CN104486563B - 带电荷倾倒功能的帧转移ccd曝光时间短至零的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带电荷倾倒功能的帧转移CCD曝光时间短至零的实现方法，具体步骤为：复位帧转移，连续“帧转移‑电荷倾倒”四次以上；如果要求的曝光时间不为零，转到下一步；否则跳过下两步执行；空闲曝光；读出帧转移；清空水平读出寄存器；读出一帧图像。本发明通过将电荷倾倒的时机前移至与复位帧转移同时进行，在一个工作状态里同时完成了整个CCD所有电荷存储单元的清空/复位，完美地实现了电子快门的功能，使帧转移CCD曝光时间的调节不再受任何限制，可以短至零，调节精度也仅受限于驱动时序设计所使用的主时钟周期。

Description

带电荷倾倒功能的帧转移CCD曝光时间短至零的实现方法

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种带电荷倾倒功能的帧转移CCD曝光时间短至零的实现方法。

背景技术

在紫外/极紫外波段，由于信号的动态范围非常大，除了要求CCD满阱电荷要大、读出噪声要尽可能小以外，还要求CCD能够实现毫秒级的曝光时间，以增加对强光信号的探测范围。另外从系统定标的角度，零曝光时间的暗信号图像表征系统偏置，零曝光时间的光信号图像可用于提取高信噪比的Smear信号。可见当前的应用已经提出了曝光时间短至零的需求。

“全帧转移CCD+机械快门”的方案可以实现十毫秒级的曝光时间控制，但其精度低、系统复杂且可靠性低。使用帧转移CCD可以省去机械快门，它比全帧转移CCD多了一个存储区，在曝光结束后通过帧转移操作将成像区的曝光电荷快速地转移到存储区，然后再逐行逐个像元地读出。连续两次帧转移之间的时间间隔就是曝光时间，对没有电子快门的帧转移CCD而言，这是控制曝光时间的唯一方法。但常用的驱动时序设计流程能实现的最短曝光时间就是完全读出一帧图像所需要的时间，这显然无法满足需求。

专利ZL201010586695.8“帧转移CCD短曝光时间的驱动时序实现方法”用帧倾倒取代帧读出，可以将最短曝光时间降低一个数量级，但仍受倾倒一帧电荷所需时间的限制。现有技术中的另外一种改进方法将帧倾倒的时机后移至与下一次“读出”帧转移同时进行，可以实现曝光时间微秒级的精细调节，直至零曝光时间。但前一个专利的试验结果已经表明，一次电荷倾倒是无法保证彻底清除存储区内的电荷的，有相当一部分会残留到下一帧读出的图像里。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有方法的不足，通过驱动时序的特殊设计，提供了一种带电荷倾倒功能的帧转移CCD曝光时间短至零的实现方法。

本发明的技术解决方案说明如下：

一种带电荷倾倒功能的帧转移CCD曝光时间短至零的实现方法，包括以下步骤：

步骤一：复位帧转移；控制帧转移时钟信号连续执行四次以上帧转移操作，同时打开电荷倾倒沟道，将成像区在上一帧图像读出时长时间曝光积累的无用电荷快速向下转移，经存储区、水平读出寄存器最后送入电荷倾倒沟道复合掉；

步骤二：此时在成像区和存储区内存储的都是曝光时间为零的图像，如果要求的曝光时间为零，转到步骤五；否则，转到步骤三；

步骤三：曝光；空闲曝光指定时间，电荷倾倒沟道保持打开状态；

步骤四：读出帧转移；控制帧转移时钟信号执行一次帧转移操作，将成像区曝光积累的电荷快速转移到存储区；电荷倾倒沟道保持打开状态；

步骤五：水平读出寄存器清空；关闭电荷倾倒沟道，控制水平读出寄存器连续读出两行以上，读出电路保持复位状态，以彻底清除水平读出寄存器内可能残留的无用电荷。

在上述技术方案中，步骤五之后还包括步骤六：读出；控制存储区、水平读出寄存器和读出电路逐行逐个像元地读出一帧图像。

在上述技术方案中，步骤一中的帧转移操作连续垂直转移的像元行数为：成像区像元行数与存储区像元行数之和的2倍及以上。

本发明的积极效果：

1、通过将电荷倾倒的时机前移至与复位帧转移同时进行，在一个工作状态里同时完成了整个CCD所有电荷存储单元的清空/复位，完美地实现了电子快门的功能，使帧转移CCD曝光时间的调节不再受任何限制，可以短至零，调节精度也仅受限于驱动时序设计所使用的主时钟周期；

2、连续多次的“帧转移-电荷倾倒”操作，可以保证彻底清空成像区和存储区，不会有电荷残留到下一帧要读出的图像里。

附图说明

图1是本发明设计的CCD工作状态组成图。可见看到，本发明的设计仅在典型设计的基础上增加了一个多次“帧转移-电荷倾倒”状态，即增加了电子快门的功能，CCD的工作流程从简单的两段式“曝光→读出”变化为依然简单的三段式“复位→曝光→读出”。

