устройство для получения последовательности кадров изображения

Формула изобретения

1. Устройство для получения последовательности кадров изображения, содержащее оптически связанные и последовательно соединенные оптоволоконный преобразователь и камеру с матричным фотоприемником с зарядовой связью, который включает в себя область фотоэлектрического преобразования оптического изображения в зарядовые пакеты и область буферного хранения зарядовых пакетов, и работающий в режиме переноса зарядовых пакетов из области фотоэлектрического преобразования в область буферного хранения, отличающееся тем, что области фотоэлектрического преобразования и буферного хранения матричного фотоприемника с зарядовой связью разделены на чередующиеся между собой секции, причем рядом с каждой секцией фотоэлектрического преобразования расположена секция буферного хранения, количество строк в которой в k раз больше количества строк в секции фотоэлектрического преобразования, где k - количество получаемых кадров, а оптоволоконный преобразователь на выходе разделен на блоки, представляющие собой упорядоченные ряды оптических волокон, торцы которых состыкованы и оптически связаны с секциями области фотоэлектрического преобразования.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит несколько матричных фотоприемников с зарядовой связью, при этом выходные торцы оптоволоконных блоков состыкованы и оптически связаны с секциями области фотоэлектрического преобразования всех матричных фотоприемников с зарядовой связью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к телевизионной технике и может быть использовано в системах наблюдения быстропротекающих процессов.

Существуют устройства для получения последовательности кадров изображения (Ю.Р.Носов, В.А.Шилин "Основы физики приборов с зарядовой связью", с.281-282, Москва, "Наука", 1986 г.), основанные на возможностях приборов с зарядовой связью (ПЗС), преобразовывать изображение в зарядовые пакеты в одной области матричного фотоприемника на ПЗС, с высокой скоростью перемещать их в другую затемненную область матричного фотоприемника на ПЗС, временно сохранять зарядовые пакеты в затемненной области, осуществляя буферизацию информации об изображении, а затем последовательно считывать ее для оцифровки и обработки. Обычно в ПЗС матрице различают одну освещаемую область фотоэлектрического преобразования с размерами, соответствующими формату кадра, и одну затемненную область буферного хранения с размерами, позволяющими сохранять требуемое количество кадров. Временной интервал между кадрами определяется как t=N*V, где N - число строк в области преобразования изображения в зарядовые пакеты, V - скорость сдвига зарядовых пакетов одной строки в затемненную область. Таким образом, временное разрешение существенно ухудшается при увеличении количества строк в изображении.

Известно устройство для получения последовательности кадров изображения (Sameer V. Tipnis, V.V.Nagarkar "High-Speed X-ray Imaging Camera for Time-Resolved Diffraction Studies" pp.2415-2419, IEEE Transactions on nuclear science Vol.49, No. 5, October 2002), содержащее оптически связанные и последовательно соединенные оптоволоконный преобразователь и камеру с матричным фотоприемником на ПЗС, включающим в себя область фотоэлектрического преобразования оптического изображения в зарядовые пакеты и область буферного хранения зарядовых пакетов и работающим в режиме переноса зарядовых пакетов из области фотоэлектрического преобразования в область буферного хранения. Поскольку матричный фотоприемник на ПЗС имеет одну область фотоэлектрического преобразования и одну область буферного хранения зарядовых пакетов, то, прежде чем получить следующий кадр, необходимо последовательно переместить зарядовые пакеты предыдущего кадра из всех строк области фотоэлектрического преобразования в область буферного хранения, при этом время между кадрами составит t=N*V=512 строк*0,8 мкс/строку =409,6 мкс, где N=512 число строк в области фотоэлектрического преобразования, V=0,8 мкс/строку - скорость сдвига зарядовых пакетов одной строки в область буферного хранения. Таким образом, последовательный перенос зарядовых пакетов всех строк в одну область буферного хранения является существенным признаком, ограничивающим уменьшение временного интервала между кадрами.

Задача изобретения - создание устройства для получения последовательности кадров изображения с субмикросекундными временными интервалами между кадрами.

Техническим результатом является уменьшение временного интервала между кадрами в устройстве для получения последовательности кадров.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для получения последовательности кадров изображения, содержащем оптически связанные и последовательно соединенные оптоволоконный преобразователь и камеру с матричным фотоприемником с зарядовой связью, который включает в себя область фотоэлектрического преобразования оптического изображения в зарядовые пакеты и область буферного хранения зарядовых пакетов и работающий в режиме переноса зарядовых пакетов из области фотоэлектрического преобразования в область буферного хранения, новым является то, что области фотоэлектрического преобразования и буферного хранения разделены на чередующиеся между собой секции, причем рядом с каждой секцией фотоэлектрического преобразования расположена секция буферного хранения, количество строк в которой в k раз больше количества строк в секции фотоэлектрического преобразования, где k - количество получаемых кадров, а оптоволоконный преобразователь на выходе разделен на блоки, представляющие собой упорядоченные ряды оптических волокон, торцы которых состыкованы и оптически связаны с секциями фотоэлектрического преобразования. Кроме того, для увеличения количества кадров и(или) для увеличения формата кадров устройство может содержать несколько матричных фотоприемников с зарядовой связью, при этом выходные торцы оптоволоконных блоков состыкованы и оптически связаны с секциями фотоэлектрического преобразования всех матричных фотоприемников с зарядовой связью.

