刘敏-CCD讲稿-10年5月6日.pptVIP

基于FPGA的面阵CCD驱动电路设计 ---调研与选型（1） 测试计量技术及仪器09级 刘敏 CCD 概念 CCD Charged Coupled Device: 电荷耦合器 大量的独立的光敏元件排列在一起 每个光敏元件称为像素 像素 像素就是CCD 的感光点（感光二极管） 的个数 像的基本单位：最小的视觉显示单位. CCD结构及工作原理 CCD结构 感光二极管（Photodiode） 并行信号寄存器（Shift Register） -用于暂时储存感光后产生的电荷 串行信号寄存器（Transfer Register） -用于暂时储存并行积存器的模拟信号并将电荷转移放大 信号放大器-用于放大微弱电信号 数摸转换器-将放大的电信号转换 成数字信号 CCD结构及工作原理 CCD种类-采光方式 前照式（ Front Illuminated ）: 光从正面照射芯片形成电荷 背照式（Back Illuminated）: 光从背面通过并直接进入二极管 光子效率可达到80% 背照式CMOS 背照式CMOS在2008年由索尼研发成功，09年试水市场。而后东芝也宣布研发成功背照式CMOS。2010年2月，富士、奥林帕斯、理光、尼康等众多厂家争先恐后地接连发布背照式CMOS数码相机新品。 在传统CMOS感光元件中，感光二极管位于电路晶体管（A/D转换器和放大电路 ）后方，进光量会因遮挡受到影响。所谓背照式CMOS就是将它掉转方向，让光线首先进入感光二极管，从而增大感光量，显著提高低光照条件下的拍摄效果。 CMOS 互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor） -核心元件：感光二极管（Photodiode） -同一像点当中包含放大器和数模转换电路（一个感光二极管和三颗晶体管） -开口率低（开口率：有效感光区与整个感光元件面积比值） -灵敏度低、噪声明显 -数模转换无法保证严格一致 CCD量子效率 量子效率（ Quantum Efficiency ） -阴极发射出的光电子数量与入射光光子的数量比，用以表述CCD在不同波长下的响应值 在同一波长下QE值越高CCD品质越好 CCD对于不同波长的光的响应时间的敏感度不同 背照式CCD比前照式CCD有更好的量子效率 多数衡量QE高低是在425nm波长 CCD像素指标-填充因子 填充因子（ Fill Factor ） -CCD实际感光面积占像素面积的比值 理想值-100% 实际值-30%（行间转移式CCD） 通过微型镜头（Microlenses）改善（但微型镜头的应用会影响紫外光的检测） 填充因子是影响灵敏度的一个因数 CCD像素指标-井深 井深（Well Capacity）-像素可堆积电荷的多少 多数CCD可堆积85K个电荷 高品质的CCD可堆积350K个电荷 影响灵敏度的一个因数 衡量动力学范围的一个因素 超级CCD 超级CCD（Supper CCD） -几何形状的改变，增加光电二极管的面积，像素利用率提高33% -更接近Microlens形状，提高有效面积增加光吸收率 -排列结构更适合人眼对分辨率的要求（分辨率提高60%） 行间转移型（ Interline Transfer）CCD工作流程 国内CCD研究现状统计 在中国期刊全文数据库和万方数据库按主题相关度排序，对2003-2010年间FPGA设计CCD驱动的论文抽取了前52篇进行统计，得到了CCD研究现状的大致情况： CCD芯片选用情况：?? ??? DALSA公司：14篇——4篇线阵；3篇TDI线阵；5篇全帧面阵；2篇帧转移面阵；??? TOSHIBA公司：10篇——全部为线阵CCD。 ??? SONY公司：5篇——全部为行间转移（面阵）CCD。 ??? E2V公司：5篇——全部为帧转移（面阵）CCD。 ??? Kodak公司：4篇——3篇行间转移面阵；1篇全帧面阵为必威体育精装版发表论文。 ??? Sarnoff公司：2篇——都为帧转移（面阵）CCD。 ??? Fairchild公司：2篇——都为全帧面阵CCD。 ATMEL公司：3篇——2篇线阵；1篇帧转移CCD为必威体育精装版发表论文。 根据以上统计结果，目前国内CCD论文研究的分布特点： ??? 线阵CCD研究集中在TOSHIBA公司CCD上，DALSA公司和ATMEL公司线阵CCD研究也有少量； ??? TDI 线阵CCD研究对DALSA公司IL-E2有3篇论文； ??? 行间转移面阵CCD研究造型集中在SONY公司和Kodak公司； ??? 帧转移面阵CCD选