CN104159043B - 一种超高速双帧图像获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超高速双帧图像获取方法，它可以分为曝光时间的控制和CCD高速双帧图像采集两个方面内容。CCD曝光时间的控制过程通过像增强器实现入射光的导通或者阻断，主要用于调节两次曝光时间的长短、开启或者终止CCD光敏区像素的曝光。CCD高速双帧图像采集过程涉及到一种特殊的CCD电荷转移方法和时序驱动方法，与常规的CCD工作过程不同，CCD先进行两次曝光，然后将两次产生的光生电荷分别存储在光敏区像素和垂直寄存器中，最后再连续输出这两帧图像。本发明方法两帧图像之间的采集间隔仅与第一次曝光的光生电荷转移到垂直寄存器的时间有关，时间间隔可以达百纳秒级。

Description

一种超高速双帧图像获取方法

技术领域

该发明涉及一种超高速图像采集方法，特别涉及一种提高ICCD相机单次采集图像帧数的方法。

背景技术

ICCD通常由像增强器、高压门控发生器和CCD相机组成。由于像增强器的高增益和高速选通特性，它主要应用于微光成像和瞬态成像领域。近年来，基于CMOS芯片的固态相机迅速发展，帧频率越来越快，有些甚至能达到百万帧每秒的速度，但是随着其帧频率的提高，百万帧每秒的情况下，其像素分辨率也显著降低到千像素量级，难以满足微秒级或者纳秒级高速图像诊断领域实验要求。而ICCD具备很高的选通速度和像素分辨率，是微秒级或者纳秒级高速图像诊断领域的一种重要设备。尤其在超高速物理现象如聚变等离子体、冲击物理学、断裂力学、放电过程等科学与工程研究中它具有广泛的应用，目前该技术已成为各国研究的热点。但是，由于其后端CCD相机采集帧频率的限制，ICCD一般一次只能采集一帧图像。这对于一些需要了解中间变化过程的快物理现象的研究，单帧图像的采集是远远不够的。目前，为了提高ICCD获取的图像数目，常用的方法是采用高度集成的数字分幅相机的形式。数字分幅相机利用光学分光系统使图像在空间上分离，各通道采用ICCD相机记录不同时刻的图像，一般情况下其通道数目决定了它可以单次采集到的图像帧数，其时间分辨率可以达到纳秒级。但是该方法不能无限制的提高，因为通道数越多，则分光量越少，同时系统越复杂。

最近一些文献报道，国外有些机构研究出来ICCD双帧采集技术，该技术可以使ICCD连续采集两幅间隔时间很短的图像。但是该方法的具体实现方式却处于保密，无法得知。我国的高速ICCD相机设计技术还处于发展阶段，与国外相比，具有较大的差距。

应用ICCD获取微秒级或者纳秒级时间间隔的两帧高分辨率图像存在技术难点在于：CCD的读出速度比较慢，其帧频率在几十帧每秒到千帧每秒之间，难以满足该种瞬时图像数据量特别大的需求。

发明内容

为了解决ICCD在高速成像模式下，单次触发只能获取一帧图像的难题，本发明提出一种超高速双帧图像获取方法。该方法首先利用像增强器实现连续两次快速选通，使CCD连续快速曝光两次，同时利用CCD的光敏区和存储区分别存储两次曝光产生的光生电荷，在完成两次曝光后，然后再使CCD连续输出两次，其读出过程可以是一个缓慢过程，独立于CCD的曝光过程，该方法解决了由于CCD像素输出缓慢而难以输出这种超大瞬时图像数据量的难题。该技术也可以广泛的应用于数字分幅系统中，用于成倍提高系统的采集帧数。

本发明的技术解决方案为：

一种超高速双帧图像获取方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1]系统处于等待门控选通信号的状态，此时，像增强器处于关闭状态，CCD处于不断清零状态，CCD光敏区不累积光生电荷；所述系统是基于行间转移型CCD设计的图像采集系统或数字分幅相机高速成像系统，其光敏区像素与垂直寄存器一一对应，并且相间排列；

