CN102300056B - 一种提高面阵ccd帧频的方法及高帧频ccd器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高面阵CCD帧频的方法及高帧频CCD器件，包括以下步骤：1）将面阵CCD沿水平方向分成A个单元，每个单元分成若干个上下间隔设置的曝光像敏区和遮挡区；2）面阵CCD曝光，曝光像敏区的m行光敏元生成光生电荷；3）在像敏区行转移脉冲的作用下，光生电荷向下方的遮挡区垂直转移m行；4）重复步骤2）和步骤30共(n/m)次；50面阵CCD曝光，曝光像敏区的m行光敏元生成光生电荷；60在驱动时序脉冲的作用下，面阵CCD逐行水平输出光生电荷。本发明解决了普通面阵CCD无法实现微秒级的连续时间分辨图像记录的问题，本发明可使最高帧频达到百万帧每秒以上，获得亚微秒时间间隔的图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高CCD帧频的方法及相应的CCD器件，尤其涉及一种提高普通面阵CCD帧频的方法及用普通面阵CCD制作的高帧频CCD器件。
背景技术
超高帧频成像系统可以很好反映出研究对象的细节运动过程，从而获得一些有价值的信息，在碰撞试验研究、等离子体物理研究、爆炸现象研究、战场侦查等科学试验研究领域有广泛应用。CCD器件作为一种常用图像传感器，已经广泛应用于各个领域。但在高帧频成像系统中，由于帧频率主要决定于CCD图像传感器图像数据的输出时间，故受到CCD自身结构的影响，在高分辨时很难达到超高帧频的效果。
人们通过多种技术途径来减少CCD的像素总输出时间以提高CCD的帧频，如特定窗口输出技术，仅输出部分感兴趣图像区域，相当于减小图像分辨率；隔行输出技术，仅输出特定行，属于图像的二次采样，降低了图像分辨率；Binning技术，把n×n以上的像素合并为一个像素进行输出，降低了图像分辨率，但可提高灵敏度。这些技术可以使CCD的帧频提高数倍以上，极大的扩展了高帧频CCD的应用领域，但仍然无法实现微秒级的连续时间分辨图像。为进一步提高CCD帧频率，有人提出了在位存储图像传感器（ISIS，In-situ Storage Image Sensor），并研制出速度达到1百万帧每秒、分辨率360×360、存储帧数100帧的超高帧频相机，但芯片工艺复杂，价格昂贵。
发明内容
为解决普通面阵CCD无法实现微秒级的连续时间分辨图像记录的问题，本发明提出一种提高面阵CCD帧频的方法及高帧频CCD器件，通过在CCD光敏区外部安装有掩模板，使得像敏元部分曝光，并利用未曝光像敏元临时存储采集的图像数据，可使最高帧频达到百万帧每秒以上，获得亚微秒时间间隔的图像。
本发明的技术解决方案为：
一种提高面阵CCD帧频的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
1】将面阵CCD沿水平方向分成A个单元，每个单元分成若干个上下间隔设置的曝光像敏区和遮挡区，每个曝光像敏区包括m行外露的光敏元，每个遮挡区包括n行遮挡的光敏元；所述m、n均为大于等于1的整数，且n为m的整数倍；
2】面阵CCD曝光，曝光像敏区的m行光敏元生成光生电荷；
3】在像敏区行转移脉冲的作用下，光生电荷向下方的遮挡区垂直转移m行；
4】重复步骤2】和步骤3】共（n/m）次；
5】面阵CCD曝光，曝光像敏区的m行光敏元生成光生电荷；
6】在驱动时序脉冲的作用下，面阵CCD逐行水平输出光生电荷。
上述A=1；所述面阵CCD的第一行为曝光像敏区。
上述A>1；所述面阵CCD沿水平方向分成的A个单元依次为奇数单元、偶数单元交替，所述奇数单元的第一行为曝光像敏区；所述偶数单元的第一行为遮挡区，所述偶数单元的曝光像敏区位于奇数单元上下相邻曝光像敏区的中心对称区所在的m行上。
