專利名稱：提高面陣幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)ccd工作幀頻的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于提高面陣CCD工作頻率的方法，特別是關(guān)于星載超光譜成像儀用面陣CCD的高幀頻解決方法。
背景技術(shù)：
面陣CCD是推帚式超光譜成像儀中的信息獲取部件，飛行平臺完成空間維的掃描成像，面陣CCD的固體自掃描機(jī)制完成光譜維的掃描讀出。在相對地面運(yùn)行速度達(dá)數(shù)公里/秒的星載超光譜成像儀上，為了獲得足夠高的地面分辨率，需要CCD以高達(dá)數(shù)百幀/秒的幀頻工作。目前CCD廠商提供的高幀頻面陣CCD器件如圖1-1所示，基本上都是M×M元的，在推帚式超光譜成像儀中，面陣CCD的行列兩維分別對應(yīng)儀器的光譜維和空間維。在儀器的實際應(yīng)用中，我們對光譜維一般要求為數(shù)百元(對應(yīng)數(shù)百個光譜)，而為了獲得較寬的刈幅寬度，希望空間維探測器像元能達(dá)到數(shù)千以上。
參閱圖1-1和圖2，幀轉(zhuǎn)移的面陣CCD結(jié)構(gòu)上分為圖像感光區(qū)、電荷存儲區(qū)、串行讀出寄存器。CCD的一個工作周期分為幀轉(zhuǎn)移時間和有效曝光時間兩個階段。在幀轉(zhuǎn)移時間，CCD完成電荷從圖像感光區(qū)到電荷存儲區(qū)的轉(zhuǎn)移；有效曝光時間內(nèi)，CCD完成信號電荷逐行轉(zhuǎn)移到串行讀出寄存器后，由串行讀出寄存器逐元讀出。在CCD幀頻固定的條件下，幀轉(zhuǎn)移時間越短約好，因為幀轉(zhuǎn)移過程會造成圖像的拖尾，引起超光譜成像儀的光譜混疊，而且?guī)D(zhuǎn)移時間越長，有效曝光時間會越短，導(dǎo)致信號的信噪比下降。對于M×M元的面陣幀轉(zhuǎn)移CCD，在超光譜成像儀中實際只需要M×N元，M＜N。如果將多余的M×(M-N)元盡數(shù)讀出，不僅占用了CCD的曝光時間，而且導(dǎo)致系統(tǒng)的信號帶寬增加，信號處理電路的研制的難度也增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用CCD的幀轉(zhuǎn)移機(jī)制，對多余的M×(M-N)元部分采用轉(zhuǎn)移的方法，以提高CCD的工作幀頻，降低系統(tǒng)的信號帶寬，并且滿足星載超光譜成像儀的使用要求。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下根據(jù)本發(fā)明的一種提高面陣CCD工作幀頻的方法，其步驟包括a.把M×M元CCD面陣的M×M元圖像感光區(qū)分成M×(M-N)元遮光區(qū)和M×N元有效曝光區(qū)，其中N＜M且M×(M-N)元遮光區(qū)、M×N元有效曝光區(qū)、M×N元電荷存儲區(qū)以及M元串行讀出寄存器依次連接；b.用一遮光板遮擋該M×(M-N)元遮光區(qū)；c.運(yùn)行M×M元CCD面陣，在有效曝光時間內(nèi)，依次逐行把M×N元感光圖像經(jīng)N次轉(zhuǎn)移操作轉(zhuǎn)移到電荷存儲區(qū)，下一幀圖像開始曝光，d.位于電荷存儲區(qū)內(nèi)的M×N元感光圖像再經(jīng)(M-N)次逐行轉(zhuǎn)移到達(dá)串行讀出寄存器而開始串行讀出；以及e.然后，對每一行逐元讀出，重復(fù)N次，共讀出M×N元的感光電荷，CCD面陣完成一幀圖像的讀出。
所述M×M元CCD面陣為幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD；所述CCD的幀轉(zhuǎn)移時間是指把M×N元感光圖像從有效曝光區(qū)到電荷存儲的轉(zhuǎn)移時間。
