專利名稱：一種提高面陣ccd幀頻的方法及高幀頻ccd器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高CXD幀頻的方法及相應(yīng)的CXD器件，尤其涉及一種提高普通面陣CCD幀頻的方法及用普通面陣CCD制作的高幀頻CCD器件。
背景技術(shù)：
超高幀頻成像系統(tǒng)可以很好反映出研究對象的細節(jié)運動過程，從而獲得一些有價值的信息，在碰撞試驗研究、等離子體物理研究、爆炸現(xiàn)象研究、戰(zhàn)場偵查等科學(xué)試驗研究領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。CCD器件作為一種常用圖像傳感器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。但在高幀頻成像系統(tǒng)中，由于幀頻率主要決定于CCD圖像傳感器圖像數(shù)據(jù)的輸出時間，故受到CCD自身結(jié)構(gòu)的影響，在高分辨時很難達到超高幀頻的效果。人們通過多種技術(shù)途徑來減少CXD的像素總輸出時間以提高CXD的幀頻，如特定窗口輸出技術(shù)，僅輸出部分感興趣圖像區(qū)域，相當(dāng)于減小圖像分辨率；隔行輸出技術(shù)，僅輸出特定行，屬于圖像的二次采樣，降低了圖像分辨率；Binning技術(shù)，把nXn以上的像素合并為一個像素進行輸出，降低了圖像分辨率，但可提高靈敏度。這些技術(shù)可以使CCD的幀頻提高數(shù)倍以上，極大的擴展了高幀頻CCD的應(yīng)用領(lǐng)域，但仍然無法實現(xiàn)微秒級的連續(xù)時間分辨圖像。為進一步提高CXD幀頻率，有人提出了在位存儲圖像傳感器(ISIS，In-situ Storage Image Sensor)，并研制出速度達到1百萬幀每秒、分辨率360 X 360、存儲幀數(shù)100 幀的超高幀頻相機，但芯片工藝復(fù)雜，價格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
為解決普通面陣CXD無法實現(xiàn)微秒級的連續(xù)時間分辨圖像記錄的問題，本發(fā)明提出一種提高面陣CCD幀頻的方法及高幀頻CCD器件，通過在CCD光敏區(qū)外部安裝有掩模板， 使得像敏元部分曝光，并利用未曝光像敏元臨時存儲采集的圖像數(shù)據(jù)，可使最高幀頻達到百萬幀每秒以上，獲得亞微秒時間間隔的圖像。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種提高面陣CXD幀頻的方法，其特殊之處在于包括以下步驟1將面陣CCD沿水平方向分成A個單元，每個單元分成若干個上下間隔設(shè)置的曝光像敏區(qū)和遮擋區(qū)，每個曝光像敏區(qū)包括m行外露的光敏元，每個遮擋區(qū)包括η行遮擋的光敏元；2面陣CXD曝光，曝光像敏區(qū)的m行光敏元生成光生電荷；3在像敏區(qū)行轉(zhuǎn)移脈沖的作用下，光生電荷向下方的遮擋區(qū)垂直轉(zhuǎn)移m行；4重復(fù)步驟2和步驟3共(n/m)次；5面陣CXD曝光，曝光像敏區(qū)的m行光敏元生成光生電荷；6在驅(qū)動時序脈沖的作用下，面陣CXD逐行水平輸出光生電荷。上述A = 1 ；所述面陣CXD的第一行為曝光像敏區(qū)。上述A > 1 ；所述奇數(shù)單元的第一行為曝光像敏區(qū)；所述偶數(shù)單元的第一行為遮擋區(qū)，所述偶數(shù)單元的曝光像敏區(qū)位于奇數(shù)單元上下相鄰曝光像敏區(qū)的中心對稱區(qū)所在的m 行上。上述的面陣CXD為b相(XD，其中b為大于等于2的整數(shù)；所述像敏區(qū)行轉(zhuǎn)移脈沖為b個交疊脈沖序列；所述b個交疊脈沖序列如下過程1-前曝光等待，曝光，每個單元轉(zhuǎn)移像敏區(qū)m行像素，即產(chǎn)生m個像敏區(qū)行轉(zhuǎn)移脈沖；

