具有多种工作模式的帧转移CCD及其控制方法与流程

具有多种工作模式的帧转移ccd及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及ccd图像传感器技术领域，特别是涉及一种具有多种工作模式的帧转移ccd及其控制方法。


背景技术：

2.帧转移ccd作为面阵ccd的重要分支，在天文观测、空间遥感等光电成像领域得到了广泛的应用。现有帧转移ccd主要由光敏区、存储区、存储区水平ccd以及存储区输出放大器构成；在光敏区垂直驱动脉冲作用下，使得光敏区在积分完成后，产生的光信号仅能向着存储区的方向垂直向下转移，使得现有帧转移ccd仅能实现常规帧转移工作模式而无法实现全帧转移等其他多种工作模式，无法满足以帧转移ccd图像传感器为核心部件的相机成像系统的应用需求。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种具有多种工作模式的帧转移ccd及其控制方法，以解决现有技术中c帧转移ccd的工作模式单一、适用范围较窄的问题。
4.为达到上述目的，本发明的第一方面提供一种具有多种工作模式的帧转移ccd，包括从上至下依次设置的第一水平转移区、光敏区、存储区和第二水平转移区，所述光敏区电连接有一用于驱动光敏区产生的光电荷垂直向上转移至第一水平转移区或垂直向下快态转移至存储区的第一垂直驱动时钟，所述存储区电连接有一用于驱动所述光电荷垂直向下快态转移至第二水平转移区的第二垂直驱动时钟，所述第一垂直驱动时钟和第二垂直驱动时钟配合控制所述光电荷择一从第一水平转移区或第二水平转移区输出以控制帧转移ccd择一工作在全帧转移模式或常规帧转移模式。
5.进一步的，所述第一水平转移区和第二水平转移区分别连接有用于独立驱动所述第一水平转移区和第二水平转移区的第一水平驱动脉冲和第二水平驱动脉冲，所述第一水平驱动脉冲驱动所述第一水平转移区内光电荷的水平读出，所述第二水平驱动脉冲驱动所述第二水平转移区内的光电荷的水平读出。
6.进一步的，所述第一垂直驱动时钟为三相时钟或四相时钟，所述第二垂直驱动时钟为单相时钟、两相时钟、三相时钟或四相时钟中的一种。
7.进一步的，所述第一水平转移区包括连接于所述光敏区顶部的第一水平ccd结构以及连接在所述第一水平ccd结构的信号输出端的第一输出放大器，所述第一水平ccd结构与所述第一水平驱动脉冲电连接。
8.进一步的，所述第一水平转移区还包括设置在所述第一水平ccd结构与第一输出放大器之间的第一哑元区域。
9.进一步的，所述第二水平转移区包括连接于所述存储区底部的第二水平ccd结构以及连接在所述第二水平ccd结构的信号输出端的第二输出放大器，所述第二水平ccd结构与所述第二水平驱动脉冲电连接。
10.进一步的，所述第二水平转移区还包括设置在所述第二水平ccd结构与第二输出放大器之间的第二哑元区域。
11.本发明的第二方面，提供一种具有多种工作模式的帧转移ccd的控制方法，用于择一控制帧转移ccd工作在全帧转移模式或常规帧转移模式，所述控制方法包括：
12.控制第一垂直驱动时钟和第二垂直驱动时钟均关断，使光敏区接收光照产生光电荷；
13.控制第一垂直驱动时钟按照第一预定时序向光敏区施加高电平，以驱动光电荷垂直向上转移至第一水平转移区，或控制第一垂直驱动时钟按照第二预定时序向光敏区施加高电平并控制第二垂直驱动时钟按照第三预定时序向存储区施加高电平，以共同驱动光电荷垂直向下转移至第二水平转移区；
14.控制第一水平驱动脉冲驱动第一水平转移区内的光电荷水平读出以使帧转移ccd工作在全帧转移模式或控制第二水平驱动脉冲驱动第二水平转移区内的光电荷水平读出以使帧转移ccd工作在常规帧转移模式。
