基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法

摘要

本发明涉及CMOS图像传感器的图像获取方法，具体涉及一种基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法，解决了普通全局快门型CMOS图像传感器难以实现高时间分辨图像直接获取的技术问题。本发明利用全局快门型CMOS图像传感器的像素结构特征，进行特殊驱动时序设计，所需驱动系统简单，改进成本较低，能在不增加系统复杂度和成本的前提下，显著提高成像系统的时间分辨能力；可实现极短的曝光时间，使高时间分辨成像系统不需要依赖MCP像增强器的光快门功能，有效提高成像系统的空间分辨能力；同时可根据成像目标对时间分辨的要求，灵活调整图像的曝光时间，可实现最小纳秒量级的超高时间分辨图像获取，应用范围广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器的图像获取方法，具体涉及一种基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法。

背景技术

基于图像传感器的高速相机在瞬态物理过程研究领域中应用广泛。目前常用的图像传感器主要有两种：CCD图像传感器和CMOS图像传感器。由于CMOS图像传感器与模拟电路、大规模数字电路的兼容性好，便于在传感器内部实现高精度量化、高速采样输出等功能，已逐渐取代CCD图像传感器，成为成像系统设计的主要传感器。

CMOS图像传感器根据其像素阵列的复位及曝光控制信号特征，大致分为全局快门型、卷帘快门型及混合快门型。其中，全局快门型CMOS图像传感器通常具有像素阵列中所有像素同时曝光和同时复位的控制信号；卷帘快门型CMOS图像传感器则智能地对同一行的像素进行统一的曝光和复位控制；混合快门型CMOS图像传感器具备像素阵列统一的曝光控制信号，可以使像素阵列在同一时刻开始曝光，但每行像素结束曝光的时刻不同，复位信号为行复位。

在高速成像领域，通常将成像速度在1000帧每秒到100万帧每秒之间的成像系统称为高速成像系统，其曝光时间在1ms到1μs之间；将成像速度大于100万帧每秒的成像系统称为超高速成像系统，其曝光时间小于1μs。基于传感器的电子快门最小曝光时间通常受限于传感器曝光控制信号的最小脉宽或像素阵列的最小转移信号脉宽，普通CMOS图像传感器的最小曝光时间通常在微秒量级，特殊的片上存储型图像传感器的最小曝光时间在十纳秒到百纳秒量级。

目前普通的全局快门CMOS图像传感器实现纳秒级时间分辨图像的获取，通常需要采用像增强器的光快门等高时间分辨快门技术，这种方式会增加成像系统的成本。

发明内容

本发明的目的是解决普通全局快门型CMOS图像传感器难以实现高时间分辨图像直接获取的技术问题，而提供一种基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法。

本发明的原理是：

本发明利用全局快门型CMOS图像传感器具备的光敏区复位、浮置栅极复位及电荷转移控制信号，以及电路结构，通过对像素光敏区与像素浮置栅极的关联控制，实现高时间分辨图像的获取。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、选取全局快门型CMOS图像传感器，并根据数据手册，获得全局快门型CMOS图像传感器的最小控制信号脉宽ΔT

步骤2、根据成像目标的时间分辨要求，设定全局快门型CMOS图像传感器获取图像的目标曝光时间ΔT

步骤3、在曝光起始时刻信号到来之前，使全局快门型CMOS图像传感器处于清零复位状态；

步骤4、将曝光起始时刻记为T

步骤5、令T

步骤6、令T

进一步地，步骤1中，所述全局快门型CMOS图像传感器的像素光敏区设置有光敏区复位控制端，用于连接光敏区复位控制信号；像素浮置栅极设置有浮置栅极与光敏区之间的转移控制端、浮置栅极复位控制端，分别用于连接转移控制信号及浮置栅极复位控制信号；

