典型線陣CCD圖像傳感器

教學(xué)進(jìn)度圖像傳感器的概述光電技術(shù)基礎(chǔ)光源CCD圖像傳感器基本工作原理典型面陣ICCD視頻信號處理及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集圖像傳感器的典型應(yīng)用典型線陣ICCD圖像傳感器基本原理及電視制式第六講典型線陣CCD圖像傳感器

不同的線陣CCD具有不同的特點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場合。 本章從應(yīng)用的角度介紹幾種典型線陣CCD的基本結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)、驅(qū)動(dòng)方式和應(yīng)用特點(diǎn)。典型單溝道線陣CCD-TCD1209D典型雙溝道線陣CCD-TCD1206SUP具有積分時(shí)間調(diào)整功能的線陣CCD-TCD1205D并行輸出的線陣CCD用于光譜探測的高性能線陣CCD彩色線陣CCD環(huán)形線陣CCD第六講典型線陣CCD圖像傳感器一、典型單溝道線陣CCDLinearImageSensorCCDPDF說明書1、TCD1209D的基本結(jié)構(gòu) TCD1209D為典型的二相單溝道型線陣CCD圖像傳感器，其基本結(jié)構(gòu)、工作原理及驅(qū)動(dòng)電路等都具有典型性。結(jié)構(gòu)組成：PhotoDiode/轉(zhuǎn)移柵/CCD模擬移位寄存器/輸出單元每個(gè)光敏單元尺寸14×14um，相鄰兩光敏單元中心距14um，光敏單元總長度28.672mm（2048×14um）有效像敏區(qū)域(2048個(gè))被遮蔽光電二極管(前19個(gè)后8個(gè)共27個(gè))1）為何PD最左邊為D13？還有D0～D12嗎？所有的光電二極管已經(jīng)在此圖給出，總共2048+27=2075個(gè)。即沒有實(shí)物存在的D0～D12。它們只是虛設(shè)的單元(在移位寄存器中有12組對應(yīng)單元)2）遮蔽的27個(gè)PD的作用？獲得暗電流等信息用于對有效信號處理3）根據(jù)原理圖請問CCD模擬移位寄存器的驅(qū)動(dòng)電極至少多少？

（2048+27+13）×2=4176個(gè)。轉(zhuǎn)移柵與光敏陣列及移位寄存器的交疊結(jié)構(gòu)Up為光敏單元；CR1為CCD模擬移位寄存器的一個(gè)電極；SH為轉(zhuǎn)移柵（shiftgate）輸入信號——高電平:溝通光敏陣列和移位寄存器,信號電荷轉(zhuǎn)移到CR1勢阱低電平:隔離二者,光敏單元陣列積分,移位寄存器逐位輸出；轉(zhuǎn)移脈沖SH高電平時(shí),CR1脈沖也應(yīng)為高電平；SH的下降沿時(shí)，CR1也為高電平，以保證信號完整轉(zhuǎn)移成功。(時(shí)序及電平要求之一)RS脈沖和CR脈沖的時(shí)序關(guān)系？2、TCD1209D的基本工作原理

TCD1209D的驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖（掌握）TCD1209D的驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖（說明書截圖）TCD1209D五路驅(qū)動(dòng)脈沖組成及作用：①轉(zhuǎn)移脈沖SH（溝通/阻隔PD和CCD；控制光積分時(shí)間）②驅(qū)動(dòng)脈沖CR1（配合CR2把信號電荷從CCD右向左移動(dòng)）③驅(qū)動(dòng)脈沖CR2（其中CR2B代表CCD移位寄存器的最后一個(gè)電極）④復(fù)位脈沖RS（清除上一次未來得及轉(zhuǎn)移走留在輸出二極管中的電荷）⑤緩沖控制脈沖CP（過濾掉輸出信號的尖脈沖噪聲）行周期：SH的周期。必須大于2088個(gè)轉(zhuǎn)移脈沖CR1的周期；OS輸出信號的構(gòu)成：虛設(shè)單元/啞元/有效信號/檢測單元等；檢測一行結(jié)束

根據(jù)TCD1209D說明書中的驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖及脈沖時(shí)序要求設(shè)計(jì)。3、TCD1209D的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的方法有：1）采用分立元件及74系列芯片；

