CCD技术开发讲义.ppt

长春奥艺光电技术网（）,一、线阵CCD,本文由长春奥艺光电技术网（）收集整理，转载整注明,长春奥艺光电技术网（）,应用领域,各种线阵CCD均可以用作尺寸测量，也可用来实现角度测量、振动测量、光谱探测、颜色识别和图像扫描等。,长春奥艺光电技术网（）,驱动方式,不同厂家、不同型号的CCD的驱动时序是不同的，加之对不同性能、不同应用场合的体积、成本、灵活性要求不同，于是产生了众多的驱动时序的产生方法，目前主要有单片机驱动、CPLD（复杂可编程逻辑器件）驱动、FPGA（现场可编程阵列）驱动、专用IC驱动等常用的驱动时序的产生方法。,长春奥艺光电技术网（）,线阵CCDTCD1209D,TCD1209D的基本结构TCD1209D为日本东芝公司的一款高速、低暗电流线型图像传感器，主要用于传真、图像扫描和光学字符识别。它是典型的二相单沟道型线阵CCD。该器件为2048像敏单元的长阵列器件。采用单沟道结构形式，目的是为了提高器件的像敏单元的不均匀度和提高器件的动态范围。TCD1209D的外形如图1所示，管脚定义如图2所示。,图1TCD1209D外形图图2TCD1209D管脚定义,长春奥艺光电技术网（）,从原理结构图可以看出，TCD1209D是只有一个转移栅和一个模拟移位寄存器的单沟道型线阵器件。,图3TCD1209D原理结构图,长春奥艺光电技术网（）,TCD1209D的光敏阵列共有2075个光电二极管，其中有27个光电二极管被遮蔽（前边的D13D31和后边的D32D39），中间的2048个光电二极管为有效的光敏单元。每个光敏单元的尺寸为14um14um，相邻两个光敏单元的中心距为14um。光敏单元的总长度为28.672um。转移栅与光敏阵列及模拟移位寄存器构成如图4所示的交叠结构。这种结构可以使转移栅完成将光敏区的信号电荷向模拟移位寄存器中转移的工作，又能在模拟移位寄存器转移信号电荷期间将光敏区与模拟移位寄存器隔离，使光敏区进行光积分的同时模拟移位寄存器进行信号电荷的转移。,转移栅上加转移脉冲SH，SH为低电平时，转移栅电极下的势阱为浅势阱，对于光敏区Up下的深势阱来说起到隔离的势垒作用，不会使光敏区Up下积累的信号电荷向CR1电极下深势阱中转移。当SH的电位为高电平时，转移栅电极下的势阱为如图所示的深势阱，深势阱使光敏区Up下的深势阱与CR1电极下的深势阱沟通。光敏区Up下积累的信号电荷将通过转移栅SH向CR1电极的深势阱中转移。,图4光敏单元与模拟移位寄存器的连接,长春奥艺光电技术网（）,转移到CR1电极势阱中的信号电荷将在驱动脉冲CR1和CR2的作用下做定向转移（从左向右），最靠近输出端的为CR2B电极。当CR2B电极上的电位由高变低时，信号电荷将从CR2B电极下的势阱通过输出栅转移到输出端的检测二极管中。信号输出单元包括检测二极管、复位场效应管与输出放大器等电路。复位场效应管控制栅上的脉冲为复位脉冲RS。信号经缓冲控制CP电极后由输出放大器场效应管的开路院源极OS端输出。,长春奥艺光电技术网（）,TCD1209D的基本工作原理,TCD1209D的驱动脉冲波形图如下图5所示。它由转移脉冲SH、驱动脉冲1和2、复位脉冲RS和缓冲控制脉冲CP等5路脉冲构成。转移脉冲SH的高电平期间，驱动脉冲1必须为高电平，而且必须保证SH的下降沿落在1的高电平上，这样才能保证光敏区的信号电荷并行地向模拟移位寄存器的1电极转移。完成信号电荷的并行转移后，SH变为低电平，光敏区与模拟移位寄存器被隔离。在光敏区进行光积累的同时，模拟移位寄存器在驱动脉冲1和2的作用下，将转移到模拟移位寄存器的1电极里的信号电荷向左转移，在输出端得到被光强调制的序列脉冲输出，如图5所示的OS信号。SH的周期称为行周期，行周期应大于等于2088个转移脉冲1的周期T1。只有行周期大于2088T1，才能保证SH在转移第2行信号时第1行信号能全部转移出器件。当SH由高变低时，OS输出端便开始进行输出。