【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 繼續(xù)增 加，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸，西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 9 將半導(dǎo)體電子吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。 CCD 中電荷從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置，在開(kāi)始時(shí)刻，有一些電荷存儲(chǔ)在偏壓為 10V 的第一個(gè)電 極下的勢(shì)阱中，其它電極上均加有大于閾 值的較低電壓。經(jīng)過(guò)一定時(shí)刻后，各電極上的電壓發(fā)生變化，電荷包向右移動(dòng)。將按一定規(guī)律變化的電壓 (如外部的時(shí)鐘電壓 )加到 CCD 各電極上，電極下的電荷包就沿半導(dǎo)體表面按一定方向轉(zhuǎn)移到輸出端，實(shí)現(xiàn)圖像的自?huà)呙?，從而將照射?CCD 上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)圖像，直接顯示圖像全貌 。 圖 32 是線(xiàn)陣 CCD 的 結(jié)構(gòu)示意圖，可以看出器件主要有光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移區(qū)、輸出單元這三部分組成。光敏區(qū)由 N 個(gè)光敏元排成一列，光敏單元始終進(jìn)行光積分，當(dāng)轉(zhuǎn)移柵加高電平時(shí)， N 個(gè)光信號(hào)電荷包并行轉(zhuǎn)移到所對(duì)應(yīng)的那位 CCD 中，然后，轉(zhuǎn)移柵加低電平，轉(zhuǎn)移中斷，進(jìn)行下一行積分。 N 個(gè)電荷包依次沿著 CCD 串行傳輸，每驅(qū)動(dòng)一個(gè)周期，各信號(hào)電荷包向輸出端方向轉(zhuǎn)移一位，第一個(gè)驅(qū)動(dòng)周期輸出第一個(gè)光敏元信號(hào)電荷包 。第二個(gè)驅(qū)動(dòng)周期輸出第二個(gè)光敏元信號(hào)電荷包，依次類(lèi)推，第 N個(gè)驅(qū)動(dòng)周期輸出第 N 個(gè)光敏元信號(hào)電荷包。當(dāng)一行的 N 個(gè)信號(hào)全部讀完，產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā) 信號(hào)，使轉(zhuǎn)移柵變?yōu)?高電平，將新一 行的 N 個(gè)光信號(hào)電荷包并行轉(zhuǎn)移到 CCD 中，開(kāi)始新一行信號(hào)傳輸和讀出，周而復(fù)始。 圖 32 線(xiàn)陣 CCD 結(jié)構(gòu)圖 CCD 的主要特性參數(shù) 轉(zhuǎn)移效率 轉(zhuǎn)移效率 η是指電荷包在進(jìn)行每一次轉(zhuǎn)移中的效率，即電荷包從一個(gè)柵轉(zhuǎn)移到下一個(gè)柵時(shí)，有 η部分的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)去，余下 e 部分沒(méi)有被轉(zhuǎn)移， e 稱(chēng)轉(zhuǎn)移損失率，根據(jù)電荷守恒原理有 ： η=1－ e () 由定義可知，一個(gè)電荷量為 0Q 的電荷包，經(jīng)過(guò) n 次 轉(zhuǎn)以后的輸出電荷量應(yīng)為 : 0 nn?? () 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 即總效率為 : 0/ nn?? () 由于 CCD 中的信號(hào)電荷包大都要經(jīng)歷成百上千次的轉(zhuǎn)移，即使η 值幾乎接近 1，但其總效率往往仍然很低。 暗電流 CCD 成像器件在既無(wú)光注入又無(wú)電注入情況下的輸出信號(hào)稱(chēng)暗信號(hào)，即暗電流。暗電流的根本起因在于耗盡區(qū)產(chǎn)生復(fù)合中心的熱激發(fā)。由于工藝過(guò)程不完善 及材料不均勻等因素的影響， CCD 中暗電流密度的分布是不均勻的。暗電流的危害主要有兩個(gè)方面，即限制器件的低頻限和引起固定圖像噪聲。 靈敏度 指在一定光譜范圍內(nèi)單位曝光量的輸出信號(hào)電壓 (電流 )。曝光量是指光強(qiáng)與光照時(shí)間之積，也相當(dāng)于投射到光敏元上的單位輻射功率所產(chǎn)生的電壓 (電流 )，其單位為V/W（ A/W） 。 