過程2--循環(huán)過程1，共重復(fù)η次；過程3—前曝光等待，曝光；過程4—進入輸出時序。上述 m = 1。還包括曝光過程中向面陣CXD提供同步脈沖強光源的步驟。一種高幀頻CXD器件，包括面陣(XD，其特殊之處在于還包括在面陣CXD光敏區(qū)沿光入射方向一側(cè)緊貼光敏元處安裝的不透明掩膜板， 所述掩膜板的長寬尺寸大于光敏區(qū)的長寬尺寸，所述掩膜板沿水平方向分成A個單元，每個單元沿水平方向開有若干個長方形孔構(gòu)成曝光像敏區(qū)，每個曝光像敏區(qū)的寬度小于或等于m行光敏元的寬度，每個曝光像敏區(qū)的長度小于每個單元的，每個曝光像敏區(qū)的上沿略低于或平齊于m行光敏元的最上沿，每個曝光像敏區(qū)的下沿略高于或平齊于m行光敏元的最下沿；所述m、η均為大于1的整數(shù)，且η為m的整數(shù)倍。上述A = 1 ；所述面陣CXD的第一行為曝光像敏區(qū)。上述A > 1 ；所述奇數(shù)單元的第一行為曝光像敏區(qū)；所述偶數(shù)單元的第一行為遮擋區(qū)，所述偶數(shù)單元的曝光像敏區(qū)位于奇數(shù)單元上下相鄰曝光像敏區(qū)的中心對稱區(qū)所在的m 行上。上述掩模板的材料為金屬或不透明的非金屬；所述的掩模板材料為陶瓷、硅或石英；所述掩模板表面鍍有CCD工作光譜吸收膜。本發(fā)明的有益效果1.本發(fā)明實現(xiàn)了 CXD百萬幀每秒以上的多幅連續(xù)圖像的獲取，達到微秒量級的時間分辨。2.本發(fā)明適用于多種普通面陣(XD，僅需要加工不同掩膜板和改變CXD的曝光、電荷轉(zhuǎn)移輸出流程即可實現(xiàn)，具有廣泛的適用性。


圖1是面陣CXD掩膜板結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的C⑶獲取圖像過程示意圖。圖3是像敏區(qū)行轉(zhuǎn)移脈沖時序關(guān)系及V表示意義的示意圖。圖4是本發(fā)明的CXD時序驅(qū)動關(guān)系圖。其中附圖標(biāo)記為1_掩模板，2-長方形孔，3-曝光光敏元，4-遮擋區(qū)。
具體實施例方式本發(fā)明提出了一種提高面陣CCD幀頻的方法，通過在CCD光敏區(qū)外部安裝有帶有若干長方形孔的掩模板，使得光敏區(qū)的某些行可以曝光，其他行則被遮擋不透光，形成存儲區(qū)，并通過像敏區(qū)行轉(zhuǎn)移脈沖時序控制曝光和光生電荷的轉(zhuǎn)移時間，提高了 CCD的幀頻。 一種提高面陣CXD幀頻的方法，包括以下步驟1將面陣CCD沿水平方向分成A個單元，每個單元分成若干個上下間隔設(shè)置的曝光像敏區(qū)和遮擋區(qū)，每個曝光像敏區(qū)包括m行外露的光敏元，每個遮擋區(qū)包括η行遮擋的光敏元；2面陣CXD曝光，曝光像敏區(qū)的m行光敏元生成光生電荷；3在像敏區(qū)行轉(zhuǎn)移脈沖的作用下，光生電荷向下方的遮擋區(qū)垂直轉(zhuǎn)移m行；4重復(fù)步驟2和步驟3共(n/m)次；5面陣CXD曝光，曝光像敏區(qū)的m行光敏元生成光生電荷；6在驅(qū)動時序脈沖的作用下，面陣CXD逐行水平輸出光生電荷。還包括曝光過程中向面陣CXD提供同步脈沖強光源的步驟。A = 1 ；所述面陣CXD的第一行為曝光像敏區(qū)。A > 1 ；所述奇數(shù)單元的第一行為曝光像敏區(qū)；所述偶數(shù)單元的第一行為遮擋區(qū)， 所述偶數(shù)單元的曝光像敏區(qū)位于奇數(shù)單元上下相鄰曝光像敏區(qū)的中心對稱區(qū)所在的m行上。