高速線陣CCD IL-P1-4096的原理和應(yīng)用

    摘要：IL-P1-4096是加拿大DALSA公司生產(chǎn)的雙相高速線陣CCD。其單相工作頻率可達(dá)25MHz甚至更高，因此應(yīng)用十分廣泛。文中介紹了IL-P1-4096的性能和工作原理，并給出了具體的應(yīng)用電路。

    關(guān)鍵詞：CCD 驅(qū)動(dòng)時(shí)序 IL-P1-4096

1 引言

近年來(lái)，電荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Devices）在圖像拍攝方面起著非常重要的作用。是光電成像領(lǐng)域里非常重要的高新技術(shù)產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的拍攝傳感器相比，CCD圖像傳感器具有輸出噪聲小、動(dòng)態(tài)范圍大、光譜響應(yīng)范圍寬、分辨率高、輸出信號(hào)線性度好、功耗低、體積小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。CCD從芯片結(jié)構(gòu)上可分為面陣CCD和線陣CCD兩種類型。面陣CCD主要用于黑白及彩色攝像，而線陣CCD則在高清晰圖像拍攝方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，因此，CCD成為現(xiàn)代光電子學(xué)和測(cè)試技術(shù)中最活躍、最富有成果的應(yīng)用器件之一。

圖1

2 主要特點(diǎn)和引腳功能

2．1 主要特點(diǎn)

本文描述的高速線陣CCD IL-P1-4096是加拿大DALSA公司生產(chǎn)的IL-P1系列圖像傳感器中的一種。該器件的像素尺寸是10μm×μm、像素線陣長(zhǎng)度為41mm、相鄰像素間距也是10μm。線陣列的像素共有4096個(gè)，分兩路輸出。IL-P1-4096的主要性能參數(shù)如下：

·雙相輸出，每相輸出數(shù)據(jù)頻率為25MHz；

·線掃描速率為87kHz；

·可使用低壓時(shí)序信號(hào)，時(shí)序信號(hào)電壓小于5V；

·像素尺寸為10μm×10μm；

·每行4096個(gè)像素點(diǎn)；

·動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍大于3200：1；

·靈敏度高，響應(yīng)可達(dá)到12V（uJ/cm2）;

·采用15V電壓供電；

·每行孤立像素為14個(gè)；

·每行屏蔽像素為32個(gè)。

2．2 引腳功能

IL-P1-4096采用32引腳封裝。各引腳的定義及說(shuō)明如下：

腳1、18（VLOW）：低壓偏置電壓，具體電路中可直接接地。

腳2、18（VDD）：放大器電源電壓，通常情況下接芯片電源。

腳3（OS1）：輸出信號(hào)1端，連接到數(shù)據(jù)處理芯片時(shí)要接隔直電容。

腳4（VSET）：輸出節(jié)點(diǎn)門電壓設(shè)置。通常箝位于地。

腳5（CRLAST）：讀出時(shí)鐘，該時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)和CR1S的頻率、相位一致。

腳6，22（RS1S）：時(shí)鐘1讀出（相位1，存儲(chǔ)相位），與CR2S反相。

腳7，23（CR2S）：時(shí)鐘2讀出（相位2，存儲(chǔ)相位），與CR1S同頻、反相。

腳8（TCK）：傳輸時(shí)鐘。

腳9（PR）：像素復(fù)位時(shí)鐘，用于控制CCD曝光和光積分時(shí)間。

腳10（VPR）：像素復(fù)位漏極電壓，接工作電源。

腳11，28（CR1B）：讀出時(shí)鐘（相位1，閾值相位），該端信號(hào)和CR1S同頻、同相。

腳12，27（CR2B）：讀出時(shí)鐘（相位2，閾值相位），該端信號(hào)和CR2S同頻、同相。

腳14，15，17，19（VHIGH）：15V高壓基準(zhǔn)電源。

腳16（NC）：懸空。

腳20，21，26（VBB）：感光低層偏置電壓，接（-3V）。

腳24（VSTOR）：存儲(chǔ)井電壓，直接接地。

腳25，29（VSS）：參考地，直接接地。

腳30（OS2）：輸出信號(hào)2端，連接到數(shù)據(jù)處理芯片時(shí)要接隔直電容器。

腳31（VOD）：輸出復(fù)位漏極電壓端，接（+13V）電源。

腳32（RST）：輸出復(fù)位時(shí)鐘，頻率和CR1S相同，脈沖下降沿與CR1S的下降沿重合，脈寬為5ns。

IL-P1-4096可根據(jù)傳感器光敏單元（像素）上的感光變化，將對(duì)象圖像的感光變化轉(zhuǎn)化為電荷包。電荷包中電子的個(gè)數(shù)是由感光強(qiáng)度和CCD器件的光積分時(shí)間決定的。電荷包被收集到獨(dú)立的存儲(chǔ)井中，然后用像素復(fù)位時(shí)鐘來(lái)控制CCD器件的積分和曝光時(shí)間。

IL-PI系列傳感器內(nèi)部由三大主要功能塊組成：光電二極管、CCD讀出移位寄存器和輸出放大器。其中光電二極管用來(lái)生成信號(hào)電荷包，輸出放大器用來(lái)將電荷轉(zhuǎn)化為電壓脈沖，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。需要注意的是，IL-P1-4096傳感器是兩路輸出，奇像素和偶像素分別從不同的輸出通道輸出，是一種雙排的線列陣CCD，光敏單元在中間，奇、偶單元的信號(hào)電荷分別傳到上下兩列移位寄存器后分兩路串行輸出。這種CCD的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的封裝密度，轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，因而可提高轉(zhuǎn)移效率，改善圖像傳感器的信號(hào)質(zhì)量。