根據(jù)本發(fā)明方法使用的遮光板，其包括由有效遮光面和分別位于其兩側(cè)的懸臂構(gòu)成的遮光面，以及與該遮光面相對的安裝配合面，即遮光板有兩個工作面，一個工作面作為遮光板的安裝配合面，另一個工作面作為遮光面。
所述遮光板能夠遮住面陣CCD多余的像元，使這些在星載超光譜成像儀中不使用的像元不受到光的輻照。而要使用到的像元不受影響。
上述的遮光板的遮光面盡可能地接近CCD的光敏面，但又不會碰到CCD光敏面而造成損傷。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1、可以有效解決星載超光譜成像儀中如何獲得高幀頻CCD這一難題，并且結(jié)構(gòu)簡單，成本低；2、在相同幀頻的條件下，采用本發(fā)明提出的方法，一個幀周期內(nèi)有效曝光時間更長，圖像的拖尾問題被顯著減輕；3、在相同幀頻的條件下，采用本發(fā)明提出的方法，信噪比更高，信號處理難度更小。


圖1-1為幀轉(zhuǎn)移面陣CCD的常規(guī)全幀工作模式示意圖。
圖1-2為本發(fā)明所采用的工作模式，其中圖像感光區(qū)有M×(M-N)元被遮擋(陰影部分)。
圖2為幀轉(zhuǎn)移面陣CCD典型幀周期示圖，Tfr為幀周期，T1為幀轉(zhuǎn)移時間，T2是有效曝光時間。
圖3為對M×M元圖像感光區(qū)采用減小有效曝光時間的幀周期示圖，與圖2所示相比T1幀轉(zhuǎn)移時間不變，T2減小，Tfr減小，幀頻提高。
圖4為采用本發(fā)明方法使用遮光板的幀周期示圖，幀轉(zhuǎn)移時間T1減小，有效曝光時間較圖3所示的長。
圖5-1和圖5-2為本發(fā)明中使用的遮光板與CCD的安裝示意圖。
圖6為本發(fā)明遮光板的外形示意圖。
圖7-1～圖9-4為本發(fā)明方法的一幀感光圖轉(zhuǎn)移操作進(jìn)程示意圖。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖對發(fā)明做出詳細(xì)說明下面根據(jù)圖1-2，圖4～圖9-4給出本發(fā)明一個較好實施例。
如圖5-1～圖6所示，遮光板1由懸臂101、懸臂102以及位于中央連接兩懸臂101，102的有效遮光面103構(gòu)成，其分成遮光面和安裝配合面懸臂101和懸臂102的作用在于1)、在安裝過程中，遮光面面對CCD的光敏面2避免由于重力原因?qū)е掠行д诠饷?03的接觸，造成對CCD光敏面2的損傷；2)、懸臂101和懸臂102的另一個作用是增加遮光板與CCD結(jié)構(gòu)3的接觸面積，提高遮光板1與CCD結(jié)構(gòu)3的粘結(jié)強(qiáng)度。
有效遮光面103的大小取決于系統(tǒng)需要的CCD有效曝光像元數(shù)，有效遮光面103的面積等于被遮擋像元面積和。
在安裝配合面105上設(shè)有機(jī)械安裝固定件1051、1052、1053、1054。
如圖7-1～圖7-4所示在幀轉(zhuǎn)移過程中，M×N元有效曝光的像元中的感光電荷經(jīng)N次逐行操作被轉(zhuǎn)移到M×M元電荷存儲區(qū)中。而被有效遮光面103遮住的M×(M-N)元也一次向下轉(zhuǎn)移。當(dāng)M×N元有效曝光的像元中的電荷被完全轉(zhuǎn)移到電荷存儲區(qū)后，原來存放感光電荷的有效曝光區(qū)已經(jīng)被遮擋區(qū)的像元中的電荷所占據(jù)。由于被有效遮光面103遮擋住的M×(M-N)元像素在整個CCD的工作過程中始終未受到光信號的輻照。遮光區(qū)的像元中只有極少數(shù)熱激發(fā)的載流子，相對于感光電荷，可以忽略。因此可以認(rèn)為此時有效曝光區(qū)已經(jīng)被清空。此時停止圖像感光區(qū)中電荷的轉(zhuǎn)移，有效曝光區(qū)開始下一幀圖像的曝光。如圖8-1～圖9-4所示M×N元感光電荷在電荷存儲區(qū)中轉(zhuǎn)移M×(M-N)次后，到達(dá)串行讀出寄存器，每轉(zhuǎn)移一行感光電荷到串行讀出寄存器，就逐元讀出，讀出完畢，轉(zhuǎn)移下一行感光電荷進(jìn)入串行讀出寄存器，然后逐元讀出，重復(fù)N次，共讀出M×N元感光電荷，CCD完成一幀圖像的讀出。
