典型线阵图像传感器

典型线阵图像传感器第一页，共七十页，2022年，8月28日第六讲典型线阵CCD图像传感器

不同的线阵CCD具有不同的特点，适用于不同的应用场合。 本章从应用的角度介绍几种典型线阵CCD的基本结构、特性参数、驱动方式和应用特点。第二页，共七十页，2022年，8月28日典型单沟道线阵CCD-TCD1209D典型双沟道线阵CCD-TCD1206SUP具有积分时间调整功能的线阵CCD-TCD1205D并行输出的线阵CCD用于光谱探测的高性能线阵CCD彩色线阵CCD环形线阵CCD第六讲典型线阵CCD图像传感器第三页，共七十页，2022年，8月28日一、典型单沟道线阵CCDLinearImageSensorCCDPDF说明书第四页，共七十页，2022年，8月28日1、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。结构组成：PhotoDiode/转移栅/CCD模拟移位寄存器/输出单元每个光敏单元尺寸14×14um，相邻两光敏单元中心距14um，光敏单元总长度28.672mm（2048×14um）第五页，共七十页，2022年，8月28日有效像敏区域(2048个)被遮蔽光电二极管(前19个后8个共27个)1）为何PD最左边为D13？还有D0～D12吗？所有的光电二极管已经在此图给出，总共2048+27=2075个。即没有实物存在的D0～D12。它们只是虚设的单元(在移位寄存器中有12组对应单元)2）遮蔽的27个PD的作用？获得暗电流等信息用于对有效信号处理3）根据原理图请问CCD模拟移位寄存器的驱动电极至少多少？

（2048+27+13）×2=4176个。第六页，共七十页，2022年，8月28日转移栅与光敏阵列及移位寄存器的交叠结构Up为光敏单元；CR1为CCD模拟移位寄存器的一个电极；SH为转移栅（shiftgate）输入信号——

高电平:沟通光敏阵列和移位寄存器,信号电荷转移到CR1势阱低电平:隔离二者,光敏单元阵列积分,移位寄存器逐位输出；

转移脉冲SH高电平时,CR1脉冲也应为高电平；

SH的下降沿时，CR1也为高电平，以保证信号完整转移成功。(时序及电平要求之一)第七页，共七十页，2022年，8月28日RS脉冲和CR脉冲的时序关系？第八页，共七十页，2022年，8月28日2、TCD1209D的基本工作原理

TCD1209D的驱动脉冲波形图（掌握）第九页，共七十页，2022年，8月28日TCD1209D的驱动脉冲波形图（说明书截图）第十页，共七十页，2022年，8月28日TCD1209D五路驱动脉冲组成及作用：①转移脉冲SH（沟通/阻隔PD和CCD；控制光积分时间）②驱动脉冲CR1（配合CR2把信号电荷从CCD右向左移动）③驱动脉冲CR2（其中CR2B代表CCD移位寄存器的最后一个电极）④复位脉冲RS（清除上一次未来得及转移走留在输出二极管中的电荷）⑤缓冲控制脉冲CP（过滤掉输出信号的尖脉冲噪声）第十一页，共七十页，2022年，8月28日行周期：SH的周期。必须大于2088个转移脉冲CR1的周期；OS输出信号的构成：虚设单元/哑元/有效信号/检测单元等；检测一行结束第十二页，共七十页，2022年，8月28日

根据TCD1209D说明书中的驱动脉冲波形图及脉冲时序要求设计。3、TCD1209D的驱动电路驱动实现的方法有：

1）采用分立元件及74系列芯片；

2）利用可编程逻辑阵列CPLD或FPGA；

3）EPROM(顺序输出状态数据)；

4）单片机（按时间顺序输出已存波形）

5）数字信号处理器DSP；数字电子技术VHDL第十三页，共七十页，2022年，8月28日TCD1209D的驱动脉冲时序要求第十四页，共七十页，2022年，8月28日驱动电路的设计思路：

1）各脉冲的周期关系及占空比分析；2）确定脉冲之间的逻辑及时序关系；第十五页，共七十页，2022年，8月28日所采用的主要器件：1）晶振/电阻/非门组成的石英晶体振荡器；2）二进制计数器，实现分频目的以及脉冲计数；3）基本的非门/与门/或非门/触发器等器件；分立元件方法实现第十六页，共七十页，2022年，8月28日基于VHDL和CPLD的驱动电路设计（推荐）第十七页，共七十页，2022年，8月28日SH模块代码CCD模块代码第十八页，共七十页，2022年，8月28日EPROM驱动方法第十九页，共七十页，2022年，8月28日单片机驱动方法第二十页，共七十页，2022年，8月28日基于DSP的驱动方法第二十一页，共七十页，2022年，8月28日第二十二页，共七十页，2022年，8月28日4、TCD1209D的特性参数