2）利用可編程邏輯陣列CPLD或FPGA；3）EPROM(順序輸出狀態(tài)數(shù)據(jù))；4）單片機(jī)（按時(shí)間順序輸出已存波形） 5）數(shù)字信號處理器DSP；數(shù)字電子技術(shù)VHDLTCD1209D的驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序要求驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)思路：

1）各脈沖的周期關(guān)系及占空比分析；2）確定脈沖之間的邏輯及時(shí)序關(guān)系；所采用的主要器件：1）晶振/電阻/非門組成的石英晶體振蕩器；2）二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)分頻目的以及脈沖計(jì)數(shù)；3）基本的非門/與門/或非門/觸發(fā)器等器件；分立元件方法實(shí)現(xiàn)基于VHDL和CPLD的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（推薦）SH模塊代碼CCD模塊代碼EPROM驅(qū)動(dòng)方法單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法基于DSP的驅(qū)動(dòng)方法4、TCD1209D的特性參數(shù)

TCD1209D優(yōu)點(diǎn)：速度快;靈敏度高;動(dòng)態(tài)范圍寬;像敏單元不均勻性好;功耗低;光譜響應(yīng)范圍寬1)光譜響應(yīng)特性光譜響應(yīng)的峰值波長為550nm;短波響應(yīng)在400nm處大于70%;光譜響應(yīng)的長波限在1100nm;（Si基底）50%飽和曝光量作用下:各像敏單元輸出信號電壓與均值電壓的最大差值各個(gè)像敏單元輸出信號的均值電壓像敏單元不均勻性典型值為3%，雙溝道線陣CCD達(dá)不到。2)靈敏度R線陣CCD的靈敏度參數(shù)定義為:單位曝光量的作用下器件的輸出信號電壓，即

式中的UO為線陣CCD輸出的信號電壓，HV光敏面上的曝光量。TCD1209D的飽和曝光量SE僅為0.06(lx·s)滿月時(shí)地面光照度為0.1lx;弦月時(shí)為0.01lx;陰天為1000lx線陣CCD的靈敏度的另一表示方法：飽和曝光量（SE）SE定義:器件的輸出信號電壓飽和時(shí)光敏面上的曝光量。飽和曝光量越小，表明靈敏度越高。3）動(dòng)態(tài)范圍DR動(dòng)態(tài)范圍參數(shù)DR定義：飽和輸出電壓與暗信號電壓之比。動(dòng)態(tài)范圍越高的器件品質(zhì)越高。

USAT：CCD的飽和輸出電壓，UDAK為：CCD沒有光照射時(shí)的輸出電壓（暗信號電壓）4）其他參數(shù)：5）TCD1209D的外形尺寸

TCD1209D為DIP22封裝形式的雙列直插型器件，外形尺寸如圖5-7所示。器件的外形尺寸為總長41.6mm，寬10.16mm，高7.7mm；器件的光敏單元總長為28.672mm；光敏單元（像敏面）距離器件表面玻璃的距離為1.72mm，表面玻璃的厚度為0.7±0.1mm。二、典型雙溝道線陣CCD器件——TCD1206SUP目前最具有典型性的雙溝道器件為TCD1206SUP，該器件廣泛應(yīng)用于物體外形尺寸的非接觸自動(dòng)測量領(lǐng)域，是一種較為理想的一維光電探測器件。

1、TCD1206SUP的基本結(jié)構(gòu)像敏單元數(shù)目：2160像元像敏單元大?。?4um×14um×14um（相鄰像元中心距）光敏區(qū)域：采用高靈敏度PN結(jié)作為光敏單元時(shí)鐘：二相（5V）封裝形式：22腳DIP封裝光電二極管的數(shù)量為：2160+(74-12)=2222。存儲(chǔ)柵：存儲(chǔ)光生電荷的MOS電容存儲(chǔ)陣列。2、TCD1206SUP的工作原理四路驅(qū)動(dòng)脈沖：SH、CR1、CR2、RS；驅(qū)動(dòng)電路的產(chǎn)生可仿照TCD1209D實(shí)現(xiàn)；1118TCD1206SUP與1209D的不同點(diǎn)：OS端總共輸出2236個(gè)信號，由于兩列并行傳輸。所以一個(gè)SH周期至少要有2236/2=1118個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖CR1的周期補(bǔ)償信號DOS反映了CCD的暗電流特性，也反映了CCD在復(fù)位脈沖作用下信號傳輸溝道產(chǎn)生的容性干擾。OS信號含有經(jīng)光積分的有效光電信號，也含有被復(fù)位脈沖RS作用下信號傳輸溝道產(chǎn)生的容性干擾。因此可以利用差分放大器將DOS，OS信號之間的共模干擾抑制掉。經(jīng)過放大與抑制共模干擾作用后，脈沖波形圖見下頁引入了兩個(gè)同步脈沖HC及SP——HC周期和SH相同,占空比不同HC上升沿對應(yīng)CCD第一個(gè)有效像素單元S1的有效期間，以它為行同步脈沖更合理。SP與像敏單元同步的采樣脈沖，常用做采樣控制信號。3、TCDl206SUP的驅(qū)動(dòng)電路

