TC237B型CCD圖像傳感器的原理及應(yīng)用

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)檢測等需要低成本和小尺寸的場合。
TC237B的圖像感光區(qū)由500行像素組成，每行有680個像素，其中每行有22個像素用于提供參考黑電平。它的反模糊特性基于一種先進的橫向溢出漏級概念。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，TC237B的另一個重要特性是它能每幀采集340000個像素。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行持續(xù)電子曝光控制。感光電荷在一個高性能的，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的信號電壓。產(chǎn)生的信號進一步通過低噪音的二階信號源輸出放大器進行緩沖，從而提高輸出的驅(qū)動能力。
TC237B型圖像傳感器采用了TI公司特有的先進虛擬階段(AVP)技術(shù)。AVP技術(shù)能使傳感器具有高藍色響應(yīng)、低暗電流、高光響應(yīng)一致性和單相時鐘等優(yōu)點。

2 主要特點和引腳功能
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的主要特點如下：

●高分辨率，1/3英寸固態(tài)傳感器；
●每場可達340 000個像素；
●幀存儲；
●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；
●先進橫向溢出漏級反模糊技術(shù)；
●暗電流??；
●感光反應(yīng)一致性高；
●動態(tài)范圍大：
●光敏感度高；
●藍色響應(yīng)高；
●無圖像老化、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個基本功能模塊組成：圖像感光區(qū)、圖像存儲區(qū)、串行寄存器和帶有電荷檢測及獨立復(fù)位的低噪音信號處理放大器模塊，其原理框圖如圖2所示。

3.l 圖像感光區(qū)和圖像存儲區(qū)
圖像感光區(qū)和存儲區(qū)占據(jù)了TC237B的大部分面積，分別擁有340 000個像素。當(dāng)光射進圖像感光區(qū)的硅元件時，將產(chǎn)生電子――空穴對，并聚集在勢阱之中。在開始一段新的感光時間前，只需在溢出漏級施加1個1μs以上的脈沖就可以消除圖像。圖像存儲區(qū)的像素數(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，感光完成后一場感光電荷就可以傳送到存儲區(qū)。感光電荷從感光區(qū)傳送到存儲區(qū)的過程叫做并行傳輸。并行傳輸?shù)臅r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，信號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)的電荷泄漏到存儲區(qū)中。
3.2 串行寄存器和信號讀出
感光電荷在存儲區(qū)門和串行門的控制下將一行一行地從存儲區(qū)傳送到1個或2個寄存器。使用1個或2個寄存器取決于采用何種讀出模式。當(dāng)使用2個寄存器時，信號的讀出是并行的。
當(dāng)像素被傳送到串行寄存器后，它們將隨時鐘送出并由一個電荷探測節(jié)點所檢測。探測節(jié)點必須在下一個像素到達之前先復(fù)位到一個參考電平。而串行寄存器的讀出時序需要符合相關(guān)雙采樣(CDS)的要求。當(dāng)電荷送到探測節(jié)點上時，節(jié)點上的電勢按比例地轉(zhuǎn)變成相應(yīng)數(shù)量的接收電荷。這種轉(zhuǎn)變由一個MOS晶體管感測。信號在適當(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)動電路、模擬前端、CPID、ARM7TDMI處理器、FIFO組、SDRAM存儲器等組成，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的信號時鐘發(fā)生器。采集時，TC237B在CPLD提供的驅(qū)動時鐘作用下完成光電轉(zhuǎn)換，并把圖像信號串行發(fā)送到模擬前端。圖像信號經(jīng)過模擬前端的信號調(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輸出的CCD信號使用1個通道的模/數(shù)轉(zhuǎn)換即可，從而使得后繼的信號處理變得更為簡單，適合于對時間要求不特別高的場合。圖4示出TC237B采用逐行掃描單通道輸出時采集一幀圖像的時序。
采集一幀圖像要經(jīng)過圖像清除、感光、并行傳輸和讀出4個階段。其中，讀出階段需時最長。當(dāng)需要采集時，ARM處理器發(fā)出采集信號，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信號提升至26V并維持lμs以上即可。清除完成后，進入感光期。感光時間也是曝光長度。短時間曝光會使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，長時間曝光可形成一幅感光過度的圖像。在光線很弱的場所，例如天文攝影，長時間曝光是必要的。設(shè)計者應(yīng)該根據(jù)實際情況，配合光學(xué)系統(tǒng)，選擇適當(dāng)?shù)钠毓鈺r間。
曝光時間完成后意味著光電轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，將進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四個信號的一系列時鐘脈沖完成的。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，只要同時給IAGl門和lAG2門發(fā)1個脈沖，奇偶行的像素同時下移1個單位，從而實現(xiàn)l行像素下移到存儲區(qū)。這里lAGl和IAG2脈沖信號必須沒有相位差，否則會引起電荷的疊加，使圖像失真。由于存儲區(qū)是單相結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)l行像素下移到存儲區(qū)后只需往SAG門發(fā)送1個脈沖就可以把存儲區(qū)的所有像素下移1個單位，為接收感光區(qū)的下1行像素準備空間。這樣，經(jīng)過500個脈沖后1幀圖像就完成了幀存儲。

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，像素信號在傳送到存儲區(qū)的同時仍在積累電荷，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間應(yīng)遠小于感光時間。垂直拖尾百分比(rs)可以按下式計算：

其中，txfer是并行傳輸時間；tint是感光時間；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個階段就是要把存儲區(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個過程均由SAG和SRG的時鐘脈沖完成。首先在行傳輸期間,SAG信號和SRG信號先后各以1個脈沖把一行像素送到串行寄存器2中。然后，SRG信號在684個時鐘脈沖驅(qū)動下把整個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。
整個采集時間大約154 ms,可以滿足各種場合的需要。
TC237B的整個工作時序的軟件設(shè)計是在MAX+plus Ⅱ環(huán)境中用VHDL語言實現(xiàn)的。根據(jù)時序的各個時段進行有限狀態(tài)機的設(shè)計。各個狀態(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：把一行像素移進串行寄存器；
狀態(tài)F：串行讀出像素；
狀態(tài)G：完成。