固態(tài)成像器件原理及應用第四講-線陣CCD

1、2007.10典型線陣典型線陣CCD傳感器傳感器電荷的生成電荷的生成電荷的生成電荷的生成 復合壽命復合壽命 由光子激發(fā)的電子在重新躍遷回價帶由光子激發(fā)的電子在重新躍遷回價帶(與空穴復合與空穴復合)之前可以在硅晶格內活動的時之前可以在硅晶格內活動的時間是有限的間是有限的.這個過程的時間常數稱為復合這個過程的時間常數稱為復合壽命壽命,其大小取決于硅的質量和摻雜的濃度其大小取決于硅的質量和摻雜的濃度.越長越長,信號電子被收集的可能性就越大信號電子被收集的可能性就越大,量子量子效率就越高效率就越高.電荷的收集電荷的收集 光子入射到光子入射到CCD中產生電子空穴對，電子向器件中中產生電子空穴對，電子向器

2、件中電勢最高的地區(qū)聚集，并在那里形成電荷包。每個電荷電勢最高的地區(qū)聚集，并在那里形成電荷包。每個電荷包對應一個像元包對應一個像元。行間轉移行間轉移CCD光電轉換后，光電轉換后，將光電荷快速將光電荷快速由一列成像單由一列成像單元轉移到相鄰元轉移到相鄰的一列存儲單的一列存儲單元；再由存儲元；再由存儲區(qū)一行行轉移區(qū)一行行轉移至水平移位寄至水平移位寄存器內讀出。存器內讀出。不需要機械快門，速度最快；填充因子小，靈敏不需要機械快門，速度最快；填充因子小，靈敏度低度低。CCD的轉移過程類比說明的轉移過程類比說明下面通過類比說明下面通過類比說明CCD收集、轉移和測量收集、轉移和測量電荷的過程。電荷的過程。線

3、陣線陣CCD 線陣線陣CCD可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結構。下圖兩種結構。下圖(a)為單溝道，為單溝道，(b)為雙溝道。為雙溝道。CCD的現狀的現狀CCD的成像質量已經趨于完美，分辯率和色彩還原已經和的成像質量已經趨于完美，分辯率和色彩還原已經和35mm甚至甚至67mm膠片不相上下，覆蓋面積還有差距。膠片不相上下，覆蓋面積還有差距。線陣列線陣列CCD的像元數已經做到的像元數已經做到20000左右。左右。NoImageNoImageNoImageAtmel TH7834C像元數12000Kodak KLI-14403像元數144043 FairchildCCD2

4、1241像元數2400064TCD1209D線陣線陣CCD1.典型單溝道線陣典型單溝道線陣CCD 1.1 TCD1209D的基本結構 TCD1209為典型的二相單溝道線陣CCD圖象傳感器,它的基本結構,工作原理和驅動電路等都有典型性.該器件為2048像敏單元的長陣列器件,采用單溝道的目的是提高像敏單元的不均勻度和提高器件的動態(tài)范圍.圖圖 TCD1209D的工作原理結構圖的工作原理結構圖 TCD1209D的光敏陣列一共有2075個光電二極管,其中有27個光電二極管被遮蔽,中間的2048個光電二極管為有效的光敏單元,每個光敏單元的尺寸為14*14um,相鄰兩個單元的中心距為14um,光敏單元的總長

5、度為28.672mm. 轉移柵與光敏單元陣列及模擬移位寄存器構成如圖所示轉移柵與光敏單元陣列及模擬移位寄存器構成如圖所示的交疊結構的交疊結構,這種結構可以完成光敏區(qū)的信號電荷向模擬移位這種結構可以完成光敏區(qū)的信號電荷向模擬移位寄存器中轉移寄存器中轉移,轉移柵加轉移脈沖轉移柵加轉移脈沖SH, 低電平為淺勢阱低電平為淺勢阱,起到起到勢壘的作用勢壘的作用,高電平為深勢阱高電平為深勢阱,深勢阱使光敏區(qū)深勢阱使光敏區(qū)Up下積累的信下積累的信號電荷將通過轉移柵號電荷將通過轉移柵SH向向CR1電極的深勢阱中轉移電極的深勢阱中轉移.1.2 TCD1209D的基本工作原理的基本工作原理 TCD1209D的驅動脈

