видеопреобразователь оптического излучения

Формула изобретения

Видеопреобразователь оптического излучения, содержащий матрицу фоточувствительных элементов, соединенных горизонтальными шинами с вертикальным сдвиговым регистром и вертикальными шинами с ячейками выборки-хранения, которые через ключи, подключенные к горизонтальному сдвиговому регистру, соединены через общую шину вывода видеосигнала с выходным предусилителем, причем ячейка выборки-хранения состоит из соединенного истоком с вертикальными шинами транзистора связи, затвор которого подключен к первой шине управления, а сток через накопительную емкость - к шине питания и истоку транзистора уровня выборки заряда, затвор которого подключен ко второй шине управления, а сток - к истоку транзистора установки потенциала, затвору транзистора истокового повторителя и через емкость хранения - к шине питания, сток транзистора установки потенциала соединен с шиной питания, а затвор - с третьей шиной управления, сток транзистора истокового повторителя заземлен, а исток подключен к ключам.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к многоэлементным матричным видеопреобразователям оптического излучения.

Известен многоэлементный видеопреобразователь оптического излучения, содержащий матрицу фоточувствительных элементов (ФЧЭ), от которых заряды к выходному усилителю перемещаются по регистрам переноса заряда (см. К.Секен, М.Томпсет "Приборы с переносом заряда (ПЗС)", изд. "Мир", Москва, 1978). Основным недостатком таких приборов являются необходимость выделения значительной площади фоточувствительного поля для регистров переноса, так как зарядам, накопленным каждым фоточувствительным элементом, должна соответствовать зарядовая емкость ячейки переноса. Для ПЗС характерно паразитное явление - размытие сигнала вследствие неэффективности переноса заряда вдоль канала, что проявляется в смешивании сигналов соседних ячеек, то есть потере контрастности изображения. С увеличением формата матрицы необходимо повышать частоту работы ПЗС регистров. С увеличением рабочей частоты ПЗС прибора растет неэффективность переноса.

Известен многоэлементный видеопреобразователь излучения, содержащий матрицу фоточувствительных элементов, в котором накопленный в элементарной ячейке заряд определяет ток управляющего транзистора истокового повторителя, расположенного в ячейке матрицы, нагрузка которого привязана к сигнальной шине. Управление считыванием видеосигнала производится с помощью КМОП-мультиплексоров (комплементарная металл-окисел-полупроводник структура), (см. патент США №5933190, НКИ 342-302, 1999 г.). Недостатком таких приборов является наличие в каждой ячейке матрицы трех транзисторов, что ухудшает фактор заполнения и снижает чувствительность матрицы в целом. Качество изображения и уровень шума сильно зависят от разброса паразитных емкостей вертикальных шин металлизации. Разброс параметров транзисторов внутри каждой элементарной ячейки и в усилителях столбцов приводит к существенной неоднородности чувствительности по матрице, которую необходимо компенсировать с помощью цифровых методов обработки сигнала за счет снижения динамического диапазона.

Известен многоэлементный видеопреобразователь излучения, содержащий матрицу фоточувствительных элементов, в котором считывание заряда происходит построчно на общие вертикальные металлические шины с последующей инжекцией в горизонтальный ПЗС регистр переноса (см. п. Японии №2714293, МПК 6 Н 04 N 5/335, 1997 г.). Для этого прибора характерно невысокое качество изображения вследствие разброса паразитных емкостей вертикальных металлических шин, размытие изображения вследствие неэффективности переноса заряда в канале горизонтального ПЗС регистра.

