 / n. Each of the N elements of the line 5 is adjacent to the corresponding element of the register 2 and is connected to the corresponding discharge of an additional light-proof N-bit output shift CCD register 6 with the same charge reading direction connected to the input of the additional identical output device 7 as in the matrix.

Конструктивно элементы 1-7 объединены в твердотельный приемник изображения, размещаемый на одной подложке. Structurally, the elements 1-7 are combined into a solid-state image receiver placed on one substrate.

Элементы фоточувствительной микросхемы с зарядовой связью изготавливаются в соответствии с известными принципами, изложенными в указанных книгах Ф.П. Пресс, К. Секена и М. Томпсета, под редакцией П. Йесперса и др. The elements of a photosensitive charge-coupled microcircuit are manufactured in accordance with the well-known principles set forth in the mentioned books by F.P. Press, C. Sechen and M. Thompset, edited by P. Jespers and others.

Оптический фильтр, входящий в состав предлагаемого устройства, выполнен в виде пленочного покрытия на светочувствительной поверхности ПЗС-линейки [Ш.А. Фурман. Тонкослойные оптические покрытия. Л. Машиностроение, 1977]
Регистр 4, используемый в качестве линии задержки, конструктивно является непосредственным продолжением N-разрядного регистра 2, т.е. они оба образуют один сдвиговый ПЗС-регистр с разрядностью 3N.The optical filter that is part of the proposed device is made in the form of a film coating on the photosensitive surface of the CCD line [Sh.A. Furman. Thin layer optical coatings. L. Mechanical engineering, 1977]
Register 4, used as a delay line, is structurally a direct continuation of N-bit register 2, i.e. both of them form one shift CCD register with 3N capacity.

Предлагаемая микросхема работает следующим образом. The proposed chip operates as follows.

Для работы в режиме ВЗН микросхема предварительно ориентируется так, чтобы направление ее регистров 1 совпадало с направлением вектора

скорости сканирования, а частота переноса зарядов вдоль

скан и частота считывания в регистрах 2, 4, 6 составляла соответственно

где V_скан линейная скорость сканирования изображения в плоскости светочувствительной поверхности матрицы;
l_эм линейный размер светочувствительного элемента матрицы и линейки в направлении

.To work in the WZN mode, the chip is preliminarily oriented so that the direction of its registers 1 coincides with the direction of the vector

scanning speeds, and the charge transfer frequency along

scan and read frequency in registers 2, 4, 6 were respectively

where V _{scan is the} linear scanning speed of the image in the plane of the photosensitive surface of the matrix;
l _em linear dimension of the photosensitive element of the matrix and the ruler in the direction

.

При этом в элементах регистра 1 синхронно с перемещением изображения производится накопление и перенос генерируемых под воздействием света зарядовых пакетов. Сдвигаясь на 2l_эм, изображение попадает в элементы ПЗС-линейки 5, генерируя в них в Mn крат меньшие заряды. Построчно считываемые в регистре 2 заряды Q_i2 (где i=1,N}), задерживаются в регистре 4 на

Перенос зарядов Q_i5 из элементов линейки 5 в регистр 6 и считывание информации из этого регистра производятся синхронно с аналогичными процессами в регистрах 1 и 2. При этом с выходных устройств 3 и 7, осуществляющих преобразование зарядов в видеоимпульсы, одновременно поступают неравновесные сигналы, соответствующие одному элементу изображения.Moreover, in the elements of the register 1, in synchronization with the movement of the image, the charge packets generated under the influence of light are accumulated and transferred. Moving to 2l _em , the image falls into the elements of the CCD line 5, generating a fewer smaller charges in them in Mn. Charges Q _i2 line-by-line read in register 2 (where i = 1, N}) are delayed in register 4 by

The transfer of charges Q _i5 from the elements of line 5 to register 6 and the reading of information from this register are carried out synchronously with the same processes in registers 1 and 2. At the same time, nonequilibrium signals corresponding to one image element.

