彩色線陣CCD圖像傳感器實驗_2013

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1、彩色線陣CCD圖像傳感器實驗北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院祝世平1主講教師：祝世平電話：13391687912E-Mail：spzhu@163.com辦公室：新主樓B座705室2課程安排及要求3一、基本要求所做實驗需要寫實驗報告，實驗報告應(yīng)該對實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進行分析，得出相應(yīng)的結(jié)論。線陣CCD驅(qū)動電路的設(shè)計部分采用Multisim電路仿真軟件進行驅(qū)動時序信號的仿真，可以參考所提供的示例電路并做出改進，鼓勵不同于示例電路的具有新意的電路設(shè)計，或采用FPGA、單片機等方式進行仿真。4實驗報告（包括實驗部分和驅(qū)動電路設(shè)計部分），按照給定的統(tǒng)一模版，寫在1張A4紙上。要求A4紙正反面打印，正文

2、為5號字體。實驗內(nèi)容和驅(qū)動電路設(shè)計必須獨立完成，不得互相抄襲。5二、每位同學需要提交的材料實驗報告：內(nèi)容包括：①實驗部分；②驅(qū)動電路設(shè)計部分。（其中驅(qū)動電路設(shè)計部分可以包括一種或多種方案（IC分立元件、FPGA、單片機等）。實驗報告須提交電子版和打印版。Multisim電路仿真文件（或FPGA程序、單片機程序等）：須提交電子版。6三、相關(guān)材料的提交方式電子版提交方式：每位同學用“學號姓名”建立一個文件夾。每位同學的以上實驗報告電子版和電路仿真文件等2項材料都存放在自己的文件夾內(nèi)。打印版提交方式：每位同學的實驗報告打印1份，按照給定的統(tǒng)一模版，正反面打印在1張A4紙上。以上打印版材料和電子版材料

3、，由班長收齊后在規(guī)定的時間內(nèi)統(tǒng)一交給任課教師。7參考書目王慶友主編，《圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)》，電子工業(yè)出版社，2003年9月。8第一章CCD的基本工作原理9圖像傳感器的基本原理成像物鏡將外界照明光照射下的（或自身發(fā)光的）景物成像在物鏡的像面上，形成二維空間的光強分布（光學圖像）。能夠?qū)⒍S光強分布的光學圖像轉(zhuǎn)變成一維時序電信號的傳感器稱為圖像傳感器。10單個圖像傳感器的工作原理11一維線陣圖像傳感器和二維面陣圖像傳感器12線陣圖像傳感器的成像過程13加拿大達爾薩(DALSA)公司IT-P1-4096線陣CCD傳感器彩色線陣CCD圖像傳感器分辨率：4096像元尺寸：10μm×10μm幀頻：4通道，

4、23.7fps時鐘：4×25MHz動態(tài)范圍：70dB14加拿大達爾薩(DALSA)公司FTF4052M/C全幀面陣CCD傳感器黑白/彩色全幀CCD圖像傳感器分辨率：4008×5344像元尺寸：9μm×9μm幀頻：4通道，3.6fps時鐘：4×25MHz動態(tài)范圍：>72dB，線性15電荷耦合攝像器件電荷耦合攝像器件(CCD)的突出特點是以電荷為信號的載體，不同于大多數(shù)以電流或電壓為信號的載體的器件。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD的基本工作過程主要是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、轉(zhuǎn)移和檢測。16電荷的存儲構(gòu)成CCD的基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。在柵極G施加電壓UG

5、之前P型半導(dǎo)體中空穴（多數(shù)載流子）的分布是均勻的。17當柵極施壓正電壓UG（此時UG小于等于P型半導(dǎo)體的閾值電壓Uth），P型半導(dǎo)體中的空穴將開始被排斥，并在半導(dǎo)體中產(chǎn)生耗盡區(qū)。電壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將繼續(xù)向半導(dǎo)體體內(nèi)延伸。18緊密排列的MOS結(jié)構(gòu)能夠存儲和轉(zhuǎn)移電荷。19UG大于Uth后，耗盡區(qū)的深度與UG成正比。若將半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢記為表面勢，且用Φs表示，表面勢Φs將隨柵極電壓UG的增高而增高。在同樣的柵極電壓UG作用下，不同厚度的氧化層有著不同的表面勢。表面勢Φs表征了耗盡區(qū)的深度。20在沒有反型層電荷時，勢阱的“深度”與柵極電壓UG的關(guān)系恰如Φs與UG的關(guān)系。下圖中：所示為空勢

6、阱的情況；為反型層電荷填充1/3勢阱時表面勢收縮的情況；21當反型層電荷繼續(xù)增加時，表面勢Φs將逐漸減小，當反型層電荷足夠多時，表面勢Φs減小到最低值2ΦF。此時，電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象，表面勢可以作為勢阱深度的度量。2223電荷的轉(zhuǎn)移為了理解CCD中勢阱及電荷如何從一個位置轉(zhuǎn)移到另一個位置，如下圖所示的四個彼此靠的很近的電機在加上不同電壓的情況下，勢阱與電荷的運動規(guī)律。通過將按一定規(guī)律變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導(dǎo)體表面按一定方向移動。24通常把CCD的電極分為幾組，每一組稱為一相，并施加同樣的時鐘驅(qū)動脈沖。CCD正常工作所需要的相數(shù)由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。25下圖所示的結(jié)

7、構(gòu)需要三相時鐘脈沖，其驅(qū)動脈沖的波形如圖(f)所示。這樣的CCD稱為三相CCD。三相CCD的電荷必須在三相交疊驅(qū)動脈沖的作用下，才能以一定的方向逐單元地轉(zhuǎn)移。2627電荷的檢測在CCD中，有效地收集和檢測電荷是一個重要問題。目前的CCD輸出電荷信號的方式主要是稱為電流輸出的電路。28電流輸出方式的電路如下圖所示。它由檢測二極管、二極管的偏置電阻R、源極輸出放大器和復(fù)位場效應(yīng)管VR等單元組成。293