TCD1209D优点：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1)光谱响应特性光谱响应的峰值波长为550nm;短波响应在400nm处大于70%;光谱响应的长波限在1100nm;（Si基底）50%饱和曝光量作用下:各像敏单元输出信号电压与均值电压的最大差值各个像敏单元输出信号的均值电压像敏单元不均匀性典型值为3%，双沟道线阵CCD达不到。第二十三页，共七十页，2022年，8月28日2)灵敏度R

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仅为0.06(lx·s)满月时地面光照度为0.1lx;弦月时为0.01lx;阴天为1000lx线阵CCD的灵敏度的另一表示方法：饱和曝光量（SE）SE定义:器件的输出信号电压饱和时光敏面上的曝光量。饱和曝光量越小，表明灵敏度越高。第二十四页，共七十页，2022年，8月28日3）动态范围DR

动态范围参数DR定义：饱和输出电压与暗信号电压之比。动态范围越高的器件品质越高。

USAT：CCD的饱和输出电压，UDAK为：CCD没有光照射时的输出电压（暗信号电压）第二十五页，共七十页，2022年，8月28日4）其他参数：第二十六页，共七十页，2022年，8月28日5）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5-7所示。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±0.1mm。第二十七页，共七十页，2022年，8月28日二、典型双沟道线阵CCD器件——TCD1206SUP

目前最具有典型性的双沟道器件为TCD1206SUP，该器件广泛应用于物体外形尺寸的非接触自动测量领域，是一种较为理想的一维光电探测器件。

1、TCD1206SUP的基本结构像敏单元数目：2160像元像敏单元大小：14um×14um×14um（相邻像元中心距）光敏区域：采用高灵敏度PN结作为光敏单元时钟：二相（5V）封装形式：22脚DIP封装第二十八页，共七十页，2022年，8月28日光电二极管的数量为：2160+(74-12)=2222。存储栅：存储光生电荷的MOS电容存储阵列。第二十九页，共七十页，2022年，8月28日2、TCD1206SUP的工作原理四路驱动脉冲：SH、CR1、CR2、RS；驱动电路的产生可仿照TCD1209D实现；1118第三十页，共七十页，2022年，8月28日TCD1206SUP与1209D的不同点：OS端总共输出2236个信号，由于两列并行传输。所以一个SH周期至少要有2236/2=1118个驱动脉冲CR1的周期补偿信号DOS反映了CCD的暗电流特性，也反映了CCD在复位脉冲作用下信号传输沟道产生的容性干扰。OS信号含有经光积分的有效光电信号，也含有被复位脉冲RS作用下信号传输沟道产生的容性干扰。因此可以利用差分放大器将DOS，OS信号之间的共模干扰抑制掉。经过放大与抑制共模干扰作用后，脉冲波形图见下页第三十一页，共七十页，2022年，8月28日引入了两个同步脉冲HC及SP——HC周期和SH相同,占空比不同HC上升沿对应CCD第一个有效像素单元S1的有效期间，以它为行同步脉冲更合理。SP与像敏单元同步的采样脉冲，常用做采样控制信号。第三十二页，共七十页，2022年，8月28日3、TCDl206SUP的驱动电路第三十三页，共七十页，2022年，8月28日

经反向驱动器74HC04P反向后加到TCD1206SUP的相应管脚上。该器件将输出OS信号及DOS信号。其中OS信号含有经过光积分的有效光电信号，DOS输出的是补偿信号。第三十四页，共七十页，2022年，8月28日1）驱动简便——CCD芯片内部设置了电平转换驱动器电路2）灵敏度高——光电灵敏度45v/(lx.s)，饱和曝光量为3）光谱响应——决定可以用于可见光谱区域的光谱探测和尺寸测量λm为550nm，与人眼的光谱响应峰值波长很接近；长波截止波长为1100nm，短波截止波长可延长到紫外谱区。4、TCD1206SUP的特点第三十五页，共七十页，2022年，8月28日4）温度特性——变化不明显

归功于差分放大器抑制共模干扰5）积分时间与暗电压的变化关系第三十六页，共七十页，2022年，8月28日5、TCD1206SUP的特性参数特性参数符

号

最小值

典型值

最大值单

位灵敏度

R334556V/lx·s光响应非均匀性

PRNU

—1020

寄存器不平衡性

RI

—

—3

饱和输出电压

VSAT

1.51.7

—V饱和曝光量

SE

—0.037

—lx·s暗信号电压

VDRK—12mV暗信号电压非均匀性DSNU—23mV直流电源耗散PD—140180mW总转移效率

TTE92

—

—

输出阻抗ZO——1.0kΩ

直流信号输出电压

VOS4.55.5V双沟道器件的信号分别通过两个移位寄存器沟道输出，这会造成输出信号的奇偶性，必然影响器件像敏单元的不均匀性参数。第三十七页，共七十页，2022年，8月28日在光照度较低/较强时的情况下，可以通过增长/缩短光积分时间的方式使输出信号达到所希望的幅度；积分时间的调整功能对于CCD的应用是非常重要的。

