CN103108138B - 采用感应电荷积累实现面阵ccd快速驱动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用感应电荷积累实现面阵CCD快速驱动的方法，包括：1：根据成像要求进行模式参数设置；2：产生面阵CCD驱动时序；3：面阵CCD进入积分期，产生感应电荷；4：积分期结束，感应电荷转移到存储区；5：面阵CCD进入下一个积分期；6：感应电荷转移到水平移位寄存器；7：根据设定参数重复上一步操作进行感应电荷积累；8：水平移位寄存器输出一行感应电荷；9：根据设定参数重复上一步操作直到一帧图像的感应电荷全部输出；10：重复步骤4到步骤9开始下一帧图像输出。本发明使面阵CCD在外部成像环境变化的情况下通过模式参数设置，实现面阵CCD感应电荷快速输出，能够极大的拓展面阵CCD的光适应范围。

Description

采用感应电荷积累实现面阵CCD快速驱动的方法

技术领域

本发明涉及一种采用感应电荷积累实现面阵CCD快速驱动的方法，属于光电成像技术领域。

背景技术

面阵CCD器件的像元排列为一个平面，它是包含若干行和列的结合，一般来说，对于面阵CCD图像传感器有三种最普通的结构形式：（1）行间转移式：又称为隔列转移式，结构上采用光敏区与遮光转移区相间排列方式。在光电荷读出时，两列之间的掩膜存储区域用来存储光电荷包，而新生成的光电荷包开始在没有掩膜的列中生成积累，遮光区存储单元和感光单元一一对应。当曝光时间结束后，感光区上的信息被迅速转移到对应的遮光存储单元内，然后感光区像素单元复位，准备下一次曝光。（2）帧转移式：由光敏区、存储区、水平读出区三部分组成。在存储区及水平读出区表面均由铝层覆盖，以实现光遮蔽。光敏区由并行排列的若干电荷耦合沟道组成，各沟道间之间用沟阻隔开，水平电极横贯各沟道。光敏区与存储区的结构和单元数都相同，而且每一列都是相互衔接贯通的。每当光积分周期结束时，在垂直驱动脉冲的作用下，光敏区中代表一帧图像信息的光电荷快速垂直转移到存储区中各自对应的存储单元中，称为帧转移。完成帧转移后，在读出时钟脉冲和存储时钟脉冲的作用下，存储区内的电荷以平移的方式向下移动，逐行进入读出寄存器。然后再读出寄存器中沿水平方向移动，最后经输出电路输出。当第一场读出的同时，第二场信息通过光积分又收集到势阱中。一旦第一场信息被全部读出，第二场信息随之传送给寄存器，使之连续地读出。这种结构可在高帧速下操作，就是说光积分与帧转移可以同时进行。（3）全帧式：其最大的特点是不再像行间转移和帧转移式CCD具有和感光单元对应的掩膜存储单元，只有光敏区和读出寄存器，结构与帧转移中的结构相同。光敏区完成光积分后，光电荷包直接垂直转移到水平读出寄存器。由于不存在光电荷的存储过程，所以帧转移不能与光积分同步进行，当CCD面阵比较大的时候，为了在读出光电荷时遮蔽已经捕捉到的图像，防止产生拖尾现象，都需要外加机械快门来遮蔽入射光。

面阵CCD在曝光瞬间就能获得整幅图像信息，且生成的每幅图像都符合中心投影规律，随着技术的不断进步，面阵CCD的发展趋势主要有以下几个方面：1、分辨率提高；2、帧频要求高；3、信噪比要求高。

面对面阵CCD的发展趋势，如何在现有面阵CCD成像系统的基础上实现面阵CCD的性能拓展，如在进行动态物象捕捉搜索应用中，面阵CCD往往会因为帧速低、信噪比不满足要求而无法实现高速动态画面的成像，因此如何使面阵CCD具有高速、高信噪比的成像能力，对于提升面阵CCD及相应的成像应用具有非常重要的意义。

