《光电技术》PPT课件

1、光电成象器件是指能够输出图像信息的一类器件。,它包括真空成象器件和固体成象器件两大类。,真空成象器件又包括：变象管、象增强器、摄象管。变象管是使不可见光图像变为可见光图像的器件，象增强器是使微弱光图像变为可见光图像的器件，摄象管是使光学图像变为电视信号的器件。,固体成象器件是通过特殊的结构与电路以自扫描的方式读出电信号再通过显示器件成象的器件。,光电成象器件在国防、工业、新闻、医学、天文学等领域获得广泛的应用，具有很强的生命力。,变象管是把不可见光图像变为可见光图像的真空光电管，象增强器是把亮度很低的光学图像增强到足够亮度图像的真空光电管。统称它们为象管。,象管通常有三个基本部分，即光电阴极、

2、电子光学系统、荧光屏。如图所示。,光电阴极使亮度很低的光学图像或不可见光学图像转换成光电子图像，在超高真空管内，这些光电子从外部高压电源获取能量，,并受电子光学透镜聚焦，高速轰击荧光屏，从而产生人眼可见的相应光学图像。,一、象管基本结构,1.光电阴极,光电阴极是涂覆于光窗内壁的光电发射材料薄膜。常用的光电阴极有：锑铯光电阴极，多碱光电阴极等。,2.电子光学系统,电子光学系统有电聚焦和磁聚焦两种形式。,静电聚焦型象管结构示意图：,磁聚焦型象管结构示意图：,管外的线圈用来使管内产生平行于管轴的磁场，以形成磁透镜。磁聚焦的优点是聚焦作用强，容易调节，也容易保证边缘像差。,缺点是管子外有长螺旋线圈和直

3、流激磁等，使整个设备的尺寸、重量增加，结构较复杂。,3. 荧光屏,荧光屏的作用是将电子动能转换成光能。对荧光屏的要求是不仅应具有高的转换效率，而且屏的发射光谱要同人眼或与之耦合的下级光电阴极的响应一致。,常用荧光屏发光材料的光谱发射:,二、图象增强技术,为了增强图像的亮度，经历了三代象增强器。,1. 第一代像增强器,将几个分立的单级图像增强管组合起来，构成级联式图像增强管。如图：,每个单级管的输入窗和输出窗都是由光纤面板制成，它的亮度增益可达105。,2. 第二代像增强器,第二代像增强器是用微通道板（Microchannel plates，MCP）实现单级高增益图像增强。,MCP是一种大面积微

4、通道电子倍增器，它由二次电子发射系数较高的含铅玻璃制成。,微通道板的结构如图：,微通道板是一块被加工成薄片（0.4至几个毫米）的空芯玻璃纤维二维阵列。,每个空芯管内径650m，长径比约为40/180/1，薄片端面法线相对于微通道轴心线的偏置角为510。通道内壁覆盖一层高阻二次电子发射膜。在微通道板的两端加上高的直流电压（约kV）后，在每个微管道内即形成极强的电场。,当光敏面发射的电子进入微管道后，在强电场作用下与管壁多次碰撞，由于高的二次电子发射（二次发射系数 1），使得n次轰击内壁后在输出端会得到n个电子，从而实现了电子倍增作用。一般10kV的MCP可得到105106的电子增益。,微通道板像

5、增强器的优点是体积小，重量轻，而且由于微通道板的增益与所加偏压有关，因此可以通过调整工作偏压来调整增益。另外，微通道板像增强器有自动防强光的优点，这是因为当微通道板工作在饱和状态时，输入电流再怎么增加而输出仍保持不变，因此，可以保持荧光屏在强光下不致于被“灼伤”。,双近贴式光电阴极、微通道板、荧光屏相互靠得很近。一般光电阴极与微通道板的距离小于0.1mm，微通道板与荧光屏之间的距离小于0.5mm。,微通道板像增强器主要有两种：双近贴式和倒像式。,双近贴式微通道板像增强器结构：,光电阴极发射的光电子直接打到MCP上。这种管子体积小，重量轻，使用方便，但像质和分辨率较差。,倒像式微通道板像增强器结

