CN100548032C - 基于低速ccd的高速图像传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于低速CCD的高速图像传感器，特点是其结构为：在具有可调驱动电路与外围电路的低速CCD的光敏面前紧贴放置一个可调光阑，所述的CCD的输出端顺次连接去噪声电路和模数转换电路。通过光阑控制CCD光敏区的曝光区域，通过专用可调驱动电路驱动CCD芯片工作，仅使曝光部分的CCD像素单元的电荷转移，可明显减小电荷转移时间，提高CCD帧速。本发明具有系统结构简单、可靠性高、成本低、测量速度快、精度高等特点，适用于制造业、图像识别、自动精密测量、机器人视觉、自动跟踪等领域中的实时检测。
Description
技术领域
本发明涉及高速图像传感器，特别是一种基于低速CCD的高速图像传感器，涉及用于正弦相位调制干涉测量的基于低速CCD的高速图像传感器。
背景技术
在自动跟踪、自动精密测量等领域通常需要高速电荷耦合器件(以下简称为CCD)图像传感器和互补型金属氧化物半导体(简称为CMOS)图像传感器等器件，用以快速记录图像信息的变化。目前已有比较成熟的高速CCD和CMOS图像传感器，但是商用高速CCD传感器普遍存在成本昂贵、结构复杂、牺牲传感器精度以及帧速固定不可调的问题。
在国际先进的正弦相位调制(简称为SPM)面形干涉测量技术(在先技术1，OsamiSasaki，Hirokazu Okazaki，Sinusoidal phase modulating interferometry for surface profilemeasurement，Applied Optics，1986，25(18)：3137-3140)中，需要以几百Hz甚至更高的帧频连续高精度的采集数十幅干涉图，用于Fourier变换等信号处理，从而纳米精度的获得被测表面形貌；同时还需要CCD传感器的图像采集过程与SPM干涉测量技术所采用的调制信号严格同步，并满足特定的相位关系。普通商用高速CCD帧频不可调、图像采集相位不易控制、光电探测噪声一般较大，很难满足在先技术1的需求。
在先技术2(刘昌林，周旭东，图像传感器技术与应用，电子科技大学出版社，2004：74-78)报道了一种高速CCD图像传感器，其像素单元为80×80，帧频最高达2000帧/秒，单个像素尺寸40μm×40μm。该技术采用图像分割方法及两信道并行输出方式，应用信号合成技术将两个子块图像进行拼接，形成一幅完整图像。由于该技术所采用的系统需要致冷装置，导致结构复杂，成本昂贵；此外，由于该技术采用双通道输出，使用两个运算放大器分别对不同像素信号进行放大，降低了CCD像素信号的一致性，导致一定的噪声，不能很好满足高精度测量的要求；而且该技术的像素数和帧速固定，使其应用范围受到限制。
2003年柯达公司推出新品KODAK KAI-0340M图像传感器，图像输出达到210帧/秒的视频效果(在先技术3，http://www.kodak.con/CN/zh-cn/dpq/site/SENSORS/name/KAI-0340 product)。该图像传感器拥有640(H)×480(V)的解像度，可选单一或双重的增强型帧速率输出。输出时使用快速水平线堆存技术，可以进一步将帧速提高到每秒4000帧，解像度为244(H)×60(V)的视频。但该技术只有几组固定的帧速和像素数组合。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述在先技术的不足和存在的难题，提供一种基于低速CCD的高速图像传感器。该传感器的帧速连续可调；图像采集过程可与外部同步信号严格同步；基于普通低速商用CCD芯片，价格低廉；并且测量精度高和测量速度快，能够很好的用于SPM表面形貌干涉测量，在自动跟踪等领域也有着很好的应用前景。
本发明原理依据是：
基于普通商用低速CCD器件，图1是低速商用面阵CCD的结构示意图。它主要由光敏区、存储区、水平读出寄存器和输出电路四部分组成。光敏区和存储区均由M×N个CCD像素单元构成，水平读出寄存器一般也具有N个CCD单元。ΦA、ΦB、ΦH分别表示帧转移、行转移和读出移位脉冲组。当CCD工作时，光敏区首先进入光积分过程，各CCD单元进行光电转换，信号电荷存储在相应单元的势阱里，完成光积分过程。然后，通过帧转移脉冲，使光敏区的信号电荷平移到存储区。在帧转移结束后，光敏区进入第二场光积分。当光敏区处于第二场光积分时，存储区在行转移脉冲驱动下进行M次行转移，每次行转移脉冲驱动存储区各单元将信号电荷向水平移位寄存器平移一行。在进行一次行转移后，在读出移位脉冲的作用下快速的将水平移位寄存器中的N个信号经输出电路依次输出。在这一行全部输出后，再进行下一次行转移。这样，在第二场光积分期间，存储区和水平读出寄存器的电荷信号在各自驱动脉冲的作用下将第一场信号逐行输出。上述工作过程如图2所示。重复以上过程，实现连续工作。
