專(zhuān)利名稱(chēng)：一種快速傳輸ccd感應(yīng)電荷的驅(qū)動(dòng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本技術(shù)涉及光電轉(zhuǎn)換元件CCD (Charge Coupled Device),特別涉及一種 能夠?qū)崿F(xiàn)CCD感應(yīng)電荷快速傳輸?shù)姆椒ā?br> 背景技術(shù)：
目前，數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、手機(jī)攝像裝置、監(jiān)控器材等數(shù)碼影像器 材在人們的生活中扮演者越來(lái)越重要的角色。與傳統(tǒng)的影像裝置不同，數(shù)碼 影像器材是將圖像的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，將圖像信息以電信號(hào)的方式儲(chǔ)存。 在數(shù)碼影像裝置工作過(guò)程中，最關(guān)鍵的步驟是將圖像的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)， 這一過(guò)程是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的。光電轉(zhuǎn)換器件是由成千上萬(wàn)的像素單 元陣列組成的。光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程中， 一整幅圖像的連續(xù)光信號(hào)被分割成以像 素為單位的小單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換，每個(gè)像素包含對(duì)應(yīng)區(qū)域的圖像信息，便于數(shù)字 化存儲(chǔ)。對(duì)于同一幅畫(huà)面，光電轉(zhuǎn)換器件的像素?cái)?shù)越多，畫(huà)面就越精細(xì)，同 時(shí)用于表示這幅畫(huà)面的信息量就越大。
目前常用的光電轉(zhuǎn)換器件主要有CCD和CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)兩種。CMOS雖然具有耗電量小、電荷傳輸速度快等諸 多優(yōu)點(diǎn)，但是它的噪聲過(guò)多、靈敏度低，因此大多高品質(zhì)的輸入設(shè)備采用CCD 為光電轉(zhuǎn)換器件。
受CCD自身的物理結(jié)構(gòu)限制，感應(yīng)光信號(hào)產(chǎn)生的電荷不能直接輸出 CCD,而是需要經(jīng)過(guò)垂直移位寄存器和水平移位寄存器兩次轉(zhuǎn)移。傳統(tǒng)的CCD 每列都對(duì)應(yīng)一個(gè)垂直移位寄存器，卻只在陣列外圍有一個(gè)水平移位寄存器。 光信號(hào)在感應(yīng)區(qū)產(chǎn)生感應(yīng)電荷后，所有感應(yīng)電荷首先轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器， 接著每個(gè)列寄存器每次都將最外面的一個(gè)像素電荷轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器， 然后水平移位寄存器將一行電荷依次轉(zhuǎn)移出CCD。直到一整行轉(zhuǎn)移完，每個(gè)垂直移位寄存器再各自轉(zhuǎn)移一個(gè)像素電荷到水平移位寄存器。由上可知，行、
垂直移位寄存器電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程不能同時(shí)進(jìn)行，以至于轉(zhuǎn)移CCD內(nèi)的感應(yīng)電荷 需要耗費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。且像素越多，信息量越大，耗費(fèi)的時(shí)間就越長(zhǎng)。隨著技 術(shù)的發(fā)展，CCD的像素?cái)?shù)越來(lái)越高，電荷傳輸所需要的時(shí)間便會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)， 嚴(yán)重影響了數(shù)碼設(shè)備的性能。因此，提高CCD電荷轉(zhuǎn)移速度，是該領(lǐng)域亟待 解決的難題之一。.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，提供一種快速傳輸CCD感應(yīng)電荷 的馬區(qū)動(dòng)方法。
