CN108495065B - 一种帧转移型面阵ccd的驱动时序控制方法 - Google Patents

一种帧转移型面阵ccd的驱动时序控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种帧转移型面阵CCD驱动时序控制方法，所述帧转移型面阵CCD包括：成像区A，曝光并产生电荷；存储区B，用于存储由成像区A转移过来的电荷；寄存器C，用于寄存由存储区B转移过来的一行电荷；读出通道，将寄存器C中的电荷逐个读出；区域A、B、C均包括
Figure DDA0001566542130000011
三个驱动时钟管脚；所述方法包括：控制器控制
Figure DDA0001566542130000012
为常低，进行曝光；控制器向
Figure DDA0001566542130000013
和
Figure DDA0001566542130000014
发出特定顺序和数目的脉冲，进行帧转移；控制器向
Figure DDA0001566542130000015
和
Figure DDA0001566542130000016
发出特定顺序和数目的脉冲，进行帧读出，之后控制
Figure DDA0001566542130000017
为常低，
Figure DDA0001566542130000018
为常高，进入下一帧转移前的空闲状态，同时控制器先控制
Figure DDA0001566542130000019
为常低，进入等待状态，之后向
Figure DDA00015665421300000110
发出特定顺序和数目的脉冲，进行反向转移以清除残余电荷和等待期间光生电荷。

Description

一种帧转移型面阵CCD的驱动时序控制方法
技术领域
本发明涉及光电成像技术领域，具体涉及一种帧转移型面阵CCD驱动时序的控制方法。
背景技术
在光电成像领域，电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)是一种常用成像器件，其根据半导体光电效应将入射光转换成一定数目的电荷，再通过处理电路转换成可测量的电压或电流，进而反推出入射光强度。根据像素排列结构不同，CCD可分为线阵和面阵两种，而面阵CCD根据电荷转移方式的不同，又分为全帧转移型、帧转移型以及行间转移型。
帧转移型面阵CCD由于填充因子大，集光效率高等优点，成为CCD类成像器件的首选。其主要由成像区、存储区、寄存器和读出通道四部分构成，成像区在曝光时间内接受光照并产生光生电荷，之后转移至存储区，再逐行转移至寄存器并经读出通道读出。具体实现方式为控制器按照特定顺序向CCD时钟管脚发出一定数目和时长的驱动脉冲，驱动电荷向预定方向转移。
目前，对帧转移型面阵CCD使用广泛的驱动时序包括基本驱动时序和带电荷倾倒的驱动时序两种。虽然能够成像，但有以下问题：由于成像区电荷转移不充分，前一帧图像转移结束后成像区有残余电荷，而基本驱动时序无电荷清除操作，这些残余电荷会作为噪声而影响后一帧成像，降低信噪比；带电荷倾倒的时序通过在两次有效成像周期之间增加一次转移和读出，而倾倒掉残余电荷，但成像周期长、帧频慢；曝光时间的可调范围小，需要外加机械快门；只对有效感光区域电荷进行转移，信号完整性差。因此，有必要对帧转移型面阵CCD的驱动时序控制加以优化，以兼顾高信噪比、高帧频、大范围可调曝光时间和信号完整的成像要求。
发明内容
本发明的目的在于优化帧转移型面阵CCD的驱动时序控制，使帧转移型面阵CCD成像能够兼顾高信噪比、高帧频、大范围可调曝光时间和信号完整的要求。
为了实现上述目的，本发明提供了一种帧转移型面阵CCD驱动时序控制方法，所述帧转移型面阵CCD包括：成像区A，接受入射光曝光并产生光生电荷；存储区B，与成像区A结构完全相同，但不接受光照，只用于存储由成像区A转移过来的电荷；寄存器C，用于寄存由存储区B转移过来的一行电荷；读出通道，寄存器C中的电荷经读出通道逐个读出；区域A、B、C均包括
Figure GDA0002598313660000021
三个驱动时钟管脚，与控制器相连，接收控制器发出的驱动脉冲，以完成电荷的转移；所述方法包括：控制器控制成像区时钟
Figure GDA0002598313660000022
恢复常低，进行曝光；控制器向
Figure GDA0002598313660000023
和存储区时钟
Figure GDA0002598313660000024
发出特定顺序和数目的脉冲，进行帧转移；控制器向
Figure GDA0002598313660000025
和寄存器时钟
Figure GDA0002598313660000026
发出特定顺序和数目的脉冲，进行帧读出，之后控制