經(jīng)反向驅(qū)動(dòng)器74HC04P反向后加到TCD1206SUP的相應(yīng)管腳上。該器件將輸出OS信號及DOS信號。其中OS信號含有經(jīng)過光積分的有效光電信號，DOS輸出的是補(bǔ)償信號。1）驅(qū)動(dòng)簡便——CCD芯片內(nèi)部設(shè)置了電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器電路2）靈敏度高——光電靈敏度45v/(lx.s)，飽和曝光量為0.037lx.s3）光譜響應(yīng)——決定可以用于可見光譜區(qū)域的光譜探測和尺寸測量λm為550nm，與人眼的光譜響應(yīng)峰值波長很接近；長波截止波長為1100nm，短波截止波長可延長到紫外譜區(qū)。4、TCD1206SUP的特點(diǎn)4）溫度特性——變化不明顯

歸功于差分放大器抑制共模干擾5）積分時(shí)間與暗電壓的變化關(guān)系5、TCD1206SUP的特性參數(shù)特性參數(shù)符

號

最小值

典型值最大值單

位靈敏度

R334556V/lx·s光響應(yīng)非均勻性

PRNU

—

1020

寄存器不平衡性

RI——3

飽和輸出電壓

VSAT

1.51.7—V飽和曝光量

SE—0.037

—lx·s暗信號電壓

VDRK—12mV暗信號電壓非均勻性DSNU—23mV直流電源耗散PD—140180mW總轉(zhuǎn)移效率

TTE92——

輸出阻抗ZO—

—1.0kΩ

直流信號輸出電壓

VOS4.55.5V雙溝道器件的信號分別通過兩個(gè)移位寄存器溝道輸出，這會(huì)造成輸出信號的奇偶性，必然影響器件像敏單元的不均勻性參數(shù)。在光照度較低/較強(qiáng)時(shí)的情況下，可以通過增長/縮短光積分時(shí)間的方式使輸出信號達(dá)到所希望的幅度；積分時(shí)間的調(diào)整功能對于CCD的應(yīng)用是非常重要的。

廣泛應(yīng)用在條碼掃描識(shí)別等光電輸入設(shè)備。三、具有積分時(shí)間調(diào)整功能(電子快門)的線陣CCD-如何實(shí)現(xiàn)？TCD1205D為具有積分時(shí)間調(diào)整功能的線陣CCD器件。1、TCD1205D的基本結(jié)構(gòu)雙溝道型線陣CCD器件，封裝形式為22腳的雙列直插型。像素尺寸：14×200×14（長×高×間距）單位：微米有效像敏單元數(shù)目：見下圖增強(qiáng)信號電壓脈沖積分控制柵轉(zhuǎn)移柵與TCD1206SUP的區(qū)別：積分柵：和TCD1206SUP的存儲(chǔ)柵相同，不同的是要外加光積分控制脈沖ICGICG低電平：光積分柵失去積分作用；ICG高電平：積分柵才能積累光生電荷。從而實(shí)現(xiàn)通過控制ICG電平來控制器件的曝光時(shí)間，可稱作“電子快門”。2、TCD1205D的基本工作原理——方案一在一個(gè)轉(zhuǎn)移脈沖SH周期中，只有在光積分電極ICG為高電平期間光積分柵才能建立起深勢阱，也才能進(jìn)行光積分。一個(gè)行周期中兩次轉(zhuǎn)移2、TCD1205D的基本工作原理——改變積分時(shí)間方案二一個(gè)行讀出周期中設(shè)置兩個(gè)轉(zhuǎn)移脈沖SH：第1個(gè)轉(zhuǎn)移脈沖的高電平對應(yīng)于移位寄存器驅(qū)動(dòng)脈沖CR1的低電平，使移位寄存器CR1電極不形成深勢阱，光積分電極下積累的信號電荷無法倒入CR1電極，即無法將信號電荷轉(zhuǎn)移到移位寄存器中，從而之前積累的信號電荷白白地倒掉。