如图所示，OS端首先输出13个虚设单元的信号，所谓虚设单元是没有光电二极管与之对应的CCD模拟移位寄存器的部分，然后输出16个哑元信号，哑元是指被遮蔽的光电二极管与之对应的CCD模拟移位寄存器的部分产生的信号，再输出3个信号，这3个信号可因光的斜射而产生电荷信号的输出，但这3个信号不能被作为信号处理，之后才能输出2048个有效像敏单元信号。有效像敏单元信号输出后，再输出8个哑元信号，其中包括1个用于检测1个周期结束的检测信号。这样，一个行周期总共包括2088个单元，行周期应大于等于这些单元输出的时间，即大于等于2088T1。,长春奥艺光电技术网（）,图5TCD1209D的驱动脉冲波形图,长春奥艺光电技术网（）,TCD1209D的特性参数,TCD1209D是一种性能优良的线阵CCD器件。它具有速度快，灵敏度高，动态范围宽，像敏单元不均匀性好，功耗低，光谱响应范围宽等优点。1.光谱响应特性,TCD1209D的光谱响应特性曲线如图6所示。光谱响应的峰值波长为550nm，短波响应在400nm处大于70%，实践证明该器件在300nm处仍有较好的响应，光谱响应的长波限在1100nm处。响应范围远远超过人眼的视觉范围。,图6TCD1209D光谱响应曲线,长春奥艺光电技术网（）,该器件像敏单元不均匀性的典型值为3%，这是2048像敏单元的双沟道线阵CCD器件所无法达到的。像敏单元不均匀性的定义有两种：一种定义为在50%饱和曝光量的情况下各个像敏单元之间输出信号电压的差值U与各个像敏单元输出信号均值电压Ua之比的百分数，即PRNU=U/Ua%另一种用PRNU(V)表示，定义为5%饱和曝光量情况下的相邻像素输出电压的最大差值。,长春奥艺光电技术网（）,2.灵敏度线阵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R=Uo/Hv式中，Uo为线阵CCD输出的信号电压，Hv为光敏面上的曝光量。当然，器件灵敏度参数还常用器件输出信号电压饱和时光敏面上的曝光量来表示，称为饱和曝光量，记为SE。饱和曝光量SE越小的器件，其灵敏度越高。TCD1209D的饱和曝光量SE仅为0.06(lx.s)。,长春奥艺光电技术网（）,3.动态范围动态范围DR定义为饱和曝光量与信噪比等于1时的曝光量之比。但是，这种定义方式不容易计量，为此常采用饱和输出电压与暗信号电压之比代替，即DR=USAT/UDARK式中，USAT为CCD的饱和输出电压，UDARK为CCD没有光照射时的输出电压（即暗信号电压）。显然，降低暗信号电压是提高动态范围的最好方法。动态范围越大的器件品质越高。TCD1209D的其他特性参数如下表所示。由表中可以看出，它是一种性能优良的线阵CCD器件。,长春奥艺光电技术网（）,表1TCD1209D的特性参数,长春奥艺光电技术网（）,由图5TCD1209D驱动脉冲波形图可以看出，TCD1209D的驱动器应产生SH、CR1、CR2、RS、CP等5路脉冲，其中转移脉冲的周期远远大于其它4路脉冲的周期。按照图5所示的驱动脉冲波形的要求，驱动电路可用现场可编程逻辑器件(FPGA)进行设计。FPGA的内部逻辑电路可以为如图7所示的逻辑电路。图中由R1，R2，G1，G2和石英晶体振荡器Z1构成的振荡器产生频率为f的主时钟脉冲，经分频器分出频率分别为f1,f2,f3的脉冲，分别经由G7，G8，G9和G10组成的逻辑电路产生RS与CP脉冲信号。RS经反响器后送入N位二进制计数器的输入端。在计数器的Q0端得到驱动脉冲CR1，经反相后得CR2。转移脉冲SH的获得是利用N位二进制计数器的第j与第p位输出端Qj与Qp相与，使计数器计满2088个复位脉冲RS后，与门输出高电平；之后再与RS相与产生N位二进制计数器的复位脉冲R，使N位二进制计数器复位，便在G4反相器的输出端得到转移脉冲SH信号。将转移脉冲SH信号，驱动脉冲CR1，CR2，RS与CP脉冲信号送给如图8所示的TCD1209D驱动电路，TCD1209D即可输出如图3所示的OS视频信号。,图7TCD1209D驱动脉冲产生电路,长春奥艺光电技术网（）,TCD1209D的驱动电路,图8TCD1209D驱动电路,长春奥艺光电技术网（）,显然，转移脉冲SH的周期是靠Qj与Qp在N位二进制计数器的位置改变的，即驱动器积分时间可由选取不同的Qj与Qp值进行改变。