本發(fā)明一種快速傳輸CCD感應(yīng)電荷的驅(qū)動(dòng)方法將整個(gè)CCD劃分為左
右兩部分分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，左半部分電荷進(jìn)行豎直傳輸?shù)耐瑫r(shí)，右半部分進(jìn)行
水平傳輸；光電轉(zhuǎn)換及電荷轉(zhuǎn)移具體步驟如下
步驟l: CCD接收?qǐng)D像光信號(hào)，所有像素產(chǎn)生感應(yīng)電荷；
步驟2:所有感應(yīng)電荷從感應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器；
步驟3:左右兩邊各個(gè)垂直移位寄存器內(nèi)感應(yīng)電荷，間隔地進(jìn)入最下方的
水平移位寄存器，通過(guò)水平移位寄存器將各行電荷以像素為單位，從水平移
位寄存器兩端轉(zhuǎn)移出CCD。
步驟4: 一整幅畫(huà)面的感應(yīng)電荷完成后，CCD進(jìn)4亍新一幅畫(huà)面的接收，
重復(fù)步驟1至步驟3的過(guò)程。
其中步驟3中電荷轉(zhuǎn)移的具體實(shí)施步驟為
步驟l:左邊各個(gè)垂直移位寄存器將對(duì)應(yīng)于第l行各個(gè)像素的電荷，垂直 轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器左半部分；
步驟2:右邊各個(gè)垂直移位寄存器將對(duì)應(yīng)于第l行各個(gè)像素的電荷，垂直 轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器右半部分；與此同時(shí)，水平移位寄存器左半部分，將 其內(nèi)部感應(yīng)電荷以像素為單位，從水平移位寄存器左端轉(zhuǎn)移出CCD;
步驟3:左邊各個(gè)垂直移位寄存器將對(duì)應(yīng)于第2行各個(gè)像素的電荷，垂直 轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器左半部分；與此同時(shí)，水平移位寄存器右半部分，將其內(nèi)部感應(yīng)電荷以像素為單位，從水平移位寄存器右端轉(zhuǎn)移出CCD;
步驟4:'右邊各個(gè)垂直移位寄存器將對(duì)應(yīng)于第2行各個(gè)像素的電荷，垂直 轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器右半部分；與此同時(shí)，水平移位寄存器左半部分，將 其內(nèi)部感應(yīng)電荷以像素為單位，從水平移位寄存器左端轉(zhuǎn)移出CCD;
步驟5:依此類(lèi)推，按照步驟2至步驟4的方法，左端垂直轉(zhuǎn)移的同時(shí)右 端水平轉(zhuǎn)移，右端垂直轉(zhuǎn)移的同時(shí)左端水平轉(zhuǎn)移，兩個(gè)過(guò)程交替進(jìn)行，直至 傳輸完整幅畫(huà)面的感應(yīng)電荷。
本發(fā)明的有益效果是
若假設(shè)垂直轉(zhuǎn)移時(shí)間為；，水平轉(zhuǎn)移的時(shí)間為。傳統(tǒng)CCD中& > 2x rff ， 因此與傳統(tǒng)CCD驅(qū)動(dòng)相比，本項(xiàng)技術(shù)節(jié)約的電荷傳輸時(shí)間百分比為
總之，本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，效果非常顯著，快速傳輸CCD感應(yīng)電荷，其使 用方便，應(yīng)用廣泛。


圖1是應(yīng)用本發(fā)明的CCD和TG連接關(guān)系的總體結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是感應(yīng)電荷傳輸流程； 圖3是主要信號(hào)波形圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖，具體說(shuō)明本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)，以及在此結(jié)構(gòu)下的工作過(guò)程。
1、硬件結(jié)構(gòu)
本發(fā)明以傳統(tǒng)CCD的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)連接各個(gè)電極的驅(qū)動(dòng)、測(cè)量電路進(jìn) 行新的設(shè)計(jì)，達(dá)到快速電荷轉(zhuǎn)移的目的。
