专利名称:自带电子快门的高速固态摄象机的制作方法
本发明属于一种固态摄象机，特别是一种能获取高速运动目标清晰图象的高速摄象机。
高速摄象机要获取运动物体的清晰图象，关键在于快门。快门的作用是缩短暴光时间，以消除高速运动目标重复暴光所引起的图象模糊。目前的高速摄象机都是由普通的固态摄象机附加机械快门或电子快门装置组成。机械快门由于其开启特性，稳定性和可靠性等较差以及寿命有限等不足，因而有采用PLZT(掺镧锆钛酸铝系陶瓷的简称)作的电子快门装置。如日刊《映像情报》VOL 16 NO6 P87发表的电子快门CCD摄象机一文就是采用了这种电子快门。PLZT电子快门是由电脉冲控制PLZT透明铁电陶瓷的光阀，但是由于PLZT器件在室温下的介电常数高达4000，因而有过高的电荷使得开关时间无法缩短，并需配备较复杂庞大的控制线路;又由于PLZT器件本身有透光率损失，寿命有限，而且要求控制光阀的电场相当高，比如厚度为1mm的瓷片就要求450伏/毫米的电场，正因如此，严重地影响了PLZT的扩大推广。此外，由于这种外加快门的高速摄象机价格昂贵，阻碍普及应用。
本发明的目的是槟弃附加的快门装置，采用底板清洗技术直接开发固态图象传感器本身的电子快门特性，做出一种高效率，长寿命，小巧低价和便于普及应用的自带电子快门的高速固态摄象机。
普通的固态摄象机包含固态图象传感器和驱动脉冲等电路。这种摄象机的场积分时间为20ms，相当于快门速度为1/50秒，如图1a所示。如果用这种摄象机摄取高速运动目标的图象，势必会引起目标的重复暴光，造成图象模糊。因此，本发明从缩短场积分时间入手，使缩短的场积分脉冲起电子快门的作用，从而将普通的固态摄象机改造成自带电子快门的高速摄象机。这种摄象机的自带快门速度是随着场积分时间的缩短而提高。若把场积分时间缩短到1ms，则自带电子快门的速度就提高到1/1000秒。但由于这种自带快门与外加的快门装置不同外加快门只在打开瞬间暴光;而现在的摄象机由于没有外加快门而始终处于暴光状态，也就是说若起快门作用的有用场积分为1ms，则其余的19ms便属于无用积分，如图1b所示。所以问题最终归结为要设法除掉这无用积分期间的光生电荷，使有用积分建立在清白的底板上，获得清晰的图象。为此，本发明提出采用清洗底板技术来除掉无用积分期间的光生电荷，实现固态摄象机自带电子快门。
底 底板清洗技术是本发明的核心技术，该技术是通过改变固态图象传感器的某些结构和驱动脉冲来实现。底板清洗方法因固态图象传感器的结构而異，对于行间转移CCD摄象机，可以采用溢出漏清洗法或快速推出清洗法。其他固态摄象机可以采用相应的其他方法。
溢出漏清洗法需采用溢出漏控制栅结构，并在其上加清洗脉冲来实现，快速推出清洗法是通过改变固态摄象器件的驱动脉冲来实现。
本发明的底板清洗技术既适合于黑白摄象机也适用于彩色摄象机。该底板清洗技术直接开发了固态摄象机的电子快门特性，使普通的固态摄象机成为自带电子快门的高速摄象机，槟弃了目前高速摄象机所附加的快门装置，不但保持了固态摄象机的超小型，长寿命、低残象、低功耗和无图象失真等优点，而且具有快门启动特性好，快门速度可调，使用方便，无透光率损失和无机械接触及无机械磨损故障等理想性能。这种自带电子快门的高速摄象机其性能价格比远超过任何外加快门装置的高速摄象机，因此将冲破原高速摄象机筑起的高价障碍，进入普及领域以充分发挥其作用。该高速摄象机可与普通电视监视器，录象机等兼容，当快门速度调到1/50秒或1/60秒时，就是普通电视摄象机，此外，由于该机为低帧频高频摄象机，所以给普通计算机处理高速运动目标的图象提供了方便。
以下结合附图详细说明本发明的清洗原理图1a是普通行向转移CCD摄象机的主要驱动时钟，其中φp是场积分脉冲;φT是积分电荷转移的控制脉冲;φV是垂直寄存列的移位脉冲;φH是水平寄存列的移位脉冲。
溢出漏清洗法图1b是为清洗底板而要求的驱动时钟，其中φL是清洗脉冲。
图2a是行向转移摄象器件的一个感光单元剖面图。
图2b是作溢出漏用的表面势分布。
图2c是作底板清洗用的表面势分布。
图2中的OFD为溢出漏，其作用是抑制弥散现象;OFCG为溢出漏控制栅;PD为光电转换部分。当作溢出漏用时，OFCG上加适当的直流正电压VCO，使受其控制的OFD与PD之间的势垒高度比PD势阱的其它三边的势垒高度稍低，如图2b所示(光电转换部分PD与垂直寄存部分V之间的虚线势垒就是三边中的一边)。当有强光照射时，过量电荷将通过势垒稍低的溢出漏缺口而漏掉见图2b，从而抑制了弥散现象。调节OFCG电位VCO的高低可以控制OFD与PV之间的势垒高低，OFCG电位越高，电势垒就越低，漏掉的电荷也就越多。本发明的底板清洗技术正是在这个基础上发展的，其关键是在溢出漏控制栅OFCG上加上图1b所示的清洗脉冲φL。φL的低电平为原来的直流电平VCO，而高电平则根据器件的不同结构确定幅度，但必须达到使溢出漏OFD与光电转换PD之间的势垒全部消失的效果，漏掉所有的无用积分电荷，完成底板清洗的目的。溢出漏所加的清洗脉冲可以是图1b中的虚线，也可以是图1b中的实线，两者区别在于清洗时间不同。溢出漏清洗原理简述如下在无用积分期间，溢出漏控制栅OFCG上加的是清洗脉冲φL的高电平，则OFD与PD之间的势垒全部消失，在此期间的无用积分电荷全部漏掉，达到清洗底板底板的目的。无用积分结束，φL的电平亦随之由高度低，即有用积分到来时OFCD已恢复为原来的直流电平VCO，此时器件又处于图2b所示的表面势分布，OFD与PD之间又形成一定的势垒高度，保证建立在清洗底板上的有用积分电荷的正常收集和转移，从而获得清晰的图象。