但是，对于TCD1209D来说，最短的积分时间必须大于2088TRS。从图8可以看出，TCD1209D器件是用5V的脉冲驱动的(驱动器采用74HC04)，OS输出信号经PNP型三极管构成的射极电路输出，因此，该电路的输出阻抗很低。,长春奥艺光电技术网（）,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7所示。器件的外形总长为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0.70.1mm。这些参数在图9中都可以找到，对于实际应用都是很重要的。而且，器件的外形尺寸与封装尺寸关系等对于同系列器件基本相同。了解了器件的外形尺寸后，在应用中必须要将被测的图像成像在它的光敏面上而不是前面的保护玻璃上。,长春奥艺光电技术网（）,图9TCD1209D外形尺寸图,长春奥艺光电技术网（）,面阵CCD,长春奥艺光电技术网（）,长春奥艺光电技术网（）,面阵CCD-TCD5130AC,TCD5130AC是一种帧转移型面阵CCD。它常被用于三管彩色CCD电视摄像机中。它的有效像敏单元数为754(H)583(V)；像素单元尺寸(长高)为12.0um11.5um；像敏面积大小为9.05mm6.70mm，一般将它封装在如图1所示的24脚扁平陶瓷管座中。图2为TCD5130AC的管脚定义图。,图1TCD5310AC外形图,图2TCD5310AC管脚定义,长春奥艺光电技术网（）,图3TCD5130AC结构原理图TCD5130AC由像敏区、存储区、水平移位寄存器和输出部分构成。它的像敏区的结构和存储区的结构基本相同。像敏区曝光，而存储区被遮蔽。像敏区和存储区均为四相结构，分别由I1,I2,I3,I4(像敏区的驱动脉冲)和S1,S2,S3,S4(存储区的驱动脉冲)驱动。水平移位寄存器由两相时钟脉冲H1和H2驱动。由图可以看出，水平移位寄存器的最末端的电极为H1B，其后是输出栅OG，输出栅与复位栅RS之间为输出二极管，信号由输出二极管经输出放大器由OS端输出。第5,6,18脚为地，第3,4脚为输出放大器提供的OD电源，第1脚为复位管提供的电源RD，复位脉冲RS加在第7脚上。复位脉冲在每个光敏单元信号来到之前使输出二极管复位，确保每个光敏单元信号不受前面输出信号的干扰。,长春奥艺光电技术网（）,像敏区由光电信号产生区(图中用符号S表示)和被遮蔽的光电二极管虚设单元区(图中用斜线表示)构成。因此，虽然它的总像敏单元为803(H)586(V)，但是有效像敏单元数仅为754(H)583(V)个。引入被遮蔽的光电二极管虚设单元的目的是保证有效像敏单元信号的输出质量。存储区为被金属遮蔽的区域，存储区的面积与结构和像敏区的面积与结构完全相同，在图中也用斜线表示。,图4TCD5139AC像敏区原理结构图,长春奥艺光电技术网（）,图5TCD5130AC的奇数场驱动脉冲波形图,长春奥艺光电技术网（）,图6TCD5130AC的偶数场驱动脉冲波形图,长春奥艺光电技术网（）,图7所示为图5和图6中A段展开波形图，该波形图描述了场正程期间的某行消隐(12us)时间段的信号电荷在驱动脉冲作用下的转移过程。,图7A段各驱动脉冲波形展开图,长春奥艺光电技术网（）,图8分别是B段和C段的波形展开图，该波形图描述了场逆程期间，信号电荷在驱动脉冲的作用下从光敏区向存储区的转移过程。,图8B段、C段各驱动脉冲波形展开图,长春奥艺光电技术网（）,图9所示为D,E,F,G段的波形展开图，即场逆程期间奇、偶两场的信号电荷在像敏区的驱动脉冲作用下的转移过程。,图9DG段驱动脉冲波形展开图,长春奥艺光电技术网（）,TCD5130AC基本工作原理,首先明确TCD5130AC在PAL电视制式下是怎样工作的。由图5可以看出，奇数场右侧虚线对应于一整行，表明自扫描输出一整行，即从6,8,10,行进行输出。而偶数场(图6)右侧虚线对应于第5行的一半，表明它是从半行开始输出，实现隔行扫描。A段展开图表明了存储区向水平移位寄存器中的转移过程。在12us的行消隐时间内，存储区中的信号并行