RU59923U1 - CCD CAMERA - Google Patents
CCD CAMERA Download PDFInfo
- Publication number
- RU59923U1 RU59923U1 RU2006120355/22U RU2006120355U RU59923U1 RU 59923 U1 RU59923 U1 RU 59923U1 RU 2006120355/22 U RU2006120355/22 U RU 2006120355/22U RU 2006120355 U RU2006120355 U RU 2006120355U RU 59923 U1 RU59923 U1 RU 59923U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ccd
- output
- electrically connected
- input
- matrix
- Prior art date
Links
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 86
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 10
- 238000003491 array Methods 0.000 abstract description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 10
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 8
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 6
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 210000000352 storage cell Anatomy 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Landscapes
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области телевизионной техники, конкретно - к системам скоростной видеосъемки, видеокамеры которых выполнены на основе матриц приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрицы), и может применяться для регистрации объектов с быстроизменяющейся интенсивностью излучения. ПЗС-видеокамера, включает объектив, ПЗС-матрицу, блок формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы, блок усиления и обработки видеосигнала ПЗС-матрицы и блок автоматической регулировки экспозиции, содержащий фотодиод, электронный ключ, интегратор и микропроцессор, объектив оптически связан с ПЗС-матрицей и фотодиодом, входы ПЗС-матрицы электрически соединены с управляющими выходами блока формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы, выход ПЗС-матрицы электрически соединен с первым входом блока усиления и обработки видеосигнала ПЗС-матрицы, выход которого является выходом видеосигнала, выход фотодиода электрически соединен с входом электронного ключа, выход которого электрически соединен с входом интегратора, выход которого электрически соединен с первым входом микропроцессора, ПЗС-матрица выполнена высокоскоростной и содержит электроды антиблюминга, фотодиод выполнен с площадью, равной площади светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы, первый выход микропроцессора электрически соединен с электронным ключом, второй выход микропроцессора электрически соединен с управляющим входом блока формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы, а выход синхронизации блока формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы электрически соединен с входом синхронизации микропроцессора. В ПЗС-видеокамере фотодиод может быть разделен на несколько секций, соответствующих числу независимых участков изображения исследуемого объекта и имеющих независимые электрические выходы. Также ПЗС-видеокамера может быть выполнена с микропроцессором блока автоматической регулировки экспозиции, имеющим третий выход, электрически связанный со вторым входом блока усиления и обработки видеосигнала ПЗС-матрицы. 1 сам. п. ф-лы, 2 з.п., 1 рис., 1 п.The utility model relates to the field of television technology, specifically, to high-speed video recording systems, the video cameras of which are based on charge-coupled device arrays (CCDs), and can be used to register objects with rapidly changing radiation intensity. The CCD video camera includes a lens, a CCD matrix, a block for generating control signals of the CCD matrix, a video signal amplification and processing unit for the CCD matrix and an automatic exposure control unit containing a photodiode, an electronic key, an integrator and a microprocessor, the lens is optically coupled to the CCD and a photodiode, the inputs of the CCD matrix are electrically connected to the control outputs of the control signal generation unit of the CCD matrix, the output of the CCD matrix is electrically connected to the first input of the CCD video signal amplification and processing unit -matrix, the output of which is the output of the video signal, the output of the photodiode is electrically connected to the input of the electronic key, the output of which is electrically connected to the input of the integrator, the output of which is electrically connected to the first input of the microprocessor, the CCD is made high-speed and contains anti-blooming electrodes, the photodiode is made with an area equal to the area of the photosensitive surface of the CCD, the first output of the microprocessor is electrically connected to the electronic key, the second output of the microprocessor is electrically Inonii a control input unit generating control signals of the CCD, and output synchronization unit generating control signals of the CCD is electrically connected to an input of the microprocessor synchronization. In a CCD video camera, the photodiode can be divided into several sections corresponding to the number of independent image sections of the object under study and having independent electrical outputs. Also, the CCD video camera can be made with a microprocessor of the automatic exposure control unit having a third output electrically connected to the second input of the amplification and video processing unit of the CCD matrix. 1 myself. p. f-ly, 2 s.p., 1 pic., 1 p.
Description
Полезная модель относится к области телевизионной техники, конкретно - к системам скоростной видеосъемки, видеокамеры которых выполнены на основе матриц приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрицы), и может применяться для регистрации объектов с быстроизменяющейся интенсивностью излучения.The utility model relates to the field of television technology, specifically, to high-speed video recording systems, the video cameras of which are based on charge-coupled device arrays (CCDs), and can be used to register objects with rapidly changing radiation intensity.
