專利名稱:自帶電子快門的ccd高速攝象機(jī)的制作方法
本實(shí)用新型屬于一種CCD固態(tài)攝象機(jī)，特別是一種能夠攝取高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)清晰圖象的高速攝象機(jī)。
高速攝象機(jī)要獲取運(yùn)動(dòng)物體的清晰圖象，關(guān)鍵在于快門。快門的作用是縮短暴光時(shí)間，以消除高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)重復(fù)暴光所引起的圖象模糊。目前的高速攝象機(jī)都是由普通的固態(tài)攝象機(jī)附加機(jī)械快門或電子快門裝置組成，機(jī)械快門由于其開啟特性，穩(wěn)定性和可靠性等較差以及壽命有限等不足，因而有采用PLZT(摻鑭鋯鈦酸鋁系陶瓷的簡(jiǎn)稱)作的電子快門裝置。如日刊《映像情報(bào)》VOL 16 NO6 P87發(fā)表的電子快門CCD攝象機(jī)一文就是采用了這種電子快門。PLZT電子快門是由電脈沖控制PLZT透明鐵電陶瓷的光閥，但是由于PLZT器件在室溫下的介電常數(shù)高達(dá)4000，因而有過高的電荷使得開關(guān)時(shí)間無法縮短，并需配備較復(fù)雜龐大的控制線路；又由于PLZT器件本身有透光率損失，壽命有限，而且要求控制光閥的電場(chǎng)相當(dāng)高，比如厚度為1mm的瓷片就要求450伏／毫米的電場(chǎng)，正因如此，嚴(yán)重地影響了PLZT的擴(kuò)大推廣。此外，由于這種外加快門的高速攝象機(jī)價(jià)格昂貴，阻礙普及應(yīng)用。
本實(shí)用新型的目的是檳棄附加的快門裝置，采用底板清洗技術(shù)直接開發(fā)CCD圖象傳感器本身的電子快門特性，做出一種高效率，長(zhǎng)壽命，小巧低價(jià)和便于普及應(yīng)用的自帶電子快門的CCD高速攝象機(jī)。
普通的電視制式CCD固態(tài)攝象機(jī)包括圖象傳感器，驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生器和信號(hào)處理等電路。其中，驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生器所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖和驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，用來控制光積分和光積分電荷讀出。該攝象機(jī)的每場(chǎng)光積分時(shí)間為20ms，相當(dāng)于快門速度為1／50秒。若用這種攝象機(jī)攝取高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖象，顯然會(huì)引起目標(biāo)的重復(fù)暴光，造成圖象模糊。因此，本實(shí)用新型從縮短場(chǎng)積分的時(shí)間入手，使縮短的場(chǎng)積分脈沖起電子快門的作用，從而將普通的電視制式CCD攝象機(jī)改成自帶電子快門的高速攝象機(jī)。這種自帶快門的速度隨著場(chǎng)積分時(shí)間的縮短而增高。若把場(chǎng)積分時(shí)間縮短到1ms，則自帶快門的速度就提高到1／1000秒。但由于這種自帶快門與外加的快門不同，外加快門只在打開瞬間暴光，而現(xiàn)在的CCD沒有外加快門而始終處于暴光狀態(tài)，也就是說若起快門作用的有用場(chǎng)積分為1ms，則其余的19ms便屬于無用積分。所以問題最終歸結(jié)為要設(shè)法除掉這無用積分期間的光生電荷，使有用積分建立在清白的底板上，獲得清晰的圖象。為此，本實(shí)用新型提出采用清洗底板技術(shù)來除掉無用積分期間的光生電荷，實(shí)現(xiàn)普通電視制式CCD攝象機(jī)自帶電子快門。
