專利名稱：基于tdi-ccd的幀轉(zhuǎn)移工作模式的實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將TDI-CCD用于幀轉(zhuǎn)移工作模式的方法，特別涉及在機(jī)載或星載高光譜成像儀中使用TDI-CCD替代高幀頻面陣CCD并實(shí)現(xiàn)其成像功能的一種解決方案。
背景技術(shù)：
面陣CCD由于高敏感度、低噪聲等特點(diǎn)成為目前高光譜成像儀中使用的主流探測(cè)器。隨著光譜成像技術(shù)不斷發(fā)展，推帚式高光譜成像儀在譜段數(shù)、幅寬提高的同時(shí)地面分辨率也在不斷提高，這就對(duì)需要CCD具有大面陣、高敏感度等特點(diǎn)的同時(shí)還能在很高的幀頻下正常工作。目前，世界上只有少數(shù)公司有能力生產(chǎn)滿足上述需要的科學(xué)級(jí)CCD，產(chǎn)品類型很少并且價(jià)格十分昂貴，這就對(duì)此類器件的選擇造成嚴(yán)重的局限性。
TDI-C⑶雖然實(shí)現(xiàn)的是線列成像的功能，但是具有和面陣C⑶相同的感光焦面。一些科學(xué)級(jí)高線速度的TDI-CCD在像元個(gè)數(shù)和靈敏度能夠滿足高光譜儀器需要的同時(shí)，還具有很高的像元讀出速率，這使其具備實(shí)現(xiàn)高幀頻面陣成像的基本條件。
但是，由于TDI-C⑶在設(shè)計(jì)上是實(shí)現(xiàn)線列延遲積分成像的功能，焦面全部為感光區(qū)，沒(méi)有存儲(chǔ)區(qū)，在進(jìn)行面陣成像時(shí)只能以普通的全幀型CCD的工作模式進(jìn)行工作。對(duì)于線元數(shù)為M,級(jí)數(shù)為N的TDI-C⑶，其等效的面陣CXD的像元個(gè)數(shù)為MXN，如圖1所示其面陣成像的全幀型工作模式如下
(1)感光區(qū)像元經(jīng)過(guò)Ti時(shí)長(zhǎng)的積分，形成了 MXN個(gè)電荷包(步驟1-1)。
(2)向水平轉(zhuǎn)移寄存器讀入一行電荷包，同時(shí)所有電荷包整體向輸出端口轉(zhuǎn)移一行，所需時(shí)間為垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘的周期Tv (步驟1-2)。
(3)將水平轉(zhuǎn)移寄存器中的電荷包依次從輸出端口讀出，單個(gè)像元讀出的時(shí)間為水平時(shí)鐘的周期Th (步驟1-3)。
(4)繼續(xù)向水平轉(zhuǎn)移寄存器中讀入下一行電荷包(步驟1-4)。
(5)將水平轉(zhuǎn)移寄存器中的電荷包依次從輸出端口讀出(圖1-5)。
(6)繼續(xù)重復(fù)⑷和(5)兩個(gè)步驟直至感光區(qū)的所有電荷包全部被從輸出端口輸出后，開(kāi)始下一幀圖像的積分。此步驟結(jié)束后返回(1)步驟，開(kāi)始下一幀圖像的像元讀出 (圖 1-6)。
上述工作模式主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題1.幀周期為T(mén)l = TJIVXN+IHXMXN，相對(duì)較長(zhǎng)，在積分時(shí)間內(nèi)并不進(jìn)行像元讀輸出，輸出端口的利用率較低，幀頻難以提高。2.電荷包從感光區(qū)全部轉(zhuǎn)移出去的時(shí)間為T(mén)2 = TVXN+THXMXN，轉(zhuǎn)移的時(shí)間幾乎為所有電荷包讀出的時(shí)間，時(shí)間相對(duì)過(guò)長(zhǎng)，在沒(méi)有機(jī)械快門(mén)的配合下會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的拖尾問(wèn)題，而高幀頻成像時(shí)機(jī)械快門(mén)并不適用。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對(duì)高光譜成像儀對(duì)探測(cè)器的需求，基于TDI-CCD的結(jié)構(gòu)特征，利用CCD內(nèi)部的電荷轉(zhuǎn)移原理，提出一種基于TDI-CCD的幀轉(zhuǎn)移工作模式的實(shí)現(xiàn)方法。解決TDI-CCD用于面陣成像時(shí)存在的幀頻相對(duì)較低和拖尾嚴(yán)重的問(wèn)題。
本發(fā)明的技術(shù)方案為