Регулировка чувствительности в таких устройствах обычно осуществляется посредством изменения времени накопления информационного заряда, пропорционального освещенности на фоточувствительных элементах ПЗС-матриц, имеющих электроды антиблюминга (электронный затвор). Матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС матрицы), используемые в телевизионной технике, представляют собой двумерный массив М*К фоточувствительных элементов, объединенных с накопительными ячейками и регистрами сдвига электрических зарядов. Под воздействием падающего излучения в элементах ПЗС-матрицы образуется информационный заряд, который интегрируется в накопительной емкости фоточувствительной ячейки. Величина накопленного заряда прямо пропорциональна интенсивности падающего излучения и времени интегрирования сигнала (время экспозиции) Динамический диапазон фоточувствительных элементов ограничен снизу уровнем собственных шумов ПЗС-матрицы, а сверху - емкостью накопителя элементарной ячейки. Элементы матрицы объединены вертикальными выходными регистрами в К столбцов, имеющих общее управление. Один такт переноса в вертикальном направлении приводит к одновременному переносу из К столбцов матрицы М элементов одной строки изображения в горизонтальный регистр сдвига, откуда элементы последовательно выводятся через общее выходное устройство. Таким образом, для формирования видеосигнала последовательности кадров изображения накопленный за время экспозиции информационный заряд выводится с помощью заданной последовательности тактовых импульсов, подаваемых на регистры сдвига и формируемых блоком формирования управляющих напряжений ПЗС-матрицы (драйвер). Время вывода одного кадра изображения определяется тактовой частотой горизонтального регистра и Sensitivity adjustment in such devices is usually carried out by changing the accumulation time of the information charge, which is proportional to the illumination on the photosensitive elements of CCD arrays having anti-blooming electrodes (electronic shutter). Charge-coupled device arrays (CCD arrays) used in television technology are a two-dimensional array of M * K photosensitive elements combined with storage cells and shift registers for electric charges. Under the influence of incident radiation, an information charge is formed in the elements of the CCD matrix, which is integrated into the storage capacity of the photosensitive cell. The value of the accumulated charge is directly proportional to the intensity of the incident radiation and the integration time of the signal (exposure time) The dynamic range of the photosensitive elements is limited from below by the intrinsic noise level of the CCD matrix, and from above by the capacity of the unit cell storage. Matrix elements are combined by vertical output registers in K columns having common control. One transfer cycle in the vertical direction leads to the simultaneous transfer from K columns of the matrix M of the elements of one image row to the horizontal shift register, from where the elements are sequentially output through a common output device. Thus, to generate a video signal of a sequence of image frames, the information charge accumulated during the exposure is output using a predetermined sequence of clock pulses supplied to the shift registers and generated by the CCD matrix control voltage generating unit (driver). The output time of one image frame is determined by the clock frequency of the horizontal register and
быстродействием схем передачи/обработки видеосигнала и не может быть меньше времени, необходимого для последовательного вывода М*К элементов ПЗС-матрицы.the speed of the video transmission / processing schemes and cannot be less than the time required for the sequential output of M * K elements of the CCD matrix.
В стандартных телевизионных системах время кадра составляет 20 мс (50 кадров в секунду). В высокоскоростных телевизионных системах время кадра может составлять единицы и даже доли миллисекунды (системы, передающие более 1000 кадров в секунду), и для повышения быстродействия в них обычно используются ПЗС-матрицы, фоточувствительная поверхность которых разделена на несколько секций, что позволяет использовать несколько параллельных выходов (так называемая Сплит-организация) Для получения времен экспозиции меньших, чем заданное время кадра, в ПЗС-матрицах необходимо наличие электродов антиблюминга, позволяющих периодически «сбрасывать» накопленный в элементарной ячейке заряд в подложку (электронный экспонометр).In standard television systems, the frame time is 20 ms (50 frames per second). In high-speed television systems, the frame time can be units or even fractions of a millisecond (systems transmitting more than 1000 frames per second), and to improve performance they usually use CCD arrays whose photosensitive surface is divided into several sections, which allows the use of several parallel outputs (the so-called Split organization) To obtain exposure times shorter than the specified frame time, anti-blooming electrodes are necessary in the CCDs, which allow periodically dump "the charge accumulated in the unit cell into the substrate (electronic exposure meter).
Видеокамеры на основе ПЗС-матриц используют принцип регулировки их чувствительности как за счет изменения времени накопления информационного заряда пропорционального освещенности на фоточувствительных элементах ПЗС-матрицы (времени экспозиции), так и изменяя величину падающего на фоточувствительные элементы излучения (используя управляемые механические диафрагмы), используя для расчета требуемого времени экспозиции различные программные и аппаратные средства обработки выходного видеосигнала ПЗС-матрицы.Video cameras based on CCD arrays use the principle of adjusting their sensitivity both by changing the accumulation time of the information charge of the proportional illumination on the photosensitive elements of the CCD matrix (exposure time) and by changing the amount of radiation incident on the photosensitive elements (using controlled mechanical diaphragms), using calculating the required exposure time various software and hardware for processing the output video signal of the CCD matrix.
Известно устройство («Method and apparatus for controlling an exposure period of a solid-state imaging apparatus based upon an image signal output» US №6995801, опубликовано 2006-02-07), содержащее ПЗС-матрицу с электродами антиблюминга, блок формирования управляющих напряжений ПЗС-матрицы (драйвер), блок синхронизации, определяющий временные соотношения между управляющими импульсами ПЗС матрицы, интегратор, блок логической обработки сигнала и счетчик. В данном устройстве вход интегратора подключен к выходу Y ПЗС-матрицы и на его выходе получается величина IY, пропорциональная среднему уровню сигнала ПЗС-матрицы, соответствующая среднему уровню интенсивности излучения объекта. Сигнал IY поступает на вход блока логической обработки, в котором сравнивается с нижним и верхним уровнями сигнала, соответствующим границам линейной области динамического диапазона фоточувствительных элементов ПЗС-мптрицы. На A device is known ("Method and apparatus for controlling an exposure period of a solid-state imaging apparatus based upon an image signal output" US No. 6995801, published 2006-02-07) containing a CCD matrix with anti-blooming electrodes, a unit for generating control voltages CCD matrices (driver), a synchronization unit that determines the time relationships between the control pulses of the CCD matrix, an integrator, a logical signal processing unit, and a counter. In this device, the input of the integrator is connected to the output Y of the CCD matrix and its output produces the value IY proportional to the average signal level of the CCD matrix, corresponding to the average level of radiation intensity of the object. The IY signal is fed to the input of the logical processing unit, in which it is compared with the lower and upper signal levels corresponding to the boundaries of the linear region of the dynamic range of the photosensitive elements of the CCD-sensors. On
выходах блока логической обработки вырабатываются сигналы "ОР" (увеличить экспозицию) в случае, если величина сигнала IY оказывается меньше нижнего уровня, и "CL" (уменьшить экспозицию) в случае, если величина сигнала IY оказывается больше верхнего уровня. Время экспозиции определяется длительностью интервала времени между импульсом «СБРОС», поступающим на электрод затвора антиблюминга, и импульсом «ПЕРЕНОС КАДРА», период которого определяет длительность кадра видеосигнала (время, необходимое для считывания информации со всех элементов ПЗС-матрицы). Выходы блока логической обработки соединены с входами счетчика, который в зависимости от наличия сигналов на его входах смещает положение импульса «СБРОС» на один такт ближе (сигнал "CL") или дальше (сигнал "ОР") от импульса «ПЕРЕНОС КАДРА». Устройство обладает возможностью задания времени экспозиции по произвольно выбранному фрагменту изображения.the outputs of the logical processing unit generate signals "OP" (increase exposure) if the value of signal IY is less than the lower level, and "CL" (reduce exposure) if the value of signal IY is more than the upper level. The exposure time is determined by the length of the time interval between the “RESET” pulse supplied to the anti-blooming shutter electrode and the “FRAME TRANSFER” pulse, the period of which determines the duration of the video signal frame (the time required to read information from all elements of the CCD matrix). The outputs of the logical processing unit are connected to the inputs of the counter, which, depending on the presence of signals at its inputs, shifts the position of the RESET pulse one clock closer (signal "CL") or further (signal "OP") from the pulse "FRAME TRANSFER". The device has the ability to set the exposure time for an arbitrarily selected image fragment.
