基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法与流程

本发明涉及cmos图像传感器的图像获取方法，具体涉及一种基于全局快门型cmos图像传感器的高时间分辨图像获取方法。

背景技术：

1、基于图像传感器的高速相机在瞬态物理过程研究领域中应用广泛。目前常用的图像传感器主要有两种：ccd图像传感器和cmos图像传感器。由于cmos图像传感器与模拟电路、大规模数字电路的兼容性好，便于在传感器内部实现高精度量化、高速采样输出等功能，已逐渐取代ccd图像传感器，成为成像系统设计的主要传感器。

2、cmos图像传感器根据其像素阵列的复位及曝光控制信号特征，大致分为全局快门型、卷帘快门型及混合快门型。其中，全局快门型cmos图像传感器通常具有像素阵列中所有像素同时曝光和同时复位的控制信号；卷帘快门型cmos图像传感器则智能地对同一行的像素进行统一的曝光和复位控制；混合快门型cmos图像传感器具备像素阵列统一的曝光控制信号，可以使像素阵列在同一时刻开始曝光，但每行像素结束曝光的时刻不同，复位信号为行复位。

3、在高速成像领域，通常将成像速度在1000帧每秒到100万帧每秒之间的成像系统称为高速成像系统，其曝光时间在1ms到1μs之间；将成像速度大于100万帧每秒的成像系统称为超高速成像系统，其曝光时间小于1μs。基于传感器的电子快门最小曝光时间通常受限于传感器曝光控制信号的最小脉宽或像素阵列的最小转移信号脉宽，普通cmos图像传感器的最小曝光时间通常在微秒量级，特殊的片上存储型图像传感器的最小曝光时间在十纳秒到百纳秒量级。

4、目前普通的全局快门cmos图像传感器实现纳秒级时间分辨图像的获取，通常需要采用像增强器的光快门等高时间分辨快门技术，这种方式会增加成像系统的成本。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决普通全局快门型cmos图像传感器难以实现高时间分辨图像直接获取的技术问题，而提供一种基于全局快门型cmos图像传感器的高时间分辨图像获取方法。

2、本发明的原理是：

3、本发明利用全局快门型cmos图像传感器具备的光敏区复位、浮置栅极复位及电荷转移控制信号，以及电路结构，通过对像素光敏区与像素浮置栅极的关联控制，实现高时间分辨图像的获取。

4、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

5、一种基于全局快门型cmos图像传感器的高时间分辨图像获取方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

6、步骤1、选取全局快门型cmos图像传感器，并根据数据手册，获得全局快门型cmos图像传感器的最小控制信号脉宽δt1、最小转移周期δt2和图像读出时间δt3；

7、步骤2、根据成像目标的时间分辨要求，设定全局快门型cmos图像传感器获取图像的目标曝光时间δtexp；

8、步骤3、在曝光起始时刻信号到来之前，使全局快门型cmos图像传感器处于清零复位状态；

9、步骤4、将曝光起始时刻记为t0，在t0时刻，全局快门型cmos图像传感器开始进行图像曝光，并将图像对应的感应电荷从像素光敏区转移至像素浮置栅极；

10、步骤5、令t1＝t0+δtexp，在t1时刻，图像对应的感应电荷转移结束，全局快门型cmos图像传感器结束图像曝光，像素信号读出电路开始读出曝光时间为δtexp的图像数据；

11、步骤6、令t2＝t1+δt3，在t2时刻，图像数据读出完毕，单次高时间分辨图像获取完毕，返回步骤3，开始下一帧高时间分辨图像的获取，直至高时间分辨图像获取完毕。

12、进一步地，步骤1中，所述全局快门型cmos图像传感器的像素光敏区设置有光敏区复位控制端，用于连接光敏区复位控制信号；像素浮置栅极设置有浮置栅极与光敏区之间的转移控制端、浮置栅极复位控制端，分别用于连接转移控制信号及浮置栅极复位控制信号；

13、所述光敏区复位控制信号、连接转移控制信号及浮置栅极复位控制信号均为独立控制信号。

14、进一步地，所述步骤3具体为：

15、在曝光起始时刻信号到来之前，保持光敏区复位控制信号和浮置栅极复位控制信号打开，并判断目标曝光时间δtexp与最小控制信号脉宽δt1、最小转移周期δt2的大小；

16、若δtexp＜max(δt1，δt2)，保持浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号打开；若δtexp≥max(δt1，δt2)，保持浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号打开或关闭；曝光起始时刻信号到来之前，若目标曝光时间δtexp大于最小控制信号脉宽δt1和最小转移周期δt2，浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号的打开与关闭不影响感应电荷的转移。

17、进一步地，所述步骤4具体为：

18、将曝光起始时刻记为t0，在t0时刻，关闭光敏区复位控制信号和浮置栅极复位控制信号，开始进行图像曝光；并使浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号打开，将图像对应的感应电荷从像素光敏区转移至像素浮置栅极。

19、进一步地，所述步骤5具体为：

20、令t1＝t0+δtexp，在t1时刻，图像对应的感应电荷转移结束，关闭浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号、打开光敏区复位控制信号清除像素光敏区的残余电荷，并保持浮置栅极复位控制信号关闭；全局快门型cmos图像传感器结束图像曝光，像素信号读出电路开始读出曝光时间为δtexp的图像数据。

21、进一步地，步骤1中，所述全局快门型cmos图像传感器的像素浮置栅极设置有浮置栅极与光敏区之间的转移控制端、浮置栅极复位控制端，分别用于连接转移控制信号及浮置栅极复位控制信号；

22、所述浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号和浮置栅极复位控制信号均为独立控制信号。

23、进一步地，所述步骤3具体为：

24、在曝光起始时刻信号到来之前，保持浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号和浮置栅极复位控制信号均打开，使全局快门型cmos图像传感器处于清零复位状态。

25、进一步地，所述步骤4具体为：

26、将曝光起始时刻记为t0，在t0时刻，关闭浮置栅极复位控制信号，开始进行图像曝光；并保持浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号打开，将图像对应的感应电荷从像素光敏区转移至像素浮置栅极。

27、进一步地，所述步骤5具体为：

28、令t1＝t0+δtexp，在t1时刻，图像对应的感应电荷转移结束，关闭浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号，并保持浮置栅极复位控制信号关闭，结束图像曝光，像素信号读出电路开始读出曝光时间为δtexp的图像数据。

29、与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

30、1、本发明提供的基于全局快门型cmos图像传感器的高时间分辨图像获取方法利用全局快门型cmos图像传感器的像素结构特征，进行特殊驱动时序设计，所需驱动系统简单，改进成本较低，能在不增加系统复杂度和成本的前提下，显著提高成像系统的时间分辨能力；

31、2、本发明提供的基于全局快门型cmos图像传感器的高时间分辨图像获取方法可实现极短的曝光时间，使得高时间分辨成像系统不需要依赖mcp像增强器的光快门功能，有效提高成像系统的空间分辨能力；

32、3、本发明提供的基于全局快门型cmos图像传感器的高时间分辨图像获取方法可根据成像目标对时间分辨的要求，灵活调整图像的曝光时间δtexp，曝光时间的大小不再受限于传感器控制信号的最小脉宽限制，可实现最小纳秒量级的超高时间分辨图像获取，应用范围广泛。