带电荷倾倒功能的帧转移ccd曝光时间短至零的实现方法
【专利摘要】本发明涉及一种带电荷倾倒功能的帧转移CCD曝光时间短至零的实现方法，具体步骤为：复位帧转移，连续“帧转移-电荷倾倒”四次以上；如果要求的曝光时间不为零，转到下一步；否则跳过下两步执行；空闲曝光；读出帧转移；清空水平读出寄存器；读出一帧图像。本发明通过将电荷倾倒的时机前移至与复位帧转移同时进行，在一个工作状态里同时完成了整个CCD所有电荷存储单元的清空/复位，完美地实现了电子快门的功能，使帧转移CCD曝光时间的调节不再受任何限制，可以短至零，调节精度也仅受限于驱动时序设计所使用的主时钟周期。
【专利说明】带电荷倾倒功能的顺转移CCD曝光时间短至零的实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光电探测【技术领域】，具体设及一种带电荷倾倒功能的帖转移CCD曝光 时间短至零的实现方法。
【背景技术】
[0002] 在紫外/极紫外波段，由于信号的动态范围非常大，除了要求CCD满阱电荷要大、 读出噪声要尽可能小W外，还要求CCD能够实现毫秒级的曝光时间，W增加对强光信号的 探测范围。另外从系统定标的角度，零曝光时间的暗信号图像表征系统偏置，零曝光时间的 光信号图像可用于提取高信噪比的Smear信号。可见当前的应用已经提出了曝光时间短至 零的需求。
[0003] "全帖转移CCD+机械快口"的方案可W实现十毫秒级的曝光时间控制，但其精度 低、系统复杂且可靠性低。使用帖转移CCD可W省去机械快口，它比全帖转移CCD多了一个 存储区，在曝光结束后通过帖转移操作将成像区的曝光电荷快速地转移到存储区，然后再 逐行逐个像元地读出。连续两次帖转移之间的时间间隔就是曝光时间，对没有电子快口的 帖转移CCD而言，该是控制曝光时间的唯一方法。但常用的驱动时序设计流程能实现的最 短曝光时间就是完全读出一帖图像所需要的时间，该显然无法满足需求。
[0004] 专利化201010586695. 8 "帖转移CCD短曝光时间的驱动时序实现方法"用帖倾倒 取代帖读出，可W将最短曝光时间降低一个数量级，但仍受倾倒一帖电荷所需时间的限制。 现有技术中的另外一种改进方法将帖倾倒的时机后移至与下一次"读出"帖转移同时进行， 可W实现曝光时间微秒级的精细调节，直至零曝光时间。但前一个专利的试验结果已经表 明，一次电荷倾倒是无法保证彻底清除存储区内的电荷的，有相当一部分会残留到下一帖 读出的图像里。
【发明内容】
[0005] 本发明解决的技术问题在于克服现有方法的不足，通过驱动时序的特殊设计，提 供了一种带电荷倾倒功能的帖转移CCD曝光时间短至零的实现方法。
[0006] 本发明的技术解决方案说明如下：
[0007] 一种带电荷倾倒功能的帖转移CCD曝光时间短至零的实现方法，包括W下步骤： [000引步骤一；复位帖转移；控制帖转移时钟信号连续执行四次W上帖转移操作，同时 打开电荷倾倒沟道，将成像区在上一帖图像读出时长时间曝光积累的无用电荷快速向下转 移，经存储区、水平读出寄存器最后送入电荷倾倒沟道复合掉；
[0009] 步骤二：此时在成像区和存储区内存储的都是曝光时间为零的图像，如果要求的 曝光时间为零，转到步骤五；否则，转到步骤=;
[0010] 步骤曝光；空闲曝光指定时间，电荷倾倒沟道保持打开状态；
[0011] 步骤四；读出帖转移；控制帖转移时钟信号执行一次帖转移操作，将成像区曝光 积累的电荷快速转移到存储区；电荷倾倒沟道保持打开状态；
[0012] 步骤五：水平读出寄存器清空；关闭电荷倾倒沟道，控制水平读出寄存器连续读 出两行W上，读出电路保持复位状态，W彻底清除水平读出寄存器内可能残留的无用电荷。
[0013] 在上述技术方案中，步骤五之后还包括步骤六；读出；控制存储区、水平读出寄存 器和读出电路逐行逐个像元地读出一帖图像。
[0014] 在上述技术方案中，步骤一中的帖转移操作连续垂直转移的像元行数为；成像区 像元行数与存储区像元行数之和的2倍及W上。
[0015] 本发明的积极效果：
[0016] 1、通过将电荷倾倒的时机前移至与复位帖转移同时进行，在一个工作状态里同时 完成了整个CCD所有电荷存储单元的清空/复位，完美地实现了电子快口的功能，使帖转移 CCD曝光时间的调节不再受任何限制，可W短至零，调节精度也仅受限于驱动时序设计所使 用的主时钟周期；
[0017] 2、连续多次的"帖转移-电荷倾倒"操作，可W保证彻底清空成像区和存储区，不 会有电荷残留到下一帖要读出的图像里。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1是本发明设计的CCD工作状态组成图。可见看到，本发明的设计仅在典型设 计的基础上增加了一个多次"帖转移-电荷倾倒"状态，即增加了电子快口的功能，CCD的工 作流程从简单的两段式"曝光一读出"变化为依然简单的=段式"复位一曝光一读出"。
[0019] 图2是本发明实现任意长度（包括零）曝光时间的CCD驱动时序控制流程图。其 中有两次对曝光时间的判断；第一次判断如果为零，可W跳过两个工作状态直接读出图像， 该是因为连续多次的"帖转移-电荷倾倒"操作早已将存储区内的无用电荷清空，存储区内 现在存储就是一幅从成像区转移过来的曝光时间为零的图像；第二次判断如果大于等于清 空读出时间，就可W回归到典型设计的控制流程，将帖读出时成像区的曝光量作为总曝光 时间的一部分，可W极大地缩短帖周期、提高帖频。
【具体实施方式】
