彩色线阵CCD图像传感器实验_2013.ppt

彩色线阵CCD图像传感器实验 主讲教师： 祝世平 电话： E-Mail ： spzhu@163.com 办公室： 新主楼B座705室 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。 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。 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。 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，由班长收齐后在规定的时间内统一交给任课教师。 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。 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。 单个图像传感器的工作原理 一维线阵图像传感器和二维面阵图像传感器 线阵图像传感器的成像过程 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，23.7fps 时钟：4×25MHz 动态范围：70dB 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 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。 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之前P型半导体中空穴（多数载流子）的分布是均匀的。 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。 电荷的转移 下图所示的结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。 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。 线型CCD摄像器件的两种基本形式 单沟道线阵CCD由光敏阵列、转移栅、CCD模拟移位寄存器和输出放大器等单元构成。 光敏阵列一般由光栅控制的MOS光积分电容或PN结光电二极管构成，光敏阵列与CCD模拟移位寄存器之间通过转移栅相连。 转移栅既可以将光敏区与模拟移位寄存器分隔开来，又可以将光敏区与模拟移位寄存器沟通，使光敏区积累的电荷信号转移到模拟移位寄存器中。 通过加在转移栅上的控制脉冲完成光敏区与模拟移位寄存器隔离与沟通的控制。 当转移栅上的电位为高电平时，二者沟通，而转移栅上的电位为低电平时，二者隔离。 二者隔离时光敏区进行光电注入，光敏单元在不断积累电荷，有时将光敏单元积累电荷的这段时间称为光积分时间。 转移栅电极电压为高电平时，光敏区所累积的信号电荷将通过转移栅转移到CCD模拟移位寄存器中。 通常转移栅电极为高电平的时间很短，为低电平的时间很长，因而光积分时间要远超过转移时间。 在光积分时间里，CCD模拟移位寄存器在三相交叠脉冲的作用下，将信号电荷一位位地移出器件，经输出放大器形成时序信号（或称视频信号）。 双沟道线阵CCD摄像器件具有两列CCD模拟移位寄存器A与B，分列在像敏阵列的两边。 当转移栅A与B为高电位（对于N沟