上述的面阵CCD为b相CCD，其中b为大于等于2的整数；所述像敏区行转移脉冲为b个交叠脉冲序列；所述b个交叠脉冲序列如下：
过程1--前曝光等待，曝光，每个单元转移像敏区m行像素，即产生m个像敏区行转移脉冲；
过程2--循环过程1，共重复n次；
过程3--前曝光等待，曝光；
过程4--进入输出时序。
上述m=1。
还包括曝光过程中向面阵CCD提供同步脉冲强光源的步骤。
一种高帧频CCD器件，包括面阵CCD，其特殊之处在于：
还包括在面阵CCD光敏区沿光入射方向一侧紧贴光敏元处安装的不透明掩膜板，所述掩膜板的长宽尺寸大于光敏区的长宽尺寸，所述掩膜板沿水平方向分成A个单元，每个单元沿水平方向开有若干个长方形孔构成曝光像敏区，每个曝光像敏区的宽度小于或等于m行光敏元的宽度，每个曝光像敏区的长度小于每个单元的，每个曝光像敏区的上沿略低于或平齐于m行光敏元的最上沿，每个曝光像敏区的下沿略高于或平齐于m行光敏元的最下沿；所述m、n均为大于等于1的整数，且n为m的整数倍。
上述A=1；所述面阵CCD的第一行为曝光像敏区。
上述A>1；所述面阵CCD沿水平方向分成的A个单元依次为奇数单元、偶数单元交替，所述奇数单元的第一行为曝光像敏区；所述偶数单元的第一行为遮挡区，所述偶数单元的曝光像敏区位于奇数单元上下相邻曝光像敏区的中心对称区所在的m行上。
上述掩模板的材料为金属或不透明的非金属；所述的掩模板材料为陶瓷、硅或石英；所述掩模板表面镀有CCD工作光谱吸收膜。
本发明的有益效果：
1．本发明实现了CCD百万帧每秒以上的多幅连续图像的获取，达到微秒量级的时间分辨。
2．本发明适用于多种普通面阵CCD，仅需要加工不同掩膜板和改变CCD的曝光、电荷转移输出流程即可实现，具有广泛的适用性。
附图说明
图1是面阵CCD掩膜板结构示意图。
图2是本发明的CCD获取图像过程示意图。
图3是像敏区行转移脉冲时序关系及V表示意义的示意图。
图4是本发明的CCD时序驱动关系图。
其中附图标记为：1-掩模板，2-长方形孔，3-曝光光敏元，4-遮挡区。
具体实施方式
本发明提出了一种提高面阵CCD帧频的方法，通过在CCD光敏区外部安装有带有若干长方形孔的掩模板，使得光敏区的某些行可以曝光，其他行则被遮挡不透光，形成存储区，并通过像敏区行转移脉冲时序控制曝光和光生电荷的转移时间，提高了CCD的帧频。
一种提高面阵CCD帧频的方法，包括以下步骤：
1】将面阵CCD沿水平方向分成A个单元，每个单元分成若干个上下间隔设置的曝光像敏区和遮挡区，每个曝光像敏区包括m行外露的光敏元，每个遮挡区包括n行遮挡的光敏元；
2】面阵CCD曝光，曝光像敏区的m行光敏元生成光生电荷；
3】在像敏区行转移脉冲的作用下，光生电荷向下方的遮挡区垂直转移m行；
4】重复步骤2】和步骤3】共（n/m）次；
5】面阵CCD曝光，曝光像敏区的m行光敏元生成光生电荷；
6】在驱动时序脉冲的作用下，面阵CCD逐行水平输出光生电荷。
还包括曝光过程中向面阵CCD提供同步脉冲强光源的步骤。
A=1；所述面阵CCD的第一行为曝光像敏区。
A>1；所述面阵CCD沿水平方向分成的A个单元依次为奇数单元、偶数单元交替，所述奇数单元的第一行为曝光像敏区；所述偶数单元的第一行为遮挡区，所述偶数单元的曝光像敏区位于奇数单元上下相邻曝光像敏区的中心对称区所在的m行上。
面阵CCD为b相CCD，其中b为大于等于2的整数；所述像敏区行转移脉冲为b个交叠脉冲序列；所述b个交叠脉冲序列如下：
过程1--前曝光等待，曝光，每个单元转移像敏区m行像素，即产生m个像敏区行转移脉冲；
过程2--循环过程1，共重复n次；
过程3--前曝光等待，曝光；
过程4--进入输出时序。
上述m=1。
一种高帧频CCD器件，包括面阵CCD，其特殊之处在于：
