高幀頻面陣CCD探測器應(yīng)用技術(shù)研究

1、第25卷第1期2006年2月文章編號:1001-9014(2006)01-0050-06紅外與毫米波學(xué)報J.InfraredMillim.WavesVo.l25,No.1February,2006高幀頻面陣CCD探測器應(yīng)用技術(shù)研究王躍明,󰀁劉銀年(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所,上海󰀁200083)摘要:分析了高幀頻幀轉(zhuǎn)移面陣CCD的工作機制,設(shè)計了驅(qū)動電路和信號處理電路,獲得了幀頻為130幀/秒的高清晰圖像,并提出了一種采用遮光板來提高幀頻的新方法.該方法將幀頻提高到了400幀/秒,具有較高的有效曝光比,并進一步改善了圖像的質(zhì)量.關(guān)󰀁鍵ϗ

2、041;詞:高幀頻;幀轉(zhuǎn)移;電荷耦氣器件;有效曝光比中圖分類號:TN29,722.4󰀁󰀁文獻標識碼:AAPPLICATIONSOFHIGHFRAMERATECCDDETECTORSTECHNOLOGYWANGYue󰀁Ming,󰀁LIUYin󰀁Nian(ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200083,China)Abstract:Theoperationmechanismofhighframerateframe&#

3、983041;transferCCDarraywasanalyzed.Drivercircuitsandsignalprocessingcircuitsweredesigned.TheimagewithhighvisibilitywasacquiredbytheCCDworkingon130fps.Anewmethodtoimprovetheframerateswaspresented.Themethodintroducesalight󰀁proofboard,andithashigherratioofef󰀁fectiveexposure,thustheframe

4、rateisraisedupto400fps.Hence,thequalityoftheimageisimproved.Keywords:highframerate;frame󰀁transfer;CCD;ratioofeffectiveexposure引言CCD(ChargeCoupledDevice)面陣探測器在天文觀測、空間遙感、光譜探測等光電成像領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用13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,

5、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行相關(guān)處理,A/D轉(zhuǎn)換后由圖像采集處理系統(tǒng)進行處理.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

6、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.在一些特殊的領(lǐng)域,如碰撞試驗攝影、動物生態(tài)學(xué)研究等,高幀頻面陣CCD成為關(guān)鍵組件,高幀頻CCD應(yīng)用技術(shù)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.1&#

7、983041;高幀頻面陣CCD探測器VCCD1024H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個串行讀出寄存收稿日期:2005󰀁10󰀁05,修回日期:2005󰀁12󰀁22󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Receiveddate:2005󰀁10󰀁05,reviseddate:2005

8、83041;12󰀁22作者簡介:王躍明(1977󰀁),男,安徽黃山人,上海技術(shù)物理研究所助研,博士,主要從事光電技術(shù)與系統(tǒng)研究.1期王躍明等:高幀頻面陣CCD探測器應(yīng)用技術(shù)研究51像元的驅(qū)動信號經(jīng)過了更長距離的傳輸.VC󰀁CD512H的幀轉(zhuǎn)移時鐘上限是4MHz,而VC󰀁CD1024H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

9、都集成了相關(guān)雙采樣CDS電路,最大帶寬為20MHz.󰀁表1󰀁VCCD1024H性能參數(shù)󰀁Table1󰀁ThespecificationofVCCD1024H像元大小(PixelSize)光學(xué)填充因子(OpticalFillFactor)18󰀂18󰀁m100%400nm,QE 45%600nm,QE 70%700nm,QE 65%800nm,QE 55%35e-!150fps240,000e-2.1󰀁V/e!1.5MHz32路圖2󰀁信號讀出原理圖Fig.2𘀀

10、1;Principleofsignalreadout2󰀁驅(qū)動與信號處理電路在高幀頻面陣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

11、進行差模、共模、輸入、輸出濾波,從而為負載電路提供穩(wěn)定的電源.DC/DC輸出的電源還會有耦合進來的噪聲,還需經(jīng)過三端穩(wěn)壓器進行穩(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輸量子效率(OptimumEfficiency)讀出噪聲(ReadoutNoise)幀速率(FrameRate)滿勢阱信號(FullWellSignal)靈敏度(Sensitivity)垂直轉(zhuǎn)移時鐘(VerticalClockRate)輸出端口(Outputports)圖1󰀁CCD芯片結(jié)構(gòu)Fig.1

12、󰀁StructureoftheCCDchip圖3󰀁電源系統(tǒng)󰀁(a)電流與信號流圖󰀁(b)DC/DC電路Fig.3󰀁Powersupplyarchitecture󰀁(a)currentandsignaldiagram󰀁(b)DC/DCcircuit52紅外與毫米波學(xué)報25卷寬比較大的情況下,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)=sR3C1󰀁,1+s(R1+R2+R3)+s(L

13、1+L2)C1(2)R1,R2󰀂R3可以忽略,傳遞函數(shù)簡化為:圖4󰀁穩(wěn)壓電路Fig.4󰀁Voltageregulatorcircuit󰀁表2󰀁VCCD1024H各控制信號電壓值󰀁Table2󰀁ThecontrolvoltageofVCCD1024H柵極名稱A1A2A3B1B2B3C1C2C3電壓范圍(V)-9.30-9.5+5.00+5.20-10.45-10.65-8.90-9.10+6.40+6.60-8.80-9.00-9.35-9.55-11.10-11.30-9.25-9.

