行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD圖像采集系統(tǒng)的研究

0 引言
電荷耦合器件(charge coupled devices CCD)作為一種高性能的光電圖像傳感器，具有光譜響應(yīng)寬、線(xiàn)性好、動(dòng)態(tài)范圍寬、噪聲低、靈敏度高、實(shí)時(shí)傳輸和電荷掃描等多方面優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于圖像傳感和非接觸測(cè)量領(lǐng)域。近年來(lái)，利用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)面陣CCD的驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為眾多科研開(kāi)發(fā)者的共識(shí)，相關(guān)工程應(yīng)用研究課題也如雨后春筍般出現(xiàn)。然而，目前國(guó)內(nèi)基于面陣CCD驅(qū)動(dòng)方面的研究主要針對(duì)幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序的實(shí)現(xiàn)方面，對(duì)行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD驅(qū)動(dòng)的研究很少，本文給出了行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完整的軟硬件設(shè)計(jì)。

1 面陣CCD圖像采集系統(tǒng)組成
整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)由圖像傳感器、智能電源模塊、時(shí)序產(chǎn)生及驅(qū)動(dòng)模塊、視頻信號(hào)處理模塊和USB傳輸接口等部分組成。系統(tǒng)在上電時(shí)，智能電源模塊產(chǎn)生所需的各種電壓并按不同的順序供給CCD芯片，然后給其它模塊供電。物體透過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將其影像投影于面陣CCD的感光區(qū)域上，CCD在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將物體的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)傳給視頻信號(hào)處理模塊，視頻信號(hào)處理模塊對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行前置放大、抑制干擾、濾除噪聲以及數(shù)模轉(zhuǎn)換后，輸出數(shù)字圖像信號(hào)。轉(zhuǎn)換的數(shù)字圖像信號(hào)經(jīng)USB傳輸接口輸出到電腦上，為后續(xù)CCD信號(hào)的分析處理提供了可靠依據(jù)。系統(tǒng)的核心是時(shí)序產(chǎn)生及驅(qū)動(dòng)模塊，CCD正常工作所需的驅(qū)動(dòng)脈沖、視頻信號(hào)處理模塊所需的采樣控制脈沖、USB傳輸所需的同步信號(hào)以及智能電源模塊上電順序的控制都由時(shí)序產(chǎn)生及驅(qū)動(dòng)模塊提供。

2 行間轉(zhuǎn)移CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器設(shè)計(jì)
2．1 ICX098AK芯片
按電荷包轉(zhuǎn)移方式的不同，面陣CCD可以分為：幀轉(zhuǎn)移型(FT：Frame Transfer)、行間轉(zhuǎn)移型(IT：InterlineTransfer)、幀行間轉(zhuǎn)移型(FIT：Frame Interline Transfer)。攝像機(jī)或數(shù)碼相機(jī)最常使用的方式為行間轉(zhuǎn)移方式，行間轉(zhuǎn)移CCD是幀轉(zhuǎn)移CCD的發(fā)展，也是目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。在構(gòu)造上，光敏區(qū)每隔一列，就有一列遮光的垂直存儲(chǔ)單元。故而，每次電荷包的讀出轉(zhuǎn)移只需一次并行移動(dòng)即可快速完成，從而有效降低了幀轉(zhuǎn)移型CCD產(chǎn)生的垂直拖影噪聲。行間轉(zhuǎn)移CCD通常具有電子快門(mén)功能，且電子快門(mén)速度可達(dá)到毫秒級(jí)別，串?dāng)_非常小。
系統(tǒng)選用Sony公司的ICX098AK芯片作為圖像傳感器，該芯片是一款具有可變電子快門(mén)的行間轉(zhuǎn)移型彩色面陣CCD，即使無(wú)機(jī)械快門(mén)，也能實(shí)現(xiàn)高分辨率全幀圖像轉(zhuǎn)移：具有較低的暗電流與極好的Anti-B1ooming(抗暈光)特征。濾色器為Bayer排列方式。有效像元數(shù)為659(H)×494(V)，像敏單元尺寸為5．6μm(H)×5．6μm(V)。水平驅(qū)動(dòng)頻率為12．27MHz。它有兩種工作模式，逐行掃描模式和隔行掃描模式(監(jiān)控模式)。其寄存器特征及管腳定義如圖2所示。

2．2 驅(qū)動(dòng)時(shí)序分析
不同于幀轉(zhuǎn)移方式，行間轉(zhuǎn)移CCD在構(gòu)造上不需要存儲(chǔ)區(qū)，主要由光電二極管，垂直移位寄存器，水平移位寄存器和輸出放大器組成。ICX098AK的一個(gè)工作周期分為三個(gè)階段：感光階段、讀出階段和轉(zhuǎn)移階段。在場(chǎng)正程期間像敏區(qū)進(jìn)行光積分(感光階段)，這個(gè)期問(wèn)轉(zhuǎn)移柵為低電平，轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)壘將像敏單元的勢(shì)阱與讀出寄存器的勢(shì)阱隔開(kāi)。場(chǎng)正程結(jié)束(光積分時(shí)間結(jié)束)后，進(jìn)入場(chǎng)逆程。在場(chǎng)逆程期間轉(zhuǎn)移柵上產(chǎn)生一個(gè)正脈沖即讀出脈沖，將像敏區(qū)的信號(hào)電荷并行地轉(zhuǎn)移到垂直寄存器中，轉(zhuǎn)移過(guò)程結(jié)束后，光敏單元與讀出寄存器又被隔開(kāi)。在下一個(gè)場(chǎng)正程期間，一方面感光陣列進(jìn)行光積分，產(chǎn)生新的信號(hào)電荷；同時(shí)在行逆程期間，上一場(chǎng)轉(zhuǎn)移到垂直寄存器的光生電荷在垂直驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下一行行地向水平讀出寄存器中轉(zhuǎn)移。在行正程期間，水平移位寄存器受水平驅(qū)動(dòng)脈沖的控制快速地將電荷包經(jīng)輸出放大器串行輸出。在輸出端得到與光學(xué)圖像對(duì)應(yīng)的一行行的視頻信號(hào)。
2．3 基于CPLD的CCD時(shí)序發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)
面陣CCD器件應(yīng)用最重要的環(huán)節(jié)是驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。CCD芯片所對(duì)應(yīng)的原廠(chǎng)生產(chǎn)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片雖然集成度高、可靠性好，但是價(jià)格昂貴且功能固定、通用性較差。本系統(tǒng)選用高速度、多端口的可編程邏輯器件CPLD作為面陣CCD的時(shí)序發(fā)生器，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言VHDL，的輸入方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)序的多端口并行且高相位精度的輸出，不僅有效地控制了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本，而且極大的提高了同類(lèi)型產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率。