μPD3575D CCD圖像傳感器的原理及應用

    關鍵詞：μPD3575D CCD 驅動脈沖 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。它內部包含一列1024像元的光敏二極管和兩列525位CCD電荷轉移寄存器。該器件可工作在5V驅動（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；

*像敏單元大小：14μm×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結作為光敏單元；

*時鐘：二相（5V）；

*內部電路：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的內部結構原理圖，中間一排是由多個光敏二極管構成的光敏陣列，有效單元為1024位，它們的作用是接收照射到CCD硅片的光，并將之轉化成電荷信號，光敏陣列的兩側為轉移柵和模擬寄存器。在傳輸門時鐘φTG的作用下，像元的光電信號分別轉移到兩側的CCD轉移柵。然后CCD的MOS電容中的電荷信號在φIO的作用下串行從輸出端口輸出。上述驅動脈沖由專門的驅動電路產(chǎn)生。

表1 μPD3575D的引腳功能

3 光電特性參數(shù)

μPD3575D的光學/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為響應曲線失支直線形時的輸出信號電壓；飽和曝光量SE為輸出飽和時的照度（lx）和積累時間的乘積。

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指的是遮光時的平均輸出電流。暗信號不均勻性DSNU是遮光時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為從外部看時輸出端子的阻抗。響應度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，器件的響應度會有所變化。

4 驅動時序

CCD的驅動需要四路脈沖，分別為轉移柵時鐘φIO、復位時鐘φRO、采樣保持時鐘φSHO和傳輸門時鐘φTG，將它們分別輸入到CCD芯片的2腳、3腳、4腳和8腳，并在相應的管腳接上相應的電壓就可以實現(xiàn)對CCD的驅動。

實現(xiàn)對CCD驅動的關鍵工作是如何產(chǎn)生以上的四路波形。圖3是該四路時序波形圖。

圖3

    四路脈沖的作用描述如下：當傳輸門時鐘φTG脈沖高電平到來時，正遇到φIO電極下形成深勢阱，同時φTG的高電平使φIO電極下的深勢阱與CMOS電容存儲勢阱（存儲柵）溝通。于是CMS電容中的信號電荷包全部轉移到φIO電極下的勢阱中。當φTG變低時，φTG低電平形式的淺勢阱將存儲柵下勢阱與φIO電極下的勢阱離開，存儲柵勢阱進入光積分狀態(tài)，而轉移柵則在轉移柵時鐘φIO脈沖作用下使轉移到φIO電極下勢阱中的信號電荷逐位轉稱，并經(jīng)過輸出電路輸出。采樣保持時鐘φSHO的作用是去掉輸出信號中的調幅脈沖成分，使輸出脈沖的幅度直接反映像敏單元的照度。

從以上描述和對波形的分析可以看出，復位脈沖φRO每觸發(fā)一次，φIO脈沖翻轉一次，并轉移一個像元的信號電荷，因此φIO脈沖的周期為φRO的2倍。采樣保持時間φSHO的周期和φRO的周期相同，但相位有一定的時間延遲。傳輸門時鐘φTG脈沖控制線陣CCD整行的轉移時間間隔，可作為行同步脈沖，其低電平持續(xù)的時間為φIO的整數(shù)倍，倍數(shù)由CCD的像元數(shù)決定。圖4給出了μPD3575D的脈沖時序關系圖，該圖中為負極性邏輯，與前邊圖3的正極性邏輯正好相反，在編程過程中，我們可以先實現(xiàn)正極性邏輯，然后通過反向器將極性反過來。

圖4

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

那么，如何控制循五泊開始和結束呢？傳輸門時鐘φTG起的就是這一作用，當φTG由低電平變?yōu)楦唠娖讲⒔?jīng)過一定的時延（最小值50ns）后，轉移時鐘φIO開始按周期翻轉，每翻轉一次，輸出一個像元。所有像元輸出完畢，φTG再由高電平變?yōu)榈碗娖?。圖4中φTG只給出了開始部分的波形，后面表示積分時間的波形沒有給出，因此后面的積分時間長短可以根據(jù)對積分時間的需要自行設定。但積分時間內的φIO數(shù)目也是有要求的。因為該CCD芯片的有效單元為1024，加上虛設單元、暗信號和空驅動等共有12613個光電二極管，由于該器件是兩列并行分奇偶傳輸?shù)?，所以一個φTG周期至少要有630個φIO脈沖，即φTG>630φIO。

    如將其準時鐘頻率確定為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 四路驅動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系所給出的典型驅動電路如圖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，根據(jù)CDD傳感器視頻信號應用的差異，CCD視頻信號的處理有兩種方法：一是對CCD視頻信號進行二值化處理后，再進行數(shù)據(jù)采集；二是對CCD視頻信號采樣、量化編碼后再采集到計算機系統(tǒng)。

    在檢測鋼軌不平順的設計中要檢測運動光源的瞬時位置，只需要測定光源在CCD上的成像位置，即光源成像在第幾個像元上。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換功能，又具有光電信號的存儲和快速讀出功能，所以通過一組時序脈沖的驅動控制（驅動器），可以實現(xiàn)對目標光源的實時光電轉換與信號讀出。當入射在CCD像元上成像時，入射光子被CCD像元吸收并產(chǎn)生相應數(shù)量的光生電荷。在光積分期間，光生電荷被積累并存儲在彼此隔離的相應像元的勢阱中，在每個像元勢阱中所積累的信號電荷數(shù)與照射在該像元面上的平均照度和光積分時間的乘積成正比。在電荷轉移期間，光生電荷依次轉移稱至輸出區(qū)，通過復位脈沖的控制，在輸出極形成視頻信號，每次積分的輸出波形代表目標光圖像在CCD采樣方向的瞬態(tài)強度的空間分布，輸出視頻信號經(jīng)過低噪聲寬帶放大器放大處理后，每個光斑的輸出波形如圖7（a）所示。然后，對CCD的視頻信號進行二值化處理，原理如圖7（b）所示，二值化的前沿和后沿分別對應CCD像元的信號，計算出這兩個像元位置的平均值，即為光線的中心位置，這即是一個檢測數(shù)據(jù)。在CCD連續(xù)工作下，所有的檢測數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，通過串行通訊電路將結果傳送給單片機。

    在進行CCD在線檢測時，干擾光線較難克服，而且光源使用一段時間，光強也會變弱，這樣會引起CCD輸出信號幅度變化，從而導致測量誤差，因此對上邊的電路作了一定改進，即讓閾值電壓隨CCD視頻信號的幅值變化，改進后的浮動閾值電路如圖8所示。當光源強度變化引起CCD視頻信號變化時，可以通過電路CCD視頻信號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，二值化電路仍能輸出合適的二值化信號。

    二值化處理后輸出的信號稱為二值化信號。二值化信號為一個方波，該波形的前沿和后沿分別對應CCD像元的序號，計算出兩個像元位置的平均值，即為線光源在CCD上成像的中心位置，從而獲得一個檢測數(shù)據(jù)。在CCD連續(xù)工作下，所有的檢測數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，再經(jīng)過串行通訊電路將結果傳給單片機做進一步的處理。