TC237B型CCD圖像傳感器的原理及應(yīng)用

摘要：TC237B是美國(guó)德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的黑白電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器。詳細(xì)介紹TC237的主要特點(diǎn)，引腳功能和結(jié)構(gòu)原理，最后給出TC237B在嵌入式圖像采集系統(tǒng)中的具體應(yīng)用實(shí)例。 
關(guān)鍵詞：CCD；圖像傳感器；TC237B；圖像采集

1 引言
    TC237B是TI公司生產(chǎn)的一款1/3英寸的幀轉(zhuǎn)移方式的電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器。它有340 000個(gè)像素，其中有效像素為658x496，能廣泛應(yīng)用在黑白電視系統(tǒng)、電腦、工業(yè)檢測(cè)等需要低成本和小尺寸的場(chǎng)合。
    TC237B的圖像感光區(qū)由500行像素組成，每行有680個(gè)像素，其中每行有22個(gè)像素用于提供參考黑電平。它的反模糊特性基于一種先進(jìn)的橫向溢出漏級(jí)概念。傳感器能在低暗電流下，作為一款658(H)x496(V)的傳感器在隔行模式下工作；同時(shí)，TC237B的另一個(gè)重要特性是它能每幀采集340000個(gè)像素。傳感器還具有高速圖像傳輸特性，并且能在不損失敏感度和分辨率的情況下進(jìn)行持續(xù)電子曝光控制。感光電荷在一個(gè)高性能的，帶有復(fù)位和參考電平發(fā)生器的結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換成13μV/e的信號(hào)電壓。產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)一步通過低噪音的二階信號(hào)源輸出放大器進(jìn)行緩沖，從而提高輸出的驅(qū)動(dòng)能力。
    TC237B型圖像傳感器采用了TI公司特有的先進(jìn)虛擬階段(AVP)技術(shù)。AVP技術(shù)能使傳感器具有高藍(lán)色響應(yīng)、低暗電流、高光響應(yīng)一致性和單相時(shí)鐘等優(yōu)點(diǎn)。

2 主要特點(diǎn)和引腳功能
    圖1示出TC237B型圖像傳感器采用12引腳雙列直插封裝的引腳排列，其引腳功能如表l所列。TC237B的主要特點(diǎn)如下：

    ●高分辨率，1/3英寸固態(tài)傳感器；
    ●每場(chǎng)可達(dá)340 000個(gè)像素；
    ●幀存儲(chǔ)；
    ●具有658(H)x496(V)有效像素，兼容電子調(diào)中；
    ●有多種讀出模式特性：逐行掃描方式、隔行掃描方式、雙行同時(shí)讀出模式、圖像區(qū)行累加、拖影消減；
    ●快速單脈沖圖像區(qū)清除特性；
    ●能進(jìn)行1/60~1/50 000秒的持續(xù)電子曝光控制；
    ●7.4 μmx7.4 μm像素；
    ●先進(jìn)橫向溢出漏級(jí)反模糊技術(shù)；
    ●暗電流小；
    ●感光反應(yīng)一致性高；
    ●動(dòng)態(tài)范圍大：
    ●光敏感度高；
    ●藍(lán)色響應(yīng)高；
    ●無(wú)圖像老化、圖像殘留、圖像失真、圖像延遲或顫噪效應(yīng)等現(xiàn)象。

3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    TC237B由4個(gè)基本功能模塊組成：圖像感光區(qū)、圖像存儲(chǔ)區(qū)、串行寄存器和帶有電荷檢測(cè)及獨(dú)立復(fù)位的低噪音信號(hào)處理放大器模塊，其原理框圖如圖2所示。