15.进一步的，所述光敏区具有从上至下设置的至少三个第一时钟管脚，所述第一时钟管脚与外围电路连接以向光敏区施加第一预定时序的高电平，控制所述帧转移ccd工作在全帧转移模式的具体方法为：
16.控制外围电路驱动第一垂直驱动时钟按照从下至上的顺序依次向第一时钟管脚提供预定次数的高电平，使光敏区内的光电荷垂直向上依次转移至第一水平ccd结构中，然后控制第一水平驱动脉冲驱动第一水平ccd结构内的光电荷依次水平转移至第一输出放大器，所述第一输出放大器将所述光电荷转换为电信号读出，实现帧转移ccd的全帧转移工作模式。
17.进一步的，所述光敏区具有从上至下设置的至少三个第一时钟管脚，所述第一时钟管脚与外围电路连接以向光敏区施加第二预定时序的高电平，所述存储区具有至少一个第二时钟管脚，所述第二时钟管脚与外围电路连接以向存储区施加第三预定时序的高电平，控制所述帧转移ccd工作在常规帧转移模式的具体方法为：
18.控制外围电路驱动第一垂直驱动时钟按照从上至下的顺序依次向第一时钟管脚提供预定次数的高电平，使光敏区内的光电荷垂直向下依次转移至存储区，同时控制外围电路驱动第二垂直驱动时钟按照从上至下的顺序依次向第二时钟管脚提供预定次数的高电平，使存储区的光电荷垂直向下依次转移至第二水平ccd结构中，然后控制第二水平驱动脉冲驱动第二水平ccd结构内的光电荷依次水平转移至第二输出放大器，所述第二输出放大器将所述光电荷转换为电信号读出，实现帧转移ccd的常规帧转移工作模式。
19.本发明通过在光敏区的上方设置第一水平转移区以及在存储区的下方设置第二水平转移区，并通过连接在光敏区的第一垂直驱动时钟和连接在存储区的第二垂直驱动时钟配合控制光敏区产生的光电荷垂直向上转移或垂直向下转移，以分别实现帧转移ccd工作在全帧转移模式或常规的帧转移模式，进而满足不同应用场景的使用需求，并且帧转移ccd在各工作模式下仍可保持器件的性能参数一致，可有效降低器件的功耗，有利于器件的应用。
附图说明
20.图1为本发明实施例1的具有多种工作模式的帧转移ccd的结构示意图。
21.图2为本发明实施例2的具有多种工作模式的帧转移ccd的控制方法的流程图。
22.图3为实施例2的帧转移ccd工作在全帧转移模式下光电荷的转移路径示意图。
23.图4为实施例2的帧转移ccd工作在常规帧转移模式下光电荷的转移路径示意图。
具体实施方式
24.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
25.实施例1
26.如图1所示，为本实施例的具有多种工作模式的帧转移ccd的结构示意图。本实施例的具有多种工作模式的帧转移ccd所指的多种工作模式具体包括帧转移ccd的全帧转移模式和常规的帧转移模式。具体的，本实施例的具有多种工作模式的帧转移ccd包括从上至下依次设置的第一水平转移区1、光敏区2、存储区3和第二水平转移区4，所述光敏区2用于在接收光照后通过光电效应将光信号转换为光电荷，所述存储区3用于接收并存储由光敏区2转移来的光电荷，所述第一水平转移区1和第二水平转移区4相互独立，可分别用于接收并转移由光敏区2和存储区3转移来的光电荷，进而将光电荷转换为电信号后输出，从而实现光信号的读出。
