Управление режимом накопления в твердотельных фотоприемниках
УДК 621.397
УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОМ НАКОПЛЕНИЯ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ФОТОПРИЕМНИКАХ
© 2012 г. А. А. Умбиталиев*, доктор техн. наук; А. К. Цыцулин*, доктор техн. наук; А. А. Манцветов**, канд. техн. наук; В. В. Козлов***, А. Е. Рычажников**, П. С. Баранов**, аспирант; А. В. Иванова**, аспирант.
*** ОАО “Научно-исследовательский институт телевидения”, Санкт-Петербург
*** Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” *** им. В.И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург
*** ОАО Ракетно-космическая корпорация “Энергия”, г. Королев
*** Е-mail: tsytsulin@niitv.ru
Классифицированы методы управления режимом накопления заряда в матричных фотоприемниках. Рассмотрены отличия в методах управления накоплением в приборах с зарядовой связью и в комплиментарных структурах металл-оксид-полупроводник. Предложены метод адаптации накопления к динамике сюжета и метод управления длительностью и фазой накопления при измерении дальности в твердотельной матричной системе с активной импульсной подсветкой.
Ключевые слова: накопление видеоинформации, разрешающая способность, динамический смаз, стробирование светового потока.
Коды OCIS: 040.1490, 040.1520, 150.6044
Поступила в редакцию 18.06.2012
Введение
Важнейшим принципом видеоинформатики является принцип накопления. Он реализуется в видеоинформационных системах в несколько этапов: на пиксельном, несемантическом уровне – в телекамере и на более высоком, семантическом – в компьютере при обработке изображений и принятии решений. При этом формирование видеосигнала в телекамере происходит благодаря реализации принципов накопления и развертки. Электронное телевидение началось с создания В.К. Зворыкиным передающей телевизионной трубки – иконоскопа [1]. Современные твердотельные фотоприемники, выполненные на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) и комплементарных структур метал-оксид-полупроводник (КМОП) не просто реализуют накопление сигналов в зарядовой форме, но и обеспечивая реализацию принципа слитности изображений как пространственно-временных процессов [2], знаменуют твердотельную революцию в телевидении [3–5].
Фотоприемники, выполненные по ПЗС и КМОП технологии, имеют как общие черты, так и существенные отличия. В настоящее время по фотоэлектрическим характеристикам, таким как чувствительность, уровень геометрического шума, ПЗС-фотоприемники превосходят фотоприемники, выполненный по КМОП-технологии [3, 6]. По эксплуатационным характеристикам, таким как массогабаритные показатели, напряжение питания, потребляемая мощность, несомненными лидерами являются фотоприемники по технологии КМОП. К тому же КМОП-фотоприемники имеют ряд новых функциональных свойств, таких как выбор окна на изображении, обработка видеоинформации непосредственно в процессе ее формирования и т. д., что недостижимо при использовании технологии ПЗС. Возникающие в процессе формирования видеоинформации артефакты для этих двух классов фотоприемников имеют ряд отличий, что сказывается на областях их применения. Ниже рассмотрены особенности управления характеристиками накопления обоих типов фотоприемников.
84 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012
Методы согласования накопления с априорной информацией о сюжете
Выражение для числа накопленных фотоэлектронов имеет вид [7]
òne
=
1 hc
ATíàê
max
()()d,
min
где Tнак – время накопления, Ф() – спектральная плотность мощности излучения, h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме, min–max – диапазон спектральной чувствительности фотоприемника, Ap – площадь светочувствительно элемента, () – квантовая эффективность с учетом коэффициента использования площади пиксела. Из этого следует, что выходной сигнал и чувствительность зависят от времени накопления. Как в телекамерах на ПЗС, так и на КМОП-фотоприемниках, при высокой освещенности используется режим автоматический регулировки времени накопления (АРВН) для управления чувствительностью. В этом режиме время накопления уменьшается путем применения электронного затвора. В фотоприемниках на ПЗС он реализуется сбросом накопленных зарядов в подложку, в КМОП-фотоприемниках – привязкой потенциала фотодиода к потенциалу питания.
С другой стороны, в малокадровых системах для достижения потенциальной чувствительности время накопления увеличивается до секунд, минут и даже часов. Время накопления в реальных системах ограничивается темновым током, методы борьбы с которым широко известны. Наибольшая реализованная экспозиция, включающая накопление на матрице и внешнее цифровое накопление, составила одиннадцать суток при получении заатмосферным телескопом “Хаббл” изображения Ultra High Deep Field (сверхглубокое поле проникновения), соответствующего картине Вселенной 13,5 миллиардов лет назад [8].
Темновой ток возникает не только при накоплении, но и при переносе зарядовых пакетов, причем его уровень может оказаться значительным. Так, для матричного ПЗС KAI-0150 фирмы Kodak скорость генерации темнового тока в фотодиоде составляет 7 электронов/с, а в вертикальном ПЗС-регистре 70 электронов/с [9]. Темновой ток, образованный в процессе считывания, усредняется вдоль ПЗС-регистра и проявляется в виде вертикальных полос на изображении.
При больших временах накопления помимо темнового тока возникают проблемы, вызванные генерацией паразитных носителей, обусловленных свечением полевых транзисторов, находящихся в активном режиме. Это свечение вызвано излучением Вавилова–Черенкова. Особенно остро эта проблема стоит в КМОПфотоприемниках, у которых в каждом пикселе может быть несколько транзисторов, находящихся в активном режиме и расположенных в непосредственной близости от фотодиода. Методом борьбы с эффектами свечения является отключение питания транзисторов на время накопления.
Отключение транзисторов выходного устройства в матричном ПЗС, работающем с временами накопления в десятки секунд, позволило устранить засветку левого верхнего угла изображения, вызванную свечением транзисторов выходного устройства матричного ПЗС [10]. Известны методы снижения темнового тока, основанные на управлении режимом накопления. Известен режим накопления с линейно увеличивающимся потенциалом на фазном электроде [5], в матричных ПЗС с кадровым переносом широко используется режим MPP (Multi Pinned Phase), заключающийся в инверсии потенциала накопления [11].
В матричных ПЗС накопление во всех светочувствительных пикселах происходит одновременно, и поэтому движение изображения вызывает только динамический смаз. В КМОПфотоприемниках движение изображения может привести к геометрическим искажениям изображения [12]. Это обусловлено тем, что при использовании обычного активного пиксела, рис. 1а, время накопления в соседних строках оказывается одинаковым, но смещенными друг относительно друга на длительность строки. При считывании строк сверху вниз, объект, двигающийся по вертикали, окажется растянутым в вертикальном направлении при движении по направлению считывания и сжатым в вертикальном направлении при движении против направления считывания. При движении по горизонтали вертикальные линии объекта наклоняются в ту или иную сторону в зависимости от направления движения. Такое считывание называется “бегущим” или “катящимся” считыванием.
Для того чтобы накопление во всех пикселах проходило одновременно, в структуру пиксела должен быть введен элемент памяти. В простейшем случае запоминание значения
“Оптический журнал”, 79, 11, 2012
85
(а) RST
+UDD
(б) RST
+UDD
RS (в)
S/H +UDD
RS
+UDD
Усилитель
Компаратор
Счетчик
Источник опорного напряжения
RS
Рис. 1. Структуры пикселов КМОП-фотоприемников. а – активный пиксел с “бегущим считыванием”, б – активный пиксел с “глобальным считыванием”, в – логарифмический пиксел.