光積分時(shí)間僅為后面兩個(gè)SH之間的時(shí)間。TCD1205D同樣可以工作在普通模式，類似于TCD1206SUP。硬件上提供光積分控制功能，具體用不用還看驅(qū)動(dòng)脈沖的特點(diǎn)。3、TCD1205D的特性參數(shù)動(dòng)態(tài)范圍DR偏低，一般只適用于光電數(shù)字掃描輸入，不適用于分辨率要求較高的圖像掃描輸入。四、并行輸出的線陣CCD1、并行輸出的TCD1703C

——典型雙溝道并行輸出二相CCD有效像素單元(7500像元)分奇偶兩列并行轉(zhuǎn)移，分別由OSl和OS2端口并行輸出。并行輸出的線陣CCD在相同頻率驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下可以獲得更高的信號輸出速率，這在用線陣CCD檢測高速運(yùn)動(dòng)物體圖像的應(yīng)用中具有非常重要的作用。5路脈沖構(gòu)成：轉(zhuǎn)移脈沖SH、驅(qū)動(dòng)脈沖CR1與CR2、復(fù)位脈沖RS、鉗位脈沖CP最高驅(qū)動(dòng)頻率可達(dá)20MHz，等效數(shù)據(jù)率為40MHz2、分段式多路并行輸出的高速線陣CCDRL1282D、RL1284D、RL1288D器件：分別具有256、512或1024像元像元尺寸：18×18×18 (單位：微米)雙溝道器件每128像元為一段，每段又分奇偶兩個(gè)溝道并行輸出整個(gè)器件的輸出時(shí)間大大地縮短，器件的工作速度提高。RL1288D為1024像元的線陣CCD，分別由16個(gè)輸出端并行輸出,每個(gè)輸出端口只輸出64個(gè)像元的信號，因此器件的等效數(shù)據(jù)率很高。中間的紅線代表像敏單元，兩側(cè)的16個(gè)長方條代表模擬移位寄存器。RL1288D的等效電路圖：并行輸出的信號如何組合？ 奇數(shù)和偶數(shù)輸出信號的相位差為180度，因此可利用高速模擬開關(guān)將奇偶兩輸出信號組合，再送到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。16路并行輸出信號的A/D數(shù)據(jù)采集需要8個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器件和相應(yīng)的存儲(chǔ)器。五、用于光譜探測的高性能線陣CCD-RL1024SB

用于光譜探測（如單色儀）的線陣CCD應(yīng)具有的特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、噪聲低、暗電流小、靈敏度高和像敏單元的均勻性好。美國Reticon公司SB系列CCD器件。它具有1024個(gè)有效像素單元，每個(gè)單元尺寸為長25μm、高2500μm、中心距25μm。抗暈柵溫敏二極管抗暈漏5V供電電壓輸入暗光電信號行輸出結(jié)束信號器件的襯底偏壓器件的地轉(zhuǎn)移脈沖ST溫敏二極管輸出信號復(fù)位漏復(fù)位柵器件的襯底偏壓VDDGuard1、RL1024SB的基本工作原理兩行光電二極管，上面為遮光的PD陣列，輸出補(bǔ)償信號DOS；下面為有效PD陣列；每個(gè)光電二極管對應(yīng)一個(gè)MOS場效應(yīng)管（相當(dāng)于存儲(chǔ)柵的功能），并兼有模擬開關(guān)或轉(zhuǎn)移柵的功能。

抗開花場效應(yīng)管的作用是使存儲(chǔ)信號電荷的場效應(yīng)管累積的電荷大于某值時(shí)，抗開花場效應(yīng)管導(dǎo)通，多余的信號電荷將排出不會(huì)影響臨近的光敏單元信號。等效電路原理圖MOS場效應(yīng)管抗開花場效應(yīng)管順序打開場效應(yīng)管使OS和DOS分別輸出

“開花”是指光敏單元所存儲(chǔ)的電荷超出了勢阱容納電荷的容量而溢出勢阱，擴(kuò)散到鄰近勢阱的現(xiàn)象?？归_花Antiblooming（RL1024SB中可以用來調(diào)整積分時(shí)間）必須的三路脈沖（其他屬擴(kuò)展）：轉(zhuǎn)移脈沖ST、驅(qū)動(dòng)脈沖CR1、CR2EOS信號可以作為A/D轉(zhuǎn)換器的行同步信號；2、RL1024SB的驅(qū)動(dòng)電路（不做要求）主要利用的器件：

