幀轉(zhuǎn)移面陣ccd的設(shè)計

幀轉(zhuǎn)移面陣ccd的設(shè)計

高幀頻面陣cd技術(shù)sd-42c表面矩陣探測器在天文觀測、空間遙感、光譜勘探等光度成像領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在一些特殊領(lǐng)域，如碰撞試驗攝影、動物生態(tài)學(xué)研究等，高速面矩陣cd成為研究的重要組成部分，高速面矩陣cd應(yīng)用技術(shù)的研究十分重要。面陣CCD探測器的工作幀頻不僅取決于CCD電荷轉(zhuǎn)移的工作頻率,還受限于CCD探測器的總像元數(shù).VCCD512H和VCCD1024H是像元數(shù)分別為512×512和1024×1024,采用同樣結(jié)構(gòu)和工藝的兩款CCD,其最高工作幀頻分別為400fps和150fps.本文將VCCD1024H作為成像探測器展開高幀頻面陣CCD應(yīng)用技術(shù)研究.1cds信號轉(zhuǎn)換電路a/dVCCD1024H是背照型幀轉(zhuǎn)移CCD,具有高靈敏度低噪聲等優(yōu)點,具體性能參數(shù)見表1.在結(jié)構(gòu)上分為2個感光區(qū)、2個存儲區(qū)、32個串行讀出寄存器,對稱分布,整個CCD被分成32個子陣列,每個陣列占512×64個像素單元,各子陣列并行工作,芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖2是CCD的信號讀出示意圖.其中A1,A2,A3為CCD感光區(qū)控制時序,B1,B2,B3為存儲區(qū)控制時序,C1,C2,C3為串行讀出控制時序.Reset為片內(nèi)CDS電路的復(fù)位脈沖,CLAMP為CDS電路的嵌位信號,SAMPLE為CDS電路的采樣信號.VR,VGSF,VSSF,VDD為CCD工作的所需要的偏置電壓.OUT為CCD芯片輸出的視頻信號,信號處理電路對視頻信號進(jìn)行相關(guān)處理,A/D轉(zhuǎn)換后由圖像采集處理系統(tǒng)進(jìn)行處理.幀轉(zhuǎn)移CCD工作幀頻的上限取決于幀轉(zhuǎn)移的速度和串行讀出的速度.幀轉(zhuǎn)移時間是CCD工作幀頻的一個關(guān)鍵影響因素.盡管VCCD1024H已經(jīng)采用了雙邊驅(qū)動,也就是驅(qū)動信號從存儲區(qū)和感光區(qū)的兩側(cè)同時驅(qū)動.但是存儲區(qū)和感光區(qū)的多晶硅線性電阻R和電容C需要足夠的充電和放電時間,其RC時間常數(shù)決定了幀轉(zhuǎn)移的速度.對于雙邊驅(qū)動的情況,驅(qū)動信號在CCD的中間區(qū)域最差,因為中間像元的驅(qū)動信號經(jīng)過了更長距離的傳輸.VCCD512H的幀轉(zhuǎn)移時鐘上限是4MHz,而VCCD1024H因為有更多的像元,幀轉(zhuǎn)移時鐘是1MHz.與幀轉(zhuǎn)移相比,串行讀出的情況就要好多了,因為串行讀出操作和線列CCD電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制十分類似,因此串行讀出的速度一般可以做到很高,關(guān)鍵就取決于系統(tǒng)的需要和后續(xù)處理電路的能力.VCCD512H和VCCD1024H在片上都集成了相關(guān)雙采樣CDS電路,最大帶寬為20MHz.2視頻信號采集電路在高幀頻面陣CCD應(yīng)用中,其驅(qū)動技術(shù)一直是應(yīng)用的一個難點.原因在于面陣CCD具有一定的像元規(guī)模,需要驅(qū)動電路提供足夠的驅(qū)動能力.電路的驅(qū)動能力要求足夠的驅(qū)動電流.低噪聲電源和完善的驅(qū)動方案是信號完整性的重要保證.高幀頻面陣CCD電路系統(tǒng)包括驅(qū)動電路、電源模塊、信號處理電路、數(shù)字系統(tǒng)如圖3(a)所示.其中電源模塊需要7組,采用了體積小、重量輕的開關(guān)電源,并采取合理的電磁兼容性設(shè)計.開關(guān)電源與線性穩(wěn)壓電源相比,還具有功耗小、效率高、穩(wěn)壓范圍寬的優(yōu)點.圖3(b)是一組DC/DC的原理電路.除了完成電壓變換,還要進(jìn)行差模、共模、輸入、輸出濾波,從而為負(fù)載電路提供穩(wěn)定的電源.DC/DC輸出的電源還會有耦合進(jìn)來的噪聲,還需經(jīng)過三端穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓,如圖4.圖中的R3是可調(diào)電阻,根據(jù)需要,調(diào)整R3可得不同的電壓,表2是VCCD1024H的典型柵極電壓.VCCD1024H片上集成了CDS電路,使CCD輸出的視頻信號能夠以較低的噪聲水平輸出.盡管如此,高品質(zhì)的信號處理電路仍然十分重要.視頻信號處理包括交流耦合、前置放大、低通濾波、增益調(diào)整、直流恢復(fù)以及A/D變換.交流耦合電路將視頻信號的直流成份濾除,能夠抑制各級電路的溫漂,并擴(kuò)大電路的放大倍數(shù).圖5(a)所示的RC隔直電路傳遞函數(shù)為:是典型的一階高通濾波電路,然而由于電路的寄生參數(shù),特別對于電容這樣的無源器件.