ОЦЕНКА ВРЕМЕНИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ НА ПЗС-МАТРИЦЕ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕТОВОЙ ПЕРЕГРУЗКИ..

ОЦЕНКА ВРЕМЕНИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ НА ПЗС-МАТРИЦЕ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕТОВОЙ ПЕРЕГРУЗКИ..

СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, кандидат технических наук, доцент

ОЦЕНКА ВРЕМЕНИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ НА ПЗС-МАТРИЦЕ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕТОВОЙ ПЕРЕГРУЗКИ

В работе [1] приведены результаты исследования влияния интенсивной засветки телевизионной камеры на фотоприемной матрице ПЗС. Показано, что световая перегрузка с освещенностью 1,4×108 лк от имитатора солнечного излучения не приводит к появлению в ПЗС-матрице необратимых дефектов (прожогов), а устойчивость фотоприемника к перегрузке не зависит от продолжительности экспонирования. Отмечается, что чувствительность ПЗС восстанавливается после окончания перегрузки любой продолжительности практически безынерционно. Очевидно, что последнее заключение с метрологической точки зрения не является безупречным.

Автор настоящей работы предлагает методику экспериментального измерения времени восстановления камеры после перегрузки, особенностью которой является организация высокоинтенсивного экспонирования ПЗС-матрицы в импульсном режиме.

В опубликованных ранее работах [2, 3] верхняя отметка диапазона рабочих освещенностей при солнечном свете для охранной телевизионной камеры оценивалась в 100000 люкс. Эта световая перегрузка может присутствовать достаточно продолжительное время: от нескольких секунд до нескольких часов, поэтому камера должна обеспечивать приемлемый для оператора уровень искажений телевизионного изображения, т.е. допустимый сигнал “смаза”.

Для технического решения камеры на базе одного ПЗС-фотоприемника в условиях такого избыточного освещения можно гарантировать для наиболее совершенной по технологии матрицы [2] сигнал “смаза” в 10% при времени экспозиции 1 мкс.

С другой стороны, воспользовавшись техническим решением камеры на двух ПЗС-матрицах [3], можно уменьшить сигнал “смаза” до 1% при времени накопления 200 мкс, что позволяет дополнительно отказаться от расширения диапазона цифровой регулировки электронного затвора фотоприемника в сторону “малых” времен.

Учитывая, что в ряде применений телевизионной техники специального назначения, где световая перегрузка по времени может быть короткой, а быстродействие предъявления получателю-автомату неискаженной видеоинформации является решающим фактором, целесообразно иметь метрологическую оценку времени выхода телевизионной камеры после воздействия световой перегрузки.

Структурная схема телевизионного канала для организации эксперимента представлена на рис. 1, а на рис. 2 – временная диаграмма, поясняющая его работу. Схема содержит телевизионную камеру, выполненную на базе южнокорейского камерного модуля широкого применения на матрице ПЗС с форматом мишени 1/3 дюйма. Матрица ПЗС имеет типичную для импортных фотоприемников организацию “СКП” (“строчно-кадровый перенос”), а по чувствительности может быть отнесена к приборам обычной чувствительности (стандартным CCD).

Рис. 1. Структурная схема организации эксперимента

Рис. 2. Временная диаграмма, поясняющая структурную схему эксперимента

В качестве источника светового перегрузки применен импульсный источник света, выполненный на базе двух последовательно включенных отечественных светодиодов Ф-326, которые излучают энергию в ближней инфракрасной области спектра, являющейся рабочим участком спектрального диапазона матрицы ПЗС.

Длительность светового импульса (рис. 2е) составляет 20 мс при периоде следования 80 мс. Предполагается, что время “возгорания” (tВ) светодиодов, как и время их послесвечения (tП) на порядок меньше длительности светового импульса, а поэтому не вносят погрешности в проводимое измерение времени восстановления камеры. Для управления излучателем применена схема, состоящая из селектора синхроимпульсов, выделяющего из полного видеосигнала кадровые синхроимпульсы (рис. 2а), первый делитель частоты на два, формирующий меандр с периодом 40 мс (рис. 2б), второй делитель частоты на два, вырабатывающий меандр с периодом 80 мс (рис. 2в), логический элемент “ИЛИ-НЕ”, обеспечивающий на выходе положительный импульс длительностью в 20 мс при периоде следования 80 мс (рис. 2г), а также преобразователь уровней, предназначенный для получения управляющего выходного импульса с амплитудой около 8 В при токе в нагрузку не менее 1 А (рис. 2д).

