【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 點(diǎn)：① CCD 器件是一種固體化器件，體積小，重量輕，功耗低，可靠性高，壽命長(zhǎng)；② 圖像畸變小，尺寸重現(xiàn)性好；③ 具有較高的空間分辨率，光敏元間距的幾何尺寸精度高，可獲得較高的定位精度；④ 具有較高的光電靈敏度和較大的動(dòng)態(tài)范圍。典型的CCD 圖像傳感器的結(jié)構(gòu)如圖27 所示，是由一列光敏元陣列和與之平行的位移寄存器構(gòu)成的。在光敏元陣列與位移寄存器之間，有一列轉(zhuǎn)移柵，控制電荷由光敏元轉(zhuǎn)移到位移寄存器。圖27a 圖所示的是單列位移寄存器結(jié)構(gòu)，27b 是雙列寄存器結(jié)構(gòu)。采用兩列移位寄存器，可以提高電荷的轉(zhuǎn)移速度，進(jìn)一步減小圖像信息的失真。(a) 單行結(jié)構(gòu) (b) 雙行結(jié)構(gòu)圖27 線陣型CCD 圖像傳感器CCD 是一種MOS 結(jié)構(gòu)的新型器件，由金屬（M）—氧化物（O）—半導(dǎo)體（S）三層組成一個(gè)MOS 電容。將這些MOS 電容以一定間隔排列后，如圖28 所示，為三個(gè)相鄰的MOS 結(jié)構(gòu)。當(dāng)半導(dǎo)體材料為P 型硅時(shí)，如在3 兩個(gè)金屬電極上施加適當(dāng)?shù)恼妷篤，在電極2 上加上正電壓V’，少數(shù)載流子—電子被吸收到電極下的區(qū)域內(nèi)。當(dāng)V’V ，則在電極2 下面形成較深的耗盡區(qū)，從而形成電荷包。電壓維持時(shí)，電荷也保持不變。把電極連成三組，構(gòu)成三相CCD。當(dāng)加驅(qū)動(dòng)脈沖，則以使電極下存儲(chǔ)的電荷朝一定方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移。由上述CCD 的構(gòu)造，可以歸納出P 型硅襯底 CCD 的工作過程分為以下三步：① 電荷存儲(chǔ)當(dāng)在金屬電極加一正向電壓時(shí)，在硅襯底中形成耗盡區(qū)，稱為勢(shì)阱。勢(shì)阱第二章 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)14的深度與柵極電壓以及勢(shì)阱內(nèi)是否存有電荷有關(guān)。當(dāng)光入射到耗盡區(qū)時(shí)，因內(nèi)光電效應(yīng)將產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)，在耗盡區(qū)電場(chǎng)作用下，空穴流入襯底底部，電子則積存于半導(dǎo)體表面。這樣，勢(shì)阱中有一定量的電荷，且勢(shì)阱中積存的電荷量與入射光強(qiáng)度成正比（CCD 飽和情況除外）圖28 電荷存儲(chǔ)示意圖② 電荷轉(zhuǎn)移如圖29 所示，左圖為電荷轉(zhuǎn)移的過程，右圖為驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序。半導(dǎo)體表面勢(shì)阱的大小隨柵極電壓變化而變化。調(diào)整相鄰電極間的電壓，可以使得一個(gè)電極下的勢(shì)阱比另一個(gè)深，則電荷會(huì)流向勢(shì)阱深的電極下，則實(shí)現(xiàn)了電荷按照驅(qū)動(dòng)脈沖的順序進(jìn)行轉(zhuǎn)移。圖 29 三相 CCD 電荷轉(zhuǎn)移原理示意圖③ 電荷輸出電荷的輸出主要有三種方式：電流輸出；浮置擴(kuò)散放大器輸出；浮置柵放大器輸出。這三種方法可以將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以方便檢測(cè)出的電流或電壓信號(hào)，且電流、電壓與電荷之間滿足一定的函數(shù)關(guān)系。線陣CCD 器件的像元數(shù)越多，器件的分辨率也越高，對(duì)于尺寸的測(cè)量，采用高第二章 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)15位數(shù)光敏元件的線陣CCD 器件，可以得到較高的測(cè)量精度。 CCD的基本特性參數(shù)(1) 電荷轉(zhuǎn)移效率電荷轉(zhuǎn)移效率是表征CCD性能好壞的重要參數(shù)。一次轉(zhuǎn)移后到達(dá)下一個(gè)勢(shì)阱中的電荷與原來勢(shì)阱中的電荷之比稱為轉(zhuǎn)移效率。影響電荷轉(zhuǎn)移效率的主要原因是界面態(tài)對(duì)電荷的俘獲常采用胖零工作模式來提高電荷轉(zhuǎn)移效率即讓零信號(hào)也有一定的電荷。