Circuits intégrés de traitement de signal CCD pour l'imagerie de précision

Les smartphones utilisent presque universellement des capteurs CMOS, mais il existe de nombreuses applications qui s'appuient sur des capteurs CCD. Les appareils photo à haute résolution, l'imagerie temps de vol, les caméras vidéo CCTV et de nombreuses applications de mesure ou d'imagerie de précision utilisent un capteur CCD et nécessitent un circuit intégré pour le traitement du signal. Les jeux de puces de processeur de signal CCD fonctionnent à une gamme de vitesses et de profondeurs de bits, offrant une gamme de profondeur de couleur et de taux de trame pour une variété d'applications.

L'aspect remarquable de ces jeux de puces est qu'ils intègrent les composants importants de traitement du signal dans un seul paquet, plutôt que de forcer un concepteur à les construire manuellement à partir de composants discrets. Cela permet de placer des systèmes d'imagerie spécialisés sur des cartes plus petites et dans des emballages plus compacts. Voici ce qu'il faut rechercher dans votre prochain circuit intégré de processeur de signal CCD et quelques options pour une gamme d'applications.

Pourquoi utiliser un processeur de signal CCD ?

Avant que nous entrions dans le domaine des réseaux CCD hautement intégrés avec des capacités de traitement d'image intégrées, la plupart des fonctions devaient être construites avec des composants linéaires discrets, par exemple, amplificateurs opérationnels, commutateurs analogiques, et ADC/DAC. Tout comme nous l'avons vu avec les chaînes de signaux communes dans d'autres applications, les chaînes de traitement de signal pour les CCD ont suivi la tendance familière de l'intégration dans des paquets uniques avec une petite empreinte.

Un circuit intégré de processeur de signal CCD gère toutes les étapes de traitement du signal requises depuis la collecte de la sortie de charge d'une colonne CCD jusqu'à la sortie numérique avec un ADC. Il y a quelques étapes importantes de conditionnement du signal qui doivent être effectuées par l'avant-plan analogique avant la conversion des données. L'étape importante dans l'avant-plan analogique est l'échantillonnage double corrélé (CDS). Cela implique de calculer la différence entre les niveaux de référence et de données du signal CCD, ce qui élimine certains bruits déterministes dans le signal CCD. Cette différence est ensuite traduite en un niveau de gris et/ou une profondeur de couleur dans une unité d'affichage.

Cette fonction de mesure importante et d'autres fonctions de correction d'image sont intégrées dans les circuits intégrés de processeur de signal CCD standards. Les étapes de correction d'image standard requises dans la conversion de données CCD sont la restauration DC (clampage), la correction de gain et de décalage, et la conversion A/D. Utiliser un circuit intégré de processeur de signal CCD élimine le besoin de programmer manuellement ces fonctions dans un processeur car elles sont définies au niveau du firmware.

Spécifications du processeur de signal CCD à considérer

Naviguer dans la gamme des spécifications du processeur de signal CCD peut sembler un peu intimidant à première vue, mais ces spécifications détermineront la rapidité et la précision avec lesquelles le système peut acquérir des données du CCD. Voici quelques spécifications importantes à comprendre dans votre fiche technique :

• Taux d'échantillonnage : C'est l'une des spécifications les plus importantes car cela déterminera le taux d'acquisition des images. Pour les systèmes vidéo, cela déterminera le taux de rafraîchissement. Les applications vidéo qui nécessitent une haute résolution sans de grands taux de rafraîchissement nécessitent toujours un taux d'échantillonnage élevé pour acquérir des images avec un taux de rafraîchissement raisonnable. Cela est normalement spécifié en MSPS ou MHz.
• Nombre de canaux : Rappelez-vous que les CCD sont lus en colonnes, et le nombre de canaux fait référence au nombre de colonnes qui peuvent être lues en parallèle. Cela permet de multiplier le taux de rafraîchissement de base par le nombre de canaux.
• Taux de rafraîchissement : Cela n'est en fait pas spécifié dans une fiche technique, bien qu'il puisse être déterminé en utilisant le nombre de pixels dans le tableau CCD, le nombre de canaux et le taux d'échantillonnage.
• Interface de sortie : Ces interfaces font référence à la manière dont les données peuvent être lues en entrée et en sortie du processeur de signal CCD. Une sortie courante est via LVDS, tandis que les nouveaux systèmes de caméra émettront des données via MIPI.
• Profondeur de bits : Cela déterminera le niveau de gris ou la profondeur de couleur dans l'image acquise. Les profondeurs de bits courantes sont de 10 bits, 12 bits et 16 bits.
• Facteur de forme : C'est toujours une considération importante, mais c'est particulièrement important pour les systèmes d'imagerie plus petits. Même les systèmes de caméra plus grands auront des limites d'espace, et il est généralement préférable de choisir un composant plus petit pour faire de la place pour toute optique requise.
• Plage de tension et consommation d'énergie : Ce sont deux autres spécifications importantes pour tout composant, mais elles sont assez importantes ici car elles détermineront la durée de vie de l'appareil lorsqu'il est déployé sur le terrain.

