Design of a very high frame rate camera based on an asynchronous CCD driving method

A very high frame rate camera is designed based on an innovative CCD driving method. The CCD driving method is mainly implemented on frame transfer CCDs. Asynchronous drive timing sequences are applied in the image and storage section of the CCDs. Several rows of the charge in the image section are binned onto the same row in the storage section, and there are the same number of images to be stored in the storage section before they are read out. Based on the new driving method, the frame transfer CCDs can work at a very high frame rate in acquiring burst images though the reading speed remains at a lower level. A very high frame rate camera is designed in this paper. The innovative CCD driving method is mainly of concern. An e2v's CCD60 is adopted in the camera system, whose full size resolution is 128×128, and the up most frame rate is 1000 Hz in the conventional CCD driving method. By using the presented method, the CCD60 based imager is capable of operating at up to 40000 frames per second (fps) at a recognizable resolution of 128×32. Comparing cameras using traditional binning and region of interest technologies, the frame rate is normally less than 5000 fps while the resolution is only 32 × 32 lett.     

基于CCD电极直接驱动控制的双脉冲发光图像高速曝光技术原理研究

电荷耦合器件(CCD)是一类高性能的光电成像器件,具有成像阵列大、图像质量好的特点。但由于正常工作驱动时序复杂,工作帧频一般较低,无法满足较高成像帧频的要求。针对一种双脉冲发光图像的高速高分辨高质量成像要求,根据CCD信号电荷收集及转移的电极驱动特性,选择合适的CCD类型,以电荷转移时序为时间分隔界限,设计了一种电极直接进行控制的时序,实现了两个光脉冲图像的分离积分及信号转移、读出等,完成了双脉冲发光图像的等效高帧频曝光的原理验证,在保持CCD原有高成像质量的情况下获得了μs级间隔的两幅图像可分辨的能力,并实现了一种二分幅相机系统。     

基于FPGA的全帧型面阵CCD驱动时序设计

在介绍全帧型面阵CCD的结构和特点的基础上,分析了该类型CCD的驱动信号和时序,并针对CCD442A型CCD设计出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的全帧型面阵CCD驱动时序。采用集成开发环境和自上而下的模块化设计方法,实现了硬件设计的软件化,提高了开发效率。     

摄像CCD

本文对用作成象传感器的电荷耦合器件(CCD)首先进行了一般性技术介绍。概括了大量的最新文献,涉及到许多物理学特性和电路技术。同时较全面地介绍了主要厂家的产品。对于CCD图象传感器的目前的应用和潜在应用也作了叙述。     

体全息存储系统图像质量因素MTF数值模拟分析

影响体全息存储系统中读出图像误码率的因素很多,其中输入与输出器件SLM、CCD的性能以及它们信号匹配关系起着关键的作用。针对这一实际问题,利用CCD成像系统的调制传递函数理论和数值模拟方法,通过对4f系统中周期性SLM像素分布的CCD输出响应分析,研究了SLM和CCD的填充因子、对比度、位相匹配关系对读出图像误码率的影响,并给出计算机仿真结果。     

基于微位移技术提高CCD分辨率的方法

利用微小相对移动和计算机合成技术提高CCD等数字图像传感器分辨率是一个行之有效的方法.本文在这一技术的基础上,将CCD图像传感器按像元尺寸和不感光间隔尺寸二者之间的关系做出了分类,提出了适应更多图像传感器类型的高分辨率图像的获取方法和算法,并给出了某些类型的CCD图像传感器通过微位移方式提高分辨率的限度.计算机模拟和实验都验证了这种新方法的可行性.     

A 3 × 6 arrayed CCD X‐ray detector for continuous rotation method in macromolecular crystallography

A 3 × 6 arrayed charge‐coupled device (CCD) X‐ray detector has been developed for the continuous‐rotation method in macromolecular crystallography at the Photon Factory. The detector has an area of 235.9 mm × 235.9 mm and a readout time of 1.9 s. The detector is made of a 3 × 6 array of identical modules, each module consisting of a fiber‐optic taper (FOT), a CCD sensor and a readout circuit. The outputs from 18 CCDs are read out in parallel and are then digitized by 16‐bit analog‐to‐digital converters. The advantage of this detector over conventional FOT‐coupled CCD detectors is the unique CCD readout scheme (frame transfer) which enables successive X‐ray exposures to be recorded without interruption of the sample crystal rotation. A full data set of a lysozyme crystal was continuously collected within 360 s (180° rotation, 3 s/1.5° frame). The duty‐cycle ratio of the X‐ray exposure to the data collection time was almost 100%. The combination of this detector and synchrotron radiation is well suited to rapid and continuous data collection in macromolecular crystallography.     