CCD 的光譜響應(yīng)基本上由光敏元材料決定，也與光敏元結(jié)構(gòu)尺寸差異、電極材料和器件轉(zhuǎn)移效率不均勻等因素有關(guān)。 光譜響應(yīng) CCD 對(duì)不同波長(zhǎng)的光的響應(yīng)程度是不一樣的。例如， CCD 對(duì)藍(lán)光的響應(yīng)是比較差 的，這是因 為在多晶硅中藍(lán)光被吸收的比較厲害，以及在多晶硅 — 氧化物 — 硅等層中引 起的多層干涉的結(jié)果。通常把響應(yīng)度等于峰值響應(yīng)的一半所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍稱(chēng)為光譜響應(yīng)范圍。普通 CCD 的光譜響應(yīng)范圍為 400～ 1100nm。 噪聲 CCD 的噪聲可歸納為三類(lèi) :散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和熱噪聲。 (1) 散粒噪聲 在 CCD 中，無(wú)論是光注入、電注入還是熱產(chǎn)生的信號(hào)電荷包的電子數(shù)總有一定的不確定性，也就是圍繞平均值上下變化，形成噪聲。這種噪聲常被稱(chēng)為散粒噪聲，它與頻率無(wú)關(guān)，是一種白噪聲。散粒噪聲代表著器件最高信噪比的極限，片外的信號(hào)處理電路不 能對(duì)此噪聲進(jìn)行抑制。 (2) 轉(zhuǎn)移噪聲 轉(zhuǎn)移噪聲主要是由轉(zhuǎn)移損失及表面態(tài)俘獲引起的噪聲，這種噪聲具有累積性和相關(guān)性。累積性是指轉(zhuǎn)移噪聲是在轉(zhuǎn)移過(guò)程中逐次累積起來(lái)的，與轉(zhuǎn)移次數(shù)成正比。相關(guān)性是指相鄰電荷包的轉(zhuǎn)移噪聲是相關(guān)的，因?yàn)殡姾砂谵D(zhuǎn)移過(guò)程中，每當(dāng)有一過(guò)量西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 11 △ Q 電荷轉(zhuǎn)移到下一勢(shì)阱時(shí)，必然在原來(lái)勢(shì)阱中留下一減量△ Q 電荷，這份減量電荷疊加到下一個(gè)電荷包中，所以電荷包每次轉(zhuǎn)移要引起兩份噪聲。這兩份噪聲分別于前、后相鄰周期的電荷包的轉(zhuǎn)移噪聲相關(guān)。 (3) 熱噪聲 熱噪聲是由于固體中載流子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起的，在 OK 以上，無(wú)論其中有無(wú)外加電流通過(guò)，都有熱噪聲，對(duì)信號(hào)電荷注入及輸出影響最大，它相當(dāng)于電阻熱噪聲和電容的總寬帶噪聲之和。 以上 3 種噪聲源是獨(dú)立無(wú)關(guān)的，所以 CCD 得總噪聲功率是它們的均方和。在 CCD圖像數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，要盡可能的得到精確的 CCD 信號(hào)，且最大程度的降低 CCD的噪聲，提高信噪 比 。降低噪聲的主要方法有 :采用相關(guān)雙采樣 CDS(Correlated Double Sampling)技術(shù)、雙斜積分法、小波變換校正法、提高 CCD 工作頻率、帶通濾波器法、制冷方法等。本系統(tǒng)采用了基于數(shù)字技術(shù)的相關(guān)雙采樣方法對(duì)噪聲進(jìn) 行抑制。 分辨率 分辨率是攝像器件最重要的參數(shù)之一，它表明 CCD 成像器件對(duì)景物細(xì)節(jié)的鑒別能力。通常用每毫米能分辨的線(xiàn)對(duì)數(shù)表示，即 lp/mm。有時(shí)也用可分辨的最小尺寸表示，它是可分辨的空間頻率的倒數(shù)。例如一個(gè) CCD能分辨的最大空間頻率為 20lp/mm，則可分辨的最小尺寸為 。分辨率與 CCD 器件的像素尺寸有直接關(guān)系，像素尺寸越小，分辨率越高。通常可分辨的最小尺寸約為像素尺寸的 2 倍。目前 CCD 的像素尺寸為 6～ 14um，可分辨的最小尺寸為 ～ ，對(duì)應(yīng)的線(xiàn)對(duì)數(shù)為 85～35lp/mm。 CCD 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) CCD 是圖 像采集系統(tǒng)的核心，在應(yīng)用 CCD 圖像傳感器時(shí)，需要解決的問(wèn)題主要有兩個(gè)，即產(chǎn)生正確的脈沖時(shí)序驅(qū)動(dòng) CCD器件和輸出信號(hào)的采集處理。為了保證 CCD圖像傳感器正確穩(wěn)定的工作并充分發(fā)揮它的光電轉(zhuǎn)換功能，必須設(shè)計(jì)出能夠產(chǎn)生符合CCD 器件工作所需時(shí)序的驅(qū)動(dòng)控制電路。