CCD圖像傳感器的原理及應(yīng)用--μPD3575D

摘要：μPD3575D是NEC公司生產(chǎn)的一種高靈敏度、低暗電流、1024像元的內(nèi)置采樣保持電路和放大電路的線陣CCD圖像傳感器。文章介紹了μPD3575D的主要特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)原理、引腳功能、光學(xué)/電子特性、驅(qū)動(dòng)時(shí)序以及驅(qū)動(dòng)電路。

??? 關(guān)鍵詞：μPD3575D CCD 驅(qū)動(dòng)脈沖 圖像傳感器

1 概述

μPD3575D是NEC公司生產(chǎn)的一種高靈敏度、低暗電流、1024像元的內(nèi)置采樣保持電路和放大電路的線陣CCD圖像傳感器。該傳感器可用于傳真、圖像掃描和OCR。它內(nèi)部包含一列1024像元的光敏二極管和兩列525位CCD電荷轉(zhuǎn)移寄存器。該器件可工作在5V驅(qū)動(dòng)（脈沖）和12V電源條件下。

μPD3575D的主要特性如下：

*像敏單元數(shù)目：1024像元；

*像敏單元大?。?4μm×14μm×14μm(相鄰像元中心距為14μm)；

*光敏區(qū)域：采用高靈敏度和低暗電流PN結(jié)作為光敏單元；

*時(shí)鐘：二相（5V）；

*內(nèi)部電路：采樣保持電路，輸出放大電路；

*封裝形式：20腳DIP封裝。

2 內(nèi)部原理和引腳功能

μPD3575D的封裝形式為20腳DIP封裝，其引腳排列如圖1所示，引腳功能如表1所列。圖2為μPD3575D的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖，中間一排是由多個(gè)光敏二極管構(gòu)成的光敏陣列，有效單元為1024位，它們的作用是接收照射到CCD硅片的光，并將之轉(zhuǎn)化成電荷信號(hào)，光敏陣列的兩側(cè)為轉(zhuǎn)移柵和模擬寄存器。在傳輸門(mén)時(shí)鐘φTG的作用下，像元的光電信號(hào)分別轉(zhuǎn)移到兩側(cè)的CCD轉(zhuǎn)移柵。然后CCD的MOS電容中的電荷信號(hào)在φIO的作用下串行從輸出端口輸出。上述驅(qū)動(dòng)脈沖由專門(mén)的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。

表1 μPD3575D的引腳功能

?

?

3 光電特性參數(shù)

μPD3575D的光學(xué)/電子特性參數(shù)如表2所列。表中的工作條件為：溫度在25℃左右，工作電壓VOD=VRD=VGC=12V，頻率fSHO為0.5MHz,tint(積分時(shí)間)=10ms，光源為2856K的鎢絲燈。

表2 光/電子特性參數(shù)

?

?

其中，飽和輸出電壓Vout為響應(yīng)曲線失支直線形時(shí)的輸出信號(hào)電壓；飽和曝光量SE為輸出飽和時(shí)的照度（lx）和積累時(shí)間的乘積。

輸出電壓不均勻性PRNU是取全部有效位輸出電壓的峰、谷之比值。平均暗電流ADS指的是遮光時(shí)的平均輸出電流。暗信號(hào)不均勻性DSNU是遮光時(shí)的全部有效像元的輸出電壓最大或最小值與ADS的差。輸出阻抗Zo為從外部看時(shí)輸出端子的阻抗。響應(yīng)度R是曝光量除以輸出電壓的值。值得注意的是：使用其它光源時(shí)，器件的響應(yīng)度會(huì)有所變化。

4 驅(qū)動(dòng)時(shí)序

CCD的驅(qū)動(dòng)需要四路脈沖，分別為轉(zhuǎn)移柵時(shí)鐘φIO、復(fù)位時(shí)鐘φRO、采樣保持時(shí)鐘φSHO和傳輸門(mén)時(shí)鐘φTG，將它們分別輸入到CCD芯片的2腳、3腳、4腳和8腳，并在相應(yīng)的管腳接上相應(yīng)的電壓就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD的驅(qū)動(dòng)。

實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵工作是如何產(chǎn)生以上的四路波形。圖3是該四路時(shí)序波形圖。

