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CCD(電荷藕合組件) 因不同種類的工作需求，業界發展出不同的類型的CCD：Line(線型)，Interline(掃描)， Full-Frame(全景)和Frame-Transfer(全傳)。線型CCD是以一維感光點構成，通過步進馬達掃描圖像，由于照片是一行行組成，所以速度較二維的數碼相機來得慢，這種CCD大多用在平臺式掃描儀上。掃描型的CCD曝光后所產生的電荷都被轉移到附近的移位寄存器，通過垂直傳送向下轉移到底部，按一定排序輸出，它的優點在于曝光后即可將電荷儲存在寄存器，繼續拍照速度較快， 缺點是寄存器占用了感光面的面積， 相應地犧牲了動態范圍，這種CCD成本較低，多用在監視器、拍照手機、或低檔數碼相機上。全景CCD是一種架構更簡單的感光設計，鑒于掃描型的缺點，全景型可以利用整個感光區域(沒有寄存區的設計)，有效增大感光面積，同時也適應長時間曝光，其曝光過程和線型相同， 不過感光和電荷輸出過程是分開的。因此全景CCD的數碼相機在傳送電荷時必須使用機械快門(無法使用電子快門)，同時，也限制了全景CCD的連續拍照的能力。全景型大多用在專業級相機上。全傳CCD的架構介于掃描和全景之間， 有時也叫全掃描型，它分成上、下部分，上半部分是感光區，下半部是暫時存儲區。整體來說全傳CCD非常類似全景CCD，它的特點在于直接規劃一個大型寄存區。一旦全傳CCD工作，它可以迅速將電荷轉移到下方的寄存區中，本身可以繼續曝光拍照。這種設計，讓全傳同掃描一樣可以使用電子快門， 同時也可以增加感光面積和速度， 兼顧動態和靜態的拍攝能力。大多數數碼相機采用此類CCD。 圖1 全掃描CCD的內部結構 一般數碼相機都帶有預覽(Preview)和錄像(Rec)功能，在這里電子快門就起到了關鍵的作用。圖2為電子快門控制像素的曝光過程。 圖2 電子快門控制像素的曝光 圖3為CCD內部示意圖，當一幅圖像曝光后，就需要將感光電荷從CCD輸出，為了讓感光的電荷輸出，電荷先到垂直寄存器，通過垂直驅動脈沖(Φ1~Φ9)將每一行的電荷轉移到水平寄存器，水平寄存器在水平驅動脈沖(ΦH1，ΦH2)驅動下，往CCD OUT方向移動，在末段有一放大器，ΦRS，ΦH1，ΦH2脈沖的作用下將電荷轉換為電壓，從CCD OUT 輸出。 圖3 CCD內部等效電路圖 CDS(相關兩次取樣) 業界所稱的CDS 是由時序發生器(Timing IC)、垂直驅動器(V-driver)、模擬信號處理器(AFE IC)集成的IC。它提供CCD的工作時序、電平并將CCD輸出的模擬信號進行取樣、放大、模數轉換，將圖像數據傳給DSP進行圖像處理。 時序發生器有一個寄存器，通過3根串口線進行各種設定：模式設定(拍照、錄像或預覽)，電子快門和速度，ΦRS，ΦFR,ΦFCDS,ΦFS,ΦADCK,ΦDCLK相位調整，等等。 模擬信號處理器(AFE IC)有一個寄存器，通過3根串口線進行各種設定：CCD輸出信號放大倍數(GAIN)，默認“全黑”時電平，等等進行設定。 相關兩次取樣：在ΦRS，ΦH1，ΦH2脈沖的作用下CCD信號輸出，當復位(RS)完成， 由于CCD暗電流的存在，CCD OUT不是為“0”，FCDS脈沖取樣Vprec。當H2為高電平時，圖像信號輸出，FS脈沖取樣Vdata，兩者的差值就是圖像信號Vcds，這就是相關兩次取樣，如圖4所示。 圖4 CCD的相關兩次取樣 電路設計 本文以某款7百萬像素的數碼相機設計作為說明，CCD采用SHARP公司的RJ23U3BA0FT，尺寸為1/2.5英寸，像素總數為水平3098×垂直2328，有效像素為3088×2320(共716萬像素)，像素單元為1.9mm×1.9mm，支持視頻模式(30幀/s，15幀/s)。