通过以上叙述可知，CCD的帧周期主要包括积分时间、电荷转移时间和输出时间。目前CCD的积分时间可缩短至微秒量级，电荷转移时间成为限制帧周期的最主要因素。而电荷转移时间与每帧的像素数成正比。在满足测量需要的前提下，如果减少CCD每帧的像素数，则能缩短帧周期，提高帧速。
本发明在低速CCD的最高工作频率与输出带宽速度一定的情况下，采用可调光阑控制CCD的曝光区域，采用专用驱动电路驱动CCD工作，通过控制每帧有效像素数，提高CCD的帧频。同时在驱动电路中应用锁相倍频电路，使CCD与外部同步信号(如SPM干涉测量技术中的调制信号)同步工作。
本发明采用可调光阑控制CCD光敏区的曝光区域，如图3所示。在CCD器件光敏区的前面，紧贴放置一个不小于M×N个CCD像素大小的光阑，其通光孔径是可变的，为m×n个像素大小。因此仅仅使CCD器件光敏区的m×n个像素能够进行光积分，其它像素被光阑遮蔽(图中阴影部分)，光生电荷为零。因此，在进行行转移和移位读出时，不需要读出全部M×N个像素单元的光生电荷，仅需要转移出m×n个CCD像素(曝光区及其与光阑过渡区)的光生电荷。通过专用驱动电路驱动CCD芯片工作，仅考虑m×n个曝光CCD像素单元，可减小电荷转移时间，提高CCD帧速。
图4为本发明专用驱动电路的电荷读出过程。电荷从光敏区至存储区的转移过程与商用CCD相同。在行转移阶段，由于光敏区下方a行CCD像素不进行光积分，因此在前a个行转移过程，水平读出寄存器不进行读出操作，大大缩短了它们的行转移时间。对于m行曝光区域，每次行转移后，只进行n次水平读出寄存器读出操作，也在一定程度上缩短了行转移时间。最后只读出m×n个曝光区域的电荷信号。因此，通过专用驱动电路和可调光阑，实现了CCD器件局部像素单元的读取，减少了电荷转移时间，提高了帧速。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于低速CCD的高速图像传感器，特点是其结构为：在具有可调驱动电路与外围电路的低速CCD的光敏面前紧贴放置一个可调光阑，所述的CCD的输出端顺次连接去噪声电路和模数转换电路。
所述的可调驱动电路由脉冲产生电路、分频电路、计数电路、同步电路、行扫描电路、场扫描电路构成；所述的脉冲产生电路中的锁相倍频电路的输入端与外同步信号S连接，其输出端分别与分频电路的第一输入端、计数电路的输入端连接；该分频电路的输出端与行扫描电路的输入端连接，该行扫描电路的输出端与所述的外围电路中的电平转换电路的第一输入端连接，该电平转换电路的第一输出端与所述的CCD的行转移脉冲信号控制端连接；所述的计数电路的输出端与所述的同步电路的输入端连接，该同步电路的第一输出端、第二输出端分别与所述的分频电路的第二输入端、所述的场扫描电路的输入端连接，该场扫描电路的输出端与外围电路中的所述的电平转换电路的第二输入端连接，所述的电平转换电路的第二输出端与CCD的场转移脉冲信号控制端连接。
所述的光阑是紧贴放置在所述的CCD的光敏区的前面限制所述的CCD感光范围的视场光阑，该光阑的尺寸不小于M×N个像素，其通光孔径可调的，为m×n个像素大小。
所述的外同步信号S是指与CCD测量对象的相位差一定的正弦电压信号。
所述的低速CCD是帧转移型面阵CCD，或行间转移型面阵CCD，或帧行间转移型面阵CCD。
所述的锁相倍频电路是其输出的同步脉冲信号与外部同步输入信号的频率满足倍数关系且相位差恒定的电路。
所述的分频电路是按照CCD的帧频要求产生不同分频比例脉冲的电路，如计数器。
所述的计数电路是控制CCD行扫描脉冲和水平读出寄存器读出脉冲个数的逻辑电路。
所述的同步电路是协调CCD光积分、行转移脉冲和水平读出寄存器读出脉冲三者之间时序关系的逻辑电路。它使三者满足CCD芯片正常工作的时序要求。
所述的行扫描电路是产生水平读出寄存器读出脉冲信号的脉冲发生电路。
所述的场扫描电路是产生CCD光积分及行转移脉冲信号的逻辑电路。
