全幀讀出型面陣CCD光電傳感器在圖像采集中的應用

摘 要 介紹全幀讀出型面陣CCD光電傳感器的原理及其在圖像采集中的驅動和輸出電路的設計，并給出了實際測得的輸出信號波形。

關鍵詞 視頻 面陣CCD 全幀讀出型面陣CCD光電傳感器

面陣CCD傳感器在現代電子信息技術中被廣泛應用于電視、多媒體技術及醫療電子設備。本文介紹的全幀讀出型面陣CCD傳感器是一種特殊類型的傳感器，它與通常使用的面陣CCD，如幀轉移型、行間轉移型和幀行轉移型的工作原理有所不同，不存在轉移區或暫存區，這使得全幀讀出型CCD在讀出時不能“暴光”，在“暴光”時不能讀出。因此這種CCD要求光源必須是閃爍的。雖然它對光源的要求比普通的CCD要特殊，但它具有一個非常重要的特點，就是其體積小，可以微型化，適合應用在醫用及工業電子內窺鏡中。

1 全幀讀出型面陣CCD

全幀讀出型面陣CCD光電傳感器沒有垂直移位寄存器，也沒有圖像暫存區，使有效感光面積比幀轉移型、行間轉移型及幀行轉移型結構的CCD大，但這也使其必須要求閃爍光源照明。全幀讀出型面陣CCD的結構如圖1所示。

CCD的光敏單元在光照時間內進行光電轉換，各單元隨光照強度不同積累電荷量亦不同。在無光照期間，各光敏單元信號依次被讀出。讀出時，面陣中的各行信號均向下一行移動，在最下行的信號移出光敏感區后進入水平移位寄存器。這時將水平移位寄存器中的信號依次移出即可供顯示及處理。按上述方法，將各行信號依次移出后，再進行曝光，再移出，……，這樣就可以得到一幀一幀的連續的圖像信號。

2 微型面陣CCD-TC221

TC221是TI公司生產的一種微型全幀讀出型面陣CCD。它的圖像感光區對角線為2.4mm，有效像素為190(H)×190(V)，每個像素單元面積為9μm×9μm，外封裝后的對角線尺寸約為4.1mm。由于它的體積小，驅動信號少，很便于應用在醫用及工業用電子內窺鏡中。TC221動態范圍很大、靈敏度高、噪聲低，并能夠通過防“開花”脈沖實現防“開花”控制。其驅動信號簡單，并內置自復位電路和參考電壓源，便于控制。另外，TC221自帶黑參考電平，便于視頻處理時進行黑電平鉗位。TC221的功能框圖如圖2所示。

TC221包括四個功能區：（ａ）感光區；（ｂ）水平串行移位寄存器；（ｃ）敏感結點；（ｄ）低噪聲跟隨器及放大器。TC221的驅動信號比較簡單，只有ABG、IAG、SRG三個信號，其引腳如圖3所示。其中ABG為防“開花”門脈沖輸入，“開花”控制是通過在“暴光”期間提高CCD勢阱深度來防止光敏單元間的溢出，從而達到其防“開花”的效果；IAG為感光區域控制門脈沖輸入，用來控制在CCD讀出期間的行移出，在每個脈沖到來時各單元行向下移動一行，移到串行移位寄存器中的那一行將被讀出；SRG為串行移位寄存器控制門脈沖輸入，在每一行移入到串行移位寄存器后控制其中的數據串行移出。這三個驅動信號的幅值都比較高，要求的時序如圖4所示。管腳中ADB為電源輸入，SUB為接地，輸出信號在OUT管腳處得到，各信號的幅值及頻率要求如表1所示。

圖5給出了CCD外圍驅動電路設計原理圖， 其中SN28846、TMS3473是TI公司專為其CCD器件設計的驅動芯片。SN28846為串行移位驅動芯片，用來產生串行移位寄存器的控制脈沖，它在CCD和時鐘發生器之間提供了一個接口，接收來自時鐘發生器的TTL電平時鐘信號并向CCD輸出如圖4中所示的SRG信號。TMS3473用來驅動感光區行移出門，它接收來自時鐘發生器的TTL電平時鐘信號并向CCD輸出如圖4中所示的IAG信號。AD810是帶寬為70MHz的運算放大器，與其外圍其它元件構成加法器，將來自時鐘發生器的三路信號組合，輸出如圖4所示的ABG信號。時鐘發生器采用了FPGA，它產生一系列45.5MHz的TTL電平的時鐘信號及脈沖信號，為整個電路提供時間基準。

TC221面陣CCD的輸出信號是一個負極性的峰包脈沖信號，每個光敏單元對應一個峰包。圖6所示為用數字綜合示波器HP54645D測得的CCD輸出實際波形。圖6給出的CCD輸出信號，經運算放大器放大，并將直流電平濾掉，即可供后端處理及視頻編碼并送至顯示。

本文介紹的全幀讀出型面陣CCD-TC221和其他幾種類型的面陣CCD相比有其獨特的優越性。在我們的實際應用及開發中，也證明了它的可靠性及優越性能。在要求體積限制的環境中，例如在工業探測及醫學診斷中，全幀型微型CCD圖像傳感器都有很好的應用前景。