CCD光电传感器（共4篇）
CCD光电传感器 篇1
摘要：本文主要介绍了光电检测系统的组成及各部分的内容，并结合光电传感器技术，介绍了CCD传感器的组成和工作原理。最后举出了两种不同结构的CCD传感器．并简述了CCO传感器的发展趋势。
关键词：光电检测技术,CCD,图像传感器
0光电检测技术
光电传感器又称图像传感器或影像传感器,是利用调制光实现对物体的检测,其作用是将接收到的光信号转变为模拟电信号[1]。光电传感器由发射器和接收器组成,通过接收器接收到的光强变化产生检测输出实现检测功能。传感器种类繁多,模式多样,主要用于切换机器动作、控制生产线运行,为零件或产品计数、检验产品、保护操作人员等等。作为生产线上的控制部件,光电传感器参与制造了成千上万种产品。光电传感器非接触地探测物体,广泛用于许多自动化领域,如管理系统、机械制造、包装工业等。光电传感器可提供高质量的探测、识别与成像以及高分辨率的静止图像等。随着科学技术的飞速发展和工业生产自动化程度的提高,高精度、高效率、非接触在线检测已成为检测行业的发展方向。它可以大大地解放劳动力,达到提高生产效率和产品质量、降低成本的目的。
所谓光电检测系统是指对待测光学广量或由非光学待测物理量转换成的光学量,通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统,如图一所示。光电检测为非接触检测,具有无损、远距离、抗干扰能力强、受环境影响小、检测速度快、灵敏度高、电路简单、价格低廉、测量精度高等优越性,因而应用十分广泛,尤其在高速自动化生产、生产过程的在线检测、安全运行保护等方面起到重要作用。特别是近年来,各种新型光电探测器件的出现,以及电子技术和微电脑技术的发展,使光电检测系统的内容愈加丰富,应用越来越广,目前已渗透到几乎所有工业和科研部门,是当今检测技术发展的主要方向。
1 CCD工作原理及介绍
1.1 CCD工作原理
CCD (Charge Couple Devices)即为电荷耦合器件,是固态图像传感器的敏感器件,与普通的MOS、TTL等电路一样,属于一种集成电路,但CCD具有光电转换、信号储存、转移(传输)、输出、处理以及电子快门等多种独特功能。自1969年美国贝尔实验室研制成功第一只光电荷耦合器件(Charge Coupled Device,简称CCD)以来,CCD伴随着计算机技术的迅速发展,在国防及民用工业等部门引起人们的极大关注,尤其CCD所具有的体积小、重量轻、结构简单、功耗低、便于数字化等一系列优点,更使其在检测方面的应用越来越广泛,是未来探测技术的发展方向[2]。
电荷耦合器件CCD的基本原理是在一系列MOS电容器金属电极上,加以适当的脉冲电压,排斥掉半导体衬底内的多数载流子,形成“势阱”的运动,进而达到信号电荷(少数载流子)的转移。如果所转移的信号电荷是由光像照射产生的,则CCD具备图像传感器的功能;若所转移的电荷通过外界注入方式得到的,则CCD还可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。
CCD主要由信号输入、转移和输出三部分组成,其核心部分为电荷转移。当入射光到达光敏元件,使得光敏元件产生电子-空穴对,空穴在表面电场作用下进入衬底,电子则进入输入栅形成的势阱中存储起来。图二为CCD器件的结构原理图[3,4]。
图三展示了三相驱动CCD传感器电荷转移过程。根据能量定理电荷总是从能量高向能量低的方向运动,电极Φ2电压比电极Φ1高,在电极Φ2处形成的势阱高于电极Φ1处,电荷从电极Φ1向电极Φ2转移。只要下一时刻电极Φ3电压比电极Φ2高,电荷又将从电极Φ2向电极Φ3转移。
1.2 CCD图像传感器的介绍
电荷耦合器件CCD的基本原理与金属——氧化物——硅(MOS)电容器的物理机理密切相关。CCD的电荷(少数载流子)的产生有两种方式:电压信号注入和光信号注入。作为图像传感器,CCD接收的是光信号,即光信号注入法。当光信号照射到CCD硅片上时,在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子—空穴对。这时在栅极电压的作用下,多数载流子(空穴)将流入衬底,而少数载流子(电子)则被收集在势阱中,形成信号电荷存储起来。这样高于半导体禁带宽度的那些光子,就能建立起正比于光强的存储电荷。
