全幀讀出型面陣CCD光電傳感器在圖像采集中的應用

摘 要 介紹全幀讀出型面陣CCD光電傳感器的原理及其在圖像采集中的驅(qū)動和輸出電路的設計，并給出了實際測得的輸出信號波形。

關鍵詞 視頻 面陣CCD 全幀讀出型面陣CCD光電傳感器

面陣CCD傳感器在現(xiàn)代電子信息技術中被廣泛應用于電視、多媒體技術及醫(yī)療電子設備。本文介紹的全幀讀出型面陣CCD傳感器是一種特殊類型的傳感器，它與通常使用的面陣CCD，如幀轉(zhuǎn)移型、行間轉(zhuǎn)移型和幀行轉(zhuǎn)移型的工作原理有所不同，不存在轉(zhuǎn)移區(qū)或暫存區(qū)，這使得全幀讀出型CCD在讀出時不能“暴光”，在“暴光”時不能讀出。因此這種CCD要求光源必須是閃爍的。雖然它對光源的要求比普通的CCD要特殊，但它具有一個非常重要的特點，就是其體積小，可以微型化，適合應用在醫(yī)用及工業(yè)電子內(nèi)窺鏡中。

1 全幀讀出型面陣CCD

全幀讀出型面陣CCD光電傳感器沒有垂直移位寄存器，也沒有圖像暫存區(qū)，使有效感光面積比幀轉(zhuǎn)移型、行間轉(zhuǎn)移型及幀行轉(zhuǎn)移型結(jié)構(gòu)的CCD大，但這也使其必須要求閃爍光源照明。全幀讀出型面陣CCD的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

CCD的光敏單元在光照時間內(nèi)進行光電轉(zhuǎn)換，各單元隨光照強度不同積累電荷量亦不同。在無光照期間，各光敏單元信號依次被讀出。讀出時，面陣中的各行信號均向下一行移動，在最下行的信號移出光敏感區(qū)后進入水平移位寄存器。這時將水平移位寄存器中的信號依次移出即可供顯示及處理。按上述方法，將各行信號依次移出后，再進行曝光，再移出，……，這樣就可以得到一幀一幀的連續(xù)的圖像信號。

2 微型面陣CCD-TC221

TC221是TI公司生產(chǎn)的一種微型全幀讀出型面陣CCD。它的圖像感光區(qū)對角線為2.4mm，有效像素為190(H)×190(V)，每個像素單元面積為9μm×9μm，外封裝后的對角線尺寸約為4.1mm。由于它的體積小，驅(qū)動信號少，很便于應用在醫(yī)用及工業(yè)用電子內(nèi)窺鏡中。TC221動態(tài)范圍很大、靈敏度高、噪聲低，并能夠通過防“開花”脈沖實現(xiàn)防“開花”控制。其驅(qū)動信號簡單，并內(nèi)置自復位電路和參考電壓源，便于控制。另外，TC221自帶黑參考電平，便于視頻處理時進行黑電平鉗位。TC221的功能框圖如圖2所示。

TC221包括四個功能區(qū)：（ａ）感光區(qū)；（ｂ）水平串行移位寄存器；（ｃ）敏感結(jié)點；（ｄ）低噪聲跟隨器及放大器。TC221的驅(qū)動信號比較簡單，只有ABG、IAG、SRG三個信號，其引腳如圖3所示。其中ABG為防“開花”門脈沖輸入，“開花”控制是通過在“暴光”期間提高CCD勢阱深度來防止光敏單元間的溢出，從而達到其防“開花”的效果；IAG為感光區(qū)域控制門脈沖輸入，用來控制在CCD讀出期間的行移出，在每個脈沖到來時各單元行向下移動一行，移到串行移位寄存器中的那一行將被讀出；SRG為串行移位寄存器控制門脈沖輸入，在每一行移入到串行移位寄存器后控制其中的數(shù)據(jù)串行移出。這三個驅(qū)動信號的幅值都比較高，要求的時序如圖4所示。管腳中ADB為電源輸入，SUB為接地，輸出信號在OUT管腳處得到，各信號的幅值及頻率要求如表1所示。

圖5給出了CCD外圍驅(qū)動電路設計原理圖， 其中SN28846、TMS3473是TI公司專為其CCD器件設計的驅(qū)動芯片。SN28846為串行移位驅(qū)動芯片，用來產(chǎn)生串行移位寄存器的控制脈沖，它在CCD和時鐘發(fā)生器之間提供了一個接口，接收來自時鐘發(fā)生器的TTL電平時鐘信號并向CCD輸出如圖4中所示的SRG信號。TMS3473用來驅(qū)動感光區(qū)行移出門，它接收來自時鐘發(fā)生器的TTL電平時鐘信號并向CCD輸出如圖4中所示的IAG信號。AD810是帶寬為70MHz的運算放大器，與其外圍其它元件構(gòu)成加法器，將來自時鐘發(fā)生器的三路信號組合，輸出如圖4所示的ABG信號。時鐘發(fā)生器采用了FPGA，它產(chǎn)生一系列45.5MHz的TTL電平的時鐘信號及脈沖信號，為整個電路提供時間基準。

TC221面陣CCD的輸出信號是一個負極性的峰包脈沖信號，每個光敏單元對應一個峰包。圖6所示為用數(shù)字綜合示波器HP54645D測得的CCD輸出實際波形。圖6給出的CCD輸出信號，經(jīng)運算放大器放大，并將直流電平濾掉，即可供后端處理及視頻編碼并送至顯示。

本文介紹的全幀讀出型面陣CCD-TC221和其他幾種類型的面陣CCD相比有其獨特的優(yōu)越性。在我們的實際應用及開發(fā)中，也證明了它的可靠性及優(yōu)越性能。在要求體積限制的環(huán)境中，例如在工業(yè)探測及醫(yī)學診斷中，全幀型微型CCD圖像傳感器都有很好的應用前景。