教學進度圖像傳感器的概述光電技術基礎光源CCD圖像傳感器基本工作原理典型面陣ICCD視頻信號處理及計算機數(shù)據(jù)采集圖像傳感器的典型應用典型線陣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，適用于不同的應用場合。 本章從應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)動方式和應用特點。典型單溝道線陣CCD-TCD1209D典型雙溝道線陣CCD-TCD1206SUP具有積分時間調(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)被遮蔽光電二極管(前19個后8個共27個)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。即沒有實物存在的D0～D12。它們只是虛設的單元(在移位寄存器中有12組對應單元)2）遮蔽的27個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)動電極至少多少？

（2048+27+13）×2=4176個。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,CR1脈沖也應為高電平；SH的下降沿時，CR1也為高電平，以保證信號完整轉(zhuǎn)移成功。(時序及電平要求之一)RS脈沖和CR脈沖的時序關系？2、TCD1209D的基本工作原理

TCD1209D的驅(qū)動脈沖波形圖（掌握）TCD1209D的驅(qū)動脈沖波形圖（說明書截圖）TCD1209D五路驅(qū)動脈沖組成及作用：①轉(zhuǎn)移脈沖SH（溝通/阻隔PD和CCD；控制光積分時間）②驅(qū)動脈沖CR1（配合CR2把信號電荷從CCD右向左移動）③驅(qū)動脈沖CR2（其中CR2B代表CCD移位寄存器的最后一個電極）④復位脈沖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個轉(zhuǎn)移脈沖CR1的周期；OS輸出信號的構(gòu)成：虛設單元/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)動脈沖波形圖及脈沖時序要求設計。3、TCD1209D的驅(qū)動電路驅(qū)動實現(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（按時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VHDLTCD1209D的驅(qū)動脈沖時序要求驅(qū)動電路的設計思路：

1）各脈沖的周期關系及占空比分析；2）確定脈沖之間的邏輯及時序關系；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）二進制計數(shù)器，實現(xiàn)分頻目的以及脈沖計數(shù)；3）基本的非門/與門/或非門/觸發(fā)器等器件；分立元件方法實現(xiàn)基于VHDL和CPLD的驅(qū)動電路設計（推薦）SH模塊代碼CCD模塊代碼EPROM驅(qū)動方法單片機驅(qū)動方法基于DSP的驅(qū)動方法4、TCD1209D的特性參數(shù)

TCD1209D優(yōu)點：速度快;靈敏度高;動態(tài)范圍寬;像敏單元不均勻性好;功耗低;光譜響應范圍寬1)光譜響應特性光譜響應的峰值波長為550nm;短波響應在400nm處大于70%;光譜響應的長波限在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)滿月時地面光照度為0.1lx;弦月時為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光敏面上的曝光量。飽和曝光量越小，表明靈敏度越高。3）動態(tài)范圍DR動態(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，該器件廣泛應用于物體外形尺寸的非接觸自動測量領域，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像元像敏單元大小：14um×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。存儲柵：存儲光生電荷的MOS電容存儲陣列。2、TCD1206SUP的工作原理四路驅(qū)動脈沖：SH、CR1、CR2、RS；驅(qū)動電路的產(chǎn)生可仿照TCD1209D實現(xiàn)；1118TCD1206SUP與1209D的不同點：OS端總共輸出2236個信號，由于兩列并行傳輸。所以一個SH周期至少要有2236/2=1118個驅(qū)動脈沖CR1的周期補償信號DOS反映了CCD的暗電流特性，也反映了CCD在復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CCD第一個有效像素單元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)動電路

經(jīng)反向驅(qū)動器74HC04P反向后加到TCD1206SUP的相應管腳上。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輸出的是補償信號。1）驅(qū)動簡便——CCD芯片內(nèi)部設置了電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動器電路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——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）積分時間與暗電壓的變化關系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移位寄存器溝道輸出，這會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/較強時的情況下，可以通過增長/縮短光積分時間的方式使輸出信號達到所希望的幅度；積分時間的調(diào)整功能對于CCD的應用是非常重要的。

廣泛應用在條碼掃描識別等光電輸入設備。三、具有積分時間調(diào)整功能(電子快門)的線陣CCD-如何實現(xiàn)？TCD1205D為具有積分時間調(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。從而實現(xiàn)通過控制ICG電平來控制器件的曝光時間，可稱作“電子快門”。2、TCD1205D的基本工作原理——方案一在一個轉(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，也才能進行光積分。一個行周期中兩次轉(zhuǎn)移2、TCD1205D的基本工作原理——改變積分時間方案二一個行讀出周期中設置兩個轉(zhuǎn)移脈沖SH：第1個轉(zhuǎn)移脈沖的高電平對應于移位寄存器驅(qū)動脈沖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。

光積分時間僅為后面兩個SH之間的時間。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)動脈沖的特點。3、TCD1205D的特性參數(shù)動態(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檢測高速運動物體圖像的應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)動脈沖CR1與CR2、復位脈沖RS、鉗位脈沖CP最高驅(qū)動頻率可達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，每段又分奇偶兩個溝道并行輸出整個器件的輸出時間大大地縮短，器件的工作速度提高。RL1288D為1024像元的線陣CCD，分別由16個輸出端并行輸出,每個輸出端口只輸出64個像元的信號，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A/D轉(zhuǎn)換器件和相應的存儲器。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應具有的特點：光譜響應范圍寬、動態(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個有效像素單元，每個單元尺寸為長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位漏復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，輸出補償信號DOS；下面為有效PD陣列；每個光電二極管對應一個MOS場效應管（相當于存儲柵的功能），并兼有模擬開關或轉(zhuǎn)移柵的功能。

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

“開花”是指光敏單元所存儲的電荷超出了勢阱容納電荷的容量而溢出勢阱，擴散到鄰近勢阱的現(xiàn)象。抗開花Antiblooming（RL1024SB中可以用來調(diào)整積分時間）必須的三路脈沖（其他屬擴展）：轉(zhuǎn)移脈沖ST、驅(qū)動脈沖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)動電路（不做要求）主要利用的器件：

3個二進制同步計數(shù)器74HC161構(gòu)成的可預置計數(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）光譜響應兩種類型：普通光學玻璃和石英玻璃；石英玻璃：光譜響應范圍為200nm至1100nm,峰值響應波長為750nm。該器件在中紫外至近紅外波段的光譜響應較好，常用于這段譜區(qū)的光譜探測和光譜分析應用中，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系在低于飽和曝光量時曲線的線性很好，但超出后曲線彎曲。實際使用時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應用例一：在彩色印刷行業(yè)中常需要進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工藝的關鍵技術。在套色印刷生產(chǎn)線中常用“電眼”進行跟蹤套色，所謂的“電眼”實際上是一套彩色線陣CCD圖像識別器。他能夠?qū)Σ噬珗D像進行顏色與圖案的采集，并根據(jù)所采集的信號進行圖樣的測量和印刷機運行速度的測量，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。 應用例二：使用的掃描儀（實現(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480個有效PD組成像敏區(qū)單元尺寸：長11*高33*113個單元一組，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計提供了采樣、保持電路TCD2000P的波形圖缺點：PD對不同顏色的響應不同，同樣照度下輸出信號幅度不同優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，信號輸出快應用范圍：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)動脈沖及輸出信號波形TCD2558D的驅(qū)動脈沖和TCD1209D的驅(qū)動脈沖基本相同。 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

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