參照圖3和圖4所示，本發(fā)明的關(guān)鍵是利用遮光板減少了幀轉(zhuǎn)移的時間，提高了有效曝光時間，由于CCD的像元只有部分被讀出，因此總的幀周期也被縮短，幀頻提高。
例如M×N元的面陣幀轉(zhuǎn)移CCD采用1024×1024元的面陣幀轉(zhuǎn)移CCD，在讀出信號速度相同的情況下，采用本發(fā)明的遮光板，有效讀出1024×128元，幀頻可以提高數(shù)倍。一個典型的實例是采用Thomson公司的THX 7887A面陣CCD，信號處理電路無需修改，可以將幀頻從100幀/秒提高到400幀/秒。
權(quán)利要求
1.一種提高面陣CCD工作幀頻的方法，其步驟包括a.把M×M元CCD面陣的M×M元圖像感光區(qū)分成M×(M-N)元遮光區(qū)和M×N元有效曝光區(qū)，其中N＜M且M×(M-N)元遮光區(qū)、M×N元有效曝光區(qū)、M×M元電荷存儲區(qū)以及M元串行讀出寄存器依次連接，b.用一遮光板遮擋該M×(M-N)元遮光區(qū)，c.運(yùn)行M×M元CCD面陣，在有效曝光時間內(nèi)，依次逐行把M×N元感光圖像經(jīng)N次轉(zhuǎn)移操作轉(zhuǎn)移到電荷存儲區(qū)，下一幀圖像開始曝光，d.位于電荷存儲區(qū)內(nèi)的M×N元感光圖像再經(jīng)(M-N)次逐行轉(zhuǎn)移到達(dá)串行讀出寄存儲器，開始串行讀出；以及，e.之后，對每一行逐元讀出，重復(fù)N次，共讀出M×N元感光電荷，CCD面陣完成一幀圖像的讀出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高面陣CCD工作幀頻的方法，其特征在于所述M×M元CCD面陣為幀轉(zhuǎn)移型CCD。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的提高面陣CCD工作幀頻的方法，其特征在于CCD的幀轉(zhuǎn)移時間系為把M×N元感光圖像從有效曝光區(qū)到電荷存儲區(qū)的轉(zhuǎn)移時間。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的遮光板，其特征在于包括由有效遮光面(103)和分別位于其兩側(cè)的懸臂(101，102)構(gòu)成的遮光面，以及與該遮光面相對的安裝配合面(105)，該有效遮光面(103)面對且接近面陣CCD的光敏面(2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的遮光板，其特征在于所述的有效遮光面(103)與M×M元面陣CCD的多余像元M×(M-N)元相匹配。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的遮光板，其特征在于所述遮光板的安裝配合面(105)上設(shè)有機(jī)械安裝固定件(1051，1052，1053，1054)。
全文摘要
一種提高面陣幀轉(zhuǎn)移CCD工作幀頻的方法，是把M×M元面陣CCD之M×M元圖像感光區(qū)分成M×(M－N)元遮光區(qū)和M×N元有效曝光區(qū)并利用遮光板遮擋住CCD M×(M－N)像元，減少幀轉(zhuǎn)移時間，并僅只串行讀出M×N像元，減小了幀周期，提高了工作幀頻。本發(fā)明可用于星載超光譜成像儀。
文檔編號H01L27/148GK1688025SQ20051002488
公開日2005年10月26日 申請日期2005年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月5日
發(fā)明者王躍明, 薛永祺, 王建宇, 劉銀年, 黃健, 王欣 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所