3個(gè)二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器74HC161構(gòu)成的可預(yù)置計(jì)數(shù)器、D觸發(fā)器RL1024SB的輸出信號放大電路（差分放大器）3、RL1024SB的特性參數(shù)（1）光譜響應(yīng)兩種類型：普通光學(xué)玻璃和石英玻璃；石英玻璃：光譜響應(yīng)范圍為200nm至1100nm,峰值響應(yīng)波長為750nm。該器件在中紫外至近紅外波段的光譜響應(yīng)較好，常用于這段譜區(qū)的光譜探測和光譜分析應(yīng)用中，尤其是在紫外波段的光譜探測更為重要。普通玻璃：截止于350nm，對紫外波段光的吸收較大。（2）輸出信號電荷與曝光量的線性關(guān)系在低于飽和曝光量時(shí)曲線的線性很好，但超出后曲線彎曲。實(shí)際使用時(shí)一定要控制好曝光量，使其工作在線性范圍之內(nèi)。（3）RL1024SB的其他特性參數(shù)六、彩色線陣CCD應(yīng)用例一：在彩色印刷行業(yè)中常需要進(jìn)行幾種單一顏色的分段印刷（例如R，G，B分三原色印刷），并將多次印刷的單色圖案疊加起來才能印出栩栩儒生的彩色圖案。在這種印刷工藝中，能否正確的套色是這項(xiàng)工藝的關(guān)鍵技術(shù)。在套色印刷生產(chǎn)線中常用“電眼”進(jìn)行跟蹤套色，所謂的“電眼”實(shí)際上是一套彩色線陣CCD圖像識(shí)別器。他能夠?qū)Σ噬珗D像進(jìn)行顏色與圖案的采集，并根據(jù)所采集的信號進(jìn)行圖樣的測量和印刷機(jī)運(yùn)行速度的測量，控制后面單色圖像的印刷工作，確保所印出的彩色圖像色彩真實(shí)。 應(yīng)用例二：使用的掃描儀（實(shí)現(xiàn)照片等彩色信息的獲?。┎噬€陣CCD有兩種形式：單行串行和三行并行1、TCD2000P——單行串行形式單溝道兩相驅(qū)動(dòng)480個(gè)有效PD組成像敏區(qū)單元尺寸：長11*高33*113個(gè)單元一組，每一組依次采用G、B、R濾色片TCD2000P的原理結(jié)構(gòu)圖像敏區(qū)的結(jié)構(gòu)和單色TCD1209D的類似，只不過每個(gè)PD前增加了濾色片芯片內(nèi)部集成了脈沖發(fā)生器，簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)提供了采樣、保持電路TCD2000P的波形圖缺點(diǎn)：PD對不同顏色的響應(yīng)不同，同樣照度下輸出信號幅度不同優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，信號輸出快應(yīng)用范圍：對分辨率要求不高，且要求快速檢索顏色的情況主時(shí)鐘TCD2000P的特性參數(shù)靈敏度：綠光最靈敏，是其他的2倍；PRNU：一致性偏差；2、TCD2558D器件——三列并行形式三條5340像敏單元陣列,像敏單元的尺寸為:7*7*7,總長37.38mm每列之間的間距為28μm（間隔4行）每列都是5340個(gè)像敏單元的單溝道線陣CCD構(gòu)成高靈敏度低暗電流的彩色線陣CCD器件。TCD2558D的原理結(jié)構(gòu)圖TCD2558D的驅(qū)動(dòng)脈沖及輸出信號波形TCD2558D的驅(qū)動(dòng)脈沖和TCD1209D的驅(qū)動(dòng)脈沖基本相同。 RGB三路信號并行輸出，易合成真彩色圖像，適用于彩色掃描， 分辨率可達(dá)400dpi。TCD2558D的特性參數(shù)

特性參數(shù)符

號

最小值

典型值最大值單

位靈敏度

紅

RR

6.59.31.7V╱lx·s綠

RG

6.99.91.6V╱lx·s藍(lán)

RB

3.85.4

0.9V╱lx·s像敏單元不均勻性

PRNU—

1020

寄存器不平衡性

RI——3

飽和輸出電壓

VSAT3.23.2