彩色线阵CCD图像传感器实验_2013

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1、彩色线阵CCD图像传感器实验北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院祝世平1主讲教师：祝世平电话：13391687912E-Mail：spzhu@163.com办公室：新主楼B座705室2课程安排及要求3一、基本要求所做实验需要写实验报告，实验报告应该对实验现象和数据进行分析，得出相应的结论。线阵CCD驱动电路的设计部分采用Multisim电路仿真软件进行驱动时序信号的仿真，可以参考所提供的示例电路并做出改进，鼓励不同于示例电路的具有新意的电路设计，或采用FPGA、单片机等方式进行仿真。4实验报告（包括实验部分和驱动电路设计部分），按照给定的统一模版，写在1张A4纸上。要求A4纸正反面打印，正文

2、为5号字体。实验内容和驱动电路设计必须独立完成，不得互相抄袭。5二、每位同学需要提交的材料实验报告：内容包括：①实验部分；②驱动电路设计部分。（其中驱动电路设计部分可以包括一种或多种方案（IC分立元件、FPGA、单片机等）。实验报告须提交电子版和打印版。Multisim电路仿真文件（或FPGA程序、单片机程序等）：须提交电子版。6三、相关材料的提交方式电子版提交方式：每位同学用“学号姓名”建立一个文件夹。每位同学的以上实验报告电子版和电路仿真文件等2项材料都存放在自己的文件夹内。打印版提交方式：每位同学的实验报告打印1份，按照给定的统一模版，正反面打印在1张A4纸上。以上打印版材料和电子版材料

3、，由班长收齐后在规定的时间内统一交给任课教师。7参考书目王庆友主编，《图像传感器应用技术》，电子工业出版社，2003年9月。8第一章CCD的基本工作原理9图像传感器的基本原理成像物镜将外界照明光照射下的（或自身发光的）景物成像在物镜的像面上，形成二维空间的光强分布（光学图像）。能够将二维光强分布的光学图像转变成一维时序电信号的传感器称为图像传感器。10单个图像传感器的工作原理11一维线阵图像传感器和二维面阵图像传感器12线阵图像传感器的成像过程13加拿大达尔萨(DALSA)公司IT-P1-4096线阵CCD传感器彩色线阵CCD图像传感器分辨率：4096像元尺寸：10µm×10µm帧频：4通道，

4、23.7fps时钟：4×25MHz动态范围：70dB14加拿大达尔萨(DALSA)公司FTF4052M/C全帧面阵CCD传感器黑白/彩色全帧CCD图像传感器分辨率：4008×5344像元尺寸：9µm×9µm帧频：4通道，3.6fps时钟：4×25MHz动态范围：>72dB，线性15电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件(CCD)的突出特点是以电荷为信号的载体，不同于大多数以电流或电压为信号的载体的器件。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测。16电荷的存储构成CCD的基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）结构。在栅极G施加电压UG

5、之前P型半导体中空穴（多数载流子）的分布是均匀的。17当栅极施压正电压UG（此时UG小于等于P型半导体的阈值电压Uth），P型半导体中的空穴将开始被排斥，并在半导体中产生耗尽区。电压继续增加，耗尽区将继续向半导体体内延伸。18紧密排列的MOS结构能够存储和转移电荷。19UG大于Uth后，耗尽区的深度与UG成正比。若将半导体与绝缘体界面上的电势记为表面势，且用Φs表示，表面势Φs将随栅极电压UG的增高而增高。在同样的栅极电压UG作用下，不同厚度的氧化层有着不同的表面势。表面势Φs表征了耗尽区的深度。20在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压UG的关系恰如Φs与UG的关系。下图中：所示为空势

6、阱的情况；为反型层电荷填充1/3势阱时表面势收缩的情况；21当反型层电荷继续增加时，表面势Φs将逐渐减小，当反型层电荷足够多时，表面势Φs减小到最低值2ΦF。此时，电子将产生“溢出”现象，表面势可以作为势阱深度的度量。2223电荷的转移为了理解CCD中势阱及电荷如何从一个位置转移到另一个位置，如下图所示的四个彼此靠的很近的电机在加上不同电压的情况下，势阱与电荷的运动规律。通过将按一定规律变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。24通常把CCD的电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟驱动脉冲。CCD正常工作所需要的相数由其内部结构决定。25下图所示的结

7、构需要三相时钟脉冲，其驱动脉冲的波形如图(f)所示。这样的CCD称为三相CCD。三相CCD的电荷必须在三相交叠驱动脉冲的作用下，才能以一定的方向逐单元地转移。2627电荷的检测在CCD中，有效地收集和检测电荷是一个重要问题。目前的CCD输出电荷信号的方式主要是称为电流输出的电路。28电流输出方式的电路如下图所示。它由检测二极管、二极管的偏置电阻R、源极输出放大器和复位场效应管VR等单元组成。293