本發(fā)明是一種基于TDI-C⑶的幀轉(zhuǎn)移工作模式的實(shí)現(xiàn)方法，具體方案如下
1.根據(jù)不同的垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘輸入端口的像元控制范圍將線元數(shù)為M、級(jí)數(shù)為 N的TDI-C⑶的焦面分為A、B兩個(gè)區(qū)，像元個(gè)數(shù)較多的為B區(qū)，輸出端口選用靠近B區(qū)一端的輸出端口。
2.在B區(qū)正上方的窗口表面鍍反射膜將B區(qū)垂直遮擋，焦面被劃分為P行感光區(qū)、 Q行孤立區(qū)和N-P-Q行存儲(chǔ)區(qū)。其中感光區(qū)為A區(qū)中完全未被遮擋的區(qū)域，共MXP個(gè)像元， 這部分區(qū)域用于光信號(hào)的感光成像；孤立區(qū)是位于A、B兩區(qū)交界處的光線被不完全遮擋的區(qū)域，共MXQ個(gè)像元，這部區(qū)域由于遮擋不充分而被舍棄，只用于電荷傳遞；存儲(chǔ)區(qū)為焦面上完全被遮擋的區(qū)域，共MX (N-P-Q)個(gè)像元用于電荷的暫時(shí)存儲(chǔ)。其中P彡(N-P-Q)(步驟 2-1)。
3.通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的控制實(shí)現(xiàn)幀轉(zhuǎn)移的工作模式，具體方式為
(1)通過(guò)對(duì)A區(qū)行轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)時(shí)序的控制，感光區(qū)經(jīng)過(guò)一定時(shí)長(zhǎng)的積分生成MXP個(gè)電荷包(步驟2-2)。
(2)通過(guò)對(duì)A、B兩區(qū)行轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)時(shí)序的控制，A、B兩區(qū)的像元中的同時(shí)向輸出端口轉(zhuǎn)移P+Q行，此時(shí)感光區(qū)生成的電荷全部轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)區(qū)，感光區(qū)開(kāi)始下一幀圖像的積分(步馬聚2_3)ο
(3)通過(guò)對(duì)B區(qū)行轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)時(shí)序的控制，B區(qū)中所有像元同時(shí)向輸出端口轉(zhuǎn)移 N-2P-Q行，將存儲(chǔ)區(qū)中電荷包轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)區(qū)下方(步驟2-4)。。
(4)之后清空水平轉(zhuǎn)移寄存器中的電荷(步驟2-5)。
(5)向水平轉(zhuǎn)移寄存器中讀入一行電荷包(步驟2-6)。
(6)將水平轉(zhuǎn)移寄存器中的電荷包依次讀出(步驟2-7)。
(7)重復(fù)步驟(5)、(6)直至光敏區(qū)的最后一行電荷包被讀入水平轉(zhuǎn)移寄存器，等待下一幀圖像積分結(jié)束后轉(zhuǎn)至步驟(1)(步驟2-8)。
所述TDI-C⑶的焦面必須包含2組或2組以上控制不同區(qū)域像元的垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘的輸入端口，并且各組輸入端口相互獨(dú)立。通常延遲積分等級(jí)超過(guò)300級(jí)的TDI-C⑶具備上述條件。
所述反射膜的作用是垂直遮擋住B區(qū)的像元，保證存儲(chǔ)區(qū)像元在存儲(chǔ)電荷的同時(shí)不會(huì)因?yàn)楣獾恼丈涠a(chǎn)生額外的積分電荷。
所述技術(shù)方案在積分時(shí)間、垂直轉(zhuǎn)移周期和水平轉(zhuǎn)移周期與全幀模式下相同的情況下幀周期T3 = TJTvX (P+Q)；感光區(qū)像元全部轉(zhuǎn)移出感光區(qū)所需時(shí)間T4 = TvXP0
以一款2048 像元、640 級(jí) TDI-CCD 為例M、N、P、Q、Tv、Th 的值分別為 2048,640, 300、40、1000ns、12. 5ns，假設(shè)積分時(shí)間Ti為10ms，計(jì)算得出Tl、T2、T3、T4的大小分別為 27. 024msU7. 024msU0. 34ms,0. 3ms 在相同的積分時(shí)間下，和全幀模式下相比幀轉(zhuǎn)移模式下的幀頻提高了約1.6倍，拖尾的影響減少了 98%以上。
