科学级ccd相机分析及电气电路构设

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1、科学级CCD相机分析及电气电路构设第一章绪论1.1课题背景本课题属自拟课题，其思想来自于导师多年来研究基于低成本科学级CCD相机和X射线转换屏构成的X射线慢扫描成像技术。在过去的研究中采用购买国外的成品科学级CCD相机，但成本高、维修不便，而且有时需进行必要的改动(如设法增加传输长度，改变镜头接口等等)。本课题的目的就是在了解国外科学级相机特点与原理的基础上，自主开发研制一种基于CCD芯片的低成本科学级相机(前端部分，后端部分由张向兵同学研究)，代替进口类似的相机。本论文主要研究相关的制冷电路、驱动电路、信号调理电路、A/D转换及USB的传输电路这几部分。1.2CCO图像传感器的

2、介绍以及科学级CCO的发展与应用1969年，CCD(ChargeCoupledDevice，电荷祸合器件)由贝尔研究所的ith发明，并于次年发表。由于CCD具有储存信号电荷后传输的功能，可广泛用于内存、显示器、延迟元件等。关键应用的CCD图像传感器，利用称为帧转移方式的简单构造，于1971年由于贝尔研究所发表。由于它具有光电转换、信息存储和延时等功能，而且集成度高、功耗小，所以在固体图像传感器、信息存储和处理方面得到了广泛的应用〔2，3〕。最早可以产生图像、像素平面排列的固态图像传感器，其构造与目前的CCD图像传感器不同，例如发表于1966年的光敏晶体管平面排列的图像传感器。19

3、67年发表了将光电二极管以平面矩阵排列，利用扫脉冲与MOS晶体管，以XY地址方式取出信号的方法。这种方法后来虽实现了实用化，但与CCD图像传感器的开发竞争中失败，成为已消失的MOS型图像传感器原型。从CCD首次发表至今，为了达到实用化进行了众多的研究。早期的研究多以构造简单的FT-CCD方式为主。此外，决定图像传感器感光度的电荷检测技术之一的FD电荷检测构造，以及目前最广泛使用的CCD图像传感器构造的IT-CCD比较早期就发表了它们的原理。在信号处理的相关技术方面也开发了抑制CCD图像传感器信号内噪声的相关双采样电路等。从20世纪80年代后半期起，以NHK的高清晰电视节目的开播为

4、契机，推动了CCD图像传感器的高分辨率化，加上宽屏幕电视节目开始开播，也出现可用16:9广角摄影的CCD图像传感器。数字照相机于1995年登场，开始了静态图像用的CCD开发，至今永无止境的分辨率竞争也随之展开。其中，2000年发表了所谓蜂窝式(honeyb)CCD，可提高静止图像的分辨率，也是最适合连续扫描的像素构造，展现了崭新的突破。在数字照相机的普及浪潮下，像素尺寸虽逐渐缩小，但直到21世纪才终于达到3m的水平。国内CCD图像传感器的研制工作也在稳步地进行。第一代普通线阵CCD图像传感器(光敏单元为MOS结构)和第二代对蓝光响应特性好的光敏元为光电二极管阵列的CCD，已形成1

5、024、1728、2048、2500像元的系列产品，并已完成3456、4096像元的CCD样品;面阵CCD图像传感器已可生产600x500、756x581、800x800像元器件等产品，并已研制出2048x2048像元的器件，基本形成了系列化产品，随着器件性能的改进，CCD摄像机也将得到迅速发展。我国研制CCD的单位也比较多，其中以电子44所和13所水平比较高，但国内CCD图像传感器研究的进展尚不够迅速，与国际先进水平相比差距很大[。科学级CCD相机主要用于微弱光信号的检测。在应用过程中，科学级CCD通常需要制冷，且积分时间比较长，属于慢扫描相机。在设计上，科学级CCD相机与普通

6、民用相机或工业相机有很大的区别。例如:在输出信噪比上，优秀的科学级CCD相机可达75dB，远远高于普通相机的40一60dB;在动态范围上，优秀的科学级CCD相机能达到70~84dB，远远高于民用相机和工业相机的45-65dB。第二章CCD图像传感器成像原理及特性分析2.1CCO图像传感器成像原理电荷祸合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号。CCD的最主要的功能是电荷的存储以及电荷的转移。因此在CCD的工作过程主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和输出。CCD有两种类型:一是电荷包在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道

7、CCD(SCCD);二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向的传输，这类器件称为体沟道或埋沟道器件(BCCD)。一个完整的CCD器件有光敏单元、转移栅、移位寄存器以及一些辅助电路组成，如图2.1所示。下面是以SCCD为主讨论CCD的基本工作原理。2.2电荷的转移为了理解CCD中势阱及电荷从一个位置如何转移到另一个位置，可观察如图2.3所示的四个彼此靠得很近的电极在加上不同的电压的情况。假定在刚开始时有一些信号电荷存储在栅极电压为10V的第一个电极下面的势