Работа микросхемы осуществляется под управлением серии тактовых импульсов [Ф.П. Пресс. Формирователи видеосигнала на приборах с зарядовой связью. М. Радио и связь, 1981]
Для реализации предлагаемой микросхемы необходимо соблюдение зависимостей
Q₁ Q₂ Q₄ Q₅ Q₆
где Q_1,2,4,5,6 глубина потенциальной ямы элемента соответствующего регистра.The microcircuit is controlled by a series of clock pulses [F.P. Press. Video signal shapers on charge-coupled devices. M. Radio and communications, 1981]
To implement the proposed microcircuit, it is necessary to comply with the dependencies
Q ₁ Q ₂ Q ₄ Q ₅ Q ₆
where Q _{1,2,4,5,6 is the} depth of the potential well of the element of the corresponding register.

Если накопленный в элементах столбца 1 матрицы заряд не превышает Q₁, то соответствующий сигнал с выходного устройства 3 несет достоверную информацию о яркости элемента просматриваемого поля. При превышении этим зарядом Q₁ избыточные носители отводятся в стоковые области, предотвращая расплывание изображения. Однако в этом случае не происходит, как в прототипе, потери информации о сигнале яркого объекта наблюдения, так как соответствующий ему заряд в ПЗС-линейке, в Mn раз меньший, чем в матрице, не превышает Q₅, а видеосигнал снимается с выходного устройства 7.If the charge accumulated in the elements of column 1 of the matrix does not exceed Q ₁ , then the corresponding signal from the output device 3 carries reliable information about the brightness of the element of the field being viewed. When this charge exceeds Q _1, excess carriers are diverted to the stock areas, preventing image blurring. However, in this case, as in the prototype, there is no loss of information about the signal of a bright object of observation, since the corresponding charge in the CCD line, Mn times smaller than in the matrix, does not exceed Q ₅ , and the video signal is taken from the output device 7 .

Достаточно несложной инженерной задачей представляются усиление сигнала с выходного устройства 7 и автоматическая коммутация его с сигналом выходного устройства 3, производимые в реальном масштабе времени. При такой обработке динамический диапазон информационного сигнала с выхода ФВС, реализованного на предлагаемой микросхеме, будет в Mn крат выше, чем у прототипа. A rather uncomplicated engineering task is to amplify the signal from the output device 7 and automatically switch it with the signal of the output device 3, produced in real time. With this processing, the dynamic range of the information signal from the output of the FVS implemented on the proposed microcircuit will be Mn times higher than that of the prototype.

Так, при M=100 и 1/n=0,2 расширение диапазона входного сигнала в 500 раз соответствует увеличению диапазона яркостей звезд, излучение которых без искажения преобразуется в видеосигнал, на звездную величину
Δm_v= 2,5 lg Mn = 6,75.So, at M = 100 and 1 / n = 0.2, an extension of the input signal range by 500 times corresponds to an increase in the brightness range of stars, the radiation of which without distortion is converted into a video signal, by a magnitude
Δm _v = 2.5 log Mn = 6.75.

Это позволит высокочувствительной ТВ-системе, использующей ФВС на предлагаемой микросхеме, с высокой точностью измерять яркости практически всех светил, попадающих в ее поле зрения. This will allow the highly sensitive TV system using the PFV on the proposed microcircuit to measure the brightness of almost all the luminaries falling into its field of view with high accuracy.

Claims (1)

Фоточувствительная микросхема с зарядовой связью, состоящая из М строк и N столбцов, фоточувствительных элементов, светозащищенного выходного регистра и выходного устройства, отличающаяся тем, что, с целью расширения динамического диапазона сигнала в режиме задержки и накопления сигнала, в нее дополнительно введены линия задержки сигнала на основе регистра переноса с зарядовой связью и линейная фоточувствительная микросхема с зарядовой связью, содержащая N фоточувствительных элементов, аналогичных строке матрицы, выходной регистр и выходное устройство, причем на поверхности фоточувствительных элементов размещен оптический фильтр, а линия задержки подключена между первым выходным регистром и выходным устройством. A charge-coupled photosensitive microcircuit consisting of M rows and N columns, photosensitive elements, a light-protected output register and an output device, characterized in that, in order to expand the dynamic range of the signal in the delay mode and accumulate the signal, a signal delay line is added to it based on a charge-coupled transfer register and a linear charge-sensitive photosensitive microcircuit containing N photosensitive elements similar to the matrix row, the output register and an output device, moreover, an optical filter is placed on the surface of the photosensitive elements, and a delay line is connected between the first output register and the output device.

Images