CDS采用SHARP公司推薦搭配此CCD的LR38678，工作電壓為3.3V，TG主頻67.5MHz，提供CCD的驅動頻率為33.75MHz。 圖5為電路原理圖， 基本按照廠商推薦值進行設計。CDS的POFD輸出電子快門信號經電平轉換在CCD OFD輸入。此CCD可以工作在不同的模式，見表1(A，B，C，取樣的條數不同)，通過串口設定OFDC，OFDC2電位來達到不同的工作模式表2(錄像、監視和拍照)，在錄像、監視模式，圖像是按一場輸出，1VD一幅圖像，但每幅圖像只是抽取CCD部分條數。當在拍照模式，CCD上全部像素信號都要輸出，一幅圖像是由5幀輸出，1VD對應1幀，具體時序見圖6 CCD時序。CDS將CCD信號AD轉換成D0~D11數字數據傳輸給DSP，同時伴隨時鐘信號，VD，HD信號。 圖5 電路原理圖 圖6 CCD時序 相機的前端系統對電源要求很高，很容易將電源噪聲反應在圖像信號上，一般都選用低壓穩壓器(LDO)，本文使用RT9013-33 LDO，具有極低的自有噪聲和較高的電源抑制比，電流最大值達到500mA。CDS 3組電源中，以TG電源負載最大，工作時負載變化很大，一般選用較低ESR 47uF以上的鉭電容，假如此路電源處理不當，會出現豎條紋。-7V和+13V也要求較低的紋波。 本文采用晶振電路能夠滿足要求 零件擺放和走線(LAYOUT)，CCD前端系統是數碼相機的心臟，是像的來源，在系統設計中處于優先考慮的位置。CCD和CDS按盡量靠近的原則。CCD輸出的信號，工作頻率達到33.75MHz，路徑要短，最好在同一層，線周圍不但要包地，PCB板上、下層也要鋪地，避免受其它信號源的干擾和干擾其它信號源。CCD其它信號線H1,H2,RS,工作頻率33.75MHz,也要同CCD輸出信號一樣處理。前端系統的CCD GND,同相機系統的GND要單獨分開， 避免數字地的影響。相機尺寸朝小型化發展,在系統的設計中, 前端系統盡量遠離其它干擾源,或預先屏蔽。 由于LAYOUT 和零件差異性，CCD前端系統需對高速信號H1，H2，RS，ACLK，DCLK，FCDS，FS相位調整，以便正常工作，獲得最佳的圖像信號。用示波器觀察波形調整， 要注意選擇合適探頭測試。 調整CDS的DCLK相位，使傳輸DSP的時鐘數據線同步。假如不能同步，DSP接收不到正確的圖像信息。此CDS上沒有對H1，H2相位的調整，只能通過外部電路調整串聯電阻阻值。廠商對H1，H2，RS提供建議值，假如H1，H2偏離標準值，會造成圖像信號傳輸不完整，影響圖像質量。 調整RS，ACLK，DCLK，FCDS，FS相位，都是通過串口改變TG寄存器的數據。一種方法用示波器觀察波形，使RS和H1在同一上升沿，FCDS的上升沿比H1的下降沿稍遲一點，RS的上升沿比FS的上升沿稍遲一點， ADCK的上升沿比FS的上升沿稍遲一點。另一種方法是固定好光圈，快門速度，Gain(增益)值，光源，改變不同的相位值對色板拍照， 用PHOTOSHOP打開照片，記錄色階分布中的“平均值”和“標準偏差”，“平均值”指的是照片的亮度，反應CCD的輸出能力，數值越大，CCD的信號輸出越大，“標準偏差”(描述亮度范圍的單位)數值越大，雜訊越大。取“平均值”和“標準偏差”數值繪制圖表曲線，取“平均值”和“標準偏差”平衡點，即較大的亮度和較小的雜訊。照片對應的相位值就是比較理想的調整值。或此兩種方法相互運用，再加上實拍，求得調整值。 結語 數碼相機的CCD的前端系統設計是整臺相機設計的關鍵， 隨著相機向高像素，高圖像品質發展，工作頻率越來越高，對元器件特性和前端系統要求更高。 |
