基于电子快门实现CCD曝光量无级调节技术

    引 言

    目标及背景的亮度变化，有时是需要在视频信号幅度上进行客观反映的，使图像在时域上的明暗变化呈现在显示终端被人眼感知，或直接对图像目标的亮度进行测量，比如白昼和黑夜场景、舞台灯光的闪烁等；但更多情形需要在光路及电路上对这种亮度变化进行某种程度的调理和补偿，其实光圈和快门组合调光及白平衡就是最基本的措施，特别是在某些应用机器视觉的工业测控场合，目标及背景亮度变化的情形下，仍需要图像中目标的相应视频幅度保持基本恒定，不仅可以优化终端的视觉表现，更重要的是有利于边界检测等信号处理算法的运用并提升测控系统性能[1, 2]，这在电视寻的跟踪制导技术方面有具体应用。

    采用图像目标定位算法确定了测控目标后，可以在光通量控制和视频信号增益控制两方面采取措施来保持图像目标亮度的稳定性。本文主要介绍在光路方面及基于 CCD 电子快门采取的曝光量控制措施，即通过自动光圈程控 CCD 感光面的光照度[3, 4]，通过电子快门控制各像素的光生电荷的积分时间[5]，保持曝光量的稳定。

    1 电子快门的驱动原理

    电子快门(Electronic shutter) 和抗晕光控制功能(Anti-blooming and exposure control) 在控制信号的形式及功能方面有些差别，抗晕光的控制电平的偏置大小与抗晕光的能力相关联，但都可以实现信号电荷积分时间控制的相同作用，这里将抗晕光的曝光控制功能也归入电子快门的论述范畴。新型 CCD 器件的多种型号中都增加了高速电子快门功能，比如，仙童公司的 CCD181、DALSA 公司的 IL-C6-2048C 和 ATMEL的 TH78114A 都具有抗晕光控制功能，SONY 公司的 ILX751B 具有电子快门功能。

    设计中选用了 ILX751B 型的 SONY 线阵 CCD，其电子快门功能可用于灵敏度修正和动态范围的调整。图 1 所示为适当的持续照明情形下，电子快门动作和像素中积累的光生电荷量的关系。在不启用快门功能(φSHUT电平为高) 的情形下，光生电荷积累的周期就是图 1 中信号电荷的转移脉冲φROG周期；启用快门功能(φSHUT电平为低)后，无论固定光积分时间还是可变光积分时间，快门时间(Shutter time) 都是指从快门脉冲φSHUT到电荷转移脉冲φROG间的时段，信号电荷只与该段光积分时间有关，改变φSHUT脉冲的位置也就改变了快门时间。而从φRO到φSHUT脉冲时间段积累的光生电荷，由于快门栅极的脉冲电压使相应 MOS 管饱和导通，通过漏极释放掉。可见，电子快门和传统机械快门的功能实现方式完全不同。

    φSHUT的出现位置由可编程逻辑器件 CPLD 来精确控制，可以达到基于时钟周期的定时控制分辨力，实现快门时间精细调节，可以称为无级调节。相比分档快门速度的摄像机，比如只有 2 级(1/500 和1/1000s)的松下 NV-M7 摄录机，无级调节具有更大的控制灵活性。