面陣CXD為b相(XD，其中b為大于等于2的整數(shù)；所述像敏區(qū)行轉(zhuǎn)移脈沖為b個交疊脈沖序列；所述b個交疊脈沖序列如下過程1-前曝光等待，曝光，每個單元轉(zhuǎn)移像敏區(qū)m行像素，即產(chǎn)生m個像敏區(qū)行轉(zhuǎn)移脈沖；過程2—循環(huán)過程1，共重復(fù)η次；過程3—前曝光等待，曝光；過程4—進入輸出時序。上述 m=l。一種高幀頻CXD器件，包括面陣(XD，其特殊之處在于還包括在面陣CXD光敏區(qū)沿光入射方向一側(cè)緊貼光敏元處安裝的不透明掩膜板， 所述掩膜板的長寬尺寸大于光敏區(qū)的長寬尺寸，所述掩膜板沿水平方向分成A個單元，每個單元沿水平方向開有若干個長方形孔構(gòu)成曝光像敏區(qū)，每個曝光像敏區(qū)的寬度小于或等于m行光敏元的寬度，每個曝光像敏區(qū)的長度小于每個單元的，每個曝光像敏區(qū)的上沿略低于或平齊于m行光敏元的最上沿，每個曝光像敏區(qū)的下沿略高于或平齊于m行光敏元的最下沿；所述m、η均為大于1的整數(shù)，且η為m的整數(shù)倍。A = 1 ；所述面陣CXD的第一行為曝光像敏區(qū)。A > 1 ；所述奇數(shù)單元的第一行為曝光像敏區(qū)；所述偶數(shù)單元的第一行為遮擋區(qū)， 所述偶數(shù)單元的曝光像敏區(qū)位于奇數(shù)單元上下相鄰曝光像敏區(qū)的中心對稱區(qū)所在的m行上。掩模板的材料為金屬或不透明的非金屬；所述的掩模板材料為陶瓷、硅或石英； 所述掩模板表面鍍有CCD工作光譜吸收膜。掩膜板的具體結(jié)構(gòu)和掩膜方式如圖1所示，在面陣CCD光敏區(qū)外沿光入射方向且緊貼光敏元處安裝不透明掩膜板1，掩膜板1的尺度大于光敏區(qū)的尺度，掩膜板1上水平方向開有若干個長方形孔2，長方形孔2的寬度小于或等于m行光敏元的寬度，其中m大于等于1，且當(dāng)m = 1時可以達到最快幀頻速度，圖1中僅以m = 1為例。相鄰長方形孔2之間的寬度大于或等于η行光敏元的寬度，其中η大于等于1，且η大于等于m ；長方形孔2的長度大于或等于面陣CCD光敏區(qū)的寬度，長方形孔2的上沿略低于或平齊于曝光光敏元3的上沿，長方形孔2的下沿略高于或平齊于曝光光敏元3的下沿；這樣每隔m個曝光行，在光敏元上會出現(xiàn)η個遮擋區(qū)4，遮擋區(qū)4用于存儲曝光過程產(chǎn)生的電荷，故該CCD芯片上能夠存儲n+1幅圖像。上述掩膜板的材料為金屬或不透明的非金屬如陶瓷、硅、石英等。作為一種優(yōu)選方式，掩模板材料也可以選用硅或石英，并在其表面鍍有對CCD工作光譜吸收的吸收膜掩膜后CXD曝光和光生電荷的轉(zhuǎn)移流程如圖2所示首先CXD光敏元曝光一定時間，曝光像敏區(qū)生成光生電荷，形成第1幀圖像；其次在像敏區(qū)行轉(zhuǎn)移脈沖的作用下，CCD曝光像敏區(qū)光生電荷垂直轉(zhuǎn)移m行，使得第1幀圖像轉(zhuǎn)移至覆蓋區(qū)域的前m行中；重復(fù)前兩個步驟η次，則會在曝光像敏區(qū)依次形成第2至n+1幀圖像，并且轉(zhuǎn)移至覆蓋區(qū)域的前n*m 行中；圖2中僅以m = l，n = 4為例，這樣即獲得了 5幅圖像；最后在驅(qū)動時序脈沖的作用下，CXD光敏元逐行水平輸出圖像電荷。在這種工作模式下，CCD的最高幀頻由一行的轉(zhuǎn)移時間與曝光時間共同決定。由于 CCD的光敏區(qū)在轉(zhuǎn)移時也進行曝光，因此，最高幀頻能夠達到CCD行轉(zhuǎn)移時鐘的頻率速度， 即當(dāng)CCD行轉(zhuǎn)移最高時鐘為IMHz時，本發(fā)明的最高幀頻可以達到1百萬幀每秒。本發(fā)明更改了 CCD光敏區(qū)的分區(qū)結(jié)構(gòu)，因此需要根據(jù)更改的情況對驅(qū)動時序進行重新設(shè)計。由于在應(yīng)用中，遮擋區(qū)的像素仍然是原來CCD光敏區(qū)的像素，其轉(zhuǎn)移過程不會因為掩膜的存在而發(fā)生改變。因此在時序設(shè)計中，這些行的轉(zhuǎn)移仍然只能通過原CXD的行轉(zhuǎn)移進行控制，但因為需要在行轉(zhuǎn)移的過程中加入曝光時間，轉(zhuǎn)移η行后得到的為n+1幅超高幀頻圖像數(shù)據(jù)，因而需要采取特殊的驅(qū)動時序才能達到超高幀頻的效果。本發(fā)明需要改變像敏區(qū)行轉(zhuǎn)移驅(qū)動V的控制時序，所述的V是指完成一次電荷轉(zhuǎn)移的所需要的交疊脈沖，對于二相CCD以及三相CCD，其驅(qū)動為二相或三相交疊脈沖序列。 圖3以二相CXD為例，對其驅(qū)動時序工作原理具體說明，在二相C⑶中，V代表VI、V2組成的一個交疊脈沖。本發(fā)明中V代表的V1、V2之間的關(guān)系如圖3所示，僅以二相CXD為例。具體為過程1-前曝光等待(如果曝光等待時間為0，則一幅圖像的曝光時間為1行的轉(zhuǎn)移時間)， 轉(zhuǎn)移像敏區(qū)1行像素，即產(chǎn)生1個V脈沖；過程2—循環(huán)過程1，重復(fù)η次；結(jié)束曝光轉(zhuǎn)移過程進入輸出(Out)時序，輸出所有像素并記錄。由于采用本發(fā)明后，對于產(chǎn)生的n+1幅圖像，每幅圖像分辨率為原CCD分辨率的1/ (n+1)，時間間隔為行轉(zhuǎn)移時間+前曝光時間。例如1024X 1024的面陣(XD，若其行轉(zhuǎn)移時鐘(V)頻率為1. 25MHz，輸出時鐘最高為20MHz。采用本發(fā)明的方法后，η選取為7，前曝光時間為200ns，則可獲得8幅時間間隔為IOOOns (行轉(zhuǎn)移周期800ns+前曝光時間200ns)、 分辨率為1024X128的圖像，相應(yīng)幀頻為l + Ι.Ομ s = 1，000，OOOfps。本發(fā)明應(yīng)用后，可以使普通幀頻的CCD獲得百萬幀每秒的超高幀頻應(yīng)用效果。需要說明的是，當(dāng)曝光時間過短時，需要在曝光過程時給CCD提供同步脈沖強光源，以提高圖像信噪比。
權(quán)利要求
1.一種提高面陣CCD幀頻的方法，其特征在于包括以下步驟1將面陣CCD沿水平方向分成A個單元，每個單元分成若干個上下間隔設(shè)置的曝光像敏區(qū)和遮擋區(qū)，每個曝光像敏區(qū)包括m行外露的光敏元，每個遮擋區(qū)包括η行遮擋的光敏元；2面陣CXD曝光，曝光像敏區(qū)的m行光敏元生成光生電荷；3在像敏區(qū)行轉(zhuǎn)移脈沖的作用下，光生電荷向下方的遮擋區(qū)垂直轉(zhuǎn)移m行；4重復(fù)步驟2和步驟3共(n/m)次；5面陣CXD曝光，曝光像敏區(qū)的m行光敏元生成光生電荷；6在驅(qū)動時序脈沖的作用下，面陣CCD逐行水平輸出光生電荷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高面陣CCD幀頻的方法，其特征在于所述A=1 ；所述面陣CXD的第一行為曝光像敏區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高面陣CCD幀頻的方法，其特征在于所述A> 1 ；所述奇數(shù)單元的第一行為曝光像敏區(qū)；所述偶數(shù)單元的第一行為遮擋區(qū)，所述偶數(shù)單元的曝光像敏區(qū)位于奇數(shù)單元上下相鄰曝光像敏區(qū)的中心對稱區(qū)所在的m行上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的提高面陣CCD幀頻的方法，其特征在于所述的面陣CCD為b相CCD，其中b為大于等于2的整數(shù)；所述像敏區(qū)行轉(zhuǎn)移脈沖為b個交疊脈沖序列；所述b個交疊脈沖序列如下過程1-前曝光等待，曝光，每個單元轉(zhuǎn)移像敏區(qū)m行像素，即產(chǎn)生m個像敏區(qū)行轉(zhuǎn)移脈沖；過程2—循環(huán)過程1，共重復(fù)η次；過程3—前曝光等待，曝光；過程4一進入輸出時序。