百万帧每秒高速成像技术研究

百万帧每秒的超高帧频成像系统广泛应用于工业、军事以及科学研究中，国内现有的高帧频成像系统大多是进口的，价格十分昂贵。有别于多分幅超高速相机的单芯片CCD超高帧频的成像系统，在无像增强器与复杂光路情况下，能够达到1百万帧每秒到数百万帧每秒的工作速度，但此技术掌握在美、日等国家手中，由于国外对此项技术的禁运，现在无法购买获得。本项目提出一种基于通用CCD芯片或科学级CCD芯片进行二次掩膜的方式实现片上存储功能的方法，通过特殊的驱动时序可以达到单芯片存储连续8幅以上数百万帧每秒图像的目的。利用方便获得的商业级芯片可以实现类似IS-CCD的超高帧频功能，打破国外的技术垄断，从芯片级实现具有自主知识产权的超高速CCD成像系统。研究成果可以广泛应用于微秒级快速运动现象的研究，如爆炸现象、等离子体运动过程、弹体侵彻现象等。

高帧频成像系统被广泛应用于工业、军事以及科学研究，国内现有的高帧频成像系统大多需从国外采购，价格十分昂贵。采用片上存储技术的高帧频成像系统，单芯片可达百万帧每秒的工作速度，但此技术目前掌握在美国、日本等少数几个国家手中，而且存在禁运的限制，难以获得。本项目的目标是基于通用CCD实现百万帧每秒超高帧频成像性能，实现具有自主知识产权的超高帧频CCD成像系统。项目提出了一种基于通用CCD芯片二次掩膜的方式实现片上存储功能的方法，通过特殊驱动电路和图像处理软件的设计实现，获得了帧频率达125万帧每秒的成像性能。项目获得的主要创新和工作成果如下：.1.提出了一种基于通用CCD芯片二次掩膜的高速图像片上存储方法，该方法把CCD光敏区的某些像素进行掩膜遮光处理，使其变成存储区，实现普通CCD的片上存储功能。项目设计并对比了三种不同掩膜方案的成像性能和优缺点，包括：栅状掩膜、条状孔阵列掩膜、点状孔阵列掩膜；项目采用光纤面板与CCD光敏区耦合，在光纤面板上再进行遮光掩膜的工程实现方案，既方便进行掩膜定位的调节与更换，又避免了CCD传感器直接镀膜工艺复杂、成品率低、价格昂贵等弊端。.2.项目针对不同的掩膜方案，进行了CCD驱动方法和图像处理算法的研究。基于掩膜的片上存储功能需要借助特殊的CCD驱动方法才能实现，项目研究了不同CCD的驱动方法并设计了专用的超高帧频驱动时序，获取了高质量的掩膜图像。项目开发了统一的图像处理软件，软件可以选择不同的参数进行掩膜图像的恢复计算，获得多幅掩膜采样后的图像数据。采用条状孔阵列掩膜、利用光锥耦合EMCCD传感器进行了百万帧每秒工作速度的验证，经过计算恢复后，获得10幅79×79像素的图像，帧频率达到125万帧每秒。.3.项目研制了模块化的CCD数字化相机平台，解决了视频信号高精度数字化、高电平驱动时序转换、多路精密可调电源产生、图像数据缓存与采集等技术难题。该平台把相机划分为几个特定的功能单元模块，根据需要更换不同的CCD转接板，就可以实现不同型号CCD芯片的软硬件工作平台。所建立的模块化相机平台可以为EMCCD、FFCCD、FTCCD提供工作环境，实现普通CCD的高帧频图像获取。.项目申请发明专利4项，已授权1项，发表文章9篇，EI收录5篇。