[0020] 本发明的发明思想为；将电荷倾倒的时机前移至与复位帖转移同时进行，在一个 工作状态里同时完成整个CCD所有电荷存储单元的清空/复位，实现了电子快口的功能，使 帖转移CCD可W实现短至零的曝光时间；
[0021] 下面通过实施例对本发明作进一步说明。
[0022] 本发明解决问题的技术方案如下；
[002引设成像区有Ni行像元，存储区有Ns行像元。具体步骤描述如下：
[0024] 步骤一：复位帖转移（W复位为目的）。控制帖转移时钟信号连续执行四次W上帖 转移操作（包括四次），即连续垂直转移2 (Ni+Ns)行W上（包括2 (Ni+Ns)行），同时打开电 荷倾倒沟道，将成像区在上一帖图像读出时长时间曝光积累的无用电荷快速向下转移，经 存储区、水平读出寄存器最后送入电荷倾倒沟道复合掉。连续多次的"帖转移-电荷倾倒" 操作可W保证彻底清除成像区和存储区内的电荷；
[0025] 步骤二：此时在成像区和存储区内存储的都是曝光时间为零的图像，如果要求的 曝光时间为零，转到步骤五；否则，转到步骤=;
[0026] 步骤曝光。空闲曝光指定时间，电荷倾倒沟道保持打开状态；
[0027] 步骤四：读出帖转移（W读出为目的）。控制帖转移时钟信号执行一次帖转移操 作，将成像区曝光积累的电荷快速转移到存储区；电荷倾倒沟道保持打开状态；
[002引步骤五；水平读出寄存器清空。关闭电荷倾倒沟道，控制水平读出寄存器连续读出 两行W上，读出电路保持复位状态，W彻底清除水平读出寄存器内可能残留的无用电荷； [0029] 步骤六：读出。控制存储区、水平读出寄存器和读出电路逐行逐个像元地读出一帖 图像。
[0030] 实施例：
[0031] e2v公司的帖转移CCD47-20,成像区有1027行像元，存储区有1033行像元。实现 零曝光时间的驱动时序控制流程如下：
[003引1、控制帖转移时钟信号101、102、103、S01、S02和S03连续垂直转移 2X (1027+1033) = 4120行，同时将电荷倾倒栅极控制信号DG置高，打开电荷倾倒沟道，将 成像区在上一帖图像读出时长时间曝光积累的无用电荷快速向下转移，经存储区、水平读 出寄存器最后送入电荷倾倒沟道彻底复合掉。
[0033] 2、此时在成像区和存储区内存储的都是曝光时间为零的图像，如果要求的曝光时 间为零，转到步骤5 ;否则，转到步骤3 ;
[0034] 3、空闲曝光指定时间，所有时钟控制信号保持默认电平，电荷倾倒沟道保持打开 状态；
[003引 4、控制帖转移时钟信号101、102、103、S01、S02和S03连续垂直转移1033 行，即执行一次读出帖转移操作，将成像区曝光积累的电荷快速转移到存储区；电荷倾倒沟 道保持打开状态；
[0036] 5、DG置低关闭电荷倾倒沟道，控制水平读出时钟信号R0U民02和民03连续读 出两行W上，读出电路的复位脉冲信号0R保持为复位的高电平状态，W彻底清除水平读 出寄存器内可能残留的无用电荷；
[0037] 6、控制行转移时钟信号S01、S02、S03、水平读出时钟信号民01、民02、 民03和读出电路的复位脉冲信号0民.逐行逐个像元地读出一帖图像。
[003引显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对 于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可W做出其它不同形式的变化或 变动。该里无需也无法对所有的实施方式予W穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或 变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
【权利要求】
1. 一种带电荷倾倒功能的帧转移CCD曝光时间短至零的实现方法，其特征在于，包括 以下步骤： 步骤一：复位帧转移；控制帧转移时钟信号连续执行四次以上帧转移操作，同时打开 电荷倾倒沟道，将成像区在上一帧图像读出时长时间曝光积累的无用电荷快速向下转移， 经存储区、水平读出寄存器最后送入电荷倾倒沟道复合掉； 步骤二：此时在成像区和存储区内存储的都是曝光时间为零的图像，如果要求的曝光 时间为零，转到步骤五；否则，转到步骤三； 步骤三：曝光；空闲曝光指定时间，电荷倾倒沟道保持打开状态； 步骤四：读出帧转移；控制帧转移时钟信号执行一次帧转移操作，将成像区曝光积累 的电荷快速转移到存储区；电荷倾倒沟道保持打开状态； 步骤五：水平读出寄存器清空；关闭电荷倾倒沟道，控制水平读出寄存器连续读出两 行以上，读出电路保持复位状态，以彻底清除水平读出寄存器内可能残留的无用电荷。
2. 根据权利要求1所述的带电荷倾倒功能的帧转移CCD曝光时间短至零的实现方法， 其特征在于，步骤五之后还包括： 步骤六：读出；控制存储区、水平读出寄存器和读出电路逐行逐个像元地读出一帧图 像。
3. 根据权利要求1或2所述的带电荷倾倒功能的帧转移CCD曝光时间短至零的实现方 法，其特征在于，步骤一中的帧转移操作连续垂直转移的像元行数为：成像区像元行数与存 储区像元行数之和的2倍及以上。
【文档编号】H04N5/341GK104486563SQ201410797093
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月19日 优先权日:2014年12月19日
【发明者】马庆军, 宋克非, 韩振伟 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所