系統(tǒng)利用先進(jìn)的 FPGA 技術(shù)產(chǎn)生高速穩(wěn)定的 CCD 驅(qū)動(dòng)時(shí)序，具體的程序?qū)崿F(xiàn)部分將在第四章詳細(xì)介紹。 TCD1501D 芯片基本結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)選用了日本東芝公司生產(chǎn)的 TCD1501D 線(xiàn)陣 CCD 圖像傳感器，它是一款高速、低暗 電流的 5000 像元線(xiàn)陣 CCD 器件。芯片封裝形式為 DIP22 雙列直插式，TCD1501D 的管腳分部和結(jié)構(gòu)如 圖 33 所示，表 31 為引腳名稱(chēng)說(shuō)明 。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 12 表 31 TCD1501D 引腳說(shuō)明 圖 33 TCD1501D 管腳圖 圖 34 所 示為 TCD1501D 原理結(jié)構(gòu)圖，由圖可知， TCD1501D 由光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移柵、模擬移位寄存器及信號(hào)輸出單元組成。該傳感器內(nèi)部包含一列 5076 個(gè)光敏二極管，前面 64 個(gè)和后面 12 個(gè)是作暗電流檢測(cè)而被遮蔽的，中間 5000 個(gè)光電二極管是曝光像敏單元。當(dāng)掃描一張 A3 的圖紙時(shí)可達(dá)到 16 線(xiàn) /mm 的精度，該器件工作在 5V驅(qū)動(dòng)脈沖， 12V 的電源條件下。 圖 34 TCD1501D 結(jié)構(gòu) 圖 φ1E、 O 電荷轉(zhuǎn)移脈沖 φ2E、 O 電荷轉(zhuǎn)移脈沖 φ1B 末級(jí)時(shí)鐘 φ2B 末級(jí)時(shí)鐘 SH 幀轉(zhuǎn)移脈沖 RS 復(fù)位脈沖 SP 采樣保持脈沖 CP 鉗位脈沖 OS 信號(hào)輸出 DOS 補(bǔ)償信號(hào)輸出 SS 地 OD 電源 NC 未連接 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 13 TCD1501D 的 光譜響應(yīng)特性曲線(xiàn)如 圖 35 所示。光譜 響應(yīng)范圍從 400nm 到 1100nm，峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為 550nm。 圖 35 光譜響應(yīng)曲線(xiàn) TCD1501D 驅(qū)動(dòng)電路 設(shè)計(jì) 由于 TCD1501D 的時(shí)序邏輯是通過(guò) FPGA 發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)的， FPGA 的引腳為CMOS 電平標(biāo)準(zhǔn)，而 TCD1501D 所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為 TTL 電平標(biāo)準(zhǔn)，但 CMOS 電路的驅(qū)動(dòng)電流較小，不能夠直接驅(qū)動(dòng) TTL 電路，所以需要對(duì) FPGA 輸出的 CCD 驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中使用 74LVC16245 實(shí)現(xiàn)電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的功能，它是 16 位高速 CMOS 雙向 線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器， 采用單電源供電方式， 可以增強(qiáng)電流驅(qū)動(dòng)能力，工作頻率可達(dá) 40MHZ。 由于 74LVC16245 輸入高電平的最小值為 2V，輸出高電平為 5V，所以利用它達(dá)到了驅(qū)動(dòng) TCD1501D 所需高電平電壓值的作用。 其工作方式如表 所示。 表 74LVC16245 工作狀態(tài)表 控制輸入端 工作方式 OE DIR L L B 端輸入， A 端輸出 L H A 端輸入， B 端輸出 H X 隔離狀態(tài) 本設(shè)計(jì)設(shè)定 VCC 為 ， OE 和 DIR 同設(shè)為低電位，這樣 74LVC16245 工作模式為 B 端輸入， A 端輸出。 圖 36 所示為系 統(tǒng)的 CCD 驅(qū)動(dòng)電路硬件原理圖 。 