由许多个MOS电容器排列而成的CCD,在光像照射下产生光生载流子的信号电荷,再使其具备转移信号电荷的自扫描功能,即构成固态图像传感器。
图四所示光电摄像管中,当入射光像信号照射到摄像管中间电极表面时,其上将产生与各点照射光量成比例的电位分布,若用电子束扫描中间电极,负载RL上会产生变化的放电电流。由于光量不同而使负载电流发生变化,这恰是所需的输出电信号。所用电子束的偏转或集束,是由磁场或电场控制实现的[5]。
在图五的固态图像传感器中,输出信号的产生,不需外加扫描电子束,它可以直接由自扫描半导体衬底上诸像素而获得。这样的输出电信号与其相应的像素的位置对应,无疑是更准确些,且再生图像失真度极小[5]。
通过图四和图五光导摄像管与固态图像传感器的基本原理的比较,可以看出:光导摄像管等图像传感器,由于扫描电子束偏转畸变或聚焦变化等原因所引起的再生图像的失真,往往是很难避免的。失真度极小的固态图像传感器,非常适合测试技术及图像识别技术。此外,固态图像传感器与摄像管相比,还有体积小、重量轻、坚固耐用、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强以及耗电少等许多优点,并且固态图像传感器的成本也较低。
2 CCD图像传感器的发展趋势
CCD图像传感器经过30多年的发展,从最初简单的8像素移位寄存器发展至今,已经具有数百万至上千万像素。由于CCD图像传感器具有很大的潜在市场和广阔的应用前景,因此,近年来国际上在这方面的研究工作进行的相当活跃,很多国家均投入大量的人力、物力和财力,在CCD图像传感器研究和应用方面取得瞩目的成果。从目前CCD技术的发展趋势来看,主要有以下几个方向[6]:①高分辨率:②高速度;③微型、超小型化;④新型器件结构;⑤微光CCD;⑥多光谱CCD器件;⑦超级(Super)CCD。
随着社会各行各业的先进技术的不断发展,CCD因其独有的性能和功能,在很多领域得到了广泛应用,已显示出潜在的巨大优势。
参考文献
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[6]程开富．新颖CCD图像传感器最新发展及应用[J]．集成电路通讯，2006，(03)．
CCD光电传感器 篇2
关键词：MC9S12XS128MAA,畸变校正,差速整定
0 引言
全国大学生飞思卡尔智能车竞赛由教育部高等自动化专业教学指导分委员会主办,是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛,是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动,是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。
智能车C型车模中是以双电机驱动的,差速机构的整定将是C车竞赛最关键的一部分。
1 理论分析
差速机构的作用是在车模转弯的时候,降低后轮与地面之间的滑动,减小转弯对舵机的压力,提高差速性能,避免转弯时阻力小的车轮打滑,从而提高车模的过弯性能[1]。好的差速机构,智能车两轮转动随转弯半径变化而变化,轮胎摩擦达到最小,不会有迟滞或者过转动情况发生[2]。
进行差速整定必须考虑三方面的问题:摄像头畸变校正,路径曲率计算和差速计算。
1.1 摄像头畸变校正
摄像头采集图像会出现畸变的现象,将采到的畸形图像做校正,以反映实际坐标。采用非均匀行采集的方法使实际行间隔均匀,利用梯形坐标变换公式进行畸形矫正。
首先校正垂直方向上的畸变,如图1所示,h是摄像头镜头高度,a、b是最近处和最远处的视野,x是视野中的任意一点,α、β、θ分别是a、b、x对应的视线仰角。由几何关系可知:
undefined
在感光板上,d是感光区长度,相当于图像的总行数,r是x处物象所在行,由几何关系可知:
undefined
由以上两式可解得r与x的关系。
undefined
水平上的畸变也可以由几何变换求得。经过水平和垂直方向上的坐标变换,可以将实际图像还原,使采集到的图像更接近实际图像,也为后面参数的计算做好了铺垫。
1.2 路径曲率计算
