图像传感器应用技术 第4版 课件 第3章 典型线阵CCD

第3章典型线阵CCD本章将从应用的角度介绍各种典型的线阵CCD的基本特性、特性参数、驱动方式和应用特点。3.1典型单沟道线阵CCD本节将讨论典型的单沟道线阵CCD器件TCD1209D的基本结构、工作原理、驱动电路及其特性参数。重点掌握它的应用特性。

3.1.1TCD1209D的基本结构基本结构如图3-1所示。注意观察“光电二极管”阵列，“转移栅”位置，“移位寄存器”与“信号输出单元”。转移栅与像元阵列及模拟移位寄存器构成如图3-2所示的交叠结构。注意观察“UP”、“SH”与“CR1”电平高低变化时体内势阱的变化。3.1.2TCD1209D的基本工作原理观察图3-3所示的驱动波形图。按着波形图中的时间段进行仔细分析。从中找出“光积分”、“并行转移”、“串行输出”3个重要阶段CCD的状态。3.1.3TCD1209D的特性参数1.光谱响应特性TCD1209D的光谱响应特性曲线如图3-4所示。峰值波长为550nm，短波响应在400nm处大于70%，长波限在1100nm处。远远超出人眼的视觉范围。2.像元的不均匀度TCD1209D的不均匀性典型值为3%，是双沟道线阵CCD器件所无法达到的。不均匀性定义方式有两种，一种为在50%饱和曝光量下各个像元之间输出信号电压差值ΔU与各个像元均值电压之比的百分数。既常采用饱和输出电压与暗信号电压之比代替。3.灵敏度灵敏度定义为单位曝光量作用下器件的输出信号电压灵敏度参数还可用使器件输出饱和时像面上的最低曝光量表示，称为饱和曝光量，记为SE。TCD1209D的饱和曝光量SE仅为0.06(lx.s)。4.动态范围饱和曝光量与信噪比等于1时的曝光量之比定义为动态范围DR特性参数参数符号最小值典型值最大值单位备注灵敏度R253137V/(lx·s)

像元的不均匀性PRNU

310%

PRNU(V)

410mv

饱和输出电压VSAT1.52.0

v

饱和曝光量SE0.040.06

lx·s

暗信号电压VDAK

1.02.5mv

暗信号电压不均匀性DSNU

1.02.5mv

直流功率损耗PD

160400mw

总转移效率TTE9298

%

输出阻抗ZO

0.21kΩ

动态范围DR

2000

输出信号的直流电位VOS4.03.57.0v

噪声NDO

0.6

mv

驱动频率F

120MHzf1=fR表3-1TCD1209D的特性参数3.1.4TCD1209D的驱动电路利用如图3-5所示的逻辑电路可以生成如图3-3所示的驱动脉冲。脉冲发生器整形兼分频产生RS与CR脉冲产生SH脉冲的逻辑电路产生CP脉冲将CP脉冲送入N位计数器用脉冲R复位N位计数器，使之循环用04芯片完成功率驱动输出放大电路3.1.5TCD1209D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3-7所示。3.2典型双沟道线阵CCD器件3.2.1TCD1206SUP的基本结构

图3-8所示为T01206SUP的基本结构原理图。3.2.2TCD1206SUP的工作原理TCD1206SUP在如图3-9所示的驱动脉冲作用下工作。确保有效转移3.2.3TCDl206SUP的驱动电路利用CMOS反相器提高脉冲驱动能力射极输出电路降低输出阻抗3.2.4TCDl206SUP的特点（1）驱动简便（2）灵敏度高TCD1206SUP的光电灵敏度为45V/lx.s，它的饱和曝光量为0.037lx.s，虽然低于TCD1208AP(110V/lx.s)，但是它的动态范围为1700，比TCDl208AP(400)高很多。（3）光谱响应（4）温度特性TCD1206SUP的温度特性如图3-13所示。（5）积分时间与暗电压的变化关系图3-12TCD1206SUP光谱响应图3-13TCD1206SUP温度特性图3-14TCD1206SUP积分时间与暗电压3.2.5TCD1206SUP的特性参数参数名称符号最小值典型值最大值计量单位备