Figure GDA0002598313660000027
恢复为常低，
Figure GDA0002598313660000028
恢复为常高，进入下一次帧转移前的空闲状态，同时，控制器先控制
Figure GDA0002598313660000029
恢复常低，进入等待状态，之后向
Figure GDA00025983136600000210
发出特定顺序和数目的脉冲，进行反向转移以清除残余电荷和等待期间的光生电荷。
作为上述方法的一种改进，所述方法具体包括：
步骤1)控制器控制成像区A的时钟
Figure GDA00025983136600000211
和
Figure GDA00025983136600000212
恢复常低，进行前一帧图像的曝光，以产生光生电荷，曝光时间为texp；
步骤2)控制器向
Figure GDA00025983136600000213
和
Figure GDA00025983136600000214
管脚各发出V+2*N个正脉冲，起始脉冲的先后顺序为
Figure GDA00025983136600000215
之间延时为1/2个脉冲时长；同时对存储区时钟
Figure GDA00025983136600000216
和
Figure GDA00025983136600000217
进行相同操作；使前一帧图像电荷转移至存储区B，用时tt；
步骤3)控制器向
Figure GDA00025983136600000218
和
Figure GDA00025983136600000219
管脚各发出1个正脉冲，脉冲的先后顺序为
Figure GDA00025983136600000220
之间延时为1/2个脉冲时长，使存储区B中的一行电荷转移至寄存器C；控制器向寄存器C的
Figure GDA00025983136600000221
和
Figure GDA00025983136600000222
管脚各发出H+2*M个负脉冲，起始脉冲的先后顺序为
Figure GDA00025983136600000223
之间延时为1/2个脉冲时长，以完成该行电荷的读出；重复V+2*N次，以完成前一帧图像电荷的读出，用时tr；控制器控制
Figure GDA00025983136600000224
和
Figure GDA00025983136600000225
恢复常低，
Figure GDA00025983136600000226
和
Figure GDA00025983136600000227
恢复常高，进入后一帧图像电荷转移前的空闲状态，
步骤4)在执行步骤3)的同时，控制器首先控制
Figure GDA00025983136600000228
和
Figure GDA00025983136600000229
恢复常低，进入等待状态，等待时间td，然后控制器向
Figure GDA00025983136600000230
和
Figure GDA00025983136600000231
管脚各发出V+2*N个正脉冲，起始脉冲的先后顺序为
Figure GDA00025983136600000232
之间延时为1/2个脉冲时长，完成反向转移以清除成像区残余电荷和等待期间的光生电荷，用时ta；其中，td+ta+texp>tr，即后一帧的曝光必须持续至前一帧读出完成之后。
本发明的优点在于：
1、本发明针对帧转移型面阵CCD边缘设置有暗像元的情况，采用了驱动时序读出冗余的方法，即转移范围包括边缘暗像元，保证了图像信号的完整性；
2、本发明针对帧转移型面阵CCD成像区电荷转移不充分的情况，采用了成像区反向转移的驱动时序，替代传统的电荷倾倒时序，既能清除残余电荷以提高成像信噪比，又缩短了成像周期以提高帧频；
3、本发明通过控制反向转移前的等待时间，来调节有效曝光时间，扩大了曝光时间的可调范围，且无需采用机械快门；
4、本发明的方法能优化帧转移型面阵CCD的成像性能，包括提高信噪比、提高帧频、扩展曝光时间可调范围和保持图像信号的完整。
附图说明
图1是帧转移型面阵CCD器件结构图；
图2是本发明的帧转移型面阵CCD的驱动时序控制示意图；
图3是本发明的帧转移型面阵CCD驱动时序控制脉冲波形图。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
本发明所适用的仪器“帧转移型面阵CCD”的器件结构如附图1所示，根据功能不同分为：成像区A，接受入射光曝光并产生光生电荷，其中有效感光区域为中间白色区域，共包含H*V个感光像素，边缘设置有遮光的暗像元，左右对称各M列，上下对称各N行；存储区B，与成像区A结构完全相同，只是不接受光照，只用于存储由成像区A转移过来的电荷；寄存器C，包括H+2*M个寄存单元，用于寄存由存储区B转移过来的一行电荷；读出通道，寄存器C中的电荷经读出通道逐个读出。区域A、B、C均包括