該電路提供了 TCD1501D 正常工作所需的全部驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及 12V 的電源接口。由于 74LVC16245 可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩片 TCD1501D，所以這里設(shè)計(jì)了兩個(gè)接口 P1 和 P2。圖中 CCDOD 和 CCDEV為線(xiàn)陣 CCD 的采集到的圖像信號(hào)接收端，最終接到 VSP5010的 34 腳和 47 腳上。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 14 1DIR11B121B23GND41B351B46VCC71B581B69GND101B7111B8122B1132B214GND152B3162B417VCC182B5192B620GND212B7222B8232DIR242OE252A8262A727GND282A6292A530VCC312A4322A333GND342A2352A1361A8371A738GND391A6401A541VCC421A4431A344GND451A2461A1471OE48G174LVC16245DGNDDGNDVIOVIODGNDDGNDDGND DGNDDGND1EOB1EOBRSCPSPDGNDDGND2EOBRSCPSP2EOBSHSH12v12v1 23 45 67 89 10P1Header 5X21 23 45 67 89 10P2Header 5X2DGNDDGNDDGNDVIOVIOCCDEVCCDOD DGNDDGNDDGNDDGND1EOB_12EOB_1RS_1CP_1SP_1SH_11EOB_1 2EOB_1RS_1 CP_1SP_1 SH_11EOB_22EOB_2RS_2CP_2SP_2SH_2 1EOB_22EOB_2RS_2CP_2SP_2SH_2 圖 36 CCD 驅(qū)動(dòng)電路硬件 設(shè)計(jì) AFE 電路設(shè)計(jì) AFE 功能分析 AFE（ Analog Front End） ，又稱(chēng)模擬前端處理。 CCD 圖像傳感器輸出的模擬圖像信號(hào)需要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào) 理和 A/D 轉(zhuǎn)換，使之成為數(shù)字信號(hào)形式，這樣才能傳給后端處理器。 AFE 的作用就是將 CCD 輸出的模擬圖像信號(hào)箝位和放大到 A/D 轉(zhuǎn)換器所需要的電平。 模擬前端系統(tǒng)的工作將直接影響各類(lèi)應(yīng)用采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍、分辨率、信噪比、線(xiàn)性度、速度等重要參數(shù)，它是提高系統(tǒng)采樣范圍及其采樣位數(shù)的基礎(chǔ)之一。一個(gè)完整的 AFE 處理器包括輸入箝位，相關(guān)雙采樣， 程控增益放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。 VSP5010 簡(jiǎn)介 本設(shè)計(jì)摒棄了以分離采樣保持器結(jié)合運(yùn)放的方案，而采用眾多數(shù)碼相機(jī)的方案，用一塊 專(zhuān)用的 AFE 芯片來(lái)完成信號(hào)放大、增益調(diào) 節(jié)、相關(guān)雙采樣、及模數(shù)轉(zhuǎn)換。這樣的方案由于采用了單芯片設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)將具有更好的可靠性、穩(wěn)定性。 本 設(shè)計(jì)中采用 TI 的 VSP5010 前端信號(hào)處理芯片。 VSP5010 是一款面向 CCD 的完善的低功耗雙通道模擬信號(hào)處理器。它內(nèi)含最高 31MSPS 的相關(guān)雙采樣（ CDS）電路、可編程增益放大器（ DPGA）、 14 位精度的最高采樣率為 31MSPS 的 A/D 轉(zhuǎn)換器。VSP5010 可以工作在三種模式下，對(duì) CCD 信號(hào)、模擬視頻信號(hào)和普通的交流信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)。 VSP5010 以其高精度、高速度的模數(shù)轉(zhuǎn)換能力，以及它所具有的完善的西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 15 性能結(jié) 構(gòu)，廣泛的應(yīng)用在工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、科學(xué)研究等領(lǐng)域的高精度圖像