Недостатком этого устройства является ограничение на быстродействие, связанное в первую очередь с тем, что информация о требуемом изменении времени экспозиции поступает с задержкой по крайней мере на время одного кадра, так как определяется по значению сигнала на выходе интегратора (сигнал IY), который появляется только после считывания всех элементов ПЗС-матрицы. При определении требуемого времени экспозиции в случае больших интенсивностей сигнала, приводящих к насыщению (пересвету) элементов ПЗС-матрицы, это приводит к потерям информации о сигнале, так как установка времени экспозиции, не приводящей к насыщению фоточувствительных элементов ПЗС-матрицы, может потребовать значительного времени, соответствующего нескольким кадрам видеосигнала, которые окажутся «засвеченными» (при работе с объектами, которые имеют очень сильное свечение, причем оно может сильно и быстро меняться во времени, например, в плазме).The disadvantage of this device is the performance limit, primarily due to the fact that information about the required change in exposure time is delayed by at least one frame, because it is determined by the value of the signal at the output of the integrator (signal IY), which appears only after reading all the elements of the CCD matrix. When determining the required exposure time in the case of high signal intensities leading to saturation (overexposure) of the elements of the CCD matrix, this leads to loss of information about the signal, since setting the exposure time that does not saturate the photosensitive elements of the CCD matrix may require considerable time corresponding to several frames of the video signal that turn out to be “illuminated” (when working with objects that have a very strong glow, and it can change strongly and quickly in time, for example measures in plasma).
Известна видеокамера («Automatic camera exposure control using variable exposure index CCD sensor.». US №5610654, опубликовано 03.11.1997), содержащая объектив, ПЗС-матрицу, блок формирования управляющих напряжений ПЗС матрицы (драйвер), блок переменного усиления видеосигнала и блок автоматической регулировки экспозиции, содержащий фотодиод, микропроцессор и механический затвор с управляемой диафрагмой, наиболее близкая по совокупности существенных признаков, принятая за прототип. В данном устройстве объектив оптически связан с входом ПЗС-матрицы через A well-known video camera ("Automatic camera exposure control using variable exposure index CCD sensor.". US No. 5610654, published 03.11.1997) containing a lens, a CCD matrix, a unit for generating control voltages of the CCD matrix (driver), a variable video signal amplification unit and a block automatic exposure control, containing a photodiode, microprocessor and a mechanical shutter with a controlled diaphragm, the closest in terms of essential features adopted for the prototype. In this device, the lens is optically coupled to the input of the CCD through
механический затвор с управляемой диафрагмой, а выход ПЗС-матрицы электрически подсоединен к блоку обработки видеосигнала с переменным коэффициентом усиления. Блок автоматической регулировки экспозиции содержит фотодиод, который оптически связан с изображением объекта, формируемым объективом в плоскости ПЗС-матрицы, выход которого соединен с микропроцессором. Один из выходов микропроцессора соединен с входом управления механическим затвором, время срабатывания которого и определяет время экспозиции. Другой выход микропроцессора соединен с входом объектива с переменным фокусным расстоянием. Регулировка чувствительности в видеокамере-прототипе основана на анализе сигнала с выхода фотодиода, поступающего на вход микропроцессора блока автоматической регулировки чувствительности и управлении апертурой диафрагмы, и времени срабатывания механического затвора, находящегося между объективом и ПЗС-матрицей. Устройство позволяет регулировать чувствительность в широких пределах изменяющейся интенсивности излучения исследуемого объекта.a mechanical shutter with a controlled aperture, and the output of the CCD matrix is electrically connected to the video signal processing unit with a variable gain. The automatic exposure control unit contains a photodiode, which is optically coupled to the image of the object formed by the lens in the plane of the CCD matrix, the output of which is connected to the microprocessor. One of the microprocessor outputs is connected to a mechanical shutter control input, the response time of which determines the exposure time. The other microprocessor output is connected to the input of the zoom lens. The sensitivity adjustment in the prototype video camera is based on the analysis of the signal from the output of the photodiode fed to the microprocessor input of the automatic sensitivity adjustment and aperture aperture control unit and the response time of the mechanical shutter located between the lens and the CCD. The device allows you to adjust the sensitivity over a wide range of changing radiation intensities of the studied object.
Однако, данное устройство имеет ограниченную скорость реакции на изменение освещенности объекта, т.к. использует для регулировки чувствительности механические элементы (максимальная скорость работы механического затвора и изменения размера отверстия диафрагмы - 1/2000 секунды=0,5 мс)However, this device has a limited reaction rate to a change in the brightness of the object, because uses mechanical elements to adjust the sensitivity (maximum speed of the mechanical shutter and changing the size of the aperture opening - 1/2000 second = 0.5 ms)
Заявляемое техническое решение решает задачу повышения быстродействия ПЗС-видеокамеры.The claimed technical solution solves the problem of increasing the speed of the CCD camera.