曲率问题可以归结为已知三角形的三点坐标A(x1,y1)、B(x21,y2)、C(x3,y3),求解三角形外接圆曲率的问题。
首先对获得的路径进行滤波,使得路径尽可能平滑,然后取其两端点和中间点,计算这3个点组成的三角形的外接圆的半径,半径的倒数就是这段路径的曲率。
ΔABC的面积,可以通过求解undefined来获得:
undefined
式中,如果ABC三点是顺时针方向分布,则三角形面积为负值,逆时针分布为正值。
如果曲线向右拐,算出的S为负,如果向左拐,S为正,S的正负反映了曲线的方向,如图2所示。相比于海伦公式,用上述公式计算面积既可以减所示轻计算量,又可以反映曲线的方向,一举两得。
曲率可以表现为三角形外接圆半径的倒数:
undefined
计算出的曲率能较为正确的反映实际赛道的弯曲情况。
1.3 差速整定
将ackermann模型简单的用在智能车双电机的差速整定上,能够较好的实现智能车的灵活过弯。
假设B为后轮两轮的轮距,L为前后轮的间距,假如最优路径为左前方与车正前方夹角为α的直线(α有正有负),如图3所示[5]。
拐弯半径在左边和后轮齐平,转弯半径为R,那么后两个轮子的角速度相等,也就是后轮的V_l=V_r,那么V_l/R_in=V_r/R_out=V/R(假设后轮中间的速度为V),而且R=L/tanα,R_in=R-B/2,R_out=R+B/2。所以可以推出:
V_l=V*(1+B*tanα/2L) (6)
V_r=V*(1-B*tanα/2L) (7)
V为根据黑线判断的速度,然后后两轮差速,调整参数的原则是:如果差速过点大,就可以乘上一个系数,如果在弯道差速不够提前,就可以加大括号里的1。
2 系统硬件设计
系统硬件主要包括摄像头接口电路,CD4520计数电路。单片机接收OV7620路径信息和模拟编码器脉冲信号,并进行数据处理、经过无线通讯模块与上位机进行通信。系统框图如图4所示。
2.1 OV7620接口电路
系统采用MC9S12XS128MAA单片机和数字CCD,在硬件电路上,虽然会占用大量I/O口,但是减少了LM1881和片外A/D的使用,使得硬件电路更加简洁处理速度更加高效,具体如图5所示。
用两个编码器,两路驱动电路,分别对两个电机单独进行闭环控制,单独控制他们的转速。两个编码器,一路测速用XS128的脉冲累加器,直接接到PT7口,另外一路测速采用片外的数字电路计数器。
2.2 CD4520计数电路
硬件计数采用CD4520,跟单片机的接口需要9个IO来控制和采集,其中8个IO是读取速度,1个IO是对CD4520进行硬件清零。一片4520里面有两路十六进制计数器,最大计数脉冲为255,硬件计数电路CD4520如图6所示。
模拟编码器对外只有三个接口。调试如下:
首先,将编码器按照设计的合理的空间位置安装在车子上,齿轮不能咬合太紧,太紧会增大阻力,减少电机寿命。
然后,给电机通电,让电机以最高的转速的运转,用小改锥,慢慢的调节精密可调电阻,直到示波器屏幕上出现一个方波,占空比调节到50%左右为止,然后将可调电阻调节螺丝处用热熔胶水封起来,保证不再被改动。
最后,接到单片机的PT7/IOC7口,把测速初始化程序放到初始化函数中,这样就可以定时读取测速脉冲了,然后配合PID程序,就可以闭环调节速度了。测速接口电路如图7所示,模拟编码器安装如图8所示。
3 软件设计
根据理论分析进行差速整定的软件设计由摄像头畸变校正程序、曲率计算程序、差速计算程序、通讯程序四部分组成。
摄像头畸变校正程序通过非均匀行采集和窗口行控制,实现了摄像头图像校正、是软件程序的首要任务。曲率计算程序包括开根计算和参考点选择处理等功能。差速计算程序实现了差速的智能整定和电机速度信号的输出,实现了智能车灵活转向控制的需要。通讯程序按一定的协议送出摄像头数据和速度反馈值,提供直观的处理过程和结果。差速整定软件,总框图如图9所示。
3.1 非均匀行采集
保证摄像头采到的非均匀行是等间隔的实际赛道的映射,经过标定后得到的采集行如下:
Get_Row_Num[53]={0,12,22,34,44,52,62,70,78,86,94,100,108,114,120,126,132,135,141,146,151,155,159,163,167,170,173,176,179,182,185,188,190,192,194,196,198,200,202,204,206,208,210,212,213,214,215,216,217,218,219,220,221};