本實(shí)用新型的清洗底板技術(shù)是通過改變CCD脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)脈沖和驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，在現(xiàn)有的行間轉(zhuǎn)移CCD上直接實(shí)現(xiàn)。改變后的CCD脈沖產(chǎn)生器設(shè)有雙脈沖產(chǎn)生器和雙頻率時(shí)鐘產(chǎn)生器。普通電視制式CCD脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的幾個(gè)主要驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘如圖5所示。其中φP是場(chǎng)積分脈沖；φT是積分電荷轉(zhuǎn)移控制脈沖；φV是寄存列垂直移位脈沖；φH是寄存列水平行移位脈沖。改變后的脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘如圖2所示。兩者區(qū)別在于場(chǎng)積分脈沖φ′P變?yōu)槊繄?chǎng)兩個(gè)脈沖，即有用積分和無用積分；垂直寄存列移位脈沖φ′V變成了兩種頻率組成的雙時(shí)鐘，即在無用積分和有用積分交界處A之后新增加了持續(xù)時(shí)間為τ3的高頻脈沖。改變有用積分時(shí)間的長(zhǎng)短可調(diào)整快門的速度。
本實(shí)用新型是通過以下電路來達(dá)到改變驅(qū)動(dòng)脈沖和驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的。
圖2是為實(shí)現(xiàn)底板清洗而要求改動(dòng)的雙脈沖產(chǎn)生器線路圖和相應(yīng)的波形圖。
圖3是為實(shí)現(xiàn)底板清洗而要求改動(dòng)的雙頻率時(shí)鐘產(chǎn)生器線路圖和相應(yīng)的波形圖。
圖2中的(1)(2)為一個(gè)雙單穩(wěn)集成塊，(3)(4)為與非門，TR＋表示脈沖上升沿觸發(fā)。其工作過程是當(dāng)原場(chǎng)積分φP來到時(shí)，其上升沿觸發(fā)了單穩(wěn)(1)，于是在其輸出端
Q1上得到一個(gè)寬度為τ1的負(fù)脈沖。τ1由R1和C1的乘積決定，調(diào)節(jié)R1可改變負(fù)脈沖τ1的寬度，即無用積分時(shí)間的長(zhǎng)短。在場(chǎng)掃描時(shí)間一定時(shí)，τ1越長(zhǎng)則快門的開啟時(shí)間越短。
Q1輸出的負(fù)脈沖τ1再去觸發(fā)單穩(wěn)(2)，于是在單穩(wěn)
Q2端又得一負(fù)脈沖τ2，其寬度由R2C2決定。調(diào)R2可使τ2與原φP脈沖寬度相同。此τ2脈沖與由與非門(3)反相后的φP在與非門(4)處疊加后得到雙脈沖φ′P。
圖3中(5)為單穩(wěn)集成塊，(6)(7)為與非門，(8)(9)是原CCD驅(qū)動(dòng)器中的反向放大器。其工作過程是當(dāng)由圖2中單穩(wěn)(2)的Q2端引入的正脈沖觸發(fā)單穩(wěn)(5)時(shí)，在Q5端得到寬度為τ3的正脈沖。τ3接至與非門(6)的輸入端，而連續(xù)振蕩的高頻脈沖接在與非門(6)的另一輸入端。當(dāng)Q5為高電平時(shí)與非門(6)才有高頻脈沖輸出。與非門(7)作為反相器用。(6)(7)輸出的持續(xù)時(shí)間為τ3的高頻脈沖分別經(jīng)電阻R4、R5，與原來的垂直移位兩相脈沖φV1、φV2分別經(jīng)過R6R7在放大器(8)(9)的輸入端相加。于是在(8)(9)的輸出端分別得到兩相雙頻率時(shí)鐘φV1′,φV2′]]>。雙頻率時(shí)鐘中的高頻時(shí)鐘位置緊接無用積分脈沖后沿，其持續(xù)時(shí)間不能超過有用積分的時(shí)間，即電子快門的開啟時(shí)間。