Задача решается тем, что в известной ПЗС-видеокамере, включающей объектив, ПЗС-матрицу, блок формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы, блок усиления и обработки видеосигнала ПЗС-матрицы и блок автоматической регулировки экспозиции, содержащий фотодиод, электронный ключ, интегратор и микропроцессор, причем объектив оптически связан с ПЗС-матрицей и фотодиодом, входы ПЗС-матрицы электрически соединены с управляющими выходами блока формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы, выход ПЗС-матрицы электрически соединен с первым входом блока усиления и обработки видеосигнала ПЗС-матрицы, выход которого является выходом видеосигнала, выход фотодиода электрически соединен с входом электронного ключа, выход которого электрически соединен с входом интегратора, выход которого электрически соединен с первым входом The problem is solved in that in a known CCD video camera including a lens, a CCD matrix, a block for generating control signals of the CCD matrix, a block for amplifying and processing the video signal of the CCD matrix and an automatic exposure control unit containing a photodiode, an electronic key, an integrator and a microprocessor, moreover, the lens is optically connected with a CCD matrix and a photodiode, the inputs of the CCD matrix are electrically connected to the control outputs of the control signal generation unit of the CCD matrix, the output of the CCD matrix is electrically connected to the first input m of the video signal amplification and processing unit of the CCD matrix, the output of which is the output of the video signal, the output of the photodiode is electrically connected to the input of the electronic key, the output of which is electrically connected to the input of the integrator, the output of which is electrically connected to the first input
микропроцессора, упомянутая ПЗС-матрица выполнена высокоскоростной и содержит электроды антиблюминга, фотодиод выполнен с площадью, равной площади светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы, первый выход микропроцессора электрически соединен с электронным ключом, второй выход микропроцессора электрически соединен с управляющим входом блока формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы, а выход синхронизации блока формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы электрически соединен со вторым входом микропроцессора.the microprocessor, said CCD matrix is high-speed and contains anti-blooming electrodes, the photodiode is made with an area equal to the area of the photosensitive surface of the CCD matrix, the first output of the microprocessor is electrically connected to the electronic key, the second output of the microprocessor is electrically connected to the control input of the control signal generation unit of the CCD matrix and the synchronization output of the control signal generation unit of the CCD array is electrically connected to the second input of the microprocessor.
ПЗС-видеокамера может быть выполнена с фотодиодом, разделенным на несколько секций, соответствующих числу независимых участков изображения исследуемого объекта и имеющих независимые электрические выходы.A CCD video camera can be made with a photodiode divided into several sections corresponding to the number of independent image sections of the object under study and having independent electrical outputs.
ПЗС-видеокамера также может быть выполнена с микропроцессором блока автоматической регулировки экспозиции, имеющим третий выход, электрически связанный со вторым входом блока усиления и обработки видеосигнала ПЗС-матрицы.The CCD video camera can also be implemented with a microprocessor of the automatic exposure control unit having a third output electrically connected to the second input of the amplification and video processing unit of the CCD matrix.
Техническим результатом является повышение скорости определения и установки требуемой величины экспозиции и, таким образом, улучшение эксплуатационных параметров видеокамеры в условиях быстро меняющейся интенсивности излучения исследуемого объекта, при этом отсутствуют потери информации за счет явления насыщения элементов ПЗС-матрицы.The technical result is to increase the speed of determining and setting the required exposure value and, thus, improving the operational parameters of the video camera in the conditions of rapidly changing radiation intensity of the studied object, while there is no loss of information due to the saturation of the elements of the CCD matrix.
Решение задачи стало возможным за счет создания устройства, в котором требуемое время экспозиции (время накопления сигнала на фотоприемниках ПЗС-матрицы) определяется с помощью фотодиода, площадь которого равна площади светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы, а регулировка чувствительности осуществляется путем изменения времени накопления информационного заряда, пропорционального освещенности на фоточувствительных элементах высокоскоростной ПЗС-матрицы, имеющей электроды антиблюминга (электронный затвор), при этом уровень светимости объекта определяется непосредственно перед экспозицией.The solution to the problem was made possible by creating a device in which the required exposure time (signal accumulation time on the photodetectors of the CCD matrix) is determined using a photodiode, the area of which is equal to the area of the photosensitive surface of the CCD matrix, and the sensitivity is adjusted by changing the accumulation time of the information charge, proportional illumination on the photosensitive elements of a high-speed CCD matrix having anti-blooming electrodes (electronic shutter), while the level of light The property value of an object is determined immediately before exposure.
