高速摄像机用传感器及工作原理

初期的高速摄像系统采用高灵敏度的硅靶摄像管作为图像传感器，高速摄像机通过电子束逐行扫描的形式将捕获的图像信号转换为视频图像信号,然后存储在高密度磁带或磁盘上。由于摄像管惰性大，因此不利于实现高帧频工作。另外,图像几何畸变严重，不利于高精度测量。随着微电子技术的发展,固体成像器件(CCD器件与CMOS器件)已替代摄像管作为高速摄像系统的图像传感器。

外界瞬发事件通过光学系统成像在CCD芯片的成像区,在积分时间内( T积分) CCD阵列像元产生光生电荷，,产生电荷的数量与光强和曝光时间成正比。积分结束后，成像区电荷在垂直时钟控制下转移到对应的.上或下存储区(如图中箭头所示)，转移时间为T转移。然后，存储区中的电荷通过垂直时钟控制一行行转移至输出移位寄存器。16个移位寄存器在水平时钟控制下,完成光生电荷逐行输出。CCD芯片的工作过程可归纳为:①积分结束;②成像区电荷转移至存储区;③成像区开始积分;④存储区电荷按行转移至输出移位寄存器;⑤寄存器内的电荷输出(移位64次);⑥重复④、⑤过程直至存储区电荷全部输出;⑦回到步骤①。绵阳高速摄像机，如前所述,- -幅图像的采集和输出过程一般由3个阶段组成，分别是:曝光过程(积分时间) T ;成像区电荷转移过程(帧转移) T2;存 储器荷输出过程T3。因此,一幅图像的采集输出时间为T= T1+ T2+ T3。通常情况下，曝光时间Ti 与帧转移时间T2 远小于电荷输出时间T3 ,且曝光过程一般在电荷输出过程中进行,所以CCD芯片的图像采集、输出时间应为T= T2+ T3。

因此摄像机的帧频率可表示为v=1/ T=1/ ( T2+ T3)。 例如，对于前述512 X512像元的芯片，若垂直时钟频率为4MHz ,水平时钟频率为15MHz，则可得T2 = 256/ 4=64U s;T3= 256/ 4+ 256 X64/15= 1156∪s ,帧频v= 1/( T2 + T3) =819 Hz。对于512X512像元的CCD芯片，要获得大于800帧/s的帧速率，要求CCD摄像机总的电荷传输速率不小于512X512X800=210兆像元/s。若考虑到帧转移过程所需时间，此值可能还要大些。对于如此高的传输速率要求，若采用单路输出方式，存储器的存取速率至少要达到4. 5ns 。若采用前述的多路输出以及流水线数据处理方式,可以极大地降低高速摄像系统对于设备硬件的要求，有利于提高CCD帧速率。对于前述的512 X512像元的CCD芯片，若每路的数据传输带宽高于14MHz ，则16路总的输出数据带宽大于224MHz ,可满足800帧/ s的帧频要求。

由以上讨论不难想到，对于CCD图像传感器而言，提高摄像帧频实际上意味着提高CCD光生电荷的读出速率。从CCD的结构和工作原理不难想象，若提高CCD光生电荷的读出速率可以采取两种方式:一是提高CCD驱动脉冲的时钟频率;二是将CCD芯片分成若千个相互独立的小区域，采用多路并行输出方式分别读出各个小区域CCD像元的光生电荷。提高CCD的驱动脉冲频率虽可提高读出速率,但其结果是CCD积分时间缩短、噪音提高及电荷转移损失增加，从而造成成像质量下降。高速摄像机配件，若将CCD芯片分为逻辑上的若干块小区域(例如4、8、16、 32和64块)，每一小区域具有相同的像元数, 且具有自己独立的电荷输出端口,由此可在CCD驱动脉冲频率不变的情况下成倍提高摄像机的帧频。分区多路电荷输出方式带来的也许是对于CCD芯片加工工艺要求的提高及驱动控制难度的增加,但无疑是提高CCD读出速率的一-个出路。