[發(fā)明專利]一種基于抽樣的CCD超高速圖像采集方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310247696.3
• 申請(qǐng)日: 2013-06-20
• 公開（公告）號(hào): CN103369267B
• 公開（公告）日: 2017-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅通頂;李斌康;楊少華;郭明安;夏驚濤;嚴(yán)明;李剛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北核技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): H04N5/369
• 分類號(hào): H04N5/369;H04N5/378;H04N5/235
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司61211
• 代理人: 王少文

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種超高速圖像采集方法，特別涉及一種基于行間轉(zhuǎn)移型CCD的高速圖像采集時(shí)序驅(qū)動(dòng)方法。

背景技術(shù)

高速相機(jī)對(duì)于快物理過程的研究有著重要的意義，它能將物理研究對(duì)象的時(shí)間過程進(jìn)行放大，從而提供一些普通速度成像系統(tǒng)無法獲取的信息。目前，因?yàn)镃CD具有較高的靈敏度，所以市場(chǎng)上的高速相機(jī)主要以CCD為主。幀頻率是衡量CCD圖像采集速度的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)于一些毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)的快物理現(xiàn)象的研究，需要CCD相機(jī)具備很高的幀頻率。一般情況下，決定CCD的幀頻率主要有兩個(gè)因素：CCD的曝光時(shí)間和像素的輸出時(shí)間。因?yàn)槭芟袼剌敵鏊俾实闹萍s，CCD幀頻率比較低。目前，常用的提高CCD幀頻率的方法主要有：多端口并行輸出、窗口（ROI）輸出、Binning輸出等。多端口并行輸出的方法是提高了CCD的像素輸出速率，而窗口（ROI）輸出和Binning輸出的方法是降低了像素總的輸出時(shí)間，所以這些方法都能提高CCD的幀頻率。但是這些方法對(duì)于CCD的幀頻率提高幅度相對(duì)有限，或者造成了CCD分辨率的極大損失。以美國Princeton儀器公司的ProEM_512B相機(jī)為例，采用高速CCD圖像傳感器，512×512分辨率下，幀頻可達(dá)34fps；利用Binning方法，在32×32分辨率下，幀頻可達(dá)689fps。幀頻率僅提高了20倍，分辨率降低為原來的256分之一。

最近一些文獻(xiàn)基于幀轉(zhuǎn)移型CCD，將一些像素進(jìn)行遮光作為存儲(chǔ)區(qū)，提出將多次曝光的圖像先在存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行存儲(chǔ)后再慢速輸出的方法。這種方法的幀頻率只與CCD的曝光時(shí)間相關(guān)，與像素的輸出時(shí)間因素完全無關(guān)，因此能極大的提高CCD的幀頻率。該類方法存在的缺點(diǎn)是：對(duì)CCD像素進(jìn)行遮光處理的工藝要求高、難度大、成本高，還存在垂直拖尾現(xiàn)象。

行間轉(zhuǎn)移型CCD結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中11是光敏區(qū)，用于將入射在其上的代表圖像的光轉(zhuǎn)化成光生電荷；12是垂直寄存器，與光敏區(qū)像素一一對(duì)應(yīng)，已經(jīng)進(jìn)行了遮光處理，用于存儲(chǔ)光敏區(qū)轉(zhuǎn)移的電荷；13是串行移位寄存區(qū)，用于將存儲(chǔ)區(qū)的電荷按行上的像素串行轉(zhuǎn)移出CCD傳感器。

如圖2所示，普通工作模式時(shí)，CCD經(jīng)過一個(gè)曝光周期后，在讀出轉(zhuǎn)移脈沖P1的控制下電荷由光敏區(qū)一起全部轉(zhuǎn)移到垂直寄存中，然后在垂直轉(zhuǎn)移脈沖P2和水平轉(zhuǎn)移脈沖P3的控制下通過水平寄存器逐字逐行輸出。因此可以設(shè)想，如果能直接利用垂直寄存器存儲(chǔ)多幅圖像，最后再慢速輸出，也可以達(dá)到提高CCD幀頻率目的，而且不需要再對(duì)像素做遮光處理，降低了技術(shù)的難度。調(diào)研表明，許多行間轉(zhuǎn)移型CCD具有抽樣的功能，它可以只使得光敏區(qū)部分像素行的感應(yīng)電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，因而大量的垂直寄存器處于空閑狀態(tài)，這就為利用垂直寄存器存儲(chǔ)多幅圖像的方法實(shí)現(xiàn)提供了可行性。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決CCD的幀頻率受制于像素的輸出時(shí)間難以提高、在超高幀頻率時(shí)空間分辨率損失過大及工藝實(shí)現(xiàn)難度大等問題，本發(fā)明根據(jù)行間轉(zhuǎn)移CCD的特點(diǎn)，提出一種基于抽樣原理的高速成像方法，該方法將多次抽樣的序列圖像先暫存在CCD的垂直寄存器上，最后再一起通過水平寄存器慢速讀出。它可以在空間分辨率損失較小的情況下，使幀頻率得到大幅度提高。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：

一種基于抽樣的CCD超高速圖像采集方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1】行間轉(zhuǎn)移型CCD的光敏區(qū)曝光；

2】對(duì)CCD光敏區(qū)進(jìn)行抽樣，進(jìn)行抽樣的像素行之間至少相隔N個(gè)不進(jìn)行抽樣的像素行，將抽樣的像素行的感應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移到垂直寄存器中，其中N≥1；

3】垂直寄存器中的感應(yīng)電荷向下移動(dòng)一行；

4】CCD光敏區(qū)進(jìn)行下一次曝光，對(duì)光敏區(qū)上一次進(jìn)行抽樣的像素行重復(fù)步驟2】和3】，直至垂直寄存器中存儲(chǔ)N行感應(yīng)電荷，停止曝光；

5】將垂直寄存器中的感應(yīng)電荷作為一幅圖像通過水平寄存器正常讀出；

6】將讀出的圖像還原出不同曝光時(shí)刻的圖像。

上述進(jìn)行抽樣的像素行之間的間隔相等。

上述進(jìn)行抽樣的像素行之間的間隔不等。

上述行間轉(zhuǎn)移型CCD為二相CCD或者多相CCD。

本發(fā)明所具有的有益效果：

1、本發(fā)明方法基于抽樣原理，利用行間轉(zhuǎn)移型CCD上的垂直寄存器實(shí)現(xiàn)片上存儲(chǔ)，能夠大幅度提高CCD的幀頻率，利用普通速度的CCD就可以實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)高速成像。

2、本發(fā)明適用于行間轉(zhuǎn)移型CCD，不需要對(duì)設(shè)備硬件進(jìn)行改動(dòng)，僅改變驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系就能方便實(shí)現(xiàn)，具有廣泛的適用性。