所述光敏区复位控制信号、连接转移控制信号及浮置栅极复位控制信号均为独立控制信号。

进一步地，所述步骤3具体为：

在曝光起始时刻信号到来之前，保持光敏区复位控制信号和浮置栅极复位控制信号打开，并判断目标曝光时间ΔT

若ΔT

进一步地，所述步骤4具体为：

将曝光起始时刻记为T

进一步地，所述步骤5具体为：

令T

进一步地，步骤1中，所述全局快门型CMOS图像传感器的像素浮置栅极设置有浮置栅极与光敏区之间的转移控制端、浮置栅极复位控制端，分别用于连接转移控制信号及浮置栅极复位控制信号；

所述浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号和浮置栅极复位控制信号均为独立控制信号。

进一步地，所述步骤3具体为：

在曝光起始时刻信号到来之前，保持浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号和浮置栅极复位控制信号均打开，使全局快门型CMOS图像传感器处于清零复位状态。

进一步地，所述步骤4具体为：

将曝光起始时刻记为T

进一步地，所述步骤5具体为：

令T

与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明提供的基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法利用全局快门型CMOS图像传感器的像素结构特征，进行特殊驱动时序设计，所需驱动系统简单，改进成本较低，能在不增加系统复杂度和成本的前提下，显著提高成像系统的时间分辨能力；

2、本发明提供的基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法可实现极短的曝光时间，使得高时间分辨成像系统不需要依赖MCP像增强器的光快门功能，有效提高成像系统的空间分辨能力；

3、本发明提供的基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法可根据成像目标对时间分辨的要求，灵活调整图像的曝光时间ΔT

附图说明

图1为本发明基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法实施例一所采用的全局快门型CMOS图像传感器像素特征结构；

图2为本发明基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法实施例一的流程时序图；

图3为本发明基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法实施例二所采用的全局快门型CMOS图像传感器像素特征结构；

图4为本发明基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法实施例二的流程时序图；

附图标记说明如下：

1-像素光敏区，2-像素浮置栅极，3-像素信号读出电路，A-光敏区复位控制信号，B-浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号，C-浮置栅极复位控制信号，D-像素信号读出控制信号。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法作进一步详细说明。

实施例一

一种基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法，包括以下步骤：

步骤1、选取具有如图1所示5T像素特征结构的全局快门型CMOS图像传感器，并根据数据手册，获得全局快门型CMOS图像传感器的最小控制信号脉宽ΔT

步骤2、根据成像目标的时间分辨要求，设定全局快门型CMOS图像传感器获取图像的目标曝光时间ΔT

根据如图2所示的流程时序图，进行步骤3-步骤6，通过驱动系统控制光敏区复位控制信号A、浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号B、浮置栅极复位控制信号C的打开与关闭，其中，图中底色为深灰色的表示信号为打开状态，底色为浅灰色的表示信号为打开或关闭状态。

步骤3、在曝光起始时刻信号到来之前，使全局快门型CMOS图像传感器的像素光敏区1处于清零复位状态。保持光敏区复位控制信号A和浮置栅极复位控制信号C打开，并判断目标曝光时间ΔT

步骤4、将曝光起始时刻记为T

步骤5、令T

步骤6、令T

实施例二

一种基于全局快门型CMOS图像传感器的高时间分辨图像获取方法，包括以下步骤：

步骤1、选取具有如图3所示4T全像素特征结构的全局快门型CMOS图像传感器，并根据数据手册，获得全局快门型CMOS图像传感器的最小控制信号脉宽ΔT

步骤2、根据成像目标的时间分辨要求，设定全局快门型CMOS图像传感器获取图像的目标曝光时间ΔT

根据如图4所示的流程时序图，进行步骤3-步骤6，通过驱动系统控制浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号B、浮置栅极复位控制信号C的打开与关闭，其中，图中底色为深灰色的表示信号为打开状态。

步骤3、在曝光起始时刻信号到来之前，保持浮置栅极与光敏区之间的转移控制信号B和浮置栅极复位控制信号C均打开，使全局快门型CMOS图像传感器处于清零复位状态。

步骤4、将曝光起始时刻记为T

步骤5、令T

步骤6、令T

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。