總體硬件結(jié)構(gòu)如附圖1所示，主要分為CCD和TG兩部分。圖中TG1， 垂直驅(qū)動(dòng)信號(hào)選通器2，水平驅(qū)動(dòng)信號(hào)選通器3， CCD輸出測(cè)量放大裝置4，CCD像素5， CCD垂直移位寄存器6， CCD水平移位寄存器7，垂直驅(qū)動(dòng) 信號(hào)8,水平驅(qū)動(dòng)信號(hào)9，選通信號(hào)10, CCD輸出信號(hào)11。需要特別指出的 是本圖l為示意圖，實(shí)際CCD中比圖中所畫(huà)像素?cái)?shù)多得多。圖1中信號(hào)線 中，粗線代表總線，細(xì)線代表普通信號(hào)線。
CCD為電荷傳輸?shù)妮d體，TG為電荷傳輸提供驅(qū)動(dòng)。下面對(duì)二者分別進(jìn)行 說(shuō)明。
與傳統(tǒng)的TG相比，本系統(tǒng)中所需TG只需要多提供一個(gè)選通信號(hào)，其它 與傳統(tǒng)TG相同。
CCD的半導(dǎo)體、電極結(jié)構(gòu)部分無(wú)變化，只改變驅(qū)動(dòng)電極的連接方式。具 體改變?nèi)缦?br> (1) CCD的垂直移位寄存器是相互獨(dú)立的，每個(gè)垂直移位寄存器上，對(duì) 應(yīng)每個(gè)像素都有一組獨(dú)立的電極。傳統(tǒng)的CCD將各個(gè)垂直移位寄存器上對(duì)應(yīng) 于同一行的電極全部連接在一起，與一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)相連，通過(guò)改變電極處電 位的高低實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移。而本發(fā)明中，是將所有垂直移位寄存器分為左右 兩組，同一組內(nèi)所有垂直移位寄存器對(duì)應(yīng)于同一行的電才及全部相連，由一組 驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。這樣，共需兩組垂直驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
由于兩邊傳輸機(jī)制相同，且間隔地進(jìn)行垂直轉(zhuǎn)移，故由TG統(tǒng)一提供。圖 1中TG輸出的垂直轉(zhuǎn)移信號(hào)通過(guò)選通器2與兩組垂直移位寄存器的電極相 連。選通器的開(kāi)關(guān)信號(hào)由TG提供。
(2) CCD共有1個(gè)水平移位寄存器，水平移位寄存囍上每個(gè)像素對(duì)應(yīng)著 一組電極。與上面垂直移位寄存器的分法相對(duì)應(yīng)，水平移位寄存器分為左右 兩部分。左右兩部分的電才及上，施加相互對(duì)稱(chēng)的兩組水平驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
水平移位寄存器兩邊也是間隔地進(jìn)行傳輸?shù)?。TG輸出的一組水平驅(qū)動(dòng)信 號(hào)，經(jīng)過(guò)圖1中選通器3與水平移位寄存器的兩組電極相連。
CCD電荷的感應(yīng)電荷從水平移位寄存器的兩端輸出，接入到圖1中電荷 測(cè)量放大裝置4，將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳輸給TG。
(3) 為了實(shí)現(xiàn)行轉(zhuǎn)移和列轉(zhuǎn)移的配合，行、列信號(hào)選通器的選通受同一 個(gè)信號(hào)控制。2、 電荷傳輸過(guò)程
在上述硬件系統(tǒng)的前提下，電荷傳輸過(guò)程如圖2所示，說(shuō)明如下
步驟1:在選通信號(hào)10的控制下，選通器2使垂直驅(qū)動(dòng)信號(hào)同時(shí)作用于 左右兩端的列驅(qū)動(dòng)器，所有感應(yīng)電荷從各個(gè)像素轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器。
步驟2:在選通信號(hào)10的控制下，選通器2使垂直驅(qū)動(dòng)信號(hào)僅作用于左 邊的垂直移動(dòng)寄存器。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下，左邊垂直移動(dòng)寄存器內(nèi)部所有 電荷下移一行，最下一行感應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器中。(注意傳輸 到最后一個(gè)周期時(shí)，垂直移位寄存器中只有轉(zhuǎn)移信號(hào)，沒(méi)有電荷轉(zhuǎn)移。)