27.所述光敏区2电连接有一第一垂直驱动时钟，所述第一垂直驱动时钟为三相时钟或四相时钟，用于驱动光敏区2产生的光电荷垂直向上或垂直向下转移。所述存储区3电连接有一第二垂直驱动时钟，所述第二垂直驱动时钟为单相时钟、两相时钟、三相时钟或四相时钟中的一种，用于驱动存储区3内的光电荷垂直向下转移。所述第一水平转移区1和第二水平转移区4分别电连接有可独立控制的第一水平驱动脉冲和第二水平驱动脉冲，所述第一水平驱动脉冲用于驱动第一水平转移区1内的光电荷水平转移，所述第二水平驱动脉冲用于驱动第二水平转移区内4的光电荷水平转移。具体的，所述第一垂直驱动时钟和第二垂直驱动时钟可配合驱动光敏区2产生的光电荷垂直向上转移至第一水平转移区1，然后控制第一水平驱动脉冲驱动光电荷水平转移并读出，使帧转移ccd工作在全帧转移模式；或者配合驱动光敏区2产生的光电荷垂直向下快态转移至存储区3，再垂直向下转移至第二水平转移区4，然后控制第二水平驱动脉冲驱动光电荷水平转移并读出，使帧转移ccd工作在常规帧转移模式，从而使得本实施例的帧转移ccd可根据使用需求通过控制第一垂直驱动时钟和第二垂直驱动时钟的脉冲时序，让帧转移ccd择一工作全帧转移模式或常规帧转移模式，以满足不同的使用需求。
28.所述第一水平转移区1包括第一水平ccd结构11、第一输出放大器12和第一哑元区域13，所述第一水平ccd结构11水平连接于光敏区2的顶部，用于接收并水平转移来自于光敏区2的光电荷，所述第一输出放大器12电连接于所述第一水平ccd结构11的信号输出端，用于将第一水平ccd结构11转移来的光电荷转换为电信号后输出，进而实现全帧转移模式下光信号的读出。所述第一哑元区域13设置在所述第一水平ccd结构11的信号输出端与第一输出放大器12之间，所述第一哑元区域13不承接来自于第一水平ccd结构11的光电荷，用于为第一输出放大器12提供参考电平。所述第二水平转移区4包括第二水平ccd结构41、第二输出放大器42和第二哑元区域43，所述第二水平ccd结构41水平连接于存储区3的底部，
用于接收并水平转移来自于存储区3的光电荷，所述第二输出放大器42电连接于所述第二水平ccd结构41的信号输出端，用于将第二水平ccd结构41转移来的光电荷转换为电信号后输出，进而实现常规帧转移模式下光信号的读出。所述第二哑元区域43设置在所述第二水平ccd结构41的信号输出端与第二输出放大器42之间，所述第二哑元区域43不承接来自于第二水平ccd结构41的光电荷，用于为第二输出放大器42提供参考电平。
29.本实施例的具有多种工作模式的帧转移ccd，通过在光敏区2的顶部和存储区3的底部分别设置第一水平转移区1和第二水平转移区4，当控制第一垂直驱动时钟驱动光电荷垂直向上转移时，光电荷的转移过程不存在快态转移过程，可使帧转移ccd工作在全帧转移模式；当控制第一垂直驱动时钟驱动光电荷通过快态转移过程垂直向下转移时，可使帧转移ccd工作在常规帧转移模式，进而使得帧转移ccd具备多种工作模式，有利于拓宽帧转移ccd的适用范围，应用场景更广。
30.实施例2
31.如图2所示，为本实施例的具有多种工作模式的帧转移ccd的控制方法的流程图。本实施例的具有多种工作模式的帧转移ccd的控制方法包括与实施例1的结构和功能相同或相似的第一水平转移区1、光敏区2、存储区3、第二水平转移区4、第一垂直驱动时钟、第二垂直驱动时钟、第一水平驱动脉冲以及第二水平驱动脉冲，可通过第一垂直驱动时钟、第二垂直驱动时钟、第一水平驱动脉冲和第二水平驱动脉冲的配合择一控制帧转移ccd工作在全帧转移模式或常规帧转移模式。本实施例的控制方法包括：
32.首先，控制第一垂直驱动时钟和第二垂直驱动时钟均关断，使光敏区2接收光照产生光电荷。然后，控制第一垂直驱动时钟按照第一预定时序向光敏区2施加高电平，以驱动光电荷垂直向上转移至第一水平转移区1，或控制第一垂直驱动时钟按照第二预定时序向光敏区2施加高电平并控制第二垂直驱动时钟按照第三预定时序向存储区3施加高电平，以共同驱动光电荷垂直向下转移至第二水平转移区4；最后，控制第一水平驱动脉冲驱动第一水平转移区1内的光电荷水平读出以使帧转移ccd工作在全帧转移模式或控制第二水平驱动脉冲驱动第二水平转移区4内的光电荷水平读出以使帧转移ccd工作在常规帧转移模式。
