一種幀轉(zhuǎn)移ccd高幀頻開窗成像區(qū)域數(shù)據(jù)讀出方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種(XD探測器數(shù)據(jù)讀出方法，具體涉及一種幀轉(zhuǎn)移C⑶高幀頻開窗 成像區(qū)域數(shù)據(jù)讀出方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 面陣幀轉(zhuǎn)移CCD是光電探測領(lǐng)域常用的圖像傳感器。常用的標(biāo)準(zhǔn)信號讀出模式是 將一個積分周期內(nèi)所有的光生電荷都經(jīng)過垂直、水平轉(zhuǎn)移，最終輸出一幀完整圖像。目前， 幀轉(zhuǎn)移C⑶的面陣規(guī)模大多在256X256以上，大面陣(XD可達(dá)到上千萬像素。
[0003] 然而在一些特殊應(yīng)用中，比如高精度星敏感器，精跟蹤光電儀器等，其觀測目標(biāo)多 為單獨(dú)星點(diǎn)或信標(biāo)光點(diǎn)，視場范圍很小，并不需要用滿CCD的全部面陣范圍，全面陣成像帶 來的冗余數(shù)據(jù)反而會造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)量的負(fù)擔(dān)。同時，這類儀器對觀測時間辨率的要求很高， 需要能在短時間內(nèi)不斷地快速判斷星點(diǎn)或光點(diǎn)的小范圍移動，從而實(shí)現(xiàn)精確定位、跟蹤的 功能。因此，這類儀器對于探測器的開窗功能和高幀頻性能需求十分迫切。
[0004] 以往增加CCD幀頻的方法主要依靠CCD自身讀出速率的提高。但是由于大多數(shù)幀 轉(zhuǎn)移CCD本身面陣規(guī)模大，幀周期降低十分有限。也有通過掩膜等方式減少CCD感光區(qū)的 感光行數(shù)，實(shí)現(xiàn)一定成像行數(shù)的高幀頻讀出。但是這類方法只能在垂直方向上實(shí)現(xiàn)固定位 置和大小開窗，仍需讀出每個有效行的所有像元，所以開窗功能和高幀頻性能提升有限。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明提出了一種幀轉(zhuǎn)移CCD高幀頻開窗成像區(qū)域數(shù)據(jù)讀出方法，解決了幀轉(zhuǎn)移 CCD進(jìn)行高幀頻小窗模式成像的技術(shù)問題。
[0006] 如圖1所示，對于一個M行N列的幀轉(zhuǎn)移(XD探測器，可以實(shí)現(xiàn)開窗成像區(qū)域 pXq(p < M，q < N)的高幀頻讀出。其步驟包括：
[0007] 步驟1、全幀曝光：C⑶上電正常工作后，感光區(qū)的所有MXN個像元開始積分； [0008] 步驟2、通過垂直轉(zhuǎn)移及行丟棄時序控制，將需要讀出的p行有效像元轉(zhuǎn)移至存儲 區(qū)底部：如圖2所示，積分完成后，對感光區(qū)與存儲區(qū)所有像元進(jìn)行M+k次垂直轉(zhuǎn)移，其中k 表示開窗成像區(qū)域內(nèi)最下方一行與存儲區(qū)最上方一行之間間隔的行數(shù)。M+k次轉(zhuǎn)移過程中， 通過對CCD的時序控制，令最后k次轉(zhuǎn)移打開丟棄溝道，前M次關(guān)閉或打開丟棄溝道對方法 沒有影響；本步驟完成后，感光區(qū)最下方的k行像元在本幀成像過程中產(chǎn)生的電荷全部通 過丟棄溝道丟棄，而開窗成像區(qū)域內(nèi)最下方一行像元產(chǎn)生的電荷進(jìn)入存儲區(qū)底端的水平轉(zhuǎn) 移寄存器內(nèi)；同時，CCD的感光區(qū)開始下一幀的積分，設(shè)垂直轉(zhuǎn)移時鐘周期為T v，則本步驟共 耗時（M+k) XTV;
[0009] 步驟3、通過存儲區(qū)水平、垂直轉(zhuǎn)移及行丟棄時序控制，每行讀出q個有效像元后 即丟棄該行剩余像元，共讀出P行，總計(jì)讀出pXq個有效像元：如圖3所示，步驟2完成后， 水平轉(zhuǎn)移寄存器內(nèi)的電荷進(jìn)行水平轉(zhuǎn)移讀出，轉(zhuǎn)移過程中保持丟棄溝道關(guān)閉；水平轉(zhuǎn)移q 次后，打開丟棄溝道，進(jìn)行1次存儲區(qū)垂直轉(zhuǎn)移，再關(guān)閉丟棄溝道。本步驟共重復(fù)P次，每次 讀出q個像元，共讀出本幀開窗成像區(qū)域內(nèi)的全部P X q個有效像元，設(shè)水平轉(zhuǎn)移時鐘周期 為Th，則本步驟共耗時p X q X Th+p X Tv;
[0010] 步驟4、將存儲區(qū)內(nèi)剩余未讀出的無效行全部丟棄：如圖4所示，步驟3完成后，存 儲區(qū)內(nèi)還剩余M-p-k行電荷。本步驟在存儲區(qū)內(nèi)進(jìn)行M-p-k次垂直轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移其間打開丟 棄溝道，將這些電荷全部丟棄，本步驟共耗時（M-p-k) XTV。
