（物理电子学专业论文）基于ccd的数据采集系统设计.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 由于高能物理实验的不断发展，对探测性能精度的要求越来越高，探测器读出电子学道 数越来越多，已突破1 0 0 万计密集化的电子学通道( a s i c 线路) 的规模。同样在核物理应 用中。闪烁体+ 光电探测的p e d 型的工业c t 或核医学诊断c t ，在位置分辨、动态测量( 计 数率提高) 的精度不断提高要求下，需要的电子学道数以万计数。涉及的造价也在不断升级 探测灵敏材料的改进，如提高探测效率( 重材料) 、提高位置精度( 小颗粒探测单元) 、提高 响应速度( 快发光) 等，所带来的成本增加，与电子学部分相比并非是主要部分，更多的造 价升级比例都显现在电子学通道上 本论文中提出了一种简化电子学系统的方案，主要的思路是从探测器获取光信号，通过 光纤把信号传输到远端。在远端用电荷耦合器件c c d 接收光信号。由于c c d 器件一般都 包含大量的感光单元( 象索) ，如果每根光纤都对准到一个象索点上，那么每个电荷耦合器 件都可以同时采集并存储大量通道的事例信息。c c d 的信号输出方式是串行的，所以只需 要在它的输出端用一路a d c 变换电路，就可以依次对c c d 保存的信息采样变换。丽在传 统的方案中，每一个探测器通道都需要一个专用的a d c 变换电路。采用这种方案，可以使 需要的电子学通道数量减小1 到2 个数量级，从而在很大的程度上压缩采集系统的造价。 论文第一章提出了一个基于c c d 的数据采集系统的设计方案，并且介绍了相关的背景 和系统设计框图。 第二章和第三章为系统的设计介绍了图像传感器和a d c 两个方面的基础知识。 第四章是本论文的重点，在第四章中详细介绍了基于c c d 数据采集系统的各个模块的 功能和实现方案。 第五章中简单的介绍了系统的一些测试结果，由于测试尚在进行中，所以只给出了有限 的测试结果，最后总结了设计中存在的问题以及改进的意见。 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r em i l l i o n so ff e e ( f r o n te n de l e c t r o n i c s ) c h a n n e l si nt h ee l e c t r o n i c ss y s t e mo ft h e h i g he n e r g yp h y s i c se x p e r i m e n t s ，o fw h i c ht h ee n e r g yl e v e la n dc o m p l e x i t ya r eu p d a t i n ge v e r y y e a rf o rt h ep u r p o s eo fr e s e a r c ho fp a r t i c l ep h y s i c s i nt h en u c l e a le x p e r i m e n t , i n d u s t r yc ta n d p h y s i c a lc t , t h ec o m p l e x i t yo f t h ee t e c t r o n i c si si n c r e a s i n gw b a t lh i g h e rp e 疵忸哪ei sd e m a n d e d s o ，i nt h e s ea r e a s ，t h ec o s to fe l e c t r o n i c ss y s t e m ，w h i c ht a k e sal a r g ep e r c e n t a g eo ft h ew b o l c b u d g e t , i so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tc o n s t r a i n t so f d e v e l o p m e n t ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nc c di sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h es i g n a l st h a ta r e t r a n s m i t t e df r o mt h ep h y s i c a ld e t e c t o r sb yf i b e r sa l ed e t e c t e da n ds t o r e di nt h ec c dd e v i c e e v e r