第四章(一)+线阵CCD的应用.ppt

2018/1/25,1,第四章 线阵CCD和面阵CCD,2018/1/25,2,一、用于尺寸测量的线阵CCD各种线阵CCD均可用于尺寸测量TCD1206UD是一种典型的二相线阵CCD第一节 线阵CCD器件,2018/1/25,3,TCD1206UD的基本结构,2018/1/25,4,TCD1206UD为典型的二相线阵CCD图4-1为TCD1206UD的基本结构原理图它由2236个pn结光电二极管构成光敏元阵列，其中前64个和后12个是用作暗电流检测而被遮蔽的，图中用符号Dn表示；中间的2160个光电二极管是曝光像敏单元，图中Sn表示奇、偶数光敏元分别与两边移位寄存器相连移位寄存器的每一位（像素）有两个MOS，其中的一个MOS与光敏元相连，并接Ф1脉冲，另一个不直接与光敏元相连，接Ф2脉冲其像素数量与光敏元相同每个光敏单元的尺寸为14µm长、14µm高，中心距亦为14µm光敏元阵列总长30.24mm，光敏元的两侧是用作存储信号电荷的MOS电容列(图中存储栅)MOS电容阵列两侧是转移栅电极SH，转移栅的两侧为CCD模拟移位寄存器，其输出部分由信号输出单元和补偿输出单元构成2018/1/25,5,,2018/1/25,6,TCD1206UD在图4-2所示的特定驱动脉冲作用下工作。

当ΦSH脉冲高电平到来时，正值Φ1电极下均形成深势阱，同时ΦSH的高电平使Φ1电极下的深势阱与MOS电容存储势阱沟通如图4-3所示，MOS电容下的信号电荷包通过转移栅转移到模拟移位寄存器的Φ1电极下的势阱中工作原理,2018/1/25,7,2018/1/25,8,当ΦSH由高变低时，ΦSH低电平形成的浅势阱将存储栅下势阱与Φ1电极下的势阱隔离开存储栅势阱进入光积分状态，而模拟移位寄存器将在Φ1和Φ2脉冲的作用下驱使转移到Φ1电极下势阱中的信号电荷进行转移，并经过输出电路由OS电极输出由于结构上的安排，OS端首先输出13个虚设单元信号，再输出51个暗信号，然后连续输出S1到S2160的有效像素单元信号第S2160信号输出后，又输出9个暗信号，再输出2个奇偶检测信号，以后便是空驱动空驱动数目可以任意的由于该器件是两列并行分奇、偶传输的，所以在一个ΦSH周期中至少要有1118个Φ1脉冲，即TSH>1118T1图4-2中的ΦR为复位级的复位脉冲2018/1/25,9,当光照射光敏元时，由于光电转换原理，可以产生相应的信号电荷并将其存储在势阱中，这样光敏区因感光而形成一个电像，它与景物相对应存储的电荷在一定时间后转移到移位寄存器，相邻2次电荷转移的时间间隔称为积分时间，由于电荷的转移时间很短，可认为电荷转移的周期便是积分时间，也是光敏元接受光照的时间。

如图4-2当移位寄存器中Ф1为高电平，此时SH脉冲也为高电平使Ф1电极下的深势阱与光敏元的存储势阱沟通，光敏元里的信号电荷迅速向两边模拟移位寄存器的Ф1电极控制的MOS单元转移然后，SH电平变低，形成浅势阱，光敏元与移位寄存器隔断，光敏元开始将光照量转化为对应信号电荷量同时，已转移到移位寄存器中的信号电荷包通过驱动脉冲Ф1、Ф2的控制，顺次地向图4-1中的左边转移，并经输出部分的OS端输出，输出电压信号的大小与光敏元中的电荷数成正比，光敏元中的电荷数与光的强度和积分时间成正比由图4-2可知，SH的周期就是积分时间2018/1/25,10,TCD1206UD的驱动电路TCD1206UD的驱动电路如图4-4所示由晶体振荡器构成的脉冲信号源产生主时钟ΦM ΦM脉冲经可编程逻辑器件ISPLS1产生ΦSH， Φ1， Φ2， ΦR四路驱动脉冲在这四路驱动脉冲的作用下，TCD1206UD输出OS信号及DOS信号将此二路输出信号分别送到差分放大器LF357的正、反输入端进行差分放大，抑制掉共模的ΦR引起的干扰，得到如图4-5所示的信号波形图4-5中的SP及ΦC是为用户提供的控制脉冲，SP与CCD输出的像元光电信号同步，可用来做采样保持控制信号。