Figure GDA0002598313660000031
三个驱动时钟管脚，与控制器相连，接收控制器发出的驱动脉冲，以完成电荷的转移。此外，成像区时钟
Figure GDA0002598313660000032
和
Figure GDA0002598313660000033
为常低时，若不外加机械快门，成像区是一直处于感光状态的。
附图2是本发明所述帧转移型面阵CCD驱动时序控制示意图，图中给出前后两帧图像的采集周期。具体过程为：对前一帧图像，成像区A曝光产生光生电荷，曝光时间为texp；曝光完成后成像区A的电荷转移至存储区B,用时tt；转移完成后，一方面存储区B中的电荷逐行转移至寄存器C并经读出通道读出，用时tr，另一方面成像区A经等待td时间，进行反向转移，以清除残余电荷和等待期间产生的电荷，用时ta；后一帧图像操作与前一帧相同。对于具体的器件，转移时间tt、读出时间tr、反向转移时间ta是固定的，而参数texp、td是可调的，即通过调节等待时间td的大小，就可得到后一帧图像的曝光起始时间，而曝光结束时间为后一帧图像转移开始时间，两者间隔就是所需的曝光时长texp。因此，这种驱动控制时序摆脱了对快门的依赖。此外，这里还需满足td+ta+texp>tr，即后一帧的曝光必须持续至前一帧读出完成之后。
附图3是本发明所述帧转移型面阵CCD驱动时序控制脉冲波形图，各部分依次为：①控制器控制成像区时钟
Figure GDA0002598313660000041
和
Figure GDA0002598313660000042
恢复常低，进行前一帧图像的曝光，以产生光生电荷，曝光时间为texp。②控制器向成像区时钟
Figure GDA0002598313660000043
和
Figure GDA0002598313660000044
管脚各发出V+2*N个正脉冲，起始脉冲的先后顺序为
Figure GDA0002598313660000045
之间延时为1/2个脉冲时长；同时对存储区时钟
Figure GDA0002598313660000046
和
Figure GDA0002598313660000047
进行相同操作；使前一帧图像电荷转移至存储区B。③控制器向存储区时钟
Figure GDA0002598313660000048
和
Figure GDA0002598313660000049
管脚各发出1个正脉冲，脉冲的先后顺序为
Figure GDA00025983136600000410
之间延时为1/2个脉冲时长，使存储区B中的一行电荷转移至寄存器C。④控制器向寄存器时钟
Figure GDA00025983136600000411
和
Figure GDA00025983136600000412
管脚各发出H+2*M个负脉冲，起始脉冲的先后顺序为
Figure GDA00025983136600000413
之间延时为1/2个脉冲时长，以完成该行电荷的读出。⑤循环步骤③、④共V+2*N次，以完成前一帧图像电荷的读出，之后控制器控制
Figure GDA00025983136600000414
和
Figure GDA00025983136600000415
恢复常低，
Figure GDA00025983136600000416
和
Figure GDA00025983136600000417
恢复常高，进入后一帧图像电荷转移前的空闲状态。与此同时，控制器首先控制
Figure GDA00025983136600000418
和
Figure GDA00025983136600000419
恢复常低，进入等待状态，等待时间td，然后控制器向
Figure GDA00025983136600000420
和
Figure GDA00025983136600000421
管脚各发出V+2*N个正脉冲，起始脉冲的先后顺序为
Figure GDA00025983136600000422
之间延时为1/2个脉冲时长，完成反向转移以清除成像区残余电荷和等待期间的光生电荷，最后控制器控制成像区时钟
Figure GDA00025983136600000423
和
Figure GDA00025983136600000424
恢复常低，进行后一帧图像的曝光。⑥曝光完成后进行后一帧图像电荷的转移和读出，如此循环。
