一种基于CCD电极直接控制的高速双幅脉冲图像曝光方法与流程

本发明涉及涉及超高速摄影技术中分幅相机的图像曝光控制领域，具体涉及一种基于ccd电极直接控制的高速双幅脉冲图像曝光方法。

背景技术：

在超高速摄影技术及系统中，通常采用高速分幅相机来实现超高速的摄影频率，所以高速分幅相机是一种实现高速摄影的必备设备。一般而言，在超高速摄影领域内的高速分幅相机主要有两大类，一类是由分光棱镜或分光棱锥、多个具有高速快门控制功能的相机及时序控制控制系统组成，这一类的摄影频率可以非常高；另一类则是高速数字相机，在一定的分辨力情况下，其工作频率相对较低，远不是本发明专利针对的对象。对于第一类，其中的分光系统如棱镜或棱锥主要将入射成像光线束进行分光以获得多路的输出成像光线束、并最终在空间上获得分开了的多个像面，在这些像面上放置相应的多个相机，形成一种图像分幅效果。而具有高速快门控制功能的相机通常由iccd相机构成，这是一种在ccd相机前面加装了一种被称为图像增强器的高速光电器件，主要起到快门控制和对图像亮度进行增强的作用，由其控制图像曝光的速度，从而也决定了摄影频率：通过对多个iccd相机的曝光时间进行控制，就可以达到一种多幅图像顺序曝光的效果，从而获得一系列的图像。长期以来的实验已经证明，在这样的系统中，由于采用了iccd相机，也由于iccd相机中的图像增强器的原因，一般会导致摄影系统的空间分辨力相对于同等分辨力的ccd本身下降2倍以上；同时，也由于图像增强器对亮度的增强作用的原因，导致图像的信号动态范围被压缩，且噪声水平也增加，导致图像信噪比下降；另一方面，由于图像增强器有效成像面的限制，也比较难于获得较大的像面；而摄影系统中采用的分光系统，也会进一步削弱入射成像光线束的能量，导致系统灵敏度降低。在这样的系统中，一幅图像对应一套上述结构的成像支路系统；有多少幅图像就需要多少路这样成像支路系统，因此系统一般比较庞大、复杂。总体而言，在传统的高速分幅相机系统中，由于结构原理及关键件的性能原因，其空间分辨力、信噪比都会受到一定程度的影响，不总是都能满足一些较高的成像要求，在一定程度上，如何同时具有高速度、高分辨力、高成像性能、大画幅这些性能，是高速摄影技术研究中的重要问题，也是想要解决但一直未能实现的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于ccd电极直接控制的高速双幅脉冲图像曝光方法，解决现有的高速摄像系统存在的不能同时具有高速度、高分辨力、高成像性能、大画幅的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于ccd电极直接控制的高速双幅脉冲图像曝光方法，包括以下步骤：

(a)发光脉冲图像经过成像镜头，然后成像在ccd相机上；

(b)针对ccd正常信号电荷包的产生、转移及传输，在两次曝光驱动脉冲中间的无效时间内设置一种转移、传输驱动时序，利用转移电极隔离信号电荷包在曝光脉冲无效期间进行信号电荷包的隔离，从而将两次曝光产生的信号电荷进行分辨，并在曝光脉冲无效期间实现信号电荷包的正常转移及传输，进而获得一种双幅脉冲图像的超高时间分辨的成像能力。

