专利名称：提高面阵帧转移结构ccd工作帧频的方法
技术领域：
本发明是关于提高面阵CCD工作频率的方法，特别是关于星载超光谱成像仪用面阵CCD的高帧频解决方法。
背景技术：
面阵CCD是推帚式超光谱成像仪中的信息获取部件，飞行平台完成空间维的扫描成像，面阵CCD的固体自扫描机制完成光谱维的扫描读出。在相对地面运行速度达数公里/秒的星载超光谱成像仪上，为了获得足够高的地面分辨率，需要CCD以高达数百帧/秒的帧频工作。目前CCD厂商提供的高帧频面阵CCD器件如图1-1所示，基本上都是M×M元的，在推帚式超光谱成像仪中，面阵CCD的行列两维分别对应仪器的光谱维和空间维。在仪器的实际应用中，我们对光谱维一般要求为数百元(对应数百个光谱)，而为了获得较宽的刈幅宽度，希望空间维探测器像元能达到数千以上。
参阅图1-1和图2，帧转移的面阵CCD结构上分为图像感光区、电荷存储区、串行读出寄存器。CCD的一个工作周期分为帧转移时间和有效曝光时间两个阶段。在帧转移时间，CCD完成电荷从图像感光区到电荷存储区的转移；有效曝光时间内，CCD完成信号电荷逐行转移到串行读出寄存器后，由串行读出寄存器逐元读出。在CCD帧频固定的条件下，帧转移时间越短约好，因为帧转移过程会造成图像的拖尾，引起超光谱成像仪的光谱混叠，而且帧转移时间越长，有效曝光时间会越短，导致信号的信噪比下降。对于M×M元的面阵帧转移CCD，在超光谱成像仪中实际只需要M×N元，M＜N。如果将多余的M×(M-N)元尽数读出，不仅占用了CCD的曝光时间，而且导致系统的信号带宽增加，信号处理电路的研制的难度也增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用CCD的帧转移机制，对多余的M×(M-N)元部分采用转移的方法，以提高CCD的工作帧频，降低系统的信号带宽，并且满足星载超光谱成像仪的使用要求。
本发明的技术方案如下根据本发明的一种提高面阵CCD工作帧频的方法，其步骤包括a.把M×M元CCD面阵的M×M元图像感光区分成M×(M-N)元遮光区和M×N元有效曝光区，其中N＜M且M×(M-N)元遮光区、M×N元有效曝光区、M×N元电荷存储区以及M元串行读出寄存器依次连接；b.用一遮光板遮挡该M×(M-N)元遮光区；c.运行M×M元CCD面阵，在有效曝光时间内，依次逐行把M×N元感光图像经N次转移操作转移到电荷存储区，下一帧图像开始曝光，d.位于电荷存储区内的M×N元感光图像再经(M-N)次逐行转移到达串行读出寄存器而开始串行读出；以及e.然后，对每一行逐元读出，重复N次，共读出M×N元的感光电荷，CCD面阵完成一帧图像的读出。
所述M×M元CCD面阵为帧转移型面阵CCD；所述CCD的帧转移时间是指把M×N元感光图像从有效曝光区到电荷存储的转移时间。
根据本发明方法使用的遮光板，其包括由有效遮光面和分别位于其两侧的悬臂构成的遮光面，以及与该遮光面相对的安装配合面，即遮光板有两个工作面，一个工作面作为遮光板的安装配合面，另一个工作面作为遮光面。
所述遮光板能够遮住面阵CCD多余的像元，使这些在星载超光谱成像仪中不使用的像元不受到光的辐照。而要使用到的像元不受影响。
上述的遮光板的遮光面尽可能地接近CCD的光敏面，但又不会碰到CCD光敏面而造成损伤。
本发明的优点1、可以有效解决星载超光谱成像仪中如何获得高帧频CCD这一难题，并且结构简单，成本低；2、在相同帧频的条件下，采用本发明提出的方法，一个帧周期内有效曝光时间更长，图像的拖尾问题被显著减轻；3、在相同帧频的条件下，采用本发明提出的方法，信噪比更高，信号处理难度更小。
图1-1为帧转移面阵CCD的常规全帧工作模式示意图。
图1-2为本发明所采用的工作模式，其中图像感光区有M×(M-N)元被遮挡(阴影部分)。
图2为帧转移面阵CCD典型帧周期示图，Tfr为帧周期，T1为帧转移时间，T2是有效曝光时间。
图3为对M×M元图像感光区采用减小有效曝光时间的帧周期示图，与图2所示相比T1帧转移时间不变，T2减小，Tfr减小，帧频提高。
图4为采用本发明方法使用遮光板的帧周期示图，帧转移时间T1减小，有效曝光时间较图3所示的长。
图5-1和图5-2为本发明中使用的遮光板与CCD的安装示意图。
图6为本发明遮光板的外形示意图。
图7-1～图9-4为本发明方法的一帧感光图转移操作进程示意图。
具体实施例方式现结合附图对发明做出详细说明下面根据图1-2，图4～图9-4给出本发明一个较好实施例。