利用Michlshon干涉仪测量CCD的调制传递函数

介绍了利用Michlshon干涉仪测量CCD调制传递函数的方法,与其他方法相比,该方法具有测量装置简单、将正弦图样投射到待测CCD阵列上无需借助光学系统等特点。给出了典型的线阵和面阵CCD的调制传递函数曲线的测量结果。     

EBCCD的增益及信噪比研究

以背照明减薄CCD为基础的微光成像系统 ,可以得到视频信号速率的输出。这种减薄的电子轰击CCD探测系统 (EBCCD)在微光下的性能大大超过了像增强器耦合的CCD探测系统 (ICCD)。EBCCD能在微光条件下产生高对比度、高分辨力的视频信号。可以预料 ,它将在工业应用、军事应用及科学研究工作中取代通常使用的ICCD。详细讨论了影响EBCCD的增益及信噪比的各种因素。结果表明 ,若适当提高阴极和CCD之间的电压 ,减小CCD基片的厚度 ,可以进一步减小EBCCD的噪声 ,从而使信噪比得到更大的提高     

A high-speed image sensing technique with adjustable frame rate based on an ordinary CCD

In the sinusoidal phase modulating interferometer technique, the high-speed CCD is necessary to detect the interference signals. The reason of ordinary CCD's low frame rate was analyzed, and a novel high-speed image sensing technique with adjustable frame rate based on an ordinary CCD was proposed. And the principle of the image sensor was analyzed. When the maximum frequency and channel bandwidth were constant, a custom high-speed sensor was designed by using the ordinary CCD under the control of the special driving circuit. The frame rate of the ordinary CCD has been enhanced by controlling the number of pixels of every frame; therefore, the ordinary of CCD can be used as the high frame rate image sensor with small amount of pixels. The multi-output high-speed image sensor has the deficiencies of low accuracy, and high cost, while the high-speed image senor with small number of pixels by using this technique can overcome theses faults. The light intensity varying with time was measured by using the image sensor. The frame rate was up to 1600 frame per second (f/s), and the size of every frame and the frame rate were adjustable. The correlation coefficient between the measurement result and the standard values were higher than 0.98026, and the relative error was lower than 0.53%. The experimental results show that this sensor is fit to the measurements of sinusoidal phase modulating interferometer technique.     

亚像元几何图像成像与超分辨恢复算法

随着光学成像到光电数字成像的转变,如何提高CCD的几何分辨率已成为研制高分辨光电成像系统亟待解决的问题。从研究现状入手,给出了现有算法并指出不足之处`,建立了亚像元超分辨成像数学模型,提出了亚像元的CCD几何超分辨方法:将两片线阵CCD集成在同一器件中,在线阵方向上错开半个像元,同时读出时间减半,最终交织重组图像数据,合成高分辨率图像。利用MATLAB软件对双线性插值方法及亚像元成像方法进行了仿真,并定性定量地分析了两种方法的效果。结果表明:亚像元方法合成图像分辨率约为低分辨率图像的2倍,且两组仿真图像中的峰值信噪比比双线性插值图像分别高出1.4864dB和2.2070dB,该方法可以显著地减轻欠采样引起的图像模糊,且实时性优于双线性插值方法。     

基于面阵CCD的时间延时积分模式的空间相机自动对焦

空间面阵相机在轨运动会产生运动模糊,影响自动对焦准确率。为解决该问题,提出行间转移面阵CCD的时间延时积分(TDI)模式实现去运动模糊。选取行间转移面阵CCD KAI-1003作为成像器件,利用可编程逻辑器件(PLD)控制时序信号,匹配CCD的行转移速度与目标运动速度,实现去运动模糊。实验表明该成像系统不仅能去运动模糊而且还大幅提高图像信噪比。去运动模糊后,根据较短时间间隔内空间相机拍摄的图像有重叠区域的特点提出一种空间相机自动对焦方法。通过配准算法找出序列图像间的重叠区域,并计算重叠区域的清晰度评价值,然后根据传递特性将评价值映射到同一个评价体系中,最后找到最佳对焦位置。实验表明该成像系统对高速运动的目标能够实现自动对焦。     