传统的一种超高速两分幅相机典型结构如图1所示，在这样的分幅成像系统中，主要通过图中的分光棱镜或分光棱锥，将来自成像镜头后的成像光束分成空间分开的两束，其中的一束成像光束沿原来的光路继续前进，成像在一个iccd相机上获得一幅图像，另一束成像光束经一个反射镜或反射棱镜成像在另一个iccd相机上而获得另一幅图像，如果空间允许，这个iccd相机可以摆成正对分光棱镜的方向，则可以省去反射棱镜。再通过快门控制系统产生两个同步于脉冲发光图像的控制脉冲去控制图像增强器的开启与关闭，就可以获得对应时间的发光图像，如图2所示。在这样的系统中，摄影速度主要由控制图像增强器开启与关闭的脉冲的时间宽度及间隔决定，ccd相机的工作频率不是限制高速摄影的主要因素，其作用是保存图像而已，在这样的系统中，由于iccd相机的应用及分光的原因，虽然摄影频率可以较高，但降低了图像质量，空间分辨力、信噪比下降，像面尺寸受图像增强器的限制，也不可能较大，而本发明选择一种具有隔行结构的ccd，对其相关电极的驱动进行驱动时序的设计：仅采用一只常规的成像镜头作为成像光学系统，没有采用分光棱镜或分光棱锥等用于分光的光学元件，最大限度地保持了光学系统的成像性能及效率，有利于图像信噪比的提高；简单的成像系统极大地降低了常规分幅光学成像系统的设计难度及复杂程度，同时也大幅度降低了成像光学系统的研制成本，在满足两分幅图像成像要求的情况下，其同于普通照相光学系统的结构极为简单，使用方便，由于图像曝光的控制是通过ccd电极直接进行而不是采用速度可以很快但价格极为昂贵的图像增强器来实现的，进一步降低了超高速摄影系统构建的成本；虽然控制速度比图像增强器慢一些，但没有了图像增强器的环节，却极大地保持了ccd本身所具有的空间分辨力的性能；同时，没有了图像增强器对信号的动态范围的压缩作用及附加的额外噪声的影响，这种方式也最大限度地发挥了ccd本身的成像性能，并可满足较高的科学成像要求；本发明只采用一个成像镜头且无需分光系统、也无需复杂昂贵的图像增强器，获得的两幅图像也无需进一步的图像对准处理进行位置配准，而图像性能可以达到ccd同等水平，在幅数少、速度快、成像质量要求高的超高速摄影中具有较好的应用前景，并可以满足科学成像要求，由于ccd在成像质量方面的优良性能，如果在超高速摄影技术中能够充分发挥出其性能，则具有相当的意义。通过对ccd工作原理的分析，针对一些结构类型的ccd，提出了一种直接对其电极进行驱动控制来获得连续两幅图像的高速成像效果的方法，既达到了原ccd的成像性能，又获得了两幅图像的高速成像能力。

具体地讲，所述步骤(b)是这样实现的：

(b1)将主要工作时区划分为tl-t8共8个阶段，在ccd相机未工作时，无有效信号施加于各个电极上，当一个猝发的触发脉冲启动工作模式时，由控制电路系统产生ccd曝光电极φe上的驱动脉冲，设该驱动脉冲的高电平对应曝光正在进行，在t1的时区，第一个曝光正在进行；

(b2)在t2时区，在第一次曝光有效时间内、转移电极φsh的驱动脉冲也同时变为有效，导致在曝光电极φe下产生光电子的同时也将第一个曝光产生的光电子转移到电极φsh下；，

(b3)在t3时区，曝光电极φe上的驱动信号变为无效但转移电极φsh上信号保持有效，曝光电极φe下不再能够存储光电子，而光电子此时全部聚集在或转移到转移电极φsh下；

(b4)在t4时区，通过电极φsl施加一个阶跃脉冲信号，将存储在转移电极φsh下的光电子传输至电极φsl下；

(b5)在t5时区，当转移电极φsh下的光电子全部传输至电极φsl后，间隔一定的间隙后，给电极φs2施加一个阶跃脉冲信号，将电极φsl下的光电子转移至电极φs2；

(b6)在t6时区，保持在电极φsl下的光电子转移至电极φs2下直至转移完毕，此时传输的光电子信号包已完全与曝光电极φe隔离，同时曝光电极φe下可以用于产生并存储再次曝光产生的光电子，不会与前面的混淆；

(b7)在t7时区，电极φsl上的驱动脉冲变为无效而电极φs2上的驱动脉冲变为有效，使得光电子全部转移至电极φs2下，并可独立地按照时序输出，不再受曝光时序影响；

(b8)在t8时区，在遮光行里进行传输的信号电荷包因转移电极的隔离作用而不会受到曝光电极的影响，同时进行曝光产生的光电子将一直存储在曝光电极φe下，直至下一次的传输开始。