中国授权公告号为CN101562685的专利“一种快速传输CCD感应电荷的驱动方法”需要对CCD结构中的驱动电极连接方式进行修改，属于器件结构的改进，需要在工艺制造中完成，难以大范围实现；中国授权公告号为CN101790025的专利“基于交替变频驱动技术的无电子快门CCD积分时间调节方法”主要用于无电子快门的CCD，并且对于面阵CCD使用变频驱动技术，结构复杂，且需要编写相关的软件实现其应用；中国授权公告号为CN102055915的专利“帧转移CCD短曝光时间的驱动时序实现方法”对成像区积累的电荷进行了多次转移，容易引入噪声，造成信噪比的不稳定；而且此方法主要针对帧转移结构，对于面阵CCD中的行间转移结构和全帧结构适用性不强。

发明内容

本发明的目的：为了解决现有技术中面阵CCD无法实现或需要应用快门技术才能实现高速动态画面成像的问题，提供一种采用感应电荷积累实现面阵CCD快速驱动的方法。

本发明采取的技术方案：根据成像系统模式要求进行模式设定的初始阶段：普通模式下面阵CCD以标准帧频输出图像；快速模式下通过参数设置调整驱动时序，使面阵CCD采用感应电荷积累技术实现高帧频输出图像，帧频与成像系统要求相适应，在一定范围内可根据成像条件进行调节。

采用感应电荷积累实现面阵CCD快速驱动的方法：将面阵CCD积分期生成的感应电荷在传递过程中根据预置模式参数进行积累，从而实现高帧频、高信噪比的图像快速输出，具体实现步骤如下：

步骤1：根据成像环境、成像要求以及成像系统的工作条件进行模式参数的合理设置。

步骤2：将设置的模式参数装载到面阵CCD驱动结构中，使面阵CCD驱动结构生成与模式匹配的驱动时序；

步骤3：在驱动时序控制下面阵CCD开始工作；面阵CCD开始积分，产生感应电荷；面阵CCD在连续输出无效信号后，开始第一次进入积分期，接收图像光信号，产生感应电荷。

步骤4：面阵CCD积分期结束，通过时序控制将一帧信号产生的感应电荷转移到存储区；

步骤5：面阵CCD开始接收光信号，开始下一帧积分；面阵CCD光敏区重新开始下一积分期，接收图像光信号，产生感应电荷。

步骤6：暂存在存储区的前一帧图像的感应电荷，在时序控制下开始逐行向水平移位寄存器转移；

步骤7：根据模式参数进行感应电荷积累；根据预置模式参数在水平移位寄存器中进行图像感应电荷的积累过程，具体积累过程取决于参数设置；

步骤8：水平移位寄存器在时序控制下将积累完成的一行图像的感应电荷输出；

步骤9：根据配置的模式参数重复步骤7至步骤8的操作直到一帧图像的感应电荷全部输出；

步骤10：重复步骤3至步骤9的操作直到下一帧图像的感应电荷全部输出

若假设某标准视频制式垂直方向行数为N；水平线周期为T_H；某预定快速模式积累参数为m；则某预定快速模式帧频与某标准视频制式帧频关系可近似表示成如下关系式：

$\left(\frac{m}{N\×T_H}\right):\left(\frac{1}{N\×T_H}\right)=m;$

从上面的近似表达式可知，通过合理的模式选择的感应电荷积累实现面阵CCD快速驱动的方法，可以提高面阵CCD图像输出频率，实现高帧频快速输出。

若假设某预定快速模式积累参数为m，某面阵CCD每个像元的信号为S(i)，它的随机噪声也用一个随机函数n(i)表示。并且所有具有随机噪声的各像元信号均可表示为f(i)=S(i)+n(i)，i为像元的序号。经过某预定快速模式感应电荷积累平均后有如下近似关系式：

