TC237B型CCD圖像傳感器的原理及應用

1 引言
TC237B是TI公司生產的一款1/3英寸的幀轉移方式的電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器。它有340 000個像素，其中有效像素為658x496，能廣泛應用在黑白電視系統(tǒng)、電腦、工業(yè)檢測等需要低成本和小尺寸的場合。
TC237B的圖像感光區(qū)由500行像素組成，每行有680個像素，其中每行有22個像素用于提供參考黑電平。它的反模糊特性基于一種先進的橫向溢出漏級概念。傳感器能在低暗電流下，作為一款658(H)x496(V)的傳感器在隔行模式下工作；同時，TC237B的另一個重要特性是它能每幀采集340000個像素。傳感器還具有高速圖像傳輸特性，并且能在不損失敏感度和分辨率的情況下進行持續(xù)電子曝光控制。感光電荷在一個高性能的，帶有復位和參考電平發(fā)生器的結構中轉換成13μV/e的信號電壓。產生的信號進一步通過低噪音的二階信號源輸出放大器進行緩沖，從而提高輸出的驅動能力。
TC237B型圖像傳感器采用了TI公司特有的先進虛擬階段(AVP)技術。AVP技術能使傳感器具有高藍色響應、低暗電流、高光響應一致性和單相時鐘等優(yōu)點。

2 主要特點和引腳功能
圖1示出TC237B型圖像傳感器采用12引腳雙列直插封裝的引腳排列，其引腳功能如表l所列。TC237B的主要特點如下：

●高分辨率，1/3英寸固態(tài)傳感器；
●每場可達340 000個像素；
●幀存儲；
●具有658(H)x496(V)有效像素，兼容電子調中；
●有多種讀出模式特性：逐行掃描方式、隔行掃描方式、雙行同時讀出模式、圖像區(qū)行累加、拖影消減；
●快速單脈沖圖像區(qū)清除特性；
●能進行1/60~1/50 000秒的持續(xù)電子曝光控制；
●7.4 μmx7.4 μm像素；
●先進橫向溢出漏級反模糊技術；
●暗電流小；
●感光反應一致性高；
●動態(tài)范圍大：
●光敏感度高；
●藍色響應高；
●無圖像老化、圖像殘留、圖像失真、圖像延遲或顫噪效應等現象。

3 內部結構
TC237B由4個基本功能模塊組成：圖像感光區(qū)、圖像存儲區(qū)、串行寄存器和帶有電荷檢測及獨立復位的低噪音信號處理放大器模塊，其原理框圖如圖2所示。

3.l 圖像感光區(qū)和圖像存儲區(qū)
圖像感光區(qū)和存儲區(qū)占據了TC237B的大部分面積，分別擁有340 000個像素。當光射進圖像感光區(qū)的硅元件時，將產生電子――空穴對，并聚集在勢阱之中。在開始一段新的感光時間前，只需在溢出漏級施加1個1μs以上的脈沖就可以消除圖像。圖像存儲區(qū)的像素數和感光區(qū)的相同，尺寸比感光區(qū)的略小，并且被外殼遮蓋以免受到外界光的照射影響，這樣，感光完成后一場感光電荷就可以傳送到存儲區(qū)。感光電荷從感光區(qū)傳送到存儲區(qū)的過程叫做并行傳輸。并行傳輸的時間取決于讀出模式是隔行掃描還是逐行掃描。當使用逐行掃描模式時，信號還可以選擇單通道讀出或雙通道快速讀出。
在圖像感光區(qū)的左部，每行有22個像素被金屬遮光屏覆蓋。這些暗像素可以為圖像的后繼處理電路提供黑參考電平。除此以外，在圖像感光區(qū)和圖像存儲區(qū)間有4行像素同樣被金屬遮光屏覆蓋，它們的存在避免了感光區(qū)的電荷泄漏到存儲區(qū)中。
3.2 串行寄存器和信號讀出
感光電荷在存儲區(qū)門和串行門的控制下將一行一行地從存儲區(qū)傳送到1個或2個寄存器。使用1個或2個寄存器取決于采用何種讀出模式。當使用2個寄存器時，信號的讀出是并行的。
當像素被傳送到串行寄存器后，它們將隨時鐘送出并由一個電荷探測節(jié)點所檢測。探測節(jié)點必須在下一個像素到達之前先復位到一個參考電平。而串行寄存器的讀出時序需要符合相關雙采樣(CDS)的要求。當電荷送到探測節(jié)點上時，節(jié)點上的電勢按比例地轉變成相應數量的接收電荷。這種轉變由一個MOS晶體管感測。信號在適當緩沖后將提供給圖像傳感器的輸出端。