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提高面陣CCD幀頻的方法，其特征在于所述m=1。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高面陣CCD幀頻的方法，其特征在于還包括曝光過程中向面陣CCD提供同步脈沖強光源的步驟。
7.一種高幀頻CXD器件，包括面陣(XD，其特征在于還包括在面陣CCD光敏區(qū)沿光入射方向一側(cè)緊貼光敏元處安裝的不透明掩膜板，所述掩膜板的長寬尺寸大于光敏區(qū)的長寬尺寸，所述掩膜板沿水平方向分成A個單元，每個單元沿水平方向開有若干個長方形孔構(gòu)成曝光像敏區(qū)，每個曝光像敏區(qū)的寬度小于或等于m 行光敏元的寬度，每個曝光像敏區(qū)的長度小于每個單元的，每個曝光像敏區(qū)的上沿略低于或平齊于m行光敏元的最上沿，每個曝光像敏區(qū)的下沿略高于或平齊于m行光敏元的最下沿；所述m、η均為大于1的整數(shù)，且η為m的整數(shù)倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高幀頻CCD器件，其特征在于所述A= 1 ；所述面陣CCD的第一行為曝光像敏區(qū)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高幀頻CCD器件，其特征在于所述A> 1 ；所述奇數(shù)單元的第一行為曝光像敏區(qū)；所述偶數(shù)單元的第一行為遮擋區(qū)，所述偶數(shù)單元的曝光像敏區(qū)位于奇數(shù)單元上下相鄰曝光像敏區(qū)的中心對稱區(qū)所在的m行上。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8或9所述的高幀頻CCD器件，其特征在于所述掩模板的材料為金屬或不透明的非金屬；所述的掩模板材料為陶瓷、硅或石英；所述掩模板表面鍍有CCD工作光譜吸收膜 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高面陣CCD幀頻的方法及高幀頻CCD器件，包括以下步驟1.將面陣CCD沿水平方向分成A個單元，每個單元分成若干個上下間隔設(shè)置的曝光像敏區(qū)和遮擋區(qū)；2.面陣CCD曝光，曝光像敏區(qū)的m行光敏元生成光生電荷；3.在像敏區(qū)行轉(zhuǎn)移脈沖的作用下，光生電荷向下方的遮擋區(qū)垂直轉(zhuǎn)移m行；4.重復(fù)步驟2和步驟3共(n/m)次；5.面陣CCD曝光，曝光像敏區(qū)的m行光敏元生成光生電荷；6.在驅(qū)動時序脈沖的作用下，面陣CCD逐行水平輸出光生電荷。本發(fā)明解決了普通面陣CCD無法實現(xiàn)微秒級的連續(xù)時間分辨圖像記錄的問題，本發(fā)明可使最高幀頻達到百萬幀每秒以上，獲得亞微秒時間間隔的圖像。
文檔編號H04N5/359GK102300056SQ20111024277
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者夏驚濤, 孫鳳榮, 李斌康, 楊少華, 羅通頂, 郭明安, 陳彥麗 申請人:西北核技術(shù)研究所