3.l 圖像感光區(qū)和圖像存儲(chǔ)區(qū)
    圖像感光區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)占據(jù)了TC237B的大部分面積，分別擁有340 000個(gè)像素。當(dāng)光射進(jìn)圖像感光區(qū)的硅元件時(shí)，將產(chǎn)生電子——空穴對(duì)，并聚集在勢(shì)阱之中。在開始一段新的感光時(shí)間前，只需在溢出漏級(jí)施加1個(gè)1μs以上的脈沖就可以消除圖像。圖像存儲(chǔ)區(qū)的像素?cái)?shù)和感光區(qū)的相同，尺寸比感光區(qū)的略小，并且被外殼遮蓋以免受到外界光的照射影響，這樣，感光完成后一場(chǎng)感光電荷就可以傳送到存儲(chǔ)區(qū)。感光電荷從感光區(qū)傳送到存儲(chǔ)區(qū)的過程叫做并行傳輸。并行傳輸?shù)臅r(shí)間取決于讀出模式是隔行掃描還是逐行掃描。當(dāng)使用逐行掃描模式時(shí)，信號(hào)還可以選擇單通道讀出或雙通道快速讀出。
    在圖像感光區(qū)的左部，每行有22個(gè)像素被金屬遮光屏覆蓋。這些暗像素可以為圖像的后繼處理電路提供黑參考電平。除此以外，在圖像感光區(qū)和圖像存儲(chǔ)區(qū)間有4行像素同樣被金屬遮光屏覆蓋，它們的存在避免了感光區(qū)的電荷泄漏到存儲(chǔ)區(qū)中。
3.2 串行寄存器和信號(hào)讀出
    感光電荷在存儲(chǔ)區(qū)門和串行門的控制下將一行一行地從存儲(chǔ)區(qū)傳送到1個(gè)或2個(gè)寄存器。使用1個(gè)或2個(gè)寄存器取決于采用何種讀出模式。當(dāng)使用2個(gè)寄存器時(shí)，信號(hào)的讀出是并行的。
    當(dāng)像素被傳送到串行寄存器后，它們將隨時(shí)鐘送出并由一個(gè)電荷探測(cè)節(jié)點(diǎn)所檢測(cè)。探測(cè)節(jié)點(diǎn)必須在下一個(gè)像素到達(dá)之前先復(fù)位到一個(gè)參考電平。而串行寄存器的讀出時(shí)序需要符合相關(guān)雙采樣(CDS)的要求。當(dāng)電荷送到探測(cè)節(jié)點(diǎn)上時(shí)，節(jié)點(diǎn)上的電勢(shì)按比例地轉(zhuǎn)變成相應(yīng)數(shù)量的接收電荷。這種轉(zhuǎn)變由一個(gè)MOS晶體管感測(cè)。信號(hào)在適當(dāng)緩沖后將提供給圖像傳感器的輸出端。

4 在嵌入式圖像采集系統(tǒng)中的應(yīng)用
    嵌入式圖像采集系統(tǒng)主要由TC237B圖像傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、模擬前端、CPID、ARM7TDMI處理器、FIFO組、SDRAM存儲(chǔ)器等組成，其原理如圖3所示。