步驟3:與步驟2同時(shí)，選通器3使水平驅(qū)動(dòng)信號(hào)僅作用于水平移位寄存 器右邊部分，其內(nèi)部所有感應(yīng)電荷從右端順次轉(zhuǎn)移到測(cè)量放大裝置4，進(jìn)而轉(zhuǎn) 移到TG1。(注意在第一個(gè)周期時(shí)，水平移位寄存器內(nèi)沒(méi)有電荷，雖然有 水平轉(zhuǎn)移信號(hào)，^旦是沒(méi)有真正的電荷轉(zhuǎn)移。)
步驟4:判斷步驟2、步驟3傳輸?shù)氖欠駷榇怪币莆患拇嫫鲀?nèi)最后一行感 應(yīng)電荷；若是，返回步驟l;若為否，向下進(jìn)行。
步驟5:在選通信號(hào)10的控制下，選通器2使垂直驅(qū)動(dòng)信號(hào)僅作用于右 邊的垂直移動(dòng)寄存器。右邊垂直移動(dòng)寄存器內(nèi)部所有電荷下移一行，最下一 感應(yīng)電荷轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器中；
步驟6:與步驟5同時(shí)，選通器3使水平驅(qū)動(dòng)信號(hào)僅作用于水平移位寄存 器左邊部分，其內(nèi)部所有感應(yīng)電荷從左端順次轉(zhuǎn)移到測(cè)量放大裝置4，進(jìn)而轉(zhuǎn) 移到TG1。
步驟6完成后返回步驟2。
3、 選通信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制
下面參照?qǐng)D3說(shuō)明選通信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制關(guān)系。圖3中選通信號(hào)1; 左端垂直移位寄存器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)2;水平移位寄存器左半部分的驅(qū)動(dòng)信號(hào)3; 右端垂直移位寄存器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)4;水平移位寄存器右半部分的驅(qū)動(dòng)信號(hào)5。
關(guān)于此圖"i兌明如下
(1) 信號(hào)1表示1個(gè)具體信號(hào)，其幅值高低表示該信號(hào)電壓高低。
(2) 信號(hào)2 5中，每個(gè)信號(hào)都代表一組信號(hào)。幅值低的部分代表該組信號(hào)電壓水平保持不變；陰影部分，表示該組信號(hào)正常工作，驅(qū)動(dòng)電荷移動(dòng)。
(3 )周期2和周期M之間斜線部分代表兩個(gè)周期之間被省略的若干周期 的信號(hào)。
信號(hào)控制電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)作過(guò)程如下 (1 )周期0:信號(hào)1處于中間電位。它控制兩個(gè)選通器分別選通信號(hào)2、 4,使之工作，信號(hào)3、 5保持電位不變，完成電荷傳輸過(guò)程中的步驟一。
(2) 周期1的前半周期信號(hào)l處于低電位。選通器2使信號(hào)3工作， 信號(hào)2保持電位不變，完成電荷傳輸過(guò)程中的步驟二。選通器3使信號(hào)4工 作，信號(hào)5保持電位不變，完成電荷傳輸過(guò)程中的步驟三。
(3) 周期1的后半周期信號(hào)l處于高電位。選通器2^吏信號(hào)2工作， 信號(hào)3保持電位不變，完成電荷傳輸過(guò)程中的步驟四。選通器3使信號(hào)5工 作，信號(hào)4保持電位不變，完成電荷傳輸過(guò)程中的步驟五。
(4) 周期2 M時(shí)序與周期l相同。
(6)周期M+1與下一幅畫(huà)面的周期O共同占用一個(gè)周期的時(shí)間。 以上是對(duì)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)所需結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、工作過(guò)程及驅(qū)動(dòng)信號(hào)的系統(tǒng)闡述。
權(quán)利要求