圖3

??? 四路脈沖的作用描述如下：當(dāng)傳輸門(mén)時(shí)鐘φTG脈沖高電平到來(lái)時(shí)，正遇到φIO電極下形成深勢(shì)阱，同時(shí)φTG的高電平使φIO電極下的深勢(shì)阱與CMOS電容存儲(chǔ)勢(shì)阱（存儲(chǔ)柵）溝通。于是CMS電容中的信號(hào)電荷包全部轉(zhuǎn)移到φIO電極下的勢(shì)阱中。當(dāng)φTG變低時(shí)，φTG低電平形式的淺勢(shì)阱將存儲(chǔ)柵下勢(shì)阱與φIO電極下的勢(shì)阱離開(kāi)，存儲(chǔ)柵勢(shì)阱進(jìn)入光積分狀態(tài)，而轉(zhuǎn)移柵則在轉(zhuǎn)移柵時(shí)鐘φIO脈沖作用下使轉(zhuǎn)移到φIO電極下勢(shì)阱中的信號(hào)電荷逐位轉(zhuǎn)稱，并經(jīng)過(guò)輸出電路輸出。采樣保持時(shí)鐘φSHO的作用是去掉輸出信號(hào)中的調(diào)幅脈沖成分，使輸出脈沖的幅度直接反映像敏單元的照度。

從以上描述和對(duì)波形的分析可以看出，復(fù)位脈沖φRO每觸發(fā)一次，φIO脈沖翻轉(zhuǎn)一次，并轉(zhuǎn)移一個(gè)像元的信號(hào)電荷，因此φIO脈沖的周期為φRO的2倍。采樣保持時(shí)間φSHO的周期和φRO的周期相同，但相位有一定的時(shí)間延遲。傳輸門(mén)時(shí)鐘φTG脈沖控制線陣CCD整行的轉(zhuǎn)移時(shí)間間隔，可作為行同步脈沖，其低電平持續(xù)的時(shí)間為φIO的整數(shù)倍，倍數(shù)由CCD的像元數(shù)決定。圖4給出了μPD3575D的脈沖時(shí)序關(guān)系圖，該圖中為負(fù)極性邏輯，與前邊圖3的正極性邏輯正好相反，在編程過(guò)程中，我們可以先實(shí)現(xiàn)正極性邏輯，然后通過(guò)反向器將極性反過(guò)來(lái)。

圖4

??? 從波形圖可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)移時(shí)鐘φIO變化（人“1”變到“0”或從“0”變到“1”）后，經(jīng)過(guò)t1時(shí)間（最小值200ns，典型值300ns），采樣保持時(shí)鐘φSHO從高電平變低電平，低電平維持時(shí)間為t2(最小值100ns，典型值300ns)，當(dāng)φRO翻轉(zhuǎn)，使之由高電平變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)的間隔時(shí)間為t3(最小值3ns,典型值100ns)。復(fù)位脈沖φRO翻轉(zhuǎn)后維持的時(shí)間為t4(最小值30ns，典型值100ns)，當(dāng)它由低電平變回高電平時(shí)，觸發(fā)轉(zhuǎn)移時(shí)鐘φIO翻轉(zhuǎn)，其觸發(fā)間隔為t5（最小值0ns,典型值50ns）。這樣，一個(gè)循環(huán)結(jié)束，輸出一個(gè)像元。如此不斷循環(huán)，直至完全輸出所有的像元。

那么，如何控制循五泊開(kāi)始和結(jié)束呢？傳輸門(mén)時(shí)鐘φTG起的就是這一作用，當(dāng)φTG由低電平變?yōu)楦唠娖讲⒔?jīng)過(guò)一定的時(shí)延（最小值50ns）后，轉(zhuǎn)移時(shí)鐘φIO開(kāi)始按周期翻轉(zhuǎn)，每翻轉(zhuǎn)一次，輸出一個(gè)像元。所有像元輸出完畢，φTG再由高電平變?yōu)榈碗娖健D4中φTG只給出了開(kāi)始部分的波形，后面表示積分時(shí)間的波形沒(méi)有給出，因此后面的積分時(shí)間長(zhǎng)短可以根據(jù)對(duì)積分時(shí)間的需要自行設(shè)定。但積分時(shí)間內(nèi)的φIO數(shù)目也是有要求的。因?yàn)樵揅CD芯片的有效單元為1024，加上虛設(shè)單元、暗信號(hào)和空驅(qū)動(dòng)等共有12613個(gè)光電二極管，由于該器件是兩列并行分奇偶傳輸?shù)模砸粋€(gè)φTG周期至少要有630個(gè)φIO脈沖，即φTG>630φIO。

??? 如將其準(zhǔn)時(shí)鐘頻率確定為8.000MHz,即周期為125ns，那么，根據(jù)給出的最小值就可算出四路波形的周期和占空經(jīng)，具體列于表3。

表3 四路驅(qū)動(dòng)波形的周期的占空比

?

