Телевизионное фотографирование объекта контроля при импульсном экспонированиифотоприемника пакетом вспышек.СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, кандидат технических наук, доцент ТЕЛЕВИЗИОННОЕ ФОТОГРАФИРОВАНИЕ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ЭКСПОНИРОВАНИИ ФОТОПРИЕМНИКА ПАКЕТОМ ВСПЫШЕК Практическое внедрение в современные телекамеры режима однократного формирования видеосигнала (телевизионного фотографирования) обязано появлению твердотельных преобразователей “свет сигнал”, выполненных на основе матричных ПЗС. За прошедшие двадцать лет от момента публикации в работе [1] этого режима, названного зарубежными изобретателями MONOSHOT, технологические достижения в производстве ПЗС-матриц и окружающих их чипов сделали обыденным явлением возможность выполнения телевизионного фотографирования аппаратными средствами, заложенными в мобильный телефон. В статье [2] для режима MONOSHOT были проанализированы методы автоматического выбора времени экспозиции при использовании видеосигнала в качестве сигнала управления чувствительностью. Следует отметить, что все они относятся к непрерывному экспонированию фотопреобразователя. Оценим выполнение телевизионного фотографирования в радиационной интроскопии. В этой области техники режим непрерывного радиационного излучения, который создается рентгеновским аппаратом при теневом просвечивании объекта контроля, не является энергетически благоприятным для самого аппарата. Для портативных аппаратов, предназначенных для экспресс-анализа относительно небольших по металлоемкости объектов, наиболее подходит импульсный режим рентгеновского излучателя. Для него с позиции лучевой отдачи, в целях уменьшения радиационной дозы, получаемой обслуживающим персоналом за время радиационного контроля, целесообразно осуществить радиационное излучение в виде отдельных импульсов или последовательности импульсов. Тогда проникающие сквозь объект импульсы рентгеновского излучения вызовут на монокристалле (радиационном детекторе) вспышки освещенности видимого спектра, а на телекамеру будет возложена задача телевизионного фотографирования с экрана монокристалла этого специфичного изображения. Ниже изложено техническое решение телекамеры, в котором реализован метод телевизионного фотографирования при импульсном экспонировании ПЗС-фотоприемника, когда его мишень подвергается освещению отдельными вспышками, следующими с определенным периодом, а необходимая экспозиция создаётся последовательностью (пакетом) этих вспышек. Предполагается, что задача автоматического выбора длительности времени накопления фотоприемника остается. Поэтому режим работы телекамеры в настоящей статье назван MONOSHOT-AUTO-PULSE. Структурная схема телекамеры, устройство которой признано изобретением [3], представлена на рис. 1. Камера содержит объектив (1), матрицу ПЗС (2), состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления (2-1), секции хранения (2-2) и выходного регистра (2-3), а также синхрогенератор (3), четыре преобразователя уровней (ПУ) в позициях (4), (5), (6) и (7), видеоусилитель (8), блок запуска (9), блок усиления и формирования (БУФ) в позиции (10), блок измерения заряда (БИЗ) в позиции (11), пиковый детектор (12), элемент “ИЛИ” (13), компаратор (14) и одновибратор (15). Импульсный источник света (ИИС) в позиции (16) в состав телекамеры не входит и рассматривается здесь как эквивалентный признак для совокупности двух приборов: рентгеновского аппарата и монокристаллического экрана [4]. Отметим, что длительность импульсов излучения и период