幀轉移ccd短曝光時間的驅動時序實現方法
2023-08-05 00:00:16 3
專利名稱：幀轉移ccd短曝光時間的驅動時序實現方法
技術領域：
本發明屬於光電探測技術領域，涉及一種幀轉移CCD小於幀讀出時間的短曝光時 間的驅動時序實現方法。
背景技術：
幀轉移CXD由成像區、存儲區和水平讀出寄存器三部分組成。常見的驅動時序在 一個幀周期裡包括三個階段幀轉移、幀讀出和空閒曝光。在幀轉移階段，通過控制幀轉移 時鐘信號將成像區曝光積累的電荷快速地轉移到存儲區，隨後存儲區和水平讀出寄存器進 入幀讀出狀態，而成像區則再次進入曝光狀態，直至下一次幀轉移。在幀讀出階段，先控制 行轉移時鐘信號將一行電荷行轉移到水平讀出寄存器，再控制水平讀出時鐘等信號將像元 電荷逐個讀出，如此往復，直至全部像元都被讀出。讀完一幀後，如果成像區的曝光時間還 沒有到，則CCD進入空閒曝光階段，所有時鐘信號保持原有電平不變。目前大多數CCD是依靠幀轉移來實現對成像區的復位操作，兩次幀轉移之間的時 間間隔就是曝光時間，所以在常用方法中最短曝光時間即是完全讀出一幀所需要的時間。為了實現小於幀讀出時間的短曝光時間，可以象全幀轉移CCD那樣使用機械快 門，但這就會造成系統結構複雜、可靠性降低。
發明內容
為了解決現有技術中普通幀轉移CCD無法實現或需要使用機械快門才能實現小 於幀讀出時間的短曝光時間的問題，本發明提供了一種幀轉移CCD短曝光時間的驅動時序 實現方法。本發明解決技術問題所採用的技術方案是幀轉移CCD短曝光時間的驅動時序實現方法，包括如下步驟第一步控制幀轉移時鐘信號將成像區曝光積累的電荷快速轉移到存儲區；第二步控制行轉移時鐘、水平讀出時鐘、讀出復位時鐘和電荷傾倒柵極時鐘信號 將轉移到存儲區的電荷逐行轉移到水平讀出寄存器，完成電荷的快速傾倒；此時成像區在 曝光積累電荷；第三步重複執行第一步和第二步多次(建議8次以上)，使先前在成像區曝光積 累的電荷被完全地轉移並傾倒掉；第四步電荷傾倒結束時，成像區的曝光時間即是一次電荷傾倒所用的時間，若需 要的成像區曝光時間還沒到，則CCD進入空閒曝光狀態，所有時鐘控制信號保持不變，直至 曝光時間結束；第五步控制幀轉移時鐘信號將成像區曝光積累的電荷快速地轉移到存儲區；第六步控制行轉移時鐘信號先將一行電荷行轉移到水平讀出寄存器，再控制水 平讀出時鐘和讀出復位時鐘信號將像元電荷逐個讀出；如此往復，直至所有行的像元全都 被讀出。
本發明的有益效果是通過在驅動時序控制流程中引入多次電荷快速轉移-傾倒 的操作，實現了比幀讀出時間小一個數量級的短曝光時間；多次轉移-傾倒保證了上一幀 曝光積累的電荷被徹底地傾倒掉，不會殘留到當前幀圖像中從而造成數據錯誤。
圖1是本發明短曝光時間的驅動時序控制流程圖。圖2是本發明一實施例的(XD57-10電荷傾倒驅動時序示意圖。圖3是本發明一實施例的(XD57-1030ms曝光時間8次電荷傾倒的驅動時序示意圖。圖4是(XD57-1030ms曝光時間1次電荷傾倒的成像效果圖。圖5是(XD57-1030ms曝光時間8次電荷傾倒的成像效果圖。
具體實施例方式下面通過附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明，但不應以此限制本發明 的保護範圍。如圖2所示，(XD57-10型幀轉移CXD實現一次電荷傾倒的驅動時序控制流程如 下1)控制行轉移時鐘ccd_stl、ccd_st2和ccd_st3將存儲區的電荷向水平讀出寄 存器垂直轉移一行；水平讀出時鐘ccd_rl、ccd_r2和ccd_r3分別保持高電平、高電平和低 電平不變；讀出復位時鐘ccd_rst保持高電平；電荷傾倒柵極時鐘ccd_dg初始為低電平， 18 μ s後變為高電平；2)重複步驟1)共計傾倒5 行電荷，期間電荷傾倒柵極時鐘ccd_dg始終保持高 電平；3)行轉移時鐘ccd_stl、ccd_st2和ccd_st3保持低電平；水平讀出時鐘ccd_rl 和ccd_r2初始為高電平，9 μ s後變為低電平，保持低電平18 μ s後再變為高電平，ccd_r3 始終保持低電平；讀出復位時鐘ccd_rst保持高電平；電荷傾倒柵極時鐘ccd_dg初始為高 電平，18 μ s後變為低電平。