高分辨率全帧CCD相机电路系统的设计

    CCD(Charge Coupled Devices)是一种技术成熟应用广泛的图像传感器,已成为高端数字摄像的主导器件.经过30多年的发展,已有厂商生产出具有数千万像素的超高分辨率大面阵CCD,并在航空摄影、数字影楼等要求高分辨率、高图像质量的场合得到了广泛应用,国外已经出现了几种采用这类CCD的超高分辨率数字相机.随着摄影测量数字化的发展,国内对超高分辨率相机的需求正迅猛增长,研制超高分辨率数字相机具有很大的现实意义.本文以2200万像素全帧CCD图像传感器FTF4052M开发平台为基础,设计了一套适用于Dalsa公司大多数全帧大面阵CCD驱动的通用相机电路系统.系统采用CCD专用集成芯片组构成时序发生器、驱动器以及前端处理电路,采用Camera Link接口进行数据输出,满足了高速大面阵CCD的驱动要求,具有可靠性高、调试方便、可扩展性强等优点.制作出的样机成像清晰,工作稳定可靠.

    1 系统的设计和实现

    1.1 系统的组成和基本原理

    系统主要由CCD芯片、时序发生器(PPG,Pulse Pattern Generator)、垂直驱动器(V-Driver,Vertical LineDriver)、前端处理电路(Front End)、Camera Link接口电路、系统控制器(System Controller)以及直流偏置电路(DC-bias)等部分组成,如图1所示.

    系统在控制器的控制下协调工作,由时序发生器产生各种时序信号,由垂直驱动器产生CCD直流偏置电压和垂直驱动电平,由前端处理电路将CCD输出的模拟信号进行放大、相关双采样和模数转换,最后由Camera Link接口电路将数字图像信号进行输出.

    1.2 系统各组成部分的原理和具体实现

    1.2.1 CCD芯片

    系统采用Dalsa公司的全帧(Ful-l Frame)面阵CCD FTF4052M作为图像传感器,分辨率为4008@5344像素,具有四象限对称结构,中间是由感光像元构成的图像区,周围是一圈由遮蔽像元构成的/哑像元区0,顶部和底部是行输出寄存器,4角各有一个输出放大器.每个象限的电荷包可以向不同的方向转移,转移方向由转移时钟的相位关系决定.拍摄时,CCD图像区在垂直信号的驱动下产生/势阱0[1],将光信号转换为电荷包,之后电荷包在垂直转移信号的驱动下逐行向输出寄存器移动,每移动完一行,输出寄存器中的电荷包在水平转移信号的驱动下依次移动到输出放大器转化为电压输出.有关FTF4052M转移时钟的详细信息见参考文献[2].

    1.2.2 时序发生器(PPG)

    时序发生器主要为系统产生各种时序信号,包括CCD垂直、水平转移时钟和复位信号;APD转换器箝位、相关双采样和转换时钟;Camera-Link接口帧、行有效信号和传输时钟等.系统采用Philips公司的SAA8103作为时序发生器,它是一款专用于面阵CCD驱动的可配置IC.为了得到满足系统工作要求的时序信号,需要编写合适的配置文件,由系统控制器在加电时通过SNERT总线发送给器件,配置的详细信息见参考文献[3].当系统采用不同型号的CCD而要求产生不同的时序时,只需重新编写配置文件写入器件,而不必对硬件进行重新设计.