Известен наиболее близкий к предлагаемому многоэлементный видеопреобразователь излучения, содержащий матрицу фоточувствительных элементов, соединенных построчно через затворы связи, подключенные к регистру выборки, с вертикальными каналами ПЗС регистров, которые подключены к генератору тактовых импульсов со сбором остаточного заряда в накопительные емкости, и горизонтальному ПЗС регистру (см. Masafumi Kimata, Masahiko Denda, Naoki Yutani, Shuhei Iwade, and Natsuro Tsubouchi, "A 512×512-element PtSi Schottky-Barrier IR image sensor", IEEE journal of solid-state circuits, vol.sc-22, 6, December 1980, Hirofumi Yagi, Naoki Yutani, Shinsuke Nagayoshi, Junji Nakanishi, Masafumi Kimata, and Natsuto Tsubouchi, "Improved 512×512 IRCSD with large fill factor and high saturation level", SPIE vol.1685 Infrared detectors and focal plane arrays II, pp.37-47, 1992). В нем заряд от фоточувствительных элементов по вертикали до горизонтального ПЗС регистра перемещается по ПЗС регистрам в предложенном авторами режиме с "подметанием" заряда (Charge Sweep Device). В отличие от обычного режима работы в приборе с "подметанием" заряда при считывании из фоточувствительного элемента в канал регистра переноса инжектируется лишь один зарядовый пакет, который распределяется по всем ячейкам регистра переноса. Этот пакет постепенно накапливается в промежуточной емкости хранения перед инжекцией в горизонтальный регистр до считывания следующего зарядового пакета. В управлении работой вертикального регистра предусмотрены дополнительные циклы для сбора остатков заряда отставшей части зарядового пакета вследствие неэффективности переноса. Процесс сбора остаточного заряда под действием дополнительных циклов и назван "подметанием".

В прототипе считывание информации с матричного видеопреобразователя излучения осуществляется по схеме строчно-кадровой выборки. По этой схеме с помощью вертикального регистра управления затворами связи производится выборка строки фоточувствительных ячеек и инжекция зарядового пакета в вертикальный канал ПЗС регистра с "подметанием" заряда. С помощью генератора управляющих импульсов считанный заряд перемещается по каналу ПЗС регистра в накопительную емкость и затем параллельным образом инжектируется в горизонтальный канал классического ПЗС регистра переноса. После чего считанная строка последовательно перемещается на выходной узел, состоящий из преобразователя заряда в напряжение и буферного предусилителя. Перезарядка чувствительного элемента происходит при считывании с него заряда.

Недостатки прототипа

1. Низкий контраст изображения вследствие высокой неэффективности переноса горизонтального ПЗС регистра.

2. Невозможность обработки видеосигнала внутри кристалла на различных этапах его прохождения.

Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения являются улучшение контраста изображения и расширение функциональных возможностей схемы.

Указанный технический результат достигается тем, что видеопреобразователь оптического излучения содержит матрицу фоточувствительных элементов, соединенных горизонтальными шинами с вертикальным сдвиговым регистром и вертикальными шинами - с ячейками выборки-хранения, которые через ключи, подключенные к горизонтальному сдвиговому регистру, соединены через общую шину вывода видеосигнала с выходным предусилителем, причем ячейка выборки-хранения состоит из соединенного истоком с вертикальными шинами транзистора связи, затвор которого подключен к первой шине управления, а сток через накопительную емкость - к шине питания и истоку транзистора уровня выборки заряда, затвор которого подключен ко второй шине управления, а сток - к истоку транзистора установки потенциала, затвору транзистора истокового повторителя и через емкость хранения - к шине питания, сток транзистора установки потенциала соединен с шиной питания, а затвор - с третьей шиной управления, сток транзистора истокового повторителя заземлен, а исток подключен к ключам.

Новым в предложенном устройстве является то, что ячейка выборки-хранения состоит из соединенного истоком с вертикальными шинами транзистора связи, затвор которого подключен к первой шине управления, а сток через накопительную емкость - к шине питания и истоку транзистора уровня выборки заряда, затвор которого подключен ко второй шине управления, а сток - к истоку транзистора установки потенциала, затвору транзистора истокового повторителя и через емкость хранения - к шине питания, сток транзистора установки потенциала соединен с шиной питания, а затвор - с третьей шиной управления, сток транзистора истокового повторителя заземлен, а исток подключен к ключам. При этом преобразование зарядового пакета в напряжение осуществляется в линейке накопительных емкостей, что позволяет сбрасывать фоновую составляющую заряда и регулировать нелинейность преобразования в зависимости от спектра и яркости излучения объектов, расширяя функциональные возможности, и улучшить контраст изображения.