?

根據(jù)各路波形的周期、占空經(jīng)和它們之間存在的關(guān)系所給出的典型驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

5 CCD數(shù)據(jù)采集

CCD可用于位置、尺寸和圖像的檢測(cè)，根據(jù)CDD傳感器視頻信號(hào)應(yīng)用的差異，CCD視頻信號(hào)的處理有兩種方法：一是對(duì)CCD視頻信號(hào)進(jìn)行二值化處理后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；二是對(duì)CCD視頻信號(hào)采樣、量化編碼后再采集到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

??? 在檢測(cè)鋼軌不平順的設(shè)計(jì)中要檢測(cè)運(yùn)動(dòng)光源的瞬時(shí)位置，只需要測(cè)定光源在CCD上的成像位置，即光源成像在第幾個(gè)像元上。圖6為CCD數(shù)據(jù)采集原理圖，采用二值化方法。

由于線陣CCD既具有高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換功能，又具有光電信號(hào)的存儲(chǔ)和快速讀出功能，所以通過(guò)一組時(shí)序脈沖的驅(qū)動(dòng)控制（驅(qū)動(dòng)器），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)光源的實(shí)時(shí)光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)讀出。當(dāng)入射在CCD像元上成像時(shí)，入射光子被CCD像元吸收并產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的光生電荷。在光積分期間，光生電荷被積累并存儲(chǔ)在彼此隔離的相應(yīng)像元的勢(shì)阱中，在每個(gè)像元?jiǎng)葳逯兴e累的信號(hào)電荷數(shù)與照射在該像元面上的平均照度和光積分時(shí)間的乘積成正比。在電荷轉(zhuǎn)移期間，光生電荷依次轉(zhuǎn)移稱至輸出區(qū)，通過(guò)復(fù)位脈沖的控制，在輸出極形成視頻信號(hào)，每次積分的輸出波形代表目標(biāo)光圖像在CCD采樣方向的瞬態(tài)強(qiáng)度的空間分布，輸出視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲寬帶放大器放大處理后，每個(gè)光斑的輸出波形如圖7（a）所示。然后，對(duì)CCD的視頻信號(hào)進(jìn)行二值化處理，原理如圖7（b）所示，二值化的前沿和后沿分別對(duì)應(yīng)CCD像元的信號(hào)，計(jì)算出這兩個(gè)像元位置的平均值，即為光線的中心位置，這即是一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)。在CCD連續(xù)工作下，所有的檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)串行通訊電路將結(jié)果傳送給單片機(jī)。

??? 在進(jìn)行CCD在線檢測(cè)時(shí)，干擾光線較難克服，而且光源使用一段時(shí)間，光強(qiáng)也會(huì)變?nèi)?，這樣會(huì)引起CCD輸出信號(hào)幅度變化，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差，因此對(duì)上邊的電路作了一定改進(jìn)，即讓閾值電壓隨CCD視頻信號(hào)的幅值變化，改進(jìn)后的浮動(dòng)閾值電路如圖8所示。當(dāng)光源強(qiáng)度變化引起CCD視頻信號(hào)變化時(shí)，可以通過(guò)電路CCD視頻信號(hào)的起伏反饋到閾值上，使閾值電壓隨之改變，從而保證在光較弱時(shí)，二值化電路仍能輸出合適的二值化信號(hào)。

??? 二值化處理后輸出的信號(hào)稱為二值化信號(hào)。二值化信號(hào)為一個(gè)方波，該波形的前沿和后沿分別對(duì)應(yīng)CCD像元的序號(hào)，計(jì)算出兩個(gè)像元位置的平均值，即為線光源在CCD上成像的中心位置，從而獲得一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)。在CCD連續(xù)工作下，所有的檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，再經(jīng)過(guò)串行通訊電路將結(jié)果傳給單片機(jī)做進(jìn)一步的處理。