3.2 曲率计算
对于曲率计算,写一个简单的求根函数算出三边长:
unsigned int sqrt(unsigned int x)
{
uchar ans=0,p=0x80;
while(p!=0)
{
ans+=p;
if(ans*ans>x)
{
ans-=p;
}
p=(uchar)(p/2);
}
return(ans);
}
3.3 差速整定
经过摄像头数据非均匀行采集畸变校正和曲率计算,便可方便的进行差速整定。具体程序如下:
void Speed_Control(void)
{
int Temp_Speed1;
int Temp_Speed2;
int k=1;
signed int i=0;
signed int j=0;
Ksp = 350;
Ksi = 40;
Ksd = 25;
Speed_Feedback1 = GetSpeed1(); //测速
Speed_Feedback2 = GetSpeed2();
Temp_Speed1 =
(Last_Speed1+Speed_Feedback1)/2;// 速度平滑
Temp_Speed2 =
(Last_Speed2+Speed_Feedback2)/2;
Last_Speed1 = Speed_Feedback1;
Last_Speed2 = Speed_Feedback2;
Speed_Feedback[0]=
(Temp_Speed1+Temp_Speed2)/2;
Speed_Feedback[1] = Speed_Feedback[0] ;
if((path_flag0=1)||(path_flag3=1))
{
Speed_Out1=Max_Speed*(1-136*Slope/40000);
Speed_Out2=Max_Speed*(1+136*Slope/40000);
}
else if(path_flag2=1)
{
Speed_Out1=(Speed_Init-15)*(1-136*Slope/40000);
Speed_Out2=(Speed_Init-15)*(1+136*Slope/40000);
}
else if (path_flag4=1)
{
Speed_Out1=140*(1-136*Slope/40000);
Speed_Out2=140*(1+136*Slope/40000);
}
else
{
Speed_Out1=(Speed_Init-Level_Offset*Level_Offset/100)*(1-136*Slope/40000);
Speed_Out2=(Speed_Init-Level_Offset*Level_Offset/100)*(1+136*Slope/40000);
}
4 实验结果
利用Matlab强大的数学功能来处理接收回来的数据。利用绘图功能,描绘出黑线偏移的图像,基本可以还原出现场赛道的图像,并进行分析,检测采样模块和转向模块是否正常,是否准确迅速。利用Matlab绘出速度图像,根据速度曲线和黑线偏移曲线,即可知道设定速度和实际速度的差异,这有利于分析调速程序的性能[3],Matlab串口交互界面如图10所示。
通过串口发送校正前后的结果,摄像头数据校正对比如图11所示。
可以看出,通过校正,图像数据更接近真实赛道特点。
为了方便速度反馈值的分析,利用Matlab进行速度采样值数据显示和处理,具体如图12所示。
经过反复的赛道实验,记录下多次智能车行驶路径,如图13所示。
5 结束语
实验证明,在相同的舵机转角下,双电机的C型车模的转向明显优于单电机的A型车模,虽然A型车模的电机功率比C型车模高直线速度占优势,但在各种弯道中好的转弯性能是提高速度的关键因素,所以差速的整定和优化必定成为智能车速度提升的亮点。
参考文献
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[4]王名发,江智军,郭鹏.基于OV7620摄像头智能车道路信息视频采集及处理研究[Z].