广泛应用在条码扫描识别等光电输入设备。三、具有积分时间调整功能(电子快门)的线阵CCD-如何实现？TCD1205D为具有积分时间调整功能的线阵CCD器件。第三十八页，共七十页，2022年，8月28日1、TCD1205D的基本结构双沟道型线阵CCD器件，封装形式为22脚的双列直插型。像素尺寸：14×200×14（长×高×间距）单位：微米有效像敏单元数目：见下图增强信号电压脉冲积分控制栅转移栅第三十九页，共七十页，2022年，8月28日与TCD1206SUP的区别：积分栅：和TCD1206SUP的存储栅相同，不同的是要外加光积分控制脉冲ICGICG低电平：光积分栅失去积分作用；ICG高电平：积分栅才能积累光生电荷。从而实现通过控制ICG电平来控制器件的曝光时间，可称作“电子快门”。第四十页，共七十页，2022年，8月28日2、TCD1205D的基本工作原理——方案一在一个转移脉冲SH周期中，只有在光积分电极ICG为高电平期间光积分栅才能建立起深势阱，也才能进行光积分。第四十一页，共七十页，2022年，8月28日一个行周期中两次转移2、TCD1205D的基本工作原理——改变积分时间方案二第四十二页，共七十页，2022年，8月28日一个行读出周期中设置两个转移脉冲SH：第1个转移脉冲的高电平对应于移位寄存器驱动脉冲CR1的低电平，使移位寄存器CR1电极不形成深势阱，光积分电极下积累的信号电荷无法倒入CR1电极，即无法将信号电荷转移到移位寄存器中，从而之前积累的信号电荷白白地倒掉。

光积分时间仅为后面两个SH之间的时间。第四十三页，共七十页，2022年，8月28日TCD1205D同样可以工作在普通模式，类似于TCD1206SUP。硬件上提供光积分控制功能，具体用不用还看驱动脉冲的特点。第四十四页，共七十页，2022年，8月28日3、TCD1205D的特性参数动态范围DR偏低，一般只适用于光电数字扫描输入，不适用于分辨率要求较高的图像扫描输入。第四十五页，共七十页，2022年，8月28日四、并行输出的线阵CCD1、并行输出的TCD1703C

——典型双沟道并行输出二相CCD有效像素单元(7500像元)分奇偶两列并行转移，分别由OSl和OS2端口并行输出。

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。第四十六页，共七十页，2022年，8月28日5路脉冲构成：转移脉冲SH、驱动脉冲CR1与CR2、复位脉冲RS、钳位脉冲CP最高驱动频率可达20MHz，等效数据率为40MHz第四十七页，共七十页，2022年，8月28日2、分段式多路并行输出的高速线阵CCDRL1282D、RL1284D、RL1288D器件：分别具有256、512或1024像元像元尺寸：18×18×18 (单位：微米)双沟道器件每128像元为一段，每段又分奇偶两个沟道并行输出整个器件的输出时间大大地缩短，器件的工作速度提高。第四十八页，共七十页，2022年，8月28日RL1288D为1024像元的线阵CCD，分别由16个输出端并行输出,每个输出端口只输出64个像元的信号，因此器件的等效数据率很高。中间的红线代表像敏单元，两侧的16个长方条代表模拟移位寄存器。第四十九页，共七十页，2022年，8月28日RL1288D的等效电路图：第五十页，共七十页，2022年，8月28日并行输出的信号如何组合？

奇数和偶数输出信号的相位差为180度，因此可利用高速模拟开关将奇偶两输出信号组合，再送到A/D转换器的输入。

16路并行输出信号的A/D数据采集需要8个A/D转换器件和相应的存储器。第五十一页，共七十页，2022年，8月28日五、用于光谱探测的高性能线阵CCD-RL1024SB

用于光谱探测（如单色仪）的线阵CCD应具有的特点：光谱响应范围宽、动态范围大、噪声低、暗电流小、灵敏度高和像敏单元的均匀性好。

美国Reticon公司SB系列CCD器件。它具有1024个有效像素单元，每个单元尺寸为长25μm、高2500μm、中心距25μm。抗晕栅温敏二极管抗晕漏5V供电电压输入暗光电信号行输出结束信号器件的衬底偏压器件的地转移脉冲ST温敏二极管输出信号复位漏复位栅器件的衬底偏压VDDGuard第五十二页，共七十页，2022年，8月28日1、RL1024SB的基本工作原理

