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TC237B型CCD图像传感器的原理及应用 |
| 1 引言 TC237B是TI公司生产的一款1/3英寸的帧转移方式的电荷耦合器件（CCD）图像传感器。它有340 000个像素，其中有效像素为658x496，能广泛应用在黑白电视系统、电脑、工业检测等需要低成本和小尺寸的场合。 TC237B的图像感光区由500行像素组成，每行有680个像素，其中每行有22个像素用于提供参考黑电平。它的反模糊特性基于一种先进的横向溢出漏级概念。传感器能在低暗电流下，作为一款658（H）x496（V）的传感器在隔行模式下工作；同时，TC237B的另一个重要特性是它能每帧采集340000个像素。传感器还具有高速图像传输特性，并且能在不损失敏感度和分辨率的情况下进行持续电子曝光控制。感光电荷在一个高性能的，带有复位和参考电平发生器的结构中转换成13μV/e的信号电压。产生的信号进一步通过低噪音的二阶信号源输出放大器进行缓冲，从而提高输出的驱动能力。 TC237B型图像传感器采用了TI公司特有的先进虚拟阶段（AVP）技术。AVP技术能使传感器具有高蓝色响应、低暗电流、高光响应一致性和单相时钟等优点。 2 主要特点和引脚功能   ●高分辨率，1/3英寸固态传感器； ●每场可达340 000个像素； ●帧存储； ●具有658（H）x496（V）有效像素，兼容电子调中； ●有多种读出模式特性：逐行扫描方式、隔行扫描方式、双行同时读出模式、图像区行累加、拖影消减； ●快速单脉冲图像区清除特性； ●能进行1/60～1/50 000秒的持续电子曝光控制； ●7.4 μmx7.4 μm像素； ●先进横向溢出漏级反模糊技术； ●暗电流小； ●感光反应一致性高； ●动态范围大： ●光敏感度高； ●蓝色响应高； ●无图像老化、图像残留、图像失真、图像延迟或颤噪效应等现象。 3 内部结构  3.1 图像感光区和图像存储区 3.2 串行寄存器和信号读出 4 在嵌入式图像采集系统中的应用  在本系统中，CPID是采集系统的控制核心，也是TC237B的信号时钟发生器。采集时，TC237B在CPLD提供的驱动时钟作用下完成光电转换，并把图像信号串行发送到模拟前端。图像信号经过模拟前端的信号调整和A/D转换后，转化为8-bit的数字量。然后在CPLD的调配下，经过FIFO组的缓冲，由ARM处理器把数字量存放到SDRAM中，从而实现图像的采集。 如上所述．TC237B有多种读出模式，本系统采用的是逐行扫描单通道输出模式。选用这种模式只需要对输出的CCD信号使用1个通道的模/数转换即可，从而使得后继的信号处理变得更为简单，适合于对时间要求不特别高的场合。图4示出TC237B采用逐行扫描单通道输出时采集一帧图像的时序。 采集一帧图像要经过图像清除、感光、并行传输和读出4个阶段。其中，读出阶段需时最长。当需要采集时，ARM处理器发出采集信号，告知CPLD采集开始。在开始新的采集前，TC237B先复位先前所有的状态并清除图像信息。这种清除只需把ODB信号提升至26V并维持lμs以上即可。清除完成后，进入感光期。感光时间也是曝光长度。短时间曝光会使CCD受到较小的光子冲击，形成一幅曝光不足的低照度图像；相反，长时间曝光可形成一幅感光过度的图像。在光线很弱的场所，例如天文摄影，长时间曝光是必要的。设计者应该根据实际情况，配合光学系统，选择适当的曝光时间。 曝光时间完成后意味着光电转换已经完成，将进入并行传输阶段把电荷转移出去。 并行传输是由IAGl、IAG2、SRG、SAG四个信号的一系列时钟脉冲完成的。图像感光区是二相结构的，lAGl门连接感光区的所有奇数行像素，IAG2门则连接了感光区的所有偶数行的像素。因此在并行传输阶段，只要同时给IAGl门和lAG2门发1个脉冲，奇偶行的像素同时下移1个单位，从而实现l行像素下移到存储区。这里lAGl和IAG2脉冲信号必须没有相位差，否则会引起电荷的叠加，使图像失真。由于存储区是单相结构，所以当l行像素下移到存储区后只需往SAG门发送1个脉冲就可以把存储区的所有像素下移1个单位，为接收感光区的下1行像素准备空间。这样，经过500个脉冲后1帧图像就完成了帧存储。  要注意的是，由于在并行传输期间感光区仍在感光，因此如果并行传输的频率太低，像素信号在传送到存储区的同时仍在积累电荷，从而形成带有垂直拖尾的图像。这是在帧间转移CCD中常见的问题。为了避免拖尾效应，并行传输的时间应远小于感光时间。垂直拖尾百分比（rs）可以按下式计算：  其中，txfer是并行传输时间；tint是感光时间；nIA是图像的行数；fxfer是并行传输的频率。 本系统并行传输的频率为2.5 MHz，曝光时间选为1/60 s，按照式（1）可求出垂直拖尾百分比为0.125%。 采集图像的最后1个阶段就是要把存储区的像素经过串行寄存器发送到输出端。读出期包含行传输和串行读出过程，这2个过程均由SAG和SRG的时钟脉冲完成。首先在行传输期间,SAG信号和SRG信号先后各以1个脉冲把一行像素送到串行寄存器2中。然后，SRG信号在684个时钟脉冲驱动下把整个串行寄存器的所有像素逐一送出。如此循环500次，一帧图像就从传感器的输出端发送出去。 整个采集时间大约154 ms,可以满足各种场合的需要。 TC237B的整个工作时序的软件设计是在MAX+plus Ⅱ环境中用VHDL语言实现的。根据时序的各个时段进行有限状态机的设计。各个状态的转移如图5所示。  状态A：空闲状态； 状态B：CCD清除状态； 状态C：感光状态； 状态D：并行传输状态； 状态E：把一行像素移进串行寄存器； 状态F：串行读出像素； 状态G：完成。 |