видеосигнала с фотодиода осуществляется на емкости, рис. 1б, в более сложных структурах, использующих совместные технологи ПЗС и КМОП, запоминание осуществляется в обедненной области МОП-емкости [6]. Данный режим считывания называют “глобальным”.
В КМОП-фотоприемнике может быть реализована нелинейная зависимость видеосигнала от освещенности в процессе накопления, для чего в качестве нагрузки для тока фотодиода используется нелинейный элемент, рис. 1в. Реализуемая при этом логарифмическая характеристика накопления позволяет расширить динамический диапазон до 120–130 дБ [3, 6].
В сложных структурах пикселов КМОПфотоприемников возможна реализация индивидуального времени накопления для каждого пиксела, адаптирующегося под освещенность в данной точке [13]. На рис. 2 приведена структура пиксела, реализующего потенциальную контрастную чувствительность [14]. Процесс накопления состоит из малых интервалов, соответствующих нарастанию видеосигнала до некоторого порога, задаваемого источником опорного напряжения. По достижении порога компаратор срабатывает и сбрасывает видеосигнал, накопленный в фотодиоде. Двоичный счетчик подсчитывает число срабатываний компаратора. Таким образом, при идеальных элементах схемы потенциальная контрастная чувствительность определятся числом разрядов двоичного счетчика.
Координатная адресация, используемая в КМОП-фотоприемниках, позволяет реали-
Рис. 2. Структура цифрового пиксела, реализующего потенциальную контрастную чувствительность.
зовать режим считывания заданной области на изображении и при этом реализуется обмен частоты кадров на разрешающую способность и поле зрения. В [14] предложена структура КМОП-фотоприемника, в котором может быть реализовано до четырех независимых окон, время накопления в каждом из которых может выбираться независимо.
При известном векторе скорости движения объекта возможно применение режима временной задержки и накопления (ВЗН) для повышения чувствительности и компенсации динамического смаза. Режим ВЗН может быть реализован, если движение объекта является прямолинейным и параметры вектора скорости точно известны. В этом режиме столбцы односекционного матричного ПЗС с кадровым переносом ориентируются строго вдоль вектора движения. При неподвижных областях накопления зарядовый пакет от движущегося изображения окажется размазанным вдоль столбца. В режиме ВЗН обедненные области в полупроводнике сдвигаются под фазными электродами синхронно с движением изображения. В таком случае размазывания изображения не происходит. Матричные ПЗС для режима ВЗН, как правило, имеют от 1000 до 8000 пикселов в строке при числе строк, не более 128 и выпускаются такими фирмами как E2V, Dalsa, Hamamatsu [11, 15, 16]. Последнее объясняется тем, что синхронизация движения изображения и обедненных областей с погрешностью не более 1% затруднительна. Режим ВЗН используется при наблюдении Земли из космоса, контроле технологических процессов, например, при наблюдении движущегося конвейера, в системах фотофиниша.
86 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012
Компенсация только прямолинейного движения является существенным ограничением применения режима ВЗН. В [17] была предложена структура секции накопления четырехфазного матричного ПЗС с кадровым переносом, обеспечивающая произвольное направление переноса зарядовых пакетов. Использование произвольного направления переноса зарядовых пакетов позволяет компенсировать динамический смаз изображения, образующийся в условиях сильной вибрации, устранить размытия в системах адаптивной оптики без применения сложных оптико-механических систем и т. д. Позже был изготовлен матричный ПЗС с произвольным переносом по существенно более сложной технологии [18]. Он получил название OTCCD (Orthogonal Transfer Charge Coupled Device) и используется на телескопе с диаметром зеркала 3,5 метра в обсерватории WIYN Observatory [19].
Фотоприемник Tэ
Tк Tэ
(x)2 (x)2
Пороговое устройство Dx – Dt > N , Fк Dx – Dt < N , Fк
Синхрогенератор
Tэ
Метод адаптации накопления к динамике сюжета
Адаптация пространственно-временных интервалов накопления сигнала (управление кадровой частотой и зоной накопления с помощью сложения сигналов пикселов, [4] – так называемого “бининга”) может осуществляться не только порознь, но и взаимосвязанно. Эта взаимосвязь определяется тем, что все изображения являются пространственно-временными процессами, дискретизируемыми фотоприемником на N2 пикселов и на временные кадровые интервалы Tк. С учетом принятой оценки скорости считывания изображения по полосе частот видеосигнала в соответствии с теоремой отсчетов В.А. Котельникова C =N2/2Tк критерий качества изображения может быть записан в виде
= min
N, T
ïðè
C = N2/2Tê £ C0.
Формализация взаимосвязи накопления по полю и по времени возможна при моделировании сигналов как случайными полями, так и неслучайными движущимися объектами с неизвестными пространственно-временными параметрами. При моделировании изображений случайными процессами традиционно считают известными (оцененными) нормированные к единичной освещенности автокорреляционные функции по полю
Рис. 3. Функциональная схема телекамеры, адаптивной к динамике сюжета и осуществляющей обмен четкости на кадровую частоту по анализу соотношения межэлементной и межкадровой разности.
Kx(x) = Ky(y) (изотропное изображение) и по времени Kt(t). Дисперсии приращений сигнала на интервалах пиксела и кадра составляют [20]:
Dx = 2Kx(0)[1 – Kx(x)/Kx(0)]
и Dt = 2Kt(0)[1 – Kt(Тк)/Kt(0)].
Примем для конкретности модель сигнала с экспоненциальными автокорреляционными функциями K(x) = Kx(0)exp(–|x|/x) с интервалом корреляции x и K(t) = Kt(0)exp(–|t|/t) с интервалом корреляции t. Тогда при независимости случайных процессов по разным аргументам и не слишком больших интервалах дискретизации полная ошибка передачи составит: = 2Dx + Dt = 4Kx(0)x/x + + 2Kt(0)Тк/t. Будем считать растр квадратным с числом N пикселов по вертикали и горизонтали. Тогда линейный размер пиксела будет определятся линейным размером фотоприемной матрицы l: x = l/N. Критерий качества изображения примет вид: = 4Kx(0)l/Nx + + 2Kt(0)N2/C0t. Взяв производную от суммар-
“Оптический журнал”, 79, 11, 2012
87
ной ошибки по числу N пикселов в строке и
приравняв ее нулю, найдем оптимальные значения полного числа пикселов N2 и времени
кадра
Nî2ïò
= æççèç2lC0
Kx (0)t Kt (0)x
÷÷ö÷÷ø2/3,
Tê îïò
=
1
(2Ñ0 )1/3
èççæçl
Kx (0)t Kt (0)x
÷÷ö÷÷ø2/3 .
Отсюда следует N2опт/2Tк опт = С0Dx/Dt, что предписывает правило адаптации, требующее
обеспечения равенства дисперсий межэле-
ментной и межкадровой разностей.