(2) 工作頻率f決定工作頻率下限，為了避免由于熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子對(duì)注入信號(hào)的干擾，注入電荷從一電極到另一個(gè)電極所用的時(shí)間t必須小于少數(shù)載流子的平均壽命T 即t T 。工作頻率的上限，當(dāng)工作頻率升高時(shí)，若電荷本身從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所需要的時(shí)間t 大于驅(qū)動(dòng)脈沖使其轉(zhuǎn)移的時(shí)間T/3 ，那么信號(hào)電荷跟不上驅(qū)動(dòng)脈沖的變化，將會(huì)使轉(zhuǎn)移效率大大下降，因此要求t=T/3。(3) 光譜響應(yīng)CCD接受光的方式有正面光照和背面光照兩種。由于CCD 的正面布置著很多電極，電極的反射和散射作用使得正面照射光譜靈敏度比背面照射時(shí)低。即使是透明的多晶硅電極也會(huì)因?yàn)殡姌O的吸收以及在整個(gè)硅即二氧化硅界面上的多次反射引起某些波長(zhǎng)的光產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)若干個(gè)明暗條紋使光譜響應(yīng)曲線，為此用于攝像或像敏的CCD(簡(jiǎn)稱為ICCD)常采用背面光照射的方法。(4) 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍由勢(shì)阱中可存儲(chǔ)的最大電荷量和噪聲決定的最小電荷量之比。CCD勢(shì)阱中可容納的最大信號(hào)電荷量取決于CCD的電極面積及器件結(jié)構(gòu)(SCCD還是BCCD) ，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)方式及驅(qū)動(dòng)脈沖電壓的幅度等因素。(5) 暗電流在正常工作的情況下，MOS電容處于未飽和的非平衡態(tài)，然而隨著時(shí)間的推移由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子使系統(tǒng)趨向平衡。因此即使在沒有光照或其他方式對(duì)器件進(jìn)行電荷注入的情況下，也會(huì)存在不希望有的電流。暗電流是大多數(shù)攝像器件所共有的特性，是判斷一個(gè)攝像器件好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，尤其是暗電流在整個(gè)攝像區(qū)域不均勻時(shí)更是如此。第二章 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)16(6) 分辨率分辨率是圖像傳感器的重要特性。常用調(diào)制傳遞函數(shù)MTF來評(píng)價(jià)線陣CCD?，F(xiàn)在256x1,1024x1,2048x1,5000x1,10550x1等多種。像位數(shù)高的器件具有更高的分辨率，尤其是用于物體尺寸測(cè)量中采用高位數(shù)光敏單元的線陣CCD器件可以得到更高的測(cè)量精度。 CCD器件的選擇CCD電荷耦合器件的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)CCD，其功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移因此CCD 工作程的主要問題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生存儲(chǔ)傳輸和檢測(cè)CCD有兩種基本型。一是電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面并沿界面?zhèn)鬏斶@類器稱為表面溝道CCD(簡(jiǎn)稱SCCD) 二是電荷包存儲(chǔ)在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)并在半導(dǎo)體內(nèi)沿一定向傳輸這類器件稱為體溝道或者埋溝道器件(簡(jiǎn)稱BCCD) 。在本設(shè)計(jì)中，我們采用TCD1252AP器件。(1) TCD1252AP器件的基本結(jié)構(gòu)CCD是一種光電轉(zhuǎn)換器件，采用集成電路工藝制成。它以電荷包的形式存儲(chǔ)和傳送信息，主要由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等部分組成。