高速线阵CCD IL-P1-4096的原理和应用

    摘要：IL-P1-4096是加拿大DALSA公司生产的双相高速线阵CCD。其单相工作频率可达25MHz甚至更高，因此应用十分广泛。文中介绍了IL-P1-4096的性能和工作原理，并给出了具体的应用电路。

    关键词：CCD 驱动时序 IL-P1-4096

1 引言

近年来，电荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Devices）在图像拍摄方面起着非常重要的作用。是光电成像领域里非常重要的高新技术产品。与传统的拍摄传感器相比，CCD图像传感器具有输出噪声小、动态范围大、光谱响应范围宽、分辨率高、输出信号线性度好、功耗低、体积小、寿命长等优点。CCD从芯片结构上可分为面阵CCD和线阵CCD两种类型。面阵CCD主要用于黑白及彩色摄像，而线阵CCD则在高清晰图像拍摄方面表现出良好的应用前景，因此，CCD成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的应用器件之一。

图1

2 主要特点和引脚功能

2．1 主要特点

本文描述的高速线阵CCD IL-P1-4096是加拿大DALSA公司生产的IL-P1系列图像传感器中的一种。该器件的像素尺寸是10μm×μm、像素线阵长度为41mm、相邻像素间距也是10μm。线阵列的像素共有4096个，分两路输出。IL-P1-4096的主要性能参数如下：

·双相输出，每相输出数据频率为25MHz；

·线扫描速率为87kHz；

·可使用低压时序信号，时序信号电压小于5V；

·像素尺寸为10μm×10μm；

·每行4096个像素点；

·动态响应范围大于3200：1；

·灵敏度高，响应可达到12V（uJ/cm2）;

·采用15V电压供电；

·每行孤立像素为14个；

·每行屏蔽像素为32个。

2．2 引脚功能

IL-P1-4096采用32引脚封装。各引脚的定义及说明如下：

脚1、18（VLOW）：低压偏置电压，具体电路中可直接接地。

脚2、18（VDD）：放大器电源电压，通常情况下接芯片电源。

脚3（OS1）：输出信号1端，连接到数据处理芯片时要接隔直电容。

脚4（VSET）：输出节点门电压设置。通常箝位于地。

脚5（CRLAST）：读出时钟，该时钟信号应和CR1S的频率、相位一致。

脚6，22（RS1S）：时钟1读出（相位1，存储相位），与CR2S反相。

脚7，23（CR2S）：时钟2读出（相位2，存储相位），与CR1S同频、反相。

脚8（TCK）：传输时钟。

脚9（PR）：像素复位时钟，用于控制CCD曝光和光积分时间。

脚10（VPR）：像素复位漏极电压，接工作电源。

脚11，28（CR1B）：读出时钟（相位1，阈值相位），该端信号和CR1S同频、同相。

脚12，27（CR2B）：读出时钟（相位2，阈值相位），该端信号和CR2S同频、同相。

脚14，15，17，19（VHIGH）：15V高压基准电源。

脚16（NC）：悬空。

脚20，21，26（VBB）：感光低层偏置电压，接（-3V）。

脚24（VSTOR）：存储井电压，直接接地。

脚25，29（VSS）：参考地，直接接地。

脚30（OS2）：输出信号2端，连接到数据处理芯片时要接隔直电容器。

脚31（VOD）：输出复位漏极电压端，接（+13V）电源。

脚32（RST）：输出复位时钟，频率和CR1S相同，脉冲下降沿与CR1S的下降沿重合，脉宽为5ns。

IL-P1-4096可根据传感器光敏单元（像素）上的感光变化，将对象图像的感光变化转化为电荷包。电荷包中电子的个数是由感光强度和CCD器件的光积分时间决定的。电荷包被收集到独立的存储井中，然后用像素复位时钟来控制CCD器件的积分和曝光时间。