6、构如图：,倍增后，在均匀电场作用下直接投射到荧光屏上。因为在荧光屏上所成的像相对于光电阴极来说是倒像，故称为倒像管。这种管子具有较高的分辨率和像质。,第三代图像增强器是第二代像增强器的微通道板结构配以负电子亲和势光电阴极。负电子亲和势光电阴极不仅在可见光范围有较高的灵敏度，而且在近红外区也有比银氧铯光电阴极高的量子效率，因此，这种图像增强器能同时起到光谱变换和微光增强的作用。,倒像式是在管内荧光屏前插入微通道板，微通道板的输出端与荧光屏之间仍采用近贴式。由光纤面板上的光电阴极发射的光电子图像，经静电透镜聚焦在MCP上，MCP将电子图像,3. 第三代图像增强器,能够输出视频信号的真空光电管称为摄

7、像管。,摄像管的种类很多，按光电变换形式进行分类，基本上分为两类。,一类是利用外光电效应进行光电转换的摄像管，称光电发射型摄像管。,属于光电发射型摄像管这一类的有：超正析管、二次电子导电摄像管（SEC）、分流管、硅靶电子倍增管等。,另一类是利用内光电效应进行光电转换的摄像管，统称为视像管。,属于视像管这一类的有硫化锑管(Sb2S3)、氧化铅管(PbO)、硅靶管和异质结靶管等。,一、结构原理,摄像管基本结构如图：,光电发射型摄像管图像质量高，惰性极小，但结构复杂，体积大，调整麻烦，所以目前除特殊场合外一般用得较少。视像管结构简单，体积小，使用方便，在电视领域中被广泛应用。,摄像管的作用是把入射的

8、光学图像转换为视频信号并输出，它应具有三个基本功能：光电变换、光电信号存储和扫描输出。,光学图像投射到摄像管的光敏面上，由于摄像管受照面的材料具有光电效应，在摄像管的靶面上就建立起与入射照度分布相对应的电位起伏，这就完成了光电变换的功能。,扫描装置形成的扫描线按一定的轨迹串行、逐点地采集这些转换后的电量形成输出信号。,扫描线经过某一点的时间只占扫描整个光敏面所需周期的极小部分，为了提高检测灵敏度，每个光敏点在扫描周期内应不间断地对转换后的电量进行积累，这种功能就是光电信号的积分存储。,尽管摄像管种类繁多，但其工作原理基本相同，下面以氧化铅（PbO）摄像管为例予以说明。,氧化铅摄像管结构示意图：

9、,被摄物经物镜成像在光电靶上。光电靶既能完成光电变换又能存储信号，结构:,靶向着景物的一侧为信号极，它是喷涂在玻璃板上的一层透明金属氧化物导电层，如氧化亚锡信号板，具有较高的透射率和电导率。信号极引出的电极为信号电极，通过负载电阻施加靶压。靶的另一侧为光敏层。光敏层由三层很薄的半导体材料组成。与透明导电膜相连接的是N型氧化铅半导体，称N层；中间一层是氧化铅本征半导体，称I层；受电子束扫描的一层是氧化铅P型半导体，称P层。可见，氧化铅靶具有PIN光电二极管结构。,工作时，N层与靶压正极相连，光电二极管处于反向偏置，靶压几乎全加在I层上。景物成像在光电靶上，在光电二极管内产生光生载流子。在强电场作

10、用下几乎全部参加导电，因而光电转换效率高。且因光电二极管反向偏置，暗电流很小。图像使光电靶上各点照度不同，在光电二极管内产生不同数量的电子-空穴对。,电子-空穴对在反向电场作用下分别到达靶的两侧，使得靶的扫描面上的电位升高，形成与入射图像亮暗对应的正电位图像，这就是图像的存储。,图像信号的扫描输出是由电子枪发射扫描电子束来完成的。电子枪包括灯丝、热阴极、控制栅极、加速电极与聚焦电极、靶网电极和管外的聚焦线圈、偏转线圈、校正线圈。它的作用是产生热电子，并使它聚焦成很细的电子射线，按着一定的轨迹扫描靶面。聚焦电极的电压可调，它与加速电极形成的电子透镜起辅助聚焦作用。靶网电极使靶前形成均匀电场，因而