两行光电二极管，上面为遮光的PD阵列，输出补偿信号DOS；下面为有效PD阵列；每个光电二极管对应一个MOS场效应管（相当于存储栅的功能），并兼有模拟开关或转移栅的功能。

抗开花场效应管的作用是使存储信号电荷的场效应管累积的电荷大于某值时，抗开花场效应管导通，多余的信号电荷将排出不会影响临近的光敏单元信号。等效电路原理图MOS场效应管抗开花场效应管顺序打开场效应管使OS和DOS分别输出第五十三页，共七十页，2022年，8月28日

“开花”是指光敏单元所存储的电荷超出了势阱容纳电荷的容量而溢出势阱，扩散到邻近势阱的现象。抗开花Antiblooming（RL1024SB中可以用来调整积分时间）必须的三路脉冲（其他属扩展）：转移脉冲ST、驱动脉冲CR1、CR2EOS信号可以作为A/D转换器的行同步信号；第五十四页，共七十页，2022年，8月28日2、RL1024SB的驱动电路（不做要求）主要利用的器件：

3个二进制同步计数器74HC161构成的可预置计数器、D触发器第五十五页，共七十页，2022年，8月28日RL1024SB的输出信号放大电路（差分放大器）第五十六页，共七十页，2022年，8月28日3、RL1024SB的特性参数（1）光谱响应两种类型：普通光学玻璃和石英玻璃；石英玻璃：光谱响应范围为200nm至1100nm,峰值响应波长为750nm。该器件在中紫外至近红外波段的光谱响应较好，常用于这段谱区的光谱探测和光谱分析应用中，尤其是在紫外波段的光谱探测更为重要。普通玻璃：截止于350nm，对紫外波段光的吸收较大。第五十七页，共七十页，2022年，8月28日（2）输出信号电荷与曝光量的线性关系

在低于饱和曝光量时曲线的线性很好，但超出后曲线弯曲。实际使用时一定要控制好曝光量，使其工作在线性范围之内。第五十八页，共七十页，2022年，8月28日（3）RL1024SB的其他特性参数第五十九页，共七十页，2022年，8月28日六、彩色线阵CCD

应用例一：在彩色印刷行业中常需要进行几种单一颜色的分段印刷（例如R，G，B分三原色印刷），并将多次印刷的单色图案叠加起来才能印出栩栩儒生的彩色图案。在这种印刷工艺中，能否正确的套色是这项工艺的关键技术。在套色印刷生产线中常用“电眼”进行跟踪套色，所谓的“电眼”实际上是一套彩色线阵CCD图像识别器。他能够对彩色图像进行颜色与图案的采集，并根据所采集的信号进行图样的测量和印刷机运行速度的测量，控制后面单色图像的印刷工作，确保所印出的彩色图像色彩真实。 应用例二：使用的扫描仪（实现照片等彩色信息的获取）彩色线阵CCD有两种形式：单行串行和三行并行第六十页，共七十页，2022年，8月28日1、TCD2000P——单行串行形式单沟道两相驱动480个有效PD组成像敏区单元尺寸：长11*高33*113个单元一组，每一组依次采用G、B、R滤色片第六十一页，共七十页，2022年，8月28日TCD2000P的原理结构图像敏区的结构和单色TCD1209D的类似，只不过每个PD前增加了滤色片芯片内部集成了脉冲发生器，简化了外围电路的设计提供了采样、保持电路第六十二页，共七十页，2022年，8月28日TCD2000P的波形图缺点：PD对不同颜色的响应不同，同样照度下输出信号幅度不同优点：结构简单，信号输出快应用范围：对分辨率要求不高，且要求快速检索颜色的情况主时钟第六十三页，共七十页，2022年，8月28日TCD2000P的特性参数灵敏度：绿光最灵敏，是其他的2倍；PRNU：一致性偏差；第六十四页，共七十页，2022年，8月28日2、TCD2558D器件——三列并行形式三条5340像敏单元阵列,像敏单元的尺寸为:7*7*7,总长37.38mm每列之间的间距为28μm（间隔4行）每列都是5340个像敏单元的单沟道线阵CCD构成高灵敏度低暗电流的彩色线阵CCD器件。第六十五页，共七十页，2022年，8月28日TCD2558D的原理结构图第六十六页，共七十页，2022年，8月28日TCD2558D的驱动脉冲及输出信号波形TCD2558D的驱动脉冲和