注响应R334556V/lx·s

对于发光二极管（660nm）光源的响应为600V/lx·s像元不均匀性PRNU

10%饱和输出电压USAT1.51.7

V饱和曝光量SE

0.037

lx·s暗信号电压UMDK

12mV所有有效像元暗信号最大值暗信号不均匀性DSNU

23mV

直流功率损耗PD

140180mW

总传输效率TTL92

%

输出阻抗ZO

1kΩ

动态范围DR

1700

直流信号输出电压UOS4.53.57V

直流参考输出电压UDOS4.53.57V

直流失调电压

20

mV

3.3具有积分时间调整功能的线阵CCDTCD1205D为具有积分时间调整功能的线阵CCD器件。3.3.1TCD12051.TCD1205D的基本结构图3-16TCD1205D原理结构图积分栅电极被引出2.TCD1205D的基本工作原理图3-17TCD1205D驱动脉冲波形图积分栅低电平无光积分无效的转移脉冲有效转移3.TCD1205D的特性参数3.3.2IL-P1IL-P1的基本结构IL-P1的外形图如图3-20与3-21所示。图3-20图3-21图中CR1S，CR2S，CR1B，CR2B为移位寄存器的2相驱动脉冲；SH为转移脉冲；RS为复位脉冲；PR为积分控制脉冲。积分栅电极被引出图3-22为IL-P1的原理结构图图3-22IL-P1原理结构图

积分栅电极被引出其积分时间的调整功能需要从图3-23中分析与理解。图3-23IL-P1驱动脉冲波形图

实际积分时间思考题与习题3解题思路3.1题，①最短时间是只考虑像元与亚元而无其他多余RS脉冲的积分时间。②根据表3-1中查到的饱和曝光量与响应R，就可以进行计算。3.2题，先计算出最低照度，然后根据像元面积即可计算出通量。3.3题，主要是RS脉冲的意义，如若不复位，将产生信号的累积而无法获得真正的信息输出。3.4题，需要从器件的结构考虑，要尊重器件的设计者。3.5题，主要是输出沟道。TCD1209D输出信号的像元不均匀性优于TCD1206SUP。3.6题，要从积分时间的设置方面考虑，。拓展思路很重要。3.7题，需要详细观察它的结构，了解双沟道器件的特点，关注CR1、CR2与RS之间的频率与相位。

3.8题，需要详细分析其驱动脉冲波形图，将像元与亚元信号转移出器件需要的脉冲数，能充分转移才会使电荷不产生累积而损失信号。3.9题，①最短积分时间是只考虑像元与亚元而无其他多余RS脉冲的积分时间。②根据表3-2中查到的饱和曝光量与响应R可以计算出使其饱和所需的照度3.4具有采样保持输出电路的线阵CCD具有采样保持输出电路的线阵CCD种类很多。TCD1500C是一种典型的具有采样保持输出电路的5340像元线阵CCD。1．TCD1500C的基本结构TCDl500C的原理结构框图如图3-28所示。图3-28TCD1500C原理结构图由SP控制的采样保持电路采样保持电路控制脉冲图3-29TCD1500C驱动脉冲波形图

失去SP脉冲的输出波形SP脉冲控制下的输出波形2．TCD1500C驱动器图3-30为TCD1500C的驱动脉冲波形图。图3-30TCD1500C驱动电路

自激振荡器驱动脉冲产生逻辑电路SH产生电路3.TCD1500C的特性参数见教材所述。3.5并行输出的线阵CCD器件并行输出的线阵CCD在相同频率驱动脉冲的作用下可以获得更高的信号输出速率，这在用线阵CCD检测高速运动物体图像的应用中具有非常重要的作用。3.5.1并行输出的TCDl703CTCDl703C为7500像元的并行输出线阵CCD，其像元尺寸为7μm长、7μm高，中心距亦为7μm，像敏区总长为52.5mm。原理结构如图3-32所示3.5.2分段式并行输出的线阵CCD1.IT-C54路并行输出的四相驱动线阵CCD。图中所示的器件为4096像元，为40脚的双列直插式封装。它的像元尺寸为10μm长、10μm高、中心距10μm。像元总长为40.96mm。2.分段式多路并行输出的高速线阵CCD器件RLl282D、RLl284D、RLl288D器件为分段式多路并行输出的高速线阵CCD器件。

3.6用于光谱探测的线阵CCD用于光谱探测的线阵CCD应具有光谱响应范围宽、动态范围大、噪声低、暗电流小、灵敏度高和像元的均匀性好等特点。3.6.1RLl024SB1.结构与工作原理RLl024SB为1024像元的线阵CCD器件，像元面积较大，为长25μm、高2.5mm，总长度为23.6mm。2.驱动器驱动脉冲波形如图3-44所示。

3.特点(1)光谱响应RL1024SB器件的光谱响应特性曲线如图3-47所示。尾缀标有Q的为石英窗，如RL2048DKQ,光谱响应短波限可延至200nm。（2）动态范围作为光谱探测器应用的线阵CCD，光谱响应特性极其重要。动态范围也是不可忽视的特性参数。RLl024SB的动态范围常用如图3-48所示的输出信号电荷与曝光量的关系曲线表示。在非饱和区，线性特性非常好，有利于光谱探测。注意：必须将其中的积分时间tc参数稳定住才能确保线性关系。(3)RL1024SB的其他特性像元的不均匀性、动态范围与灵敏度等其他特性参数如表3-7所示。特

