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CCD 图 像 传 感器典 型 输 出 波形分析

人气:发表时间:2021-10-13 18:56:34 【

CCD (charge coupled devices) , 电荷耦合器件, 作为目前最主要的图像传感器之一,其应用十分广泛,对生活、科研、生产、安全和军事都有很重要的影响虽然,它已高频率的出现在入们的生活中而为大多数人们所熟知,例如,数码相机,监控摄像头,违章拍摄相机等等,但它的内部信号的运行却仅为少数专业人士所掌握因此,当人们在使用它的过程中, 一旦出现故障,就会感到困惑与束手无策如果人们对它内部信号的运行有所了解,则可以对手中的故障相机自行进行初步的检查与诊断。

由于 CCD 图像传感器是一个封装完善的整体  , 也多为进口器件,对其进行解剖成本过高,也需要相当的专业技能,这对用户来说,既不可能也无必要 但对于其输出信号的检查,对其故障原因做出初步 判断并能与生产者进行前期沟通,则是完全可以做 到的为了能够通过对输出信号进行检测分析,本文 首先根据CCD 读出原理的理解 建立模正常读出的典型波形进行分析一、CCD 信号读出原理。

CCD 图像传感器通过内光电效应把入射到像素上的光转化成为信号电荷,像素内的势阱将信号电荷收集为电荷包像素内的信号电荷包大小即代 表像素上的光强大小. CCD 的信号读出就是将像素内的信号电荷的多少转化为输出波形中电压幅度的变化其基本原理如下式

LlV=QIC                                                             

(1)式中 VQ C 分别为电 压、电荷量和电 容.

CCD 图像传感器通常以 浮置扩散放大器来实 现该原理,其过程如图1 所示.

图中,也 心 RC分别为转移、复位时钟,控制其所施加电极下方半导体内电势的变化,实现半导体内 信号电荷的转移 OG 为输出栅极,上加一直流偏置, 在下方对应的半导体内形成固定势垒 FD 上方无电极控制,称为浮置扩散区.当信号电荷越过输出栅极。

    解析 “神舟“飞船要追上“天宫二号”,不能像汽车那样,对准目标加速飞去,因为在同一轨道“神舟“飞船一旦加速,它就离开原来轨道,进入另外一条较高的圆轨道,为了缩短距离,“神舟“飞船应该先减速,进入一条比原轨道略低的椭圆轨道,使轨道周期缩短,两者各自绕地球运行,相互间距离就会缩短,经过调整后,再逐步在轨道上到达同一位 置,为确保交会成功,应控制”天宫二号”在高轨道上运动(周期较大),“神舟”飞船在低轨道上运行(周期较小),然后适时加速后作离心运动,使之与“天宫二在高轨道上实现对接,故选项A B 错。

若“神舟“飞船在同一轨道上只加速,将要离开原轨道向外,所以“神舟“飞船只加速是不可能进行对接的,选项 CD 都错。

命题热点 新课程强调学生关注过程与方法, 近年高考试题结合我国“神舟飞船”、“天宫一号”、探月工程、宇宙探测等命题,考查考生的探究能力, 体现了新课程的要求。

五、神舟与天宫组合体绕地球转过的角度

当“神舟十一号“飞船成功捕获“天宫二号”后,对接时间共530 s, 此时组合体一直处于离地


高 度为 H = 393 km 的圆轨道上求这段时间内组合体绕地球转过的角度 地球 半径为 R = 6. 37 x

106m,重力加速度g 取10 ml 忒.结 果保留两位有效数字)

解析 设地球质量为 M , " 天宫”“ 神舟”组合体

质量为 m , 绕地球运行周期为 T, 由万有引力定律和

  牛顿定律得 G          = m( —- 

Mm          21r 2

  F , 

T r, GM = gR气由以上

两式T = 竺      已知地球半径 R =6. 37 X 106m,

R        g

组合体圆轨道半径r = R + H = 6. 76 X 106m, 代入上式得 T '=S.3X 103s." 天宫”“ 神九 对接持续时间 t=

530 s, 组合体绕地球转过角度0 = 狟贮X t =36°.