14、45實測電壓(V)-9.40+5.11-10.50-9.00+6.50-8.90-9.45-11.20-9.35H(s)=sR3C1󰀁,1+sR3+s(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

15、.本文設(shè)計的單運放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).H(s)=(1)VO(s)Vi(s),2(1+sR1C1)(1+sR3C3+sR2C3+sR2R3C2C3)(4)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)信號進行采樣保持,作為基準信號,與采樣保持之前的視頻信號做減法,

16、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密切的關(guān)系,工作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:

17、H(s)=sR1C1󰀁,1+sR1C1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.在電路帶圖5󰀁交流耦合電路󰀁(a)R󰀁C高通模型󰀁(b)RC寄生參數(shù)模型Fig.5󰀁ACcoupledcircuits󰀁(a)R󰀁CHPLmodel󰀁(b)RCmodelwithparasiteparameter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.實驗證明當工作溫度每降低8,CCD的暗電流就能減少一半.適當

18、的制冷措施對于更高幀頻的CCD系統(tǒng)是必要的,風(fēng)扇在大氣環(huán)1期王躍明等:高幀頻面陣CCD探測器應(yīng)用技術(shù)研究53圖8󰀁相機所拍攝的圖像Fig.8󰀁AnimagetakenbyVCCD1024H圖6󰀁三階單運放低通濾波󰀁(a)電路形式󰀁(b)幅頻󰀁相頻響應(yīng)Fig.6󰀁3󰀁poleLPFwithsingleamplifier󰀁(a)LPFcircuits󰀁(b)Amplitude󰀁frequencyandphase𘀀

19、1;frequencyresponseofthe3󰀁poleLPF圖9󰀁CCD局部曝光成像Fig.9󰀁PartoftheCCDisexposedforimaging圖7󰀁信號處理電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.7󰀁Thesignalprocessingflowchart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CC

20、D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:有效曝光比=幀周期-幀轉(zhuǎn)移時間󰀂100%󰀁.幀周期(6)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4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󰀁提高幀頻的特殊方法上面分析并設(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到130fps的

21、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54紅外與毫米波學(xué)報25卷敏面而致?lián)p壞.圖10󰀁遮光板Fig.10󰀁Light󰀁proofboard圖11󰀁兩種方案的幀周期比較󰀁(a)未采用遮光板的幀周期󰀁(b)采用遮光板的幀周期Fig.11󰀁Compa

22、risonofthetwosolutions#frameperiod󰀁(a)frameperiodwithoutlight󰀁proofboard󰀁(b)frameperiodwithlight󰀁proofboard圖13󰀁遮光板效果分析󰀁(a)無遮光板圖像󰀁(b)有遮光板圖像󰀁(c)圖像(a)的直方圖󰀁(d)圖像(b)的直方圖Fig.13󰀁Theeffectanalysisofthelight󰀁proofboard

23、83041;(a)imagewithoutlight󰀁proofboard󰀁(b)imagewithlight󰀁proofboard󰀁(c)histogramofimage(a)󰀁(d)histogramofimage(b)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圖12󰀁過渡像元分析Fig.12󰀁Transitionalareap

24、ixels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.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,󰀂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(󰀂/2)󰀁

25、,d(7)4󰀁結(jié)論高幀頻面陣CCD具有很廣的應(yīng)用領(lǐng)域,高速攝影、科學(xué)實驗等都需要面陣CCD有很高的工作幀頻.全面了解幀轉(zhuǎn)移CCD的工作機制是靈活應(yīng)用高幀頻面陣CCD的基礎(chǔ).CCD的驅(qū)動設(shè)計和信號處理電路是獲得高信噪比的必要條件.針對具體應(yīng)用,可以充分利用CCD的電荷轉(zhuǎn)移機制和相應(yīng)的光學(xué)機械結(jié)構(gòu),獲得更高的工作幀頻,并使CCD工作在最佳狀態(tài).REFERENCES1GroomDE.RecentProgressonCCDsforastronomicalima󰀁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1期王躍明等:高幀頻面陣CCD探測器應(yīng)用技

26、術(shù)研究55gingJ.SPIE,2000,634637.2LIHong󰀁Bo,SHURong,XUEYong󰀁Q.iPushbroomhy󰀁pers󰀁pectralimageranditspotentialapplicationtooceano󰀁graphicremotesensingJ.JInfraredMillim.Waves.(李紅波,舒嶸,薛永祺.PHI超光譜成像系統(tǒng)及其海洋遙感應(yīng)用前景分析.紅外與毫米波學(xué)報),2002,21(6):429433.3GUOQiang,XUJian󰀁Min,CHENGui󰀁lin.Studyonimpro󰀁vingimagespatialresolutionofopticalinstrumentswithline󰀁