所述外围电路是指能实现复位CCD的逻辑电路及能实现将行、场扫描脉冲由TTL电平转换成驱动CCD工作所需电平信号的电路。
所述的光阑是指限制CCD感光范围的视场光阑。光阑的尺寸不小于M×N个CCD像素，紧贴放置在CCD光敏区的前面，其通光孔径为m×n个CCD像素大小。
所述的CCD是指能完成光电转换的面阵电荷耦合器件，它可以是帧转移型面阵CCD、行间转移型面阵CCD、帧行间转移型面阵CCD。
所述的外同步信号是指与CCD测量对象的相位差一定的正弦电压信号。
本发明的优点是：
1、与在先技术2和在先技术3相比，本发明采用可调驱动电路，实现了CCD帧频的连续可调以及基于低速CCD的高速图像传感；
2、本发明没有复杂的控制部件，可调驱动电路简单，系统的稳定性和可靠性高，成本低；
3、通过采用锁相倍频电路，可使CCD的工作与外部同步信号严格同步。
附图说明
图1为低速商用面阵CCD的结构示意图。
图2为低速商用CCD的电荷读出过程示意图。
图3为本发明的基于低速面阵CCD的高速传感结构示意图。
图4为本发明CCD的电荷读出过程示意图。
图5为本发明基于低速CCD的高速图像传感器结构示意图。
图6为本发明的CCD可调驱动电路及外围电路结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例及其附图对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参阅图5和图6，图5为本发明的基于低速CCD的高速图像传感器实施例的结构示意图，图6位为本发明的CCD图像传感器的可调驱动电路及外围电路结构示意图。本发明的结构是：在具有可调驱动电路1与外围电路2的低速CCD4的光敏面前紧贴放置一个光阑3；可调驱动电路1中的锁相倍频电路1001的输入端与外同步信号S连接，其输出端分别与分频电路11的第一输入端111、计数电路12的输入端连接；该分频电路11的输出端与行扫描电路14的输入端连接，该行扫描电路14的输出端与所述的外围电路2中的电平转换电路21的第一输入端211连接，该电平转换电路21的第一输出端213与CCD4的行转移脉冲信号控制端连接；计数电路12的输出端与同步电路13的输入端连接，该同步电路13的第一输出端131、第二输出端132分别与分频电路的第二输入端112、场扫描电路15的输入端连接，该场扫描电路15的输出端与所述的外围电路2中的电平转换电路21的第二输入端212连接，该电平转换电路21的第二输出端214与CCD4的行转移脉冲信号控制端连接。所述的CCD4的输出端顺次连接去噪声电路5和模数转换电路6。
所述的光阑3是指限制CCD4感光范围的视场光阑。该光阑3的尺寸不小于M×N个像素，紧贴放置在所述的CCD4光敏区的前面，其通光孔径是可调的，为m×n个像素大小。
所述的外同步信号S是指与CCD4测量对象的相位差一定的正弦电压信号。
本发明的工作情况如下：
光阑3控制CCD4光敏区的曝光区域，CCD4的光敏区只有m×n个像素能够进行光积分，其它像素被光阑3遮蔽。通过光阑3照射在CCD4的感光区上的光被转换成电荷信号，存储于每个像素单元的势阱中。同步电路13协调所述的CCD4的光积分、行转移脉冲和水平读出寄存器读出脉冲三者之间时序关系的逻辑电路。在帧转移脉冲的作用下，电荷信号转移到CCD4的存储区中。在帧转移结束后，CCD4的光敏区进入第二场光积分时间。此时CCD4存储区的电荷信号在可调驱动电路1输出的驱动信号作用下，逐行输出。
可调驱动电路1包括脉冲产生电路10、分频电路11、计数电路12、同步电路13、行扫描电路14、场扫描电路构成15。可调驱动电路1的驱动信号的工作过程为：外部同步信号S输入脉冲产生电路10的锁相倍频电路1001，生成与外部同步信号频率满足倍数关系且相位差恒定的同步脉冲信号；此脉冲信号一路依次经过分频电路11、行扫描电路14及电平转换电路21后生成CCD4的行扫描信号；另一路脉冲信号依次经过计数电路12、同步电路13、场扫描电路15和电平转换电路21后生成CCD4的场扫描信号；行、场扫描脉冲数根据光阑3的通光孔的大小和位置，通过调整计数电路12输出的相应CCD行、场扫描数值的脉冲数设定，确定每帧读出像素的多少。
本发明在不改变CCD数据传输速率的情况下，通过计数电路设定场扫描脉冲个数，可以从CCD像素阵列中选取任意数量的像素输出，从而提高低速CCD的帧频，并且保持了低速CCD的精度，实现高速度高精度测量。