Сущность предложенного устройства поясняется чертежом, на котором представлена схема предложенного устройства.

Видеопреобразователь оптического излучения содержит матрицу фоточувствительных элементов 1, соединенных горизонтальными шинами 2 с вертикальным сдвиговым регистром 3 и вертикальными шинами 4 - с ячейками выборки-хранения 5, которые через ключи 6, подключенные к горизонтальному сдвиговому регистру 7, соединены через общую шину вывода видеосигнала 8 с выходным предусилителем 9. Ячейка выборки-хранения 5 (на чертеже обведена пунктирной линией) состоит из соединенного истоком с вертикальными шинами 4 транзистора связи 10, затвор которого подключен к первой шине управления 11, а сток через накопительную емкость 12 - к шине питания 13 и истоку транзистора уровня выборки заряда 14, затвор которого подключен ко второй шине управления 15, а сток - к истоку транзистора установки потенциала 16, затвору транзистора истокового повторителя 17 и через емкость хранения 18 - к шине питания 13. Сток транзистора установки потенциала 16 соединен с шиной питания 13, а затвор - с третьей шиной управления 19. Сток транзистора истокового повторителя 17 заземлен, а исток подключен к ключам 6. Первая шина управления 11 осуществляет управление считыванием полного заряда, накопленного в ФЧЭ, с вертикальной шины, вторая шина управления 15 определяет долю полезного заряда в накопленном зарядовом пакете, считываемую в емкость хранения, а третья шина управления 19 задает напряжение установки опорного потенциала.

Устройство работает следующим образом.

Заряд, накопленный в ФЧЭ за время экспозиции кадра, посредством вертикальных шин и через транзистор связи 10 передается в накопительную емкость 12. Затем, отсекая вертикальную шину от накопительной емкости транзистором связи 10 и регулируя величину открытия транзистора 14 второй шиной управления 15, в емкость хранения 18 считывается только полезная часть заряда, определяющая контраст изображения. Преобразование заряда в напряжение происходит в соответствии с выражением где С - суммарная емкость емкостей хранения, затвора транзистора истокового повторителя 17 и истоков транзисторов 14, 16. Поэлементная выборка строки происходит под управлением горизонтального сдвигового регистра 7, который управляет ключами-транзисторами 6 и с их помощью последовательно подключает исток транзистора 17 к общей шине 8, осуществляя таким образом мультиплексирование строки видеосигнала в виде импульсов напряжения на выходной предусилитель 9. Так как температурная фоновая составляющая заряда составляет от 20% до 90%, то при ее вычитании и усилении только полезной составляющей существенно улучшаются динамический диапазон и контрастность видеосигнала. Перезарядка емкостей накопления и хранения производится с помощью транзистора установки потенциала 16 под управлением третьей шины управления 19. Затем процесс считывания повторяется с заданной периодичностью, например в соответствии со стандартными требованиями вывода телевизионного сигнала.

Предложенное конструктивное решение использовано при проектировании видеопреобразователя оптического изображения ИК-диапазона. В качестве материала ФЧЭ использованы барьеры Шоттки SiPt/p-Si, формат матрицы 512×512 элементов с частотой вывода видеоинформации 25 кадров/сек. Данная конструкция реализована в стандартном технологическом цикле изготовления КМОП ИС с дополнительными операциями формирования ФЧЭ на основе силицида платины. В результате получено увеличение динамического диапазона не менее чем в два раза по сравнению с конструкцией без вычитания фона, что улучшает контраст изображения.