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2007.10典型线阵CCD传感器电荷的生成电荷的生成•复合寿命由光子激发的电子在重新跃迁回价带(与空穴复合)之前可以在硅晶格内活动的时间是有限的.这个过程的时间常数称为复合寿命,其大小取决于硅的质量和掺杂的浓度.越长,信号电子被收集的可能性就越大,量子效率就越高.电荷的收集光子入射到CCD中产生电子空穴对，电子向器件中电势最高的地区聚集，并在那里形成电荷包。每个电荷包对应一个像元。行间转移CCD光电转换后，将光电荷快速由一列成像单元转移到相邻的一列存储单元；再由存储区一行行转移至水平移位寄存器内读出。不需要机械快门，速度最快；填充因子小，灵敏度低。CCD的转移过程类比说明下面通过类比说明CCD收集、转移和测量电荷的过程。线阵CCD线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构。下图(a)为单沟道，(b)为双沟道。CCD的现状CCD的成像质量已经趋于完美，分辩率和色彩还原已经和35mm甚至67mm胶片不相上下，覆盖面积还有差距。线阵列CCD的像元数已经做到20000左右。AtmelTH7834C像元数12000KodakKLI-14403像元数14404×3FairchildCCD21241像元数24000×64TCD1209D线阵CCD1.典型单沟道线阵CCD•1.1TCD1209D的基本结构TCD1209为典型的二相单沟道线阵CCD图象传感器,它的基本结构,工作原理和驱动电路等都有典型性.该器件为2048像敏单元的长阵列器件,采用单沟道的目的是提高像敏单元的不均匀度和提高器件的动态范围.图TCD1209D的工作原理结构图TCD1209D的光敏阵列一共有2075个光电二极管,其中有27个光电二极管被遮蔽,中间的2048个光电二极管为有效的光敏单元,每个光敏单元的尺寸为14*14um,相邻两个单元的中心距为14um,光敏单元的总长度为28.672mm.转移栅与光敏单元阵列及模拟移位寄存器构成如图所示的交叠结构,这种结构可以完成光敏区的信号电荷向模拟移位寄存器中转移,转移栅加转移脉冲SH,低电平为浅势阱,起到势垒的作用,高电平为深势阱,深势阱使光敏区Up下积累的信号电荷将通过转移栅SH向CR1电极的深势阱中转移.1.2TCD1209D的基本工作原理TCD1209D的驱动脉冲波形图如上图所示,它由转移脉冲SH,驱动脉冲CR1和CR2,复位脉冲RS和缓冲控制脉冲CP等五路脉冲构成,转移脉冲SH的高电平期间,驱动脉冲CR1也必须是高电平,而且必须保持SH的下降沿落在CR1的高电平上,这样才能保证光敏区的信号电荷并行的向模拟移位寄存器的CR1电极转移.完成之后SH变为低电平,光敏区与模拟移位寄存器被隔离.SH的周期称为行周期,行周期应大于等于2088个转移脉冲CR1的周期TCR1,这样才能保证SH在转移第二行信号时第一行信号能全部转移出器件.OS端首先输出13个虚设单元的信号(所谓虚设单元是没有光电二极管与之对应的CCD模拟寄存器的部分),然后输出16个哑元(哑元是被遮蔽的光电二极管与之对应的CCD模拟寄存器的部分),再输出三个信号后才能输出2048个有效像敏单元信号,有效像敏单元信号输出后,再输出8个哑元,这样一个周期总共包括2088个单元,因此行周期应该大于等于这些单元的输出时间(大于等于2088个TCR1)1.3TCD1209D的特性参数TCD1209D是一种性能优良的线阵CCD器件,它具有速度快,灵敏度高,动态范围宽,像敏单元不均匀性好,功耗底,光谱响应范围宽等优点.1.光谱响应特性(P102)TCD1209D光谱响应的峰值波长为550nm,短波响应在400nm处大于70%,光谱响应的长波在1100nm处,响应范围远远超出了人眼的视觉范围.该器件像敏单元不均匀性的典型值为3%,像敏单元不均匀性的定义有两种:一种定义为在50%饱和暴光量的情况下各个像敏单元之间输出信号电压的差值△U与各个像敏单元输出信号均值电压U之比的百分数,即PRNU=(△U/U)%另一种用定义为5%饱和暴光量下的相邻像素输出电压的最大差值.2.灵敏度线阵CCD的灵敏度参数定义为单位暴光量的作用下器件的输出信号电压,即R=UO/HV式中UO为线阵CCD输出的信号电压,HV为光敏面上的暴光量.3.动态范围动态范围DR定义为饱和暴光量与信噪比等于1时的暴光量之比.但是这种定义方式不容易计算,为此我们常常采用饱和输出电压与暗电流之比代替,即DR=USAT/UDARK式中USAT为CCD的饱和输出电压,UDARK为CCD没有光照射的输出电压(暗电流电压).动态范围越大的器件品质越高.TCD1209D的特性参数响应时间TCD1209D的驱动电路TCD1209D的驱动电路TCD1209D的驱动电路TCD1209D的驱动电路TCD1209D驱动电路实验与结果从TCD1209D的驱动脉冲波形图中可以看出,其驱动器应产生SH,CR1,CR2,RS,CP5路脉冲,其中转移脉冲SH的周期远远大于其他4路,为了保险起见,应该尽量多的留出余量,不能将时间安排的太紧,否则下一个信号来临时,如果存在未曾输出的光生电荷,势必会造成二者的叠加,破坏信号.同样,驱动脉冲也不应设计过于紧凑,使脉冲过尖,脉冲持续的时间过短,不利于信号的检测,会使CCD灵敏度降低.时序图功能仿真时序仿真工艺尺寸TCD1209D为双列直插式器件,器件的总长度为41.6mm,宽10.16mm.高7.7mm;器件的光面单元总长为28.672mm;光敏单元距离器件表面玻璃距离为1.72mm.了解了器件的外形尺寸后,在实际应用中必须将被测的图象成像在它的光敏面上而不是前面的保护玻璃上.工艺尺寸“平庸的人害怕明天,聪明的人期待明天,而天才规划明天”ANYTHINGISPOSSIBLE!KEEPMOVING…