经过实验验证，本发明能够实现帧转移型面阵CCD的驱动成像，所成图像信噪比高、帧频高、曝光时间可调范围大且无需外加快门、信号完整性好。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种帧转移型面阵CCD驱动时序控制方法，所述帧转移型面阵CCD包括：成像区A，接受入射光曝光并产生光生电荷；存储区B，与成像区A结构完全相同，但不接受光照，只用于存储由成像区A转移过来的电荷；寄存器C，用于寄存由存储区B转移过来的一行电荷；读出通道，寄存器C中的电荷经读出通道逐个读出；区域A、B、C均包括
Figure FDA0002598313650000011
三个驱动时钟管脚，与控制器相连，接收控制器发出的驱动脉冲，以完成电荷的转移；所述方法包括：控制器控制成像区时钟
Figure FDA0002598313650000018
恢复常低，进行曝光；控制器向
Figure FDA0002598313650000012
和存储区时钟
Figure FDA0002598313650000013
发出特定顺序和数目的脉冲，进行帧转移；控制器向
Figure FDA0002598313650000014
和寄存器时钟
Figure FDA0002598313650000015
发出特定顺序和数目的脉冲，进行帧读出，之后控制
Figure FDA0002598313650000019
恢复为常低，
Figure FDA0002598313650000016
恢复为常高，进入下一次帧转移前的空闲状态，同时，控制器先控制
Figure FDA00025983136500000110
恢复常低，进入等待状态，之后向
Figure FDA0002598313650000017
发出特定顺序和数目的脉冲，进行反向转移以清除残余电荷和等待期间的光生电荷；成像区A的有效感光区域包含H*V个感光像素，有效感光区域的外边缘设置有遮光的暗像元，左右对称各M列，上下对称各N行；
所述方法具体包括：
步骤1)控制器控制成像区A的时钟
Figure FDA00025983136500000111
和
Figure FDA00025983136500000112
恢复常低，进行前一帧图像的曝光，以产生光生电荷，曝光时间为texp；
步骤2)控制器向
Figure FDA00025983136500000113
和
Figure FDA00025983136500000114
管脚各发出V+2*N个正脉冲，起始脉冲的先后顺序为
Figure FDA00025983136500000115
之间延时为1/2个脉冲时长；同时对存储区B时钟
Figure FDA00025983136500000133
Figure FDA00025983136500000116
和
Figure FDA00025983136500000117
进行相同操作；使前一帧图像电荷转移至存储区B，用时tt；
步骤3)控制器向
Figure FDA00025983136500000118
和
Figure FDA00025983136500000119
管脚各发出1个正脉冲，脉冲的先后顺序为
Figure FDA00025983136500000120
之间延时为1/2个脉冲时长，使存储区B中的一行电荷转移至寄存器C；控制器向寄存器C的
Figure FDA00025983136500000121
和
Figure FDA00025983136500000122
管脚各发出H+2*M个负脉冲，起始脉冲的先后顺序为
Figure FDA00025983136500000123
之间延时为1/2个脉冲时长，以完成该行电荷的读出；重复V+2*N次，以完成前一帧图像电荷的读出，用时tr；控制器控制
Figure FDA00025983136500000131
和
Figure FDA00025983136500000132
恢复常低，
Figure FDA00025983136500000124
和
Figure FDA00025983136500000125
恢复常高，进入后一帧图像电荷转移前的空闲状态，
步骤4)在执行步骤3)的同时，控制器首先控制
Figure FDA00025983136500000129
和
Figure FDA00025983136500000130
恢复常低，进入等待状态，等待时间td，然后控制器向
Figure FDA00025983136500000127
和
Figure FDA00025983136500000128
管脚各发出V+2*N个正脉冲，起始脉冲的先后顺序为
Figure FDA00025983136500000126
之间延时为1/2个脉冲时长，完成反向转移以清除成像区残余电荷和等待期间的光生电荷，用时ta；其中，td+ta+texp>tr，即后一帧的曝光必须持续至前一帧读出完成之后。
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