CCD圖像傳感器在光柵傳感器中的研究與應(yīng)用

　　CCD圖像傳感器與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器目前已經(jīng)得到大量而廣泛的應(yīng)用。CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器都基于硅半導(dǎo)體材料，但由于工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)的不同，這兩種傳感器在性能上存在著很大的區(qū)別，主要體現(xiàn)在集成度、讀出方式、功耗、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度和價(jià)格上。雖然CMOS圖像傳感器的生產(chǎn)過(guò)程較簡(jiǎn)單、成本較低、功耗較小，但其具有信噪比低、寬動(dòng)態(tài)范小、電荷轉(zhuǎn)換效率低和輸出圖像質(zhì)量低的缺點(diǎn)，而CCD圖像傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是信噪比高、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍大、電荷轉(zhuǎn)換效率高和輸出圖像質(zhì)量高。綜合以上特點(diǎn)，對(duì)于光柵傳感器的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，CCD更適于對(duì)精度和靈敏度要求較高的莫爾條紋的檢測(cè)。

　　CCD圖像傳感器的功能是把二維圖像光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成一維視頻信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。從結(jié)構(gòu)上分為線陣CCD和面陣CCD兩大類，從受光方式分為正面光照和背面光照兩種。線陣CCD有單溝道和雙溝道兩種信號(hào)讀出方式，其中雙溝道信號(hào)讀出方式的信號(hào)轉(zhuǎn)移效率高。面陣CCD的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常見(jiàn)的有幀轉(zhuǎn)移(FT) CCD、全幀轉(zhuǎn)移(FFT)CCD、隔列內(nèi)線轉(zhuǎn)移(IIT)CCD、幀內(nèi)線轉(zhuǎn)移(FIT) CCD、累進(jìn)掃描內(nèi)線轉(zhuǎn)移(PSIT) CCD等。如以幀轉(zhuǎn)移(FT) CCD 面陣，CCD由成像區(qū)(光敏區(qū))、暫存區(qū)和水平讀出寄存器三部分構(gòu)成。每個(gè)成像單元稱為一個(gè)像素。假定有M個(gè)轉(zhuǎn)移溝道，每個(gè)溝道有N個(gè)成像單元，那么整個(gè)成像區(qū)共有M×N個(gè)像素。暫存區(qū)的結(jié)構(gòu)和單元數(shù)與成像區(qū)相同，暫存區(qū)與水平讀出寄存器均作遮光處理。工作時(shí)，圖像經(jīng)物鏡成像到光敏區(qū)，光敏區(qū)上面的電極加有適當(dāng)?shù)钠珘簳r(shí)，光生電荷被收集到電極下方的勢(shì)阱里，這樣就將光學(xué)圖像變成了電荷包圖像。當(dāng)光積分周期結(jié)束時(shí)，加到成像區(qū)和暫存區(qū)電極上的時(shí)鐘脈沖使所有收集到的信號(hào)電荷迅速轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)中，然后經(jīng)由水平讀出寄存器，在時(shí)鐘脈沖控制下，經(jīng)輸出級(jí)逐行輸出一幀信息。在第一幀讀出的同時(shí)，第二幀信息通過(guò)光積分又收集到勢(shì)阱中。這樣可以一幀一幀連續(xù)地讀出。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　下面采用CCD圖像傳感器FTF4052M芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)莫爾條紋的檢測(cè)。DALSA公司的FTF4052M型CCD是一款全幀型CCD圖像傳感器，具有22M像素(4008×5334)的超大分辨率全幀CCD圖像傳感器，內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3中，芯片在結(jié)構(gòu)上分為3部分：⒈中間最大的區(qū)域?yàn)楣饷魠^(qū)，即光積分區(qū)域。每個(gè)光敏單元都有在行列方向上的地址，行選通邏輯和列選通邏輯共同選定某光敏單元，考慮到各像敏單元的偏置電壓不均勻，使用增益控制和平衡控制等輔助電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行校正。特別是對(duì)于處于莫爾條紋光強(qiáng)波谷處的像敏單元，其信號(hào)是微弱的，此時(shí)該校正是很必要的。⒉上下兩部分為兩個(gè)輸出寄存器。將光積分生成的電荷水平轉(zhuǎn)移到4個(gè)角的輸出放大器，輸出放大器將光生電荷形成的電壓信號(hào)放大并轉(zhuǎn)移出CCD。C1、C2、C3為水平像素轉(zhuǎn)移寄存器的時(shí)鐘信號(hào)。A1、A2、A3、A4為垂直行驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)。⒊TG是光敏區(qū)與輸出寄存器之間的隔柵;OG是輸出柵;SG是輸出柵之前的最后一個(gè)柵;RG是輸出放大器。該芯片的最大特點(diǎn)是將光敏區(qū)生成的圖像分成W、X、Y、Z四個(gè)對(duì)稱的象限，每個(gè)象限的電荷可以以不同的方向轉(zhuǎn)移，通過(guò)四個(gè)輸出端同時(shí)輸出，有效地提高了幀速率，單端輸出的幀速率為1FPS，而四端同時(shí)輸出就可以達(dá)到3.6FPSs。工作時(shí)，莫爾條紋投射在CCD圖像傳感器表面，莫爾條紋沿X軸向左或向右平移，產(chǎn)生明顯的莫爾條紋光強(qiáng)分布。

