全幀讀出型面陣CCD光電傳感器的工作原理及應(yīng)用

面陣CCD傳感器在現(xiàn)代電子信息技術(shù)中被廣泛應(yīng)用于電視、多媒體技術(shù)及醫(yī)療電子設(shè)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(zhuǎn)移型、行間轉(zhuǎn)移型和幀行轉(zhuǎn)移型的工作原理有所不同，不存在轉(zhuǎn)移區(qū)或暫存區(qū)，這使得全幀讀出型CCD在讀出時(shí)不能“暴光”，在“暴光”時(shí)不能讀出。因此這種CCD要求光源必須是閃爍的。雖然它對(duì)光源的要求比普通的CCD要特殊，但它具有一個(gè)非常重要的特點(diǎn)，就是其體積小，可以微型化，適合應(yīng)用在醫(yī)用及工業(yè)電子內(nèi)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(méi)有垂直移位寄存器，也沒(méi)有圖像暫存區(qū)，使有效感光面積比幀轉(zhuǎn)移型、行間轉(zhuǎn)移型及幀行轉(zhuǎn)移型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

CCD的光敏單元在光照時(shí)間內(nèi)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，各單元隨光照強(qiáng)度不同積累電荷量亦不同。在無(wú)光照期間，各光敏單元信號(hào)依次被讀出。讀出時(shí)，面陣中的各行信號(hào)均向下一行移動(dòng)，在最下行的信號(hào)移出光敏感區(qū)后進(jìn)入水平移位寄存器。這時(shí)將水平移位寄存器中的信號(hào)依次移出即可供顯示及處理。按上述方法，將各行信號(hào)依次移出后，再進(jìn)行曝光，再移出，這樣就可以得到一幀一幀的連續(xù)的圖像信號(hào)。

2 微型面陣CCD-TC221

TC221是TI公司生產(chǎn)的一種微型全幀讀出型面陣CCD。它的圖像感光區(qū)對(duì)角線為2.4mm，有效像素為190（H）×190（V），每個(gè)像素單元面積為9μm×9μm，外封裝后的對(duì)角線尺寸約為4.1mm。由于它的體積小，驅(qū)動(dòng)信號(hào)少，很便于應(yīng)用在醫(yī)用及工業(yè)用電子內(nèi)窺鏡中。TC221動(dòng)態(tài)范圍很大、靈敏度高、噪聲低，并能夠通過(guò)防“開(kāi)花”脈沖實(shí)現(xiàn)防“開(kāi)花”控制。其驅(qū)動(dòng)信號(hào)簡(jiǎn)單，并內(nèi)置自復(fù)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(shí)進(jìn)行黑電平鉗位。TC221的功能框圖如圖2所示。

TC221包括四個(gè)功能區(qū)：（ａ）感光區(qū)；（ｂ）水平串行移位寄存器；（ｃ）敏感結(jié)點(diǎn)；（ｄ）低噪聲跟隨器及放大器。TC221的驅(qū)動(dòng)信號(hào)比較簡(jiǎn)單，只

有ABG、IAG、SRG三個(gè)信號(hào)，其引腳如圖3所示。其中ABG為防“開(kāi)花”門(mén)脈沖輸入，“開(kāi)花”控制是通過(guò)在“暴光”期間提高CCD勢(shì)阱深度來(lái)防止光敏單元間的溢出，從而達(dá)到其防“開(kāi)花”的效果；IAG為感光區(qū)域控制門(mén)脈沖輸入，用來(lái)控制在CCD讀出期間的行移出，在每個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)各單元行向下移動(dòng)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(mén)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(shù)據(jù)串行移出。這三個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值都比較高，要求的時(shí)序如圖4所示。管腳中ADB為電源輸入，SUB為接地，輸出信號(hào)在OUT管腳處得到，各信號(hào)的幅值及頻率要求如表1所示。

圖5給出了CCD外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原理圖， 其中SN28846、TMS3473是TI公司專為其CCD器件設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片。SN28846為串行移位驅(qū)動(dòng)芯片，用來(lái)產(chǎn)生串行移位寄存器的控制脈沖，它在CCD和時(shí)鐘發(fā)生器之間提供了一個(gè)接口，接收來(lái)自時(shí)鐘發(fā)生器的TTL電平時(shí)鐘信號(hào)并向CCD輸出如圖4中所示的SRG信號(hào)。TMS3473用來(lái)驅(qū)動(dòng)感光區(qū)行移出門(mén)，它接收來(lái)自時(shí)鐘發(fā)生器的TTL電平時(shí)鐘信號(hào)并向CCD輸出如圖4中所示的IAG信號(hào)。AD810是帶寬為70MHz的運(yùn)算放大器，與其外圍其它元件構(gòu)成加法器，將來(lái)自時(shí)鐘發(fā)生器的三路信號(hào)組合，輸出如圖4所示的ABG信號(hào)。時(shí)鐘發(fā)生器采用了FPGA，它產(chǎn)生一系列45.5MHz的TTL電平的時(shí)鐘信號(hào)及脈沖信號(hào)，為整個(gè)電路提供時(shí)間基準(zhǔn)。

TC221面陣CCD的輸出信號(hào)是一個(gè)負(fù)極性的峰包脈沖信號(hào)，每個(gè)光敏單元對(duì)應(yīng)一個(gè)峰包。圖6所示為用數(shù)字綜合示波器HP54645D測(cè)得的CCD輸出實(shí)際波形。圖6給出的CCD輸出信號(hào)，經(jīng)運(yùn)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(dú)特的優(yōu)越性。在我們的實(shí)際應(yīng)用及開(kāi)發(fā)中，也證明了它的可靠性及優(yōu)越性能。在要求體積限制的環(huán)境中，例如在工業(yè)探測(cè)及醫(yī)學(xué)診斷中，全幀型微型CCD圖像傳感器都有很好的應(yīng)用前景。