Перед началом измерений работающая телевизионная камера устанавливается напротив выключенного излучателя на минимальное расстояние с целью подготовки для организации сильного светового воздействия на фотоприемник. Благодаря установленному в камере широкоугольному объективу, в ее поле зрения находятся оба светодиода на фоне окрашенной в черный цвет передней панели излучателя.

Далее телевизионная камера и излучатель изолируются от окружающей освещенности, а питание излучателя включается. При этом происходит сильная световая перегрузка ПЗС-матрицы, т.к. электронный затвор, обеспечивающий типовое значение минимального времени накопления в 10 мкс (1/100000 с), явно не справляется с зарядовым растеканием. Осциллограмма полного видеосигнала на выходе камеры, передаваемая первым лучом осциллографа С1-96, при выключенном излучателе приведена на фото 1, а при включенном – на фото 2. Для временного представления происходящих процессов на этих рисунках внизу изображена осциллограмма логического импульса управления излучателем, передаваемая вторым лучом осциллографа С1-96.

Фото 1. Осциллограмма видеосигнала (вверху)
на выходе камеры при выключенном излучателе

Фото 2. Осциллограмма видеосигнала (вверху)
на выходе камеры при включенном излучателе

Из фото 2 следует, что “паразитный” сигнал от световой перегрузки имеет место в течение двух полукадров, т.е. его длительность составляет 40 мс.

Возникновение этого сигнала можно объяснить следующим.

В течение первого полукадра, когда происходит сильная засветка фотомишени ПЗС, зарядовые носители заполняют полностью потенциальные ямы большинства ее элементов (пикселов). При этом соседние потенциальные ямы могут “схлопываться”, создавая эффект растекания зарядов. В силу этого, а также благодаря своей большей подвижности инфракрасные фотоны преодолевают потенциальный барьер и проникают в ячейки экранированных от света вертикальных регистров сдвига. Эти зарядовые пакеты далее считываются обычным образом (строка за строкой и поэлементно) через горизонтальный регистр фотоприемника, образуя на выходе “паразитный” сигнал первого полукадра.

Во время последующего (второго) полукадра засветка от излучателя отсутствует, но в матрице ПЗС процессы переноса зарядов и их считывания в выходном устройстве не прекращаются. Поэтому зарядовые пакеты, удерживаемые до этого момента в потенциальных ямах фотомишени, как обычно, переносятся в вертикальные регистры сдвига, а затем считываются через горизонтальный регистр. В результате фотоприемник полностью освобождается от накопленных ранее зарядов.

Как видно из осциллограммы на фото 2, в последующих двух полукадрах, т.е. в течение оставшихся 40 мс до появления нового импульса излучения, видеосигнал на выходе камеры отсутствует. Эксперимент показывает, что если увеличить длительность экспонирования при сохранении его интенсивности, то время восстановления не изменяется и составляет также один полукадр (20 мс). Это означает, что “пауза” восстановления сигнала изображения камеры после окончания световой перегрузки занимает не более одного полукадра по стандарту.

Литература

1. Гридин А.С., Салин В.И., Сущев Г.А., Подгорский Е.Г., Ратников А.Н., Трофимов М.Н. Оценка устойчивости фотоприемника на ПЗС к световым перегрузкам. “Техника средств связи”, серия “Техника телевидения” вып. 2, 1983, с 28 – 32.
2. Куликов А.Н. Телевизионное наблюдение при ярком солнечном свете.//“Специальная техника”, №1, 2001, с.11 – 20.
3. Смелков В.М. Метод минимизации искажений телевизионной камеры при работе в условиях световой перегрузки.//“Специальная техника”, №5, 2001, с. 20 – 22.