    在本系統(tǒng)中，CPID是采集系統(tǒng)的控制核心，也是TC237B的信號(hào)時(shí)鐘發(fā)生器。采集時(shí)，TC237B在CPLD提供的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘作用下完成光電轉(zhuǎn)換，并把圖像信號(hào)串行發(fā)送到模擬前端。圖像信號(hào)經(jīng)過模擬前端的信號(hào)調(diào)整和A/D轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)化為8-bit的數(shù)字量。然后在CPLD的調(diào)配下，經(jīng)過FIFO組的緩沖，由ARM處理器把數(shù)字量存放到SDRAM中，從而實(shí)現(xiàn)圖像的采集。
    如上所述．TC237B有多種讀出模式，本系統(tǒng)采用的是逐行掃描單通道輸出模式。選用這種模式只需要對(duì)輸出的CCD信號(hào)使用1個(gè)通道的模/數(shù)轉(zhuǎn)換即可，從而使得后繼的信號(hào)處理變得更為簡(jiǎn)單，適合于對(duì)時(shí)間要求不特別高的場(chǎng)合。圖4示出TC237B采用逐行掃描單通道輸出時(shí)采集一幀圖像的時(shí)序。
    采集一幀圖像要經(jīng)過圖像清除、感光、并行傳輸和讀出4個(gè)階段。其中，讀出階段需時(shí)最長(zhǎng)。當(dāng)需要采集時(shí)，ARM處理器發(fā)出采集信號(hào)，告知CPLD采集開始。在開始新的采集前，TC237B先復(fù)位先前所有的狀態(tài)并清除圖像信息。這種清除只需把ODB信號(hào)提升至26V并維持lμs以上即可。清除完成后，進(jìn)入感光期。感光時(shí)間也是曝光長(zhǎng)度。短時(shí)間曝光會(huì)使CCD受到較小的光子沖擊，形成一幅曝光不足的低照度圖像；相反，長(zhǎng)時(shí)間曝光可形成一幅感光過度的圖像。在光線很弱的場(chǎng)所，例如天文攝影，長(zhǎng)時(shí)間曝光是必要的。設(shè)計(jì)者應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，配合光學(xué)系統(tǒng)，選擇適當(dāng)?shù)钠毓鈺r(shí)間。
    曝光時(shí)間完成后意味著光電轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，將進(jìn)入并行傳輸階段把電荷轉(zhuǎn)移出去。
    并行傳輸是由IAGl、IAG2、SRG、SAG四個(gè)信號(hào)的一系列時(shí)鐘脈沖完成的。圖像感光區(qū)是二相結(jié)構(gòu)的，lAGl門連接感光區(qū)的所有奇數(shù)行像素，IAG2門則連接了感光區(qū)的所有偶數(shù)行的像素。因此在并行傳輸階段，只要同時(shí)給IAGl門和lAG2門發(fā)1個(gè)脈沖，奇偶行的像素同時(shí)下移1個(gè)單位，從而實(shí)現(xiàn)l行像素下移到存儲(chǔ)區(qū)。這里lAGl和IAG2脈沖信號(hào)必須沒有相位差，否則會(huì)引起電荷的疊加，使圖像失真。由于存儲(chǔ)區(qū)是單相結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)l行像素下移到存儲(chǔ)區(qū)后只需往SAG門發(fā)送1個(gè)脈沖就可以把存儲(chǔ)區(qū)的所有像素下移1個(gè)單位，為接收感光區(qū)的下1行像素準(zhǔn)備空間。這樣，經(jīng)過500個(gè)脈沖后1幀圖像就完成了幀存儲(chǔ)。

    要注意的是，由于在并行傳輸期間感光區(qū)仍在感光，因此如果并行傳輸?shù)念l率太低，像素信號(hào)在傳送到存儲(chǔ)區(qū)的同時(shí)仍在積累電荷，從而形成帶有垂直拖尾的圖像。這是在幀間轉(zhuǎn)移CCD中常見的問題。為了避免拖尾效應(yīng)，并行傳輸?shù)臅r(shí)間應(yīng)遠(yuǎn)小于感光時(shí)間。垂直拖尾百分比(rs)可以按下式計(jì)算：

   
    其中，txfer是并行傳輸時(shí)間；tint是感光時(shí)間；nIA是圖像的行數(shù)；fxfer是并行傳輸?shù)念l率。
    本系統(tǒng)并行傳輸?shù)念l率為2.5 MHz，曝光時(shí)間選為1/60 s，按照式(1)可求出垂直拖尾百分比為0.125％。
    采集圖像的最后1個(gè)階段就是要把存儲(chǔ)區(qū)的像素經(jīng)過串行寄存器發(fā)送到輸出端。讀出期包含行傳輸和串行讀出過程，這2個(gè)過程均由SAG和SRG的時(shí)鐘脈沖完成。首先在行傳輸期間,SAG信號(hào)和SRG信號(hào)先后各以1個(gè)脈沖把一行像素送到串行寄存器2中。然后，SRG信號(hào)在684個(gè)時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下把整個(gè)串行寄存器的所有像素逐一送出。如此循環(huán)500次，一幀圖像就從傳感器的輸出端發(fā)送出去。
    整個(gè)采集時(shí)間大約154 ms,可以滿足各種場(chǎng)合的需要。
    TC237B的整個(gè)工作時(shí)序的軟件設(shè)計(jì)是在MAX+plus Ⅱ環(huán)境中用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)時(shí)序的各個(gè)時(shí)段進(jìn)行有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)。各個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移如圖5所示。

    狀態(tài)A：空閑狀態(tài)；
    狀態(tài)B：CCD清除狀態(tài)；
    狀態(tài)C：感光狀態(tài)；
    狀態(tài)D：并行傳輸狀態(tài)；
    狀態(tài)E：把一行像素移進(jìn)串行寄存器；
    狀態(tài)F：串行讀出像素；
    狀態(tài)G：完成。