还包括在面阵CCD光敏区沿光入射方向一侧紧贴光敏元处安装的不透明掩膜板，所述掩膜板的长宽尺寸大于光敏区的长宽尺寸，所述掩膜板沿水平方向分成A个单元，每个单元沿水平方向开有若干个长方形孔构成曝光像敏区，每个曝光像敏区的宽度小于或等于m行光敏元的宽度，每个曝光像敏区的长度小于每个单元的，每个曝光像敏区的上沿略低于或平齐于m行光敏元的最上沿，每个曝光像敏区的下沿略高于或平齐于m行光敏元的最下沿；所述m、n均为大于等于1的整数，且n为m的整数倍。
A=1；所述面阵CCD的第一行为曝光像敏区。
A>1；所述面阵CCD沿水平方向分成的A个单元依次为奇数单元、偶数单元交替，所述奇数单元的第一行为曝光像敏区；所述偶数单元的第一行为遮挡区，所述偶数单元的曝光像敏区位于奇数单元上下相邻曝光像敏区的中心对称区所在的m行上。
掩模板的材料为金属或不透明的非金属；所述的掩模板材料为陶瓷、硅或石英；所述掩模板表面镀有CCD工作光谱吸收膜。
掩膜板的具体结构和掩膜方式如图1所示，在面阵CCD光敏区外沿光入射方向且紧贴光敏元处安装不透明掩膜板1，掩膜板1的尺度大于光敏区的尺度，掩膜板1上水平方向开有若干个长方形孔2，长方形孔2的宽度小于或等于m行光敏元的宽度，其中m大于等于1，且当m=1时可以达到最快帧频速度，图1中仅以m=1为例。相邻长方形孔2之间的宽度大于或等于n行光敏元的宽度，其中n大于等于1，且n大于等于m；长方形孔2的长度大于或等于面阵CCD光敏区的宽度，长方形孔2的上沿略低于或平齐于曝光光敏元3的上沿，长方形孔2的下沿略高于或平齐于曝光光敏元3的下沿；这样每隔m个曝光行，在光敏元上会出现n个遮挡区4，遮挡区4用于存储曝光过程产生的电荷，故该CCD芯片上能够存储n+1幅图像。上述掩膜板的材料为金属或不透明的非金属如陶瓷、硅、石英等。作为一种优选方式，掩模板材料也可以选用硅或石英，并在其表面镀有对CCD工作光谱吸收的吸收膜。
掩膜后CCD曝光和光生电荷的转移流程如图2所示：首先CCD光敏元曝光一定时间，曝光像敏区生成光生电荷，形成第1帧图像；其次在像敏区行转移脉冲的作用下，CCD曝光像敏区光生电荷垂直转移m行，使得第1帧图像转移至覆盖区域的前m行中；重复前两个步骤n次，则会在曝光像敏区依次形成第2至n+1帧图像，并且转移至覆盖区域的前n*m行中；图2中仅以m=1，n=4为例，这样即获得了5幅图像；最后在驱动时序脉冲的作用下，CCD光敏元逐行水平输出图像电荷。
在这种工作模式下，CCD的最高帧频由一行的转移时间与曝光时间共同决定。由于CCD的光敏区在转移时也进行曝光，因此，最高帧频能够达到CCD行转移时钟的频率速度，即当CCD行转移最高时钟为1MHz时，本发明的最高帧频可以达到1百万帧每秒。
本发明更改了CCD光敏区的分区结构，因此需要根据更改的情况对驱动时序进行重新设计。由于在应用中，遮挡区的像素仍然是原来CCD光敏区的像素，其转移过程不会因为掩膜的存在而发生改变。因此在时序设计中，这些行的转移仍然只能通过原CCD的行转移进行控制，但因为需要在行转移的过程中加入曝光时间，转移n行后得到的为n+1幅超高帧频图像数据，因而需要采取特殊的驱动时序才能达到超高帧频的效果。
本发明需要改变像敏区行转移驱动V的控制时序，所述的V是指完成一次电荷转移的所需要的交叠脉冲，对于二相CCD以及三相CCD，其驱动为二相或三相交叠脉冲序列。图3以二相CCD为例，对其驱动时序工作原理具体说明，在二相CCD中，V代表V1、V2组成的一个交叠脉冲。
本发明中V代表的V1、V2之间的关系如图3所示，仅以二相CCD为例。具体为：过程1--前曝光等待（如果曝光等待时间为0，则一幅图像的曝光时间为1行的转移时间），转移像敏区1行像素，即产生1个V脉冲；过程2--循环过程1，重复n次；结束曝光转移过程进入输出（Out）时序，输出所有像素并记录。
