CCD成像系统

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所CCD成像技术及其在遥感中的应用第四章CCD成像系统郝志航中国科学院长春光学精密机械与物理研究所内容1.CCD成像系统的构成2.时序发生器3.时序脉冲驱动器4.预放器5.相关双采样技术6.A/D转换器7.集成视频处理器8.小结中国科学院长春光学精密机械与物理研究所CCD成像系统的构成光学镜头、CCD传感器、时序发生器和驱动器、预放器和视频处理器光学镜头CCD预放器滤波器CDS后置放大器AD转换器输出接口驱动器时序发生器控制与接口外部控制数据同步中国科学院长春光学精密机械与物理研究所CCD成像系统的构成CCD传感器：将投影图像转换为电压图像；光学镜头：将景物投影到CCD上；时序发生器：产生CCD工作所需的时序脉冲；驱动器：放大时序脉冲功率，驱动大电容负载；预放器：阻抗匹配和放大以驱动传输线视频处理器：降低噪声、减少频率混淆、AD转换(滤波器、CDS、后置放大器和ADC)。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器时序发生器是CCD工作的基础。设计前提是仔细阅读说明书，确定：•时序脉冲的数量；•时序脉冲的时间特性：时序特性、脉宽、上升和下降沿；•时序脉冲的电压特性：每个脉冲的高低电平；•时序脉冲的负载特性：每个脉冲的电容负载。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TCD1503DOS1OS2SHCPRS2B1E2ECPRS1O2O2B8种脉冲：1O、2O、1E、2E、2B、SH、RS、CP。实际只有5种：1X、2X、SH、RS、CP。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TCD1503Dφ1E,O第1相时钟，Clock(Phase1)φ2E,O第2相时钟，Clock(Phase2)φ2B末级第2相时钟，FinalStageClock(Phase2)SH转移栅，ShiftGateRS复位栅，ResetGateCP嵌位栅，ClampGateOS1信号输出1，SignalOutput1OS2信号输出2，SignalOutput2OD电源，PowerSS地，GroundNC空脚，NonConnection中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TCD1503D时序特性中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TCD1503D时序脉冲的时间特性：脉宽、上升和下降沿中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TCD1503D名称最小典型最大单位t1,t5200500―nst2t4050―nst310001500―ns名称最小典型最大单位t160100―nst1710100―nst18200――nst19200――ns中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TCD1503D名称最小典型最大单位t6,t70100―nst8,t10020―nst910100―nst11010―nst12,t14:0~20nst13:10~100nst17:0~100nst16:10~100ns中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TCD1503D时序脉冲的电压特性中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TCD1503D时序脉冲的负载特性中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TCD1503D时序脉冲的数量8种：其中1O和2O，1E和2E是成对的，频率相同；RS和CP与1O等频率相同；2B与2O、2E相同；SH每行一个是行频的标志。时序脉冲的时间特性：时序特性、脉宽、上升和下降沿的要求比较低，一般的TTL和高速CMOS电路可以满足要求；时序脉冲的电压特性：高电平：5V，低电平：0V；时序脉冲的负载特性：最大的电容负载为350pf。通常不用专门的驱动。时序简单，驱动负载小，驱动容易，可以使用TTL和高速CMOS电路。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TH7888A帧转移CCD像元数：1024x1024帧速率：30帧/s具有抗晕结构具有电子快门功能像元尺寸：14x14m2成像区面积：14,34x14,34mm²1、2通道输出可选，每通道输出速率：20MHz制冷功能中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TH7888A时钟脉冲数量：13成像区4，存储区4，水平读出2垂直到水平1，复位1，抗晕1直流偏置：9个中国科学院长春光学精密机械与物理研究所成像区和存储区皆为4相。时序发生器和驱动器TH7888A中国科学院长春光学精密机械与物理研究所成像区和存储区皆为4相。时序发生器和驱动器TH7888A中国科学院长春光学精密机械与物理研究所见图A读出时序见图B快速转移时序时序发生器和驱动器TH7888A积分时两相下的势阱可以收集电荷。积分---快速转移---读出成像区积分和存储区读出可以同时进行。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TH7888A1：12个哑像元2：1个隔离像元+16个暗参考像元+5个隔离像元3：1024个有效像元见图D图A:读出时序中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TH7888A见图C细节图图B：快转时序中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TH7888A图C：垂直转移或快转时序放大中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TH7888A图D：水平读出时序t1=7ns典型t2=5ns典型td=8ns典型延迟中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TH7888A读出模式驱动时钟单输出Vos1单输出Vos2(镜像效果)双输出（并行）L1管脚B2、B3、B1管脚B2、A3、A1管脚B2、B3、A1L2管脚A2、A3、A1管脚A2、B3、B1管脚A2、B3、B1通过L1和L2连接不同的引脚来改变电荷转移方向中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TH7888A电子快门：当把成像区的Pi栅全部设置为0V，所有的光生电荷无法收集，将全部通过抗晕栅泄漏掉，使用这种方法可以使积分时间变短。