光电传感技术第七八章答案.docx

第七章1， 设光敏二极管的光敏面积为1 mm1 mm，若用它扫描500 mm400 mm的图像，问所获得的图像水平分辨率最高能达到多少？答：水平分辨率最高可以达到500 mm/1 mm=500。2， 上题中光敏二极管在水平方向（沿图像500 mm方向）正程运动的速度为5 m/s，逆程运动的速度达50 m/s，垂直方向正程运动的速度应为多少？扫描一场图像的时间需要多少？答：水平扫描周期应为垂直方向行进到下一行的时间，因此垂直方向正程速度为：1 mm500 mm5 m/s+500 mm50 m/s=0.009 m/s。扫描一场图像需时间为：400500 mm5 m/s+500 mm50 m/s=44 s。3， 上述扫描出来的图像怎样显示出来？能直接用什么制式的电视监视器显示？为什么？若想看到用线阵CCD扫描出来的图像，应采用怎样的措施？4， 比较逐行扫描与隔行扫描的优缺点，说明为什么20世纪的电视制式要采用隔行扫描方式？我国的PAL电视制式是怎样规定的？答：逐行扫描闪烁感低，扫描方式和控制扫描的驱动设计也要简单，隔行扫描对行扫描频率的要求只是逐行扫描的一半，对信号传输带宽要求也小。20世纪的显示器行扫描频率达不到逐行扫描的行频要求，因此用隔行扫描技术。PAL制式规定场周期为20 ms，其中场正程时间为18.4 ms，场逆程时间为1.6 ms，行频为15625 Hz，行周期为64 s，行正程时间为52 s，行逆程时间为12 s。5， 现有一台线阵CCD图像传感器（如ILX521）为256像元，如果配用PAL电视制式的显示器显示他所扫描出来的图像需要采用怎样的技术与之配合？6， 如何理解“环保的绿色电视”？100 Hz场频技术是基于怎样的基础？答：100 Hz扫描技术就是利用数字式场频转换技术，它把PAL制的50 Hz场频的信号，通过数字式存储器DARM，采用“慢存快取”的方法，即读出的时钟频率是存入时钟频率的2倍，实现信号场频率的倍频转换，使场扫描数倍增，从而成为场频为100 Hz的视频信号。7， 图像传感器的基本技术参数有哪些？他们对成像质量分别有怎样的影响？答：1，成像物镜的焦距f，决定了被摄劲舞在光电成像器件上成像的大小；2，相对孔径D/f，决定了物镜的分辨率、像面照度和成像物镜的成像质量；3，视场角2，决定了能在光电图像传感器上成像良好的空间范围。第八章1， 为什么说N型沟道CCD的工作速度要高于P型沟道CCD的工作速度，而埋沟CCD的工作速度要高于表面沟道CCD的工作速度？答：由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此N型CCD比P型CCD的工作频率高的多。由于界面处存在陷阱，信号电荷在转移过程中将受到影响，从而降低了器件的工作速度和转移效率。埋沟CCD在半导体体内设置信号的转移沟道，避免了这一问题。2， 试说明为什么在栅极电压相同的情况下，不同氧化层厚度的MOS结构所形成的势阱存储电荷的容量不同，氧化层厚度越薄电荷的存储容量越大？答：3， 为什么二相线阵CCD电极结构中的信号电荷能在二相驱动脉冲的驱动下进行定向转移而三相线阵CCD必须在三相交叠脉冲的作用下才能进行定向转移？答：三相CCD一般是单层金属化电极结构，为确保电荷做定向转移至少需要三相驱动脉冲，当信号电荷从第二个电极向第三个电极转移时，在第一个电极下面形成势垒以阻止电荷的倒流。二相CCD在电极结构中设计并制造出某种不对称，即有电极结构本身保证电荷转移的定向，因此可以用二相驱动脉冲。4， 试说明电流输出方式中复位脉冲RS的作用，并分析当复位脉冲RS没有加上时CCD的输出信号将会怎样？答：RS驱动复位场效应晶体管导通，它道统的动态电阻远远小于偏置电阻的组植，使CCD输出二极管中接受到的上一个信号中的剩余电荷通过复位场效应晶体管流入电源，为接受新的信号电荷做好准备。没有RS，上一个信号在输出二极管中的剩余电荷会叠加在新接收到的信号的电荷量上，破坏后面的信号。5， 为什么要引入“胖零”电荷？“胖零”电荷属于暗电流么？能通过对CCD器件制冷消除“胖零”电荷么？答：所谓“胖零”，即让“零”信号也有一定的电荷。由于电荷转移率不能达到1，即总有一部分电荷不能转移到下一个势阱中，因此通过增加“零”信号的电荷量（即注入“胖零”），可使不能转移的电荷占信号电荷的比例降低，从而提高了信号的转移效率。6， 若二相线阵CCD器件TCD1251D像敏单元为2700个，器件的总转移率为0.92，试计算他每个转移单元的最低转移效率为多少？答：最低转移效率由最后读取的信号单元决定，由于是双沟道，因此n=27002*2=2700，总体转移效率为：min2700=0.92，推出min=0.99997。7， 设TCD1209D的驱动频率为2 MHz，试计算TCD1209D的最短积分时间是多少？当从表5-1中查到其光灵敏度（响应R）31 Vlxs时，试求使其饱和所需要的最低照度？答：TCD1209D的行周期总共2088个单元，因此最短积分时间：t=2088f=20882 MHz=1.044 ms。