их следования задаются ИИС (16) в качестве установочных параметров со стороны телекамеры. БУФ (10) содержит в своем составе два последовательно соединенных кольцевых счетчика (здесь не показаны). Первый счетчик считает с периодом 128 тактов входных счетных импульсов, а второй – с периодом 312 выходных импульсов первого счетчика. Обозначим период импульсов, формируемых первым счетчиком, условной строкой”, а период импульсов второго счетчика – “условным кадром”. Тогда “условная строка” содержит 128 тактов, а “условный кадр 312 “условных строк”. Выбранные показатели кольцевых счетчиков определяют темп принудительного импульсного экспонирования, выполняемого ИИС (16), а также временные процессы измерения зарядового рельефа на фотомишени матрицы ПЗС после каждой вспышки освещенности. Матрица ПЗС (2) имеет организацию кадровый перенос” с трехфазным выполнением зарядового переноса. Ее особенностью является введение в состав секции накопления (2-1) стоковой области, находящейся под потенциалом DA и снабженной затвором GA. Последний служит электронным затвором” фотоприемника. Если на затворе GA присутствует низкий (относительно подложки) потенциал, он закрыт, а потенциальные ямы под фазными электродами секции (2-1) изолированы от стоковой области за счет этого барьерного смещения. Тогда на самой фотомишени инициируется процесс накопления зарядовых фотоэлектронов. Когда на затвор GA подаётся высокий потенциал, то потенциальный барьер снимается, а в секции (2-1) исключается процесс накопления фотоэлектронов. Это объясняется тем, что носители, не задерживаясь в потенциальных ямах под фазными электродами, устремляются в более глубокие ямы, создаваемые потенциалом DA в стоковой области, а далее рекомбинируют в подложку фотоприемника. Примером такой матрицы ПЗС является отечественный прибор ФППЗ-134М с числом элементов 520x580 и каналом n-типа. Допустим, что на вход “Пуск телекамеры в момент to поступает импульс запуска. Тогда блок запуска (9) переходит в новое состояние, при котором на его прямом выходе устанавливается уровень логической “1”, а на его инверсном выходе – уровень логического “0”. Появление низкого логического уровня на управляющем входе БУФ (10) обеспечивает установку низкого уровня сигнала на разрешающем входе его кольцевых счётчиков. Поэтому, начиная с момента to, первый счетчик ведёт подсчет тактов на входе, формируя импульсные последовательности с периодом “условной строки”. Второй счетчик считает на входе условные” строки и вырабатывает импульсы с периодом “условного кадра”. В результате на выходе БУФ (10) формируется импульс с периодом “условного кадра”, в котором низкий логический уровень передается в течение интервала Тн, включающего первые два такта первой “условной строки”. Низкий уровень сигнала на управляющем входе ИИС (14) обеспечивает формирование в интервале интервала Тн первой вспышки света, воздействующей через объектив (1) на фотомишень (2-1) матрицы ПЗС. С другой стороны, появление низкого уровня в интервале Тн на управляющем входе синхрогенератора (3) обеспечивает установку низкого уровня сигнала на первом, третьем и четвёртом его выходах и высокого уровня на его втором выходе. Обозначение этих выходов синхрогенератора приведено на рис. 1(см. пронумерованные выноски). На выходах ПУ (4…7) входные логические сигналы повторяются. В результате в течение интервала Тн электронный затвор секции (2-1) ПЗС закрыт, а на самой фотомишени осуществляется накопление фотозарядов от первой вспышки в потенциальных ямах, сформированных под вторыми фазными шинами.