ΦC的上升沿对应于CCD的第一个有效像素单元S1，因而可以用作行同步当然也可以用ΦSH作行同步，但由于CCD首先输出64个虚设单元(含暗电流信号)信号，所以采用ΦC比采用ΦSH更好2018/1/25,11,2018/1/25,12,2018/1/25,13,TCD1206UD的特点1)驱动方便TCD1206UD的四路驱动脉冲均可由CMOS逻辑器件HC7404直接提供0.3V到5V的脉冲，因为在芯片的内部已经设置了电平转换器2)灵敏度高TCD1206UD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，0.01lx·s)，但它的动态范围1700比TCD1208AP(400)高得多2018/1/25,14,3)光谱响应TCD1206UD的光谱响应的峰值响应波长lm为550nm，长波限为1100nm，短波限可延长到紫外谱区2018/1/25,15,4)温度特性TCD1206UD的温度特性如下图所示当环境温度由零度增长到60℃时，它的信号输出端VOS几乎没有太大的变化2018/1/25,16,5)积分时间与暗电压的变化关系TCD1206UD是积分器件，随着积分时间的增长，积累的暗电荷也随之增长。

2018/1/25,17,6)TCD1206UD的特性参数,2018/1/25,18,2018/1/25,19,2018/1/25,20,二、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，具有较大的动态范围，噪声低，暗电流小，具有很高的灵敏度，像敏单元的不均匀性好等特性RL1024SB器件为自扫描光电二极管阵列器件,2018/1/25,21,RL1024SB器件,2018/1/25,22,RL1024SB器件的等效电路图如图4-13所示图下部的PN结光电二极管是像敏单元，上面的PN结为不感光的光电二极管列阵(亦称为虚设光电二极管列阵)每个有效光电二极管都有对应着一个MOS场效应管用来存储光电二极管产生的信号电荷有效光电二极管上面对应的场效应管为开关管图的最上面为移位寄存器，通过Φ1 和Φ2脉冲的作用，移位寄存器可以顺序地打开场效应管开关，使右边输出有效光电信号和暗光电信号　　有效光电二极管的光敏尺寸为长25um，高2.5mm，1024像元总长25.6mm 显然，它的光敏面的面积较大(6.25*104um2)，相应的光照灵敏度较高RL1024SB器件的结构与工作原理,2018/1/25,23,RL1024SB的特点,(1)光谱响应右图为RL1024SB器件的光谱响应特性曲线。

普通光学玻璃在紫外波段对光的吸收较大，使得普通光学玻璃窗口的光谱响应曲线截止于350nm ；石英玻璃在紫外波段对光的吸收很小，它的光谱响应曲线可延长至200nm 紫外谱区因此，在要求检测紫外线波段的光谱时，要选用石英玻璃窗口的器件，区别窗口玻璃的方法是在器件型号的尾部以Q符号表示石英窗口的器件，以G表示普通玻璃窗口的器件选用时一定要注意，如RL1024SBQ-011即为石英玻璃窗口的器件2018/1/25,24,(2)输出电荷与曝光量的线性RL1024SB的输出信号与曝光量的关系曲线如图所示 可以看出，曲线的线性很好当曝光量接近饱和曝光量时曲线才出现弯曲线性关系变坏2018/1/25,25,表4-2 RL1024SB系列CCD的特性参数,2018/1/25,26,三、用于彩色图像采集的线阵CCDTCD2000P器件TCD2000P为串行式彩色线阵CCD，管脚定义如图4-36所示2018/1/25,27,它也是二相时钟驱动的器件它由480个有效光电二极管构成像敏元阵列每个像元尺寸为11um长、33um高、中心距为11um它的像元三个为一组，每一组含G、B、R三色(由其上面的滤色片决定)像敏单元。