y p i x e li nt h ed e v i c e 啪l - v eo n ep h y s i c a ld 敝t a 吼s oo n ec c d d e v i c ec a ns c r v em a n yp h y s i c a l de l 【e 躺a t t h es a m e t i m e t h es i g r i a l ss t o r e d i n t h e c c da 坞t h e nr e a d o u t o n e b y o n e 讯t h es e r i a l p a t t e r n ，o n ea d cc a n mo n ec c dd e v i c ea n dt h e nt h el a r g em o u n to fp h y s i c a ld e t e c t o r s 。 w h i c ha 地a l ls e r v e db yt h es 锄cc c dd e v i c e i ns u c ha l r a n g e m e mo f t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m , t h ec o m p l e x i t yo f t h ee l e c t r o n i c ss y s t e mh a sb e e nr e d u c e di nal a r g es c a l e s o m eb a c k g r o u n di n f o r m a t i o ni sl i s t e di nc h a p t e rl ，a n das y s t e md i a g r a mo ft h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nc c di sd e m o n s t r a t e d c h a p t e r2a n dc h a p t e r3c o n t a i nt h ek n o w l e d g eo fc c di m a g es e l l ：s o ra n da d c ，w h i c hi sa p r e p a r a t i o nf o rt h ec h a p t e r4 c h a p t e r4i st h em o s ti m p o r t a n tc h a p t e ri nt h i st h e s i s b o t hd e s i g n so f t h ef u n c t i o nb l o c k sa n d m e t h o d st oa c h i e v et h ef u n c t i o n sm c o v e r e di nt h i sc h a p t e r c h a p t e r5g i v e ss o m et e s tr e s u l to f t h es y s t e m a n ds o m eo p i n i o n sa g i v e nt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m 中国科学技术大学硕士学位论文 目录 4 6 1 系统电源设计5 0 4 6 2 系统时钟设计5 l 4 7 应用软件开发5 2 第5 章初步的测试和总结5 5 5 1 测试结果分析，5 5 5 2 总结和展望5 8 参考文献。5 9 附j t - 6 i 致谢6 3 图1 1 高能物理实验系统，1 图i - 2 基于c c d 的数据采集方案2 图i 3 传统电子学方案。3 图l - 4 使用多片小容量c c d 的方案4 图2 - 1 图像传感器横断面扫描。6 图2 - 2 面阵c c d 的示意图7 图2 - 3c c d 输出i j ：程8 图2 4 线型c c d 的结构。 9 圈2 5 帧扫描面阵c c d 9 困2 - 6c c d 的时钟相位1 0 图2 7 c c d 输出信号示意图1 1 图2 - 8c m o s 和c c d 图像传感器示意图。1 3 图2 - 9 p p s 读出方式示意图1 3 图3 1 敷据采集系统 。1 5 图3 - 2f l 豳h a d c 内部结构1 6 图3 3 避次比较a d c 基本结构，1 7 图3 4 过采样和z a 调制1 8 图3 56b i t 流水线a d c 1 9 图3 6 理想a d c 转移曲线：。2 l 图3 - 7 平移后的a d c 转移曲线。2 l 图3 - 8a d c 的偏置失调误差2 2 图3 - 9a d c 的满刻度误差2 2 图3 1 0a d c 的微分非线性2 3 图3 1 ia d c 的积分非线性。2 3 图3 1 2a d c 实测频谱2 4 图4 - 1 基于c c d 的数据采集系统框图2 7 图4 2i l - p 3 - b 的内部结构2 9 图4 - 3i l - p 3 b 的曝光时序图3 l 图4 - 4i l - p 3 - b 电荷转移时序图。3 2 图4 5c c d 时序信号驱动原理3 3 图4 - 6 恒流源，3 4 图4 7a d 9 2 2 4 的结构原理图3 5 图4 - 8a d 9 2 2 4 内部参考源设置。3 5 图4 - 9 a d c 调理电路示意固，7 中国科学技术大学硕士学位论文目录 图4 - 1 0e 圳s bf x 2 结构示意图 图4 - 1 1e z - u s b 的端点缓冲区配王 图4 1 2 从属f i f o 模式相关信号 图4 - 1 3r f c l k 的设王 图4 1 4c y c l o n e1 1e p 2 c 1 5 结构图 图4 1 5c c d 时钟计数器工作流程 图4 - 1 6c c d 控制器状态流程 图4 1 7u s b 同步写过程状态机。 图4 - 1 8u s b 同步写过程时序图。 图4 - 1 9u s b 同步读操作过程状态机 图4 2 0u s b 同步读操作过程时序图。 图4 - 2 1p c b 板示意图 图4 - 2 2 采集系统应用软件界面。 图4 - 2 3c c d 信号显示 图4 - 2 4 单象素工作模式。 4 0 4 l 4 2 4 3 4 5 4 7 4 8 4 9 5 0 图4 - 2 5a d c 测试模式 图5 - 1 测试系统示意图 图5 - 2 输入正弦波的测试频谱图 图5 3 放大后频谱的主峰 5 4 。5 6 。5 6 图5 4c c d 时钟信号c r l 全图5 7 图5 5c c d 时钟信号c r l 局部放大5 7 表4 - 1i l p 3 b 的偏置电压。 表4 2i l - p 3 - b 控制信号和时钟信号特性 表4 3f x 2 部分寄存器设置 表4 - 4f p g a 的可用资源。4 5 表4 - 5 系统电源一览5 1 表5 - 1 系统参数测试结果 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：三盘盈 力卿年够月2 6 日 中国科学技术大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 高能物理探测器系统由各种子系统组成，高数米，重数百吨。在探测器之后是由电子学 和计算机组成的触发和数据获取系统。以及靠近探测器的前端电子学系统。一次对撞所产生 的反应的总数非常巨大，其中只有物理学家感兴趣的反应，即所谓“好事例”才被记录下来。 触发电路经过多级过滤，层层筛选出可能的好事例而又要不丢失任一个好事例，所以电路 速度要非常快。触发和数据获取系统是高能物理实验中的一个重要组成部分。也是各种先进 的电子学和计算机技术的会聚点 1 1 高能物理实验的电子学的特点和挑战 高能物理实验的电子学，是在核电子学的基础发展而来的。现在的探测器都采用大规模 的电子学系统来满足对各种粒子信息的测量。高能物理实验常常有成千上万的信号通道，要 将所有这些通道的信号进行放大、驱动、成形、触发判选、数字化、在线处理，记录并保证 各部分之问能正常协调工作，所需电子学系统的规模是非常庞大的【l 】。一般来说，从探测器 的信号输出到所需的数据最终被记录到磁带上，所需的电子学系统大致有如下几部分：前 端线性电路，接受和传送探测器的输出脉冲，这些脉冲中有粒子的各种信息，如幅度，电荷 量，时间等等；触发判选系统，它根据各种探测器提供的信息问的关联，对事例进行初步判 断。选出满足某种物理条件的事饲；数据获取系统，数据获取系统的作用是对满足快触发和 次级触发选择的事例的各种模拟量( 电荷量，时间间隔等) 数字化，并将数据传送到在线计 算机系统中进行在线处理和存储；监枧和控制系统。包括对探铡系统的各种运行参数的监视， 更重要的是要定期地对探测器的性能进行刻度。为此需要组建在线和离线的刻度系统，如图 1 1 所示。 图1 1 高能物理实验系统 基于以上的实验内容，以及试验系统的功能，高能物理实验中的电子学系统具有如下一 1 , 2 基于c c d 的前端电子学方案基于c c d 的数据采集系统设计 些特点： 高速电路的应用：在高能物理实验中常用的各种电子学单元对输入脉冲的响应和输 出脉冲的上升时间都在纳秒量级，重复频率高达数百兆赫： 标准化仪器和总线系统：电子学仪器的标准化使电子学设备便于互换，也便于厂家 生产，降低成本； 大批量生产：高能物理实验规模大、花钱多，其中电子学仪器占的比重有时达三分 之一左右 电子学系统应有高的稳定性和可靠性：特别在研究一些稀有过程时，为要获得足够 好的统计精度，常常要进行数月甚至数年的数据累积，而且电子学插件的数量庞大， 因此，所有的仪器的稳定性和可靠性都极其重要。 由于商能物理实验的不断发展，对探测性能精度的要求越来越商，探测器读出电子学道 数越来越多。已突破1 0 0 万计密集化的电子学通道( a s i c 线路) 的规模1 2 1 。同样在核物理 应用中，闪烁体+ 光电探测的p e d 型的工业c t 或核医学诊断c t ，在位置分辨，动态测量 ( 计数率提高) 的精度不断提高要求下，需要的电子学道数以万计数，涉及的造价不断升级。 而探测灵敏材料的改进，如提高探测效率( 重材料) ，提高位置精度( 小颗粒探测单元) 、提 高响应速度( 快发光) 等，所带来的成本增加，与电子学部分相比并非是主要部分，更多的 造价升级比例都显现在电子学通道上 1 2 基于c g d 的前端电子学方案 近几年，半导体工艺、通讯和光成像技术的飞速发展。给传统电子学也带来了新的技术 手段，构造了这些技术的交叉应用本论文将介绍的基于c c d 的数据获取系统就是这种交 叉应用的一个例子。在这个方案中，利用了c c d 器件的模拟存储功能。加上后继的高速模 数变换电路- 将传统电子学方案中每个通道分别变换的方法，改为多个通道的探测器输出共 用一个a d c 变换电路也就是多个通道的探测器输出分时复用一个a d c 变换电路。通过 这样的安排t 可以在很大的程度上简化探测系统中的电子学部分。图1 2 给出了一个基于 c c d 的数据采集方案的原理框图 2 图1 - 2 基于c c d 的数据采集方案 中田科学技术大学硕士学位论文第1 章绪论 在高能物理实验以及核物理实验中，有的探测器可以直接输出光脉冲信号，如果光信号 比较微弱，可以通过像增强器进行放大。对于输出为电信号的探测器，可以在紧接探测器的 地方将信号放大到可以驱动l d ( 激光二极管) 的大小进行电光转换，这样我们就从不同 种类的探测器得到了光信号输出，然后通过光纤传输到采集卡，如图1 2 所示。 在光纤的另一端用c c d 器件接收光脉冲信号。通过机械装置对光纡进行定位，使得每 一根光纤对准到c c d 一个或多个感光象素上面如果用来传输信号的光纤直径小于象素 的尺寸，就可以让每根光纤分别对准一个象素；如果光纤直径大于象素的尺寸，可以将每根 光纤对准感光区域里的多个象素，数据处理时，再将这些对应于同一根光纤的象索的输出信 号联系起来。这样，c c d 器件的每一次曝光，就同时记录了大量通道的探测结果。通道的 具体数量由c c d 器件的象素规模决定 c c d 将输入的光信号转换为电信号以后存储在器件内部，在控制信号的操作下，这些 记录了光脉冲强度的模拟信号从c c d 的输出端口串行的输出，经过模数变换，最后记录和 保存下来 初看起来，这个新的方案在传统的前端系统里插入了一个“电一光一电”的变换过程， 增加了系统的复杂程度，而且在每一步的变换过程中，都有可能引入新的噪声和非线性。但 是，这是从单路信号的传输和探测的角度来看的，在系统级的尺度上，这个基于c c d 的数 据获取方案。在复杂程度，系统造价等方面给传统电子学方案带来很大的改善。 前端电子学 记 录 保 存 前置处理电路 目1 3 传统电子擎方案 一个高能物理实验数据获取系统的传统电子学方案如图l - 3 所示，与图1 2 所示的基 于c c d 的方案相比有着两处显著的不同。 首先，探测器输出为电信号，通过电缆传输到远端f e e ( 前端电子学系统) ，进行幅度 测量或者时问测量，图中所示的为幅度测量。光纤传输与电缆传输相比，体积小。重量轻的 特点。而且更为重要的是，光纤传输具有很强的抗干扰能力，这一点对于现场电磁环境复杂， 干扰强的高能物理试验来说，具有很大的吸引力。光纤还具有价格便宜的特点，例如标准的 通讯光纤，芯径1 0 0 u 、5 0 u 类的。每米的价格逶常在0 , 3 0 5 元，这要小于电缆的通常价格， 如果系统中采用的是差分电缆，那么使用在电缆上的花销将更高。 另外，每一路探铡器的输出信号都对应一个单独的前端电子学系统。两种方案相比，图 3 1 2 基于c c d 的前端电子学方案基于c c d 的数据采集系统设计 l - 3 的方式显然更加的复杂，而在基于c c d 的方案中。许多路的探测器输出共用一个前端 电子学( a d c 变换电路，以及后继的数据缓存) 模块。比如在电路中引入一片5 1 2 象素的 c c d ，就可以把5 1 2 个通道的信号集中到一片a d c 的交换电路中，节省了5 1 1 片a d c 芯 片，而且一片c c d 的价格远小于5 1 1 片a d c 的价格。 在基于c c d 的方案中，一个重要的问题就是对数据吞吐量的考虑。首先。绝大多数c c d 器件的输出都是采用串行输出的方式，这就需要在下一次曝光时刻来i | 蠡前，把内部所存储的 电荷信号全都输出到后继电路中所以，不能只追求系统的高集成度，只考虑c c d 芯片的 象索容量，还必须结合系统工作环境的事例率和c c d 的工作时钟频率。其次，由于将数量 庞大的数据通道集成到了一块采集卡上，所以，及时的把这些数据传送到主机也是一个很大 的考验，这就需要在接口设计时，尽量丢弃无效的信息，或者对数据进行压缩。才能充分的 利用总线系统的带宽。 一个对单片c c d 器件的象素容量和数据传输速度的折中方案，是采用多片小象素容量 的c c d 器件，如图1 4 所示。图中省略了前端的探测器输出，以及光纤传输的部分。通过 这样的安排，可以在采集系统输入输出吞吐量之间达到一个平衡。 4 图1 - 4 使用多片小客量c c d 的方素 中国科学技术大学硕士学位论文第2 章图像传感器的基本原理 第2 章图像传感器的基本原理 图像传感器属于光电产业里的光电元件类，数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速 发展，市场、业界以及日常生活中应用的需求都促进着当前图像传感器技术的发展。 图像传感器的历史可以说非常的悠久；早在1 8 7 3 年，当时科学家约瑟美( j o s e p hm a y ) 和史密斯( w i l l o u g h b ys m i t h ) ，就发现硒元素结晶体在感光后能产生电流，这是电子影像发 展的开始。以后陆续有组织和学者研究电子影像发明了几种不同类型的图像传感器。其中 重要的发明有2 0 世纪5 0 年代诞生的光学倍增管( p h o t om u l t i p l i e rt u b e ，简称p m t ) 和7 0 年代出现的电荷耦台装置( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 。简称c c d ) 2 0 世纪末，又有互补氧化金属半导体图像传感器( c m o si m a g es e n s o r ) 、接触式图像 传感器( c o n t a c ti m a g es e n s o r ，简称c i s ) 和l b c a s t 传感器系统( l a t e r a lb u r i e dc h a r g e a c c u m u l a t o r , s e n s i n gt r a n s i s t o ra r r a y ) 三种新型的图像传感器相继问世。其中，c i s 和 l b c a s t 都是基于c m o s 技术的传感器。c i s 技术通常只用于扫描仪，c i s 扫描仪将光源、 聚焦镜片及感应器一同固定于一个外罩内。不须调节、预热，所以比c c d 扫描仪起动快， 同时c i s 扫描仪体积比c c d 扫描仪更小，制造成本也更少。l b c a s t 是尼康从1 9 9 3 年开 始研发的一种新型传感器，它是被用来作为取代c c d 的摄影元件。着眼于c m o s 的未来发 展，进行了自主改进。和c o m s 一样，l b c a s t 也使用了x y 图像寻址放大方式来读取信 号，这使其色彩的动态范围相对于c c d 丽言更大，而由于使用了小的w e t 集成电路结构 来进行光电信号的传输，贝l j 使信噪比相比c o m s 有了很大的提高，并因此有效控制了图像 噪点，而在传输速度上也由于使用了独立的管线流水线而更为迅速。 2 1c c d 和c m o s 图像传感器的历史和发展 c c d 是由美国贝尔实验室( b e l l l a b ) 最先于7 0 年代提出的p 】，当时的主要的目是把它 作为磁泡存储器件( m a g n e t i cb u b b l ed e v i c e ) 的一种替代品。c c d 器件可以将当前的光信 号转换成电信号，然后保存在内部等待后继的获取，这就体现了它作为一种存储器件的能力， 伴随着半导体集成工艺得发展，可以提供一个小体积和相对便宜的存储方案。 天文学家最早将这种技术引入了实用领域，1 9 7 3 年美国的j e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y 研 制了一款面阵c c d 器件，并且应用在巡天望远镜系统中。由于与胶片技术相比，能够观测 到宇宙中更加遥远和微弱的光线，天文领域对c c d 器件的需求大幅的增加，而且c c d 的 感光速度比胶片技术要快1 0 0 倍以上，所以可以在短时间内获取大量的数据。几年以后，天 文观测领域的各种仪器基本上都采用了革新的c c d 器件。随后。c c d 器件在很多其它的科 研领域也获得了迅速地推广，例如显微镜和光谱学。进入8 0 年代以后，c c d 图像传感器虽 然有缺陷，但通过不断的研究终于克服了困难，于8 0 年代后半期制造出高分辨率且高质量 的c c d ，到了9 0 年代制造出百万像素的高分辨率c c d 器件，而且应用领域也进一步扩展 到工业和消费产品。 在图像传感器的领域里，c c d 一直占据着主导的地位。但是。近些年以来随着移动 2 1c c d 和c m o s 图像传感器的历史和发展基于c c d 的数据采集系统设计 图像采集，数字照相机和录像机，网络会议，监控系统以及生物鉴定需求的不算增加半导 体图像传感器的市场需求经历了一个爆炸性的增长。得利于c m o s 图像传感器技术的不断 进步，在像光电鼠标、p c 摄像头等高产量的产品和许多高端的照相机都已将c m o s 图像传 感器作为一种可选的方案。更为重要的是，通过把模拟和数字处理电路集成到每一个象素里， c m o s 图像传感器的性能将得到大幅的提升。 图像传感器是图像采集系统里的核心部件各种图像通过光学系统聚焦到传感器的表 面传感器可以是线型的也可以是面型由具体的应用决定如果是彩色的图像传感器，在 传感器的表面还会覆盖一层色彩滤波器。还可以通过在光探测器前集成一个透镜的阵列来提 高传感器的感光效率，如图2 i 所示，在断层扫描图中可以看到一个透镜阵列和一个色彩 滤波器阵列。 早期的半导体图像传感器是由m m ，f a i r c h i l d 等在6 0 年代后期提出的l ，i 采用的是双 极性工艺和m o s 工艺。但是在7 0 年代发展起来的c c d 模拟存储技术，迅速地成为了图像 传感器的主流。尽管在8 0 年代的初期，又提出了几款新的m o s 技术l 虱像传感器，但是目 前的c m o s 图像传感器是基于v l s iv i s i o nl t d 和t h ej e tp r o p u l s i o nl a b o r a t o r y 在8 0 年代中 期以后所提出方法。 到了9 0 年代初期，c m o s 图像传感器技术还主要是采用无源象素的模式 6 1 ( p a s s i v e p i x e l s e n s o r , p p s ) ，当时的c m o s 半导体工艺技术水平还只能在一个p p s 象素尺寸的空问里集成 单个的晶体管和三条互联线。p p s 器件的性能和c c d 相比还是存在着比较大的差距，所以 限制了它只能使用在一些较为低端的应用里。提出于1 9 6 8 年的c m o s 有源象素传感器 ( a c t i v ep i x e ls e n s o r , a p s ) 也于9 0 年代再次激起了人们研究的兴趣。通过研究发现，如 果在每个象素里增加一个放大器，将使图像传感器的速度得到很大的提高而且还可以提高 它的信噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) ，从而克服了p p s 传感器技术的缺陷。随着深亚微 米c m o s 半导体工艺和集成微型透镜技术的出现，a p s 图像传感器真正成为了一种可实现 的技术，充分采用半导体技术的进步，还可以将d s p 也集成到单片传感器内部，为每个象 素提供一个a d c ，大量并行的变换器和输出通道将使a p s 器件获得一个很大的动态范围。 6 图2 - 1 图像传感器横断面扫描 中国科学技术大学硕士学位论文第2 章图像传感器的基本原理 2 2c c d 和c m o s 图像传感器的原理和特点 c c d 和c m o s 图像传感器都是将光信号转换为电荷，再通过处理，输出电信号的器件。 在c c d 器件中，所有象素的输出信号只能通过数量很少的输出端口( 通常情况下只有一个) 进行转换，从而得到电压信号，通过驱动电路。最后才以模拟信号的形式输出到器件外部。 所以，每个象索的任务只是获取光信号，所有的电压转换和输出驱动都由同一个( 或是为数 很少的几个) 电路完成，这就使得c c d 器件具有很高的一致性，而这一特性是对于采集图 像的质量来说是一个关键性的因素。c m o s 图像传感器的每一个象素都有专门的电压转换 电路，通常这种传感器中还有放大器，噪声修正以及数字化电路，所以它最终输出的是数字 信号。这些附加的功能增加了器件设计的复杂性。同时也减小了器件感光面积。每个象素独 自变换，使得c m o s 器件象素问的一致性受到损害。但是这种器件工作所需的外围电路与 c c d 相比，得到了很大的简化 2j 2 1c c d 器件的工作原理和特点 二维的c c d 器件( 面阵c c d , a r e ac c d ) 可以看作是一个电压井的阵列1 7 l ，这个阵列 的内部又可以分为一个个单独的列，如图2 - 2 所示，在列和列之间有一片分隔区，以防止 不同列的信号相互干扰。每一列又被分为许多小单元，每个小单元就被成为一个象素，每个 象素负责存储通过光信号转换得到的电荷，如图2 - 2 所示的c c d 中，共有5 1 2 个列，每一 列共包含5 1 2 个象素。这个二维的象素阵列被成为并行寄存器( p a r a l l e lr e g i s t e r ) 。聚焦在 并行寄存器上的图像，就在这些寄存器内产生了一个电荷的组合，而这些电荷的大小正比于 照在对应象素上的光的强度和曝光的时间。 输出放大器 _ 一 呈 高 图2 2 面阵c c d 的示意图 完成一次曝光以后，c c d 在控制时序信号的操作下把所有并行寄存器中的电荷都往串 行寄存器( s e r i a lr e g i s t e r ) 的方向平移一个寄存器，这就把位于并行寄存器顶端的电荷信号 移进了串行寄存器。电荷信号进入串行寄存器后，依次地向输出放大器移动输出放大器把 7 一eeqoo一exjdn鬲 2 2c c d 和c m o s 翻像传蓐嚣的原理和特点基于c c d 的数据采集系统设计 这些信号放大到方便外部测量的幅度后输出输出幅度的大小正比于电荷包中电荷的大小。 所以c c d 器件的电荷转移效率是一个重要的参数，特别是对于十万级，百万级象素的器 件，在位置上远离输出放大器的象素，每次输出的电荷信号都要经过千百万次的操作才能最 终输出，这时，器件的电荷转移效率问题就更显得突出。 串行寄存器一 工叫扮跏 i 输 出 端 ( a )( b )( c ) 工酬卜 眇皿 ( e )( o 图2 3 c c d 输出过程 图2 - 3 显示了c c d 电荷移动和输出的过程，从图中可以清除观察到输出操作中的并行 移动和串行移动的过程。( a ) 是c c d 曝光以后的情景，聚焦到象素表面上的图像在象索的 阵列中产生了一个电荷的组合，这些电荷被存储到并行寄存器中：( b ) 图中。所有并行寄存 器中的电荷都向上移动一个单元，原先位于顶端的寄存器中的电荷被移进串行寄存器中；( c ) 和( d ) 显示了第一个串行寄存器中的电荷被移动到输出放大器，放大缓冲后输出的过程； 图( e ) 和( f ) 是第二个寄存器中的电荷输出的过程。串行寄存器中的电荷被完全输出以后， 将从并行寄存器中输入下一组数据知道并行寄存器中所有的数据都输出以后，c c d 器件 才能进行新的曝光。 c c d 器件的结构 最简单的c c d 图像传感器结构是线型c c d 器件( l i n e a rc c d ) ，在这种器件中，只有 一排光电二极管( 光探测器) 。变换以后的电荷直接存储到唯一的串行寄存器中，然后在通 过变换输出当传感器的象素较多时，就需要一个很长的串行寄存器，降低了传感器信号输 出的速率。为了克服线型c c d 的这个缺点，可以为串行摊列的光电二极管多分配几个输出 寄存器( 串行寄存器) 。当曝光以后。把各个象素得到的电荷分别存入不同的寄存器中，每 个寄存器通过自己的输出端同时输出数据。这种方式既减小了c c d 输出信号的耗时。改 善了器件的探测速率州，也缩短了输出数据在器件中移动的路程，握高电荷转移效率。田2 - 4 所示为线型c c d 的结构示意图，( 8 ) 所示为普通的线型c c d 器件，( b ) 图是一个具有两组 8 中国科学技术大学硕士学位论文 第2 章图像传感罂的基本原理 输出寄存器的线型寄存器( h i - l i n e a r c c d ) 感光单元 串行寄存器 输出 串行寄存器 输出 输出 串行寄存器 ( a )( b ) 图2 4 线型c c d 的结构 面阵c c d 的结构可以参见图2 - 3 ，从图中可以看到，每次操作只能从并行寄存器中取 一个信号。对于这种结构，如果面阵的规模较为庞大，输出一幅图像就需要等待很长的时间。 在等待输出的过程中。存储在并行寄存器中的电荷可能会受到器件偶然感光的影响，使得最 后输出的信号不再真实地反映曝光时可的图像特征。为了克服这种缺陷，可以在每个并行寄 存器的正下方放置一个存储器，每次曝光结束以后，先把所有的电荷都快速的从寄存器移动 到存储器中，然后再从存储器中输出如图2 - 5 所示。为了简化，把位于并行寄存器下端 的存储区域显示到了同一个平面上，这种结构也被称为帧扫播c c d ( f r a m e t r a n s f e r c c d ) 。 稚 啦 稚 靶 棘 图2 - 5 帧扫描面阵c c d c c d 器件的工作时序 c c d 器件的工作通常需要多个有固定相位关系的时钟信号协同操作，才能控制电荷在 寄存器中按照一定规律的移动。 如图2 - 6 ( a ) 所示是一个4 相位时钟的c c d 器件，每个象素对应得寄存器中有4 个控 制电荷移动的门相位依次相差9 0 。的4 个时钟信号分别连接到这些门上，即f l ，f 2 ，f 3 和 f 4 端。在任意一个给定的时刻，这四个门中总有两个存储电荷，两个作为限制电荷随意移动 的壁垒。开始时，最右边的门为高电平这使得电荷存储区向右延伸了一个门的宽度，寄存 器中的电荷在开始向右移动，直到遇到壁垒的阻挡；同时最左边的门切换到低电平，从左边 9 2 2c c d 和c 帕s 图像传感器的原理和特点基于c c d 的数据采集系统设计 缩短了电荷存储区，迫使电荷向右流入新的存储区；这一操作过程的结果就是存储的电荷向 右平移了一个门的宽度。再经过3 次类似的操作，电荷就在器件中朝一定的方向移动了一个 象素的距离，连续的输入时钟脉冲。电荷就可以在寄存器阵列中定向的移动。 图2 - 6 ( b ) 所示是一个2 相位时钟的模式，这种模式限定了电荷只能朝一个固定的方 向移动。从而较大的简化了时钟系统。每个象素还是需要4 个控制门。相邻的两个门连接成 一对，在每一对门中，其中一个沉积了较多的n 型离子。当把这一对门控信号连接到同一 个电平时，具有较多的n 型离子的门的下方将具有较高的电压，在局部形成一个电压的阶 梯。所以电荷只能朝一个固定的方向移动。二相位模式最重要的特点就是对时钟相位的依赖 性减弱，比4 相位模式具有更强的适应性。 幽一 厂_ 、嚣r t i 鏖童r 广厂 d 睦型 b i _ - 窭、。 厂 霎门t i 瞳囊r r l 厂1 圜d倒 。、一 ，o 图2 - 6 c c d 的时钟相位 c c d 器件的主要参数 c c d 的正常工作通常需要多个直流供电和参考电平，为了能使c c d 能工作在一个比较 好的状态下，这些直流电亚都需要具有较高的稳定性。采用稳压芯片来供电也是必要地，对 于一些器件，还需要这些电压具有可以调节的功能，以改善c c d 的性能。 除了直流电压，c c d 器件还需要一系列的时序控制信号这些信号通常都是一些周期 性的脉冲信号，控制着器件的曝光时间，驱动电荷在器件内部的移动，为了保证电荷在移动 的过程中不会失真比如在寄存器中移动时电荷既不会增加也不会损耗，这些脉冲信号需 要具有较大的负载驱动能力。同时脉冲的幅度也需要较高的稳定性。 c c d 器件输出信号的典型波形如图2 - 7 所示，在输出信号中有一个直流偏置电压，输 出信号的幅度可以通过偏置电压和输出电压相减得到。饱和电压( v s a t ) 是输出信号保持 线性的最大范围，在饱和电压的范围以内。c c d 输出信号的幅度正比于寄存器中所积累的 电荷数量。在有的c c d 器件中，输出饱和电压可以通过外部的参考电压设定对于普通的 工作模式，饱和电压决定于象素收集电荷能力的线性范围：有的工作模式需要把多个象素中 的电荷集中到一个寄存器中，这时决定饱和电压的因素除了象素收集电荷的能力之外，就还 必须考虑寄存器的存储能力和电荷传输效率。 1 0 中国科学技术大学硕士学位论文 第2 章图像传感器的基本原理 寄存器的存储能力( f u l lw e l lc a p a c i t y ) 是指用来转移电荷的各个寄存器，在不发生电 荷泄漏的情况下所能存储的电荷的最大数量。对于面阵c c d 器件，由于包括并行寄存器和 串行寄存器两种寄存器，所以就需要分别考虑它们的存储能力，寄存器阵列中具有最小存储 能力的寄存器决定了能在c c d 器件输出端得到的最大信号。 图2 7c c d 输出信号示意图 灵敏度( r e s p o n s i v i t y ) 是用来描述c c d 器件输入光信号的强度和输出信号之间对应关 系。显然它会随着光信号波长的变化丽变化，是频率的函数。公式2 - 1 是灵敏度的一种计算 方法，o s 表示c c d 的输出信号，h ( ) 表示波长为 的输入光信号强度。 r e ( a ) = 而a o s 2 1 电荷转换效率和电荷传输效率是影响图像传感器灵敏度的重要因素。电荷转换效率 ( c h a r g ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , c c e ) 是指到达c c d 传感器器输出端的每个电荷所引起的输 出信号幅度的变化，输出信号的幅度与电荷转换效率相除可以得到到达输出端的等效电荷数 量电荷传输效率( c h a r g et r a n s f e re f f i c i e n c y , c t e ) 是电荷在寄存器间转移时，从一个寄 存器到下一个寄存器转移的电荷所占的比例。电荷转移效率不仅与传感器的内部结构有关， 还受到控制时序脉冲信号的频率和特性的影响。为了使c c d 得到最好的性能，各个时序控 制信号都要达到器件数据手册上的要求。 在理想的情况下，如果没有光信号输入，c c d 就应该没有输出信号，但实际的情况并 非如此。暗电流( d a r ks i g n a l ) 就是描述这种由器件内部而非外部光信号产生的信号，暗电 流随温度的升高呈指数增长的趋势，温度每升高t c ，它的幅度大约会增加一倍，同时它的