【文章內(nèi)容簡介】 rk current)和宇宙輻射都會影響CCD表面的像素。天文學(xué)家利用快門的開闔，讓CCD多次曝光，取其平均值以緩解干擾效應(yīng)。為去除背景噪聲，要先在快門關(guān)閉時取影像訊號的平均值，即為暗框(dark frame)。然后打開快門，取得影像后減去暗框的值，再濾除系統(tǒng)噪聲(暗點和亮點等等)，得到更清晰的細(xì)節(jié)。天文攝影所用的冷卻CCD照相機(jī)必須以接環(huán)固定在成像位置，防止外來光線或震動影響。同時亦因為大多數(shù)影像平臺生來笨重，要拍攝星系、星云等暗弱天體的影像，天文學(xué)家利用自動導(dǎo)星技術(shù)。大多數(shù)的自動導(dǎo)星系統(tǒng)使用額外的不同軸CCD監(jiān)測任何影像的偏移，然而也有一些系統(tǒng)將主鏡接駁在拍攝用之CCD相機(jī)上 。以光學(xué)裝置把主鏡內(nèi)部份星光加進(jìn)相機(jī)內(nèi)另一顆CCD導(dǎo)星裝置，能迅速偵測追蹤天體時的微小誤差，并自動調(diào)整驅(qū)動馬達(dá)以矯正誤差而不需另外裝置導(dǎo)星。 CCD的工作原理一個完整的CCD器件由光敏單元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCD工作時，在設(shè)定的積分時間內(nèi)由光敏單元對光信號進(jìn)行取樣，將光的強弱轉(zhuǎn)換為各光敏單元的電荷多少。取樣結(jié)束后各光敏元電荷由轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到移位寄存器的相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。將輸出信號接到示波器、圖象顯示器或其它信號存儲、處理設(shè)備中，就可對信號再現(xiàn)或進(jìn)行存儲處理。由于CCD光敏元可做得很小(約10um)，所以它的圖象分辨率很高。 CCD的MOS結(jié)構(gòu)及存貯電荷原理CCD的基本單元是MOS電容器，這種電容器能存貯電荷。以P型硅為例，在P型硅襯底上通過氧化在表面形成Silo 層，然后在Silo 上淀積一層金屬為柵極，P型硅里的多數(shù)載流子是帶正電荷的空穴，少數(shù)載流子是帶負(fù)電荷的電子，當(dāng)金屬電極上施加正電壓時，其電場能夠透過Silo 絕緣層對這些載流子進(jìn)行排斥或吸引。于是帶正電的空穴被排斥到遠(yuǎn)離電極處[1113]，剩下的帶負(fù)電的少數(shù)載流子在緊靠Silo 層形成負(fù)電荷層(耗盡層)，電子一旦進(jìn)入由于電場作用就不能復(fù)出，故又稱為電子勢阱。當(dāng)器件受到光照時(光可從各電極的縫隙間經(jīng)過Silo 層射入，或經(jīng)襯底的薄P型硅射入)，光子的能量被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子空穴對，這時出現(xiàn)的電子被吸引存貯在勢阱中，這些電子是可以傳導(dǎo)的。光越強，勢阱中收集的電子越多，光弱則反之，這樣就把光的強弱變成電荷的數(shù)量[17]，實現(xiàn)了光與電的轉(zhuǎn)換，而勢阱中收集的電子處于存貯狀態(tài)即使停止光照一定時間內(nèi)也不會損失，這就實現(xiàn)了對光照的記憶?？傊?，上述結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是個微小的MOS電容，用它構(gòu)成象素，既可“感光”又可留下“潛影”，感光作用是靠光強產(chǎn)生的電子電荷積累，潛影是各個象素留在各個電容里的電荷不等而形成的，若能設(shè)法把各個電容里的電荷依次傳送到輸出端，再組成行和幀并經(jīng)過“顯影”就實現(xiàn)了圖象的傳遞。 