11、电子束在整个靶面都垂直上靶。,二、图象信号的形成,任何一幅图像可以分成许多小的像点，通常称为像素或像元。像素越小，单位面积上的像素数目越多，图像就越清楚。像素的大小由阅读电子束截面决定。,电子枪发射电子束，并在管外聚焦线圈、偏转线圈、校正线圈产生的磁场的配合作用下，使电子束在靶面正电位图像上从左至右、从上而下地顺序扫描。,在电子束扫描某一像素的瞬间，该像素与电源正极和阴极接成通路。这个像素（光电二极管结构）的光电流由PN，流过负载，产生负极性图像电压信号输出（信号阅读），同时扫描电子束使P层扫描面的电位降至阴极电位（图像信号擦除）。这样，电子束在从左至右，由上而下对正电位图像的顺序扫描中，就把

12、随空间、时间而变化的图像信息转换成随时间变化的电信号，这就是视频信号。,靶面电位变化及视频信号输出可以用等效电路解释：,电子束离开象素，C通过R放电，C右侧电位将升高。,每个象素可用电阻R和电容C来等效。C储存信息电荷，R随照度变化而变化。电子束扫描某一像素的瞬间，该像素与电源正极和阴极接成通路。于是C被充电，C的左侧电位升至VT，右侧为0。,无光照，放电时C右侧电位为：,暗电阻RD很大。放电时间近似等于帧周期Tf。则C右侧电位最大值：,有光照，放电时C右侧最高电位为：,这样，由于光照产生的有效信号为：,这种信号电压引起的充电电流在RL产生压降输出信号。,三、摄像器件的性能参数,1、灵敏度,2

13、、光电转换特性,摄像器件的灵敏度定义为：在2856K色温标准光源单位光通量（lm）或单位辐射通量（W）的照射下，器件所产生的输出信号电流。单位为A/lm或mA/W。 工程中，常用能产生正常电视图像所需的最低光照度来表征器件的灵敏度。显然，它越小摄像器件越灵敏。,摄像器件输出的光电流与入射的光照度之间的函数关系，称为其光电转换特性。通常表示为：,式中，称为光照指数，k为比例系数。,对大部分摄像器件而言， 值接近于1。在实际的电视摄像系统电子线路中，往往专门设置有“伽玛校正电路”，可选择使值小于1或大于1，以分别抑制背景、与显示器匹配和增加系统的光动态适应范围。,3、分辨率,分辨率表示能够分辨图像

14、中明暗细节的能力。,测量成像器件的极限分辨率时，要用专门的测试卡来进行。测试卡上有几组不同频率、等线宽的黑白线条。测试卡成像在摄像管上，输出的信号在监视器上显示出测试卡图像，然后通过人眼观察。人眼能分辨的最细线条数就是器件的极限分辨率。,如在水平的光栅宽度内最多能分辨300对垂直的黑白线条，则水平分辨率为600线；若在垂直的光栅高度内最多能分辨250对水平的黑白线条，则垂直分辨率为500线。,分辨率通常有两种表示方式，一种是极限分辨率，另一种是调制传递函数（MTF）。,极限分辨率表示法很简单，但带有很大的主观性，因为它是依靠观察者的眼睛来分辨的。同时它也不能反映摄像系统各部分对分辨率的影响。为

15、了客观地表示摄像管的分辨率，一般采用调制传递函数。,设正弦信号的极大值为Amax，极小值为Amin，则调制度M（也称为对比度）定义为：,调幅波信号在传输的过程中，调制度通常受到衰减，且随着线条的空间频率的增加而降低。用上述方法测出调幅波信号输入、输出的调制度Mi、Mo，则定义为：,用黑白相间的线条光栅调制入射到摄像器件上的光通量，得到调制信号。滤去高次谐波，得到正弦信号。,为调制传递函数。MTF能客观地表示器件对不同空间频率目标的传递能力。用不同空间频率的线条光栅反复进行上述测试，就能得到MTF与空间频率的关系曲线。,指输出信号的变化相对于光照度的变化有一定的滞后。在摄取快速运动目标时，惰性会