Аналогичное решение для оптимального
взаимообмена четкости и кадровой частоты
при ограниченной скорости считывания C0 можно получить при решении задачи измере-
ния пространственно-временных параметров
движущегося объекта. В этой модели полная
ошибка также содержит две компоненты – статическую с дисперсией ст = 2l2/N2 и динамическую дин, (которая определяется дальностью L до объекта, фокусным расстоянием f объ-
ектива и модулем вектора скорости объекта) с дисперсией дин = 2Tk2f2/L2. Принятый критерий минимума суммы ошибок по трем аргу-
ментам приводит к аналогичным по структуре
формулам:
Nî2ïò
=
èççæç
2Ñ0 lL f
ö÷÷÷ø2/3
,
Tê îïò
=
1
(2Ñ0 )1/3
çèæçç
lL f
öø÷÷÷2/3
.
Полученные формулы предписывают адаптацию параметров накопления к дальности до объекта и распространяют итерационный принцип контроля сближения космических аппаратов (КА), выдвинутый С.П. Королевым, на проектирование телекамер [21].
Адаптивная телевизионная система должна в зависимости от пространственно-временных статистик сюжета перестраивать четкость и кадровую частоту телекамеры так, чтобы частота передачи пикселов была по возможности постоянной и при достаточной освещенности Е Е0 (при работе АРВН) близкой к максимально возможному значению С0. При малой освещенности фотоприемника Е < Е0 критерий качества усложняется и включает не только ошибки пространственной и временной дискретизации, но и шумовую ошибку, обуслов-
ленную дискретной структурой света. Приняв для определенности равномерную плотность вероятности освещенности, будем считать, что в силу распределения потока фотонов по закону Пуассона нормированная по освещенности дисперсия шумовой ошибки оценивания случайного поля изображения определится с учетом квантовой эффективности фотоприемника и количества n фотонов в единице освещенности (1,31012 фотонов/см2 с [1]) выражением вида
= 4Kx(0)l/Nx + 2Kt(0)Tк/t +N2/2nETкl2.
Взяв производные от суммарной ошибки по числу N пикселов в строке и по времени кадра Tк, и приравняв их нулю, найдем оптимальные значения полного числа пикселов N2 и времени кадра:
Nî2ïò
=
2l2
Kx x
(0)
nEt Kt (0)
,
Tê
îïò
=
èçççæ
t Kt (0)
÷÷÷÷øö3/4
æççèçç
Kx (0) 2x
ö÷÷÷÷ø1/2
1 (nE)1/4
.
Отсюда следует, во-первых, критическое значение освещенности
Е0 = (С0/nl2)3/4[x/2Kx(0)]2/3[t/Kt(0)]1/3.
Во-вторых, также как и при ограничении скорости считывания, следует правило равенства дисперсий межэлементной и межкадровой разности:
Dx = Dt = [Kx(0)/2x]1/2[Kt(0)/tnЕ]1/4.
Это правило реализуется с помощью простой схемы адаптивной телекамеры (рис. 3). Когда модуль разности Dx – Dt превышает порог , то подается команда на изменение параметров разложения. При Dx > Dt время кадра уменьшается, а число элементов увеличивается. При Dx < Dt время кадра увеличивается, а число элементов уменьшается.
Для проверки эффективности предложенного метода управления накоплением был проведен эксперимент с подвижными объектами (в том числе с подвижной тест-таблицей 0249-10), с использованием телекамеры на матричном КМОП фотоприемнике, позволяющей с помощью “бининга” реализовать три сочетания четкости и кадровой частоты: 5 Мегапикселов при кадровой частоте 7 Гц, 1,25 Мегапиксела при кадровой частоте 16 Гц и 0,3 Мегапиксела при кадровой частоте 22 Гц. Эти сочетания не являются предельными, но для
88 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012
Dx + Dt
1 2
3 4
0 0,3 22
1,25 16
5 Z, Мпикс 7 Fк, Гц
Рис. 4. Экспериментальная зависимость сум-
мы дисперсий межэлементной разности Dx и межкадровой разности Dt от эффективного числа элементов фотоприемной матрицы для
различных скоростей объекта. 1 – 200 мкм/с,
2 – 100 мкм/с, 3 – 50 мкм/с, 4 – 0 мкм/с.
доступных фотоприемных матриц в режиме постоянной чувствительности они близки к предельным. Эксперимент (рис. 4) подтвердил существование оптимального сочетания четкости и кадровой частоты, зависящего от скорости изменения сюжета во времени. Измерения разрешающей способности по подвижной тесттаблице подтвердили наличие максимума качества изображения, достигаемого при разных параметрах накопления, определяемых скоростью движения. Показанный на рис. 4 максимум качества изображения отражает важный эффект влияния твердотельной технологии на изменение методов системного проектирования в видеоинформатике.
Метод управления накоплением в матричном ПЗС в составе активной телевизионно-лазерной импульсной
системы
В активных телевизионно-лазерных системах используются телевизионные камеры с временами накопления, составляющими доли микросекунды. Для реализации столь малых времен накопления использовались стробируемые электронно-оптические преобразователи (ЭОП). Времена включения/выключения ЭОП могут составлять единицы наносекунд [16]. В то же время, использование ЭОП имеет ряд недостатков: невысокий квантовый выход фотокатода, проблемы сочленения с твердотельным фотоприемником, в том числе потеря преимущества жесткого растра, большая масса и габариты, высокая стоимость и малый ресурс.
Поэтому представляет интерес реализация малых времен накопления непосредственно на матричном ПЗС. В стандартном режиме работы матричного ПЗС со строчным переносом время накопления определяется интервалом от момента окончания импульса сброса зарядовых пактов в подложку SUB, рис. 5а, до окончания импульса считывания накопленных зарядовых пакетов из фотодиода в вертикальный ПЗС-регистр UH. Уровень UM соответствует потенциальной яме в регистре, уровень UL – потенциальному барьеру. Подача высокого потенциала UH формирует глубокую потенциальную яму под электродом, достаточную для переноса зарядовых пакетов из фотодиодов. Необходимо отметить, что накопление пакетов во время действия импульса UH продолжается.
В предлагаемом методе импульс SUB формируется таким образом, что он уничтожает все заряды, образовавшиеся до и после интер-
(а) UM UL
UH Tнак
Tнак
UH
UM UL
(б) SUB
SUB
Рис. 5. Временные диаграммы импульсов управления накоплением и считыванием в режиме электронного затвора: общепринятый режим для длительного накопления (а), режим стробирования (б).
“Оптический журнал”, 79, 11, 2012
89
вала накопления, рис. 5б. В таком случае минимальная длительность интервала накопления зарядов будет определяться длительностью фронтов импульса SUB.
На рис. 6 представлены результаты эксперимента по реализации времени накопления 40 нс в матричном ПЗС ICX659AL фирмы Sony. В процессе эксперимента импульс маломощного лазера сдвигался по времени относительно интервала накопления. На рис. 6 представлены различные случаи временного положения импульса лазера относительно интервала накопления: с перекрытием по времени, до интервала накопления и после него. Рядом с различными случаями приведены изображения пучка лазера, полученные на экране видеомонитора.