由于采用本发明后，对于产生的n+1幅图像，每幅图像分辨率为原CCD分辨率的1/（n+1），时间间隔为行转移时间＋前曝光时间。例如：1024×1024的面阵CCD，若其行转移时钟（V）频率为1.25MHz，输出时钟最高为20MHz。采用本发明的方法后，n选取为7，前曝光时间为200ns，则可获得8幅时间间隔为1000ns （行转移周期800ns +前曝光时间200ns）、分辨率为1024×128的图像，相应帧频为1÷1.0μs＝1,000,000 fps。本发明应用后，可以使普通帧频的CCD获得百万帧每秒的超高帧频应用效果。需要说明的是，当曝光时间过短时，需要在曝光过程时给CCD提供同步脉冲强光源，以提高图像信噪比。
Claims (10)
1.一种提高面阵CCD帧频的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1】将面阵CCD沿水平方向分成A个单元，每个单元分成若干个上下间隔设置的曝光像敏区和遮挡区，每个曝光像敏区包括m行外露的光敏元，每个遮挡区包括n行遮挡的光敏元，所述m、n均为大于等于1的整数，且n为m的整数倍；
2】面阵CCD曝光，曝光像敏区的m行光敏元生成光生电荷；
3】在像敏区行转移脉冲的作用下，光生电荷向下方的遮挡区垂直转移m行；
4】重复步骤2】和步骤3】共n/m次；
5】面阵CCD曝光，曝光像敏区的m行光敏元生成光生电荷；
6】在驱动时序脉冲的作用下，面阵CCD逐行水平输出光生电荷。
2.根据权利要求1所述的提高面阵CCD帧频的方法，其特征在于：所述A=1；所述面阵CCD的第一行为曝光像敏区。
3.根据权利要求1所述的提高面阵CCD帧频的方法，其特征在于：所述A>1；所述面阵CCD沿水平方向分成的A个单元依次为奇数单元、偶数单元交替，所述奇数单元的第一行为曝光像敏区；所述偶数单元的第一行为遮挡区，所述偶数单元的曝光像敏区位于奇数单元上下相邻曝光像敏区的中心对称区所在的m行上。
4.根据权利要求1或2或3所述的提高面阵CCD帧频的方法，其特征在于：所述的面阵CCD为b相CCD，其中b为大于等于2的整数；所述像敏区行转移脉冲为b个交叠脉冲序列；所述b个交叠脉冲序列如下：
过程1--前曝光等待，曝光，每个单元转移像敏区m行像素，即产生m个像敏区行转移脉冲；
过程2--循环过程1，共重复n次；
过程3--前曝光等待，曝光；
过程4--进入输出时序。
5.根据权利要求4所述的提高面阵CCD帧频的方法，其特征在于：所述m=1。
6.根据权利要求5所述的提高面阵CCD帧频的方法，其特征在于：还包括曝光过程中向面阵CCD提供同步脉冲强光源的步骤。
7.一种高帧频CCD器件，包括面阵CCD，其特征在于：
还包括在面阵CCD光敏区沿光入射方向一侧紧贴光敏元处安装的不透明掩膜板，所述掩膜板的长宽尺寸大于光敏区的长宽尺寸，所述掩膜板沿水平方向分成A个单元，每个单元沿水平方向开有若干个长方形孔构成曝光像敏区，每个曝光像敏区的宽度小于或等于m行光敏元的宽度，每个曝光像敏区的长度小于每个单元的，每个曝光像敏区的上沿略低于或平齐于m行光敏元的最上沿，每个曝光像敏区的下沿略高于或平齐于m行光敏元的最下沿；所述m、n均为大于等于1的整数，且n为m的整数倍。
8.根据权利要求7所述的高帧频CCD器件，其特征在于：所述A=1；所述面阵CCD的第一行为曝光像敏区。
9.根据权利要求7所述的高帧频CCD器件，其特征在于：所述A>1；所述面阵CCD沿水平方向分成的A个单元依次为奇数单元、偶数单元交替，所述奇数单元的第一行为曝光像敏区；所述偶数单元的第一行为遮挡区，所述偶数单元的曝光像敏区位于奇数单元上下相邻曝光像敏区的中心对称区所在的m行上。
10.根据权利要求7或8或9所述的高帧频CCD器件，其特征在于：所述掩膜板的材料为金属或不透明的非金属；所述的掩膜板材料为陶瓷、硅或石英；所述掩膜板表面镀有CCD工作光谱吸收膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |