一种CCD曝光时间控制方法与流程

本发明涉及一种光电探测器控制技术，尤其涉及一种CCD探测器曝光控制技术。

背景技术：

光电耦合器件(CCD)是被广泛应用于科研、监控、安防、机载及空间应用光电探测仪器的半导体成像器件。CCD器件分为前照式和背照式两种，背照式器件由于有更高的量子效率而广泛应用。CCD器件有隔行输出、全帧输出和全转移输出3中输出模式，在高性能探测中多数使用全转移输出模式。全转移输出器件内为3部分，分别为感光区、存储区和水平转移区。

CCD器件工作时需要由数字逻辑器件产生驱动时序，控制电荷从感光区转移到存储区(帧转移过程)，从存储区转移到水平转移区输出(水平转移过程)。

对于没有电子快门的CCD器件，如果不使用机械快门，则器件的帧频与曝光时间通常不能分别控制；即降低帧频就会提高曝光时间，有可能出现输出饱和。因此对于动态范围较大的成像仪器，通常设计了机械快门，或使用有电子快门的CCD器件。

电子快门在部分高帧频大面阵探测器中由于设计难度大而没有实现，因此在部分应用中为了实现系统指标选用的器件不具备电子快门，而系统应用中又需要实现快门功能；使得为实现系统指标需要增加机械快门，从而给系统设计增加难度、提高成本。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种CCD曝光时间控制方法，其解决了背景技术中无电子快门CCD器件曝光时间调整的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种CCD曝光时间控制方法，用于帧转移CCD探测器，每个曝光周期包括以下步骤：

1)信号产生：本次曝光周期开始时，数字逻辑器件同步输出感光区帧转移信号A、存储区帧转移信号B和水平读出信号C；

2)感光区帧转移期间：感光区帧转移信号A将前一周期曝光产生的电荷转移到存储区，存储区帧转移信号B将存储区电荷转移到水平读出区，水平读出信号C将水平读出区信号转移输出；

3)感光区无效转移期间：感光区无效转移期间，感光区帧转移信号A将感光区内的无效电荷转移到存储区，存储区帧转移信号B将存储区内前一周期曝光产生的电荷转移到水平读出区，再由水平读出信号C转移输出；

4)有效曝光期间：有效曝光期间开始时，CCD器件开始有效曝光，直至有效曝光期间暨本次曝光周期结束；

有效曝光期间内，数字逻辑器件停止输出感光区帧转移信号A，存储区帧转移信号B和水平读出信号C保持输出直至将存储区内电荷全部读出；其中将存储区内电荷全部读出的具体步骤为：存储区帧转移信号B、水平读出信号C先将存储区内前一帧周期曝光产生电荷全部读出；再将感光区无效转移器件转移到存储区内的无效电荷读出，此部分电荷读出后抛弃不用。

进一步地，上述数字逻辑器件包括FPGA、CPLD或ASIC。

进一步地，上述数字逻辑器件可实现高速并行数字逻辑输出。

进一步地，上述步骤1)中CCD探测器是无电子快门的帧转移CCD探测器。

进一步地，上述帧转移是将CCD器件感光区内电荷转移到存储区内的驱动信号输出操作。

进一步地，上述水平转移是将CCD器件存储区内的电荷信号从读出抽头水平读出的驱动信号输出操作。

本发明具有如下优点：

1、使用软件控制可实现曝光时间与帧频的独立控制；

2、使用无电子快门CCD器件即可实现电子快门功能，降低了成本。

附图说明

图1为帧转移CCD探测器结构示意图；

图2为帧转移CCD器件读出时序图；

图3为本发明提出的电子快门实现的帧转移CCD器件读出时序图。

具体实施方式

本发明CCD曝光时间控制方法，用于无电子快门的帧转移CCD探测器，每个曝光周期包括以下步骤：

1)信号产生：本次曝光周期开始时，数字逻辑器件(包括可实现高速并行数字逻辑输出的FPGA、CPLD或ASIC)同步输出感光区帧转移信号A、存储区帧转移信号B和水平读出信号C；

2)感光区帧转移期间：感光区帧转移信号A将前一周期曝光产生的电荷转移到存储区，存储区帧转移信号B将存储区电荷转移到水平读出区，水平读出信号C将水平读出区信号转移输出；

3)感光区无效转移期间：感光区无效转移期间，感光区帧转移信号A将感光区内的无效电荷转移到存储区，存储区帧转移信号B将存储区内前一周期曝光产生的电荷转移到水平读出区，再由水平读出信号C转移输出；

4)有效曝光期间：有效曝光期间开始时，CCD器件开始有效曝光，直至有效曝光期间暨本次曝光周期结束；有效曝光期间内，数字逻辑器件停止输出感光区帧转移信号A，存储区帧转移信号B和水平读出信号C保持输出直至将存储区内电荷全部读出；其中将存储区内电荷全部读出的具体步骤为：存储区帧转移信号B、水平读出信号C先将存储区内前一帧周期曝光产生电荷全部读出；再将感光区无效转移器件转移到存储区内的无效电荷读出，此部分电荷读出后抛弃不用。

本发明的原理是：

大面阵CCD器件通常设计为全帧转移输出结构，包含感光区、存储区和水平转移区；在控制CCD器件曝光时，通常是先进行感光区到存储区的帧转移，再进行存储区到水平转移区的水平转移；水平转移的同时感光区进行下一帧图像曝光。

这样对于没有电子快门的CCD器件，设定工作帧频后CCD器件的曝光时间即确定；本发明提出了新的曝光控制时序，实现软件电子快门，实现原理是在水平转移期间持续进行帧转移，在有效曝光时间开始时再停止帧转移进行光电转换。

与之对应的原理过程是：使用数字逻辑器件产生CCD器件驱动信号；在水平转移期间持续进行帧转移；在曝光时间起始时刻停止帧转移，开始有效曝光。

本发明的具体实施方式如下：

1)控制数字逻辑器件产生感光区、存储区帧转移信号和水平读出信号C，将前一次曝光产生的电荷转移到存储区；

2)产生水平读出信号的同时不停止感光区帧转移信号；

3)水平读出信号将存储区中的电荷转移输出，感光区帧转移信号将感光区中无效电荷向存储区持续转移；

4)感光区帧转移信号停止，感光区开始有效曝光；

5)感光区曝光期间存储区帧转移信号、水平读出信号持续工作，将无效电荷在上一帧有效信号后转移读出后抛弃；

6)完成有效曝光后进行步骤1)的操作。