锁相倍频电路1001采用74HC4046，数字逻辑电路采用现场可编程门阵列器件Flex10K30A实现，包括：分频电路11、计数电路12、同步电路13、行扫描电路14、场扫描电路15等。电平转换电路21采用DS0026、75361芯片。去噪声电路5采用交流耦合电路去掉原始视频信号中直流成分后，由嵌位电路(74HC123等电路)、采样保持电路(双采样去噪声电路CX10045)滤除噪声，去噪后的视频信号经放大电路(74HC04等电路)放大、整形后，送入模数转换器6(A/D转换器为CX20052)。CCD4采用面阵CCD ICX018，光谱范围是0.4-1.1微米，尺寸为8.7mm×6.4mm。光阑通光孔径为1.2mm×0.9mm。
本发明传感器的帧速连续可调；图像采集过程可与外部同步信号严格同步；基于普通低速商用CCD芯片，价格低廉；并且测量精度高和测量速度快，能够很好的用于SPM表面形貌干涉测量，在自动跟踪等领域也有着很好的应用前景。本发明具有系统结构简单、可靠性高、成本低、测量速度快、精度高等特点，适用于制造业、图像识别、自动精密测量、机器人视觉、自动跟踪等领域中的实时检测。
将本发明的图像传感器用于SPM表面形貌的干涉测量中，试验表明，采用本发明，实现了从CCD的510×492个像素中取出每帧80×80个像素，帧频达到1000帧/秒以上。
Claims (3)
1、一种基于低速CCD的高速图像传感器，特征在于其结构为：在具有可调驱动电路(1)与外围电路(2)的低速CCD(4)的光敏面前紧贴放置一个可调光阑(3)，所述的CCD(4)的输出端顺次连接去噪声电路(5)和模数转换电路(6)，所述的可调驱动电路(1)由脉冲产生电路(10)、分频电路(11)、计数电路(12)、同步电路(13)、行扫描电路(14)、场扫描电路(15)构成；所述的脉冲产生电路(10)中的锁相倍频电路(1001)的输入端与外同步信号S连接，锁相倍频电路(1001)的输出端分别与分频电路(11)的第一输入端(111)、计数电路(12)的输入端连接；该分频电路(11)的输出端与行扫描电路(14)的输入端连接，该行扫描电路(14)的输出端与所述的外围电路(2)中的电平转换电路(21)的第一输入端(211)连接，该电平转换电路(21)的第一输出端(213)与所述的CCD(4)的行转移脉冲信号控制端连接；所述的计数电路(12)的输出端与所述的同步电路(13)的输入端连接，该同步电路(13)的第一输出端(131)与所述的分频电路的第二输入端(112)，该同步电路(13)的第二输出端(132)与所述的场扫描电路(15)的输入端连接，该场扫描电路(15)的输出端与外围电路(2)中的所述的电平转换电路(21)的第二输入端(212)连接，所述的电平转换电路(21)的第二输出端(214)与CCD(4)的场转移脉冲信号控制端连接；所述的光阑(3)是紧贴放置在所述的CCD(4)的光敏区的前面限制所述的CCD(4)感光范围的视场光阑，该光阑(3)的尺寸不小于M×N个CCD(4)像素，其通光孔径可调的，为m×n个CCD像素大小。
2、根据权利要求1所述的基于低速CCD的高速图像传感器，其特征在于所述的外同步信号S是指与CCD(4)测量对象的相位差一定的正弦电压信号。
3、根据权利要求1所述的基于低速CCD的高速图像传感器，其特征在于所述的低速CCD(4)是帧转移型面阵CCD，或行间转移型面阵CCD，或帧行间转移型面阵CCD。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Patent Citations (3)
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| CN1622594A (zh) * | 2003-11-28 | 2005-06-01 | 三洋电机株式会社 | 拖尾运算电路、摄像装置和固体摄像元件的驱动方法 |
| CN1688025A (zh) * | 2005-04-05 | 2005-10-26 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 提高面阵帧转移结构ccd工作帧频的方法 |
Non-Patent Citations (1)
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