Высокоскоростная ПЗС-матрица позволяет формировать видеосигнал со скоростью более 1000 кадров в секунду, при этом время кадра составляет менее 1 мс, и необходимое время экспозиции должно быть определено менее чем за 0.01 мс. Такие скорости управления временем экспозиции недостижимы для механических элементов и могут быть получены только в ПЗС-матрицах с A high-speed CCD allows to generate a video signal with a speed of more than 1000 frames per second, while the frame time is less than 1 ms, and the required exposure time must be determined in less than 0.01 ms. Such exposure time control speeds are unattainable for mechanical elements and can only be obtained in CCD matrices with
электродами антиблюминга. Фотодиод площадью S1=S0, где S0 - площадь светочувствительной поверхности ПЗС-матрицы, на котором от объектива с помощью произвольного светоделительного устройства и/или дополнительного объектива формируется изображение, полностью идентичное изображению исследуемого объекта, формируемого в плоскости ПЗС-матрицы, используется для определения интегральной яркости исследуемого объекта. Площадь S1 в N раз большая площади каждого из N фоточувствительных элементов ПЗС-матрицы обеспечивает, в свою очередь, в N раз большую его интегральную чувствительность, и, следовательно, для получения регистрируемого уровня сигнала с фотодиода необходимо в N раз меньшее время, чем для фоточувствительного элемента ПЗС-матрицы. Если считать, что время экспозиции, равное времени кадра, обеспечивает передачу изображения объекта ПЗС-матрицей без потерь информации, связанных с насыщением сигнала, то информация об освещенности в плоскости фотоприемника может быть получена за время в N раз меньшее времени кадра. Для минимальной размерности ПЗС-матриц, используемых в видеокамерах, N=256*256=65536>104. Таким образом, для любых систем видеонаблюдения с частотой кадров равной и выше телевизионного стандарта (время кадра, соответствующего телевизионному стандарту, составляет 20 мс), предлагаемое устройство обеспечивает быстродействие, более чем на 2 порядка превышающее быстродействие существующих аналогов и прототипа. Высокая чувствительность фотодиода, соединенного со схемой обработки его сигнала в блоке автоматической регулировки экспозиции, работающего синхронно с блоком формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы, позволяет за время импульса кадровой синхронизации (длительность составляет величину порядка 10-2 времени кадра) измерять освещенность на 3 порядка превышающую освещенность исследуемого объекта относительно некоторой пороговой величины, соответствующей сигналу насыщения элементов ПЗС-матрицы. Это позволяет с высокой скоростью устанавливать требуемое время экспозиции непосредственно перед каждым кадром в условиях освещенности объекта, превышающей уровень насыщения элементов ПЗС-матрицы более чем в 1000 раз, оставляя выходной видеосигнал ПЗС-матрицы на выходе ее блока усиления и обработки видеосигнала в пределах линейного участка передаточной характеристики.anti-blooming electrodes. A photodiode with an area of S 1 = S 0 , where S 0 is the area of the photosensitive surface of the CCD matrix, on which an image completely identical to the image of the studied object formed in the plane of the CCD matrix is formed from the lens using an optional beam splitter device and / or additional lens to determine the integrated brightness of the investigated object. The area S 1 is N times larger than the area of each of the N photosensitive elements of the CCD matrix, which, in turn, provides N times its integral sensitivity, and, therefore, it takes N times less time to obtain a detected signal level from the photodiode than for a photosensitive element of the CCD. If we assume that the exposure time equal to the frame time ensures the transmission of the image of the object by the CCD matrix without loss of information associated with signal saturation, then information about the illumination in the plane of the photodetector can be obtained in a time N times less than the frame time. For the minimum dimension of the CCD matrices used in video cameras, N = 256 * 256 = 65536> 10 4 . Thus, for any video surveillance systems with a frame rate equal to or higher than the television standard (the frame time corresponding to the television standard is 20 ms), the proposed device provides a speed that is more than 2 orders of magnitude faster than the existing analogs and prototypes. The high sensitivity of the photodiode connected to the processing circuit of its signal in the automatic exposure control unit, operating synchronously with the control signal generation unit of the CCD matrix, allows for measuring the illumination by 3 orders of magnitude higher than the frame synchronization pulse (duration is about 10 -2 frame times) the illumination of the object under study with respect to a certain threshold value corresponding to the saturation signal of the elements of the CCD matrix. This allows you to quickly set the required exposure time immediately before each frame under conditions of illumination of the object exceeding the saturation level of the elements of the CCD matrix by more than 1000 times, leaving the output video signal of the CCD matrix at the output of its amplification and video processing unit within the linear portion of the transfer characteristics.
Таким образом, вся совокупность признаков приводит к повышению быстродействия ПЗС-видеокамеры, что необходимо в условиях быстрого изменения светимости объекта исследованияThus, the totality of the signs leads to an increase in the speed of the CCD video camera, which is necessary in conditions of a rapid change in the luminosity of the object of study
Запас по чувствительности фотодиода блока автоматической регулировки экспозиции позволяет разделить его на несколько независимых секций и одновременно измерять уровень освещенности в различных участках исследуемого объекта, используя любой из получаемых сигналов для установки экспозиции, в зависимости от того, какой участок на объекте представляет наибольший интерес. При использовании в видеокамерах высокоскоростных ПЗС-матриц, состоящих из нескольких секций, имеющих общее управление и независимые электроды антиблюминга, каждой из секций ПЗС-матрицы может соответствовать своя секция фотодиода блока автоматической регулировки экспозиции.The sensitivity margin of the photodiode of the automatic exposure control unit allows you to divide it into several independent sections and simultaneously measure the level of illumination in different parts of the studied object, using any of the received signals to set the exposure, depending on which part of the object is of the greatest interest. When using high-speed CCD matrices in video cameras consisting of several sections having common control and independent anti-blooming electrodes, each section of the CCD matrix can correspond to its own section of the photodiode of the automatic exposure control unit.
Наличие в видеокамере дополнительного выхода микропроцессора служит для контроля времени экспозиции и позволяет учесть его при дальнейшей обработке видеосигнала для обеспечения возможности расчета абсолютных значений интенсивности свечения исследуемого объекта.The presence in the camcorder of an additional output of the microprocessor serves to control the exposure time and allows you to take it into account during further processing of the video signal to enable the calculation of the absolute values of the glow intensity of the object under study.
Техническое решение поясняется блок-схемой ПЗС-видеокамеры, представленной на Фиг., где:The technical solution is illustrated by a block diagram of a CCD video camera shown in Fig., Where:
1 - объектив;1 - lens;
2 - ПЗС-матрица;2 - CCD;
3 - блок формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы;3 - block generating control signals of the CCD;
4 - блок усиления и обработки видеосигнала ПЗС-матрицы;4 - block amplification and processing of the video signal of the CCD;
5 - блок автоматической регулировки экспозиции;5 - block automatic exposure control;
6 - фотодиод;6 - photodiode;
7 - электронный ключ;7 - electronic key;
8 - интегратор;8 - integrator;
9 - микропроцессор.9 - microprocessor.
