[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

摘要

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。

主权项

1.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，其特征在于，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；4】在触发信号到来时刻T0，关闭光敏区复位控制信号A，CMOS图像传感器开始第一帧图像的曝光，同时打开浮置栅极复位控制信号C清除像素浮置栅极的无效电荷信号，在此过程中，始终保持浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号B关闭；5】在T1时刻，关闭浮置栅极复位控制信号C，同时打开浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号B，开始将第一帧图像对应的电荷信号从像素光敏区转移至像素浮置栅极，在此过程中，始终保持光敏区复位控制信号A关闭；T1＝T0+T_EXP－ΔT2；6】在T2时刻，第一帧图像对应的光敏区电荷转移结束，关闭浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号B，打开光敏区复位控制信号A，停止第一帧图像的曝光，此时第一帧曝光时间为T_EXP的图像开始读出，在此过程中始终保持浮置栅极复位控制信号C关闭；T2＝T1+ΔT2；7】在T3时刻，关闭光敏区复位控制信号A，CMOS图像传感器开始第二帧图像的曝光，在此过程中保持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；T3＝T2+ΔT1；8】在T4时刻，第一帧图像数据读出完毕，打开浮置栅极复位控制信号C，清除浮置栅极的无效电荷信号，在此过程中，保持光敏区复位控制信号A和浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号B关闭；T4＝T2+ΔT3；9】在T5时刻，关闭浮置栅极复位控制信号C，同时打开转移控制信号B，开始将第二帧图像对应的感应电荷信号从像素光敏区转移至像素浮置栅极，在此过程中保持光敏区复位控制信号A关闭；T5＝T4+ΔT1；10】在T6时刻，第二帧图像对应的光敏区电荷转移结束，关闭浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号B，在此过程中，保持光敏区复位控制信号A和浮置栅极复位控制信号C关闭；T6＝T5+ΔT2；11】在T7时刻，第二帧图像数据读出完毕，单次超高速双帧图像获取过程结束；T7＝T6+ΔT3。