CCD图像传感器发展与应用 篇3
电荷耦合器件(CCD)自20世纪60年代末出现以来,以其线性良好、量子效率高、动态范围大以及模拟兼数字化等优点,在信号处理及图像传感领域里发挥了巨大的作用。如今CCD摄像器件已广泛应用于SDTV摄像机、HDTV摄像机、数字摄像机、数码相机、可视电话以及监控系统等领域[1]。CCD的高分辨率成像技术已广泛应用于SDTV和HDTV、图像通信、医学和科学成像等领域。
2 CCD图像传感器类型介绍及应用[2]
2.1 线型CCD
线型CCD图像传感器由一列MOS光敏单元和一列CCD移位寄存器构成,分为单行结构和双行结构,线型CCD图像传感器可直接接收一维光信息,不能直接将二维图像转变为视频信号输出,必须用扫描的方法得到整个二维图像的视频信号。线型CCD图像传感器主要用于尺寸测试和定位、传真和光学文字识别技术等方面。
2.2 面型CCD
按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列,即可以构成面型CCD图像传感器。面型CCD图像传感器有3种基本类型:线转移型、帧转移型和行间转移型。面型CCD图像传感器主要用于摄像、存储、数码相机等感光器件。
3 几种国外CCD图像传感器介绍
3.1 超高分辨力线阵CCD图像传感器
该CCD图像传感器是由美国柯达公司研制,成功用于高端扫描系统。该器件可应用于高清晰度尺寸测量定位、传真和光学文字识别技术等方面。
3.2 帧转移面型CCD图像传感器
由Philips公司推出用于数码相机的彩色帧转移CCD(FT-CCD),型号为FXA1013,分辨力为2 000×1 600,芯片尺寸为9.49 mm×8.67 mm,像素尺寸为4.1μm×4.1μm。
3.3 低光度CCD图像传感器
低光度图像传感器CCD60采用读出寄存器和输出放大器间的增益寄存器,增殖光电子多达1 000倍。采用背面减薄工艺,分辨力为128×128像素,量子效率大于90%。CCD60工作在反转模式以抑制暗电流,工作速度高达1 000 f/s(帧/秒)。传感器的光谱范围为400~1 060 nm,填充系数为100%。在电荷域的片上增益能通过控制工作电压来调整,像素尺寸为24μm×24μm。
3.4 高分辨力大面阵CCD图像传感器
Farchild Imaging公司的CCD595型9 216×9 216像素大面阵全帧转移CCD图像传感器,其像素尺寸为8.75μm×8.75μm,成像面积为80.64 mm×80.64 mm。该CCD图像传感器可应用于摄像和高分辨力数码相机。
3.5 CCD485固体全帧传感器
Farchild Imaging公司的一种固体全帧转移CCD图像传感器,型号为CCD485,计划用于科学、工业、商业的高清晰度数字成像应用。其填充系数接近100%,特点是成像区采用埋沟多针相工作模式。成像区分为4个象限,采用三相时钟结构,每一象限都可单独时钟驱动。该CCD的像素数为4 096×4 097,像素尺寸为15μm×15μm,有效像素数为4 080×4 080,读出噪声低,动态范围宽。
3.6 松下推出高速CCD图像传感器
松下推出的MN39192FH是一种1 330万像素1/4SXGA CCD图像传感器,通过辅助片上的滤色镜和光栅实现了速度高、灵敏度高等特性,推动了小型高质量数码视频摄像机的发展。该CCD器件具有信噪比高、动态范围宽等特点,像素尺寸为2.8μm×2.8μm。
3.7 ITO-CCD图像传感器[3]
大多数CCD图像传感器的电极材料均采用多晶硅薄膜,而多晶硅对蓝光透射性很差,于是Kodak发明了氧化铟锡(ITO)电极。ITO-CCD对蓝光是全透明的,敏锐度更高,透光性比一般CCD提高了20%,ITO-CCD比传统CCD的蓝光透过率提高了2.5倍,同时大幅度降低了噪声干扰,使图像质量更好,为专业数码相机提供了高清晰度、高质量的图像。至今Kodak公司已研制出200万(1 736×1 160)像素、600万(3 032×2 008)像素和1 600万(4 000×4 000)像素ITO-CCD图像传感器,KAF-1602LE是Kodak公司推出的ITO-CCD型号之一。
3.8 电子倍增CCD图像传感器