$\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}f\left(i\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[S\left(i\right)+n\left(i\right)]=\mathrm{mS}\left(i\right)+\sqrt{m}n\left(i\right)$

所以，在此预定快速模式条件下经过感应电荷积累实现面阵CCD快速驱动的过程中，感应电荷积累的平均信噪比为：

$\frac{\mathrm{mS}}{n\sqrt{m}}=\sqrt{m}\frac{S}{n}$

所以，经过感应电荷积累实现面阵CCD快速驱动过程使得面阵CCD输出信号强度平均提高了m倍，而像元信噪比提高了倍。

本发明所达到的有益效果：

本发明使面阵CCD不受系统时钟频率的限制，在外部成像环境变化的情况下通过模式参数设置，实现面阵CCD感应电荷快速输出，能够极大的拓展面阵CCD的光适应范围。本发明的方法，设计合理，应用范围广，普遍适用于各种类型的面阵CCD并且不受面阵CCD是否有电子快门这一条件的限制，而且实现方便，能够通过单片机、FPGA或CPLD以及定制集成电路等方式实现，对于解决当前面阵CCD系统应用中遇到的一些问题具有非常现实的意义。

附图说明

图1是本发明实现途径的原理图；

图2是采用感应电荷积累实现面阵CCD快速驱动输出一帧图像的时序示意图；

图3是本发明用于ICX055AL型CCD的驱动时序示意图；

图4是ICX055AL型CCD预置快速输出模式，快速输出模式积累参数取值变化的条件下，帧输出时序图；

图5是普通模式ICX055AL型CCD输出信号示波器观测图；

图6是预置快速输出模式ICX055AL型CCD输出信号示波器观测图。

具体实施方式

下面结合附图和具体应用对本发明进行进一步说明。

图1是原理框图，各种具体实现方案均可依照此图。

图2是采用感应电荷积累实现面阵CCD快速驱动一帧图像的时序图，一个面阵CCD图像完整的帧周期可划分为帧正程期与帧逆程期；在帧正程期面阵CCD感光单元进行图像积分，与此同时暂存在存储区的前一帧图像的感应电荷开始向水平移位寄存器转移，发生感应电荷积累并开始行输出，在帧正程期完成前一帧图像感应电荷全部输出。帧正程期结束，帧逆程期开始，此时CCD并不进行积分，当前图像产生的感应电荷在驱动时序控制下全部转移到存储区，转移完成后开始下一帧图像的正程期，如此完成一帧图像输出。

如图3所示ICX055AL型CCD采用感应电荷积累实现面阵CCD快速驱动实现行输出的驱动时序如下：

1）快速输出模式启动，FI输入脉宽可调的帧启动脉冲，脉冲结束后，驱动结构全局复位，SUB信号对面阵CCD的感光单元进行复位操作；

2）复位过程结束后，CCD开始当前一帧图像积分操作，同时输出前一帧图像产生的感应电荷的转移过程；

3）当前一帧图像积分：YV13和XV13依次输入不同脉宽的脉冲，高电平时当前帧积分开始，YV13和XV13脉宽不同，方便实现当前图像产生的感应电荷的收集和转移，随着YV13变成低电平，当前帧图像积分期结束。

4）在当前一帧图像积分的同时，在V1、V2、V3、V4的时序控制下，前一帧图像产生的感生电荷开始向水平移位寄存器转移同时进行感应电荷积累，感应电荷积累结束后，开始一行感应电荷的输出，一帧图像的所有行输出后，当前一帧图像积分期结束。

5）图3表示了采用感应电荷积累实现面阵CCD快速输出一帧图像其中两行的输出波形，在行输出时H1、H2是相位相反的时钟脉冲信号，所以从图3中H1、H2信号时序关系可观察到有两行输出。