如图5-1～图6所示，遮光板1由悬臂101、悬臂102以及位于中央连接两悬臂101，102的有效遮光面103构成，其分成遮光面和安装配合面悬臂101和悬臂102的作用在于1)、在安装过程中，遮光面面对CCD的光敏面2避免由于重力原因导致有效遮光面103的接触，造成对CCD光敏面2的损伤；2)、悬臂101和悬臂102的另一个作用是增加遮光板与CCD结构3的接触面积，提高遮光板1与CCD结构3的粘结强度。
有效遮光面103的大小取决于系统需要的CCD有效曝光像元数，有效遮光面103的面积等于被遮挡像元面积和。
在安装配合面105上设有机械安装固定件1051、1052、1053、1054。
如图7-1～图7-4所示在帧转移过程中，M×N元有效曝光的像元中的感光电荷经N次逐行操作被转移到M×M元电荷存储区中。而被有效遮光面103遮住的M×(M-N)元也一次向下转移。当M×N元有效曝光的像元中的电荷被完全转移到电荷存储区后，原来存放感光电荷的有效曝光区已经被遮挡区的像元中的电荷所占据。由于被有效遮光面103遮挡住的M×(M-N)元像素在整个CCD的工作过程中始终未受到光信号的辐照。遮光区的像元中只有极少数热激发的载流子，相对于感光电荷，可以忽略。因此可以认为此时有效曝光区已经被清空。此时停止图像感光区中电荷的转移，有效曝光区开始下一帧图像的曝光。如图8-1～图9-4所示M×N元感光电荷在电荷存储区中转移M×(M-N)次后，到达串行读出寄存器，每转移一行感光电荷到串行读出寄存器，就逐元读出，读出完毕，转移下一行感光电荷进入串行读出寄存器，然后逐元读出，重复N次，共读出M×N元感光电荷，CCD完成一帧图像的读出。
参照图3和图4所示，本发明的关键是利用遮光板减少了帧转移的时间，提高了有效曝光时间，由于CCD的像元只有部分被读出，因此总的帧周期也被缩短，帧频提高。
例如M×N元的面阵帧转移CCD采用1024×1024元的面阵帧转移CCD，在读出信号速度相同的情况下，采用本发明的遮光板，有效读出1024×128元，帧频可以提高数倍。一个典型的实例是采用Thomson公司的THX 7887A面阵CCD，信号处理电路无需修改，可以将帧频从100帧/秒提高到400帧/秒。
权利要求
1.一种提高面阵CCD工作帧频的方法，其步骤包括a.把M×M元CCD面阵的M×M元图像感光区分成M×(M-N)元遮光区和M×N元有效曝光区，其中N＜M且M×(M-N)元遮光区、M×N元有效曝光区、M×M元电荷存储区以及M元串行读出寄存器依次连接，b.用一遮光板遮挡该M×(M-N)元遮光区，c.运行M×M元CCD面阵，在有效曝光时间内，依次逐行把M×N元感光图像经N次转移操作转移到电荷存储区，下一帧图像开始曝光，d.位于电荷存储区内的M×N元感光图像再经(M-N)次逐行转移到达串行读出寄存储器，开始串行读出；以及，e.之后，对每一行逐元读出，重复N次，共读出M×N元感光电荷，CCD面阵完成一帧图像的读出。
2.根据权利要求1所述的提高面阵CCD工作帧频的方法，其特征在于所述M×M元CCD面阵为帧转移型CCD。
3.根据权利要求1或2所述的提高面阵CCD工作帧频的方法，其特征在于CCD的帧转移时间系为把M×N元感光图像从有效曝光区到电荷存储区的转移时间。
4.一种根据权利要求1所述的遮光板，其特征在于包括由有效遮光面(103)和分别位于其两侧的悬臂(101，102)构成的遮光面，以及与该遮光面相对的安装配合面(105)，该有效遮光面(103)面对且接近面阵CCD的光敏面(2)。
5.根据权利要求4所述的遮光板，其特征在于所述的有效遮光面(103)与M×M元面阵CCD的多余像元M×(M-N)元相匹配。
6.根据权利要求4所述的遮光板，其特征在于所述遮光板的安装配合面(105)上设有机械安装固定件(1051，1052，1053，1054)。
全文摘要
一种提高面阵帧转移CCD工作帧频的方法，是把M×M元面阵CCD之M×M元图像感光区分成M×(M－N)元遮光区和M×N元有效曝光区并利用遮光板遮挡住CCD M×(M－N)像元，减少帧转移时间，并仅只串行读出M×N像元，减小了帧周期，提高了工作帧频。本发明可用于星载超光谱成像仪。
文档编号H01L27/148GK1688025SQ20051002488
公开日2005年10月26日 申请日期2005年4月5日 优先权日2005年4月5日
发明者王跃明, 薛永祺, 王建宇, 刘银年, 黄健, 王欣 申请人:中国科学院上海技术物理研究所