光电传感器应用技术 教学课件 作者 王庆有 第8章 第2节.ppt

8.5 典型线阵CCD图像传感器 8.5.1单沟道线阵CCD图像传感器 2、工作原理 3、特性参数 （2）灵敏度 （4）转移效率η与损失率ε 4、驱动电路 * 前4节讨论了CCD基本工作原理中的一些共性问题，本节开始讨论个性问题，CCD图像传感器有一维与二维之分，通常将一维CCD图像传感器称为线阵CCD或线阵CCD图像传感器，将二维CCD图像传感器称为面阵CCD图像传感器。 TCD1209D器件是一种很典型的单沟道线阵CCD图像传感器，掌握它的原理、结构、特性参数对学习类似器件非常重要。 1、基本结构 TCD1209D的像敏单元阵列由2 075个光电二极管构成，其中有27个光电二极管（前边D13～D31和后边的D32～D39）被遮蔽，中间的2 048个光电二极管为有效的像敏单元。每个像敏单元的尺寸为14μm×14μm，相邻的两个像元的中心距为14μm。像敏单元阵列的总长度为28.672mm。 转移栅与像敏单元阵列及模拟移位寄存器构成如图8-19所示的交叠结构。 它既可以使转移栅完成将光敏区的信号电荷向模拟移位寄存器中转移的工作又能在模拟移位寄存器转移信号电荷期间将像元与模拟移位寄存器隔离，使像敏区进行光积分的同时模拟移位寄存器进行信号电荷的转移。 （1）光谱响应特性 TCD1209D的光谱响应特性曲线如图8-21所示。光谱响应的峰值波长为550nm，短波响应在400 nm处大于70%（实践证明该器件在300nm处仍有较好的响应），光谱响应的长波限为1100nm。响应范围远远超出人眼的视觉范围。 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。 当然，衡量器件灵敏度的参数还常用器件输出信号电压饱和时光敏面上的曝光量表示，称为饱和曝光量，记为SE。饱和曝光量SE越小的器件其灵敏度越高。TCD1209D的饱和曝光量SE仅为0.06(lx.s)。 （8-7） （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 。 （8-8） 电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数 。 (8-9) 如果在t＝0时，注入到某电极下的电荷为Q(0)；在时间t时，大多数电荷在电场作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷由于某种原因留在该电极下。若被留下来的电荷为Q(t)，则电荷转移效率为 如果电荷转移损失率定义为 (8-10) 电荷转移效率与电荷转移损失率的关系为 (8-11) n次转移前、后电荷量之间的关系为 (8-13) 影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获。为此，常采用“胖零”工作模式，即让“零”信号也有一定的电荷。图8-22为P沟道线阵CCD在两种不同驱动频率下的电荷转移损失率ε与“胖零”电荷Q(0)之间的关系。 TCD1209D转移效率如此之高就是采用了“胖零”技术，当驱动脉冲加到器件势其正常工作时“胖零”电荷随之注入器件，从器件的输出端OS读出的信号增添了不能通过冷却消除的“暗电流”。 表8-1 TCD1209D的特性参 f1=fR MHz 20 1 F 驱动频率 mv 0.6 NDO 噪声 v 7.0 5.5 4.0 VOS 输出信号的直流电位 2 000 DR 动态范围 kΩ 1 0.2 ZO 输出阻抗 % 98 92 TTE 总转移效率 mw 400 160 PD 直流功率损耗 mv 2.5 1.0 DSNU 暗信号电压不均匀性 mv 2.5 1.0 VDAK 暗信号电压 lx·s 0.06 0.04 SE 饱和曝光量 v 2.0 1.5 VSAT 饱和输出电压 mv 10 4 PRNU(V) % 10 3 PRNU 像敏单元的不均匀性 V/(lx·s) 37 31 25 R 灵敏度 备注 单位 最大值 典型值 最小值 参数符号 特性参数 5、外形尺寸