像敏元总长为5.28mm它的结构原理如图4-37所示由图可见，它为单沟道型线阵CCD，在器件内部设置有脉冲发生器、驱动器、采样保持器和补偿输出单元等2018/1/25,28,2018/1/25,29,TCD2000P的驱动脉冲波形图如图4-38所示它由转移脉冲SH，驱动脉冲Φ1、Φ2和主时钟ΦM构成它的输出信号波形如图中OS所示它的彩色三基色的顺序为G、B、R由于CCD光敏单元对G、B、R的响应不同，在同样照度情况下，输出幅度不同2018/1/25,30,2018/1/25,31,TCD2000P的其他特性参数如表4-6所示典型线阵CCD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2018/1/25,33,一、TCD1209D的基本结构 TCD1209D为典型的二相单沟道型线阵CCD图像传感器，其基本结构、工作原理及驱动电路等都具有典型性2018/1/25,34,二、TCD1209D的基本工作原理TCD1209D的驱动脉冲波形图如图所示2018/1/25,35,三、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,光谱响应的峰值波长为550nm；短波响应在400 nm处大于70%；光谱响应的长波限在1100nm2018/1/25,36,2.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 式中的UO为线阵CCD输出的信号电压，HV光敏面上的曝光量TCD1209D的饱和曝光量SE仅0.06(lx.s)2018/1/25,37,3. 动态范围,动态范围参数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，这种定义的方式不容易计量，为此常采用饱和输出电压与暗信号电压之比代替这样，动态范围DR为,式中，VSAT为CCD的饱和输出电压， VDAK为CCD没有光照射时的输出电压(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高的器件品质越高2018/1/25,38,四、TCD1209D的驱动电路由TCD1209D驱动脉冲波形图中可以看出：,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2018/1/25,39,2018/1/25,40,五、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：器件的外形尺寸为总长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0.7±0.1 mm。

2018/1/25,41,2018/1/25,42,一、扫描仪,组成结构,第二节 线阵CCD的应用,2018/1/25,43,图1所示为典型的平板式扫描仪的内部与外部结构从图中可以看出，扫描仪主要由上盖、原稿台、光学成像部分、光电转换部分、机械传动部分组成2018/1/25,44,1.上盖上盖主要是将要扫描的原稿压紧，以防止扫描灯光线泄露2.原稿台原稿台主要是用来放置扫描原稿的地方，其四周设有标尺线以方便原稿放置，并能及时确定原稿扫描尺寸中间为透明玻璃，称为稿台玻璃在扫描时需注意确保稿台玻璃清洁，否则会直接影响扫描图像的质量另外，要特别注意在放置扫描原稿时不要损坏稿台玻璃，要“轻拿轻放”稿台玻璃的损坏会影响扫描仪内部的其他器件(如成像部件)，尤其是稿台玻璃的破损会使灰尘及杂质直接侵入扫描仪内部，使扫描品质下降，严重时会造成扫描仪的损坏2018/1/25,45,3.光学成像部分　　光学成像部分俗称扫描头，即图像信息读取部分，它是扫描仪的核心部件，其精度直接影响扫描图像的还原逼真程度它包括以下主要部件：灯管、反光镜、镜头以及电荷耦合器件(CCD)　　扫描头的光源一般采用冷阴极辉光放电灯管，灯管两端没有灯丝，只有一根电极，具有发光均匀稳定、结构强度高、使用寿命长、耗电量小、体积小等优点。