全帧型CCD数码相机曝光时间的精确控制

    0 引言

    曝光是用来计算从景物到达相机光通量大小的物理量,曝光量是入射在CCD感光面上的照度和积分时间的乘积[1].数码相机拍摄时,光线通过透镜,停留在焦平面的CCD上,只有感光芯片CCD获得正确的曝光量,才能获得高质量的照片[2].

    正确曝光量的控制是通过控制曝光时间.曝光时间过长时,CCD存储电荷达到极限值,即满阱容量,所有超过满阱容量的图像信息在CCD接收器件都将被记录为该极限值.这些信息所携带的细节部分将会丢失,导致图像亮度失真,明亮部分的细节信息不能体现出来,分辨率降低.同样,曝光不足,CCD像面照度过低,当低于CCD器件灵敏度时,景物较暗部分的细节就不能正确反映出来.使图像的分辨率和对比度降低[3-4].因此,本文提出一种全帧型CCD数码相机精确曝光控制方案,通过机械快门配合,可以精确控制数码相机的曝光时间,对数码相机的高质量成像至关重要[5].

    1  全帧型CCD相机曝光特点及控制原理

    控制曝光时间的措施是快门,包括传统的机械快门和新型的电子快门.

    CCD相机是否需要安装机械快门主要由CCD芯片的类型决定,目前大多数的商用消费级数码相机都是采用的行间转移型CCD,那么由于其帧转移速率很快,感光电荷可以很快地转移到遮光区域,一般不用机械快门.而对于大面阵的无遮光区域的全帧型CCD来说,它只有光敏区和读出寄存器,光敏区完成光积分后,光电荷包直接垂直转移到水平读出寄存器.由于不存在光电荷的存储过程,所以图像的水平读出不能与光积分同步进行.为了在读出光电荷时遮蔽已经捕捉到的图像,防止产生拖尾现象,都需要外加机械快门来遮蔽入射光[6-7].

    当机械快门的控制速度足以满足曝光时间的要求时,不启用电子快门功能,光生电荷的积累周期就是CCD电荷转移的周期<ROG[8],控制机械快门的开合时间,即可实现曝光控制.如图1,机械快门未打开前,感光电荷接收不到光信号,直到机械快门开启,才开始有电荷积累,机械快门的完全关闭标志着光电荷积累的结束.如果积分时间是快门时间的10倍以上,就可以用机械快门.但实际应用中仅用机械快门的速度常常不能满足快门速度的要求,因此本文提出了一种测量快门速度,并精确控制全帧型CCD曝光时间的方法:在精确测得机械快门延时的基础上,利用电子快门脉冲<SHUT作为曝光的开始,机械快门完全关闭为曝光的结束,实现曝光时间的精确控制.

    设计选用了FTF4052全帧型CCD,曝光过程的控制由电子快门和单幕帘机械快门配合完成.图2是电子快门和机械快门配合完成曝光时间的控制原理.每一幅的曝光的起始以机械快门的完全打开为先决条件,光生电荷的积累随即开始,启用快门脉冲(<ELECTRONIC SHUT),从光生电荷开始积累到快门脉冲时间段积累电荷.由于快门栅极的脉冲电压使相应的MOS管饱和导通,通过漏极释放掉.因此对CCD感光而言,真正的光电荷积累是从<ELECTRONIC SHUT的下降沿到机械快门完全关闭的时间段.