图4是ICX055AL型CCD预置快速输出模式帧输出时序如下：

1）图4中主要信号说明：FI是帧启动信号作用于每帧图像输出开始前；Mode是模式设置；SSetIn是预置模式积累参数设置；V1、V2、V3、V4是图像产生感应电荷从存储区向水平移位寄存器转移和感应电荷发生积累的时序信号；FrameOver是帧结束标志作用于每帧图像输出结束后；H1、H2是水平移位寄存器时序信号应用于行输出；根据FI信号和FrameOver信号的含义，可以做下面的近似：两个相邻FI脉冲的间隔或两个相邻FrameOver脉冲的间隔可以近似成一个帧输出周期。

2）在预置快速输出模式条件：Mode=1，预置模式积累参数SSetIn取值从0变化到15，帧输出周期有不同的变化。

3）当图示中SSetIn=0时，ICX055AL型CCD相当于工作在普通模式条件下，一帧图像所产生的感应电荷不发生积累，此时从图示中可以读出这种条件下一帧图像输出的帧周期最长，帧频最小。

4）当图示中SSetIn>0时，一帧图像所产生的感应电荷进行积累，积累依据预置模式积累参数SSetIn取值，在此图示中当SSetIn=15时，帧频最高。

5）通过从图4中读取FI或FrameOver的波形，可知在预置快速模式条件下采用感应电荷积累实现了面阵CCD的高帧频快速输出。

图5是普通模式ICX055AL型CCD输出信号示波器图示，在普通模式条件下，预置模式积累参数SSetIn为0，其中标示处为CCD输出信号。

图6是预置快速输出模式条件，预置模式积累参数SSetIn数值为15时ICX055AL型CCD输出信号示波器图示，其中标示处为CCD输出信号，通过图5、图6对比可以分析出CCD输出信号强度差异和频率差别，由此表明采用感应电荷积累的方法实现了高帧频、高信噪比CCD图像信号输出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1. 一种采用感应电荷积累实现面阵CCD快速驱动的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1：按照成像系统工作条件设置面阵CCD模式参数；

步骤2：将设置的模式参数装载到面阵CCD驱动结构中，使面阵CCD驱动结构生成与模式匹配的驱动时序；

步骤3：在驱动时序控制下面阵CCD开始工作；面阵CCD开始积分，产生感应电荷；

步骤4：面阵CCD积分期结束，通过时序控制将一帧信号产生的感应电荷转移到存储区；

步骤5：面阵CCD开始接收光信号，开始下一帧积分；

步骤6：暂存在存储区的前一帧图像的感应电荷，在时序控制下开始逐行向水平移位寄存器转移；

步骤7：根据模式参数进行感应电荷积累；

步骤8：水平移位寄存器在时序控制下将积累完成的一行图像的感应电荷输出；

步骤9：根据配置的模式参数重复步骤7至步骤8的操作直到一帧图像的感应电荷全部输出；

步骤10：重复从步骤3至步骤9的操作直到下一帧图像的感应电荷全部输出；

一个面阵CCD图像完整的帧周期包括帧正程期与帧逆程期；

在帧正程期，面阵CCD感光单元进行图像积分，与此同时，暂存在存储区的前一帧图像的感应电荷开始向水平移位寄存器转移，发生感应电荷积累并开始行输出，在帧正程期完成前一帧图像感应电荷全部输出；

所述帧正程期结束，帧逆程期开始，此时CCD并不进行积分，当前图像产生的感应电荷在驱动时序控制下全部转移到存储区，转移完成后开始下一帧图像的正程期，如此完成一帧图像输出。

2.根据权利要求1所述的采用感应电荷积累实现面阵CCD快速驱动的方法，其特征是，步骤3中，面阵CCD在连续输出无效信号后，开始第一次进入积分期，接收图像光信号，产生感应电荷。

3.根据权利要求1所述的采用感应电荷积累实现面阵CCD快速驱动的方法，其特征是，步骤5中，面阵CCD光敏区重新开始下一积分期，接收图像光信号，产生感应电荷。