　　由于CCD圖像傳感器的同一列像元從上至下的光強(qiáng)分布是一致的，莫爾條紋的光強(qiáng)分布只是體現(xiàn)在行方向上，所以無(wú)需進(jìn)行逐行掃描，只需考察一行上的像元信號(hào)即可分析莫爾條紋的移動(dòng)情況，這樣大大降低了信號(hào)處理任務(wù)。圖4代表莫爾條紋在一行像敏單元上的光強(qiáng)分布，X軸為莫爾條紋移動(dòng)方向，Y軸表示光強(qiáng)的大小。莫爾條紋在各行分布一致的情況僅僅是理想的情況，實(shí)際上由于光柵線質(zhì)量，光柵間隙等工藝因素的影響，各行情況會(huì)略有差別，所以可以考慮選擇不同位置的幾行，考察其光強(qiáng)分布情況，避免信號(hào)質(zhì)量差時(shí)過(guò)大的單行誤差，達(dá)到降低誤差的目的。

　　FTF4052M和光柵傳感器、DSP、MCU和PC組成測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)工作原理框圖如圖5。

　　系統(tǒng)上電后，CCD圖像傳感器初始化，根據(jù)相關(guān)寄存器值控制有關(guān)參數(shù)，確定采集圖像的窗口位置、大小和工作模式;MCU通過(guò)對(duì)FTF4052M 芯片發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)指令、以及對(duì)FTF4052M 芯片進(jìn)行時(shí)序控制，來(lái)完成參數(shù)的配置;系統(tǒng)配置完后，F(xiàn)TF4052M 芯片開(kāi)始對(duì)莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行采集，并輸出同步信號(hào)給MCU，其包括垂直同步信號(hào)、水平同步信號(hào)、數(shù)據(jù)同步信號(hào)，判別一幀圖像數(shù)據(jù)的開(kāi)始和結(jié)束;DSP發(fā)出讀信號(hào)請(qǐng)求后，MCU根據(jù)同步信號(hào)決定是否開(kāi)始數(shù)據(jù)采集;采集的數(shù)據(jù)被送至RAM;DSP接收到READY信號(hào)后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)并處理;數(shù)據(jù)最終被送往PC進(jìn)行處理，得出測(cè)量結(jié)果。

　　結(jié)論

　　從信號(hào)處理的角度來(lái)說(shuō)，最簡(jiǎn)單的方法就是通過(guò)調(diào)整光柵夾角，使莫爾條紋間隔B和CCD圖像傳感器最大感知圖像的行方向長(zhǎng)度一致，設(shè)其為L(zhǎng)。該方向有n個(gè)像素，將L分為n份， 即細(xì)分倍數(shù)達(dá)到n倍，對(duì)位移的分辨精度達(dá)到了W/n(以FTF4052M為例，其分辨率為1312 ×1036)。設(shè)光柵線密度為100線/mm，W=0.01mm，故位移分辨精度為：W/n=0.01/13127nm?？紤]到光柵線質(zhì)量問(wèn)題等，該理論值并不代表整個(gè)傳感器在實(shí)際測(cè)量中能達(dá)到的精度。但經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，采用CCD圖像傳感器對(duì)莫爾條紋的分辨精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用傳統(tǒng)的硅光電池和整形細(xì)分電路等對(duì)莫爾條紋的分辨精度。并且，隨著集成電路技術(shù)的提高，CCD圖像傳感器的性能指標(biāo)也在不斷的改善，對(duì)莫爾條紋的分辨率將不斷提高，滿足光柵傳感器現(xiàn)在和未來(lái)的高精度、高分辨率等測(cè)量需求將綽綽有余，理論上，若提供的莫爾條紋信號(hào)質(zhì)量足夠高，則可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的測(cè)量精度。