用于对CCD图像传感器进行超长积分时间控制的方法

摘要

本发明公开了一种用于对CCD图像传感器进行超长积分时间控制的方法，所涉及的硬件包括全帧转移CCD、控制电路、信号处理电路、图像采集装置、快门和上位机；所述方法包括：通过快门控制曝光时间，曝光过程中，全帧转移CCD的感光像元仅进行光积分操作，不向外读出信号，同时，水平转移区将内部暗信号持续向外读出；曝光结束后，感光像元将馈积到的信号在一个帧周期内向外读出，从而形成一帧完整的图像；本发明的有益技术效果是：提出了一种用于对CCD图像传感器进行超长积分时间控制的方法，采用该方法后，使得全帧转移CCD可以进行超长积分时间的光积分操作。

说明书

技术领域

本发明涉及一种CCD图像传感器控制技术，尤其涉及一种用于对CCD图像传感器进行超长积分时间控制的方法。

背景技术

在天文观测中，由于某些星体的亮度较暗，很难直接对其进行观测，因此只能用成像手段对星体所在区域进行成像后，通过图像来观测这些星体，并且在成像时，成像装置需要进行长时间的曝光操作，否则就难以馈积到足够的光信号。

相比于其他成像技术，CCD图像传感器因其具备诸多优势，是目前应用最为广泛的成像技术之一，但是，在将CCD图像传感器用于亮度较暗星体成像时，却出现了如下的问题：

目前，大多数以CCD作为成像手段的相机的积分时间一般都低于1秒，积分时间超过1秒的，一般称为长时间积分，在将CCD图像传感器作长时间积分应用时，其积分时间一般也不会超过10秒，而天文观测领域中，有时需要进行较长时间的曝光操作才能馈积到足以使星体显示在图像上的光信号(一般采用胶卷相机实现)，现有技术中，鲜有将CCD图像传感器作超长积分时间(即积分时间大于10秒)应用的情况，其中的难点主要有以下两点，其一，CCD图像传感器输出的图像信号需由图像采集装置(如常见的图像采集卡)进行采集后才能由上位机进行处理，采集过程中，图像采集装置和CCD图像传感器之间需要进行帧同步判别操作，帧同步判别操作过程中，图像采集装置内置的计数器需要通过计数方式对CCD图像传感器的输出信号进行帧同步判别操作，目前的图像采集装置的计数时长最多也只能适配于长时间积分操作的时间长度，一种简单的思路是，将CCD图像传感器的积分时间调节到超长积分时间，同时也将图像采集装置的计数时长调节到对应的时间长度，但是，由于超长积分时间的时间长度特别大，进行如此长时间的帧同步判别操作会导致计数器出现大量的计数冗余，其二，CCD图像传感器积分过程中存在暗信号，经过超长积分时间的积分操作后，其内部会堆积大量的暗信号，从而导致有效信号被湮没，成像失败。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种用于对CCD图像传感器进行超长积分时间控制的方法，所涉及的硬件包括全帧转移CCD、控制电路、信号处理电路、图像采集装置、快门和上位机；所述全帧转移CCD包括多个感光像元、垂直转移区和水平转移区；所述垂直转移区能将各个感光像元内的信号读出至水平转移区；所述水平转移区能将信号读出至信号处理电路；所述信号处理电路能对信号进行处理并将处理结果传输至图像采集装置，所述图像采集装置能将采集到的信号传输至上位机；所述快门用于控制感光像元的感光时间；所述控制电路用于控制垂直转移区、水平转移区、信号处理电路和快门的动作；其创新在于：所述方法包括：

以n秒为帧周期，n小于或等于10；水平转移区和信号处理电路工作时，均按所述帧周期连续工作；

垂直转移区不工作时，由水平转移区读出的信号记为无效信号，信号处理电路对无效信号进行处理后得到的信号记为无效帧信号；

垂直转移区工作时，从垂直转移区读出至水平转移区的信号记为有效信号；信号处理电路对有效信号进行处理后得到的信号记为有效帧信号；

信号处理电路在向图像采集装置输出信号时，还同时向图像采集装置输出一图像辅助数据，当图像辅助数据的状态为有效时，图像采集装置将收到的信号识别为有效帧信号，当图像辅助数据的状态为无效时，图像采集装置将收到的信号识别为无效帧信号；

对于有效帧信号，图像采集装置对有效帧信号进行处理后将处理结果传输至上位机；对于无效帧信号，图像采集装置对无效帧信号进行处理后将处理结果直接舍弃；

快门关闭时，感光像元闲置；快门开启时，感光像元进行光积分操作；单次光积分操作的时长记为积分时间，单个积分时间的时间长度为所述帧周期的整数倍；

收到成像命令后，1)控制电路控制快门开启，同时，控制电路控制水平转移区和信号处理电路开始工作，同时，控制电路控制信号处理电路将相应的图像辅助数据设置为无效状态，同时，控制电路控制垂直转移区不工作；

2)当快门开启时间达到单次光积分操作的时长时，控制电路控制快门关闭，然后，控制电路控制垂直转移区开始工作；当有效信号传输至信号处理电路时，控制电路控制信号处理电路将相应的图像辅助数据设置为有效状态；

3)当垂直转移区的工作时长达到一个帧周期的时间长度后，控制电路控制垂直转移区停止工作；待图像采集装置将有效帧信号全部处理完毕并传输至上位机后，控制电路控制信号处理电路将相应的图像辅助数据设置为无效状态；然后，控制电路控制快门重新开启，返回步骤2)。

前述方案的原理是：基于全帧转移CCD的工作原理可知，全帧转移CCD正常工作时，在光积分过程中，外部光线照射在感光像元上从而形成光生电荷，光积分结束后，先通过垂直转移区将感光像元内的光生电荷读出至水平转移区，然后由水平转移区将信号读出至信号处理电路(水平转移区和信号处理电路之间通常还设置有放大器)，信号处理电路输出的信号由图像采集装置采集至上位机；

由于垂直转移区所读出的信号直接来自于感光像元，为了实现光生电荷长时间馈积的目的，本发明在光积分的过程中控制垂直转移区不工作，仅在光积分结束后的一个帧周期内控制垂直转移区工作，这就使得感光像元能够对光生电荷进行超长时间的馈积，馈积到的光生电荷仅会在光积分操作结束后的一个帧周期内被读出，同时，为了解决暗信号大量堆积的问题，本发明在光积分的过程中控制水平转移区和信号处理电路持续工作，水平转移区和信号处理电路的工作方式与现有技术中的常规工作方式相同，由于光积分过程中垂直转移区不工作，由水平转移区读出的信号仅为产生于水平转移区中的暗信号，光积分过程中虽然暗信号在不断地产生，但由于水平转移区也在不断地向外读出，这就可以有效避免暗信号在CCD图像传感器内大量堆积，从而改善最终的图像质量；关于图像采集装置，本发明采用了一种十分巧妙的方式来解决其与全帧转移CCD的帧同步问题以及计数冗余问题：本发明的图像采集装置只需采用普通的图像采集装置即可，由于光积分过程中，水平转移区和信号处理电路均在按常规工作方式持续工作，因此，图像采集装置也会持续收到信号处理电路输出的信号，图像采集装置只需按常规方式与CCD图像传感器进行帧同步判别操作即可，这就有效的避免了背景技术中所述的计数冗余问题，对于光积分过程中采集到的信号，由于这些信号都是全帧转移CCD内部的暗信号，并无成像价值，因此直接将其舍弃即可，不用传输至上位机，只有当垂直转移区开始工作并生成相应的有效帧信号后，图像采集装置才将采集到的信号传输至上位机并进行成像处理，具体操作时，图像采集装置根据信号处理电路输出的图像辅助数据的状态来识别哪些是有效帧信号、哪些是无效帧信号。通过前面的分析不难看出，本发明只需采用常规的全帧转移CCD和图像采集装置即可实施，实现的技术难度较低，同时，也使得全帧转移CCD可以应用于天文观测中对星体进行长时间凝视成像，另外，受益于全帧转移CCD的诸多优势，使用于天文观测的成像装置的各方面性能也可以得到长足进步。

对于全帧转移CCD的具体驱动时序，虽然本文未作详细介绍，但考虑到时序设计是本领域技术人员的基本技能，以及考虑到相关硬件种类繁多、难以穷举，在本文清楚地阐释了发明思路以及确定了各种硬件的具体类型的条件下，本领域技术人员凭借基本技能，应该是能够实施本发明的。

本发明的有益技术效果是：提出了一种用于对CCD图像传感器进行超长积分时间控制的方法，采用该方法后，使得全帧转移CCD可以进行超长积分时间的光积分操作。

附图说明

图1、本发明的原理示意图；

图中各个标记所对应的名称分别为：由多个感光像元组成的感光区1、垂直转移区2、水平转移区3、信号处理电路4、快门5、控制电路6、图像采集装置7、上位机8。

具体实施方式

一种用于对CCD图像传感器进行超长积分时间控制的方法，所涉及的硬件包括全帧转移CCD、控制电路、信号处理电路、图像采集装置、快门和上位机；所述全帧转移CCD包括多个感光像元、垂直转移区和水平转移区；所述垂直转移区能将各个感光像元内的信号读出至水平转移区；所述水平转移区能将信号读出至信号处理电路；所述信号处理电路能对信号进行处理并将处理结果传输至图像采集装置，所述图像采集装置能将采集到的信号传输至上位机；所述快门用于控制感光像元的感光时间；所述控制电路用于控制垂直转移区、水平转移区、信号处理电路和快门的动作；其创新在于：所述方法包括：

以n秒为帧周期，n小于或等于10；水平转移区和信号处理电路工作时，均按所述帧周期连续工作；

垂直转移区不工作时，由水平转移区读出的信号记为无效信号，信号处理电路对无效信号进行处理后得到的信号记为无效帧信号；

垂直转移区工作时，从垂直转移区读出至水平转移区的信号记为有效信号；信号处理电路对有效信号进行处理后得到的信号记为有效帧信号；

信号处理电路在向图像采集装置输出信号时，还同时向图像采集装置输出一图像辅助数据，当图像辅助数据的状态为有效时，图像采集装置将收到的信号识别为有效帧信号，当图像辅助数据的状态为无效时，图像采集装置将收到的信号识别为无效帧信号；

对于有效帧信号，图像采集装置对有效帧信号进行处理后将处理结果传输至上位机；对于无效帧信号，图像采集装置对无效帧信号进行处理后将处理结果直接舍弃；

快门关闭时，感光像元闲置；快门开启时，感光像元进行光积分操作；单次光积分操作的时长记为积分时间，单个积分时间的时间长度为所述帧周期的整数倍；

收到成像命令后，1)控制电路控制快门开启，同时，控制电路控制水平转移区和信号处理电路开始工作，同时，控制电路控制信号处理电路将相应的图像辅助数据设置为无效状态，同时，控制电路控制垂直转移区不工作；

2)当快门开启时间达到单次光积分操作的时长时，控制电路控制快门关闭，然后，控制电路控制垂直转移区开始工作；当有效信号传输至信号处理电路时，控制电路控制信号处理电路将相应的图像辅助数据设置为有效状态；

3)当垂直转移区的工作时长达到一个帧周期的时间长度后，控制电路控制垂直转移区停止工作；待图像采集装置将有效帧信号全部处理完毕并传输至上位机后，控制电路控制信号处理电路将相应的图像辅助数据设置为无效状态；然后，控制电路控制快门重新开启，返回步骤2)。

具体实施本发明时，单个积分时间的时间长度可根据应用需求进行调节，比如，将本发明用于背景技术中所述的天文观测成像时，单个积分时间的时间长度可设置为2小时或2小时以上。