典型線陣CCD圖像傳感器

1、教學(xué)進(jìn)度圖像傳感器的概述圖像傳感器的概述光電技術(shù)基礎(chǔ)光電技術(shù)基礎(chǔ)光源光源CCD圖像傳感器基本工作原理圖像傳感器基本工作原理典型面陣典型面陣ICCD視頻信號(hào)處理及視頻信號(hào)處理及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集圖像傳感器的典型應(yīng)用圖像傳感器的典型應(yīng)用典型線陣典型線陣ICCD圖像傳感器基本原理及電視制式圖像傳感器基本原理及電視制式第六講第六講 典型線陣典型線陣CCD圖像傳感器圖像傳感器不同的線陣不同的線陣CCD具有不同的特點(diǎn)，適用于不同的具有不同的特點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。應(yīng)用場(chǎng)合。 本章從應(yīng)用的角度介紹幾種典型線陣本章從應(yīng)用的角度介紹幾種典型線陣CCD的基的基本結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)、驅(qū)動(dòng)方式和應(yīng)用特點(diǎn)。本

2、結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)、驅(qū)動(dòng)方式和應(yīng)用特點(diǎn)。p 典型單溝道線陣典型單溝道線陣CCD-TCD1209Dp 典型雙溝道線陣典型雙溝道線陣CCD-TCD1206SUPp 具有具有積分時(shí)間調(diào)整積分時(shí)間調(diào)整功能的線陣功能的線陣CCD-TCD1205Dp 并行輸出并行輸出的線陣的線陣CCDp 用于用于光譜探測(cè)光譜探測(cè)的高性能線陣的高性能線陣CCDp 彩色線陣彩色線陣CCDp 環(huán)形線陣環(huán)形線陣CCD第六講第六講 典型線陣典型線陣CCD圖像傳感器圖像傳感器一、典型單溝道線陣一、典型單溝道線陣CCDLinear Image Sensor CCDPDF說(shuō)明書說(shuō)明書1 、TCD1209D的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) TCD1209

3、D為典型的為典型的二相二相單溝道單溝道型線陣型線陣CCD圖像傳感器，圖像傳感器，其其基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)、工作原理工作原理及及驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路等都具有典型性。等都具有典型性。結(jié)構(gòu)組成：結(jié)構(gòu)組成：Photo Diode/轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵/CCD模擬移位寄存器模擬移位寄存器/輸出單元輸出單元每個(gè)光敏單元尺寸每個(gè)光敏單元尺寸1414um，相鄰兩光敏單元中心距，相鄰兩光敏單元中心距14um，光敏單元總長(zhǎng)度光敏單元總長(zhǎng)度28.672mm（204814um）有效像敏區(qū)域(2048個(gè))被遮蔽光電二極管(前19個(gè)后8個(gè)共27個(gè))1）為何）為何PD最左邊為最左邊為D13？還有？還有D0D12嗎？嗎？ 所有的光電二極管已

4、經(jīng)在此圖給出，總共所有的光電二極管已經(jīng)在此圖給出，總共2048+27=2075個(gè)。即沒有實(shí)物存在個(gè)。即沒有實(shí)物存在的的D0D12。它們只是虛設(shè)的單元。它們只是虛設(shè)的單元(在移位寄存器中有在移位寄存器中有12組對(duì)應(yīng)單元組對(duì)應(yīng)單元)2）遮蔽的）遮蔽的27個(gè)個(gè)PD的作用？的作用？ 獲得暗電流等信息用于對(duì)有效信號(hào)處理獲得暗電流等信息用于對(duì)有效信號(hào)處理3）根據(jù)原理圖請(qǐng)問）根據(jù)原理圖請(qǐng)問CCD模擬移位寄存器的驅(qū)動(dòng)電極至少多少？模擬移位寄存器的驅(qū)動(dòng)電極至少多少？（2048+27+13）2 = 4176個(gè)。個(gè)。轉(zhuǎn)移柵與光敏陣列及移位寄存器的交疊結(jié)構(gòu)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；為光敏單

5、元；CR1為為CCD模擬移位寄存器的一個(gè)電極；模擬移位寄存器的一個(gè)電極；SH為轉(zhuǎn)移柵為轉(zhuǎn)移柵（shift gate）輸入信號(hào)輸入信號(hào) 高電平高電平:溝通光敏陣列和移位寄存器溝通光敏陣列和移位寄存器,信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到CR1勢(shì)阱勢(shì)阱 低電平低電平:隔離二者隔離二者,光敏單元陣列積分光敏單元陣列積分,移位寄存器逐位輸出；移位寄存器逐位輸出； 轉(zhuǎn)移脈沖轉(zhuǎn)移脈沖SH高電平時(shí)高電平時(shí), CR1脈沖也應(yīng)為高電平；脈沖也應(yīng)為高電平； SH的下降沿時(shí)，的下降沿時(shí)，CR1也也為高電平，以保證信號(hào)完為高電平，以保證信號(hào)完整轉(zhuǎn)移成功。整轉(zhuǎn)移成功。(時(shí)序及電平要求之一時(shí)序及電平要求之一) RS脈沖和脈沖和C

