[发明专利]基于全局快门型CMOS图像传感器的超高速双帧图像获取方法

说明书

为了解决现有采用CMOS图像传感器的高速成像系统时间分辨率较低，或者采用CMOS与CCD工艺相结合的特种高速成像系统复杂、成本高的技术问题，本发明提供了一种基于全局快门型CMOS图像传感器的超高速双帧图像获取方法，采用本发明方法进行超高速成像系统设计时，具有时间分辨高、系统简单、成本低廉等特点。本发明利用全局快门型CMOS图像传感器具备的光敏区与浮置栅极独立控制信号及电路结构，通过对光敏区与浮置栅极的关联控制，实现超短曝光与超短时间间隔的连续双帧图像获取功能。

技术领域

本发明涉及一种CMOS图像传感器的超高速双帧图像获取方法。

背景技术

基于图像传感器的高速相机在瞬态物理过程研究领域中应用广泛。目前常用的图像传感器主要有两种：CCD图像传感器和CMOS图像传感器。CMOS图像传感器由于其加工制造工艺与模拟电路及大规模数字电路工艺兼容性好，便于在传感器内部实现高精度量化、高速采样输出等功能，同时CMOS传感器的加工工艺不断进步，逐渐取代CCD图像传感器，成为成像系统设计的主要传感器。

CMOS图像传感器根据其像素阵列的复位及曝光控制信号特征，大致分为全局快门型、卷帘快门型及混合快门型，其中：全局快门型CMOS图像传感器通常具有像素阵列中所有像素同时曝光和同时复位的控制信号；卷帘快门型CMOS图像传感器则智能地对同一行的像素进行统一的曝光和复位控制；混合快门型CMOS图像传感器具备像素阵列统一的曝光控制信号，可以使像素阵列在同一时刻开始曝光，但每行像素结束曝光的时刻不同，复位信号为行复位。

在高速成像领域，通常将1000帧每秒到100万帧每秒之间的成像系统称为高速成像系统，曝光时间或帧间隔在1ms到1μs之间；将成像速度大于100万帧每秒的成像系统称为超高速成像系统，曝光时间或帧间隔小于1μs。目前采用CMOS图像传感器的高速成像系统最高帧频率大部分在数万帧到十万帧每秒，极少数采用CMOS与CCD工艺相结合的特种高速成像系统虽然能达到百万帧每秒以上的速度，但是这种特种高速成像系统造价十分昂贵，系统复杂、技术难度大，不易实现。

发明内容

为了解决现有采用CMOS图像传感器的高速成像系统时间分辨率较低，或者采用CMOS与CCD工艺相结合的特种高速成像系统复杂、成本高的技术问题，本发明提供了一种基于全局快门型CMOS图像传感器的超高速双帧图像获取方法，采用本发明方法进行超高速成像系统设计时，具有时间分辨高、系统简单、成本低廉等特点。

本发明的原理是：

本发明利用全局快门型CMOS图像传感器具备的光敏区与浮置栅极独立控制信号及电路结构，通过对光敏区与浮置栅极的关联控制，实现超短曝光与超短时间间隔的连续双帧图像获取功能。

本发明的技术解决方案为：

基于全局快门型CMOS图像传感器的超高速双帧图像获取方法，包括以下步骤：

1】选取全局快门型CMOS图像传感器，其像素具有如下特征控制信号：光敏区复位控制信号A，浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号B，浮置栅极复位控制信号C；根据所选CMOS图像传感器的数据手册，获得其关键时间参数，包括最小控制信号脉宽ΔT₁、最小转移周期ΔT₂、一帧图像读出时间ΔT₃；

2】根据CMOS图像传感器的关键时间参数和成像目标的时间分辨要求，设置第一帧图像的最小曝光时间T_EXP和两帧图像的曝光间隔时间T_INT，且T_EXP不小于ΔT1+ΔT2，T_INT不小于ΔT1；

3】在外部触发信号到来之前，保持CMOS图像传感器处于光敏区清零状态，及保持光敏区复位控制信号A打开，浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号B和浮置栅极复位控制信号C均关闭；