В предлагаемом устройстве вход интегратора 8 подключен к выходу фотодиода 6 через электронный ключ 7, замыкаемый на короткое время перед началом экспозиции (во время импульса «ПЕРЕНОС КАДРА»). На выходе интегратора 8 формируется сигнал IY, величина которого пропорциональна среднему уровню интенсивности изображения, аналогичного поступающему на вход ПЗС-матрицы 2, и соответствующего среднему уровню интенсивности излучения объекта. Сигнал IY поступает на вход микропроцессора 9, в котором In the proposed device, the input of the integrator 8 is connected to the output of the photodiode 6 through an electronic key 7, which is closed for a short time before the start of the exposure (during the "FRAME TRANSFER" pulse). At the output of the integrator 8, an IY signal is generated, the value of which is proportional to the average level of image intensity, similar to that fed to the input of the CCD matrix 2, and corresponding to the average level of the radiation intensity of the object. The signal IY is fed to the input of the microprocessor 9, in which
сравнивается с верхним уровнем сигнала, соответствующего верхней границе линейной области динамического диапазона фоточувствительных элементов ПЗС-матрицы 2. Выход микропроцессора 9 соединен с входом блока формирования управляющих сигналов 3 ПЗС-матрицы 2, в котором формируется импульс «СБРОС» для затвора антиблюминга ПЗС-матрицы 2. Время экспозиции определяется длительностью интервала времени между импульсом «СБРОС», и импульсом «ПЕРЕНОС КАДРА», период которого определяет длительность кадра видеосигнала (время, необходимое для считывания информации со всех элементов ПЗС-матрицы).is compared with the upper level of the signal corresponding to the upper boundary of the linear region of the dynamic range of the photosensitive elements of the CCD matrix 2. The output of the microprocessor 9 is connected to the input of the control signal generation block 3 of the CCD matrix 2, in which a “RESET” pulse is generated to shut the anti-blooming CCD matrix 2 The exposure time is determined by the length of the time interval between the “RESET” pulse and the “FRAME TRANSFER” pulse, the period of which determines the duration of the video signal frame (the time required for reading Bani information from all the CCD elements).
Работа устройства.The operation of the device.
Изображение исследуемого объекта формируется объективом 1 одновременно в плоскости ПЗС-матрицы 2 и фотодиода 6, являющегося входным устройством блока 5 автоматической регулировки экспозиции. Фотодиод 6 непрерывно формирует на своем выходе сигнал тока, пропорционального пространственному интегралу падающего на него излучения. Выход фотодиода 6 через электронный ключ 7 подключается к входу интегратора 8. Замыкание ключа 7 происходит на время, определяемое схемой обработки его сигнала, реализованной в микропроцессоре 9, и лежащее в пределах импульса кадровой синхронизации, поступающего на вход микропроцессора 9 от блока формирования управляющих сигналов 3 ПЗС-матрицы 2. Величина сигнала, поступающего с выхода интегратора 8 на вход микропроцессора 9, используется для расчета требуемого времени экспозиции и формирования управляющего сигнала на выходе микропроцессора 9. Сигнал с выхода микропроцессора 9 поступает на вход блока формирования управляющих сигналов 3 ПЗС-матрицы 2 и используется для формирования требуемой последовательности импульсов управления ПЗС-матрицей, обеспечивающих расчетное значение времени экспозиции. Результирующий видеосигнал формируется блоком 4 усиления и обработки видеосигнала ПЗС-матрицы 2.The image of the studied object is formed by the lens 1 simultaneously in the plane of the CCD matrix 2 and the photodiode 6, which is the input device of the automatic exposure adjustment unit 5. Photodiode 6 continuously generates at its output a current signal proportional to the spatial integral of the radiation incident on it. The output of the photodiode 6 through the electronic key 7 is connected to the input of the integrator 8. The closure of the key 7 occurs at a time determined by the processing circuit of its signal implemented in the microprocessor 9, and lying within the frame synchronization pulse received at the input of the microprocessor 9 from the control signal generation unit 3 CCD-matrix 2. The magnitude of the signal from the output of the integrator 8 to the input of the microprocessor 9 is used to calculate the required exposure time and the formation of the control signal at the output of the microprocessor and 9. The output signal from the microprocessor 9 to the input unit generating control signals 3 of the CCD 2, and used to generate the required sequence of control pulses CCD, providing the calculated exposure time. The resulting video signal is generated by the block 4 amplification and processing of the video signal of the CCD matrix 2.
При выполнении устройства с разделенным на секции фотодиодом 6 замыкание ключа 7 происходит на время, определяемое схемой обработки его сигнала, реализованной в микропроцессоре 9, последовательно с каждой из секций фотодиода 6.When the device is executed with a photodiode 6 divided into sections, the key 7 closes for a time determined by the signal processing circuitry implemented in the microprocessor 9, sequentially with each of the sections of the photodiode 6.
При выполнении устройства с дополнительным выходом микропроцессора 9 сигнал с этого выхода микропроцессора поступает на вход When you run the device with an additional output of the microprocessor 9, the signal from this output of the microprocessor is fed to the input
блока усиления и обработки видеосигнала 3 и используется для расчета абсолютных значений интенсивности входного сигнала изображения.unit of amplification and video processing 3 and is used to calculate the absolute values of the intensity of the input image signal.
Предлагаемая конструкция ПЗС-видеокамеры, помимо быстродействия, позволяет определять требуемое время экспозиции за время импульса кадровой синхронизации непосредственно перед началом экспозиции, что исключает потери информации об исследуемом объекте, связанные с насыщением элементов ПЗС-матрицы, использовать недорогие быстродействующие схемы оцифровки видеосигнала, использующие стандартные 10-12 разрядные АЦП для регистрации входных сигналов с изменением интенсивности более чем 105 раз (эквивалентно 17-разрядному АЦП).The proposed design of the CCD video camera, in addition to speed, allows you to determine the required exposure time for the frame synchronization pulse immediately before the start of the exposure, which eliminates the loss of information about the object under study, associated with the saturation of the elements of the CCD matrix, use inexpensive high-speed video digitization schemes using standard 10 -12 bit ADC for recording input signals with a change in intensity of more than 10 5 times (equivalent to a 17-bit ADC).
