全帧读出型面阵CCD光电传感器在图像采集中的应用

    摘 要 介绍全帧读出型面阵CCD光电传感器的原理及其在图像采集中的驱动和输出电路的设计，并给出了实际测得的输出信号波形。

    关键词 视频 面阵CCD 全帧读出型面阵CCD光电传感器

    面阵CCD传感器在现代电子信息技术中被广泛应用于电视、多媒体技术及医疗电子设备。本文介绍的全帧读出型面阵CCD传感器是一种特殊类型的传感器，它与通常使用的面阵CCD，如帧转移型、行间转移型和帧行转移型的工作原理有所不同，不存在转移区或暂存区，这使得全帧读出型CCD在读出时不能“暴光”，在“暴光”时不能读出。因此这种CCD要求光源必须是闪烁的。虽然它对光源的要求比普通的CCD要特殊，但它具有一个非常重要的特点，就是其体积小，可以微型化，适合应用在医用及工业电子内窥镜中。

    1 全帧读出型面阵CCD

    全帧读出型面阵CCD光电传感器没有垂直移位寄存器，也没有图像暂存区，使有效感光面积比帧转移型、行间转移型及帧行转移型结构的CCD大，但这也使其必须要求闪烁光源照明。全帧读出型面阵CCD的结构如图1所示。

    CCD的光敏单元在光照时间内进行光电转换，各单元随光照强度不同积累电荷量亦不同。在无光照期间，各光敏单元信号依次被读出。读出时，面阵中的各行信号均向下一行移动，在最下行的信号移出光敏感区后进入水平移位寄存器。这时将水平移位寄存器中的信号依次移出即可供显示及处理。按上述方法，将各行信号依次移出后，再进行曝光，再移出，……，这样就可以得到一帧一帧的连续的图像信号。

    2 微型面阵CCD-TC221

    TC221是TI公司生产的一种微型全帧读出型面阵CCD。它的图像感光区对角线为2.4mm，有效像素为190(H)×190(V)，每个像素单元面积为9μm×9μm，外封装后的对角线尺寸约为4.1mm。由于它的体积小，驱动信号少，很便于应用在医用及工业用电子内窥镜中。TC221动态范围很大、灵敏度高、噪声低，并能够通过防“开花”脉冲实现防“开花”控制。其驱动信号简单，并内置自复位电路和参考电压源，便于控制。另外，TC221自带黑参考电平，便于视频处理时进行黑电平钳位。TC221的功能框图如图2所示。

    TC221包括四个功能区：（ａ）感光区；（ｂ）水平串行移位寄存器；（ｃ）敏感结点；（ｄ）低噪声跟随器及放大器。TC221的驱动信号比较简单，只有ABG、IAG、SRG三个信号，其引脚如图3所示。其中ABG为防“开花”门脉冲输入，“开花”控制是通过在“暴光”期间提高CCD势阱深度来防止光敏单元间的溢出，从而达到其防“开花”的效果；IAG为感光区域控制门脉冲输入，用来控制在CCD读出期间的行移出，在每个脉冲到来时各单元行向下移动一行，移到串行移位寄存器中的那一行将被读出；SRG为串行移位寄存器控制门脉冲输入，在每一行移入到串行移位寄存器后控制其中的数据串行移出。这三个驱动信号的幅值都比较高，要求的时序如图4所示。管脚中ADB为电源输入，SUB为接地，输出信号在OUT管脚处得到，各信号的幅值及频率要求如表1所示。

    图5给出了CCD外围驱动电路设计原理图， 其中SN28846、TMS3473是TI公司专为其CCD器件设计的驱动芯片。SN28846为串行移位驱动芯片，用来产生串行移位寄存器的控制脉冲，它在CCD和时钟发生器之间提供了一个接口，接收来自时钟发生器的TTL电平时钟信号并向CCD输出如图4中所示的SRG信号。TMS3473用来驱动感光区行移出门，它接收来自时钟发生器的TTL电平时钟信号并向CCD输出如图4中所示的IAG信号。AD810是带宽为70MHz的运算放大器，与其外围其它元件构成加法器，将来自时钟发生器的三路信号组合，输出如图4所示的ABG信号。时钟发生器采用了FPGA，它产生一系列45.5MHz的TTL电平的时钟信号及脉冲信号，为整个电路提供时间基准。

    TC221面阵CCD的输出信号是一个负极性的峰包脉冲信号，每个光敏单元对应一个峰包。图6所示为用数字综合示波器HP54645D测得的CCD输出实际波形。图6给出的CCD输出信号，经运算放大器放大，并将直流电平滤掉，即可供后端处理及视频编码并送至显示。

    本文介绍的全帧读出型面阵CCD-TC221和其他几种类型的面阵CCD相比有其独特的优越性。在我们的实际应用及开发中，也证明了它的可靠性及优越性能。在要求体积限制的环境中，例如在工业探测及医学诊断中，全帧型微型CCD图像传感器都有很好的应用前景。