CCD变积累控制技术

在分析微光图像噪声特性的基础上，提出了通过对微光图像信号进行积分，抑制随机噪声的方法，发展了ＣＣＤ可变积累控制技术，研制了ＣＣＤ外围驱动控制和视频制式转换系统，使激光图像信号直接在ＣＣＤ电荷包中进行多帧累加，有效地抑制了随机噪声，提高了低照度与低对比情况下的信噪比和灵敏度，同时避免了后续实时处理电路的高原干扰，图像质量有了明显的改善。     

双CCD立体视觉系统的理论研究

依据几何成像原理建立起双CCD立体视觉系统的数学模型,并从图像转换的角度上,综合分析了CCD与物体之间的距离、两个CCD的间距和观看距离三个参数之间的关系。利用这些关系可指导立体视觉系统的结构设计。     

基于LCTF的多光谱面阵CCD相机的辐射定标

基于液晶可调谐滤光片(LCTF)的多光谱面阵CCD相机是一种新型的多(高)光谱成像系统,它利用液晶的电控双折射效应和偏振光的干涉原理,在面阵CCD上记录任意一个波长的图像信息.由于LCTF和帧转移型面阵CCD工作方式的特殊性,普通的定标方法不能满足遥感应用的精度需求.提出用积分球+标准探测器的定标系统对相机进行性能检测...     

Noise analysis and measurement of time delay and integration charge coupled device

Time delay and integration (TDI) charge coupled device (CCD) noise sets a fundamental limit on image sensor performance,especially under low illumination in remote sensing applications.After introducing the complete sources of CCD noise,we study the effects of TDI operation mode on noise,and the relationship between different types of noise and number of the TDI stage.Then we propose a new technique to identify and measure sources of TDI CCD noise employing mathematical statistics theory,where theoretical analysis shows that noise estimated formulation converges well.Finally,we establish a testing platform to carry out experiments,and a standard TDI CCD is calibrated by using the proposed method.The experimental results show that the noise analysis and measurement methods presented in this paper are useful for modeling TDI CCDs.     

帧转移型数字相机帧转移模糊的复原

帧转移型面阵CCD相机因其诸多优点而得到了广泛的使用 ,但它也存在帧转移模糊的问题。介绍了CCD相机的几种面阵类型及其各自的一些特点 ,重点介绍了帧转移型面阵器件的工作过程 ,分析了面阵CCD器件帧转移模糊形成的原因 ,并提出了解决帧转移模糊的方法。介绍了用该方法消除帧转移模糊的实例 ,验证了方法的有效性     

基于TDI-CCD的高速小目标交汇测量系统

介绍了TDI CCD图像传感器的工作原理和成像特点 ,提出了基于TDI CCD的交汇测量系统 ,初步分析了该交汇系统行扫描速率和目标运动速率的同步控制问题。同一般线阵CCD组成的交汇测量系统相比较 ,TDI CCD构成的交汇测量系统能够提高探测灵敏度、扩大动态探测范围、增大信噪比 ,从而大大提高系统对目标的捕获几率。同时亦可减小照明光源的亮度及功耗。对大靶面、高速小目标物体运动轨迹的精密测量具有重要意义。     

基于普通CCD的每秒百万帧高帧频成像方法

针对CCD图像输出时间长影响其帧频率的问题,提出了一种基于普通CCD实现超高帧频成像的方法.采用掩膜覆盖CCD的光敏区,建立图像的片上存储空间,消除CCD电荷转移输出占用过多时间的影响,可以使普通CCD的帧频达到每秒百万帧频以上.介绍了不同掩膜实现方案的优缺点,讨论了掩膜图像的恢复方法,采用条状孔掩膜方式建立了基于普通CCD的每秒百万帧高帧频成像系统样机,利用氙灯对样机性能进行验证,获得了14幅79×79像素的氙灯发光过程图像,样机帧频率达到了每秒200万帧的超高速度.     

一种高速CCD视频实时存储方案的速度分析

为了满足高帧频、大面阵CCD数字视频实时存储要求,在分析数字视频的信号特点和SCSI系统数据传输过程的基础上,建立了缓冲并行预处理和SCSI直接存储阵列数据传输的理论模型。从理论和实验两个方面分析了SC SI总线速度和SCSI硬盘持续存储速率两个决定存储速率的主要因素,并且分析了数据分块大小,LBA(逻辑块地址)范围以及系统调度策略对SCSI硬盘阵列数据存储速度的影响。实验表明,通过选择合适的应用背景来减少总线冲突,可以满足100MB/s视频数据的存储要求。