征典型值最大值单位像元中心距25

μm像元高度2.5

mm灵敏度2.9×10-4

C/Jcm-2像元不均匀性510±%饱和曝光量35

nJ/cm2饱和电荷10

pC动态范围31250

暗电流（均方根值）0.200.50pA峰值波长750

nm光谱响应范围200~1000

nm3.6.2RL2048DKQ器件RL2048DKQ是美国Reticon公司D系列CCD器件。它有2048个有效像元，尺寸为长13μm、高26μm、中心距13μm，属于高速(数据率高达30MHz)低功耗器件。1.RL2048DKQ基本工作原理图3-49为RL1048DKQ等D系列CCD原理等效电路图。2.驱动电路RL2048DKQ驱动脉冲波形图如图3-50所示。3.RL2048DKQ的特性参数表3-8RL2048DKQ系列的特性参数特

性最小值典型值最大值单

位动态范围（峰值）

2600

动态范围（均方根值）

13000

灵敏度4.03.46.6V/μj.cm-2饱和曝光量0.150.240.32μj.cm-2噪声等效曝光量（峰-峰值）

0.09

nj.cm-2像元不均匀性

512±%等效暗信号不均匀性

0.030.25±%饱和输出电压0.81.31.6V直流功耗

126

mw噪声（峰-峰值）

0.5

mV输出阻抗

2

kΩ输出电路温漂

10

mV/℃最大输出数据率20

MHz思考题与习题3解题思路3.10题，见教材3.2节。3.11题，CCD势阱容量有限，超出后电荷将溢出，溢出的现象称为“饱和”。溢出电荷将被传输过程中的势阱装入，所以它将向后面输出的单元输送，传输不对称的溢出现象。3.18题，根据题目给出的数据与TCD1500C的特性计算。3.19题，根据题目给出的数据可以计算。3.20题，根据题目给出的数据计算。3.7彩色线阵CCD彩色线阵CCD有单行串行与3行并行2种形式。本节将分别讨论这两种输出方式的彩色线阵CCD的基本结构与其基本工作原理。图3-28TCD1500C原理结构图TCD2000P的原理结构如图3-54所示。3.7.1TCD2000PR、G、B3色信号串行输出像元上方敷有R、G、B3色滤光片TCDC2000P的驱动脉冲波形如图3-55所示。R、G、B3色信号串行输出TCD2000P的其他特性参数如表3-9所示。名

称符

号最小值典型值最大值单

位

灵

敏

度RBRGRR3.78.44.63.312.06.66.913.68.7

V/lX.s像元不均匀性PRNU

1020%饱和输出电压VSat1.22.0

V饱和曝光量ESAT

0.17

lX.s暗信号电压VDark

1225mv暗信号不均匀性DSNU

510mv总转移率TTE92

%输出阻抗ZO

0.5

kΩ直流信号电平UOS4.56.07.5V表3-9TCD200P彩色CCD特性参数3.7.2TCD2558DTCD2558D为高灵敏度低暗电流的彩色线阵CCD。图3-56TCD2558D管脚定义行间距为28μm（间隔4行），像元为：长7μm，高7μm，中心距7μm。它的原理结构如图3-57所示。R、G、B三条5340像元CCD并行排列，如图3-56所示。R、G、B3色并行输出三色信号R、G、B并行地从OS1、OS2、OS3端口分别输出，便于合成真彩色图像，用于对彩色图像信息扫描，实现各种应用。三色的光谱响应特性曲线如图3-59所示。它与人眼的光谱响应接近。3.7.3TCDC2901DTCD290lD为并联输出的彩色线阵CCD引脚定义如图3-61所示。

图3-61TCD2901D管脚定义原理结构如图3-62所示。TCD2901D的光谱响应特性如图3-64所示。3.8环形线阵CCD由720个光电二极管和720个被遮挡的光电二极管(虚设单元)构成一个圆环形线阵CCD如图3-65所示。像元分布如图3-66所示。RO0720B驱动脉冲波形如图3-68所示。3.9本章小结典型线阵CCD图像传感器包括：1.单沟道线阵CCDTCD1209D通过典型单沟道线阵CCD工作波形分析，掌握线阵CCD“分时操作”的特点，体会“现在输出的信号是前一积分时间段检测的图像信息”的原因。单沟道线阵CCD的优点在于像元均匀性高于双沟道器件，缺陷是相同驱动频率下的输出速率低于双沟道器件。2.双沟道线阵CCDTCD1206SUP典型双沟道器件，常用于尺寸测量系统的传感器。3.具有积分时间调整功能的线阵CCDTCD1205D在景物照度较大变化的情况下需要适当的调整CCD的积分时间，调整光电响应灵敏度，使测量系统实用性更为广泛。4.具有采样保持功能的线阵