下面以線陣CCD為例說明：TCD1252AP器件為2700像敏單元的長(zhǎng)陣列器件，采用雙溝道結(jié)構(gòu)形式。TCD1252AP的結(jié)構(gòu)如圖210所示。從結(jié)構(gòu)圖可以看出，TCD1252AP是有兩個(gè)轉(zhuǎn)移柵和兩個(gè)模擬移位寄存器的雙溝道型線陣器件。 模 擬 移 位 寄 存 器轉(zhuǎn) 移 柵光 電 二極 管補(bǔ) 償 輸 出 單 元 轉(zhuǎn) 移 柵模 擬 移 位 寄 存 器信 號(hào) 輸 出 單 元第二章 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)17圖 210 TCD1252AP 的原理結(jié)構(gòu)圖TCD1252AP的光敏陣列共有2738個(gè)光電二極管，其中有38個(gè)光電二極管被遮蔽（前邊 ～ 的和后邊的 ～ ），中間的2700個(gè)光電二極管為有13D940D5效的光敏單元。(2) TCD1252AP 的外形尺寸圖211 TCD1252AP外形尺寸TCD1252AP 為 DIP22 封裝形式的雙列直插型器件，外形尺寸如圖 211 所示。器件的外形尺寸總長(zhǎng)為 ,寬 ，高 ；器件的光敏單元總長(zhǎng)為；光敏單元（像敏面）距離器件表面玻璃的距離為 ，表面玻璃的厚度為（ ）mm。這些參數(shù)對(duì)于實(shí)際應(yīng)用都是很重要的。而且，器件的?外形尺寸與封裝尺寸等對(duì)于同系列器件基本相同。(3) TCD1252AP 的基本工作原理在圖 212 中，TCD1252AP 的驅(qū)動(dòng)器應(yīng)產(chǎn)生 SH、φl、φRS 等 4 路脈沖，其中轉(zhuǎn)移脈沖的周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他 4 路脈沖的周期。φl、φ2 為像素脈沖，兩者互為反相，RS 為復(fù)位脈沖．SH 為光積分脈沖，OS 為像元輸出，DOS 為像元補(bǔ)償輸出。當(dāng) SH 為低電平時(shí)，在 φφ2 交變后，OS 輸出像元電壓信號(hào)，隨第二章 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)18后發(fā) RS 脈沖，以便去掉信號(hào)輸出緩沖中的殘余電荷，為下一點(diǎn)像素電壓輸出做準(zhǔn)備。 (4) TCD1252AP的特性如 TCD1252AP 的驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖所示。轉(zhuǎn)移脈沖 SH 的高電平期間，驅(qū)動(dòng)脈沖 φ1 必須也為高電平，而且必須保證 SH 的下降沿落在 φ1 的高電平上，這樣才能保證光敏區(qū)的信號(hào)電荷并行的向模擬移位寄存器的 φ1 電極轉(zhuǎn)移。完成信號(hào)電荷的并行轉(zhuǎn)移后，SH 變?yōu)榈碗娖?，光敏區(qū)與模擬移位寄存器被隔離。在光敏區(qū)進(jìn)行光積累的同時(shí)，模擬移位寄存器在驅(qū)動(dòng)脈沖 φ1 和 φ2 的作用下，將轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器的 φ1 電極的信號(hào)電荷向右轉(zhuǎn)移，在輸出端得到被光強(qiáng)調(diào)制的序列脈沖輸出，如圖 212 中的 OS 信號(hào)。SH 的周期稱為行周期，行周期應(yīng)大于等于 2750 個(gè)轉(zhuǎn)移脈沖 φ1 的周期 T1。只有行周期大于 2750 T1 ，才能保證 SH 在轉(zhuǎn)移第二行信號(hào)時(shí)第一行信號(hào)能全部轉(zhuǎn)移出器件。當(dāng) SH 由高變低時(shí)，OS 輸出端便開始進(jìn)行輸出。如圖 212 所示，OS 端首先輸出 13 個(gè)虛設(shè)單元的信號(hào)（所謂虛設(shè)單元是沒有光電二極管與之對(duì)應(yīng)的 CCD 模擬寄存器的部分），然后輸出 24 個(gè)啞元（啞元是指被遮蔽的光電二極管與之對(duì)應(yīng)的 CCD 模擬寄存器的部分產(chǎn)生的信號(hào)），再輸出 3 個(gè)信號(hào)（這 3 個(gè)信號(hào)可因光的斜射而產(chǎn)生電荷信號(hào)的輸出，但這 3 個(gè)信號(hào)不能被作為信號(hào)處理）后才能輸出 2700 個(gè)有效的像敏單元信號(hào)。有效像敏單元信號(hào)輸出后，再輸 11 個(gè)啞元信號(hào)（其中包括 1 個(gè)用于檢測(cè) 1 個(gè)周期結(jié)束的檢測(cè)信號(hào)）。