光電傳感器應(yīng)用技術(shù)第8章-第3節(jié)課件

1、1、基本結(jié)構(gòu)2. TCD1251D的工作原理 TCD1251D在如圖8-26所示的驅(qū)動(dòng)脈沖作用下工作 。3. TCDl251D驅(qū)動(dòng)電路 TCDl251D的驅(qū)動(dòng)電路如圖8-27所示。由如圖8-23所示的驅(qū)動(dòng)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移脈沖、驅(qū)動(dòng)脈沖、和復(fù)位脈沖等四路驅(qū)動(dòng)脈沖經(jīng)反向器74HC04P反向后加到TCD1251D的相應(yīng)管腳上。該器件將輸出OS信號(hào)與DOS信號(hào)。其中OS信號(hào)含有效光電信號(hào)，DOS輸出為補(bǔ)償信號(hào)。 4. TCDl251D的特點(diǎn)與特性 （1）驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)便 在TCD1251D器件的內(nèi)部設(shè)置有電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路，只要提供0.3V5V的驅(qū)動(dòng)脈沖器件就可以正常工作，極大地方便了用戶。（2）靈敏度高

2、TCD1251D的光電靈敏度為35V/lx.s，它的飽和曝光量為0.05lx.s，動(dòng)態(tài)范圍為3800，屬于高靈敏高動(dòng)態(tài)范圍的器件。 （3）光譜響應(yīng) 如圖8-28所示TCD1251D的光譜響應(yīng)曲線。其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)m為550nm，與人眼的光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)很接近；長(zhǎng)波截止波長(zhǎng)為1100nm，在近紅外區(qū)有較好的響應(yīng)；短波截止波長(zhǎng)可延長(zhǎng)到紫外譜區(qū)，接近250nm。光譜響應(yīng)范圍寬是它的另一個(gè)特點(diǎn)。該器件在整個(gè)可見光譜區(qū)的響應(yīng)高于70%，是比較理想的光譜探測(cè)器件。另外，它像敏單元尺寸小（11m11m）分辨率高，又是性能優(yōu)良的尺寸檢測(cè)探測(cè)器件。 （4）溫度特性 TCD1251D的溫度特性如圖8-29所示。當(dāng)環(huán)

3、境溫度由零度增長(zhǎng)到60時(shí)，由于它能夠分別從OS和DOS端輸出光敏單元信號(hào)和暗電流信號(hào)，而且盡管這兩個(gè)信號(hào)都隨溫度變化，但是，它們隨溫度變化的規(guī)律是相同的，又相當(dāng)于在同溫槽內(nèi)。因此，它們的差分信號(hào)對(duì)溫度變化的影響會(huì)被差分放大器抑制共模干擾特性所抵消，而不明顯。 5. TCD1251D的特性參數(shù) 它的像敏單元的不均勻性參數(shù)不如單溝道器件TCD1209D，因?yàn)殡p溝道器件的信號(hào)分別通過兩個(gè)移位寄存器溝道輸出，這兩個(gè)溝道的轉(zhuǎn)移特性的差異會(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)。 8.5.3 線陣CCD類型與發(fā)展 不同領(lǐng)域中應(yīng)用的特殊需要向人們提出了設(shè)計(jì)不同類型器件的要求，現(xiàn)在已經(jīng)生產(chǎn)出

4、許多供不同應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用的多種線陣CCD圖像傳感器。 1、光譜探測(cè)類型線陣CCD 光譜探測(cè)與分析需要的線陣CCD應(yīng)具有光譜響應(yīng)范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍廣、像敏單元不均勻性好等特點(diǎn)。S3922、S3923、RL1024SB等器件，它們普遍具有像敏單元尺寸大（500m50m）的特點(diǎn)，像敏單元尺寸的增大不僅增大了接收光輻射的面積，提高響應(yīng)度而且增大了電荷存儲(chǔ)的容量，使動(dòng)態(tài)范圍大幅度地得到提高。 2、高分辨率的非接觸尺寸檢測(cè) 工業(yè)應(yīng)用中非接觸尺寸檢測(cè)是非常普遍的課題，為提高測(cè)量精度與測(cè)量范圍，常常要求線陣CCD器件的像敏單元尺寸小數(shù)量多。TCD1500C、TCD1703D、TCD1708D等器件均符合上述要求。