6、R脈沖的時(shí)序關(guān)系？脈沖的時(shí)序關(guān)系？2 、TCD1209D的基本工作原理的基本工作原理 TCD1209D的驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖（掌握）的驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖（掌握）TCD1209D的驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖的驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖（說(shuō)明書截圖）（說(shuō)明書截圖） TCD1209D五路驅(qū)動(dòng)脈沖組成及作用：五路驅(qū)動(dòng)脈沖組成及作用： 轉(zhuǎn)移脈沖轉(zhuǎn)移脈沖SH（溝通（溝通/阻隔阻隔 PD 和和 CCD；控制光積分時(shí)間）；控制光積分時(shí)間） 驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)脈沖CR1 （配合（配合CR2把信號(hào)電荷從把信號(hào)電荷從CCD右向左移動(dòng)）右向左移動(dòng)） 驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)脈沖CR2（其中其中CR2B代表代表CCD移位寄存器的最后一個(gè)電極）移位寄存器的最后一個(gè)電極）

7、復(fù)位脈沖復(fù)位脈沖RS（清除上一次未來(lái)得及轉(zhuǎn)移走留在輸出二極管中的電荷）（清除上一次未來(lái)得及轉(zhuǎn)移走留在輸出二極管中的電荷） 緩沖控制脈沖緩沖控制脈沖CP（過(guò)濾掉輸出信號(hào)的尖脈沖噪聲）（過(guò)濾掉輸出信號(hào)的尖脈沖噪聲）u行周期：行周期：SH的周期。的周期。必須大于必須大于2088個(gè)轉(zhuǎn)移脈沖個(gè)轉(zhuǎn)移脈沖CR1的周期；的周期；uOS輸出信號(hào)的構(gòu)成：輸出信號(hào)的構(gòu)成：虛設(shè)單元虛設(shè)單元/啞元啞元/有效信號(hào)有效信號(hào)/檢測(cè)單元等；檢測(cè)單元等；檢測(cè)一行結(jié)束檢測(cè)一行結(jié)束 根據(jù)根據(jù)TCD1209D說(shuō)明書中的驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖及脈沖時(shí)序要求說(shuō)明書中的驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖及脈沖時(shí)序要求設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)。3 、TCD1209D的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電

8、路 驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的方法有：驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的方法有： 1）采用分立元件及）采用分立元件及74系列芯片；系列芯片； 2）利用可編程邏輯陣列）利用可編程邏輯陣列CPLD或或FPGA； 3）EPROM(順序輸出狀態(tài)數(shù)據(jù)順序輸出狀態(tài)數(shù)據(jù))； 4）單片機(jī)（）單片機(jī)（按時(shí)間順序輸出已存波形按時(shí)間順序輸出已存波形） 5）數(shù)字信號(hào)處理器）數(shù)字信號(hào)處理器DSP；數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)VHDLTCD1209D的驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序要求的驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序要求驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)思路：驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)思路： 1）各脈沖的周期關(guān)系及占空比分析；）各脈沖的周期關(guān)系及占空比分析；2）確定脈沖之間的邏輯及時(shí)序關(guān)系；）確定脈沖之間的邏輯及時(shí)序關(guān)系；所采用的

9、主要器件：所采用的主要器件：1）晶振）晶振/電阻電阻/非門組成的石英晶體振蕩器；非門組成的石英晶體振蕩器；2）二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)分頻目的以及脈沖計(jì)數(shù)；）二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)分頻目的以及脈沖計(jì)數(shù)；3）基本的非門）基本的非門/與門與門/或非門或非門/觸發(fā)器等器件；觸發(fā)器等器件；分立元件方法實(shí)現(xiàn)分立元件方法實(shí)現(xiàn)基于基于VHDL和和CPLD的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（推薦）的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（推薦）SH模塊代碼模塊代碼CCD模塊代碼模塊代碼EPROM驅(qū)動(dòng)方法驅(qū)動(dòng)方法單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方法基于基于DSP的驅(qū)動(dòng)方法的驅(qū)動(dòng)方法4 、TCD1209D的特性參數(shù)的特性參數(shù) TCD1209D優(yōu)點(diǎn)：速度快優(yōu)點(diǎn)：速度快;靈敏度高

10、靈敏度高;動(dòng)態(tài)范圍寬動(dòng)態(tài)范圍寬; 像敏單元不均勻性好像敏單元不均勻性好;功耗低功耗低;光譜響應(yīng)范圍寬光譜響應(yīng)范圍寬1) 光譜響應(yīng)特性光譜響應(yīng)特性 光譜響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)為光譜響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)為550nm;短波響應(yīng)在短波響應(yīng)在400 nm處大于處大于70%;光譜響應(yīng)的長(zhǎng)波限在光譜響應(yīng)的長(zhǎng)波限在1100nm;（Si基底）基底）50%飽和曝光量作用下飽和曝光量作用下:各像敏單元輸出信號(hào)電壓與均值電壓的最大差值各像敏單元輸出信號(hào)電壓與均值電壓的最大差值各個(gè)像敏單元輸出信號(hào)的均值電壓各個(gè)像敏單元輸出信號(hào)的均值電壓%PRNUUU像敏單元不均勻性像敏單元不均勻性典型值為典型值為3%，雙溝道線陣，雙溝道線陣CCD達(dá)