Экспериментально подтвержденное время накопления 40 нс позволяет измерять дальность до объекта с точностью 6 м. При длительности импульса лазера более времени накопления, взвешивание сигналов соседних кадров
позволяет на порядок повысить точность – до долей метра. Проведенный энергетический расчет показал, что для уверенного измерения дальности при размере катафота 0,1 м, поверхностная плотность энергии должна составлять 0,1 Дж/км2. Такую плотность энергии может обеспечить твердотельный лазер на алюмо-иттриевом гранате.
Указанный метод стробирования накопления может быть использован для повышения контраста изображений в активных телевизионно-лазерных импульсных системах, работающих в рассеивающих средах, например, в воде. Стробирование матричного ПЗС может отсечь нежелательные отражения от дальностей больших и меньших интересующей. Стробирование матричного ПЗС может оказаться полезным при наблюдении различных экспериментов, например, при наблюдении взрывов, пролетов заряженных элементарных частиц в искровых камерах и т. д.
Uc В (а) 0,5
0 0
10 20 30
40 50 60 70
80 90 100 t, мкс
5
0 0
40 80 160 200 240 280 320 360 400 440 t, нс
5
0 0
40 80 160 200 240 280 320 360 400 440 t, нс
(б) U1 c В
0,5
00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, мкс
5
00 40 80 160 200 240 280 320 360 400 440 t, нс
5
0 0 40 80 160 200 240 280 320 360 400 440 t, нс
Uc В
1
(в)
0,5
00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, мкс
5
00 40 80 160 200 240 280 320 360 400 440 t, нс
5
00 40 80 160 200 240 280 320 360 400 440 t, нс
Рис. 6. Результаты экспериментального исследования макета активной телевизионно-импульсной системы. Изображения катафота, получены при: а – несовпадении по времени отраженного светового импульса с интервалом накопления, б – при частичном совпадении, в – при полном совпадении. Справа (сверху вниз) приведены осциллограммы видеосигнала, интервала накопления и лазерного импульса.
90 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012
Особый интерес представляет возможность создания телевизионного импульсного дальномера, позволяющего определять не только расстояние до объекта, но и углы по направлению на него. Наиболее актуально применение такого дальномера в системах сближения и стыковки КА.
Активный КА содержит на борту импульсный лазер с оптической системой, а также телевизионную камеру, работающую как в режиме телевизионного просмотра, так и в стробируемом режиме. Углы поля зрения камеры и оптической системы лазера согласованы. На пассивном КА установлена специальная мишень (катафот). Измерение расстояния осуществляется выбором такой задержки интервала накопления относительно момента излучения импульса, чтобы фотоприемник воспринял отраженный от мишени свет. Для минимизации начального определения расстояния до пассивного КА используется изменение длительности и положения интервала накопления по принципу дихотомии, широко используемого в АЦП поразрядного уравновешивания.
Полученные с активной телевизионнолазерной импульсной системой результаты говорят о существенно большей эффективности твердотельного решения по сравнению с использовавшимися ранее системами с ЭОП.
Заключение
Рассмотренные известные и предложенные нами методы управления накоплением видеоинформации, обеспечивающие максимально
возможную слитность воспроизведения изображения как пространственно-временного процесса по его дискретным отсчетам, и как следствие, максимальное качество изображения, отражает эффект влияния твердотельной технологии на изменение методов системного проектирования в видеоинформатике. В эпоху электронно-лучевого телевидения, господствовала парадигма пассивного учета ухудшения разрешающей способности из-за движения изображения. Твердотельная технология способствовала выдвижению на первый план максимизации количества и качества видеоинформации путем адаптации параметров разложения изображения, что и позволяет сделать следующие выводы:
1. Многообразие сюжетов и целей прикладных видеоинформационных систем порождает многообразие методов управления накоплением, которые опираются на общий для них принцип слитности изображений.
2. Предложен метод управления накоплением, реализующий адаптацию параметров разложения к пространственно-временным характеристикам сюжета путем обмена четкости на кадровую частоту по измеряемым межэлементным и межкадровым приращениям сигнала.
3. Предложен метод управления накоплением в матричном ПЗС в составе активной телевизионно-лазерной импульсной системы, позволяющий благодаря управлению длительностью и фазой времени накопления в дополнение к определению направления на объект реализовать быстрый алгоритм высокоточного измерения дальности до объекта.
*****
ЛИТЕРАТУРА
1. Зворыкин В.К., Мортон Д.А. Телевидение. Изд-во иностранной литературы, 1956. 780 с.
2. Манцветов А.А., Умбиталиев А.А., Цыцулин А.К. // Принцип слитности в прикладном телевидении. Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения. 2012. В. 1. C. 3–15.
3. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К., Шипилов Н.Н. Твердотельная революция в телевидении. М., Радио и связь, 2006. 312 с.
4. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. М.: Радио и связь, 1986. 184 с.
5. Хромов Л.И., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Видеоинформатика. М.: Радио и связь, 1991. 192 с.
6. Манцветов А.А., Цыцулин А.К. Телекамеры на КМОП фотоприемниках // Вопросы радиоэлектроники, cер. Техника телевидения. 2006. В. 2. С. 70–89.
“Оптический журнал”, 79, 11, 2012
91
7. Вахромеева О.С., Манцветов А.А., Шиманская К.А. Характеристики чувствительности телевизионных камер на матричных приборах с зарядовой связью // Изв. вузов России. Радиоэлектроника, 2004. В. 4. С. 25–35.
8. Официальный сайт телескопа “Хаббл” www.hubblesite.org 9. Официальный сайт фирмы TrueSense Imaging (Kodak Imaging) www.truesenseimaging.com 10. Дмитриева А.Ю., Манцветов А.А., Плохих Д.П. Высокочувствительные телевизионные камеры на охлаж-
даемых матричных ПЗС. Материалы 56-й научн.-техн. конф., посвященная Дню радио, Санкт-Петербург, апрель 2001, СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2001. С. 97–98. 11. Официальный сайт фирмы E2V www.e2v.com 12. Рычажников А.Е. Компенсация геометрических искажений изображений движущихся объектов при использовании фотоэлектрических преобразователей КМОП // Изв. вузов Росси. Радиоэлектроника, 2008. В. 4. С. 47–54. 13. Официальный сайт фирмы Pixim www.pixim.com 14. Пятков В.В., Умбиталиев А.А. КМОП фотосенсор с многоканальной схемой опроса // Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения. 2011. В. 2. С. 34–42. 15. Официальный сайт фирмы TeledyneDalsa www.teledynedalsa.com 16. Официальный сайт фирмы Hamamatsu www.hamamatsu.com 17. Манцветов А.А. Передача динамических изображений матричными приборами с зарядовой связью // Изв. ГЭТУ. В. 478. СПб., 1995. С. 105–112. 18. Burke B.E., Tonry J.L., Cooper M.J. Orthogonal Transfer Arrays for the Pan-STARRS Gigapixel Camera // Proceedings of SPIE. 2007. V. 6501. Р. 1–9. 19. Официальный сайт обсерватории WIYN www.noao.edu 20. Фрэнкс Л. Теория сигналов. М.: Мир, 1974. 344 с. 21. Манцветов А.А., Зубакин И.А., Козлов В.В. Цыцулин А.К. Адаптация космической телевизионной системы к этапам наблюдения объектов // Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения. 2012. В. 1. С. 29–43.
92 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012
УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОМ НАКОПЛЕНИЯ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ФОТОПРИЕМНИКАХ
© 2012 г. А. А. Умбиталиев*, доктор техн. наук; А. К. Цыцулин*, доктор техн. наук; А. А. Манцветов**, канд. техн. наук; В. В. Козлов***, А. Е. Рычажников**, П. С. Баранов**, аспирант; А. В. Иванова**, аспирант.
*** ОАО “Научно-исследовательский институт телевидения”, Санкт-Петербург
*** Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ” *** им. В.И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург
*** ОАО Ракетно-космическая корпорация “Энергия”, г. Королев
*** Е-mail: tsytsulin@niitv.ru
Классифицированы методы управления режимом накопления заряда в матричных фотоприемниках. Рассмотрены отличия в методах управления накоплением в приборах с зарядовой связью и в комплиментарных структурах металл-оксид-полупроводник. Предложены метод адаптации накопления к динамике сюжета и метод управления длительностью и фазой накопления при измерении дальности в твердотельной матричной системе с активной импульсной подсветкой.
Ключевые слова: накопление видеоинформации, разрешающая способность, динамический смаз, стробирование светового потока.
Коды OCIS: 040.1490, 040.1520, 150.6044
Поступила в редакцию 18.06.2012
Введение
Важнейшим принципом видеоинформатики является принцип накопления. Он реализуется в видеоинформационных системах в несколько этапов: на пиксельном, несемантическом уровне – в телекамере и на более высоком, семантическом – в компьютере при обработке изображений и принятии решений. При этом формирование видеосигнала в телекамере происходит благодаря реализации принципов накопления и развертки. Электронное телевидение началось с создания В.К. Зворыкиным передающей телевизионной трубки – иконоскопа [1]. Современные твердотельные фотоприемники, выполненные на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) и комплементарных структур метал-оксид-полупроводник (КМОП) не просто реализуют накопление сигналов в зарядовой форме, но и обеспечивая реализацию принципа слитности изображений как пространственно-временных процессов [2], знаменуют твердотельную революцию в телевидении [3–5].
Фотоприемники, выполненные по ПЗС и КМОП технологии, имеют как общие черты, так и существенные отличия. В настоящее время по фотоэлектрическим характеристикам, таким как чувствительность, уровень геометрического шума, ПЗС-фотоприемники превосходят фотоприемники, выполненный по КМОП-технологии [3, 6]. По эксплуатационным характеристикам, таким как массогабаритные показатели, напряжение питания, потребляемая мощность, несомненными лидерами являются фотоприемники по технологии КМОП. К тому же КМОП-фотоприемники имеют ряд новых функциональных свойств, таких как выбор окна на изображении, обработка видеоинформации непосредственно в процессе ее формирования и т. д., что недостижимо при использовании технологии ПЗС. Возникающие в процессе формирования видеоинформации артефакты для этих двух классов фотоприемников имеют ряд отличий, что сказывается на областях их применения. Ниже рассмотрены особенности управления характеристиками накопления обоих типов фотоприемников.
84 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012
Методы согласования накопления с априорной информацией о сюжете
Выражение для числа накопленных фотоэлектронов имеет вид [7]
òne
=
1 hc
ATíàê
max
()()d,
min
где Tнак – время накопления, Ф() – спектральная плотность мощности излучения, h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме, min–max – диапазон спектральной чувствительности фотоприемника, Ap – площадь светочувствительно элемента, () – квантовая эффективность с учетом коэффициента использования площади пиксела. Из этого следует, что выходной сигнал и чувствительность зависят от времени накопления. Как в телекамерах на ПЗС, так и на КМОП-фотоприемниках, при высокой освещенности используется режим автоматический регулировки времени накопления (АРВН) для управления чувствительностью. В этом режиме время накопления уменьшается путем применения электронного затвора. В фотоприемниках на ПЗС он реализуется сбросом накопленных зарядов в подложку, в КМОП-фотоприемниках – привязкой потенциала фотодиода к потенциалу питания.
С другой стороны, в малокадровых системах для достижения потенциальной чувствительности время накопления увеличивается до секунд, минут и даже часов. Время накопления в реальных системах ограничивается темновым током, методы борьбы с которым широко известны. Наибольшая реализованная экспозиция, включающая накопление на матрице и внешнее цифровое накопление, составила одиннадцать суток при получении заатмосферным телескопом “Хаббл” изображения Ultra High Deep Field (сверхглубокое поле проникновения), соответствующего картине Вселенной 13,5 миллиардов лет назад [8].
Темновой ток возникает не только при накоплении, но и при переносе зарядовых пакетов, причем его уровень может оказаться значительным. Так, для матричного ПЗС KAI-0150 фирмы Kodak скорость генерации темнового тока в фотодиоде составляет 7 электронов/с, а в вертикальном ПЗС-регистре 70 электронов/с [9]. Темновой ток, образованный в процессе считывания, усредняется вдоль ПЗС-регистра и проявляется в виде вертикальных полос на изображении.
При больших временах накопления помимо темнового тока возникают проблемы, вызванные генерацией паразитных носителей, обусловленных свечением полевых транзисторов, находящихся в активном режиме. Это свечение вызвано излучением Вавилова–Черенкова. Особенно остро эта проблема стоит в КМОПфотоприемниках, у которых в каждом пикселе может быть несколько транзисторов, находящихся в активном режиме и расположенных в непосредственной близости от фотодиода. Методом борьбы с эффектами свечения является отключение питания транзисторов на время накопления.
Отключение транзисторов выходного устройства в матричном ПЗС, работающем с временами накопления в десятки секунд, позволило устранить засветку левого верхнего угла изображения, вызванную свечением транзисторов выходного устройства матричного ПЗС [10]. Известны методы снижения темнового тока, основанные на управлении режимом накопления. Известен режим накопления с линейно увеличивающимся потенциалом на фазном электроде [5], в матричных ПЗС с кадровым переносом широко используется режим MPP (Multi Pinned Phase), заключающийся в инверсии потенциала накопления [11].
В матричных ПЗС накопление во всех светочувствительных пикселах происходит одновременно, и поэтому движение изображения вызывает только динамический смаз. В КМОПфотоприемниках движение изображения может привести к геометрическим искажениям изображения [12]. Это обусловлено тем, что при использовании обычного активного пиксела, рис. 1а, время накопления в соседних строках оказывается одинаковым, но смещенными друг относительно друга на длительность строки. При считывании строк сверху вниз, объект, двигающийся по вертикали, окажется растянутым в вертикальном направлении при движении по направлению считывания и сжатым в вертикальном направлении при движении против направления считывания. При движении по горизонтали вертикальные линии объекта наклоняются в ту или иную сторону в зависимости от направления движения. Такое считывание называется “бегущим” или “катящимся” считыванием.
Для того чтобы накопление во всех пикселах проходило одновременно, в структуру пиксела должен быть введен элемент памяти. В простейшем случае запоминание значения
“Оптический журнал”, 79, 11, 2012
85
(а) RST
+UDD
(б) RST
+UDD
RS (в)
S/H +UDD
RS
+UDD
Усилитель
Компаратор
Счетчик
Источник опорного напряжения
RS
Рис. 1. Структуры пикселов КМОП-фотоприемников. а – активный пиксел с “бегущим считыванием”, б – активный пиксел с “глобальным считыванием”, в – логарифмический пиксел.