如圖3所示，(XD57-10實現30ms曝光時間的一幀驅動時序控制流程如下1)控制幀轉移時鐘信號 ccd_iml、ccd_im2、ccd_im3、ccd_stl、ccd_st2 和 ccd_st3 將成像區曝光積累的電荷快速地轉移到存儲區，用時2. 68ms ；2)控制行轉移時鐘 ccd_stl、ccd_st2、ccd_st3，水平讀出時鐘 ccd_rl、ccd_r2、 ccd r3,讀出復位時鐘ccd_rst和電荷傾倒柵極時鐘ccd_dg將轉移到存儲區的電荷逐行轉 移到水平讀出寄存器，並快速傾倒掉，用時19. 04ms ；此時成像區在曝光積累電荷，19. 04ms 就是最短曝光時間；3)重複執行步驟1) >2)共8次，以保證先前在成像區曝光積累的電荷被完全地轉 移並傾倒掉，最短曝光時間是最後一次電荷傾倒的時間19. 04ms ；4)(XD進入空閒曝光狀態，所有時鐘控制信號保持原有電平不變，10. 96ms後， 30ms的曝光時間結束；5)控制幀轉移時鐘信號 ccd_iml、ccd_im2、ccd_im3、ccd_stl、ccd_st2 和 ccd_st34將成像區曝光積累的電荷快速地轉移到存儲區，用時2. 68ms ；6)控制行轉移時鐘信號ccd_stl、ccd_st2和ccd_st3先將一行電荷行轉移到水 平讀出寄存器，再控制水平讀出時鐘ccd_rl、ccd_r2、ccd_r3和讀出復位時鐘CCd_rst將像 元電荷逐個讀出；7)重複步驟6)共計讀出5 行圖像數據，每行536個有效像元，M個啞像元；讀 出一幀圖像需要163. 06ms。綜上所述，(XD57-10幀讀出時間163. 06ms,電荷傾倒時間即最短曝光時間 19. (Mms，只有讀出時間的1/8。利用本發明方法的成像效果如圖5所示。如圖4所示，一次電荷傾倒並不徹底，會有大量電荷殘留到下一幀圖像中，這就會 使數據發生錯誤，且無法校正。本發明的方法執行多次「幀轉移-電荷傾倒」操作，保證了 上一幀曝光積累的電荷被徹底地傾倒掉；同時，最短曝光時間仍然是最後一次幀轉移之後 電荷傾倒所用的時間。
權利要求
1.幀轉移CCD短曝光時間的驅動時序實現方法，包括如下步驟第一步控制幀轉移時鐘信號將成像區曝光積累的電荷快速轉移到存儲區； 第二步控制行轉移時鐘、水平讀出時鐘、讀出復位時鐘和電荷傾倒柵極時鐘信號將轉 移到存儲區的電荷逐行轉移到水平讀出寄存器，完成電荷的快速傾倒；第三步重複執行第一步和第二步多次，使先前在成像區曝光積累的電荷被完全地轉 移並傾倒掉；第四步電荷傾倒結束時，若需要的成像區曝光時間還沒到，則CCD進入空閒曝光狀 態，所有時鐘控制信號保持不變，直至曝光時間結束；第五步控制幀轉移時鐘信號將成像區曝光積累的電荷快速地轉移到存儲區； 第六步控制行轉移時鐘信號先將一行電荷行轉移到水平讀出寄存器，再控制水平讀 出時鐘和讀出復位時鐘信號將像元電荷逐個讀出；如此往復，直至所有行的像元全都被讀 出ο
2.如權利要求1所述的幀轉移CCD短曝光時間的驅動時序實現方法，其特徵在於，所述 第三步中的多次是至少8次。
全文摘要
幀轉移CCD短曝光時間的驅動時序實現方法屬於光電探測技術領域，該方法包括如下步驟1)多次幀轉移-電荷傾倒；2)空閒曝光；3)幀轉移；4)幀讀出。本發明不需要使用機械快門或修改硬體電路設計，通過在驅動時序控制流程中引入多次電荷快速轉移-傾倒操作，實現了比幀讀出時間小一個數量級的短曝光時間；多次轉移-傾倒保證了上一幀曝光積累的電荷被徹底地傾倒掉，不會殘留到當前幀圖像中而造成數據錯誤。
文檔編號H04N5/357GK102055915SQ20101058669
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月14日 優先權日2010年12月14日
發明者宋克非, 張佩傑, 馬慶軍 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所