Andor-technology公司研发出了128×128,512×512,576×288,726×902,1 815×2 256,1 024×128,2 048×2 048像素的电子倍增CCD(Electron Multiplying CCD,EMCCD)。这种帧转移EMCCD的结构包括先进的增益移位寄存器、成像区、存储区、移位寄存器和输出放大器,其量子效率高,灵敏度高,信噪比高。这些成像测量系统主要用于弱光检测、生命科学中的DNA标记、X射线成像与光谱检测、生物和医学成像等。
3.9 紫外CCD图像传感器
日本滨松公司开发的新型紫外固体摄像器件——薄型背照式电荷耦合器件(BTCCD),采用特殊的制造工艺和锁相技术,具有噪声低,灵敏度高、动态范围大等优点。BTCCD有很高的紫外光灵敏度,紫外波段的量子效率超过40%,可见光部分超过80%,甚至达到90%左右,不仅可工作于紫外光,也可工作于可见光。
目前Sarnoff研究中心的紫外研究工作有两个方向:一是研制线阵和隔行转移列阵格式的CMOS/CCD,现已证明,这种方法所产生的探测器随着时间和表面电荷的变化能保持高度的稳定性;二是为海洋研究室研究一种薄型背面照射技术,模拟证明,这种技术可以在深真空紫外波段(10 nm)获得30%以上的稳定量子效率。在真空紫外以下,硅CCD可用来在远紫外(10~100 nm)和软X射线(0.1~10 nm)波段内成像。
美国COOK公司向市场提供了Dicam-pro型增强式制冷型CCD相机,它的曝光时间仅3 ns,其工作波段位于近红外-紫外波段。这种相机可用于荧光分析、化学荧光分析、光谱分析、弹道分析、生物荧光分析、高速流体分析、电源现象分析以及PIV成像等系统。可用光缆传输从相机到PCI接口板的串行数据。
4 CCD图像传感器的发展现状和发展趋势[3,4,5,6]
目前,CCD图像传感器的生产主要集中在日本的索尼、东芝、松下、滨松、夏普、三洋、富士、奥林巴斯、NEC、加拿大的Dalsa和美国的柯达等公司。当前各CCD生产厂商和数码相机、摄像机厂商之间像素和照片质量的竞争,实质是缩小像素面积的竞争。自1987年以来,CCD图像传感器的像素面积以每年20%的速度缩小,目前像素面积已经小于3μm×3μm。
从目前CCD技术的发展趋势来看,CCD将向高分辨力、高速度、微型化、多光谱、紫外、X射线、红外等方向发展。近几年,数码相机和微型摄像机的发展过程中,CCD和CMOS图像传感器相互竞争。总的来看,在军用领域,CCD使用的较多;在民用领域,CMOS图像传感器与CCD之间的竞争相当激烈,重点是制作工艺、功耗、集成度和成本。在竞争的过程中,CCD和CMOS图像传感器的研制和开发厂商不断推出新品。从CMOS与CCD目前的应用、技术发展以及未来的发展趋势看,CMOS图像传感器可能成为主流。CMOS固体摄像器件与90%的半导体器件都采用相同标准的芯片制造技术,而CCD则需要一种特殊的制造工艺,故CCD的制造成本高很多,表1是两种器件的比较。随着CMOS图像传感器技术的进一步研究和发展,过去仅在CCD上采用的技术正在被应用到CMOS图像传感器上。
5 小结
CCD和CMOS图像传感器已经发展成熟,至今已经推出了可见光CCD和CMOS图像传感器、紫外CCD、红外CCD、微光CCD、X射线CCD和X射线CMOS图像传感器等。近年来,人们对CCD的分辨力、信噪比、灵敏度、动态范围等特性的要求越来越高。CCD图像传感器将在我国航天、遥感、天文、工业、农业、商业、医学、交通、通信等领域得到更加广泛的应用。
参考文献
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CCD光电传感器 篇4
