CCD圖像傳感器的原理及應用--μPD3575D

摘要：μPD3575D是NEC公司生產的一種高靈敏度、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。文章介紹了μPD3575D的主要特點、結構原理、引腳功能、光學/電子特性、驅動時序以及驅動電路。

??? 關鍵詞：μPD3575D CCD 驅動脈沖 圖像傳感器

1 概述

μPD3575D是NEC公司生產的一種高靈敏度、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生。

表1 μPD3575D的引腳功能

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3 光電特性參數

μPD3575D的光學/電子特性參數如表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

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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對CCD的驅動。

實現對CCD驅動的關鍵工作是如何產生以上的四路波形。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，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，其低電平持續的時間為φIO的整數倍，倍數由CCD的像元數決定。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，使之由高電平變為低電平，觸發的間隔時間為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，觸發轉移時鐘φIO翻轉，其觸發間隔為t5（最小值0ns,典型值50ns）。這樣，一個循環結束，輸出一個像元。如此不斷循環，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由低電平變為高電平并經過一定的時延（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再由高電平變為低電平。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對積分時間的需要自行設定。但積分時間內的φIO數目也是有要求的。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的，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，根據給出的最小值就可算出四路波形的周期和占空經，具體列于表3。

表3 四路驅動波形的周期的占空比

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根據各路波形的周期、占空經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數據采集

CCD可用于位置、尺寸和圖像的檢測，根據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，再進行數據采集；二是對CCD視頻信號采樣、量化編碼后再采集到計算機系統。

??? 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數據采集原理圖，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像元吸收并產生相應數量的光生電荷。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，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采樣方向的瞬態強度的空間分布，輸出視頻信號經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，這即是一個檢測數據。在CCD連續工作下，所有的檢測數據經數據處理后，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據。在CCD連續工作下，所有的檢測數據經處理后，再經過串行通訊電路將結果傳給單片機做進一步的處理。