基于CMOS图像传感器的高帧频相机研制

    1 引言

    波前传感器是自适应光学的一个重要组成部分,由微透镜阵列和图像传感器构成。太阳观测自适应光学系统的探测目标为扩展目标,要求所采用波前传感器具有子孔径多,孔径动态范围大,分辨率高的特点,为实时校正大气湍流误差,波前传感器还需要具有较高的系统采样频率,因此要求波前传感器采用高分辨率、高采样率的大靶面波前探测器。目前,常用的图像传感器主要是CCD和CMS。CCD具有灵敏度高,噪声低等优点,但是高帧频CCD的图像分辨率相对于CMOS器件低,并且大靶面高帧频的CCD探测器价格高昂。美国国家太阳天文台在自适应光学(AO)76系统中用MICRON公司生产的MI-MV13 CMOS图像传感器作波前探测器,但文中并未介绍该相机的具体实现。本文亦采用这款图像传感器,设计和实现了CMOS图像传感器的控制电路、输出电路及外围电路,建立了适用于太阳自适应光学的高帧频相机。

    2 系统设计

    如图1示,相机系统由CMOS图像传感器芯片、控制电路、输出电路和外围电路组成。CMOS芯片是相机成像的部件,相机通过CMOS芯片获取外部物体的图像信息并输出数字信号的图像数据;控制电路是相机正常工作的关键,控制电路驱动CMOS芯片工作和设置相机的帧频、曝光时间等外部参数;输出电路为图像数据的输出接口,用于连接外部设计,实现对CMOS芯片输出图像数据的采集和实时处理;外围电路提供相机的工作电源、时钟、模拟端的偏置电压和旁路电容。

    2.1 MI-MV 13 CMOS芯片

    本文使用的图像传感器是美国MICRON公司生产的MI-MV 13 CMOS图像传感器。它是一款高度集成的单芯片 CMOS图像传感器,具有高帧频(>500fps),低功耗(<500mW),大靶面(1280H×1024V)和单一3.3V电源供电的特点。当主频为 66MHz时,数据率660Mbps,动态范围59dB,快门时间范围10μs—33ms,片内集成10bit自标定、全数字接口的 A/D 模数转换器。且输出为 10 个 10bit 并行数字输出端口。

    2.2 控制电路

    控制电路是相机设计中的重要部分,针对MI-MV13 CMOS图像传感器,设计所需的控制驱动时序信号。

    如图2所示,MI-MV13的驱动时序分成行时序和帧时序两个部分。行时序控制每行1280个像素的输 出 ,10 位ROW_ADDR行地址总线输入选择读出的像素行,ROW_STRT_N号开始从像素行读模拟数据、数字化并存储在 ADC 寄存器中,当这一系列工作完成后,芯片送出ROW_DONE_NDATA_READ_EN_N信号有效时,LD_SHFT_N信号低电平有效,开始从ADC寄存器转移数字数据到输出寄存器,DA－TA_READ_EN_N信号使输出寄存器输出数据使能。DA－TA_READ_EN_N置低电平两个时钟后开始新的像素行读出和转换循环。在新的行转换的同时允许前面转换的数字信号读出,因此一行的时间是ROW_STRT_N信号开始到ROW_DONE_N信号返回,或LD_SHFT_N和DATA_READ_ EN_N信号有效期加上两个时钟周期。根据选择的图像靶面位置,控制需要读出行的行地址,当所选行数据均输出后,便完成了一帧数据的输出,即构成了一个完整的帧时序。由于帧时序由行时序构成,当靶面行数确定,相机帧频也随之确定。本文选取靶面为 128×128,则只需输出128行数据,便完成一帧数据输出,同时也可确定帧频。