电荷耦合器件(CCD.Charge (Couple Device)是20世纪70年代初出现的新型半导体器件。目前随着CCD器件性能不断提高,在图像传感、尺寸测量及定位测控等领域的应用日益广泛.CCD应用的关键是驱动信号的产生及输出信号的处理。由于不同厂家不同型号的CCD器件驱动电路各不相同,致使驱动信号的产生必须根据具体的CCD器件时序要求来设计驱动电路。因此、如何快速方便地产生CCD所需的驱动时序,成为CCD应用的关键。使用专用IC驱动CCD虽集成度高、但是费用高,灵活性和可移植性不好;传统的时序发生器实现方法如单片机驱动法、EPROM驱动法、直接数字驱动法等,由于速度和功能上的限制,已不能满足CCD应用向高速、小型化、智能化发展的需要。可编程逻辑器件CPLD以其高集成度、高速度、高可靠性、开发周期短可满足这些需要,与VHDL语言的结合可以很好地解决上述问题。由于可编程逻辑器件可以通过软件编程对其硬件的结构和工作方式进行重构,从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。可编程逻辑器件(PLD)是在20世纪80年代迅速发展起来的一种新型集成电路,随着大规模集成电路的进一步发展,出现了PAL和GAL逻辑器件,而复杂可编程逻辑器件CPLD是在此逻辑器件基础上发展起来的,跟分立元件相比,具有速度快、容量大、功耗小、集成度高、可靠性强等优点。故CPLD被广泛应用于各种电路的设计中。本文以TCD1200D型CCD为例,给出了驱动时序的设计方法。
1 CCD图像传感器工作原理
CCD图像传感器是以电荷作为信号,而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号,其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。当光入射到CCD的光敏面时.CCD首先完成光电转换.即产生与入射光辐射量成线性关系的光电荷。CCD的工作原理是被摄物体反射光线到CCD器件上.CCD根据光的强弱积聚相应的电荷.产生与光电荷量成正比的弱电压信号,经过滤波、放大处理,通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号
或标准的视频信号。根据所集成光敏元件的排列,CCD图像传感器分为线阵和面阵两种类型。
1.1 线阵CCD
线型CCD图像传感器结构如图1所示。在图中,1—CCD转移寄存器2—转移控制栅,3—积蓄控制电极,4-PD阵列SH-转移控制栅输入端RS-复位控制VOD-漏极输出0S-图像信号输出OG-输出控制栅。在结构图中,光敏元件作为光敏像素位于传感器中央,两侧设置CCD移位寄存器,在它们之间设有转移控制栅。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,在光积分周期里,光敏电极电压为高电平,光电荷与光照强度和光积分时间成正比,光电荷存储于光敏像敏单元的势阱中。当转移脉冲到来时,光敏单元按其所处位置的奇偶性,分别把信号电荷向两侧移位寄存器转送。同时,在CCD移位寄存器上加上时钟脉冲,将信号电荷从CCD中转移,由输出端一行行地输出。线型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息,不能直接将二维图像转变为视频信号输出,为了得到整个二维图像的视频信号,就必须用扫描的方法来实现。线型CCD图像传感器主要用于尺寸测试、传真和光学文字识别技术等方面。
线型CCD的主要技术指标如下:像敏单元数;像元尺寸;像元中心距;像元总长;光谱响应范围;光谱响应峰值波长;灵敏度等。
1.2 面阵CCD
面型CCD图像传感器有三种基本类型:线转移型、帧转移型和行间转移型,图2所示为三种类型的原理图。面型CCD由光敏区(感光区)、存储区和水平读出寄存器三部分构成。图像成像到光敏区,当光敏区的某一相电极(如P)加有适当的偏压时,光生电荷将被收集到这些光敏单元的势阱里,光学图像变成电荷包图像。当光积分周期结束时,信号电荷迅速转移到存储区中,经输出端输出一帧信息。当整帧视频信号自存储区移出后,就开始下一帧信号的形成。这种面型CCD的特点是结构简单,光敏单元密度高,但增加了存储区。面型CCD图像传感器主要用于摄像,存储,数码相机感光器件等。
面型CCD的主要技术指标如下;像素数;像素尺寸(μm2);填充系数(%);成像面积(mm2);读出噪声;饱和输出电压(mV);满阱容量(98%的像素);平均暗电流(nA/cm2);平均量子效率;垂直电荷转移效率(%);水平电荷转移效率(%);总的读出噪声电子(e-rms);水平时钟脉冲频率(MHz);芯片功耗(W)等。
