TDI CCD相机的总体设计

    1　引　言

    时间延迟积分(Time Delay Integration,TDI)是一种线阵扫描方式,是基于对同一物体的多次曝光累加的概念发展而来的。它比常规扫描方式具有更高的灵敏度,在一定的光照度条件下,可以提供更高的扫描速度,或者在很低的照度下按照常规速度进行扫描。另外,由于其输出信号是多级电荷累加的结果,因此对器件的光响应不均匀性不敏感,从而提高了信号的信噪比。

    2　TDI芯片结构及扫描原理

    我们所选用的TDI芯片是加拿大DALSA公司2048像元的IL-E2,该系列芯片采用埋沟道CCD移位寄存器以获得高达20MHz的输出速率,同时提高了视频信号的信噪比,而且动态范围达1600∶1,其结构如图1所示。中间为成像区域,成像区域每一行的两端各有两个遮光单元和两个隔离单元,顶部和底部各有一行隔离区域。时钟CI1-CI4实现光生信号电荷的级间转移,由于采用四相时钟,每两个信号电荷包之间有双重势垒隔离,有助于提高电荷转移效率;CR1-CR2实现信号电荷的读出;TCK控制光生电荷从光敏区向水平读出移位寄存器转移,同时实现CI4和CR1之间的接口;CSS6-CSS48是积分级数选择端,该系列芯片既可以96级全部参与积分,也可以只有一部分参与工作。输出端采用常见的浮置扩散放大器结构实现光生电荷信号向电压信号的转换,结构简单,温度敏感性小,并利用两级射随器提高带负载能力。TDICCD属于线阵CCD器件,成像时要借助外部的机械扫描机构。下面以四级TDI器件的扫描成像过程说明其工作原理。

    TDI扫描成像示意图如图2所示。刚开始工作时,TDI的第四级处于被摄物体第一行,曝光累积的电荷为Q1,其余三行累积的无效电荷假设为Q0。第二次扫描时,TDI向上移动一行的距离,第四级曝光物体第二行,累积电荷为Q2,而上次累积的电荷Q1转移到第三级。第三级曝光物体第一行,累积电荷为本次曝光的电荷Q1加上第四级转移过来的电荷Q1,总共为2Q1。第三次扫描时,TDI器件再向上移动一行,第四级的电荷转移到第三级后,对物体第三行曝光,累积电荷为Q3,第三级累积电荷为第四级转移来的电荷Q2加上本次曝光的Q2,总共为2Q2,第二级扫描到物体第一行,累积电荷为第三级转移来的电荷2Q1加上本次曝光累积的电荷Q1,总共为3Q1。第四次扫描时,TDI第四级移到物体第四行,曝光电荷为Q4,第三级对物体第三行进行曝光,曝光量为第四级转移来的Q3加上本次曝光的Q3共2Q3。第二级对物体的第二行曝光,曝光量为第三级转移来的2Q2加上本次曝光的Q2,总共为3Q2。第一级扫描到物体第一行,曝光量为第二级转移的3Q1加上本次的曝光量Q1,共4Q1。到第五次扫描时,TDI第一级累积的电荷4Q1转移到输出寄存器后往外输出,而第一级此时的累积电荷为4Q2。第六次扫描时,输出寄存器输出4Q2的电荷。以后就按这种方式重复进行。从上述扫描过程可以看出,对于M级的TDI器件,必须扫描M+1次,输出端才得到增强了M倍的图像。前面M次扫描,图像增强幅度达不到M倍。因此实际工作时,必须保证至少有M行的预扫期。由上可知,为了保证所拍摄的景物不失真,在同一帧图像中,必须使各行具有相同的积分时间。