2]门控选通信号到达，像增强器开启，CCD跳出清零状态，光敏区像素开始第一次曝光；

3]第一次曝光结束后，像增强器关闭，将CCD光敏区产生的光生电荷转移到垂直寄存器中，则第一次曝光的图像数据被暂时存储在垂直寄存器中；

4]光生电荷转移完成后，第二个门控选通信号到达，像增强器再次开启，使CCD光敏区像素开始第二次曝光，在CCD光敏区产生新的光生电荷；

5]像增强器再次关闭，入射光被阻断，使CCD光敏区像素停止曝光；

6]将暂存垂直寄存器中的第一帧图像数据经过水平寄存器读出，第二帧图像仍然在光敏区保持不动；

7]第一帧图像数据经过水平寄存器读出后，将CCD光敏区的光生电荷转移到垂直寄存器中，即将第二次曝光的图像数据转移到垂直寄存器中；

8]将垂直寄存器中的第二帧图像数据经过水平寄存器读出。

上述像增强器工作在瞬时重频的状态，实现连续两次超短时间间隔的快速选通；所述像增强器最短开启时间为纳秒级，两次开启之间的最短时间间隔百纳秒级。

光生电荷在第一次曝光的产生的光生电荷转移到垂直寄存器中之后，可立即进入第二次曝光。

上述系统是基于行间转移型二相或者多相CCD设计的图像采集系统。

CCD的电子清零信号只用于等待清零状态，不用于控制CCD的曝光。

CCD在完成两次曝光后，再依次输出两帧图像。

本发明所具有的有益效果：

1、该方法可以应用于ICCD系统中，也可应用于数字分幅相机等高速成像系统，成倍提高其单次采集效率。

2、本发明方法两帧图像之间的采集间隔仅与第一次曝光的光生电荷转移到垂直寄存器的时间有关，时间间隔可以达百纳秒级。

3、本发明方法能保持CCD的空间分辨率，获取两帧全分辨图像。

4、本发明采用行间转移型CCD，设计特殊的驱动时序，改变CCD内部电荷的转移方式，而无需改动外部硬件，即可实现，因此具有广泛的适用性。

5、本发明方法可利用低成本的商业CCD实现，性价比高。

附图说明

图1是ICCD组成结构示意图；其中，S1是像增强器，S2是门控发生器，S3是CCD；

图2是行间转移CCD结构示意图；其中，I1是光敏区，I2是垂直寄存器，I3是水平寄存器；

图3超高速双帧图像获取方法实现原理图；其中，P1是门控选通信号，P2是改进的CCD驱动方法。

具体实施方式

本发明提出了一种超高速双帧图像获取方法，它可以分为曝光时间的控制和CCD高速双帧图像采集两个方面内容。

CCD曝光时间的控制过程通过像增强器实现入射光的导通或者阻断，主要用于调节两次曝光时间的长短、开启或者终止CCD光敏区像素的曝光。

CCD高速双帧图像采集过程涉及到一种特殊的CCD电荷转移方法和时序驱动方法，与常规的CCD工作过程不同，CCD先进行两次曝光，然后将两次产生的光生电荷分别存储在光敏区像素和垂直寄存器中，最后再连续输出这两帧图像。

本发明方法的工作方式可具体描述为：

1]系统处于等待门控选通信号的状态，此时，像增强器处于关闭状态，CCD处于不断清零状态，CCD光敏区不累积光生电荷；

2]门控选通信号到达，像增强器开启，CCD跳出清零状态，光敏区像素开始第一次曝光；

3]第一次曝光结束后，像增强器关闭，将CCD光敏区产生的光生电荷转移到垂直寄存器中，则第一次曝光的图像数据被暂时存储在垂直寄存器中；

4]光生电荷转移完成后，第二个门控选通信号到达，像增强器再次开启，使CCD光敏区像素开始第二次曝光，在CCD光敏区产生新的光生电荷；

5]像增强器再次关闭，入射光被阻断，使CCD光敏区像素停止曝光；

6]将暂存垂直寄存器中的第一帧图像数据经过水平寄存器读出，第二帧图像仍然在光敏区保持不动；

7]第一帧图像数据经过水平寄存器读出后，将CCD光敏区的光生电荷转移到垂直寄存器中，即将第二次曝光的图像数据转移到垂直寄存器中；

8]将垂直寄存器中的第二帧图像数据经过水平寄存器读出。

本发明方法通过像增强器实现入射光的连续两次快速选通，控制CCD的曝光。

第一次曝光所产生的光生电荷转移到垂直寄存器中，第二次曝光产生的光生电荷先暂存在光敏区像素中，在CCD光敏区完成两次曝光后，再依次读出两帧图像。

CCD两次曝光的时间间隔不包括图像水平读出过程的时间，两次曝光的时间间隔仅与第一次曝光的光生电荷转移到垂直寄存器的时间有关，在第一次曝光的产生的光生电荷转移到垂直寄存器中之后，即可进入第二次曝光。