Analog Devices, AD9970BCPZ

Le processeur de signal AD9970BCPZ d'Analog Devices est un composant d'entrée de gamme pour le traitement d'image, mais il est proposé à un coût faible par rapport à d'autres dispositifs pour les systèmes de caméra. Des images haute résolution peuvent être recueillies à 65 MSPS à 14 bits avec une sortie LVDS pour la suppression du bruit. Ce composant comprend un amplificateur à gain variable intégré avec jusqu'à 42 dB de gain et un pilote de synchronisation intégré. Certaines applications incluent les caméras HDTV professionnelles, les caméras de diffusion et les systèmes d'imagerie de précision pour les applications industrielles.

Schéma fonctionnel pour le processeur de signal CCD AD9970BCPZ. Tiré de la fiche technique AD9970BCPZ.

Texas Instruments, LM98725CCMT/NOPB

L'interface analogique LM98725CCMT/NOPB de Texas Instruments offre un taux d'échantillonnage de 81 MSPS à 16 bits. Ce composant d'interface analogique est une moitié d'un système complet de traitement d'image pour la collecte d'images haute résolution avec un taux de rafraîchissement élevé sur 3 canaux d'échantillonnage synchrones. Cela peut être combiné avec un ASIC ou un processus embarqué pour former une architecture de traitement d'image complète pour des images et des vidéos de haute qualité.

Front-end analogique et schéma de bloc ASIC de traitement d'image. Extrait de la fiche technique du LM98725.

Ce dispositif émet des données via LVDS, nécessite une horloge d'entrée pour le déclenchement, et peut être configuré via une interface SPI. Le dispositif comprend un générateur de timing intégré et un PLL pour déclencher les pilotes de capteurs et les registres à décalage pour lire les données d'un capteur CCD. Certaines applications incluent des produits comme les scanners de devises ou de documents, qui nécessitent tous deux certaines fonctions de vision par ordinateur intégrées.

Analog Devices, ADDI9036

L'ADDI9036 d'Analog Devices est un produit de bien plus haute gamme pour les systèmes d'imagerie à temps de vol. Ce dispositif fonctionne à 45 MSPS avec une profondeur de 12 bits, et il inclut un pilote de diode laser intégré pour l'imagerie à temps de vol, un pilote H à 7 canaux, et un pilote vertical à 16 canaux (V-driver). Les horloges de décalage horizontal CCD et les sorties du pilote de diode laser peuvent être configurées avec ~174 ps. Tout comme le composant précédent d'Analog Devices, ce composant fournit également un serrage de niveau noir intégré et un échantillonneur double corrélé (CDS). Ce composant émet des données via MIPI CSI-2. L'ADDI9036 est actuellement en production, et des cartes d'évaluation sont disponibles pour le développement d'applications d'imagerie à temps de vol de haute résolution.

Carte d'évaluation pour le processeur de signal CCD ADDI9036. Extrait de la page produit ADDI9036.

Votre prochain système d'imagerie basé sur CCD nécessitera une gamme de composants pour le traitement d'image, et un processeur de signal CCD est la partie fondamentale du front-end analogique. Vous pouvez trouver les composants présentés ici et de nombreuses autres pièces pour les systèmes d'imagerie sur Octopart.

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