4 在嵌入式圖像采集系統(tǒng)中的應用
嵌入式圖像采集系統(tǒng)主要由TC237B圖像傳感器、驅動電路、模擬前端、CPID、ARM7TDMI處理器、FIFO組、SDRAM存儲器等組成，其原理如圖3所示。

在本系統(tǒng)中，CPID是采集系統(tǒng)的控制核心，也是TC237B的信號時鐘發(fā)生器。采集時，TC237B在CPLD提供的驅動時鐘作用下完成光電轉換，并把圖像信號串行發(fā)送到模擬前端。圖像信號經過模擬前端的信號調整和A/D轉換后，轉化為8-bit的數字量。然后在CPLD的調配下，經過FIFO組的緩沖，由ARM處理器把數字量存放到SDRAM中，從而實現圖像的采集。
如上所述．TC237B有多種讀出模式，本系統(tǒng)采用的是逐行掃描單通道輸出模式。選用這種模式只需要對輸出的CCD信號使用1個通道的模/數轉換即可，從而使得后繼的信號處理變得更為簡單，適合于對時間要求不特別高的場合。圖4示出TC237B采用逐行掃描單通道輸出時采集一幀圖像的時序。
采集一幀圖像要經過圖像清除、感光、并行傳輸和讀出4個階段。其中，讀出階段需時最長。當需要采集時，ARM處理器發(fā)出采集信號，告知CPLD采集開始。在開始新的采集前，TC237B先復位先前所有的狀態(tài)并清除圖像信息。這種清除只需把ODB信號提升至26V并維持lμs以上即可。清除完成后，進入感光期。感光時間也是曝光長度。短時間曝光會使CCD受到較小的光子沖擊，形成一幅曝光不足的低照度圖像；相反，長時間曝光可形成一幅感光過度的圖像。在光線很弱的場所，例如天文攝影，長時間曝光是必要的。設計者應該根據實際情況，配合光學系統(tǒng)，選擇適當的曝光時間。
曝光時間完成后意味著光電轉換已經完成，將進入并行傳輸階段把電荷轉移出去。
并行傳輸是由IAGl、IAG2、SRG、SAG四個信號的一系列時鐘脈沖完成的。圖像感光區(qū)是二相結構的，lAGl門連接感光區(qū)的所有奇數行像素，IAG2門則連接了感光區(qū)的所有偶數行的像素。因此在并行傳輸階段，只要同時給IAGl門和lAG2門發(fā)1個脈沖，奇偶行的像素同時下移1個單位，從而實現l行像素下移到存儲區(qū)。這里lAGl和IAG2脈沖信號必須沒有相位差，否則會引起電荷的疊加，使圖像失真。由于存儲區(qū)是單相結構，所以當l行像素下移到存儲區(qū)后只需往SAG門發(fā)送1個脈沖就可以把存儲區(qū)的所有像素下移1個單位，為接收感光區(qū)的下1行像素準備空間。這樣，經過500個脈沖后1幀圖像就完成了幀存儲。

要注意的是，由于在并行傳輸期間感光區(qū)仍在感光，因此如果并行傳輸的頻率太低，像素信號在傳送到存儲區(qū)的同時仍在積累電荷，從而形成帶有垂直拖尾的圖像。這是在幀間轉移CCD中常見的問題。為了避免拖尾效應，并行傳輸的時間應遠小于感光時間。垂直拖尾百分比(rs)可以按下式計算：

其中，txfer是并行傳輸時間；tint是感光時間；nIA是圖像的行數；fxfer是并行傳輸的頻率。
本系統(tǒng)并行傳輸的頻率為2.5 MHz，曝光時間選為1/60 s，按照式(1)可求出垂直拖尾百分比為0.125％。
采集圖像的最后1個階段就是要把存儲區(qū)的像素經過串行寄存器發(fā)送到輸出端。讀出期包含行傳輸和串行讀出過程，這2個過程均由SAG和SRG的時鐘脈沖完成。首先在行傳輸期間,SAG信號和SRG信號先后各以1個脈沖把一行像素送到串行寄存器2中。然后，SRG信號在684個時鐘脈沖驅動下把整個串行寄存器的所有像素逐一送出。如此循環(huán)500次，一幀圖像就從傳感器的輸出端發(fā)送出去。
整個采集時間大約154 ms,可以滿足各種場合的需要。
TC237B的整個工作時序的軟件設計是在MAX+plus Ⅱ環(huán)境中用VHDL語言實現的。根據時序的各個時段進行有限狀態(tài)機的設計。各個狀態(tài)的轉移如圖5所示。

狀態(tài)A：空閑狀態(tài)；
狀態(tài)B：CCD清除狀態(tài)；
狀態(tài)C：感光狀態(tài)；
狀態(tài)D：并行傳輸狀態(tài)；
狀態(tài)E：把一行像素移進串行寄存器；
狀態(tài)F：串行讀出像素；
狀態(tài)G：完成。