6、沖波形圖如上圖所示,它由轉移脈沖SH,驅動脈沖CR1和CR2,復位脈沖RS和緩沖控制脈沖CP等五路脈沖構成,轉移脈沖SH的高電平期間,驅動脈沖CR1也必須是高電平,而且必須保持SH 的下降沿落在CR1的高電平上,這樣才能保證光敏區(qū)的信號電荷并行的向模擬移位寄存器的CR1電極轉移.完成之后SH變?yōu)榈碗娖?光敏區(qū)與模擬移位寄存器被隔離. SH的周期稱為行周期,行周期應大于等于2088個轉移脈沖CR1的周期TCR1,這樣才能保證SH在轉移第二行信號時第一行信號能全部轉移出器件. OS端首先輸出13個虛設單元的信號(所謂虛設單元是沒有光電二極管與之對應的CCD模擬寄存器的部分),然后輸出16個啞元(啞

7、元是被遮蔽的光電二極管與之對應的CCD模擬寄存器的部分),再輸出三個信號后才能輸出2048個有效像敏單元信號,有效像敏單元信號輸出后,再輸出8個啞元,這樣一個周期總共包括2088個單元,因此行周期應該大于等于這些單元的輸出時間(大于等于2088個TCR1)1.3 TCD1209D的特性參數的特性參數 TCD1209D 是一種性能優(yōu)良的線陣CCD器件,它具有速度快,靈敏度高,動態(tài)范圍寬,像敏單元不均勻性好,功耗底,光譜響應范圍寬等優(yōu)點.1.光譜響應特性光譜響應特性(P102) TCD1209D光譜響應的峰值波長為光譜響應的峰值波長為550nm, 短波響應在短波響應在400nm處大于處大于70%,

8、光譜響應的光譜響應的長波在長波在1100nm處處,響應范圍遠遠超出了人響應范圍遠遠超出了人眼的視覺范圍眼的視覺范圍. 該器件像敏單元不均勻性的典型值為3%,像敏單元不均勻性的定義有兩種:一種定義為在50%飽和暴光量的情況下各個像敏單元之間輸出信號電壓的差值U與各個像敏單元輸出信號均值電壓U之比的百分數,即 PRNU= (U/U)% 另一種用定義為5%飽和暴光量下的相鄰像素輸出電壓的最大差值.2.靈敏度靈敏度 線陣CCD的靈敏度參數定義為單位暴光量的作用下器件的輸出信號電壓,即 R=UO/HV 式中UO 為線陣CCD輸出的信號電壓, HV為光敏面上的暴光量.3.動態(tài)范圍 動態(tài)范圍DR定義為飽和暴

9、光量與信噪比等于1 時的暴光量之比.但是這種定義方式不容易計算,為此我們常常采用飽和輸出電壓與暗電流之比代替,即 DR=USAT/UDARK 式中 USAT為CCD的飽和輸出電壓,UDARK為CCD沒有光照射的輸出電壓(暗電流電壓). 動態(tài)范圍越大的器件品質越高動態(tài)范圍越大的器件品質越高.TCD1209D的特性參數的特性參數響應時間響應時間TCD1209D的驅動電路TCD1209D的驅動電路TCD1209D的驅動電路TCD1209D的驅動電路TCD1209D驅動電路實驗與結果驅動電路實驗與結果 從TCD1209D的驅動脈沖波形圖中可以看出,其驅動器應產生SH,CR1,CR2,RS,CP5路脈沖

10、,其中轉移脈沖SH的周期遠遠大于其他4路,為了保險起見,應該盡量多的留出余量,不能將時間安排的太緊,否則下一個信號來臨時,如果存在未曾輸出的光生電荷,勢必會造成二者的疊加,破壞信號.同樣,驅動脈沖也不應設計過于緊湊,使脈沖過尖,脈沖持續(xù)的時間過短,不利于信號的檢測,會使CCD靈敏度降低.時序圖時序圖功能仿真功能仿真時序仿真時序仿真NoImage工藝尺寸工藝尺寸 TCD1209D為雙列直插式器件,器件的總長度為41.6mm,寬10.16mm.高7.7mm;器件的光面單元總長為28.672mm;光敏單元距離器件表面玻璃距離為1.72mm. 了解了器件的外形尺寸后了解了器件的外形尺寸后,在實際應用中