该方法基于行间转移型CCD设计，可以是二相或者多相CCD，光敏区像素与垂直寄存器一一对应，并且相间排列。

本发明提出了一种超高速双帧图像获取方法，主要应用于提高ICCD单次采集的帧数。ICCD的组成结构如图1所示，从图中可以看出，系统由以下三个重要的功能单元组成：门控发生器S2、像增强器S1、耦合器S4、CCDS3相机。像增强器起曝光控制单元的作用，门控发生器为像增强器提供负高压脉冲，控制像增强的开启和关闭，CCD相机实现光电转换，将输入光转换为数字图像。

像增强器由入射窗、光电阴极、微通道板、荧光屏组成，它具有提高光增益和快门选通的两个主要作用。当它导通时，光电阴极将入射光转换成光电子，微通道板将光电子增强，荧光屏将光电子转换为可见光，增强后的光线到达CCD光敏面，而当它关闭时，光线将被阻断，无法到达CCD表面。调研表明，目前第三代像增强最小快门宽度能小于2ns，而P47材质的荧光屏的消隐时间能小于100ns，同时像增强器的瞬时重频(burst mode)能达到MHz以上(例如Stanford报道的像增强器，其burst mode可达3.3MHz，所以可以利用像增强器获取连续两次超短时间间隔的快速选通，时间间隔可达到百纳秒级。本发明方法可利用像增强器实现连续两次快速选通，使CCD连续快速曝光两次。

CCD相机基于行间转移型CCD芯片设计，其结构如图2所示，其中11是光敏区，用于将入射在其上的代表图像的光转化成光生电荷；12是垂直寄存器，与光敏区像素一一对应，已经进行了遮光处理，用于存储光敏区转移的电荷；13是串行移位寄存区，用于将存储区的电荷按行上的像素串行转移出CCD传感器。转移门连接着光敏区像素和垂直寄存器，是光生电荷从光敏区向垂直寄存器转移的通道。由于光生电荷从光敏区向垂直寄存器转移时间非常短(最短时间可以达到几十纳秒)，所以只要像增强器实现连续两次快速选通的时间间隔大于光生电荷从光敏区向垂直寄存器转移时间，就有可能利用CCD的光敏区和存储区分别存储两次超短时间间隔曝光产生的光生电荷。

本发明方法的实现原理图如图3所示。其详细工作过程介绍如下：

步骤1：系统处于等待门控选通信号的状态，此时，像增强器处于关闭状态，CCD处于不断清零状态，CCD光敏区不累积光生电荷；

调研表明，许多行间转移型CCD具有电子快门功能，其基本原理是当电子快门的控制信号有效时，例如ICX285CCD芯片的SUB信号为低电平时，光敏区像素产生的光敏电荷或者热生电荷将通过衬底从势阱中泄放，因此当电子快门的控制信号连续有效时，它对CCD光敏区不断清扫，光敏区像素将不能够通过积分累积光生电荷。在同步触发信号到来之前，系统一直处于该状态。

步骤2：门控选通信号到达，像增强器开启，CCD跳出清零状态，光敏区像素开始第一次曝光；

触发信号到达后，像增强器开启，通过给像增强器加负高压脉冲开启，光线通过像增强器到达CCD的光敏区，此时，电子快门控制信号消失，使CCD跳出清零状态，光敏区像素将通过积分的方式累积光生电荷。

步骤3：第一次曝光结束后，像增强器关闭，将CCD光敏区产生的光生电荷转移到垂直寄存器中，则第一次曝光的图像数据被暂时存储在垂直寄存器中；

像增强器关闭，第一次曝光结束后。转移门开启，将光生电荷从光敏区转移到垂直寄存器。转移门存在于每一个像素中，它的开启可以通过一个读出转移脉冲统一控制，或者通过几个读出转移脉冲分开控制。它的脉冲宽度可以很短，其最短时间可以达到几十纳秒可的速度。

步骤4：光生电荷转移完成后，第二个门控选通信号到达，像增强器再次开启，使CCD光敏区像素开始第二次曝光，在CCD光敏区产生新的光生电荷；

步骤3完成后，转移门关闭，像增强器开启，CCD光敏区累积第二次曝光产生的光生电荷。

步骤5：像增强器再次关闭，入射光被阻断，使CCD光敏区像素停止曝光；

像增强器关闭是指通过外部控制单元使CCD上的入射光消失，CCD不能继续产生光生电荷的过程。在ICCD系统中，当像增强器如果不加高压脉冲时，它将处于关闭状态，光线将被阻断，因而CCD将接收不到光，光敏区像素不会产生光生电荷。