11、不到。達(dá)不到。2) 靈敏度靈敏度R 線陣線陣CCD的靈敏度參數(shù)定義為的靈敏度參數(shù)定義為:單位曝光量單位曝光量的作用下器件的的作用下器件的輸出信號(hào)電壓輸出信號(hào)電壓，即，即 式中的式中的UO為線陣為線陣CCD輸出的信號(hào)電壓，輸出的信號(hào)電壓，HV光敏面上的曝光量。光敏面上的曝光量。 VOHUR TCD1209D的飽和曝光量的飽和曝光量SE僅為僅為0.06(lxs)滿月時(shí)地面光照度為滿月時(shí)地面光照度為 0.1 lx; 弦月時(shí)為弦月時(shí)為 0.01 lx; 陰天為陰天為 1000 lx線陣線陣CCD的靈敏度的另一表示方法：飽和曝光量（的靈敏度的另一表示方法：飽和曝光量（SE）SE定義定義:器件的器件的輸出

12、信號(hào)電壓飽和時(shí)光敏面上的曝光量輸出信號(hào)電壓飽和時(shí)光敏面上的曝光量。飽和曝光量越小，表明靈敏度越高。飽和曝光量越小，表明靈敏度越高。3） 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍DR 動(dòng)態(tài)范圍參數(shù)動(dòng)態(tài)范圍參數(shù)DR定義：定義：飽和輸出電壓飽和輸出電壓與與暗信號(hào)電壓暗信號(hào)電壓之比。之比。DAkUUDRSAT動(dòng)態(tài)范圍越高的器件品質(zhì)越高。動(dòng)態(tài)范圍越高的器件品質(zhì)越高。 USAT：CCD的飽和輸出電壓，的飽和輸出電壓，UDAK為：為：CCD沒有光照射時(shí)的輸出電壓沒有光照射時(shí)的輸出電壓（暗信號(hào)電壓）（暗信號(hào)電壓）4） 其他參數(shù)：其他參數(shù)：5 ）TCD1209D的外形尺寸的外形尺寸 TCD1209D為為DIP22封裝形式的封裝形式的雙

13、列直插型器件雙列直插型器件，外形尺寸如圖，外形尺寸如圖5-7所示。所示。器件的外形尺寸為總長(zhǎng)器件的外形尺寸為總長(zhǎng)41.6mm，寬，寬10.16mm，高，高7.7mm；器件的光敏單元總；器件的光敏單元總長(zhǎng)為長(zhǎng)為28.672mm；光敏單元（像敏面）距離器件表面玻璃光敏單元（像敏面）距離器件表面玻璃的距離為的距離為1.72mm，表面玻璃的厚度為表面玻璃的厚度為0.70.1 mm。 二、二、典型雙溝道線陣典型雙溝道線陣CCD器件器件TCD1206SUP 目前最具有典型性的雙溝道器件為目前最具有典型性的雙溝道器件為TCD1206SUP，該器件，該器件廣泛應(yīng)用于物體外形尺寸的非接觸自動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于物

14、體外形尺寸的非接觸自動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域，是一種較，是一種較為理想的一維光電探測(cè)器件。為理想的一維光電探測(cè)器件。 1、 TCD1206SUP的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) 像敏單元數(shù)目：像敏單元數(shù)目： 2160 像元像元像敏單元大?。合衩魡卧笮。?14um14um14um（相鄰像元中心距）（相鄰像元中心距）光敏區(qū)域：光敏區(qū)域： 采用高靈敏度采用高靈敏度PN 結(jié)作為光敏單元結(jié)作為光敏單元時(shí)鐘：時(shí)鐘： 二相（二相（5V）封裝形式：封裝形式： 22 腳腳DIP 封裝封裝光電二極管的數(shù)量為：光電二極管的數(shù)量為：2160+(74-12)=2222。存儲(chǔ)柵：存儲(chǔ)光生電荷的存儲(chǔ)柵：存儲(chǔ)光生電荷的MOS電容存儲(chǔ)陣列。電容存儲(chǔ)陣

15、列。2、 TCD1206SUP的的工作原理四路驅(qū)動(dòng)脈沖：四路驅(qū)動(dòng)脈沖：SH、CR1、CR2、RS；驅(qū)動(dòng)電路的產(chǎn)生可仿照驅(qū)動(dòng)電路的產(chǎn)生可仿照TCD1209D實(shí)現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)；1118TCD1206SUP與與1209D的不同點(diǎn)：的不同點(diǎn)：p OS端總共輸出端總共輸出2236個(gè)信號(hào)，由于兩列并行傳輸。所以一個(gè)個(gè)信號(hào)，由于兩列并行傳輸。所以一個(gè)SH周期至少要有周期至少要有2236/2=1118個(gè)個(gè) 驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)脈沖CR1的周期的周期p 補(bǔ)償信號(hào)補(bǔ)償信號(hào)DOS反映了反映了CCD的暗電流特性，也反映了的暗電流特性，也反映了CCD在在復(fù)位脈沖作用下信號(hào)傳輸溝道產(chǎn)生的容性干擾。復(fù)位脈沖作用下信號(hào)傳輸溝道產(chǎn)生的容性干

16、擾。p OS信號(hào)含有經(jīng)光積分的有效光電信號(hào)，也含有被復(fù)位脈沖信號(hào)含有經(jīng)光積分的有效光電信號(hào)，也含有被復(fù)位脈沖RS作用下信號(hào)傳輸溝道產(chǎn)生的容性干擾。因此作用下信號(hào)傳輸溝道產(chǎn)生的容性干擾。因此可以利用差可以利用差分放大器將分放大器將DOS，OS信號(hào)之間的共模干擾抑制掉。信號(hào)之間的共模干擾抑制掉。經(jīng)過(guò)放經(jīng)過(guò)放大與抑制共模干擾作用后，脈沖波形圖見下頁(yè)大與抑制共模干擾作用后，脈沖波形圖見下頁(yè)引入了兩個(gè)同步脈沖引入了兩個(gè)同步脈沖HC及及SPHC周期和周期和SH相同相同, 占空比不同占空比不同 HC上升沿對(duì)應(yīng)上升沿對(duì)應(yīng)CCD第一個(gè)有效像素單元第一個(gè)有效像素單元S1的有效期間，的有效期間，以它為以它為行同步脈

17、沖行同步脈沖更合理。更合理。 SP與像敏單元同步的采樣脈沖，常用做與像敏單元同步的采樣脈沖，常用做采樣控制信號(hào)采樣控制信號(hào)。3、 TCDl206SUP的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路 經(jīng)經(jīng)反向驅(qū)動(dòng)器反向驅(qū)動(dòng)器74HC04P反向后加反向后加到到TCD1206SUP的的相應(yīng)管腳上。該器相應(yīng)管腳上。該器件將輸出件將輸出OS信號(hào)信號(hào)及及DOS信號(hào)。其中信號(hào)。其中OS信號(hào)含有經(jīng)過(guò)信號(hào)含有經(jīng)過(guò)光積分的有效光電光積分的有效光電信號(hào)，信號(hào)，DOS輸出的輸出的是補(bǔ)償信號(hào)。是補(bǔ)償信號(hào)。 1）驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)便）驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)便 CCD芯片內(nèi)部設(shè)置了電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器電路芯片內(nèi)部設(shè)置了電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)器電路2）靈敏度高）靈敏度高 光電靈敏度光電靈敏度4

18、5v/(lx.s)，飽和曝光量為飽和曝光量為0.037lx.s3）光譜響應(yīng)）光譜響應(yīng)決定可以用于決定可以用于可見光譜區(qū)域的光譜探測(cè)和尺寸測(cè)量可見光譜區(qū)域的光譜探測(cè)和尺寸測(cè)量m為為550nm，與人，與人眼的光譜響應(yīng)峰眼的光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)很接近；值波長(zhǎng)很接近；長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)為長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)為1100nm，短波截，短波截止波長(zhǎng)可延長(zhǎng)到止波長(zhǎng)可延長(zhǎng)到紫 外 譜 區(qū) 。紫 外 譜 區(qū) 。 4、 TCD1206SUP的特點(diǎn)的特點(diǎn) 4）溫度特性）溫度特性 變化不明顯變化不明顯 歸功于歸功于差分放大器抑制共模干擾差分放大器抑制共模干擾5）積分時(shí)間與暗電壓）積分時(shí)間與暗電壓的變化關(guān)系的變化關(guān)系 5 、TCD1206

19、SUP的特性參數(shù)的特性參數(shù) 特性參數(shù)特性參數(shù)符符 號(hào)號(hào) 最小最小值值 典型值典型值 最大值最大值 單單 位位靈敏度靈敏度 R33 45 56 V/lxs 光響應(yīng)非均勻性光響應(yīng)非均勻性 PRNU 10 20 寄存器不平衡性寄存器不平衡性 RI 3 飽和輸出電壓飽和輸出電壓 VSAT 1.5 1.7 V 飽和曝光量飽和曝光量 SE 0.037 lx lxs s 暗信號(hào)電壓暗信號(hào)電壓 VDRK 1 2 mV 暗信號(hào)電壓暗信號(hào)電壓非均勻性非均勻性DSNU 2 3 mV 直流電源耗散直流電源耗散 PD 140 180 mW 總轉(zhuǎn)移效率總轉(zhuǎn)移效率 TTE 92 輸出阻抗輸出阻抗 ZO 1.0 kk 直流信

20、號(hào)輸出電壓直流信號(hào)輸出電壓 VOS 4.5 4.5 5.5 V 雙溝道器件的信號(hào)分別通過(guò)兩個(gè)移位寄存器溝道輸出，這會(huì)造成輸出信號(hào)的雙溝道器件的信號(hào)分別通過(guò)兩個(gè)移位寄存器溝道輸出，這會(huì)造成輸出信號(hào)的奇偶性，必然影響器件像敏單元的不均勻性參數(shù)。奇偶性，必然影響器件像敏單元的不均勻性參數(shù)。 在光照度較低在光照度較低/較強(qiáng)時(shí)的情況下，可以通過(guò)增長(zhǎng)較強(qiáng)時(shí)的情況下，可以通過(guò)增長(zhǎng)/縮短光積分縮短光積分時(shí)間的方式使輸出信號(hào)達(dá)到所希望的幅度；時(shí)間的方式使輸出信號(hào)達(dá)到所希望的幅度；積分時(shí)間的調(diào)整功能對(duì)于積分時(shí)間的調(diào)整功能對(duì)于CCD的應(yīng)用是非常重要的。的應(yīng)用是非常重要的。 廣泛應(yīng)用在廣泛應(yīng)用在條碼掃描識(shí)別條碼掃描識(shí)

21、別等光電輸入設(shè)備。等光電輸入設(shè)備。 三、三、具有具有積分時(shí)間調(diào)整功能積分時(shí)間調(diào)整功能(電子快門電子快門)的線陣的線陣CCD-如何實(shí)現(xiàn)？如何實(shí)現(xiàn)？TCD1205D為具有積分時(shí)間調(diào)整功能的線陣為具有積分時(shí)間調(diào)整功能的線陣CCD器件。器件。 1、TCD1205D的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) 雙溝道型線陣雙溝道型線陣CCD器件，封裝形式為器件，封裝形式為22腳的雙列直插型。腳的雙列直插型。像素尺寸：像素尺寸：1420014（長(zhǎng)（長(zhǎng)高高間距）單位：微米間距）單位：微米有效像敏單元數(shù)目：見下圖有效像敏單元數(shù)目：見下圖增強(qiáng)信號(hào)電壓脈沖增強(qiáng)信號(hào)電壓脈沖積分控制柵積分控制柵轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵與與TCD1206SUP的區(qū)別：的

22、區(qū)別：積分柵：積分柵：和和TCD1206SUP的存儲(chǔ)柵相同，不同的是要外加光積分控制脈沖的存儲(chǔ)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；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高電平：積分柵才能積累光生電荷。從而實(shí)現(xiàn)從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)控制通過(guò)控制ICG電平來(lái)控制器件的曝光時(shí)間電平來(lái)控制器件的曝光時(shí)間，可稱作，可稱作“電子快門電子快門”。2、TCD1205D的基本工作原理的基本工作原理 方案一方案一在一個(gè)轉(zhuǎn)移脈沖在一個(gè)轉(zhuǎn)移脈沖SH周期中，只有在光積分電極周期中，只有在光積分電極ICG為高電平期間光積分柵為高電平期間光積分柵才能建立起深勢(shì)阱，

23、也才能進(jìn)行光積分。才能建立起深勢(shì)阱，也才能進(jìn)行光積分。一個(gè)行周期中兩次轉(zhuǎn)移一個(gè)行周期中兩次轉(zhuǎn)移2、TCD1205D的基本工作原理的基本工作原理 改變積分時(shí)間方案二方案二一個(gè)行讀出周期中設(shè)置兩個(gè)轉(zhuǎn)移脈沖一個(gè)行讀出周期中設(shè)置兩個(gè)轉(zhuǎn)移脈沖SH： 第第1個(gè)轉(zhuǎn)移脈沖的高電平對(duì)應(yīng)于移位寄存器驅(qū)動(dòng)脈沖個(gè)轉(zhuǎn)移脈沖的高電平對(duì)應(yīng)于移位寄存器驅(qū)動(dòng)脈沖CR1的的低電平，使移位寄存器低電平，使移位寄存器CR1電極不形成深勢(shì)阱，光積分電極下電極不形成深勢(shì)阱，光積分電極下積累的信號(hào)電荷無(wú)法倒入積累的信號(hào)電荷無(wú)法倒入CR1電極，即無(wú)法將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到電極，即無(wú)法將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到移位寄存器中，從而之前積累的信號(hào)電荷白白地倒掉。

24、移位寄存器中，從而之前積累的信號(hào)電荷白白地倒掉。光積分時(shí)間僅為后面兩個(gè)光積分時(shí)間僅為后面兩個(gè)SH之間的時(shí)間。之間的時(shí)間。TCD1205D同樣可以工作在普通模式，同樣可以工作在普通模式，類似于類似于TCD1206SUP。硬件上提供光積分控制功能，具體用不用還看驅(qū)動(dòng)脈沖的特點(diǎn)。硬件上提供光積分控制功能，具體用不用還看驅(qū)動(dòng)脈沖的特點(diǎn)。3、TCD1205D的特性參數(shù)的特性參數(shù)動(dòng) 態(tài) 范 圍動(dòng) 態(tài) 范 圍D R 偏 低 ，偏 低 ，一般只適用一般只適用于光電于光電數(shù)字?jǐn)?shù)字掃描掃描輸入，輸入，不適用于分不適用于分辨率要求較辨率要求較高的圖像掃高的圖像掃描輸入描輸入。四、四、并行輸出的線陣并行輸出的線陣CC

25、D1、并行輸出的、并行輸出的TCD1703C 典型雙溝道并行輸出二相CCD有效像素單元有效像素單元(7500像元像元)分分奇偶兩列并行奇偶兩列并行轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移，分別由，分別由OSl和和OS2端口端口并行輸出。并行輸出。 并行輸出的線陣并行輸出的線陣CCD在相同頻率驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下可以獲得在相同頻率驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下可以獲得更高的信號(hào)輸出速率，這在用線陣更高的信號(hào)輸出速率，這在用線陣CCD檢測(cè)高速運(yùn)動(dòng)物體圖像檢測(cè)高速運(yùn)動(dòng)物體圖像的應(yīng)用中具有非常重要的作用。的應(yīng)用中具有非常重要的作用。5路脈沖構(gòu)成：路脈沖構(gòu)成：轉(zhuǎn)移脈沖SH、驅(qū)動(dòng)脈沖CR1與CR2、復(fù)位脈沖RS 、鉗位脈沖CP最高驅(qū)動(dòng)頻率可達(dá)最高驅(qū)動(dòng)頻率

26、可達(dá)20MHz，等效數(shù)據(jù)率為，等效數(shù)據(jù)率為40 MHz 2、分段式多路并行分段式多路并行輸出的輸出的高速高速線陣線陣CCD RL1282D、RL1284D、RL1288D器件：器件：p 分別具有分別具有256、512或或1024像元像元p 像元尺寸：像元尺寸：181818 (單位：微米)p 雙溝道器件雙溝道器件p 每每128128像元為一段，每段又分奇偶兩個(gè)溝道并行輸出像元為一段，每段又分奇偶兩個(gè)溝道并行輸出整個(gè)器件的整個(gè)器件的輸出時(shí)間大大地縮短輸出時(shí)間大大地縮短，器件的工作速度提高。，器件的工作速度提高。 RL1288D為為1024像元的線陣像元的線陣CCD，分別由，分別由16個(gè)輸出端并行輸

27、出個(gè)輸出端并行輸出,每個(gè)輸出端口只輸出每個(gè)輸出端口只輸出64個(gè)像元的信號(hào)，因此器件的等效數(shù)據(jù)率很個(gè)像元的信號(hào)，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)的高。中間的紅線代表像敏單元，兩側(cè)的16個(gè)長(zhǎng)方條代表模擬移位個(gè)長(zhǎng)方條代表模擬移位寄存器。寄存器。 RL1288D的等效電路圖：的等效電路圖： 并行輸出的信號(hào)如何組合？并行輸出的信號(hào)如何組合？奇數(shù)和偶數(shù)輸出信號(hào)的相位差為奇數(shù)和偶數(shù)輸出信號(hào)的相位差為180度，因此可度，因此可利用利用高速模擬開關(guān)高速模擬開關(guān)將奇偶兩輸出信號(hào)組合，再送到將奇偶兩輸出信號(hào)組合，再送到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。轉(zhuǎn)換器的輸入。 16路并行輸出信號(hào)的路并行輸出信號(hào)的A/

28、D數(shù)據(jù)采集需要數(shù)據(jù)采集需要8個(gè)個(gè)A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器件和相應(yīng)的存儲(chǔ)器。換器件和相應(yīng)的存儲(chǔ)器。五、五、 用于光譜探測(cè)的高性能線陣用于光譜探測(cè)的高性能線陣CCD-RL1024SB 用于光譜探測(cè)（如單色儀）的線陣用于光譜探測(cè)（如單色儀）的線陣CCD應(yīng)具有的特點(diǎn)：應(yīng)具有的特點(diǎn)：光譜響應(yīng)范圍寬、光譜響應(yīng)范圍寬、 動(dòng)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。動(dòng)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(guó)美國(guó)Reticon公司公司SB系列系列CCD器件。它具有器件。它具有1024個(gè)有效像素單元，每個(gè)個(gè)有效像素單元，每個(gè)單元尺寸為單元尺寸為長(zhǎng)長(zhǎng)25m、高、高2500m、中心距、中

29、心距25m。 抗暈柵抗暈柵溫敏二極管溫敏二極管抗暈漏抗暈漏5V供電電壓輸入供電電壓輸入暗光電信號(hào)暗光電信號(hào)行輸出結(jié)束信號(hào)行輸出結(jié)束信號(hào)器件的襯底偏壓器件的襯底偏壓器件的地器件的地轉(zhuǎn)移脈沖轉(zhuǎn)移脈沖ST溫敏二極管溫敏二極管輸出信號(hào)輸出信號(hào)復(fù)位漏復(fù)位漏復(fù)位柵復(fù)位柵器件的襯底偏壓器件的襯底偏壓VDD Guard1、RL1024SB的基本工作原理的基本工作原理 兩行光電二極管，上面為遮光的兩行光電二極管，上面為遮光的PD陣列，輸出補(bǔ)償信號(hào)陣列，輸出補(bǔ)償信號(hào)DOS；下面為；下面為有效有效PD陣列；陣列；每個(gè)光電二極管對(duì)應(yīng)一個(gè)每個(gè)光電二極管對(duì)應(yīng)一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管（相當(dāng)于存儲(chǔ)柵的功場(chǎng)效應(yīng)管（相當(dāng)于存儲(chǔ)柵的功能

30、），并兼有模擬開關(guān)或轉(zhuǎn)移柵的功能。能），并兼有模擬開關(guān)或轉(zhuǎn)移柵的功能。 抗開花場(chǎng)效應(yīng)管的作用是使存儲(chǔ)信號(hào)電荷的場(chǎng)效應(yīng)管累積的電荷大于某抗開花場(chǎng)效應(yīng)管的作用是使存儲(chǔ)信號(hào)電荷的場(chǎng)效應(yīng)管累積的電荷大于某值時(shí)，抗開花場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，多余的信號(hào)電荷將排出不會(huì)影響臨近的光敏單值時(shí)，抗開花場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，多余的信號(hào)電荷將排出不會(huì)影響臨近的光敏單元信號(hào)。元信號(hào)。等效電路原理圖等效電路原理圖MOS場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管抗開花場(chǎng)效應(yīng)管抗開花場(chǎng)效應(yīng)管順序打開場(chǎng)效應(yīng)管使順序打開場(chǎng)效應(yīng)管使OS和和DOS分別輸出分別輸出 “開花開花”是指光敏單元所存儲(chǔ)的電荷超出了勢(shì)阱容納電荷的是指光敏單元所存儲(chǔ)的電荷超出了勢(shì)阱容納電荷的容量而溢出

31、勢(shì)阱，擴(kuò)散到鄰近勢(shì)阱的現(xiàn)象。容量而溢出勢(shì)阱，擴(kuò)散到鄰近勢(shì)阱的現(xiàn)象。 抗開花抗開花Antiblooming（RL1024SB中可以用來(lái)調(diào)整積分時(shí)間）中可以用來(lái)調(diào)整積分時(shí)間）必須的三路脈沖必須的三路脈沖（其他屬擴(kuò)展）（其他屬擴(kuò)展）：轉(zhuǎn)移脈沖轉(zhuǎn)移脈沖ST、驅(qū)動(dòng)脈沖、驅(qū)動(dòng)脈沖CR1、CR2EOS信號(hào)可以作為信號(hào)可以作為A/D轉(zhuǎn)換器的行同步信號(hào)；轉(zhuǎn)換器的行同步信號(hào)；2、RL1024SB的驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路（不做要求）（不做要求）主要利用的器件：主要利用的器件： 3個(gè)二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器個(gè)二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器74HC161構(gòu)成的可預(yù)置計(jì)數(shù)器、構(gòu)成的可預(yù)置計(jì)數(shù)器、D觸發(fā)器觸發(fā)器 RL1024SB的輸出信號(hào)放大電路的

32、輸出信號(hào)放大電路（差分放大器）（差分放大器）3、RL1024SB的特性參數(shù)的特性參數(shù) （1）光譜響應(yīng)）光譜響應(yīng) 兩種類型：普通光學(xué)玻璃和石英玻璃；兩種類型：普通光學(xué)玻璃和石英玻璃；n 石英玻璃：石英玻璃：光譜響應(yīng)范圍為光譜響應(yīng)范圍為200nm至至1100nm,峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為750nm。該器件在中紫外至近紅外波段的光譜響應(yīng)較好，常用于這段譜區(qū)的光譜探該器件在中紫外至近紅外波段的光譜響應(yīng)較好，常用于這段譜區(qū)的光譜探測(cè)和光譜分析應(yīng)用中，測(cè)和光譜分析應(yīng)用中，尤其是在紫外波段的光譜探測(cè)更為重要。尤其是在紫外波段的光譜探測(cè)更為重要。 n 普通玻璃：普通玻璃：截止于截止于350nm，對(duì)紫外波段

33、光的吸收較大。，對(duì)紫外波段光的吸收較大。（2） 輸出信號(hào)電荷與曝光量的輸出信號(hào)電荷與曝光量的 線性關(guān)系線性關(guān)系 在低于飽和曝光量時(shí)曲線的線性很好，但超出后曲線彎曲。實(shí)在低于飽和曝光量時(shí)曲線的線性很好，但超出后曲線彎曲。實(shí)際使用時(shí)一定要控制好曝光量，使其工作在線性范圍之內(nèi)。際使用時(shí)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)的其他特性參數(shù)六、六、彩色線陣彩色線陣CCD 應(yīng)用例一：在應(yīng)用例一：在彩色印刷行業(yè)彩色印刷行業(yè)中常需要進(jìn)行幾種單一顏色的中常需要進(jìn)行幾種單一顏色的分段印刷分段印刷（例如（例如R，G，B分三原色印刷），并將多次印刷的單分三原色印刷），并將

34、多次印刷的單色圖案疊加起來(lái)才能印出栩栩儒生的彩色圖案。在這種印刷工色圖案疊加起來(lái)才能印出栩栩儒生的彩色圖案。在這種印刷工藝中，能否藝中，能否正確的套色是這項(xiàng)工藝的關(guān)鍵技術(shù)正確的套色是這項(xiàng)工藝的關(guān)鍵技術(shù)。在套色印刷生。在套色印刷生產(chǎn)線中常用產(chǎn)線中常用“電眼電眼”進(jìn)行跟蹤套色，所謂的進(jìn)行跟蹤套色，所謂的“電眼電眼”實(shí)際上是實(shí)際上是一套一套彩色線陣彩色線陣CCD圖像識(shí)別器圖像識(shí)別器。他能夠?qū)Σ噬珗D像進(jìn)行顏色與。他能夠?qū)Σ噬珗D像進(jìn)行顏色與圖案的采集，并根據(jù)所采集的信號(hào)進(jìn)行圖樣的測(cè)量和印刷機(jī)運(yùn)圖案的采集，并根據(jù)所采集的信號(hào)進(jìn)行圖樣的測(cè)量和印刷機(jī)運(yùn)行速度的測(cè)量，控制后面單色圖像的印刷工作，確保所印出的行速

35、度的測(cè)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(shí)。彩色圖像色彩真實(shí)。 應(yīng)用例二：使用的掃描儀（實(shí)現(xiàn)照片等彩色信息的獲?。?yīng)用例二：使用的掃描儀（實(shí)現(xiàn)照片等彩色信息的獲?。┎噬€陣彩色線陣CCD有兩種形式：有兩種形式：?jiǎn)涡写袉涡写泻秃腿胁⑿腥胁⑿?、TCD2000P單行串行單行串行形式形式p單溝道單溝道p兩相驅(qū)動(dòng)兩相驅(qū)動(dòng)p480個(gè)有效個(gè)有效PD組成像敏區(qū)組成像敏區(qū)p單元尺寸：長(zhǎng)單元尺寸：長(zhǎng)11*高高33*11p3個(gè)單元一組，每一組依次個(gè)單元一組，每一組依次采用采用G、B、R濾色片濾色片TCD2000P的原理結(jié)構(gòu)圖的原理結(jié)構(gòu)圖p 像敏區(qū)的結(jié)構(gòu)和單色像敏區(qū)的結(jié)構(gòu)和單色TCD

36、1209D的類似，只不過(guò)每個(gè)的類似，只不過(guò)每個(gè)PD前增加了濾色片前增加了濾色片p 芯片內(nèi)部集成了脈沖發(fā)生器，簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)芯片內(nèi)部集成了脈沖發(fā)生器，簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)p 提供了采樣、保持電路提供了采樣、保持電路TCD2000P的波形圖的波形圖p 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：PD對(duì)不同顏色的響應(yīng)不同對(duì)不同顏色的響應(yīng)不同，同樣照度下輸出信號(hào)幅度不同，同樣照度下輸出信號(hào)幅度不同p 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)輸出快優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，信號(hào)輸出快p 應(yīng)用范圍：應(yīng)用范圍：對(duì)分辨率要求不高，且要求快速檢索顏色的情況對(duì)分辨率要求不高，且要求快速檢索顏色的情況主時(shí)鐘主時(shí)鐘TCD2000P的特性參數(shù)的特性參數(shù)p 靈敏度：靈敏度：綠

37、光最靈敏，是其他的綠光最靈敏，是其他的2倍；倍；p PRNU：一致性偏差；：一致性偏差；2、TCD2558D器件器件三列并行三列并行形式形式 三條三條5340像敏單元陣列像敏單元陣列, 像敏單元的尺寸為像敏單元的尺寸為: 7*7*7, 總長(zhǎng)總長(zhǎng)37.38mm 每列之間的間距為每列之間的間距為28m（間隔（間隔4行）行） 每列都是每列都是5340個(gè)像敏單元的單溝道線陣個(gè)像敏單元的單溝道線陣CCD構(gòu)成構(gòu)成高靈敏度低暗電流的彩色線陣高靈敏度低暗電流的彩色線陣CCD器件。器件。TCD2558D的原理結(jié)構(gòu)圖的原理結(jié)構(gòu)圖TCD2558D的驅(qū)動(dòng)脈沖及輸出信號(hào)波形的驅(qū)動(dòng)脈沖及輸出信號(hào)波形TCD2558D的驅(qū)動(dòng)脈沖的驅(qū)動(dòng)脈沖和和TCD1209D的驅(qū)動(dòng)脈沖基本相同的驅(qū)動(dòng)脈沖基本相同。RGB