本實(shí)用新型的清洗原理如下在無用積分與有用積分的交界A處，無用積分結(jié)束，同時(shí)φ′T中新增加的那個(gè)脈沖把這些無用積分電荷迅速轉(zhuǎn)移到各垂直寄存器，緊接著移位脈沖φ′V中新增加的那一段高頻脈沖，以比原來φV高得多的速度把這些無用積分電荷快速推到水平寄存器，完成清洗底板和清洗垂直寄存器的任務(wù)。最后由水平寄存列移位脈沖φH輸出這些無用積分的視頻信號(hào)。可以想象到在快速推出期間，水平寄存器將承受涌浪一樣的無用積分電荷的沖擊，與此同時(shí)顯示器上將出現(xiàn)亮線。但是由于快速推出的時(shí)間只相當(dāng)于幾行時(shí)間，因此，無用積分電荷在顯示器上也僅顯現(xiàn)幾條亮線，若有用積分〔快門時(shí)間〕比場(chǎng)消隱時(shí)間短，則這幾行亮線將被消隱。若有用積分比場(chǎng)消隱時(shí)間長(zhǎng)，則這幾行亮線就出現(xiàn)在正常畫面中。交界A處之后為有用積分，當(dāng)建立在剛清洗過的清白底板上的有用積分電荷被送到垂直寄存器時(shí)，垂直移位脈沖已恢復(fù)正常，于是顯示器看到的是正常的圖象。
以下是本實(shí)用新型的具體實(shí)施例本實(shí)施例是采用日本Sony公司生產(chǎn)的XC37／38型黑白攝象機(jī)改造成的高速攝象機(jī)。
圖6是XC37／38機(jī)改造前有關(guān)的原理框圖及驅(qū)動(dòng)脈沖波形。
由于Sony機(jī)在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，將φP和φT兩脈沖合并成一個(gè)SG脈沖。當(dāng)SG為高電位時(shí)進(jìn)行光積分，而SG由高變低時(shí)就把光積分電荷轉(zhuǎn)移到垂直寄存器中，SG由低變高為場(chǎng)積分掃描起點(diǎn)。垂直移位脈沖為兩相φV2′,φV2′]]>。水平轉(zhuǎn)移脈沖φH不變(圖中未畫出)。圖中的CCD驅(qū)動(dòng)器為反相放大器。
圖4是XC37／38機(jī)改造后的原理框圖及波形圖。
圖4中是將原CCD驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生器產(chǎn)生的每場(chǎng)一個(gè)脈沖SG″和單一頻率的兩相時(shí)鐘
分別通過雙脈沖產(chǎn)生器和雙頻率時(shí)鐘產(chǎn)生器，變?yōu)殡p積分脈沖SG″′和由原頻率時(shí)鐘與新加的高頻時(shí)鐘組成的雙頻率兩相時(shí)鐘φV1′′,φV2′′]]>。雙時(shí)鐘產(chǎn)生器中的高頻頻率及持續(xù)時(shí)間是根據(jù)垂直移位寄存器的最高工作頻率及位數(shù)決定。經(jīng)驗(yàn)所知，Sony機(jī)的最高垂直移位脈沖頻率比0.5MHZ高一點(diǎn)，若選其高頻脈沖頻率為0.5MHZ，則由于Sony機(jī)垂直有491個(gè)感光單元，用隔行掃描方式工作，再加每場(chǎng)17行消隱，所以每場(chǎng)至少要有263個(gè)高頻脈沖。這樣，高頻脈沖的持續(xù)時(shí)間至少為2.0μs×263＝526μs。由此可見用Sony機(jī)改裝的最高快門速度為1／2000秒。一般情況下，為了清洗徹底可選得稍長(zhǎng)一些，如1ms左右。由于1ms時(shí)間有16行掃描，而這16行正是前面所述的可能出現(xiàn)亮線的幾行。因此，電子快門若選在1.27ms(Sony機(jī)場(chǎng)消隱時(shí)間)以內(nèi)，這幾行亮線正好被消隱掉，也就不會(huì)影響正常畫面。
Sony機(jī)改造成高速攝象機(jī)之后的工作過程圖4b的SG中原來脈沖與所增加脈沖之間的間隔為無用積分期間，無用積分一結(jié)束，即所增加的那個(gè)脈沖一下降，就把無用積分期間收集的光生電荷送入垂直移位寄存器。接著SG又升高在剛清洗過的清白底板上開始了有用積分。與此同時(shí)，寄存列垂直移位脈沖同時(shí)，寄存列垂直中所增加的高頻時(shí)鐘加到垂直移位寄存器中，只在幾行時(shí)間內(nèi)就把這些無用積分電荷快速推到水平寄存器，從而達(dá)到了清洗積分區(qū)和垂直移位區(qū)的目的。當(dāng)有用積分一結(jié)束即SG′一下降，就把有用積分期所收集的電荷立即移入垂直移位寄存器，緊接著移位脈沖
中的原低頻脈沖工作，于是顯示器上顯示有用積分的正常圖象。