видеосигнала с фотодиода осуществляется на емкости, рис. 1б, в более сложных структурах, использующих совместные технологи ПЗС и КМОП, запоминание осуществляется в обедненной области МОП-емкости [6]. Данный режим считывания называют “глобальным”.
В КМОП-фотоприемнике может быть реализована нелинейная зависимость видеосигнала от освещенности в процессе накопления, для чего в качестве нагрузки для тока фотодиода используется нелинейный элемент, рис. 1в. Реализуемая при этом логарифмическая характеристика накопления позволяет расширить динамический диапазон до 120–130 дБ [3, 6].
В сложных структурах пикселов КМОПфотоприемников возможна реализация индивидуального времени накопления для каждого пиксела, адаптирующегося под освещенность в данной точке [13]. На рис. 2 приведена структура пиксела, реализующего потенциальную контрастную чувствительность [14]. Процесс накопления состоит из малых интервалов, соответствующих нарастанию видеосигнала до некоторого порога, задаваемого источником опорного напряжения. По достижении порога компаратор срабатывает и сбрасывает видеосигнал, накопленный в фотодиоде. Двоичный счетчик подсчитывает число срабатываний компаратора. Таким образом, при идеальных элементах схемы потенциальная контрастная чувствительность определятся числом разрядов двоичного счетчика.
Координатная адресация, используемая в КМОП-фотоприемниках, позволяет реали-
Рис. 2. Структура цифрового пиксела, реализующего потенциальную контрастную чувствительность.
зовать режим считывания заданной области на изображении и при этом реализуется обмен частоты кадров на разрешающую способность и поле зрения. В [14] предложена структура КМОП-фотоприемника, в котором может быть реализовано до четырех независимых окон, время накопления в каждом из которых может выбираться независимо.
При известном векторе скорости движения объекта возможно применение режима временной задержки и накопления (ВЗН) для повышения чувствительности и компенсации динамического смаза. Режим ВЗН может быть реализован, если движение объекта является прямолинейным и параметры вектора скорости точно известны. В этом режиме столбцы односекционного матричного ПЗС с кадровым переносом ориентируются строго вдоль вектора движения. При неподвижных областях накопления зарядовый пакет от движущегося изображения окажется размазанным вдоль столбца. В режиме ВЗН обедненные области в полупроводнике сдвигаются под фазными электродами синхронно с движением изображения. В таком случае размазывания изображения не происходит. Матричные ПЗС для режима ВЗН, как правило, имеют от 1000 до 8000 пикселов в строке при числе строк, не более 128 и выпускаются такими фирмами как E2V, Dalsa, Hamamatsu [11, 15, 16]. Последнее объясняется тем, что синхронизация движения изображения и обедненных областей с погрешностью не более 1% затруднительна. Режим ВЗН используется при наблюдении Земли из космоса, контроле технологических процессов, например, при наблюдении движущегося конвейера, в системах фотофиниша.
86 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012
Компенсация только прямолинейного движения является существенным ограничением применения режима ВЗН. В [17] была предложена структура секции накопления четырехфазного матричного ПЗС с кадровым переносом, обеспечивающая произвольное направление переноса зарядовых пакетов. Использование произвольного направления переноса зарядовых пакетов позволяет компенсировать динамический смаз изображения, образующийся в условиях сильной вибрации, устранить размытия в системах адаптивной оптики без применения сложных оптико-механических систем и т. д. Позже был изготовлен матричный ПЗС с произвольным переносом по существенно более сложной технологии [18]. Он получил название OTCCD (Orthogonal Transfer Charge Coupled Device) и используется на телескопе с диаметром зеркала 3,5 метра в обсерватории WIYN Observatory [19].
Фотоприемник Tэ
Tк Tэ
(x)2 (x)2
Пороговое устройство Dx – Dt > N , Fк Dx – Dt < N , Fк
Синхрогенератор
Tэ
Метод адаптации накопления к динамике сюжета
Адаптация пространственно-временных интервалов накопления сигнала (управление кадровой частотой и зоной накопления с помощью сложения сигналов пикселов, [4] – так называемого “бининга”) может осуществляться не только порознь, но и взаимосвязанно. Эта взаимосвязь определяется тем, что все изображения являются пространственно-временными процессами, дискретизируемыми фотоприемником на N2 пикселов и на временные кадровые интервалы Tк. С учетом принятой оценки скорости считывания изображения по полосе частот видеосигнала в соответствии с теоремой отсчетов В.А. Котельникова C =N2/2Tк критерий качества изображения может быть записан в виде
= min
N, T
ïðè
C = N2/2Tê £ C0.
Формализация взаимосвязи накопления по полю и по времени возможна при моделировании сигналов как случайными полями, так и неслучайными движущимися объектами с неизвестными пространственно-временными параметрами. При моделировании изображений случайными процессами традиционно считают известными (оцененными) нормированные к единичной освещенности автокорреляционные функции по полю
Рис. 3. Функциональная схема телекамеры, адаптивной к динамике сюжета и осуществляющей обмен четкости на кадровую частоту по анализу соотношения межэлементной и межкадровой разности.
Kx(x) = Ky(y) (изотропное изображение) и по времени Kt(t). Дисперсии приращений сигнала на интервалах пиксела и кадра составляют [20]:
Dx = 2Kx(0)[1 – Kx(x)/Kx(0)]
и Dt = 2Kt(0)[1 – Kt(Тк)/Kt(0)].
Примем для конкретности модель сигнала с экспоненциальными автокорреляционными функциями K(x) = Kx(0)exp(–|x|/x) с интервалом корреляции x и K(t) = Kt(0)exp(–|t|/t) с интервалом корреляции t. Тогда при независимости случайных процессов по разным аргументам и не слишком больших интервалах дискретизации полная ошибка передачи составит: = 2Dx + Dt = 4Kx(0)x/x + + 2Kt(0)Тк/t. Будем считать растр квадратным с числом N пикселов по вертикали и горизонтали. Тогда линейный размер пиксела будет определятся линейным размером фотоприемной матрицы l: x = l/N. Критерий качества изображения примет вид: = 4Kx(0)l/Nx + + 2Kt(0)N2/C0t. Взяв производную от суммар-
“Оптический журнал”, 79, 11, 2012
87
ной ошибки по числу N пикселов в строке и
приравняв ее нулю, найдем оптимальные значения полного числа пикселов N2 и времени
кадра
Nî2ïò
= æççèç2lC0
Kx (0)t Kt (0)x
÷÷ö÷÷ø2/3,
Tê îïò
=
1
(2Ñ0 )1/3
èççæçl
Kx (0)t Kt (0)x
÷÷ö÷÷ø2/3 .
Отсюда следует N2опт/2Tк опт = С0Dx/Dt, что предписывает правило адаптации, требующее
обеспечения равенства дисперсий межэле-
ментной и межкадровой разностей.