Заявляемое устройство обладает двумя отличительными признаками, влияющими на достижение технического результата.

Первый - разделение области фотоэлектрического преобразования и области буферного хранения на чередующиеся между собой секции. Процесс сохранения полученного кадра в матричных фотоприемниках на ПЗС с кадровой организацией состоит в пошаговом переносе зарядовых пакетов всех строк области фотоэлектрического преобразования в область буферного хранения. Очевидно, что в прототипе и аналогах для этого потребуется количество переносов, равное количеству строк N во всей области фотоэлектрического преобразования, и время t=N*V, в заявленном же устройстве потребуется количество переносов, равное количеству строк n в одной секции области фотоэлектрического преобразования, и время, равное t=n*V. Таким образом, время между кадрами уменьшится в N/n раз. В предельном случае, когда каждая секция области фотоэлектрического преобразования состоит из одной строки, потребуется всего один сдвиг и время t=1*V, поскольку уже после одного переноса все строки секций фотоэлектрического преобразования окажутся в находящихся рядом секциях буферного хранения.

Второй признак - применение оптоволоконного преобразователя с функцией разделения изображения. Поскольку секции фотоэлектрического преобразования разнесены в пространстве, то и исходное оптическое изображение должно быть разделено на блоки и разнесено в пространстве.

На фиг.1 представлена общая структурная схема устройства.

На фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5 схематично представлен принцип работы матричного фотоприемника на ПЗС на стадии получения 1-го, 2-х, 3-х и 5-ти кадров. На фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5 подаваемые на устройство кадры обозначены буквой а), сохраненные кадры изображения буквой б).

Устройство состоит из оптоволоконного преобразователя 1 с оптоволоконными блоками 6 на выходе и камеры 2 с матричными фотоприемниками на ПЗС 3, содержащими секции фотоэлектрического преобразования 4 и секции буферного хранения 5.

Устройство работает следующим образом.

Оптическое изображение, сформированное на входном торце оптоволоконного преобразователя 1, разделяется и поступает с помощью оптоволоконных блоков 6 на секции фотоэлектрического преобразования 4 матричных ПЗС фотоприемников 3. В секциях фотоэлектрического преобразования элементы изображения в результате фотоэлектрической конверсии преобразуются в зарядовые пакеты, а затем синхронно переносятся в первые строки секций буферного хранения 5. Таким образом, секции фотоэлектрического преобразования освобождаются и готовы к приему нового кадра. После поступления нового кадра на секции фотоэлектрического преобразования и его конверсии в зарядовые пакеты зарядовые пакеты предыдущего кадра из первых строк секций буферного хранения переносятся во вторые синхронно с переносом зарядовых пакетов нового кадра из секций фотоэлектрического преобразования в первые строки секций буферного хранения. Данный процесс происходит до тех пор, пока не заполнятся все строки секций буферного хранения. После этого прием кадров прекращается, происходит считывание и оцифровка зарядовых пакетов электронными блоками камеры 3, а затем программная обработка полученного цифрового массива для восстановления изображений.

При использовании в заявляемом устройстве матричного фотоприемника на ПЗС, аналогичного используемому в прототипе, т.е. формата 1024×2048 пикселей для получения трех кадров формата 1024×512 (как в прототипе), необходимо организовать на ПЗС матрице 512 секций фотоэлектрического преобразования по одной строке в секции и 512 секций буферного хранения по три строки в секции так, что рядом с каждой секцией фотоэлектрического преобразования находилась секция буферного хранения. При этом временной интервал между кадрами составит 0.8 мкс, против 409.6 мкс в прототипе.

При использовании в устройстве 16 матриц формата 1024×1024 пикселей, каждая из которых имеет 60 освещаемых секций по одной строке и 60 затемненных секций по 16 строк, можно получать 16 кадров формата 1024×1024 с субмикросекундным интервалом, например 0.8 мкс.

Таким образом, уменьшение временного интервала между кадрами достигается за счет совокупности двух факторов: применения в устройстве оптоволоконного преобразователя с разделением изображения на блоки и применением матрицы с чередующимися секциями накопления и хранения. Чередование секций позволяет достигать времени переноса зарядовых пакетов всего кадра в секции хранения, равного времени сдвига одной строки. Применение оптоволоконного преобразователя с разделением изображения на блоки позволяет доставлять элементы изображения ко всем секциям накопления, находящимся на заданном расстоянии друг от друга.