在输入一个猝发的触发脉冲时，立即启动时序电路工作：首先是进入曝光模式，产生一个曝光电极工作的有效驱动信号以便在曝光电极下形成信号电荷包，曝光时间可以根据需要进行设置，在这个曝光将要结束之前的很短时间内，产生一个转移控制脉冲去驱动转移电极，此时由当前曝光产生的信号电荷包将转移至转移电极下；然后，曝光模式失效、转移电极继续有效工作，同时相关传输电极也开始有效工作，此时，前面曝光产生的信号电荷包就会继续往传输电极下转移；随后，曝光模式仍保持失效状态、转移电极则变为失效状态，而传输电极保持有效工作状态，则先前曝光产生的信号电荷包将会在传输电极下进行逐级的传输直至输出ccd芯片，由于转移电极的隔离作用，此时这些信号电荷包将不会再与曝光电极下的任何电荷包相混淆；之后，再次产生曝光电极的有效驱动脉冲信号以进入第二次的曝光，产生的信号电荷包保持在曝光电极下，当第一次曝光产生的电荷包全部输出ccd之后再进行本次曝光产生的信号电荷包的输出；有关信号电荷包的输出时序按照ccd常规的驱动时序设计即可。在这个过程中，极为关键的就是曝光电极的有效驱动与转移电极有效驱动间的严格时间关系，由于转移电极的隔离作用，可以使先后两次曝光的信号电荷包不会混淆在一起，从而产生一种两次曝光可以分辨的效果，也就获得了可以在时间上进行分辨两幅脉冲发光图像的能力，而时间分辨的能力就主要由转移脉冲的宽度决定了，在目前的水平上，这个时间分辨的能力可以容易地达到1到2微秒级别，因此实现了一种超高速的两幅图像的时间分幅效果。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种基于ccd电极直接控制的高速双幅脉冲图像曝光方法，使用一片ccd即可完成两幅脉冲发光图像的快速成像功能，并获得与ccd芯片同等的优良性能，可以构建一种高效率的超高速的具有高成像性能的两分幅相机或摄影系统。与常规的高速摄影系统相比，在这样的系统中，仅采用一只常规的成像镜头作为成像光学系统，没有采用分光棱镜或分光棱锥等用于分光的光学元件，最大限度地保持了光学系统的成像性能及效率，有利于图像信噪比的提高；简单的成像系统极大地降低了常规分幅光学成像系统的设计难度及复杂程度，同时也大幅度降低了成像光学系统的研制成本，在满足两分幅图像成像要求的情况下，其同于普通照相光学系统的结构极为简单，使用方便。另一方面，由于图像曝光的控制是通过ccd电极直接进行而不是采用速度可以很快但价格极为昂贵的图像增强器来实现的，进一步降低了超高速摄影系统构建的成本；虽然控制速度比图像增强器慢一些，但没有了图像增强器的环节，却极大地保持了ccd本身所具有的空间分辨力的性能；同时，没有了图像增强器对信号的动态范围的压缩作用及附加的额外噪声的影响，这种方式也最大限度地发挥了ccd本身的成像性能，并可满足较高的科学成像要求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是现有技术中常规的超高速两分幅相机系统结构示意图；