图2是本发明实现任意长度(包括零)曝光时间的CCD驱动时序控制流程图。其中有两次对曝光时间的判断：第一次判断如果为零，可以跳过两个工作状态直接读出图像，这是因为连续多次的“帧转移-电荷倾倒”操作早已将存储区内的无用电荷清空，存储区内现在存储就是一幅从成像区转移过来的曝光时间为零的图像；第二次判断如果大于等于清空读出时间，就可以回归到典型设计的控制流程，将帧读出时成像区的曝光量作为总曝光时间的一部分，可以极大地缩短帧周期、提高帧频。

具体实施方式

本发明的发明思想为：将电荷倾倒的时机前移至与复位帧转移同时进行，在一个工作状态里同时完成整个CCD所有电荷存储单元的清空/复位，实现了电子快门的功能，使帧转移CCD可以实现短至零的曝光时间；

下面通过实施例对本发明作进一步说明。

本发明解决问题的技术方案如下：

设成像区有N_I行像元，存储区有N_S行像元。具体步骤描述如下：

步骤一：复位帧转移(以复位为目的)。控制帧转移时钟信号连续执行四次以上帧转移操作(包括四次)，即连续垂直转移2(N_I+N_S)行以上(包括2(N_I+N_S)行)，同时打开电荷倾倒沟道，将成像区在上一帧图像读出时长时间曝光积累的无用电荷快速向下转移，经存储区、水平读出寄存器最后送入电荷倾倒沟道复合掉。连续多次的“帧转移-电荷倾倒”操作可以保证彻底清除成像区和存储区内的电荷；

步骤二：此时在成像区和存储区内存储的都是曝光时间为零的图像，如果要求的曝光时间为零，转到步骤五；否则，转到步骤三；

步骤三：曝光。空闲曝光指定时间，电荷倾倒沟道保持打开状态；

步骤四：读出帧转移(以读出为目的)。控制帧转移时钟信号执行一次帧转移操作，将成像区曝光积累的电荷快速转移到存储区；电荷倾倒沟道保持打开状态；

步骤五：水平读出寄存器清空。关闭电荷倾倒沟道，控制水平读出寄存器连续读出两行以上，读出电路保持复位状态，以彻底清除水平读出寄存器内可能残留的无用电荷；

步骤六：读出。控制存储区、水平读出寄存器和读出电路逐行逐个像元地读出一帧图像。

实施例：

e2v公司的帧转移CCD47-20，成像区有1027行像元，存储区有1033行像元。实现零曝光时间的驱动时序控制流程如下：

1、控制帧转移时钟信号和连续垂直转移2×(1027+1033)＝4120行，同时将电荷倾倒栅极控制信号DG置高，打开电荷倾倒沟道，将成像区在上一帧图像读出时长时间曝光积累的无用电荷快速向下转移，经存储区、水平读出寄存器最后送入电荷倾倒沟道彻底复合掉。

2、此时在成像区和存储区内存储的都是曝光时间为零的图像，如果要求的曝光时间为零，转到步骤5；否则，转到步骤3；

3、空闲曝光指定时间，所有时钟控制信号保持默认电平，电荷倾倒沟道保持打开状态；

4、控制帧转移时钟信号和连续垂直转移1033行，即执行一次读出帧转移操作，将成像区曝光积累的电荷快速转移到存储区；电荷倾倒沟道保持打开状态；

5、DG置低关闭电荷倾倒沟道，控制水平读出时钟信号和连续读出两行以上，读出电路的复位脉冲信号保持为复位的高电平状态，以彻底清除水平读出寄存器内可能残留的无用电荷；

6、控制行转移时钟信号水平读出时钟信号 和读出电路的复位脉冲信号逐行逐个像元地读出一帧图像。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种带电荷倾倒功能的帧转移CCD曝光时间短至零的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：复位帧转移；控制帧转移时钟信号连续执行四次以上帧转移操作，同时打开电荷倾倒沟道，将成像区在上一帧图像读出时长时间曝光积累的无用电荷快速向下转移，经存储区、水平读出寄存器最后送入电荷倾倒沟道复合掉；

步骤二：此时在成像区和存储区内存储的都是曝光时间为零的图像，如果要求的曝光时间为零，转到步骤五；否则，转到步骤三；

步骤三：曝光；空闲曝光指定时间，电荷倾倒沟道保持打开状态；

步骤四：读出帧转移；控制帧转移时钟信号执行一次帧转移操作，将成像区曝光积累的电荷快速转移到存储区；电荷倾倒沟道保持打开状态；

步骤五：水平读出寄存器清空；关闭电荷倾倒沟道，控制水平读出寄存器连续读出两行以上，读出电路保持复位状态，以彻底清除水平读出寄存器内可能残留的无用电荷。

2.根据权利要求1所述的带电荷倾倒功能的帧转移CCD曝光时间短至零的实现方法，其特征在于，步骤五之后还包括：

步骤六：读出；控制存储区、水平读出寄存器和读出电路逐行逐个像元地读出一帧图像。

3.根据权利要求1或2所述的带电荷倾倒功能的帧转移CCD曝光时间短至零的实现方法，其特征在于，步骤一中的帧转移操作连续垂直转移的像元行数为：成像区像元行数与存储区像元行数之和的2倍及以上。