16、造成图像模糊；在彩色电视中惰性会引起运动物体的彩色拖尾。因此在商业电视广播中要求滞后值不大于10%。影响摄像管惰性的原因是靶面光电导弛豫过程和电容电荷释放惰性。,5、视频信噪比（S/N）,4、惰性（或滞后）,定义为输出视频信号值与同频带下噪声电平的均方根值之比。工程上，用dB数表示信噪比，即 式中，Sm为最大输出信号值，id为背景信号加噪声值。40dB是获得满意电视图像的基本要求之一。,6、动态范围,在同一幅景物内，摄像器件能处理的最高照度值与最低照度值之比称为摄像器件的动态范围。在摄像管中，动态范围的下限受噪声的限制，而上限则受到靶面像元存储信息容量的限制。,电荷耦合器件简称为CCD(Cha

17、rge Coupled Devices)。,CCD是二十世纪七十年代初发展起来的新型半导体器件。美国贝尔实验室W.S.玻意耳和G.E.史密斯等人在研究磁泡时，发现了电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷耦合这一新概念和一维CCD器件模型。同时预言了CCD器件在信号处理、信号存储及图像传感中的应用前景。鉴于美国MOS器件工艺及硅材料研究的雄厚基础，这种新型器件的设想很快得到了实现。30年来，CCD已成为现代光电子学和现代测试技术中最活跃、最富有成果的领域之一。CCD具有以下一些特点：,CCD器件是一种固体化器件，体积小，重量轻，功耗低，耐冲击性好，可靠性高，寿命长。畸变小，尺寸重现性好。有

18、很高的空间分辨率。具有很高的光电灵敏度和大的动态范围。光敏元间距的位置精确，可获得很高的定位和测量精度。信号与微机接口容易。,品牌.自主创新.ppt,一、CCD结构工作原理,电荷耦合器件突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。,CCD的基本功能: 信号电荷的产生、存储、传输和检测。,CCD有线阵和面阵之分。光敏元排列为一行的称为线阵CCD，像元数从128位至5000位以至7000位构成一个产品系列，由于生产厂家和CCD像元数不同，市场上有数十种型号的器件可供选用。面阵CCD器件像元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。目前达到实用阶段的像元数由25万至数百万个不

19、等，按照片子的尺寸不同，有1/3英寸、1/2英寸、2/3英寸和1英寸之分。按使用场合的不同有彩色和黑白CCD芯片之别，目前，绝大部分面阵CCD是以整机的形式投放市场。,无论线阵还是面阵，工作原理基本相同。下面以2048像元的双列两相线阵CCD为例，讨论CCD的结构原理。,一般来说，线阵CCD光敏单元数越多，可测量的范围越宽，测量精度也越高。目前常用2048光敏元以上的线阵列。为了提高电荷耦合效率，多采用双列两相器件。,双列两相线阵CCD结构：,主要由光敏区、转移栅和移位寄存器组成。,每个光敏元是一个光敏二极管，接收光信号，作光电转换，是线阵CCD 的一个像素。光敏元的两侧是用作存储光生电荷的M

20、OS电容阵列。,在CCD器件的中间是一个光敏元组成的线阵。,CCDA、CCDB 是双列CCD移位寄存器。转移栅（SH） 控制光生电荷向CCDA，CCDB转移。转移栅和移位寄存器由MOS电容构成，是蔽光的。,MOS基本结构如图表示：,在P型（或N型）硅单晶的衬底上生长一层很薄的二氧化硅（约为0.1-0.2m），再在SiO2上面淀积具有一定形状的金属铝（或多晶硅）电极，电极间隙约为2.5m,不加电压时，P型半导体中空穴是均匀分布的。,在电极上加正偏压（若是N型硅衬底则加负偏压），电场穿过SiO2薄层，排斥P型硅中的多数载流子空穴，在SiO2下形成耗尽区（无载流子的本征区）。,当电极上电压增加，达到