Аналогичное решение для оптимального
взаимообмена четкости и кадровой частоты
при ограниченной скорости считывания C0 можно получить при решении задачи измере-
ния пространственно-временных параметров
движущегося объекта. В этой модели полная
ошибка также содержит две компоненты – статическую с дисперсией ст = 2l2/N2 и динамическую дин, (которая определяется дальностью L до объекта, фокусным расстоянием f объ-
ектива и модулем вектора скорости объекта) с дисперсией дин = 2Tk2f2/L2. Принятый критерий минимума суммы ошибок по трем аргу-
ментам приводит к аналогичным по структуре
формулам:
Nî2ïò
=
èççæç
2Ñ0 lL f
ö÷÷÷ø2/3
,
Tê îïò
=
1
(2Ñ0 )1/3
çèæçç
lL f
öø÷÷÷2/3
.
Полученные формулы предписывают адаптацию параметров накопления к дальности до объекта и распространяют итерационный принцип контроля сближения космических аппаратов (КА), выдвинутый С.П. Королевым, на проектирование телекамер [21].
Адаптивная телевизионная система должна в зависимости от пространственно-временных статистик сюжета перестраивать четкость и кадровую частоту телекамеры так, чтобы частота передачи пикселов была по возможности постоянной и при достаточной освещенности Е Е0 (при работе АРВН) близкой к максимально возможному значению С0. При малой освещенности фотоприемника Е < Е0 критерий качества усложняется и включает не только ошибки пространственной и временной дискретизации, но и шумовую ошибку, обуслов-
ленную дискретной структурой света. Приняв для определенности равномерную плотность вероятности освещенности, будем считать, что в силу распределения потока фотонов по закону Пуассона нормированная по освещенности дисперсия шумовой ошибки оценивания случайного поля изображения определится с учетом квантовой эффективности фотоприемника и количества n фотонов в единице освещенности (1,31012 фотонов/см2 с [1]) выражением вида
= 4Kx(0)l/Nx + 2Kt(0)Tк/t +N2/2nETкl2.
Взяв производные от суммарной ошибки по числу N пикселов в строке и по времени кадра Tк, и приравняв их нулю, найдем оптимальные значения полного числа пикселов N2 и времени кадра:
Nî2ïò
=
2l2
Kx x
(0)
nEt Kt (0)
,
Tê
îïò
=
èçççæ
t Kt (0)
÷÷÷÷øö3/4
æççèçç
Kx (0) 2x
ö÷÷÷÷ø1/2
1 (nE)1/4
.
Отсюда следует, во-первых, критическое значение освещенности
Е0 = (С0/nl2)3/4[x/2Kx(0)]2/3[t/Kt(0)]1/3.
Во-вторых, также как и при ограничении скорости считывания, следует правило равенства дисперсий межэлементной и межкадровой разности:
Dx = Dt = [Kx(0)/2x]1/2[Kt(0)/tnЕ]1/4.
Это правило реализуется с помощью простой схемы адаптивной телекамеры (рис. 3). Когда модуль разности Dx – Dt превышает порог , то подается команда на изменение параметров разложения. При Dx > Dt время кадра уменьшается, а число элементов увеличивается. При Dx < Dt время кадра увеличивается, а число элементов уменьшается.
Для проверки эффективности предложенного метода управления накоплением был проведен эксперимент с подвижными объектами (в том числе с подвижной тест-таблицей 0249-10), с использованием телекамеры на матричном КМОП фотоприемнике, позволяющей с помощью “бининга” реализовать три сочетания четкости и кадровой частоты: 5 Мегапикселов при кадровой частоте 7 Гц, 1,25 Мегапиксела при кадровой частоте 16 Гц и 0,3 Мегапиксела при кадровой частоте 22 Гц. Эти сочетания не являются предельными, но для
88 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012
Dx + Dt
1 2
3 4
0 0,3 22
1,25 16
5 Z, Мпикс 7 Fк, Гц
Рис. 4. Экспериментальная зависимость сум-
мы дисперсий межэлементной разности Dx и межкадровой разности Dt от эффективного числа элементов фотоприемной матрицы для
различных скоростей объекта. 1 – 200 мкм/с,
2 – 100 мкм/с, 3 – 50 мкм/с, 4 – 0 мкм/с.
доступных фотоприемных матриц в режиме постоянной чувствительности они близки к предельным. Эксперимент (рис. 4) подтвердил существование оптимального сочетания четкости и кадровой частоты, зависящего от скорости изменения сюжета во времени. Измерения разрешающей способности по подвижной тесттаблице подтвердили наличие максимума качества изображения, достигаемого при разных параметрах накопления, определяемых скоростью движения. Показанный на рис. 4 максимум качества изображения отражает важный эффект влияния твердотельной технологии на изменение методов системного проектирования в видеоинформатике.
Метод управления накоплением в матричном ПЗС в составе активной телевизионно-лазерной импульсной
системы
В активных телевизионно-лазерных системах используются телевизионные камеры с временами накопления, составляющими доли микросекунды. Для реализации столь малых времен накопления использовались стробируемые электронно-оптические преобразователи (ЭОП). Времена включения/выключения ЭОП могут составлять единицы наносекунд [16]. В то же время, использование ЭОП имеет ряд недостатков: невысокий квантовый выход фотокатода, проблемы сочленения с твердотельным фотоприемником, в том числе потеря преимущества жесткого растра, большая масса и габариты, высокая стоимость и малый ресурс.
Поэтому представляет интерес реализация малых времен накопления непосредственно на матричном ПЗС. В стандартном режиме работы матричного ПЗС со строчным переносом время накопления определяется интервалом от момента окончания импульса сброса зарядовых пактов в подложку SUB, рис. 5а, до окончания импульса считывания накопленных зарядовых пакетов из фотодиода в вертикальный ПЗС-регистр UH. Уровень UM соответствует потенциальной яме в регистре, уровень UL – потенциальному барьеру. Подача высокого потенциала UH формирует глубокую потенциальную яму под электродом, достаточную для переноса зарядовых пакетов из фотодиодов. Необходимо отметить, что накопление пакетов во время действия импульса UH продолжается.
В предлагаемом методе импульс SUB формируется таким образом, что он уничтожает все заряды, образовавшиеся до и после интер-
(а) UM UL
UH Tнак
Tнак
UH
UM UL
(б) SUB
SUB
Рис. 5. Временные диаграммы импульсов управления накоплением и считыванием в режиме электронного затвора: общепринятый режим для длительного накопления (а), режим стробирования (б).
“Оптический журнал”, 79, 11, 2012
89
вала накопления, рис. 5б. В таком случае минимальная длительность интервала накопления зарядов будет определяться длительностью фронтов импульса SUB.
На рис. 6 представлены результаты эксперимента по реализации времени накопления 40 нс в матричном ПЗС ICX659AL фирмы Sony. В процессе эксперимента импульс маломощного лазера сдвигался по времени относительно интервала накопления. На рис. 6 представлены различные случаи временного положения импульса лазера относительно интервала накопления: с перекрытием по времени, до интервала накопления и после него. Рядом с различными случаями приведены изображения пучка лазера, полученные на экране видеомонитора.
Экспериментально подтвержденное время накопления 40 нс позволяет измерять дальность до объекта с точностью 6 м. При длительности импульса лазера более времени накопления, взвешивание сигналов соседних кадров
позволяет на порядок повысить точность – до долей метра. Проведенный энергетический расчет показал, что для уверенного измерения дальности при размере катафота 0,1 м, поверхностная плотность энергии должна составлять 0,1 Дж/км2. Такую плотность энергии может обеспечить твердотельный лазер на алюмо-иттриевом гранате.