本實(shí)用新型采用的底板清洗技術(shù)直接開發(fā)了固態(tài)攝象機(jī)的電子快門特性，把普通電視制式的CCD攝象機(jī)改造為自帶電子快門的高速攝象機(jī)，檳棄了目前高速攝象機(jī)的任何附加快門。這種開發(fā)技術(shù)既適合于黑白攝象機(jī)，也適用于彩色攝象機(jī)。該高速攝象機(jī)不但保持了CCD攝象機(jī)的超小型、長(zhǎng)壽命、低殘象，低功耗和無圖象失真等優(yōu)勢(shì)，而且具有快門啟動(dòng)特性好，快門壽命與集成電路一樣長(zhǎng)，快門速度可調(diào)使用方便，沒有外加重量、無透光率損失和無機(jī)械接觸以及無機(jī)械磨損故障等理想的性能。該高速攝象機(jī)改裝費(fèi)用與整個(gè)CCD攝象機(jī)相比微乎其微，其性能價(jià)格比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何外加快門裝置的高速攝象機(jī)。因此該機(jī)必將沖破原高速攝象機(jī)筑起的高價(jià)障礙，進(jìn)入普及領(lǐng)域以充分發(fā)揮其作用。該高速攝象機(jī)還可與普通電視監(jiān)視器、錄象機(jī)等兼容。當(dāng)快門速度調(diào)到1／50秒或1／60秒時(shí)，就是普通電視攝象機(jī)。除之而外，由于該機(jī)為低幀頻高速攝象機(jī)，所以給普通計(jì)算機(jī)處理高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖象提供了方便。
權(quán)利要求
1.一種包括CCD圖象傳感器，CCD驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生器，CCD驅(qū)動(dòng)器和信號(hào)處理等電路的固態(tài)攝象機(jī)，其特征在于CCD驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生器中設(shè)有產(chǎn)生無用積分與有用積分的雙脈沖產(chǎn)生器和產(chǎn)生原頻率時(shí)鐘與高頻時(shí)鐘的雙頻率時(shí)鐘產(chǎn)生器。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的攝象機(jī)，其特征在于雙脈沖產(chǎn)生器中設(shè)有調(diào)節(jié)自帶電子快門速度的電阻器R1。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的攝象機(jī)，其特征在于雙頻率時(shí)鐘產(chǎn)生器中設(shè)有完成底板清洗任務(wù)的高頻時(shí)鐘產(chǎn)生器。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的攝象機(jī)，其特征在于高頻時(shí)鐘產(chǎn)生器產(chǎn)生的高頻時(shí)鐘位置緊接無用積分脈沖后沿。
專利摘要
該攝象機(jī)采用底板清洗技術(shù)開發(fā)固態(tài)攝象機(jī)本身的快門特性，直接將現(xiàn)有的電視制式行間轉(zhuǎn)移CCD攝象機(jī)，改裝成自帶電子快門的高速攝象機(jī)。徹底擯棄了已有高速攝象機(jī)的附加快門裝置。這種自帶電子快門的高速攝象機(jī)，不但保持了CCD攝象機(jī)的超小型、長(zhǎng)壽命、低殘象、低功耗和無圖象失真等優(yōu)點(diǎn)，而且快門性能高，可獲得高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的清晰圖象。該攝象機(jī)改裝費(fèi)用小，其性能價(jià)格比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過已有任何外加快門裝置的高速攝象機(jī)。有良好地普及應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G02F1/01GK86205900SQ86205900
公開日1987年6月17日 申請(qǐng)日期1986年8月11日
發(fā)明者楊金玉, 陸仁夏 申請(qǐng)人:西北電訊工程學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan