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教学进度图像传感器的概述光电技术基础光源CCD图像传感器基本工作原理典型面阵ICCD视频信号处理及计算机数据采集图像传感器的典型应用典型线阵ICCD图像传感器基本原理及电视制式第六讲典型线阵CCD图像传感器不同的线阵CCD具有不同的特点,适用于不同的应用场合。本章从应用的角度介绍几种典型线阵CCD的基本结构、特性参数、驱动方式和应用特点。典型单沟道线阵CCD-TCD1209D典型双沟道线阵CCD-TCD1206SUP具有积分时间调整功能的线阵CCD-TCD1205D并行输出的线阵CCD用于光谱探测的高性能线阵CCD彩色线阵CCD环形线阵CCD第六讲典型线阵CCD图像传感器一、典型单沟道线阵CCDLinearImageSensorCCDPDF说明书1、TCD1209D的基本结构TCD1209D为典型的二相单沟道型线阵CCD图像传感器,其基本结构、工作原理及驱动电路等都具有典型性。结构组成:PhotoDiode/转移栅/CCD模拟移位寄存器/输出单元每个光敏单元尺寸14×14um,相邻两光敏单元中心距14um,光敏单元总长度28.672mm(2048×14um)有效像敏区域(2048个)被遮蔽光电二极管(前19个后8个共27个)1)为何PD最左边为D13?还有D0~D12吗?所有的光电二极管已经在此图给出,总共2048+27=2075个。即没有实物存在的D0~D12。它们只是虚设的单元(在移位寄存器中有12组对应单元)2)遮蔽的27个PD的作用?获得暗电流等信息用于对有效信号处理3)根据原理图请问CCD模拟移位寄存器的驱动电极至少多少?(2048+27+13)×2=4176个。转移栅与光敏阵列及移位寄存器的交叠结构Up为光敏单元;CR1为CCD模拟移位寄存器的一个电极;SH为转移栅(shiftgate)输入信号——高电平:沟通光敏阵列和移位寄存器,信号电荷转移到CR1势阱低电平:隔离二者,光敏单元阵列积分,移位寄存器逐位输出;转移脉冲SH高电平时,CR1脉冲也应为高电平;SH的下降沿时,CR1也为高电平,以保证信号完整转移成功。(时序及电平要求之一)RS脉冲和CR脉冲的时序关系?2、TCD1209D的基本工作原理TCD1209D的驱动脉冲波形图(掌握)TCD1209D五路驱动脉冲组成及作用:①转移脉冲SH(沟通/阻隔PD和CCD;控制光积分时间)②驱动脉冲CR1(配合CR2把信号电荷从CCD右向左移动)③驱动脉冲CR2(其中CR2B代表CCD移位寄存器的最后一个电极)④复位脉冲RS(清除上一次未来得及转移走留在输出二极管中的电荷)⑤缓冲控制脉冲CP(过滤掉输出信号的尖脉冲噪声)行周期:SH的周期。必须大于2088个转移脉冲CR1的周期;OS输出信号的构成:虚设单元/哑元/有效信号/检测单元等;检测一行结束根据TCD1209D说明书中的驱动脉冲波形图及脉冲时序要求设计。3、TCD1209D的驱动电路驱动实现的方法有:1)采用分立元件及74系列芯片;2)利用可编程逻辑阵列CPLD或FPGA;3)EPROM(顺序输出状态数据);4)单片机(按时间顺序输出已存波形)5)数字信号处理器DSP;数字电子技术VHDLTCD1209D的驱动脉冲时序要求驱动电路的设计思路:1)各脉冲的周期关系及占空比分析;2)确定脉冲之间的逻辑及时序关系;所采用的主要器件:1)晶振/电阻/非门组成的石英晶体振荡器;2)二进制计数器,实现分频目的以及脉冲计数;3)基本的非门/与门/或非门/触发器等器件;分立元件方法实现基于VHDL和CPLD的驱动电路设计(推荐)SH模块代码CCD模块代码EPROM驱动方法单片机驱动方法基于DSP的驱动方法4、TCD1209D的特性参数TCD1209D优点:速度快;灵敏度高;动态范围宽;像敏单元不均匀性好;功耗低;光谱响应范围宽1)光谱响应特性光谱响应的峰值波长为550nm;短波响应在400nm处大于70%;光谱响应的长波限在1100nm;(Si基底)50%饱和曝光量作用下:各像敏单元输出信号电压与均值电压的最大差值各个像敏单元输出信号的均值电压%PRNUUU像敏单元不均匀性典型值为3%,双沟道线阵CCD达不到。2)灵敏度R线阵CCD的灵敏度参数定义为:单位曝光量的作用下器件的输出信号电压,即式中的UO为线阵CCD输出的信号电压,HV光敏面上的曝光量。VOHURTCD1209D的饱和曝光量SE仅为0.06(lx·s)满月时地面光照度为0.1lx;弦月时为0.01lx;阴天为1000lx线阵CCD的灵敏度的另一表示方法:饱和曝光量(SE)SE定义:器件的输出信号电压饱和时光敏面上的曝光量。饱和曝光量越小,表明灵敏度越高。3)动态范围DR动态范围参数DR定义:饱和输出电压与暗信号电压之比。DAkUUDRSAT动态范围越高的器件品质越高。USAT:CCD的饱和输出电压,UDAK为:CCD没有光照射时的输出电压(暗信号电压)4)其他参数:5)TCD1209D的外形尺寸TCD1209D为DIP22封装形式的双列直插型器件,外形尺寸如图5-7所示。器件的外形尺寸为总长41.6mm,宽10.16mm,高7.7mm;器件的光敏单元总长为28.672mm;光敏单元(像敏面)距离器件表面玻璃的距离为1.72mm,表面玻璃的厚度为0.7±0.1mm。二、典型双沟道线阵CCD器件——TCD1206SUP目前最具有典型性的双沟道器件为TCD1206SUP,该器件广泛应用于物体外形尺寸的非接触自动测量领域,是一种较为理想的一维光电探测器件。1、TCD1206SUP的基本结构像敏单元数目:2160像元像敏单元大小:14um×14um×14um(相邻像元中心距)光敏区域:采用高灵敏度PN结作为光敏单元时钟:二相(5V)封装形式:22脚DIP封装光电二极管的数量为:2160+(74-12)=2222。存储栅:存储光生电荷的MOS电容存储阵列。2、TCD1206SUP的工作原理四路驱动脉冲:SH、CR1、CR2、RS;驱动电路的产生可仿照TCD1209D实现;1118TCD1206SUP与1209D的不同点:OS端总共输出2236个信号,由于两列并行传输。所以一个SH周期至少要有2236/2=1118个驱动脉冲CR1的周期补偿信号DOS反映了CCD的暗电流特性,也反映了CCD在复位脉冲作用下信号传输沟道产生的容性干扰。OS信号含有经光积分的有效光电信号,也含有被复位脉冲RS作用下信号传输沟道产生的容性干扰。因此可以利用差分放大器将DOS,OS信号之间的共模干扰抑制掉。经过放大与抑制共模干扰作用后,脉冲波形图见下页引入了两个同步脉冲HC及SP——HC周期和SH相同,占空比不同HC上升沿对应CCD第一个有效像素单元S1的有效期间,以它为行同步脉冲更合理。SP与像敏单元同步的采样脉冲,常用做采样控制信号。3、TCDl206SUP的驱动电路经反向驱动器74HC04P反向后加到TCD1206SUP的相应管脚上。该器件将输出OS信号及DOS信号。其中OS信号含有经过光积分的有效光电信号,DOS输出的是补偿信号。1)驱动简便——CCD芯片内部设置了电平转换驱动器电路2)灵敏度高——光电灵敏度45v/(lx.s),饱和曝光量为0.037lx.s3)光谱响应——决定可以用于可见光谱区域的光谱探测和尺寸测量λm为550nm,与人眼的光谱响应峰值波长很接近;长波截止波长为1100nm,短波截止波长可延长到紫外谱区。4、TCD1206SUP的特点4)温度特性——变化不明显归功于差分放大器抑制共模干扰5)积分时间与暗电压的变化关系5、TCD1206SUP的特性参数特性参数符号最小值典型值最大值单位灵敏度R334556V/lx·s光响应非均匀性PRNU—1020寄存器不平衡性RI——3饱和输出电压VSAT1.51.7—V饱和曝光量SE—0.037—lx·s暗信号电压VDRK—12mV暗信号电压非均匀性DSNU—23mV直流电源耗散PD—140180mW总转移效率TTE92——输出阻抗ZO——1.0kΩ直流信号输出电压VOS4.55.5V双沟道器件的信号分别通过两个移位寄存器沟道输出,这会造成输出信号的奇偶性,必然影响器件像敏单元的不均匀性参数。在光照度较低/较强时的情况下,可以通过增长/缩短光积分时间的方式使输出信号达到所希望的幅度;积分时间的调整功能对于CCD的应用是非常重要的。广泛应用在条码扫描识别等光电输入设备。三、具有积分时间调整功能(电子快门)的线阵CCD-如何实现?TCD1205D为具有积分时间调整功能的线阵CCD器件。1、TCD1205D的基本结构双沟道型线阵CCD器件,封装形式为22脚的双列直插型。像素尺寸:14×200×14(长×高×间距)单位:微米有效像敏单元数目:见下图增强信号电压脉冲积分控制栅转移栅与TCD1206SUP的区别:积分栅:和TCD1206SUP的存储栅相同,不同的是要外加光积分控制脉冲ICGICG低电平:光积分栅失去积分作用;ICG高电平:积分栅才能积累光生电荷。从而实现通过控制ICG电平来控制器件的曝光时间,可称作“电子快门”。2、TCD1205D的基本工作原理——方案一在一个转移脉冲SH周期中,只有在光积分电极ICG为高电平期间光积分栅才能建立起深势阱,也才能进行光积分。一个行周期中两次转移2、TCD1205D的基本工作原理——改变积分时间方案二一个行读出周期中设置两个转移脉冲SH:第1个转移脉冲的高电平对应于移位寄存器驱动脉冲CR1的低电平,使移位寄存器CR1电极不形成深势阱,光积分电极下积累的信号电荷无法倒入CR1电极,即无法将信号电荷转移到移位寄存器中,从而之前积累的信号电荷白白地倒掉。光积分时间仅为后面两个SH之间的时间。TCD1205D同样可以工作在普通模式,类似于TCD1206SUP。硬件上提供光积分控制功能,具体用不用还看驱动脉冲的特点。3、TCD1205D的特性参数动态范围DR偏低,一般只适用于光电数字扫描输入,不适用于分辨率要求较高的图像扫描输入。四、并行输出的线阵CCD1、并行输出的TCD1703C——典型双沟道并行输出二相CCD有效像素单元(7500像元)分奇偶两列并行转移,分别由OSl和OS2端口并行输出。并行输出的线阵CCD在相同频率驱动脉冲的作用下可以获得更高的信号输出速率,这在用线阵CCD检测高速运动物体图像的应用中具有非常重要的作用。5路脉冲构成:转移脉冲SH、驱动脉冲CR1与CR2、复位脉冲RS、钳位脉冲CP最高驱动频率可达20MHz,等效数据率为40MHz2、分段式多路并行输出的高速线阵CCDRL1282D、RL1284D、RL1288D器件:分别具有256、512或1024像元像元尺寸:18×18×18(单位:微米)双沟道器件每128像元为一段,每段又分奇偶两个沟道并行输出整个器件的输出时间大大地缩短,器件的工作速度提高。RL1288D为1024像元的线阵CCD,分别由16个输出端并行输出,每个输出端口只输出64个像元的信号,因此器件的等效数据率很高。中间的红线代表像敏单元,两侧的16个长方条代表模拟移位寄存器。RL1288D的等效电路图:并行输出的信号如何组合?奇数和偶数输出信号的相位差为180度,因此可利用高速模拟开关将奇偶两输出信号组合,再送到A/D转换器的输入。16路并行输出信号的A/D数据采集需要8个A/D转换器件和相应的存储器。五、用于光谱探测的高性能线阵CCD-RL1024SB用于光谱探测(如单色仪)的线阵CCD应具有的特点:光谱响应范围宽、动态范围大、噪声低、暗电流小、灵敏度高和像敏单元的均匀性好。美国Reticon公司SB系列CCD器件。它具有1024个有效像素单元,每个单元尺寸为长25μm、高2500μm、中心距25μm。抗晕栅温敏二极管抗晕漏5V供电电压输入暗光电信号行输出结束信号器件的衬底偏压器件的地转移脉冲ST温敏二极管输出信号复位漏复位栅器件的衬底偏压VDDGuard1、RL1024SB的基本工作原理两行光电二极管,上面为遮
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