電荷的轉(zhuǎn)移與傳輸CCD的移位寄存器是一列排列緊密的MOS電容器，它的表面由不透光的鋁層覆蓋，以實現(xiàn)光屏蔽。由上面討論可知，MOS電容器上的電壓愈高，產(chǎn)生的勢阱愈深，當(dāng)外加電壓一定，勢阱深度隨阱中的電荷量增加而線性減小。利用這一特性，通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺。制造時將MOS電容緊密排列，使相鄰的MOS電容勢阱相互“溝通”。認(rèn)為相鄰MOS電容兩電極之間的間隙足夠小()，在信號電荷自感生電場的庫侖力推動下，就可使信號電荷由淺處流向深處，實現(xiàn)信號電荷轉(zhuǎn)移[18]。為了保證信號電荷按確定路線轉(zhuǎn)移，通常MOS電容陣列柵極上所加電壓脈沖為嚴(yán)格滿足相位要求的二相、三相或四相系統(tǒng)的時鐘脈沖。簡單的三相CCD結(jié)構(gòu)如圖21，22所示。每一級也叫一個像元素，有三個相鄰的電極，每個兩個電極的所有電極(如7…，8…，9…)都接在一起，由3個相位相差1200的時鐘脈沖φφφ3來驅(qū)動，故稱三相CCD，圖21為斷面圖；圖22為俯視圖；當(dāng)在某一時刻t1，第一相時鐘φ1處于高電壓，φφ3處于低電壓。這時第一組電極(7…)下面形成深勢阱，這些勢阱中可以貯存信號電荷形成“電荷包”，在t2時刻φ1電壓線性減少，φ2為高電壓，在第一組電極下的勢阱變淺，而第二組(8…)電極下形成深勢阱，信息電荷從第一組電極下面向第二組轉(zhuǎn)移，直到t3時刻，φ2為高電壓，φ2為低電壓，信息電荷全部轉(zhuǎn)移到第二組電極下面。重復(fù)上述類似過程信息電荷可從φ2轉(zhuǎn)移到φ3，然后從φ3轉(zhuǎn)移到φ1電極下的勢阱中，當(dāng)三相時鐘電壓循環(huán)一個時鐘周期時，電荷包向右轉(zhuǎn)移一級(一個像元)，依次類推，信號電荷一直由電極3……N向右移，直到輸出。P Si村底φ1φ2φ3 圖21三相CCD傳輸原理斷面圖φ1φ2φ3 圖22三相CCD傳輸原理俯視圖下面來介紹二相CCD傳輸原理。CCD中的電荷定向轉(zhuǎn)移是靠勢阱的非對稱性實現(xiàn)的。在三相CCD中是靠時鐘脈沖的時序來控制，來形成非對稱勢阱。但是采用不對稱的電極結(jié)構(gòu)也可以引進(jìn)不對稱勢阱，從而變成二相驅(qū)動的CCD。目前實用CCD中多采用二相結(jié)構(gòu)。實現(xiàn)二相驅(qū)動的方案有：階梯氧化層電極和設(shè)置勢壘注入?yún)^(qū)。階梯氧化層電極結(jié)構(gòu)是將一個電極分成二部分，其左邊部分電極下的氧化層比右邊的厚，則在同一電壓下，左邊電極下的位阱淺，自動起到了阻擋信號倒流的作用。設(shè)置勢壘注入?yún)^(qū)，對于給定的柵壓，位阱深度是摻雜濃度的函數(shù)，摻雜濃度高，則位阱淺。采用離子注入技術(shù)使轉(zhuǎn)移電極前沿下村底濃度高于別處，則該處位阱就較淺，任何電荷包只向位阱的后沿方向移動。這就是二相CCD傳輸原理。 CCD與CMOS工作原理比較無論是CCD還是CMOS，它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段CCD/CMOS感光元件的核心都是一個感光二極管(photodiode)，該二極管在接受光線照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流，而電流的強度則與光照的強度對應(yīng)。但在周邊組成上，CCD的感光元件與CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二極管之外，包括一個用于控制相鄰電荷的存儲單元，感光二極管占據(jù)了絕大多數(shù)面積—換一種說法就是，CCD感光元件中的有效感光面積較大，在同等條件下可接收到較強的光信號，對應(yīng)的輸出電信號也更明晰。而CMOS感光元件的構(gòu)成就比較復(fù)雜，除處于核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，每個像點的構(gòu)成為一個感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管占據(jù)的面積只是整個元件的一小部分，造成CMOS傳感器的開口率遠(yuǎn)低于CCD(開口率：有效感光區(qū)域與整個感光元件的面積比值)；這樣在接受同等光照及元件大小相同的情況下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信號就明顯小于CCD元件，靈敏度較低；體現(xiàn)在輸出結(jié)果上，就是CMOS傳感器捕捉到的圖像內(nèi)容不如CCD傳感器來得豐富，圖像細(xì)節(jié)丟失情況嚴(yán)重且噪聲明顯，這也是早期CMOS傳感器只能用于低端場合的一大原因。CMOS開口率低造成的另一個麻煩在于，它的像素點密度無法做到媲美CCD的地步，因為隨著密度的提高，感光元件的比重面積將因此縮小，而CMOS開口率太低，有效感光區(qū)域小得可憐，圖像細(xì)節(jié)丟失情況會愈為嚴(yán)重。因此在傳感器尺寸相同的前提下，CCD的像素規(guī)?？偸歉哂谕瑫r期的CMOS傳感器，這也是CMOS長期以來都未能進(jìn)入主流數(shù)碼相機(jī)市場的重要原因之一。每個感光元件對應(yīng)圖像傳感器中的一個像點，由于感光元件只能感應(yīng)光的強度，無法捕獲色彩信息，因此必須在感光元件上方覆蓋彩色濾光片。在這方面，不同的傳感器廠商有不同的解決方案，最常用的做法是覆蓋RGB紅綠藍(lán)三色濾光片，以1：2：1的構(gòu)成由四個像點構(gòu)成一個彩色像素(即紅藍(lán)濾光片分別覆蓋一個像點，剩下的兩個像點都覆蓋綠色濾光片)，采取這種比例的原因是人眼對綠色較為敏感。而索尼的四色CCD技術(shù)則將其中的一個綠色濾光片換為翡翠綠色(英文Emerald，有些媒體稱為E通道)，由此組成新的R、G、B、E四色方案。不管是哪一種技術(shù)方案，都要四個像點才能夠構(gòu)成一個彩色像素，這一點大家務(wù)必要預(yù)先明確。在接受光照之后，感光元件產(chǎn)生對應(yīng)的電流，電流大小與光強對應(yīng)，因此感光元件直接輸出的電信號是模擬的。在CCD傳感器中，每一個感光元件都不對此作進(jìn)一步的處理，而是將它直接輸出到下一個感光元件的存儲單元，結(jié)合該元件生成的模擬信號后再輸出給第三個感光元件，依次類推，直到結(jié)合最后一個感光元件的信號才能形成統(tǒng)一的輸出。由于感光元件生成的電信號實在太微弱了，無法直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，因此這些輸出數(shù)據(jù)必須做統(tǒng)一的放大處理—這項任務(wù)是由CCD傳感器中的放大器專門負(fù)責(zé)，經(jīng)放大器處理之后，每個像點的電信號強度都獲得同樣幅度的增大；但由于CCD本身無法將模擬信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，因此還需要一個專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理[19]，最終以二進(jìn)制數(shù)字圖像矩陣的形式輸出給專門的DSP處理芯片。而對于CMOS傳感器，上述工作流程就完全不適用了。CMOS傳感器中每一個感光元件都直接整合了放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯，當(dāng)感光二極管接受光照、產(chǎn)生模擬的電信號之后，電信號首先被該感光元件中的放大器放大，然后直接轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號。