图2是现有技术中常规的超高速两分幅相机控制时序示意图；

图3是本实施例采用的隔行扫描结构的ccd的电极排布方式示意；

图4是本发明ccd电极驱动脉冲宏观时序及信号电荷生成示意图；

图5是图4时序下各电极下图像曝光、生成、传输的详细说明示意图；

图6是形成超高速二分幅相机的宏观时序控制示意图；

图7是基于本发明的超高速高性能两分幅相机原理框图意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本发明一种基于ccd电极直接控制的高速双幅脉冲图像曝光方法，图3是一种行间转移的ccd的像元及电极宏观排布示意图，并简化了电极的具体结构及更细致的分布示意，其中φe代表曝光的驱动电极，φsh代表转移电极，φsl、φs2代表了多级的传输电极，其中φsh、φs1、φs2电极是不透光的，信号电荷在ccd中的产生及传输基本原理如下：当φe有效时，入射光产生的光电子将在其下聚集并形成信号电荷包，当φe无效时，其下聚集的信号电荷包将散掉而消失，从而丢失信号。当φe由有效到无效、φsh同时由无效到有效时，信号电荷包将转移到φsh电极下；然后在φsl、φs2的交替驱动下，信号电荷包逐级传输并输出ccd进行数字化等，最终获得一幅数字化的图像，本发明采用该ccd的像元及电极进行如下控制：(a)发光脉冲图像经过成像镜头，然后成像在ccd相机上；(b)针对ccd正常信号电荷包的产生、转移及传输，在两次曝光驱动脉冲中间极短的无效时间内设计一种转移、传输驱动时序，利用转移电极隔离信号电荷包的功能在曝光脉冲无效期间的后期进行信号电荷包的隔离，从而起到两次曝光产生的信号电荷包是可以分辨的效果，并满足在曝光脉冲无效期间实现信号电荷包的正常转移及传输，进而获得一种双幅脉冲图像的超高时间分辨的成像能力。而电极控制脉冲的时间关系宏观示意图如图4所示，并将主要工作时区进行了标示，如图4中的tl、t2-t8等。在ccd未工作时，无有效信号施加于各个电极上。当一个猝发的触发脉冲启动这种工作模式时，由控制电路系统产生ccd曝光电极φe上的驱动脉冲，假设驱动脉冲的高电平对应曝光正在进行，如图4中的t1代表的时区，此时，第一个曝光正在进行，也如图5中tl对应的示意图；为了转移第一个曝光产生的光电子信号，需要在曝光有效时间内在转移电极φsh上施加一个有效脉冲，此时在电极φe下一边产生光电子一边也在转移所产生的光电子到电极φsh下，如图5中的t2所示；随后，曝光电极φe上的驱动信号变为无效但转移电极φsh上信号保持有效，曝光电极φe下不再能够存储光电子，而光电子此时全部聚集在或转移到转移电极φsh下，如图5中的t3所示；为了将光电子逐级传输出去以防其回流到曝光电极φe下，还需要通过电极φsl、φs2施加满足一定时序要求的驱动脉冲，只要φs2在φs1有效后再有效即可，如图4中t4-t7所示；当传输的光电子信号包已完全与曝光电极隔离后，如图4中的t6以后的时区所示，则可以在曝光电极φe下进行另一个曝光了；在这个过程中，图4中t5时区具有重要作用，在该时区中，曝光电极φe驱动无效、转移电极φsh驱动无效，而传输电极φs1驱动有效，这样，光电子信号电荷包全部聚集在传输电极φs1下或同时在向传输电极φs2下传输，这表明曝光电极φe与传输电极φs1此时已被转移电极φsh隔断，说明曝光电极φe下此后产生的光电子将不会串入传输电极φs1下，也说明在下一个时区可以进行下一个曝光了，如图5中的t6所示，此时产生的曝光图像与前面的是可分辨的；进入时区t7时，在遮光行里进行传输的信号电荷包因转移电极的隔离作用而不会受到曝光电极的影响，可以按照其输出传输时序要求进行读出工作，如图4、图5中的t7、t8所。本发明不是去同步于发光脉冲图像进行曝光的，而是通过设置一种驱动脉冲时序巧妙地利用了转移脉冲的控制功能将前后两幅图像产生的信号进行转移传输与隔离，其转移过程是可以很快的，在ccd中，这种转移时间可以低到数十纳秒的水平，这也表明在两个曝光之间的时间可以是很短的，因此，控制好两个曝光的间隔与ccd这种驱动间的同步关系，这种控制方式有可能实现两幅图像的高速曝光功能，如图6所示，从而实现一种不用分光的高性能两分幅相机，如图7所示，相比较于图1所示两分幅相机，组成部分大幅减少，与通常的单路照相系统完全一样，其结构极为简单，却可以充分发挥ccd本身性能及光学系统高效的性能，在一定的使用要求下满足高性能的成像。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。