帧转移型数字相机帧转移模糊的复原

    1 引 言

    CCD相机的面阵类型有全帧型,帧转移型和行交错型三种,其中帧转移型面阵传感器因为具有100%填充因子,灵敏度高和无需外加机械快门等优点而得到广泛的应用。但是对于使用电子快门的帧转移型面阵相机而言,在帧转移的过程中,一部分还没移入光遮蔽区的像元电荷会继续受到相应位置处入射光的照射,因而像元电荷在帧转移过程中受到污染,形成帧转移模糊。对于某些航空遥感应用来说,这种模糊还是很严重的。本文较详细地介绍了帧转移模糊形成的原因,并提出了解决问题的方法,最后,我们在地面和航空实验过程中,较好地消除了帧转移模糊,验证了方法的有效性。

    2 面阵CCD结构类型

    面阵CCD传感器表面分为成像区域(或称光敏感区)和电荷存储区域。成像区的作用是将入射光子的能量转化为成比例的电荷,CCD读出电路将这些电荷一行一行读出并量化,这通常需要一定的时间,在读出这些电荷之前,要为等待读出的电荷提供读出之前的临时存储空间,这部分区域称电荷存储区。根据面阵CCD成像区和存储区的不同,面阵类型可分为:全帧型、帧转移型和行交错型。

    全帧型(FULL FRAME)的特点是成像区与存贮区共用同一区域[见图1(a)],必需加装外部机械快门来辅助成像,快门打开时,CCD器件曝光,成像区(光敏区)收集电荷,在电荷读出的过程中,快门必须关闭,挡住入射光直到面阵上所有像元收集的电荷被全部读出。

    帧转移型(FRAME TRANSFER)的特点是成像区域与光屏蔽的存储区域分离,两个区域大小、结构都相同,区别在于存储区域表面覆盖了一层不透光的光屏蔽层[见图1(b)]。曝光期间由成像区收集电荷,曝光结束时,在传感器内部时钟的控制下,成像区收集的电荷逐行转移到光屏蔽的存储区。其优点是在成像区域可获得全填充,增加了器件的动态范围,帧转移型器件可以不要外部机械快门。

    行交错型(INTER-LINE TRANSFER)传感器的每个像元有一个成像区和一个与之相邻的光屏蔽的存储区域[见图1(c)]。曝光期间由成像区收集电荷,曝光结束时,在传感器内部一个转移周期内,成像区所有的像元电荷全部转移到与之相邻的存储区内。所以其优点是具有最佳的电子快门性能,但是填充系数和动态范围会有所下降。

    3 帧转移模糊的形成

    本文使用的器件DALSA IA-4是帧转移型面阵CCD传感器,帧转移模糊发生在帧转移时成像区的电荷向存储区的移动过程中。帧转移的时序图如图2所示。从图2的时序图中可以看到,从PRIN信号的上升沿开始到EXSYNC信号下降沿为止是曝光周期。曝光周期结束之时(EXSYNC信号下降沿)就是帧转移周期开始之时,当成像区收集的电荷全部转移到光遮蔽区时,帧有效信号(FVAL)由低变高,帧转移周期才算结束。帧转移周期之内,在四相转移电极信号的控制下,曝光周期内收集的整个面阵的电荷整体逐行地由成像区向遮蔽区移动,完成所有行的电荷转移需要215312ms,即帧转移周期为215312ms。在帧转移周期还未结束时,成像区内还未转移到遮蔽区的电荷还会继续受到入射光照射,像元继续进行光电转换和电荷收集,将收集到的电荷叠加到正在向遮蔽区转移的电荷上,从而使原先曝光周期内收集的电荷在帧转移期间受到污染,形成了帧转移模糊。