33.本实施例以第一垂直驱动时钟和第二驱动时钟均为三相时钟为例进行说明。具体的，所述光敏区2具有从上至下依次设置的三个第一时钟管脚i1-i3，每一第一时钟管脚i1、i2和i3分别与第一垂直驱动时钟的三相电连接，以向光敏区2按照第一预定时序或第二预定时序施加高电平；所述存储区3具有从上至下依次设置的三个第二时钟管脚s1-s3，每一第二时钟管脚s1、s2和s3分别与第二垂直驱动四种的三相电连接，以向存储区3按照第三预定时序施加高电平。可理解的，在其他的一些实施例中，当第一垂直驱动时钟设置为四相时钟时，所述光敏区2的第一时钟管脚也对应设置为四个(即i1-i4)，当第二垂直驱动设置为单相时钟、两相时钟或四相时钟时，所述存储区3的第二时钟管脚也对应设置为与时钟相数一直的数量。
34.请继续参考图3，图3为本实施例的具体多种工作模式的帧转移ccd工作在全帧转移模式时光电荷的转移路径示意图。当所述帧转移ccd工作在全帧转移模式时，第一垂直驱动时钟在外围电路的驱动下，按照从下至上的时序依次向第一时钟管脚i3、第一时钟管脚i2和第一时钟管脚i1施加预定次数的高电平，且各第一时钟管脚i1-i3两次施加高电平的时间间隔均相同；同时通过外围电路控制第二垂直驱动时钟处于关断状态，使得光敏区2内
的光电荷沿着i3
→
i2
→
i1的顺序由下至上依次垂直转移至第一水平ccd结构中，然后控制第一水平驱动脉冲驱动第一水平ccd结构11内的光电荷依次水平转移至第一输出放大器12，所述第一输出放大器12将所述光电荷转换为电信号输出，实现帧转移ccd在全帧转移工作模式下光信号的读出。
35.请继续参考图4，图4为本实施例的具体多种工作模式的帧转移ccd工作在常规帧转移模式时光电荷的转移路径示意图。当所述帧转移ccd工作在常规帧转移模式时，第一垂直驱动时钟在外围电路的驱动下，按照从上至下的时序依次向第一时钟管脚i1、第一时钟管脚i2和第一时钟管脚i3施加预定次数的高电平，且各第一时钟管脚i1-i3两次施加高电平的时间间隔均相同；同时通过外围电路控制第二垂直驱动时钟按照从上至下的时序依次向第二时钟管脚s1、第二时钟管脚s2和第二时钟管脚s3施加预定次数的高电平，且各第二时钟管脚s1-s3两次施加高电平的时间间隔与向第一时钟管脚i1-i3施加高电平的时间间隔相同，使得光敏区2内的光电荷先沿着i1
→
i2
→
i3的顺序由上至下依次垂直转移至存储区3后，再沿着s1
→
s2
→
s3的顺序由上至下依次垂直转移至第二水平ccd结构41中，然后控制第二水平驱动脉冲驱动第二水平ccd结构41内的光电荷依次水平转移至第二输出放大器42，所述第二输出放大器42将所述光电荷转换为电信号输出，实现帧转移ccd在常规帧转移工作模式下光信号的读出。
36.本实施例的具有多种工作模式的帧转移ccd的控制方法，在外围电路的驱动下，通过调整光敏区2的第一垂直驱动时钟的控制时序，使得光敏区2在积分完成后，光电荷可向着第一水平转移区1或存储区3方向垂直转移，可控制帧转移ccd择一工作在常规帧转移模式或全帧转移模式，从而实现帧转移ccd多种工作模式的控制，满足不同的使用需求；并且第一水平转移区1、光敏区2、存储区3和第二水平转移区4均可独立控制，在帧转移ccd按照某一模式进行工作时，控制非工作区域处于关断状态，可有效降低整个器件的功耗，延长器件的寿命。