由上述結(jié)果可以看出由于幀轉(zhuǎn)移模式下在感光區(qū)像元積分的同時(shí)能夠進(jìn)行像元的讀出，大大提高了輸出端口的利用效率，幀頻率得到提高；由于存儲(chǔ)區(qū)的設(shè)置，使感光區(qū)生成的電荷包能夠直接轉(zhuǎn)移出去，而不用等待前一行像元的電荷包被讀出后再將下一行像元的電荷包轉(zhuǎn)移出去，這樣像元轉(zhuǎn)移出感光區(qū)所需要的時(shí)間大大減小，拖尾問(wèn)題被很好的抑制。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下
1.解決了 TDI-C⑶用于面陣成像時(shí)幀頻較低和拖尾嚴(yán)重的問(wèn)題，使其適用于高幀頻面陣成像。
2.拓展了 TDI-C⑶的成像功能，提高了器件的利用率。
3.為高光譜成像儀中高幀頻面陣探測(cè)器的選取提供了一種新的解決方案。


圖1為T(mén)DI-C⑶全幀工作模式的示意圖。
圖2為T(mén)DI-C⑶幀轉(zhuǎn)移工作模式的示意圖。
圖3為窗口鍍膜示意圖。
圖4為鍍膜后CXD芯片的剖面圖。
圖5為遮光面不完全遮擋示意圖。
具體實(shí)施方式
1.根據(jù)不同的垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘輸入端口控制的像元范圍將的TDI-C⑶的焦面分為A、B兩個(gè)區(qū)，將像元個(gè)數(shù)較多的區(qū)域設(shè)為B區(qū)，輸出端口選用靠近B區(qū)的輸出端口。
2.針對(duì)TDI-C⑶的芯片結(jié)構(gòu)對(duì)窗口表面進(jìn)行鍍膜。為了減少不完全遮擋像元的個(gè)數(shù)，提高感光焦面的利用率，應(yīng)該盡量將反射膜鍍?cè)诖翱诘南卤砻妫绻酒翱诓灰撞鹦?，也可以選擇在窗口上表面鍍膜，膜可采用金屬膜加保護(hù)膜的結(jié)構(gòu)。圖3、圖4為本發(fā)明鍍膜的一個(gè)設(shè)計(jì)范例，如圖3-2所示，鍍膜區(qū)域位于窗口的下表面，鍍膜區(qū)域應(yīng)能夠恰好垂直遮擋住B區(qū)的全部像元，圖4中d為焦面至遮光面的距離，g為窗口的厚度。在本范例中， 窗口下表面的鍍膜區(qū)域?yàn)樾酒恼诠饷妗?br> 3.如圖5，根據(jù)成像系統(tǒng)在焦面處的最大入射角θ和CXD焦面到遮光面的距離d 計(jì)算出遮光面不完全遮擋區(qū)域在垂直轉(zhuǎn)移方向的距離W= 2XdXtan θ (如果在窗口上表面鍍反射膜時(shí)W = 2X (d+g) Xtan θ )，為了提高焦面的利用率，孤立區(qū)的范圍應(yīng)在包含全部不完全遮擋區(qū)域的前提下盡可能小，所以根據(jù)單個(gè)像元在垂直方向的尺寸λ計(jì)算出孤W立區(qū)像元的行數(shù)Q為大于或等于γ的最小偶數(shù)。A
A區(qū)和B區(qū)內(nèi)除孤立區(qū)以外的像元區(qū)域分別為感光區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)。
4.通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的控制，完成幀轉(zhuǎn)移模式下的成像。
本發(fā)明成功將2048線元、640級(jí)高速TDI-C⑶用于幀轉(zhuǎn)移模式下成像，等效面陣大小為2048X^0，工作幀頻超過(guò)600幀/秒。
權(quán)利要求
1.一種基于TDI-C⑶的幀轉(zhuǎn)移工作模式的實(shí)現(xiàn)方法，其實(shí)現(xiàn)步驟包括a.根據(jù)不同的垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘輸入端口控制的像元范圍將線元數(shù)為M、級(jí)數(shù)為N的 TDI-C⑶的焦面分為A、B兩個(gè)區(qū)，將像元個(gè)數(shù)較多的區(qū)域設(shè)為B區(qū)，輸出端口選用靠近B區(qū)的輸出端口；b.利用在窗口表面鍍反射膜的方式垂直遮擋B區(qū)全部像元，將N級(jí)TDI-C⑶的焦面分為P行感光區(qū)、Q行孤立區(qū)和N-P-Q行存儲(chǔ)區(qū)；c.