根据表8-1，TCD1209D的饱和输出电压为2 V，所以最低照度为：Eminsat=2 V31 Vlxs1.044 ms=61.8 lx。8， 在上题条件下，又知TCD1209D的动态范围为2000，它的最小探测照度为多少？像元上的最低可探测的光通量为多少？答：因为动态范围DR=UsatUdak=2000，所以Udak=Usat2000=2 V2000=1 mV,所以最小探测照度Eminpro=1 mV31 Vlxs1.044 ms=0.031 lx。TCD1209D的像敏单元的尺寸为14 m14 m=196 m2，因此最低可探测的光通量为minpro=Eminpro196 m2=6.0810-12 lm。9， 试说明TCD1209D驱动器中的SH、RS与CP的作用，并分析若RS脉冲由于故障而丢失，TCD1209D的输出将会怎样？SH脉冲丢失又会怎样？答：SH为周期很长的脉冲，低电平时间远长于高电平时间，作用是开启、关闭像敏区电荷通过转移栅，即开启、关闭读取像敏区曝光信息的信号。低电平时，像敏区的电荷才能转移到水平移位寄存中。RS是复位脉冲，作用为使CCD输出二极管中接受到的上一个信号中的剩余电荷通过复位场效应晶体管流入电源，即清零输出二极管，为接受新的信号电荷做好准备。CP为嵌位脉冲，作用是进行缓冲控制，滤掉信号的尖脉冲，减缓信号的振荡。10， 已知TCD1209D的最高驱动频率为20 MHz，有效像元数为2048，虚设单元数为40，它的饱和曝光量为0.06 lxs，动态范围为2000，问：使输出信号的幅度高于饱和输出幅度的一半，像面的照度应不低于多少？答：像敏区单元数为2048+40=2088，查表得饱和输出电压为2 V，因此信号输出幅度U=Usat-Udak=Usat1-1DR=2 V1-12000=1.999 V，欲达到题目要求，要求最低输出电压Umin=Usat-U2=2 V-1.999 V2=1.0005 V，查表可知光灵敏度R为31 Vlxs,所以在输出为Umin时像面单位面积上的曝光量为：UminR=1.0005 V31 Vlxs-1=0.03 lxs，而最短积分时间为：t=2048+40120 MHz=0.104 ms，所以最低照度为Emin=0.03 lxs0.104 ms=288 lx。11， TCD1251D的转移脉冲SH的下降沿落在驱动脉冲CR1还是CR2的高电平上？这说明了什么？如果将CR1和CR2的相位颠倒会出现怎样的情况？答：下降沿要落在CR1的高电平上，从而使CR1电极下的深势阱与MOS电容存储势阱沟通，MOS电容存储栅中的信号电荷将通过转移栅转移到模拟移位寄存器CR1电极下的势阱中。如果将CR1和CR2的相位颠倒，则MOS电容存储栅中的信号无法进入到CR1电极下的势阱中，相当于没有进行曝光。12， 为什么TCD1251D的积分时间必须大于2752个TRS（TRS为复位脉冲RS的周期）？若积分时间小于2752个TRS，输出信号将会如何？答：TCD1251D是双沟道CCD，即CR1的0和1都会有信号电荷，都需要RS复位清零，因为一个积分时间内CR1有1376个脉冲，因此需要有13762=2752个RS脉冲。如果小于此时间，则输出二极管不能清零，导致后面信号受到破坏。13， 结合如图8-26所示驱动脉冲波形图，观察驱动脉冲波形与输出信号OS的波形，分析双沟道线阵CCD器件是怎样将奇、偶像敏单元的信号排成时序输出的？尚无标准答案14， 若TCD1251D的驱动频率fR=1 MHz，试计算它的最段积分时间为多少？由表8-2查到TCD1251D的光照灵敏度（响应R）为35 Vlxs，问此时照度为多少才能使器件饱和？用它为探测器件是，刚刚饱和时的照度分辨率是多少？答：最短积分时间TSH=1376T1=1376fR-1=1.376 ms。查表可知TCD1251D的饱和输出电压Usat为1.9 V，所以饱和曝光量为: SE=1.9 V35 Vlxs=0.054 lxs ,所以饱和照度Esat=SETSH=0.054 lxs1.376 ms=39.45 lx。15， 试说明隔列转移性面阵CCD的信号电荷是如何从像敏区转移出来成为视频信号的。答：隔列转移型面阵CCD工作在PAL电视制式下，按电视制式时许工作。在场正程期间像敏区进行光积分，这个期间转移栅为地电位，转移栅下的势垒将像敏单元的势阱与读出寄存器的变化势阱隔开。像敏区在进行光积分的同时，移位寄存器在垂直驱动脉冲的驱动下一行行地将每一列的信号电荷向水平位移寄存器转移。当场正程结束（光积分时间结束）进入场逆程，场逆程期间转移栅上产生一个正脉冲，在SH脉冲的作用下降像敏区的信号电荷并行地转移到垂直寄存器中。转移过程结束后，光敏单元与读出寄存器又被隔开，转移到读出寄存器的光生电荷在读出脉冲的作用下一行行地向水平读出寄存器中转移，水平读出寄存器快速地将其经输出放大器输出。在输出端得到与光学图像对应的一行行的视频信号。16， 为什么说多帧累计方法不但能提高面阵CCD摄像机的弱光特性，而且能够提高所摄图象的信噪比？答：通过多帧累加