转移阻塞积分帧周期中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TH7888A像元合并上升和下降沿参照图C和D每次转移两行像元电荷到水平寄存器后才读出。2×2中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TH7888A像元合并每次读出两个像元电荷后才复位。复位脉冲的频率降低一倍。2×2中国科学院长春光学精密机械与物理研究所14m14m28m42m28m42m像元合并时序发生器和驱动器TH7888A中国科学院长春光学精密机械与物理研究所它的优点是：将相机的灵敏度、信噪比提高，动态范围扩大；将摄像的帧频提高至原来的N倍；缺点：相机的分辨率降低了；多像素合并的信号增大很多，便要求移位寄存器具有更高的暂存能力。像元合并时序发生器和驱动器TH7888A中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TH7888A中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器和驱动器TH7888A垂直转移频率以及抗晕栅电压对饱和输出电压的影响垂直转移频率与饱和输出电压的关系抗晕栅电压与饱和输出电压的关系中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器时序发生器设计考虑：1.时序的数量(除CCD自身外，还应包括CDS、ADC等时序脉冲的数量)；2.每个时序中脉冲的数量；3.每个时序中脉冲的周期(不一定是一种周期)和宽度；4.每个时序脉冲与其它时序脉冲之间的相位关系。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器时序发生器设计方案：1.使用中小规模数字逻辑电路2.使用只读存储器3.使用微处理器或数字信号处理器(DSP)4.使用可编程逻辑器件，CPLD或FPGA现在最普遍的方案是使用可编程逻辑器件，CPLD或FPGA。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器使用数字逻辑电路设计时序发生器像元(列)计数器行计数器组合逻辑组合逻辑驱动器主时钟外触发清零CDS/ADC中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器使用数字逻辑电路设计时序发生器：1.计数器应该使用同步计数器；2.水平转移的两相时钟是反相的，但是不能用反相器产生，应该由一个触发器的正反两个输出端输出；3.组合逻辑设计时应该避免逻辑竞争；4.复位、信号嵌位、信号采样脉冲在一个像元读出周期内；为了产生这些脉冲，主时钟应该是像元时钟的倍数(具体倍数视情况而定)。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器使用只读存储器代替数字逻辑电路时序发生器中的组合逻辑就构成了只读存储器式的时序发生器，这只是时序发生器设计的一种过渡方案；但是因为只读存储器可以重新编制，因此它比数字逻辑电路时序发生器有更多的灵活性。使用微处理器或DSP实现时序发生器设计是一种更为灵活的方案，但是受CPU资源和运算速度的限制，一般在简单时序情况下使用。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序发生器使用CPLD和FPGA一类的可编程逻辑电路设计时序发生器是时序发生器设计的一大进步，有很多优点：1.CPLD和FPGA提供了丰富的硬件资源，可以设计非常复杂的时序；2.CPLD和FPGA有厂家和第三方提供的软件支撑，设计简单、仿真方便，设计结果的成功率非常高；3.元器件密度高、占用体积小、功耗低、可靠性高。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序脉冲驱动器由分立元件制作的驱动器驱动器要求1驱动电压：高、低电压2驱动负载：电容负载能力3驱动时间：上升、下降沿和延迟中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序脉冲驱动器Intersil集成电路驱动器EL7202,EL7212,EL7222EL7212EL7222EL7202高速驱动器，可以驱动很大的电容负载，最大脉冲电流可达2A，最高输出电压大于15V。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序脉冲驱动器EL7202,EL7212,EL7222负载电容为1000pf时，上升和下降沿分别为10ns和13ns(典型值)。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序脉冲驱动器EL7202,EL7212,EL7222特性曲线功耗与温度关系曲线上升下降沿与负载曲线中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序脉冲驱动器Intersil集成电路驱动器ISL55110最大脉冲电流可达3.5A，最高输出电压大于12V。负载电容1000pf时，上升和下降沿为6.7ns(典型值)。ISL55110中国科学院长春光学精密机械与物理研究所时序脉冲驱动器时序驱动器驱动负载电容时，将需要额外的功耗。功耗P的计算公式为：P=CV2F其中C=电容V=供电电压F=时钟频率举例C=4400pf,V=8V,f=5MHzP=1.41W中国科学院长春光学精密机械与物理研究所预放器预放器要求：–增益带宽乘积–摆率(SlewRate)–过渡时间(SettingTime)–低噪声–过载恢复简单射随器中国科学院长春光学精密机械与物理研究所预放器射随器+运算放大器中国科学院长春光学精密机械与物理研究所预放器中国科学院长春光学精密机械与物理研究所视频处理相关双采样中国科学院长春光学精密机械与物理研究所视频处理相关双采样嵌位脉冲和采样脉冲的位置很重要，对信号质量影响很大，需要精细调整。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所视频处理相关双采样利用两个采样保持器制作的相关双采样电路中国科学院长春光学精密机械与物理研究所视频处理相关双采样利用嵌位电路和采样电路制作的相关双采样电路嵌位电路高速CDS对开关特性和放大器性能要求很高，制作很困难。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所另一种CDS电路：双斜波积分电路在慢扫描CCD中有广泛地应用。ODOSRDR.ADC-1Pre-AmplifierCCDOn-chipAmplifierInvertingAmplifierIntegratorResetswitchInputSwitchPolaritySwitchComputer