這樣，1 個(gè)行周期中共包括 2750個(gè)單元，行周期應(yīng)該大于等于這些單元輸出的時(shí)間（即大于等于 2750T1）。第二章 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)19圖 212 TCD1252AP 驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖 212 TCD1252AP 驅(qū)動(dòng)脈沖波形光譜響應(yīng)特性TCD1252AP 的光譜特性曲線如圖 213 所示。光譜響應(yīng)的峰值波長(zhǎng)為550nm，短波響應(yīng)在 400nm 處大于 70%（實(shí)踐證明該器件在 300nm 處仍有較好的響應(yīng)），光譜響應(yīng)的長(zhǎng)波限在 1100nm 處響應(yīng)范圍遠(yuǎn)超過了人眼的視覺范圍。 相對(duì)光譜靈敏度圖 213 TCD1252AP 光譜響應(yīng)曲線該器件像敏單元不均勻性的典型值為 3%，像敏單元不均勻性的定義有兩種:一種定義為在 50%飽和曝光量的情況下各個(gè)像敏單元之間輸出信號(hào)電壓的差值△U與各個(gè)像敏單元輸出信號(hào)均值電壓 U 之比的百分?jǐn)?shù)，即另一種用 PRNU(V)表示，定義為 5%飽和曝光量情況下的相鄰像素輸出電壓的最大差值。靈敏度線陣 CCD 的靈敏度參數(shù)定義為單位曝光量的作用下器件的輸出信號(hào)電壓， R= (210)voHU公式中 為線陣 CCD 輸出的信號(hào)電壓， 為光明面上的曝光量。OUV動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍 定義為飽和曝光量與信噪比等于 1 時(shí)的曝光量之比。但是，RD這種定義方式不容易計(jì)量，為此常采用飽和輸出電壓與暗信號(hào)電壓之比代替，即第二章 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)20 = （2—RDKSATU11）式中， 為 CCD 的飽和輸出電壓， 為 CCD 沒有光照射時(shí)的輸出電壓SATUDARK（暗信號(hào)電壓）。TCD1252AP 的其他特性參數(shù)如表 21 所示。由表中可以看出，他是一種性能優(yōu)良的線陣 CCD 器件。表 21 TCD1252AP 的特性參數(shù)特性參數(shù) 參數(shù)符號(hào)最小值 典型值 最大值 單位 備注靈敏度 R 44 63 82 V()PRNU 10 %像敏單元的不均勻性PRNU(V) 7 16 MV飽和輸出電壓 USAT V飽和曝光量 ESAT 暗信號(hào)電壓 UDARK 2 6 MV暗信號(hào)電壓不均勻性 DSNU 3 7 MV交流功率損耗 PD 35 100 MW總轉(zhuǎn)移效率 TTE 92 %輸出阻抗 ZO 1 kΩ動(dòng)態(tài)范圍 DR 750 噪聲 NDO MV交流/補(bǔ)償信號(hào)輸出電壓UOS /UDOS V第二章 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)21(5) TCD1252AP 的驅(qū)動(dòng)圖 214 TCD1252AP 驅(qū)動(dòng)電路TCD1252AP 外加驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)：采用 AVR 單片機(jī)AVR AT90S 系列單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如下:(1) 價(jià)格低廉的可擦寫1000 次以上的16(字)位指令(程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)為16 位,即XXXX*16, 也可理解為8 位,即2*XXXX*8)FLASH技術(shù),不再有報(bào)廢品產(chǎn)生,數(shù)據(jù)存貯器為八位,AVR 還是屬于八位單片機(jī)。(2) 高速度(50ns) 低功耗( A)!具有SLEEP(休眠)功能及CMOS 技術(shù),每一指令執(zhí)行速度可達(dá)50ns(20MHZ),而耗電則在1mA (典型功耗,WDT 關(guān)閉時(shí)為100nA) AVR運(yùn)用Harvard結(jié)構(gòu)概念 (具有預(yù)取指令功能) , 即對(duì)程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)帶有不同的存儲(chǔ)器和總線