快速推出法图3是快速清洗法所要求的改动后的驱动时钟，其中φ′p是场积分脉冲，分为无用积分和有用积分两个积分脉冲;φ′T是积分电荷转移的控制脉冲，也相应变为双脉冲，其中第一个脉冲是将无用积分电荷转移到各垂直寄存器，第二个脉冲是将有用积分电荷转移到各垂直寄存器;φ′V是垂直寄存器移位脉冲，变为两种频率合成的双时钟，即在无用积分和有用积分交界处A之后新增加了一段持续时间为τ的高频脉冲，该高频脉冲可以将无用积分电荷迅速转移到水平寄存器;φH是水平寄存器移位脉冲，其波形与原CCD驱动脉冲中的φH一样。
快速清洗原理在无用积分与有用积分的交界A处，无用积分结束，同时φ′T中新增加的那个脉冲把这些无用积分电荷迅速转移到各垂直寄存器，紧接着移位脉冲φ′V中新增加的那一段高频脉冲，以比原来φV高得多的速度把这些无用积分电荷快速推到水平寄存器，于是完成了清洗底板和清洗垂直寄存器的任务。最后由水平寄存器移位脉冲φH输出这些无用积分的视频信号。可以想象到在快速推出期间，水平寄存器将承受涌浪一样的无用积分电荷的冲击，与此同时，显示器上将出现亮线。但由于快速推出的时间只相当于几行时间，因此，无用积分电荷在显示器上也仅显现几行亮线。若有用积分时间比场消隐时间短，则这几行亮线将被消隐，若有用积分比场消隐时间长，则这几行亮线就出现在正常画面中。交界A处之后为有用积分。当建立在刚清洗过的清白底板上的有用积分电荷被送到垂直寄存器时，垂直移位脉冲已恢复正常，于是显示器上看到的是正常的清晰图象。
采用上述的快速清洗法，可直接在日本Sony公司生产的XC37/38型黑白普通摄象机上实施。XC37/38机的原理框图和驱动脉冲波形如图4b和图4a所示。由于该机在结构上的改进，将φP和φT两脉冲合成一个SG脉冲，当SG为高电位时进行光积分，而SG由高变低时就把光积分电荷转移到垂直寄存器中，SG由低变高为场积分扫描起点。垂直移位脉冲为两相φ′V1φV2，水平转移脉冲φH不变<图中未画出>，图中的CCD驱动器为反相放大器。本发明就是将SC37/38机的驱动脉冲进行改造，使其变为自带电子快门的高速摄象机。改造后的原理框图和驱动脉冲波形分别如图5b和图5a所示。图5b中是将原CCD驱动脉冲产生器产生的每场一个光积分脉冲SG′和单一频率的两相时钟φ′V1φ′V2分别通过双脉冲产生器和双时钟产生器，使其变为图5a所示的双积分脉冲SG″和由原频率时钟与新加的高频时钟合成的双频率两相时钟φ″V1，φ″V2。
权利要求
1.一种包括固态摄象器和驱动脉冲的普通摄象机，其特征在于a.具有高速摄象的自带电子快门；b.实现该自带电子快门所采用的底板清洗方法，这种清洗方法是把普通摄象机始终处于暴光状态的场积分脉冲分为时间很短的起快门作用的有用积分和其余导致图象模糊的无用积分，再采用改变固态器件的结构或改变驱动脉冲电路，将其无用积分清洗掉，使时间很短的有用积分建立在清白的底板上。
2.根据权利要求
1所述的摄象机，其中所说的改变固态器件的结构是采用溢出漏控制栅结构，并在溢出漏控制栅上加清洗脉冲φL。
3.根据权利要求
1所述的摄象机，其中所说的改变驱动脉冲电路是将积分脉冲φp变为无用和有用两个积分脉冲φ′p，转移控制脉冲φT变为转移无用积分电荷和有用积分电荷的双脉冲φ′T，垂直移位脉冲φV变为原频率脉冲与新加高频脉冲合成的双频率移位脉冲φ′V。
专利摘要
本发明是一种能获取高速运动目标清晰图象的高速固态摄象机。该摄象机是采用底板清洗技术直接开发固态摄象机本身的电子快门特性，彻底槟弃已有高速摄象机的外加快门装置，实现高速摄象机自带电子快门，做出集普通摄象机和高速摄象机于一体的新型摄象机。该摄象机不但保持了固态摄象机超小型、长寿命、低残象、低功耗和无图象失真等优点，而且快门效率高，快门速度可调，快门寿命与集成电路相同，其性能价格比远远超过任何外加快门装置的高速摄象机，有良好的普及应用前景。
文档编号H04N5/225GK86107106SQ86107106
公开日1988年5月4日 申请日期1986年10月18日
发明者杨金玉, 陆仁夏 申请人:西北电讯工程学院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan