高灵敏度TDI线阵CCD图像系统研究

　　线阵CCD是一种半导体光学成像器件，由于其体积小、高分辨率、高精度、稳定性好、抗震动、抗电磁干扰等优点，已在工件尺寸测量，工件表面质量检测，物体热膨胀系数检测，以及图像传真，摄像机，智能传感器等方面得到了广泛的应用。但是传统的线阵 CCD器件对于高速低照度的应用情况往往由于灵敏度的原因，图像曝光不足，模糊难辨，尤其对于使用线阵 CCD作为检测手段，更是增加了检测的难度，降低了检测的精度，为此通常采用高强度的光源照射，这又提高了系统的复杂度和成本，而对于不能使用光源的场合来说，必须另辟蹊径。有鉴于此，本文通过采用 DALSA公司的具有 TDI(Time Delay and Integration) 功能的线阵CCD作为图像传感器，研制出高灵敏度的线阵 CCD相机。TDI 功能是基于多重曝光的原理，使线阵CCD 对同方向的同一运动物体进行多重曝光，这相当于增加了在低照度、高速运动物体上的曝光的时间，提高了图像的清晰度，大幅度提高线阵 CCD的灵敏度。

　　1 相机系统工作原理及工作过程

　　具体相机的系统结构如图1 所示，它一共分为光学系统、IT-F6 芯片、时序驱动模块、数据采集模块和电源系统模块五部分，具体工作过程如下：物体影像经光学系统的 60mm镜头进入 IT-F6 的镜面，时序驱动模块提供 IT-F6 所需要的 CIx, CRx, TCK, RST等信号，同时电源系统模块产生各种独立电源 VDD,VBB,VOD,VSET,VGR 供给 IT-F6 以提高系统的抗干扰能力，最终输出的电荷数据由 OSn 端经差动放大器进行放大、A/D变换后送入 PCI 采集卡进行采集和数据处理。

　　2 IT- F6 线阵CCD 芯片

　　IT- F6 TDI 线阵图象传感器是 DALSA 公司的高灵敏度产品如图 2 所示，具有 13μm(H) x 13μm(V)的像素大小，最高数据输出速度可达 20MHz，动态范围3600:1，96 级 TDI 把单个线阵的曝光时间提高了 96倍，镜面尺寸为 2048×96。由于芯片采用了 TDI 的功能，因此饱和输出的积分时间有了很大的减小，而灵敏度有了相当的提高，如图3 所示。

　　TDI 的运行需要和四个图像时钟信号 CI1-CI4 同步，TDI 级的传输应与这四个图像时钟信号同相。当图像垂直从一个线到下一个线的时候，图像在上一个线阵所产生的电荷就会同步的传输的下一个线阵中，最后的输出级收集所以这些电荷，这就是TDI 的基本原理，IT-F6 具有 96 级的 TDI，从理想的角度来看，灵敏度应该比单线的时候提高96 倍。特别地，TCK接口信号位于成像区域的 CI4 和读出寄存器的 CR1，当 TCK信号具有一个高电势时，感光像素产生的电子就会传送出去。

　　3 时序驱动模块

　　时序驱动模块包括两部分：CPLD 器件和时序驱动器件，CPLD 用于产生 IT- F6 所需要的时序信号，如图4 所示，满足时序信号严格的时间规范，但是这些信号基于 5V TTL 电平，不满足 IT- F6 对时序信号电平的要求, 即高电平+12V，低电平 0V，同时 IT- F6 的时序信号输入端的电容很大，因此需要增加电平转换和驱动电路。本系统采用AD 公司的模拟开关ADG1213，如图 6 所示，实现电平之间的转换同时起到驱动信号的作用，该开关工作电压最大 33V，导通电阻120 欧姆，工作频率 700MHz，由于IN1~4 的控制电压是5V TTL 电压兼容的，因此CPLD 的输入信号从INPUT 输入，转换信号从OUTPUT 输出，对于频率高达 20MHz 的 CRx 和 RST 信号仍能高速输出。 虽然系统的时序驱动原理已如图 5 所示，但是在电路运行过程中，尤其在时序信号的 1- 0 转换时，存在暂时的短路，这会带来很大的噪声，因此对该电路的滤波和布线提出了严格的要求。