21、阈值电平以上时，耗尽区进一步向体内延伸，并将P型半导体内的电子（少数载流子）吸引到表面，产生反型层。,耗尽区对少数载流子（电子）来说象一个“阱”，称为势阱，能起收集电子的作用，所加偏压越大，势阱就越深，存贮电子能力越大。这就是MOS的电荷存贮功能。,每个电极与其下面的SiO2层和Si单晶构成MOS结构。,首先，光生电荷由光电二极管向移位寄存器的并行转移，如图：,光敏区是一行NP扩散光电二极管，以积分方式工作。,光电栅极PG紧靠着光敏二极管，PG上加有一定正电压，以便在PG下形成一势阱，收集并存储光生少数载流子（电子）。势阱内吸收的光生电子数与入射的光强成正比，这就是光生信号电荷。,光积分一定时

22、间后，SH变为高电平（比PG高一倍），形成更深的势阱。这时1已是高电平， 1下比SH下有更深的势阱。这样就使光敏区与移位寄存器连通，电路设计使得偶数光敏元的电荷转向CCDA，奇数光敏元电荷转向CCDB。,然后，向CCD移位寄存器转移的信号电荷再串行输出。,两相CCD移位寄存器电荷串行传输如图：,当前面的SH的电平由高变低时，低电平形成势垒，使光敏区与电极隔离，之后， 1 、 2 交替变化，信号电荷就沿着确定的方向从左到右传输，移向输出端。,CCDA，CCDB的右端是输出栅OG和浮置扩散放大器，由复位晶体管T1和输出晶体管T2组成。两路光生电荷在这里按光敏元的顺序交替输出。 OG加正电压,将信号

23、电荷输送到输出二极管的N区。,当复位脉冲RS为低电平时，N区中的信号电荷控制输出管T2，使OS输出一个信号脉冲。当RS为高电平时，N区中的信号电荷被抽走，腾出空间准备容纳下一个电荷包。这样在OG、RS的作用下，OS端相继输出与光信号成正比的离散脉冲序列。,综上所述，线阵CCD在正确的SH、 1 、 2 、RS信号驱动下，才能正常工作。 SH、 1 、 2 、RS 驱动信号的关系如图：,面阵CCD结构如图：,像敏区是接收光学图像的，存储器和水平移位寄存器是蔽光的。在光积分期间，像敏区积累电荷。之后向存储区转移。当图像全部转移到存储器之后，像敏区再开始新的一次光积分。,存储区的信号电荷逐行移进移位

24、寄存器，再从左到右输出成视频信号。为了与现行电视制式配合，在时钟脉冲的作用下也是将一帧图像分为奇数场、偶数场两场输出。,二、电荷耦合器件的性能参数,定义为每一次转移后，到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷量之比为转移效率。,设某势阱中电荷量为Q(n)，若传到下一个势阱中的电荷量是Q(n+1)，则电荷转移效率为:,1.电荷转移效率和转移损失率,则转移损失率为:,一个电荷电荷包Q(0) ，经n次转移后，剩下的电荷Q(n)为: ，如果=0.99，经24次转移, Q(n) / Q(0) =78%；而经过192次转移后， Q(n) / Q(0) =14% 。对于一个二相CCD移位寄存器，若移动m位，

25、则n=2m。如果，m=512，只有当=0.9999, Q(n) / Q(0)90%。所以若要保证总效率在90%以上，要求达0.9999以上。故提高转移效率是电荷耦合器件能否实用的关键。,影响的主要因素是界面态对电荷的俘获。故常采用“胖零”方式，即让“零”信号也有一定的电荷来填补陷阱。,2.工作频率,使CCD中信号电荷在移位寄存器中转移的时钟脉冲频率即为工作频率。,由于CCD器件是工作在不平衡状态，所以驱动脉冲频率的选择显得十分重要：频率太低，热激发少数载流子过多，它的加入降低了输出信号的信噪比；频率太高，又会降低总转移效率，减小了输出信号幅值。,为了避免热激发所产生的少数载流子对信号电荷的影响