В момент t1 накопление от первой вспышки заканчивается, а в течение промежутка (t1…t2) осуществляется перенос накопленных фотозарядов из секции (2-1) в секцию (2-2). Далее в последующем “условном кадре” эти фотозаряды хранятся под вторыми фазными шинами секции (2-2). В течение первых 104 тактов последней “условной строки” этого условного кадра” по сигналу с выхода БУФ (10) высокий уровень прикладывается дополнительно и к первым фазовым электродам секции (2-2). Благодаря этому фотозаряды в секции (2-2) равномерно распределяются в потенциальных ямах, расположенных под первыми и вторыми шинами. В течение последних 24-х тактов последней “условной строки” этого “условного кадра” высокий уровень в управляющем сигнале первой фазы секции (2-2) линейно спадает, поэтому в каждом элементе секции (2-2) начинается процесс переноса зарядов из потенциальных ям под первыми фазными шинами в потенциальные ямы, расположенные под вторыми шинами. Потенциальные ямы под первыми фазовыми электродами монотонно разрушаются, а в цепи второго электрода секции (2-2) возникает ток, который максимален в первый момент, а затем монотонно спадает. Величина тока в этой внешней цепи является суммой токов в каждом элементе секции (2-2) матрицы ПЗС. Таким образом, внешний ток содержит информацию о распределении заряда по всей площади секции (2-2). БИЗ (11) выполняет преобразование ток – напряжение”, причем необходимое информационное преобразование осуществляется в течение интервала измерения. Для этого на управляющий вход блока (11) с выхода блока (10) подается необходимый сигнал разрешения. Предварительно обнуленный по сигналу с выхода БУФ (10) пиковый детектор (12) запоминает максимальное значение напряжения с выхода блока (11). Поэтому выходное напряжение блока (12) пропорционально текущему уровню потенциального рельефа в секции (2-2) матрицы ПЗС. В зависимости от интенсивности световой вспышки процесс накопления зарядового рельефа в секции (2-1) и его неразрушающее измерение в секции (2-2) может происходить в течение единственного интервала “условного кадра”, либо в целое число раз дольше при соответствующем увеличении числа световых вспышек. Допустим, что по истечении некоторого количества вспышек величина напряжения с выхода пикового детектора (12) меньше величины порогового напряжения Uп компаратора (14). В этом случае компаратор сохраняет предыдущее состояние, а в секции (2-1) матрицы ПЗС процесс накопления продолжается еще, как минимум, один интервал Тн, а затем потенциальный рельеф в секции (2-2), увеличенный за счет последнего накопления зарядов, вновь измеряется блоком (12). Пусть в результате последнего измерения в момент t3 напряжение с выхода пикового детектора (12) превышает напряжение Uп компаратора (14). Тогда компаратор опрокидывается. На управляющем входе БУФ (10) по сигналу с инверсного выхода блока запуска (9) устанавливается высокий уровень сигнала, который, поступая на разрешающий вход кольцевых счетчиков, прекращает в них счет импульсов. Остановка счетчиков исключает возможность появления новых световых вспышек от ИИС (16), а секция (2-1) матрицы ПЗС возвращается в состояние ненакопления”, т.к. высокий уровень на затворе ее стоковой области вызывает инжекцию всех зарядов с фотомишени в подложку. В момент t3 отрицательный перепад напряжения с прямого выхода блока запуска (9) поступает на вход одновибратора (15), который формирует на выходе телекамеры сигнал готовность изображения”, низкий уровень в котором сообщает потребителю о возможности получения информации. Предположим, что потребитель в момент t4 посылает на вход телекамеры сигнал “запрос изображения”. Когда низкий уровень в сигнале “запрос изображения совпадает с окончанием ближайшего кадрового гасящего импульса, камера формирует на выходе синхрогенератора (3) сигнал “подтверждение изображения”, производя одновременно в интервале (t5…t6) считывание через выходной регистр (2-3) фотоприемника информационного кадра из секции хранения (2-2). Преобразование “заряд – напряжение”, выполняемое в матрице ПЗС выходным устройством с дисперсией шума s2, обеспечивает формирование на выходе “видео телекамеры электрического сигнала однократного изображения. Заключение В предлагаемом решении телекамеры реализован принцип торможения шумовой информации в фотоприёмнике, который заключается в том, что накопление полезного сигнала во времени осуществляется в зарядовой форме в самой матрице ПЗС многократно после каждой вспышки освещенности, а шум с дисперсией s2 вносится лишь один раз в процессе съема электрического видеосигнала. Литература 1. Заявка Франции №2589301 от 28.10.85 г. МКИ
HO4N 3/15, 5/238. Устройство электронной обтюрации.
Заявитель – фирма I2S (Франция). |