在電路帶寬比較大的情況下,電容可以等效為R-L-C模型,得到隔直電路的分布參數(shù)等效模型,如圖5(b)所示,傳遞函數(shù)為:H(s)=sR3C11+sR3+s2(L1+L2)C1,(3)Η(s)=sR3C11+sR3+s2(L1+L2)C1,(3)可以看出原來的高通濾波器,這里變成了帶通濾波器,需要選擇合適的R3和C1的值,以確保帶通濾波的高頻截止頻率高于視頻信號的帶寬.CCD視頻信號中包括光子噪聲、散粒噪聲、肥零噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲、暗電流噪聲等.在低頻模擬信號處理電路中,一般采用2階巴特沃斯濾波或2階切比雪夫濾波等常用濾波電路即可.但在高幀頻CCD信號中,帶寬較高,因此要取得較好的濾波效果,對濾波器的設(shè)計要求很高,需要足夠好的通帶平坦特性和邊緣截止特性.本文設(shè)計的單運(yùn)放3階濾波電路,具有結(jié)構(gòu)簡單,幅頻特性好的優(yōu)點,高階濾波電路所帶來的相移在通帶內(nèi)已經(jīng)越過180度自激振蕩點,這個問題可以通過相位補(bǔ)償來解決.式(6)是系統(tǒng)采用的三階低通濾波器的傳遞函數(shù),具體電路形式和幅頻-相頻響應(yīng)見圖6(a)、(b).直流恢復(fù)是為了使信號的動態(tài)范圍能夠與A/D變換電路的量化范圍一致,使信號處理電路具有的動態(tài)范圍最大化.利用高速采樣保持芯片,對視頻信號中的暗電平(暗像元)信號進(jìn)行采樣保持,作為基準(zhǔn)信號,與采樣保持之前的視頻信號做減法,完成直流恢復(fù).圖7是VCCD1024的信號處理電路況圖.32路并行處理,視頻信號帶寬為10MPixel/s.配上光學(xué)成像鏡頭(口徑50mm,焦距300mm)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),VCCD1024H獲得了非常清晰的圖像(圖8所示),此時工作幀頻為130fps.高幀頻面陣CCD工作的功耗與其工作的幀頻有相當(dāng)密切的關(guān)系,工作幀頻越高,其功耗也越大,產(chǎn)生的熱會使CCD器件溫度升高,暗電流增加.實驗證明當(dāng)工作溫度每降低8℃,CCD的暗電流就能減少一半.適當(dāng)?shù)闹评浯胧τ诟邘l的CCD系統(tǒng)是必要的,風(fēng)扇在大氣環(huán)境中可以使用,空間應(yīng)用則需要考慮半導(dǎo)體制冷方式.3高效曝光比的確定上面分析并設(shè)計了高幀頻面陣CCD的驅(qū)動和信號處理電路,并獲得了工作幀頻達(dá)到130fps的成像系統(tǒng).在一些應(yīng)用領(lǐng)域,希望CCD能夠工作在200、300甚至400幀/秒的幀頻率.下面給出一種CCD部分感光成像(如圖9所示)的高幀頻解決辦法.當(dāng)幀轉(zhuǎn)移面陣CCD部分像元感光成像時,為了提高工作幀頻,無效像元可以只做幀轉(zhuǎn)移清空勢阱,而不串行讀出,這樣可以大大的提高幀頻.但是,由于從圖像感光區(qū)到電荷存儲區(qū)的垂直轉(zhuǎn)移過程中,光敏元仍然在產(chǎn)生光電荷,并被勢阱收集,這將造成拖尾現(xiàn)象(影響系統(tǒng)的MTF,MTF是衡量成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的一個重要參數(shù),對于CCD成像器的MTF已有很多研究).拖尾現(xiàn)象是幀轉(zhuǎn)移CCD無法避免的一個問題,但可以通過提高CCD工作的有效曝光比來改善拖尾問題.CCD的有效曝光比可以用下式計算:如果在CCD的光敏面上增加一塊遮光板,則可以將問題大大改善,如圖10所示.采用遮光板以后,不再需要將圖像感光區(qū)的全部電荷轉(zhuǎn)移到電荷存儲區(qū),而只需要將曝光區(qū)及曝光區(qū)與遮光板遮擋部分的過渡區(qū)的電荷轉(zhuǎn)移到電荷存儲區(qū),因此大大縮短了幀轉(zhuǎn)移時間,如圖11所示,圖中T1為幀轉(zhuǎn)移時間,T2為有效曝光時間,Tfr為幀周期.很容易看出,采用遮光板后,有效曝光比大大提高.采用遮光板來提高面陣CCD工作幀頻和改善圖像質(zhì)量,有兩點需要注意:(1)光學(xué)系統(tǒng)都有會聚角(由F數(shù)決定),遮光板距離光敏面應(yīng)該越近越好,這樣曝光區(qū)與遮擋區(qū)的過渡像元越少,如圖12所示,圖中h為遮擋板與光敏面的距離,θ是光學(xué)系統(tǒng)的會聚角,過渡像元個數(shù)n可由下式計算:n=2htg(θ/2)d?(7)n=2htg(θ/2)d?(7)其中d為探測器的像元間距;(2)裝配過程中,采取措施防止遮光板碰觸光敏面而致?lián)p壞.結(jié)合垂直像元合并(VeritcalPixelBinning)技術(shù),VCCD1024H獲得了400幀/秒的工作幀頻,成像區(qū)大小為1024×128,像元速率為5MPixel/s.圖13是采用遮光板和未采用遮光板的兩幅圖像的對比,明顯可以看出,采用遮光板的圖像具有更好的MTF,從直方圖(圖13中的(c)、(d))也可以看出采用遮光板的圖像有較好的對比度.4高幀頻面陣的cd網(wǎng)絡(luò)設(shè)計高幀頻面