1.一種快速傳輸CCD感應(yīng)電荷的驅(qū)動(dòng)方法，其特征是，將整個(gè)CCD劃分為左右兩部分分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，左半部分電荷進(jìn)行豎直傳輸?shù)耐瑫r(shí)，右半部分進(jìn)行水平傳輸；光電轉(zhuǎn)換及電荷轉(zhuǎn)移具體步驟如下步驟1CCD接收?qǐng)D像光信號(hào)，所有像素產(chǎn)生感應(yīng)電荷；步驟2所有感應(yīng)電荷從感應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器；步驟3左右兩邊各個(gè)垂直移位寄存器內(nèi)感應(yīng)電荷，間隔地進(jìn)入最下方的水平移位寄存器，通過(guò)水平移位寄存器將各行電荷以像素為單位，從水平移位寄存器兩端轉(zhuǎn)移出CCD。步驟4一整幅畫(huà)面的感應(yīng)電荷完成后，CCD進(jìn)行新一幅畫(huà)面的接收，重復(fù)步驟1至步驟3的過(guò)程。其中步驟3中電荷轉(zhuǎn)移的具體實(shí)施步驟為(1)左邊各個(gè)垂直移位寄存器將對(duì)應(yīng)于第1行各個(gè)像素的電荷，垂直轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器左半部分；(2)右邊各個(gè)垂直移位寄存器將對(duì)應(yīng)于第1行各個(gè)像素的電荷，垂直轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器右半部分；與此同時(shí)，水平移位寄存器左半部分，將其內(nèi)部感應(yīng)電荷以像素為單位，從水平移位寄存器左端轉(zhuǎn)移出CCD；(3)左邊各個(gè)垂直移位寄存器將對(duì)應(yīng)于第2行各個(gè)像素的電荷，垂直轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器左半部分；與此同時(shí)，水平移位寄存器右半部分，將其內(nèi)部感應(yīng)電荷以像素為單位，從水平移位寄存器右端轉(zhuǎn)移出CCD；(4)右邊各個(gè)垂直移位寄存器將對(duì)應(yīng)于第2行各個(gè)像素的電荷，垂直轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器右半部分；與此同時(shí)，水平移位寄存器左半部分，將其內(nèi)部感應(yīng)電荷以像素為單位，從水平移位寄存器左端轉(zhuǎn)移出CCD；(5)依此類(lèi)推，按照步驟(2)至步驟(4)的方法，左端垂直轉(zhuǎn)移的同時(shí)右端水平轉(zhuǎn)移，右端垂直轉(zhuǎn)移的同時(shí)左端水平轉(zhuǎn)移，兩個(gè)過(guò)程交替進(jìn)行，直至傳輸完整幅畫(huà)面的感應(yīng)電荷。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種快速傳輸CCD感應(yīng)電荷的驅(qū)動(dòng)方法。本發(fā)明將整個(gè)CCD劃分為左右兩部分分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，左半部分電荷進(jìn)行豎直傳輸?shù)耐瑫r(shí)，右半部分進(jìn)行水平傳輸；光電轉(zhuǎn)換及電荷轉(zhuǎn)移具體步驟如下1.CCD接收?qǐng)D像光信號(hào)，所有像素產(chǎn)生感應(yīng)電荷；2.所有感應(yīng)電荷從感應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器；3.左右兩邊各個(gè)垂直移位寄存器內(nèi)感應(yīng)電荷，間隔地進(jìn)入最下方的水平移位寄存器，通過(guò)水平移位寄存器將各行電荷以像素為單位，從水平移位寄存器兩端轉(zhuǎn)移出CCD；4.一整幅畫(huà)面的感應(yīng)電荷完成后，CCD進(jìn)行新一幅畫(huà)面的接收，重復(fù)步驟1至步驟3的過(guò)程。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，效果非常顯著，快速傳輸CCD感應(yīng)電荷，其使用方便，應(yīng)用廣泛。
文檔編號(hào)H04N3/15GK101562685SQ20091006902
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者曹再鉉, 董洪濤, 鄭龍周 申請(qǐng)人:天津三星光電子有限公司