基于SONY CCD ICX285的成像电路设计

2011年，在一个网友的要求下，设计制作了ICX285成像电路。电路整体结构简单，思路清晰，成像效果好，达到了预期的设计要求。

          整个电路板结构简单，电路分为左右两个部分。右侧电路为CCD及其外围电路，主要模块分为：CCD供电电源模块、CCD电路模块、CCD驱动电路模块、ADC模拟数字量化模块。

          电路左侧为数字逻辑部分。分为FPGA时序产生与逻辑控制模块、USB接口传输模块。

          CCD部分电路板尺寸为65mm正方，CCD下面挖孔，便于安装半导体制冷片。

          FPGA板子尺寸为70mm正方。

          ICX285是SONY公司生产的一款高灵敏度，高性能的CCD芯片，该芯片的部分指标特性如下：

                2/3英寸  行间转移 逐行扫描

                像元总数：1434x1050

                有效像元总数：1392x1040

                设计分辨率：1360x1024

                像元尺寸：6.45um正方

                最大水平读出速率：28MHz

                水平驱动逻辑为5V

                水平和垂直方向分辨率均达到1024TV-line

                输出放大器灵敏度：1300mV（1/30s）

          设计采用FPGA来实现CCD驱动信号的产生，CCD工作所需的驱动信号分为水平驱动和垂直驱动。垂直驱动按照手册的典型电路来设计，FPGA产生垂直驱动逻辑，经垂直驱动芯片CXD3400N，转换成CCD工作所需的高低电平逻辑。

           水平驱动采用74系列的驱动器，将3.3V逻辑转换为5V逻辑并输出。

            CCD工作时序图如下所示：  

          CCD输出的模拟信号，经AD9842进行数字量化。AD9842为ADI公司生产的12bits 20MHzCCD专用模拟数字转换器，内部集成CDS功能，具有增益控制、箝位控制等功能（通过配置ADC内部寄存器实现）。

          数字量化后的数字图像，传输到FPGA中，经FPGA处理后，通过USB2.0专用接口传输到PC机。PC机设有ICX285专用采集控制软件，实现对图像的实时采集与处理。

        上位机采集控制软件除了具有一般的曝光设置、增益设置、箝位设置等功能外，还具有连续采集－－聚焦和单次采集－－存储功能。

         连续－－聚焦：该功能用于实时显示来自于CCD的图像，USB部分采用8bits模式上传，由于该功能具有实时性，所以可以方便的实现对目标的对焦功能。

         单次－－存储：当对焦调整完毕，选择该功能，对目标进行拍照。该功能中，USB采用16bits模式上传，其中12bits为有效的图像数据，将完全的12bits图像数据全部上传到PC机，并进行存储。有利于体现图像更多的细节信息，图像体现的更加细腻。

         下面是ICX285成像组件所采集的部分测试图像：

    目前该电路所使用的水平读出速率是12MHz，远远低于最大值的28MHz。但是考虑到对于大多数天文相机或者荧光相机，为了得到较好的图像效果，均会采用较低的传输速率。所以，后来又修改程序，设计了一个低速传输版本，低速传输版本图像质量有了明显的跃升。

    但是对于SONY的CCD而言，当曝光时间达到几百ms以后，热噪声太过明显，如果不加任何处理措施，曝光达到s级后，图像热噪声将会很严重，视觉上让人很不舒服。

    目前正在考虑添加一级或者2级半导体致冷，将ICX285温度降低到5度左右，甚至是零下，采用致冷的方式，在长曝光时间模式下，可以大大降低热噪声。