換句話說，在CMOS傳感器中，每一個感光元件都可產(chǎn)生最終的數(shù)字輸出，所得數(shù)字信號合并之后被直接送交DSP芯片處理—問題恰恰是發(fā)生在這里，CMOS感光元件中的放大器屬于模擬器件，無法保證每個像點的放大率都保持嚴(yán)格一致，致使放大后的圖像數(shù)據(jù)無法代表拍攝物體的原貌—體現(xiàn)在最終的輸出結(jié)果上，就是圖像中出現(xiàn)大量的噪聲，品質(zhì)明顯低于CCD傳感器。 CCD驅(qū)動時序生成技術(shù)電荷耦合器件CCD作為一種光電轉(zhuǎn)換器件，具有自掃描、體積小、分辨率高、可靠性好、光譜響應(yīng)寬等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于圖像傳感、景物識別、非接觸測量等領(lǐng)域。CCD應(yīng)用的關(guān)鍵是驅(qū)動信號的產(chǎn)生及輸出信號的處理。CCD芯片的轉(zhuǎn)換效率、信噪比等光電轉(zhuǎn)換特性只有在合適的時序脈沖驅(qū)動下，才能達(dá)到器件工藝所規(guī)定的最佳值而輸出穩(wěn)定可靠的視頻信號。然而由于不同廠家、不同型號的CCD器件的驅(qū)動電路各不相同，致使驅(qū)動信號的產(chǎn)生必須根據(jù)具體的CCD器件時序要求來設(shè)計驅(qū)動電路。如何快速、方便地產(chǎn)生CCD驅(qū)動電路，成為CCD應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。隨著CCD技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的時序發(fā)生器實現(xiàn)方法如單片機(jī)驅(qū)動法、EPROM驅(qū)動法、直接數(shù)字驅(qū)動法等，由于速度和功能上的限制，已不能很好地滿足CCD應(yīng)用向高速、小型化、智能化發(fā)展的需要，而可編程邏輯器件(CPLD、FPGA)以其高集成度、高速度、高可靠性、開發(fā)周期短可滿足這些需要，與VHDL語言的結(jié)合可以很好地解決上述問題。由于可編程邏輯器件可以通過軟件編程對其硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，從而使得硬件的設(shè)計可以如同軟件設(shè)計那樣方便快捷。3 CCD驅(qū)動電路的設(shè)計 線陣CCD驅(qū)動電路設(shè)計的幾種方法CCD由于精度高、分辨率高、性能穩(wěn)定、功耗低、壽命長等特點，廣泛應(yīng)用于圖像傳感和非接觸測量領(lǐng)域。在CCD應(yīng)用技術(shù)中，其賴以正常工作的驅(qū)動信號的產(chǎn)生電路比較復(fù)雜，驅(qū)動電路的設(shè)計也就成為其應(yīng)用中的關(guān)鍵問題之一。由于不同廠家生產(chǎn)的CCD其驅(qū)動時序不盡相同，而同一廠家的不同型號的CCD其驅(qū)動時序也不完全一樣，使CCD的驅(qū)動電路很難規(guī)范化、產(chǎn)品化。因此，許多CCD用戶必須面對驅(qū)動電路的設(shè)計問題。CCD時序脈沖信號是一組周期性的、關(guān)系比較復(fù)雜的脈沖信號，它是影響CCD器件的信號處理能力、轉(zhuǎn)移效率、信噪比等性能的一個重要因素。線陣CCD驅(qū)動電路通常有4種方式實現(xiàn)：EPROM驅(qū)動法(或E2PROM)、IC驅(qū)動法、單片機(jī)驅(qū)動法以及可編程邏輯器件(PLD)驅(qū)動法。 EPROM驅(qū)動方法器件TCD1208AP的時序如圖31所示。其中：SH為光積分脈沖信號；ФФ2為時鐘脈沖信號；RS為復(fù)位脈沖信號；S P為采樣保持脈沖信號。 圖31 TCD12~AP時序圖由圖31中的時序可以看出：在SH、ФФRest和SP