Указанный метод стробирования накопления может быть использован для повышения контраста изображений в активных телевизионно-лазерных импульсных системах, работающих в рассеивающих средах, например, в воде. Стробирование матричного ПЗС может отсечь нежелательные отражения от дальностей больших и меньших интересующей. Стробирование матричного ПЗС может оказаться полезным при наблюдении различных экспериментов, например, при наблюдении взрывов, пролетов заряженных элементарных частиц в искровых камерах и т. д.
Uc В (а) 0,5
0 0
10 20 30
40 50 60 70
80 90 100 t, мкс
5
0 0
40 80 160 200 240 280 320 360 400 440 t, нс
5
0 0
40 80 160 200 240 280 320 360 400 440 t, нс
(б) U1 c В
0,5
00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, мкс
5
00 40 80 160 200 240 280 320 360 400 440 t, нс
5
0 0 40 80 160 200 240 280 320 360 400 440 t, нс
Uc В
1
(в)
0,5
00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t, мкс
5
00 40 80 160 200 240 280 320 360 400 440 t, нс
5
00 40 80 160 200 240 280 320 360 400 440 t, нс
Рис. 6. Результаты экспериментального исследования макета активной телевизионно-импульсной системы. Изображения катафота, получены при: а – несовпадении по времени отраженного светового импульса с интервалом накопления, б – при частичном совпадении, в – при полном совпадении. Справа (сверху вниз) приведены осциллограммы видеосигнала, интервала накопления и лазерного импульса.
90 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012
Особый интерес представляет возможность создания телевизионного импульсного дальномера, позволяющего определять не только расстояние до объекта, но и углы по направлению на него. Наиболее актуально применение такого дальномера в системах сближения и стыковки КА.
Активный КА содержит на борту импульсный лазер с оптической системой, а также телевизионную камеру, работающую как в режиме телевизионного просмотра, так и в стробируемом режиме. Углы поля зрения камеры и оптической системы лазера согласованы. На пассивном КА установлена специальная мишень (катафот). Измерение расстояния осуществляется выбором такой задержки интервала накопления относительно момента излучения импульса, чтобы фотоприемник воспринял отраженный от мишени свет. Для минимизации начального определения расстояния до пассивного КА используется изменение длительности и положения интервала накопления по принципу дихотомии, широко используемого в АЦП поразрядного уравновешивания.
Полученные с активной телевизионнолазерной импульсной системой результаты говорят о существенно большей эффективности твердотельного решения по сравнению с использовавшимися ранее системами с ЭОП.
Заключение
Рассмотренные известные и предложенные нами методы управления накоплением видеоинформации, обеспечивающие максимально
возможную слитность воспроизведения изображения как пространственно-временного процесса по его дискретным отсчетам, и как следствие, максимальное качество изображения, отражает эффект влияния твердотельной технологии на изменение методов системного проектирования в видеоинформатике. В эпоху электронно-лучевого телевидения, господствовала парадигма пассивного учета ухудшения разрешающей способности из-за движения изображения. Твердотельная технология способствовала выдвижению на первый план максимизации количества и качества видеоинформации путем адаптации параметров разложения изображения, что и позволяет сделать следующие выводы:
1. Многообразие сюжетов и целей прикладных видеоинформационных систем порождает многообразие методов управления накоплением, которые опираются на общий для них принцип слитности изображений.
2. Предложен метод управления накоплением, реализующий адаптацию параметров разложения к пространственно-временным характеристикам сюжета путем обмена четкости на кадровую частоту по измеряемым межэлементным и межкадровым приращениям сигнала.
3. Предложен метод управления накоплением в матричном ПЗС в составе активной телевизионно-лазерной импульсной системы, позволяющий благодаря управлению длительностью и фазой времени накопления в дополнение к определению направления на объект реализовать быстрый алгоритм высокоточного измерения дальности до объекта.
*****
ЛИТЕРАТУРА
1. Зворыкин В.К., Мортон Д.А. Телевидение. Изд-во иностранной литературы, 1956. 780 с.
2. Манцветов А.А., Умбиталиев А.А., Цыцулин А.К. // Принцип слитности в прикладном телевидении. Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения. 2012. В. 1. C. 3–15.
3. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К., Шипилов Н.Н. Твердотельная революция в телевидении. М., Радио и связь, 2006. 312 с.
4. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. М.: Радио и связь, 1986. 184 с.
5. Хромов Л.И., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Видеоинформатика. М.: Радио и связь, 1991. 192 с.
6. Манцветов А.А., Цыцулин А.К. Телекамеры на КМОП фотоприемниках // Вопросы радиоэлектроники, cер. Техника телевидения. 2006. В. 2. С. 70–89.
“Оптический журнал”, 79, 11, 2012
91
7. Вахромеева О.С., Манцветов А.А., Шиманская К.А. Характеристики чувствительности телевизионных камер на матричных приборах с зарядовой связью // Изв. вузов России. Радиоэлектроника, 2004. В. 4. С. 25–35.
8. Официальный сайт телескопа “Хаббл” www.hubblesite.org 9. Официальный сайт фирмы TrueSense Imaging (Kodak Imaging) www.truesenseimaging.com 10. Дмитриева А.Ю., Манцветов А.А., Плохих Д.П. Высокочувствительные телевизионные камеры на охлаж-
даемых матричных ПЗС. Материалы 56-й научн.-техн. конф., посвященная Дню радио, Санкт-Петербург, апрель 2001, СПб.: Изд-во СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2001. С. 97–98. 11. Официальный сайт фирмы E2V www.e2v.com 12. Рычажников А.Е. Компенсация геометрических искажений изображений движущихся объектов при использовании фотоэлектрических преобразователей КМОП // Изв. вузов Росси. Радиоэлектроника, 2008. В. 4. С. 47–54. 13. Официальный сайт фирмы Pixim www.pixim.com 14. Пятков В.В., Умбиталиев А.А. КМОП фотосенсор с многоканальной схемой опроса // Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения. 2011. В. 2. С. 34–42. 15. Официальный сайт фирмы TeledyneDalsa www.teledynedalsa.com 16. Официальный сайт фирмы Hamamatsu www.hamamatsu.com 17. Манцветов А.А. Передача динамических изображений матричными приборами с зарядовой связью // Изв. ГЭТУ. В. 478. СПб., 1995. С. 105–112. 18. Burke B.E., Tonry J.L., Cooper M.J. Orthogonal Transfer Arrays for the Pan-STARRS Gigapixel Camera // Proceedings of SPIE. 2007. V. 6501. Р. 1–9. 19. Официальный сайт обсерватории WIYN www.noao.edu 20. Фрэнкс Л. Теория сигналов. М.: Мир, 1974. 344 с. 21. Манцветов А.А., Зубакин И.А., Козлов В.В. Цыцулин А.К. Адаптация космической телевизионной системы к этапам наблюдения объектов // Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения. 2012. В. 1. С. 29–43.
92 “Оптический журнал”, 79, 11, 2012