Пример.Example.
Был изготовлен опытный образец высокоскоростной видеокамеры по схеме, изображенной на Фиг. В качестве ПЗС-матрицы использовалась высокоскоростная ПЗС-матрица размерностью 256*256 элементов типа «Квалитет» (продукция Петербургского предприятия ООО «Заряд-Т»). Прибор имеет типичную для высокоскоростных фотоприемников «сплит-организацию»-распараллеливание выходов (см. аналогичную продукцию ведущих фирм-производителей ПЗС-матриц - Dalsa, NAC). ПЗС-матрица типа «Квалитет» содержит 4 секции, сигнал каждой из секций выводится через свой горизонтальный регистр, в 2-х направлениях, то есть всего ПЗС-матрица «Квалитет» содержит 8 выходных устройств, что обеспечивает вывод кадров изображения с высокой скоростью (до 4000 кадров в секунду) при тактовой частоте выходных регистров 40 МГц. Каждая из 4-х секций имеет независимые электроды управления, в том числе электроды антиблюминга, что обеспечивает возможность регулировки времени накопления сигнала (времени экспозиции) независимо в каждой из секций матрицы. Для реализации этой возможности фотодиод блока автоматической регулировки экспозиции был также разделен на 4 секции, каждая из которых имела свой выход. Изображение исследуемого объекта формировалось оптической схемой из двух идентичных объективов типа «Вега» одновременно в плоскости ПЗС-матрицы и 4-х секционного фотодиода. Помимо упомянутого выше фотодиода блок автоматической регулировки экспозиции содержал 4 электронных ключа (микросхема ADG411), 4 интегратора собраны на операционных усилителях типа АО 8056 и микропроцессор AT89S8252 для расчета и установки A prototype high-speed video camera was manufactured according to the circuit depicted in FIG. As a CCD matrix, a high-speed CCD matrix with a dimension of 256 * 256 elements of the "Quality" type was used (products of the St. Petersburg enterprise Zaryad-T LLC). The device has a “split-organization” typical for high-speed photodetectors - parallelization of outputs (see similar products of the leading manufacturers of CCD arrays - Dalsa, NAC). The “Quality” type CCD matrix contains 4 sections, the signal of each section is output through its horizontal register in 2 directions, that is, the “Quality” CCD matrix contains 8 output devices, which ensures the output of image frames at high speed ( up to 4000 frames per second) at a clock frequency of output registers of 40 MHz. Each of the 4 sections has independent control electrodes, including anti-blooming electrodes, which makes it possible to adjust the signal accumulation time (exposure time) independently in each of the matrix sections. To realize this feature, the photodiode of the automatic exposure control unit was also divided into 4 sections, each of which had its own output. The image of the object under study was formed by an optical circuit of two identical Vega lenses simultaneously in the plane of the CCD matrix and 4-section photodiode. In addition to the aforementioned photodiode, the automatic exposure control unit contained 4 electronic keys (ADG411 chip), 4 integrators were assembled on AO 8056 type operational amplifiers and an AT89S8252 microprocessor for calculation and installation
времени экспозиции для 4-х независимых секций матрицы и обмена служебной информацией с блоком формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы. Блок формирования управляющих сигналов ПЗС-матрицы «Квалитет» был изготовлен на основе программируемой логической матрицы ЕРМ7128 STC_100 и буферных элементов EL 74 57С. Блок усиления и обработки видеосигнала ПЗС-матрицы «Квалитет» содержал 8 идентичных каналов усиления, выполненных на операционных усилителях типа AD 8013, AD 8011, AD 8138, оцифровки (4 двухканальных АЦП типа AD9238BST40) и записи в буферную память (модуль памяти типа SODIMM 144POS R/A) видеосигналов, поступающих с каждого из 8 выходных устройств ПЗС-матрицы. Первые 8 байт цифрового сигнала, формируемого на выходе блока усиления и обработки видеосигнала и несущего информацию об изображении каждой из 4-секций ПЗС-матрицы, содержат информацию о значении времени экспозиции, установленном в выбранной секции ПЗС-матрицы «Квалитет», поступающую с выхода микропроцессора блока автоматической регулировки экспозиции и соответствующую значениям времени накопления сигнала в каждой из секции ПЗС-матрицы, рассчитанным по значениям выходного сигнала соответствующей секции фотодиода блока автоматической регулировки экспозиции. С помощью разработанного образца ПЗС-видеокамеры была выполнена экспериментальная видеосъемка быстропротекающих процессов со скоростью до 1000 кадров/сек, продолжительностью процесса 1 секунда и диапазоне изменения яркости объекта порядка 100000 раз. В процессе работы камеры экспозиция в различных кадрах изменялась от 1 мс до 0.01 мс. Такая скорость изменения экспозиции недостижима для видеокамеры-прототипа с механическими элементами управления экспозицией.exposure time for 4 independent sections of the matrix and the exchange of service information with the block forming control signals of the CCD matrix. The unit for generating control signals of the Qualitz CCD matrix was made on the basis of the EPM7128 STC_100 programmable logic matrix and EL 74 57C buffer elements. The video signal amplification and processing unit “Qualitet” CCD contains 8 identical amplification channels performed on operational amplifiers such as AD 8013, AD 8011, AD 8138, digitization (4 dual-channel ADCs of the AD9238BST40 type) and write to the buffer memory (memory module of the SODIMM 144POS type R / A) of the video signals coming from each of the 8 output devices of the CCD. The first 8 bytes of the digital signal generated at the output of the video signal amplification and processing unit and carrying information about the image of each of the 4 sections of the CCD matrix contain information about the exposure time value set in the selected section of the Qualitness CCD matrix coming from the microprocessor output the automatic exposure control unit and corresponding to the signal accumulation time in each section of the CCD matrix, calculated from the values of the output signal of the corresponding section of the photodiode of the block automatically th exposure adjustment. Using the developed model of a CCD video camera, experimental video recording of fast processes with a speed of up to 1000 frames / sec, a process duration of 1 second, and a range of changes in the brightness of the object of about 100,000 times was performed. During the operation of the camera, the exposure in various frames varied from 1 ms to 0.01 ms. Such a rate of change in exposure is unattainable for a prototype video camera with mechanical exposure controls.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006120355/22U RU59923U1 (en) | 2006-06-01 | 2006-06-01 | CCD CAMERA |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006120355/22U RU59923U1 (en) | 2006-06-01 | 2006-06-01 | CCD CAMERA |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU59923U1 true RU59923U1 (en) | 2006-12-27 |