5、 高速圖像采集 為探測(cè)高速飛行物體的飛行姿態(tài)或測(cè)量其他高速運(yùn)動(dòng)體的表面質(zhì)量的需要，提高線陣CCD的工作速度是關(guān)鍵。對(duì)于高速工作的線陣CCD，常采用“分段同步驅(qū)動(dòng)”的設(shè)計(jì)思想，例如，RL188D器件為分16段并行驅(qū)動(dòng)輸出的1024像元線陣CCD，若每段的工作頻率為40MHz，等效驅(qū)動(dòng)頻率為640MHz。40MHz工作頻率的制造工藝不難實(shí)現(xiàn)，高速飛行或運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)問題也不難解決。8.6 典型面陣CCD圖像傳感器8.6.1概述 二維面陣CCD圖像傳感器有不同的結(jié)構(gòu)與排列方式，如幀轉(zhuǎn)移、隔列轉(zhuǎn)移、線轉(zhuǎn)移和全幀轉(zhuǎn)移等方式。 (1) 幀轉(zhuǎn)移面陣CCD 如圖8-31所示為幀轉(zhuǎn)移方式的面陣CCD圖像傳感器的

6、原理結(jié)構(gòu)圖。 (2) 隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD的結(jié)構(gòu)如圖8-32(a)所示。 (3) 線轉(zhuǎn)移型面陣CCD 如圖8-33所示為線轉(zhuǎn)移方式的面陣CCD的結(jié)構(gòu)圖，它與前面兩種轉(zhuǎn)移方式相比，取消了存儲(chǔ)區(qū)，多了一個(gè)線尋址電路。 8.6.2典型幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD器件1. TCD5130AC面陣CCD TCD5130AC是一種幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD。常用于三管彩色CCD電視攝像機(jī)中。它的有效像元數(shù)為754(H)583(V)；像元尺寸(長(zhǎng)高)為12.0m11.5m；像敏面積為9.05mm6.70mm，一般將它封裝如圖8-34所示 。各管腳的定義如圖8-35所示。 TCD5130AC的結(jié)構(gòu)原理圖如圖

7、8-36所示。圖8-37所示為TCD5130AC像敏區(qū)的原理結(jié)構(gòu)圖。 奇數(shù)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)脈沖波形如圖8-38所示圖8-39為偶數(shù)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖 圖8-41是B段的波形展開圖， 圖8-42是C段的波形展開圖 TCD5130AC的特性參數(shù)如表8-3所示。 表8-3 TCD5130AC的特性參數(shù)特性參數(shù)符 號(hào)最小值典型值最大值單 位響應(yīng)度R6580mv/Lx飽和輸出電壓Usat600900mV暗信號(hào)電壓Udak12mV圖像像暈SMR-120-110dB 輸出電流IOD10mA失落電壓LAGd0.11mV輸出阻抗Zo250300思考題與習(xí)題8 8.1為什么說N型溝道CCD的工作速度要高于P型溝道CCD的

8、工作速度而埋溝CCD的工作速度要高于表面溝道CCD的工作速度？ 8.2 試說明為什么在柵極電壓相同的情況下不同氧化層厚度的MOS結(jié)構(gòu)所形成的勢(shì)阱存儲(chǔ)電荷的容量不同，氧化層厚度越薄電荷的存儲(chǔ)容量越大。 8.3 為什么二相線陣CCD電極結(jié)構(gòu)中的信號(hào)電荷能在二相驅(qū)動(dòng)脈沖的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行定向轉(zhuǎn)移而三相線陣CCD必須在三相交迭脈沖的作用下才能進(jìn)行定向轉(zhuǎn)移？ 8.4 試說明電流輸出方式中復(fù)位脈沖RS的作用，并分析當(dāng)復(fù)位脈沖RS沒有加上時(shí)CCD的輸出信號(hào)將會(huì)怎樣？ 8.5 為什么要引入胖零電荷？胖零電荷屬于暗電流嗎？能通過對(duì)CCD器件制冷消除胖零電荷嗎？ 8.6 若二相線陣CCD器件TCD1251D像敏單元為2700個(gè)，器件的總轉(zhuǎn)移效率為0.92，試計(jì)算它每個(gè)轉(zhuǎn)移單元的最低轉(zhuǎn)移效率為多少？ 8.7 設(shè)TCD1209D的驅(qū)動(dòng)頻率為2MHz，試計(jì)算TCD1209D的最短積分時(shí)間為多少？當(dāng)從表5-1中查到其光照靈敏度（響應(yīng)R）31v/lx.s時(shí)，試求使其飽和所需要的最低照度？ 8.8 若，又知TCD1209D的動(dòng)態(tài)范圍為2000，它的最小探測(cè)照度為多少？像元上的最低可探測(cè)的光通量有為多少？ 8.9 試說明TCD1209D驅(qū)動(dòng)器中的SH、RS與CP的作用，并分析若RS脈沖由于故障而丟失