[发明专利]一种提高面阵CCD帧频的方法及高帧频CCD器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高CCD帧频的方法及相应的CCD器件，尤其涉及一种提高普通面阵CCD帧频的方法及用普通面阵CCD制作的高帧频CCD器件。

背景技术

超高帧频成像系统可以很好反映出研究对象的细节运动过程，从而获得一些有价值的信息，在碰撞试验研究、等离子体物理研究、爆炸现象研究、战场侦查等科学试验研究领域有广泛应用。CCD器件作为一种常用图像传感器，已经广泛应用于各个领域。但在高帧频成像系统中，由于帧频率主要决定于CCD图像传感器图像数据的输出时间，故受到CCD自身结构的影响，在高分辨时很难达到超高帧频的效果。

人们通过多种技术途径来减少CCD的像素总输出时间以提高CCD的帧频，如特定窗口输出技术，仅输出部分感兴趣图像区域，相当于减小图像分辨率；隔行输出技术，仅输出特定行，属于图像的二次采样，降低了图像分辨率；Binning技术，把n×n以上的像素合并为一个像素进行输出，降低了图像分辨率，但可提高灵敏度。这些技术可以使CCD的帧频提高数倍以上，极大的扩展了高帧频CCD的应用领域，但仍然无法实现微秒级的连续时间分辨图像。为进一步提高CCD帧频率，有人提出了在位存储图像传感器(ISIS，In-situ Storage Image Sensor)，并研制出速度达到1百万帧每秒、分辨率360×360、存储帧数100帧的超高帧频相机，但芯片工艺复杂，价格昂贵。

发明内容

为解决普通面阵CCD无法实现微秒级的连续时间分辨图像记录的问题，本发明提出一种提高面阵CCD帧频的方法及高帧频CCD器件，通过在CCD光敏区外部安装有掩模板，使得像敏元部分曝光，并利用未曝光像敏元临时存储采集的图像数据，可使最高帧频达到百万帧每秒以上，获得亚微秒时间间隔的图像。

本发明的技术解决方案为：

一种提高面阵CCD帧频的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】将面阵CCD沿水平方向分成A个单元，每个单元分成若干个上下间隔设置的曝光像敏区和遮挡区，每个曝光像敏区包括m行外露的光敏元，每个遮挡区包括n行遮挡的光敏元；

2】面阵CCD曝光，曝光像敏区的m行光敏元生成光生电荷；

3】在像敏区行转移脉冲的作用下，光生电荷向下方的遮挡区垂直转移m行；

4】重复步骤2】和步骤3】共(n/m)次；

5】面阵CCD曝光，曝光像敏区的m行光敏元生成光生电荷；

6】在驱动时序脉冲的作用下，面阵CCD逐行水平输出光生电荷。

上述A＝1；所述面阵CCD的第一行为曝光像敏区。

上述A＞1；所述奇数单元的第一行为曝光像敏区；所述偶数单元的第一行为遮挡区，所述偶数单元的曝光像敏区位于奇数单元上下相邻曝光像敏区的中心对称区所在的m行上。

上述的面阵CCD为b相CCD，其中b为大于等于2的整数；所述像敏区行转移脉冲为b个交叠脉冲序列；所述b个交叠脉冲序列如下：

过程1--前曝光等待，曝光，每个单元转移像敏区m行像素，即产生m个像敏区行转移脉冲；

过程2--循环过程1，共重复n次；

过程3--前曝光等待，曝光；

过程4--进入输出时序。

上述m＝1。

还包括曝光过程中向面阵CCD提供同步脉冲强光源的步骤。

一种高帧频CCD器件，包括面阵CCD，其特殊之处在于：

还包括在面阵CCD光敏区沿光入射方向一侧紧贴光敏元处安装的不透明掩膜板，所述掩膜板的长宽尺寸大于光敏区的长宽尺寸，所述掩膜板沿水平方向分成A个单元，每个单元沿水平方向开有若干个长方形孔构成曝光像敏区，每个曝光像敏区的宽度小于或等于m行光敏元的宽度，每个曝光像敏区的长度小于每个单元的，每个曝光像敏区的上沿略低于或平齐于m行光敏元的最上沿，每个曝光像敏区的下沿略高于或平齐于m行光敏元的最下沿；所述m、n均为大于1的整数，且n为m的整数倍。

上述A＝1；所述面阵CCD的第一行为曝光像敏区。

上述A＞1；所述奇数单元的第一行为曝光像敏区；所述偶数单元的第一行为遮挡区，所述偶数单元的曝光像敏区位于奇数单元上下相邻曝光像敏区的中心对称区所在的m行上。

上述掩模板的材料为金属或不透明的非金属；所述的掩模板材料为陶瓷、硅或石英；所述掩模板表面镀有CCD工作光谱吸收膜。

本发明的有益效果：

1.本发明实现了CCD百万帧每秒以上的多幅连续图像的获取，达到微秒量级的时间分辨。