2 基于VHDL的驱动时序设计
2.1 TCD1200D简介
2.1.1 TCD1200D的特点
TCD1200D是日本东芝公司生产的双沟道线阵CCD器件,具有灵敏度高(饱和曝光量为0.037×·s)、暗电流低等特点。该器件具有2 160个像元,内部信号预处理电路包含采样保持和输出预放大电路,当温度为25℃时,该器件工作在5 V驱动脉冲,12 V电源条件下。
2.1.2 TCD1200D驱动时序要求
芯片正常工作需要4路驱动信号:时钟脉冲F1,时钟脉冲F2,转移脉冲SH和复位脉冲RS。其中SH为光电荷转移脉冲,其下降沿是每行输茁的起始点;F1,F2为两相交变驱动脉冲(相位差为90。),其作用为驱动信号电荷进行定向转移;RS为输出极复位脉冲,清除输出即输出一个单元电荷后所剩电荷,以保证下一个单元电荷电压的正确输出。在4路脉冲的正确驱动下,该图像传感器将产生有效光电信号OS和补偿信号。图3即为TCD1200D各路驱动信号的时序关系。图4为TCD1200D驱动电路脉冲宽度与延时关系图,其中SH与F1的脉冲间隔t1,t5最小值为0,典型值为1001ns;SH脉冲上升与下降时间t2,t4最小值为0,典型值为50ns;SH脉冲宽度t3最小值为200ns,典型值为1 000ns;F1,F2脉冲上升、下降时间t6,t7最小值为0,典型值为60ns;RS脉冲宽度t8最小值为40ns,典型值为250ns;F1,F2与RS脉冲间隔t9。最小值为100ns,典型值为125ns。
2.2 驱动时序设计
本设计采用wZE-SPX010.00MHz晶振作为系统标准时钟。按照TCD1200D时序要求,时钟脉冲F1,F2设为0.5 MHz,将晶振20倍分频作为F1和F2输入信号,RS的周期为1000ns,TCD1200D包含2160个有效像元,有效像元前后各有64及12个哑单元,所以SH的周期应该大于等于2236个RS周期,令SH的周期为2240个RS周期,即2.24ms。图4为本论文设计的TCD1200D驱动波形图,单位均为ns。在图4中,时钟脉冲F1和F2的脉冲宽度为1000ns,SH的脉冲宽度为800ns,其上升沿和下降沿与对应的时钟脉冲F1和F2上升沿、下降沿间隔100ns,RS的脉冲宽度为200ns,他的下降沿与F1的上升沿间隔300ns。可见本设计符合TCD1200D的驱动时序要求。
2.3 VHDL语言实现
Max+PlusⅡ是Altera公司推出的一种开发设计平台,他功能强大,可以生成图形义件,文本文件和波形文件。并支持层次设计和从顶至底的设计方法,支持VHDL语言。可以编译并形成各种能够下载到各种CPLD器件的文件,还可以进行仿真以检验设计的可行性。硬件描述语言(Very high speed integerated circuitHardware Description
Language,VHDL)源于美国国防部。他是用来描述集成电路的结构和功能的标准语言,设计人员无需通过门级原理图,而是针对设计目标进行功能描述,从而加快设计周期,VHDL元件的设计与工艺无关,方便工艺转换。基于以上优点,本系统采用VHDL语言实现CCD驱动时序电路,程序如下:
3. 结语
本文在分析TCD1200D的工作原理和驱动信号时序要求的基础上,结合CPLD技术,采用VHDL语言,设计了一种合理的时序产生方案。该方案相对于数字电路硬件,单片机等驱动方式,时序驱动电路设计简单、体积小、灵活性好。设计完成后,可通过计算机进行软件调试,再实际投人使用,降低了使用风险性,实现了对CCD器件的正确驱动。
参考文献
[1]周祖成．电荷耦合器件在信号处理图像传感器中的应用．北京：清华大学出版社，1991．10
[2]Etoh T G,Poggemann D,Kreider G,et al. An image sensor which captures 100 consecutive frames at 1000000 frames/s.IEEE Transactions on Electron Devices.2003, 50(1):144～151.
[3]TCD1200D使用说明书，2005．7