IL-PI系列传感器内部由三大主要功能块组成：光电二极管、CCD读出移位寄存器和输出放大器。其中光电二极管用来生成信号电荷包，输出放大器用来将电荷转化为电压脉冲，其内部结构如图1所示。需要注意的是，IL-P1-4096传感器是两路输出，奇像素和偶像素分别从不同的输出通道输出，是一种双排的线列阵CCD，光敏单元在中间，奇、偶单元的信号电荷分别传到上下两列移位寄存器后分两路串行输出。这种CCD的优点是具有较高的封装密度，转移次数减少一半，因而可提高转移效率，改善图像传感器的信号质量。

该传感器中的光敏单元与CCD移位寄存器分开，而用转移栅控制光生信号电荷向移位寄存器的转移，其信号的转移时间一般远小于摄像时间（光积分的时间）。当转移栅关闭时，光敏单元势阱将收集光信号电荷，并经过一定的积分时间后，形成与空间分布的光强信号对应的信号电荷图形。积分周期结束后，转移光栅打开，各光敏单元势阱收集的信号电荷并行转移到CCD移位寄存器SR的相应单元内。转移栅关闭后，光敏单元开始下一行的图像采集，而已转移到移位寄存器内的上一行信号电荷将通过移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。



    这里的CR1S、CR1B、CR2S、CR2B是CCD输出像素的相位操作时钟。CRLAST是该CCD的信号输出时钟。RST是像素复位时钟。TCR是行转移同步信号，可用来控制转移栅。PR是曝光控制和积分时间控制信号，其电平上升沿要平滑，不能陡峭。在TCK的两个高电平之间，可由PR来控制CCD的曝光和积分时间。整个芯片的工作过程如下：当TCK的高电平到来时，CCD传感器曝光的光敏单元会将采集到的光信号转移的相应的移位单元中。CCD的光敏单元在PR积分控制信号的作用下重新开始感光积分，而进入移位单元中的信号将在两相操作时钟CR1X、CR2X的作用下移出。RST信号的作用是减小两像素之间的相关信号，可在当前像素信号输出后到下一个像素信号到来前，对残余信号进行清除。

IL-P1-4096的工作驱动时序电路如图2和图3所示。由图可见，CR1X（CR1S、CR1B）和CR2X（CR2X，CR2B）的相位必须相反，频率大小为25MHz（该频率可以根据实际使用情况和条件设定相应缩小，但所有的时序都要因此做相应改变以符合CCD的整个时序要求）。CR1X和CR2X上升沿和下降沿的时差最大不能超过5ns，CR1S和TCK时钟下降沿的时差最小不能低于5ns。TCK的频率大小为11.9kHz，理想脉宽设定为300ns。PR的频率也为11.9kHz，而脉宽则为10μs（PR的脉宽应该根据实际的使用情况适当改变大小，其高电平上升沿和TCK高电平下降沿的时差在相距23ns的基础上根据实际情况调节）。RST频率为25MHz，脉宽大小为5ns。图中的OSn（OS1、OS2）为CCD输出信号。

4 具体应用电路

由于对IL-PI4096的工作频率要求很高、相位关系复杂，因此，笔者推荐使用高速CPLD作为CCD的基本时序发生器。设计时可使用Lattic公司的ispMACH4000C/B/V系列芯片，该芯片的工作时钟可以达到400MHz，完全可以满足此CCD的工作时序要求。

图4所示是IL-P1-4096的具体应用电路。从CPLD发送过来的基本时钟信号可通过简单电路进行相位校正并提供驱动电流，然后再送入CCD芯片。在Osn的输出端。电路可通过几个三极管组成的恒流源来提供CCD所需要的8mA驱动电流。

图4

    在电路板布线时，时序信号线要尽量短而且宽，有条件的地方应使用伴生线。CPLD和IL-P1-4096要尽可能靠近。电路板最好使用四层板。板上电源应远离芯片和时序信号线。直流电源的纹波最好不要超过10mV。

在调式电路的时候，应当选用比较低的频率来控制IL-P1-4096的工作，然后，逐渐升高工作频率。在CPLD上使用ISP软件改变输出频率是比较方便的。

5 结束语

IL-P1-4096的精度高、感光响应快，在工业控制和测量领域（如流水线产品检测、分类，文字与图像的识别，机械产品尺寸非接触测量等），该器件具有很强的实用性。