T

命题热点 本题以“神九”“天宫“交会对接命题,要求理解题目给出的物理情境,建立物理模型, 考查考生建模探究能力.新《考试大纲》注重了新课程理念,关注科学技术和社会经济的发展,在平时学习中,要多关注我国的航天热点,并与课本知识联 系,进行相关训练,培养探究能力.将复位时钟控制复位势垒消失与产生的过程等效为一个电压控制开关K 的通断势垒进入 FD 区时就会造成此区电势的变化,该变化经过一放大器放大后输出  此时 FD 区可等效为一电容器根据公式( 1 )' 其电势变化与电荷量成正比,因此起到衡量信号相对大小的作用为了测量 下一个像素信号,注入  FD区的上一像素信号电荷需要被清空.这通过 CCD 器件直流偏 置 VREF 来实现 当复位时钟 中RC 消除复位势垒VREF 可将 FD 区电势瞬间复位为某固定值根据上述电荷检测的过   程,CCD output 输出端的电压值将周期性的 恢复为某一固定电压值,称为参考电平

L          FD       ;;:t· '

E.':.' 幸罕:菲        I                I           I


当中RC = VH K 当中RC = 片 时,K 断开.

首先RC = 凡                     (2)

有 Vm = VREF                                                                                       (3)

F D 点的电荷量Q分为两部分一部分属于电容 CFDRG' 一部分属于电容Cm , 分别记为 QI

Q2' 则 :QI= CFDRG(VREF -凡)              (4)

Q2=CFDVREF                                                        (5)

在这个状态的基础上,令

RG = 凡                            ( 6 )

K 断开.此F D 点的电荷总量Q。不变,即

Q。=QI + Q2 = VREF(CFD + CFDRG) - VHCFDRG (7)

Q CFDRGCFD 上的配分发生变化记此时


  

三;三:_.I                I          II

 

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图1


 

CFDRG、CFD上的电荷量分别为 Qi' 和 Q立

QI1 + Qi'= QI + Q2 = Q。          ( 8 )

由于电荷晕配分发生改 变,则 FD 点电压变为

VFD 1 ' 则 有

Q1'=CF0Rc(Vm'-Vi)                                           (9) Q/=CFDVFD'(10)

联立方程( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) ( 10 )' 可求得

CFDRG


  



VFD'= VREF -



 

(VH - VJ                 (11)

CFDRG + CFD


  

在此基础上F D 区增加电荷量 Qs' FD 区电压变为 凡 此时 CFDRG CFD上的电 荷量分别为 Qi"

和 Qi"' 有如下关系成立


  

0111 +Qi" = Q+ Os

Qi"= CmRc(Vm" - VL)


 

(12)

(13)


 

图 2

然而,根据对 CCD output 输出端的实际检测波形(如图2) ' 在任一个像素周期内,波形中除对应信号电荷量的数据电平外和一固定参考电平外,仍存在一尖峰信号 该尖峰对应着 FD 区的信号复位动作,被称为复位反馈峰

二、信号读出的电容充放电模型

  二: 

为了解释 CCD 输出波形中复位反馈峰 、参考电平和数据电平三个基本       中 泸 Vt 要素的形成原因,根据   CmRG

  T 

芦::. !::::    '.t

电模型如图3 所示 CFDRG Cm

为复位栅极与 FD 区之间的寄生电容,CFDFD 区

CFDRG  以 外 电           图3


 

Qz''= CFD VFD"                                                    (14)

联立( 7 ) (1 2 ) (13 ) (14 )

VFD" = VREF -     CFDRG   (VH - VL) +         Qs

CFDRG + CFD                   CFDRG + CFD

(15)

上述公式( 3 ) (1 1 ) (1 5 ) 中的 VFD V矿 、VFD" 乘以放大器的放大系数,则分别为CCD 典型波形复位反馈峰、参考电平和数据电平的数值.

本文基于CCD  图像传感器电荷读出基本原理及浮置扩散放大的电荷读出基本方式,建立了 CCD 电荷读出的电容充放电模型,利用该模型对 CCD 实际输出波形中复位反馈峰、参考电平和数据电平三 要素给出了解释 本文可以为CCD 输出端口的波形诊断提供一定的理论参考

(收稿日期:2016-09-16)


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