該傳感器中的光敏單元與CCD移位寄存器分開(kāi)，而用轉(zhuǎn)移柵控制光生信號(hào)電荷向移位寄存器的轉(zhuǎn)移，其信號(hào)的轉(zhuǎn)移時(shí)間一般遠(yuǎn)小于攝像時(shí)間（光積分的時(shí)間）。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉時(shí)，光敏單元?jiǎng)葳鍖⑹占庑盘?hào)電荷，并經(jīng)過(guò)一定的積分時(shí)間后，形成與空間分布的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的信號(hào)電荷圖形。積分周期結(jié)束后，轉(zhuǎn)移光柵打開(kāi)，各光敏單元?jiǎng)葳迨占男盘?hào)電荷并行轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器SR的相應(yīng)單元內(nèi)。轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后，光敏單元開(kāi)始下一行的圖像采集，而已轉(zhuǎn)移到移位寄存器內(nèi)的上一行信號(hào)電荷將通過(guò)移位寄存器串行輸出，如此重復(fù)上述過(guò)程。



    這里的CR1S、CR1B、CR2S、CR2B是CCD輸出像素的相位操作時(shí)鐘。CRLAST是該CCD的信號(hào)輸出時(shí)鐘。RST是像素復(fù)位時(shí)鐘。TCR是行轉(zhuǎn)移同步信號(hào)，可用來(lái)控制轉(zhuǎn)移柵。PR是曝光控制和積分時(shí)間控制信號(hào)，其電平上升沿要平滑，不能陡峭。在TCK的兩個(gè)高電平之間，可由PR來(lái)控制CCD的曝光和積分時(shí)間。整個(gè)芯片的工作過(guò)程如下：當(dāng)TCK的高電平到來(lái)時(shí)，CCD傳感器曝光的光敏單元會(huì)將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)移的相應(yīng)的移位單元中。CCD的光敏單元在PR積分控制信號(hào)的作用下重新開(kāi)始感光積分，而進(jìn)入移位單元中的信號(hào)將在兩相操作時(shí)鐘CR1X、CR2X的作用下移出。RST信號(hào)的作用是減小兩像素之間的相關(guān)信號(hào)，可在當(dāng)前像素信號(hào)輸出后到下一個(gè)像素信號(hào)到來(lái)前，對(duì)殘余信號(hào)進(jìn)行清除。

IL-P1-4096的工作驅(qū)動(dòng)時(shí)序電路如圖2和圖3所示。由圖可見(jiàn)，CR1X（CR1S、CR1B）和CR2X（CR2X，CR2B）的相位必須相反，頻率大小為25MHz（該頻率可以根據(jù)實(shí)際使用情況和條件設(shè)定相應(yīng)縮小，但所有的時(shí)序都要因此做相應(yīng)改變以符合CCD的整個(gè)時(shí)序要求）。CR1X和CR2X上升沿和下降沿的時(shí)差最大不能超過(guò)5ns，CR1S和TCK時(shí)鐘下降沿的時(shí)差最小不能低于5ns。TCK的頻率大小為11.9kHz，理想脈寬設(shè)定為300ns。PR的頻率也為11.9kHz，而脈寬則為10μs（PR的脈寬應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的使用情況適當(dāng)改變大小，其高電平上升沿和TCK高電平下降沿的時(shí)差在相距23ns的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)）。RST頻率為25MHz，脈寬大小為5ns。圖中的OSn（OS1、OS2）為CCD輸出信號(hào)。

4 具體應(yīng)用電路

由于對(duì)IL-PI4096的工作頻率要求很高、相位關(guān)系復(fù)雜，因此，筆者推薦使用高速CPLD作為CCD的基本時(shí)序發(fā)生器。設(shè)計(jì)時(shí)可使用Lattic公司的ispMACH4000C/B/V系列芯片，該芯片的工作時(shí)鐘可以達(dá)到400MHz，完全可以滿足此CCD的工作時(shí)序要求。

圖4所示是IL-P1-4096的具體應(yīng)用電路。從CPLD發(fā)送過(guò)來(lái)的基本時(shí)鐘信號(hào)可通過(guò)簡(jiǎn)單電路進(jìn)行相位校正并提供驅(qū)動(dòng)電流，然后再送入CCD芯片。在Osn的輸出端。電路可通過(guò)幾個(gè)三極管組成的恒流源來(lái)提供CCD所需要的8mA驅(qū)動(dòng)電流。

圖4

    在電路板布線時(shí)，時(shí)序信號(hào)線要盡量短而且寬，有條件的地方應(yīng)使用伴生線。CPLD和IL-P1-4096要盡可能靠近。電路板最好使用四層板。板上電源應(yīng)遠(yuǎn)離芯片和時(shí)序信號(hào)線。直流電源的紋波最好不要超過(guò)10mV。

在調(diào)式電路的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)選用比較低的頻率來(lái)控制IL-P1-4096的工作，然后，逐漸升高工作頻率。在CPLD上使用ISP軟件改變輸出頻率是比較方便的。

5 結(jié)束語(yǔ)

IL-P1-4096的精度高、感光響應(yīng)快，在工業(yè)控制和測(cè)量領(lǐng)域（如流水線產(chǎn)品檢測(cè)、分類，文字與圖像的識(shí)別，機(jī)械產(chǎn)品尺寸非接觸測(cè)量等），該器件具有很強(qiáng)的實(shí)用性。