Family
ID=37760654
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006120355/22U RU59923U1 (en) | 2006-06-01 | 2006-06-01 | CCD CAMERA |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU59923U1 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008004909A1 (en) * | 2006-07-05 | 2008-01-10 | Zakrytoe Aktsionernoe Obchshestvo 'shtrikh-M' | Method for detecting linear barcodes in a video image frame, a linear barcode scanner and a payment processing unit |
| RU2396597C1 (en) * | 2009-06-15 | 2010-08-10 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Device for reading signal charge from matrix cid photodetector |
| RU2472299C1 (en) * | 2011-08-24 | 2013-01-10 | Вячеслав Михайлович Смелков | Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects |
| RU2472300C1 (en) * | 2011-09-13 | 2013-01-10 | Вячеслав Михайлович Смелков | Television camera for viewing in conditions of illumination and/or brightness of objects varying in entire field of view |
| RU2484597C1 (en) * | 2011-12-21 | 2013-06-10 | Вячеслав Михайлович Смелков | Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects |
| RU2632573C1 (en) * | 2016-05-16 | 2017-10-06 | Вячеслав Михайлович Смелков | Device for automatic regulation of accumulation time of television sensor manufactured using technology of charge-coupled devices |
| RU2632574C1 (en) * | 2016-05-16 | 2017-10-06 | Вячеслав Михайлович Смелков | Device for automatic regulation of accumulation time of television sensor manufactured using technology of charge-coupled devices |
-
2006
- 2006-06-01 RU RU2006120355/22U patent/RU59923U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008004909A1 (en) * | 2006-07-05 | 2008-01-10 | Zakrytoe Aktsionernoe Obchshestvo 'shtrikh-M' | Method for detecting linear barcodes in a video image frame, a linear barcode scanner and a payment processing unit |
| RU2396597C1 (en) * | 2009-06-15 | 2010-08-10 | Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) | Device for reading signal charge from matrix cid photodetector |
| RU2472299C1 (en) * | 2011-08-24 | 2013-01-10 | Вячеслав Михайлович Смелков | Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects |
| RU2472300C1 (en) * | 2011-09-13 | 2013-01-10 | Вячеслав Михайлович Смелков | Television camera for viewing in conditions of illumination and/or brightness of objects varying in entire field of view |
| RU2484597C1 (en) * | 2011-12-21 | 2013-06-10 | Вячеслав Михайлович Смелков | Television camera for viewing in conditions of low illumination and/or low brightness of objects |
| RU2632573C1 (en) * | 2016-05-16 | 2017-10-06 | Вячеслав Михайлович Смелков | Device for automatic regulation of accumulation time of television sensor manufactured using technology of charge-coupled devices |
| RU2632574C1 (en) * | 2016-05-16 | 2017-10-06 | Вячеслав Михайлович Смелков | Device for automatic regulation of accumulation time of television sensor manufactured using technology of charge-coupled devices |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10412314B2 (en) | Systems and methods for photometric normalization in array cameras | |
| CN101959009B (en) | Image processing apparatus | |
| US9917998B2 (en) | Systems and methods for measuring scene information while capturing images using array cameras | |
| CN100481891C (en) | Solid-state image pickup device and control method thereof, and camera | |
| RU59923U1 (en) | CCD CAMERA | |
| US20130088620A1 (en) | Method of controlling a system including an image sensor and a light source | |
| JP7591095B2 (en) | Imaging device | |
| JP2008263352A (en) | Imaging element, focus detecting device, and imaging device | |
| US10063762B2 (en) | Image sensor and driving method thereof, and image capturing apparatus with output signal control according to color | |
| CN103002217A (en) | Image capturing apparatus and control method for image capturing apparatus | |
| US20150281610A1 (en) | Solid-state imaging apparatus and imaging system | |
| KR20150067392A (en) | Solid-state image pickup device and image pickup apparatus | |
| CN102857700A (en) | Image capturing apparatus and method for controlling the image capturing apparatus | |
| JP6381274B2 (en) | Imaging device, control method thereof, and control program | |
| US20060284988A1 (en) | Image signal processor and imaging unit | |
| KR20070036779A (en) | Solid State Imaging Apparatus, Imaging Apparatus, and Imaging Device | |
| JP7293002B2 (en) | Imaging device | |
| JP2020123930A (en) | Imaging device | |
| KR100813073B1 (en) | Solid-state image pickup apparatus with error due to the characteristic of its output circuit corrected | |
| JP6245856B2 (en) | Photoelectric conversion device, photoelectric conversion system | |
| JP2016184868A (en) | Imaging device and driving method of imaging device | |
| US7687752B2 (en) | Focus detection device having a plurality of focusing points and controlling the output of data from the focusing points | |
| US10623642B2 (en) | Image capturing apparatus and control method thereof with change, in exposure period for generating frame, of conversion efficiency | |
| JP7020463B2 (en) | Imaging device | |
| JP6590055B2 (en) | Imaging device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20110602 |