26、，信号电荷从一个电极转移到另一个电极的转移时间t1必须小于少数载流子的平均寿命。 在正常工作条件下，对于二相CCD, t1 = T/2 = 1/(2f) , 其中T为二相交迭脉冲周期，f为时钟频率。故有 。当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的时间t0跟不上驱动脉冲的变化，将会使转移效率大大降低。所以对二相CCD，要求 t0 T/2，即： 为工作频率的上限。,3.光电特性,在低照度下CCD的光电特性线性良好，输出信号电压与入射的照度是线性关系，照度指数可达99.7%。由于MOS电容存储电荷量是有限的，故当入射照度大于100 lx，输出信号电压达饱和状态。因而CCD是低照

27、度器件。,4.光谱特性,目前多数CCD的像元都是采用光电二极管结构，与MOS像元结构相比，其对蓝光的响应度较高。由图，在波长小于0.7m时，,两种像元结构的相对响应度的差异较大，其主要原因是在MOS像元结构中，多晶硅电极对短波光的吸收而导致其短波光谱响应度低得多。,CCD的积分灵敏度常用每单位曝光量下输出信号电压值表示。即S=U/H ，单位V.cm2/J。又，曝光量H=L, 为曝光时间(即光积分时间), 单位J / cm2（或lx.s）。,5.动态范围,动态范围被定义为CCD像元的饱和输出电压与它在暗场下的峰-峰噪声电压的比值。,饱和输出电压决定于势阱中可存储的最大电荷量；峰-峰噪声电压由噪声

28、电荷决定。CCD的动态范围在1000:1.,1）势阱中的最大信号电荷量 最大信号电荷量可近似为：Q=AUGCox。与CCD光电栅极的有效面积、栅极电压、单位氧化层面积的电容量有关。由于Q值的限制，器件都有其饱和曝光量。曝光量过大，光电转换失去线性。CCD的输出电压是由信号电荷控制的。故器件有饱和输出电压，为数百毫伏数伏。,2）噪声 CCD中的噪声主要有三个方面：由于电荷注入器件引起的散粒噪声；电荷转移过程中，由于转移损失及界面态对信号电荷的俘获和释放引起的转移噪声；输出电路带来的噪声。CCD是低噪声器件，因此可用于微光成像。,6.暗电流,暗电流来源有：耗尽区中的本征热激发；少数载流子从中性体内

29、向表面扩散；表面能级的热激发。,暗电流不均会造成背景不均，个别地方的暗电流太大，则在图像上会出现白斑。目前暗电流可控制在1nA/cm2。另外，采用致冷法可大大降低暗电流，使CCD器件适用于低照度工作，如天文观察等。,7.分辨率,面阵CCD也是像元数越多，分辨率越高。由于水平方向与垂直方向像元间距不同，故分辨率不同。面阵CCD的分辨率更多用水平方向和垂直方向各自的线数来表示。,对于线阵CCD器件，像元越多的器件具有更高的分辨率。由于CCD所能分辨的最小间距就是像元间距，所以由像元的尺寸可确定极限分辨率。例，CCD2561的像元尺寸为10 m 20 m ，线阵方向是10 m ，像元间距15 m ，

30、则极限分辨率为 (线对/mm).,三、线阵CCD驱动电路,从CCD的工作原理知，线阵CCD只有在正确的SH、 1 、 2 、RS 信号驱动下，才能正常工作。,下面以TCD1200D线阵CCD为例介绍CCD驱动电路：,随着CCD像感器应用的迅速发展，设计出芯片少、体积小、耗电省、工作又稳定可靠的驱动电路是应用CCD技术的关键。下面介绍一种CCD驱动电路的设计方法。,TCD1200D有2160个光敏单元，其前后各有64及12个哑单元。故SH的周期2236个RS周期。RS脉冲标准频率1MHz， 1 、 2脉冲标准频率0.5MHz。其驱动波形和管脚图如图。,驱动电路由一片单片机(AT89C2051)及