步骤6：将暂存垂直寄存器中的第一帧图像数据经过水平寄存器读出，第二帧图像仍然在光敏区保持不动；

该步骤同正常模式下CCD的读出过程类似。它与正常模式下CCD的读出过程的区别在于：不使用清零信号对光敏区清扫，并且连续输出两次。行间转移型CCD的图像正常输出过程一般包括两个基本过程：垂直向下转移到水平寄存器和通过水平寄存器逐像素输出。这两个过程分别由垂直转移脉冲(如V1、V2、V3、V4等)和水平转移脉冲控制(如H₁、H₂等)。垂直寄存器在垂直转移脉冲控制下(V1、V2、V3等)，一行一行的向下转移到水平寄存器中，然后通过水平放大器逐行输出到后端，后端可以过AD模数转换器，将模拟信号转换为数字信号。

步骤7：第一帧图像数据经过水平寄存器读出后，将CCD光敏区的光生电荷转移到垂直寄存器中，即将第二次曝光的图像数据转移到垂直寄存器中；

当步骤6结束后，此时垂直寄存器中的光生电荷已经被转移干净，即垂直寄存器处于空闲状态，通过读出转移脉冲(例如ICX285CCD中的XSG控制脉冲)控制转移门开启，将第二次曝光的产生的光生转移到垂直寄存器中。

步骤8：将垂直寄存器中的第二帧图像数据经过水平寄存器读出。

类以于步骤6，输出第二帧图像数据。步骤6和步骤8是一个慢速的过程，并不影响到利用本发明获取超短时间间隔的双帧图像。

本发明方法涉及到一种特殊的CCD驱动时序，其原理如图3中P2过程所示，它与ICCD正常触发模式下的驱动时序的区别在于：

(1)电子快门清零信号不用于两次曝光时间的控制，只用于等待清零；

(2)第一次曝光产生的光生电荷转移到垂直寄存器后，并不立即输出，而是光敏区像素开始第二次曝光；

(3)第二次曝光结束后，CCD连续输出两次，依次输出两次曝光的图像。

Claims (6)

1.一种超高速双帧图像获取方法，其特征在于：包括以下步骤：

1]系统处于等待门控选通信号的状态，此时，像增强器处于关闭状态，CCD处于不断清零状态，CCD光敏区不累积光生电荷；所述系统是基于行间转移型CCD设计的图像采集系统或数字分幅相机高速成像系统，其光敏区像素与垂直寄存器一一对应，并且相间排列；

2]门控选通信号到达，像增强器开启，CCD跳出清零状态，光敏区像素开始第一次曝光；

3]第一次曝光结束后，像增强器关闭，将CCD光敏区产生的光生电荷转移到垂直寄存器中，则第一次曝光的图像数据被暂时存储在垂直寄存器中；

4]光生电荷转移完成后，第二个门控选通信号到达，像增强器再次开启，使CCD光敏区像素开始第二次曝光，在CCD光敏区产生新的光生电荷；

5]像增强器再次关闭，入射光被阻断，使CCD光敏区像素停止曝光；

6]将暂存垂直寄存器中的第一帧图像数据经过水平寄存器读出，第二帧图像仍然在光敏区保持不动；

7]第一帧图像数据经过水平寄存器读出后，将CCD光敏区的光生电荷转移到垂直寄存器中，即将第二次曝光的图像数据转移到垂直寄存器中；

8]将垂直寄存器中的第二帧图像数据经过水平寄存器读出。

2.根据权利要求1所述的超高速双帧图像获取方法，其特征在于：所述像增强器工作在瞬时重频的状态，实现连续两次超短时间间隔的快速选通；所述像增强器最短开启时间为纳秒级，两次开启之间的最短时间间隔百纳秒级。

3.根据权利要求2所述的超高速双帧图像获取方法，其特征在于：光生电荷在第一次曝光的产生的光生电荷转移到垂直寄存器中之后，可立即进入第二次曝光。

4.根据权利要求3所述的超高速双帧图像获取方法，其特征在于：所述系统是基于行间转移型二相或者多相CCD设计的图像采集系统。

5.根据权利要求1或3或4所述的超高速双帧图像获取方法，其特征在于：CCD的电子清零信号只用于等待清零状态，不用于控制CCD的曝光。

6.根据权利要求1或3或4所述的超高速双帧图像获取方法，其特征在于：CCD在完成两次曝光后，再依次输出两帧图像。