[0011] 如圖5所示，步驟1-4覆蓋了完整的成像幀周期。其中步驟1為全幀曝光，其曝光 時間相當(dāng)于步驟3與步驟4的時間之和。前一幀的步驟3與步驟4,與本幀成像的步驟1同 時進(jìn)行。
[0012] 所述的幀轉(zhuǎn)移CCD高幀頻開窗讀出方法，完成一幀讀出所需的時間為：
[0013] (M+k) X Tv+p X q X Th+p X Tv+ (M-p-k) X Tv= 2M X T v+p X q X Th
[0014] 幀轉(zhuǎn)移CCD采用傳統(tǒng)全幀（不開窗）讀出所需的時間為：
[0015] 2MXTv+MXNXTh
[0016] 本發(fā)明所述的方法可將幀周期縮短（N-q) XTh，從而提高(XD讀出幀頻至傳統(tǒng)全幀 方式的
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種幀轉(zhuǎn)移CCD高幀頻開窗成像區(qū)域數(shù)據(jù)讀出方法，對于一個M行N列的幀轉(zhuǎn)移CCD 探測器，設(shè)定開窗成像區(qū)域pXq，其中行數(shù)口 < M，列數(shù)q < N，其特征在于，所設(shè)定的pXq 開窗成像區(qū)域的數(shù)據(jù)讀出方法步驟如下： 步驟1、全幀曝光：C⑶上電正常工作后，感光區(qū)的所有MXN個像元開始積分； 步驟2、通過垂直轉(zhuǎn)移及行丟棄時序控制，將需要讀出的p行有效像元轉(zhuǎn)移至存儲區(qū)底 部：積分完成后，對感光區(qū)與存儲區(qū)所有像元進(jìn)行M+k次垂直轉(zhuǎn)移，其中k表示開窗成像區(qū) 域內(nèi)最下方一行與存儲區(qū)最上方一行之間間隔的行數(shù);M+k次轉(zhuǎn)移過程中，通過對CCD的 時序控制，令最后k次轉(zhuǎn)移打開丟棄溝道，前M次關(guān)閉或打開丟棄溝道對方法沒有影響；該 步驟完成后，感光區(qū)最下方的k行像元在本幀成像過程中產(chǎn)生的電荷全部通過丟棄溝道丟 棄，而開窗成像區(qū)域內(nèi)最下方一行像元產(chǎn)生的電荷進(jìn)入存儲區(qū)底端的水平轉(zhuǎn)移寄存器內(nèi)； 同時，CCD的感光區(qū)開始下一幀的積分； 步驟3、通過存儲區(qū)水平、垂直轉(zhuǎn)移及行丟棄時序控制，每行讀出q個有效像元后即丟 棄該行剩余像元，共讀出P行，總計(jì)讀出P Xq個有效像元：步驟2完成后，水平轉(zhuǎn)移寄存器 內(nèi)的電荷進(jìn)行水平轉(zhuǎn)移讀出，轉(zhuǎn)移過程中保持丟棄溝道關(guān)閉；水平轉(zhuǎn)移q次后，打開丟棄溝 道，進(jìn)行1次存儲區(qū)垂直轉(zhuǎn)移，再關(guān)閉丟棄溝道。本步驟共重復(fù)P次，每次讀出q個像元，共 讀出本幀開窗成像區(qū)域內(nèi)的全部PXq個有效像元； 步驟4、將存儲區(qū)內(nèi)剩余未讀出的無效行全部丟棄：步驟3完成后，存儲區(qū)內(nèi)還剩余 M-p-k行電荷，本步驟在存儲區(qū)內(nèi)進(jìn)行M-p-k次垂直轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移期間打開丟棄溝道，將這些 電荷全部丟棄。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種幀轉(zhuǎn)移CCD高幀頻開窗成像區(qū)域數(shù)據(jù)讀出方法。對于一個M行N列的幀轉(zhuǎn)移CCD探測器，實(shí)現(xiàn)開窗成像區(qū)域p×q(行數(shù)p＜M，列數(shù)q＜N)的高幀頻讀出。其步驟分為：步驟1、全幀曝光；步驟2、通過垂直轉(zhuǎn)移及行丟棄時序控制，將需要讀出的p行有效像元轉(zhuǎn)移至存儲區(qū)底部；步驟3、通過存儲區(qū)水平、垂直轉(zhuǎn)移及行丟棄時序控制，每行讀出q個有效像元后即丟棄該行剩余像元，共讀出p行，總計(jì)讀出p×q個有效像元；步驟4、將存儲區(qū)內(nèi)剩余未讀出的無效行全部丟棄。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)幀轉(zhuǎn)移CCD的任意大小開窗成像，并且能夠提高器件的成像幀頻。它適用于星敏感器、光電精跟蹤儀器等應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)高時間分辨率精確定位與跟蹤的功能。
【IPC分類】H04N5-372, H04N5-378
【公開號】CN104735373
【申請?zhí)枴緾N201510145528
【發(fā)明人】郎均慰, 祝昊澤, 王躍明, 黃文俊, 王晟瑋, 韋麗清, 馬駿, 王建宇
【申請人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月31日