31、两片可编程门阵列芯片（GAL16V8）构成。,AT89C2051是带2K字节闪速可编程电擦除只读存储器（EPROM）的低电压、高性能CMOS 8位单片机，与MCS-51单片机指令集和输出管脚相兼容。其管脚图如图：,GAL16V8 器件是美国LATTICE公司发明的一种可以电擦写、可重复编程、可以加密的一种可编程逻辑器件。只要正确地编程、烧制，就可实现所需要的逻辑功能。,89C2051具有8031单片机的功能，且内含振荡器和时钟电路，可输出20MHz时钟。P1.0、 P1.1还可作为片内模拟比较器的输入端 AIN0, AIN1。,GAL16V8有两片：,一片GAL产生Q0、QIQ5(分别是20M

32、Hz信号的2分频、4分频64分频)，产生 、 信号。信号频率是312.5kHz，一个周期内的高、低电平时间都是1.6s，用作1 信号，符合TCD1200D产品说明书上对 1的要求。 则用作2信号，而 。RS脉宽0.2 s，下降沿超前1 、 2的下降沿0.2 s， , 符合要求。,另一片GAL与单片机89C2051一起产生SH信号。引上片的信号产生 ，可知信号是一个与1同频同相、高电平1.2s和低电平2.0s的周期信号。且上升沿一定滞后于1 ，下降沿一定超前于1 ，即Q的高电平被1高电平包容。将信号送往单片机（P1.7口），每一帧完成后即查询Q信号。当单片机查询到Q为高电平就输出一个3s宽的高电

33、平、之后是低电平（延续一帧）的P信号（P3.7口），将P引入GAL与Q信号相与就得到SH信号。,图为TCD1200D驱动波形的产生过程：,89C2051单片机使用20MHz的时钟，单片机查询到Q为高电平的时刻到实际输出P高电平的时刻需1.2 s，P和Q相与就恰为SH信号。所有4路驱动信号（ SH、 1 、 2 、RS ）都由GAL器件输出，产生的信号可直接加到CCD管脚上。,使用一片AT89C2051和两片GAL16V8成本相当低。两片GAL中还有3/4片富余、89C2051只占用2位信号线，所以可充分用于数据测量系统。,四、CCD像感器的应用,CCD像感器的一个主要应用是用面阵CCD组成电视

34、摄像机。与真空摄像机比较，CCD摄像机具有明显优点。自扫描、功耗低、启动快、灵敏度高、寿命长、工作电压低、抗电磁干扰，尤其是体积小、重量轻、可靠性高的优势，使其在航天遥感、军用仪器、侦察跟踪、现场监控等领域得到了广泛的应用。近年来大规模集成技术的发展，使CCD的分辨力也超过了光电导摄像管，因而，绝大多数光电导管摄像机均已被CCD摄像机所取代。,20世纪90年代发展起来的数码照相机展现了面阵CCD的又一重要应用。它是通过光学镜头将图象成像在面阵CCD上，转换后的电荷包图象再经A/D转换成数字信息存储在电子存储卡中。它既具有摄象机的即拍即演的可视功能，又能像傻瓜相机那样操作方便。它将摄取的图象数字

35、化存储起来，无须胶卷。通过USB接口与各种计算机相连，可对图象做各种处理，并可通过网络发送。,线阵CCD是行图像传感器件，通过A/D转换，将视频信号送入计算机，大量应用于扫描仪、光谱仪中。CCD的像元尺寸小，几何精度高，配置适当的光学系统，可以得到很高的空间分辨率，特别适用于各种精密图像传感和无接触工件尺寸的在线测量。,CCD与图像增强器的耦合组成微光摄像机，CCD正在各种场所的系统中取代各类光电导摄像管，CCD在特定的条件下与微光像增强器耦合，甚至可以检测到一个光子。图像增强器与CCD的耦合如图所示：,将图像增强器的末级输出用高灵敏度的CCD摄像机来接收，就组成了高灵敏度、低噪声的微光CCD

