[发明专利]可提高CCD帧频率的图像采集方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超高帧频图像获取方法，尤其涉及一种基于帧存储结构CCD的超高帧频图像时序驱动方法。

背景技术

高帧频成像系统可以很好反映出研究对象的细节运动过程，从而获取一些用普通速度成像系统无法获取的信息，在碰撞试验研究、等离子体物理研究、爆炸现象研究、战场侦查等科学试验研究领域有广泛应用。在一些高端应用如科学实验领域，高帧频CCD相机以其较高的灵敏度性能和图像质量而得到广泛应用。CCD相机的帧频率与CCD的曝光时间和整个CCD的像素读出时间有关。帧频率可以简单地定义为图像的获取时间与整个像素阵列完全读出CCD的时间和的倒数。因此可以说CCD的帧频率由两个因素决定，一个是图像的获取时间，另一个是CCD图像传感器像素的输出率。图像的获取时间与CCD的曝光时间有关，对于普通CCD成像系统而言，其曝光时间必然小于帧周期。曝光时间越短，CCD的可探测光能力越差，因此，CCD的最小可探测光能力就决定了CCD帧频的理论最大值。采用增大CCD像素光敏面积、背照射、电子增益等技术可以有效提高CCD的最小可探测光能力，使得其在数微秒的时间内曝光。仅由CCD最小可探测光能力决定的理论帧频可以达到几十万帧以上。CCD的像素输出率决定了一幅图像信号总的输出时间，而CCD的帧周期大于总像素输出时间(含有帧转移时间)。因此，像素输出率也限定了CCD帧频率的提高。例如，对于128×128像素分辨的e2v公司CCD60，在像素输出率为10MHz时，其帧频率最高为600帧/秒。由此看来，相对于最小可探测光能力限制的最高可以到几十万帧以上的CCD图像获取系统而言，CCD数据的总输出时间成为了限制其帧频率提高的最主要因素。

人们通过各种技术途径来减少CCD的像素总输出时间以提高CCD的帧频，这包括工艺上的技术，如采用较低分辨率的CCD器件、多端口并行输出，还包括外部驱动技术上的方法，如窗口(ROI)输出、Binning输出等。采用较低分辨率的器件可以在像素输出率一定时缩短单幅图像总的输出时间，从而提高帧频率；多端口并行输出方法可以在与单端口同样像素输出率的情况下减小每个输出端口的分块图像输出时间，从而有效提高帧频率；窗口(ROI)输出方式实际上也是一种减小分辨率进行高速图像读出的方式，即读出图像的一个部分而使获取图像帧频率提高；Binning技术主要是将几个相邻的像素电荷通过驱动在输出寄存区或CCD存储区势垒中打包(binning)，从而有效减少了实际的总像素输出时间，提高了帧频率。采用这些技术可以使CCD的帧频提高数倍以上，较大地扩展了高帧频CCD的应用领域。

可以看出，以上所述方法均能有效提高帧频率，但是他们有一个共同的缺点，就是在有限地提高帧频率的同时以空间图像分辨率的较大损失为代价。例如，对于128×128像素分辨的e2v CCD60，其像素率为10MHz时，帧频率最高达到600帧/秒，采用Binning方法获取分辨率为32×32的图像时帧频率也仅能达到4,000帧/秒。同时，这些方法的图像获取都需要外部存储器，系统组成较为复杂。

帧转移(Frame Transfer)型CCD结构如图1所示，其中11是像敏区(m行×n列)，用于将入射在其上的代表图像的光转化成光生电荷；12是存储区(m行×n列)，由于涂敷了掩膜材料(一般是铝)而不感光，用于暂时存储像敏区转移的电荷；13是串行移位寄存区，用于将存储区的电荷按行上的像素串行转移出CCD传感器。

参见图2，普通工作模式时，CCD在加在像敏区和存储区上的驱动脉冲的作用下，像敏区的光生电荷在很短的时间内转移到存储区。然后，CCD在存储区和读出区驱动脉冲的作用下，顺序按行将信号电荷读出。CCD驱动时序如图3所示，这里以两相CCD举例说明，其中I1、I2表示像敏区驱动脉冲，S1、S2表示存储区时钟。参见图3，普通模式CCD转移工作过程可以分为以下几个步骤：

(1)、CCD像敏区各行上的光生电荷并行转移一次，转移方向如图1所示，靠近存储区的一行光生电荷转移到存储区。与此同步，存储区各行电荷也并行转移一次。像敏区和存储区时序同步。

(2)、重复步骤(1)m次至像敏区所有光生电荷全部转移至存储区，存储区仅缓存一幅图像。

(3)、在存储区驱动脉冲和读出驱动脉冲的共同作用下，存储区的电荷逐行转移到串行移位寄存区，再逐像素移出CCD。电荷读出的过程像敏区又在收集下一帧图像电荷了。由于电荷读出是串行输出的，因此速度较慢。