[实用新型]基于工业CCD的高速图像传感系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及高速图像传感器，特别是一种基于工业CCD的高速图像传感系统，涉及用于正弦相位调制干涉测量的基于工业CCD的高速图像传感系统。

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.com/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

本实用新型的目的是为了克服上述在先技术的不足和存在的难题，提供一种基于工业CCD的高速图像传感系统。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。

本实用新型原理依据是：

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。Φ_A、Φ_B、Φ_H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。