感光區(qū)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的積分生成P行電荷包；d.電荷包通過(guò)P+Q行轉(zhuǎn)移后全部轉(zhuǎn)移至存儲(chǔ)區(qū)，感光區(qū)開(kāi)始下一幀圖像的積分；e.存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的電荷包經(jīng)過(guò)N-2P-Q行轉(zhuǎn)移將電荷包轉(zhuǎn)移至鄰近水平讀出寄存器的存儲(chǔ)區(qū)；接著將水平讀出寄存器中的電荷清空；然后向水平轉(zhuǎn)移寄存器轉(zhuǎn)移一行積分電荷，等待水平轉(zhuǎn)移寄存器中的電荷全部被清空后再轉(zhuǎn)移下一行，如此往復(fù)直到P行電荷包全部被讀出；此步驟結(jié)束后跳至步驟c開(kāi)始下一幀圖像的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于TDI-CCD的幀轉(zhuǎn)移工作模式的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述TDI-C⑶包含2組或2組以上控制不同區(qū)域像元的行轉(zhuǎn)移時(shí)鐘輸入端口，并且各組輸出端口之間相互獨(dú)立。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于TDI-CCD的幀轉(zhuǎn)移工作模式的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述的A、B兩個(gè)區(qū)是根據(jù)不同的垂直轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘輸入端口所控制的像元范圍分割而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于TDI-CCD的幀轉(zhuǎn)移工作模式的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于通過(guò)在窗口表面鍍反射膜的方式在將B區(qū)的像元垂直遮擋，B區(qū)完全被遮擋的區(qū)域被劃分為存儲(chǔ)區(qū)，用于實(shí)現(xiàn)在幀轉(zhuǎn)移工作模式下積分電荷的暫時(shí)存儲(chǔ)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于TDI-CCD的幀轉(zhuǎn)移工作模式的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于將A、B兩區(qū)交界處光線被不完全遮擋的區(qū)域劃分為孤立區(qū)，此區(qū)內(nèi)像元只用于電荷轉(zhuǎn)移。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于TDI-CCD的幀轉(zhuǎn)移工作模式的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述孤立區(qū)像元行數(shù)Q是由不完全遮擋區(qū)域的大小來(lái)確定的，而不完全遮擋區(qū)域的大小是根據(jù)焦面的最大入射角θ和遮光面距焦面的距離d精確計(jì)算得出的。
全文摘要
一種基于TDI-CCD的幀轉(zhuǎn)移工作模式的實(shí)現(xiàn)方法，是在TDI-CCD芯片的窗口表面上鍍反射膜，將TDI-CCD一部分感光焦面改造為存儲(chǔ)區(qū)，利用CCD內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移的機(jī)理，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)時(shí)序的控制，實(shí)現(xiàn)TDI-CCD的幀轉(zhuǎn)移工作模式。本發(fā)明可用于機(jī)載或星載高光譜成像儀以及其它類似的成像系統(tǒng)中。
文檔編號(hào)H04N5/3722GK102510451SQ201110316128
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者付峪, 劉銀年, 呂嫻娜, 孫德新, 江浩, 郎均慰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所