36、摄像机。,20世纪70年代初期，随着MOS技术的成熟，三种典型的固体图像传感器电荷耦合器件(CCD)、电荷注入器件(CID)、光敏二极管阵列(PDA)得到了发展。到80年代中期，基于这三种固体图像传感器技术的摄像机逐渐投放市场。在这三种固体图像传感器中，CCD发展最为迅速。到90年代初，CCD技术已比较成熟，在微光下，具有每个像元几个电子的成像能力。目前出售的每种摄录机和数码相机绝大部分是基于CCD技术。,CCD图像传感器有如下缺点：驱动电路与信号处理电路难与CCD成像阵列单片集成，图像系统为多芯片系统；为了获得信号的完整性，在像元间信号需要近似完美的转移，随着阵列尺寸的增加，电荷转移要求更加

37、严格准确；时钟脉冲复杂，需要相对高的工作电压，不能与深亚微米超大规模集成(VLSI)技术兼容；图像信息不能随机读取，而这种随机读取对很多应用是不可少的。于是，CMOS （Complementary Metal-Oxide-Semiconductor互补性）图像传感器技术被开发。,随着CMOS工艺技术的发展，生产高质量、低成本的固体图像传感器已成为可能。CMOS技术可以将图像传感器阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、模/数转换器、全数字接口电路等完全集成在一起，实现单芯片成像系统。这种片上摄像机用标准逻辑电源电压工作，仅消耗几十毫瓦的功率，所以功耗极低。这种成像技术将推动下一代成像系统的发展。,

38、上世纪70-80年代，CCD像感器因固定图形噪声很小而被广泛用于多种固体图像传感器中。但当时的MOS图像传感器虽经日立、三菱等几个研究机构的努力，最终因残余热噪声原因而被迫放弃。90年代以后，苏格兰爱丁堡大学和瑞典Linkoping大学的研究人员分别进行了低成本的单芯片成像系统开发，他们在CMOS图像传感器研究方面取得了令人满意的结果，并推动了CMOS图像传感器的快速发展。近来，CMOS图像传感器已成为固体图像传感器研究开发热点。,一、CMOS图像传感器结构,CMOS图像传感器的总体结构框图如图。,由光敏单元阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路、在片模拟信号处理器(ASP)构成。更高级

39、的还集成有在片模/数转换器(ADC)。器件采用单一5V电源。,行选通逻辑和列选通逻辑可以是移位寄存器，或译码器。定时和控制电路限制信号读出模式、设定积分时间、控制数据输出率等。在片模拟信号处理器完成信号积分、放大、取样和保持、相关双取样、双取样等功能。光敏元将光信号转换为电信号，经处理后以模拟或数字信号输出。,二、像元结构,CMOS基本类型分：无源像素传感器和有源像素传感器。,无源像素结构如图。它由一个反向偏置的光电二极管和一个开关管构成，没有信号放大作用。,1.无源像素(PPS)结构,PPS像元结构简单，单元尺寸内有高的设计填充系数k（有效光敏面积与单元面积之比），或k一定可以设计出最小的像

40、元尺寸。PPS的致命弱点是读出噪声大（主要是固定图形噪声，一般有250个均方根电子）。由于多路传输线寄生电容及读出速率的限制，它难以向大型阵列发展。,当开关管开启，光敏二极管与垂直的列线连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路保持列线电压为一常数，并减小KTC噪声。当光敏二极管存贮的信号电荷被读取时，其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电压输出。,2.有源像素(APS)结构,在像元内引入缓冲器或放大器可以改善像元的性能。像元内含有有源放大器的传感器称有源像素传感器。,由于每个放大器仅在读出期间被激发，所以CMOS有源像素传感器的功耗比CCD的还小。与无源像素结构相比，有源像素结构的填充系数小，其设计填充系数典型值为20%30%，与CCD接近。随着CMOS技术的发展，几何设计尺寸日益减小，填充系数不是限制APS潜在性能的因素。,APS主要有光电二极管型(PD-APS)和光栅型(PG-APS)。,PD-APS结构如图。,每个像元有三个晶体管和一个光电二极管。源跟随器将电荷信号转换为电压信号，并具有增益。因为光敏面没有多晶硅叠层，光敏二极管型APS量子效率较高，所以它的