專利名稱：一種tdi ccd器件的光電轉(zhuǎn)換模擬裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種TDI CCD即積分延時(shí)電荷耦合器件的光電轉(zhuǎn)換模擬裝置及方法，屬于光電轉(zhuǎn) 換試驗(yàn)設(shè)備及方法。
技術(shù)背景TDICCD具有可以不犧牲空間分辨率和工作速度的情況下獲得高靈敏度這個(gè)突出特點(diǎn)，使其 在高速、微光領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在科研任務(wù)中，出于性能和指標(biāo)的需求，往往需要定制 新型TDICCD器件，這就需要一定的研制周期和供貨周期，有時(shí)甚至長達(dá)一至兩年，這會(huì)嚴(yán)重影 響科研生產(chǎn)任務(wù)的進(jìn)度，另外，TDICCD器件的造價(jià)往往很高，工藝復(fù)雜，有些新型TDICCD器 件的驅(qū)動(dòng)要求很復(fù)雜，往往采用多種電源一起供電，并且電源的上下電順序要滿足一定的先后關(guān)， 一旦沒有滿足要求，或者防護(hù)不好的話容易造成器件的損壞，造成巨大的損失，這在電路的調(diào)試 階段會(huì)經(jīng)常發(fā)生。目前，業(yè)界已經(jīng)開始設(shè)計(jì)各種TDICCD的波形發(fā)生器以解決試驗(yàn)替代品的問題， 但是均處于電性能模擬的階段，無法實(shí)現(xiàn)光學(xué)和電學(xué)系統(tǒng)的完整調(diào)試。將本裝置的輸出信號(hào)連接 到TDI CCD波形合成發(fā)生電路后可對(duì)TDI CCD進(jìn)行光電性能和電性能的完整模擬。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能在設(shè)備研制過程中和電路的調(diào)試階段模擬實(shí)現(xiàn)TDI CCD器件光電轉(zhuǎn)換功能的TDICCD器件的模擬裝置，模擬輸出TDI CCD的視頻電平信號(hào)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的TDICCD器件的模擬裝置如附圖l,包括光電轉(zhuǎn)換模塊，緩 沖放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號(hào)處理電路，D/A轉(zhuǎn)換器、輸出放大模塊；光電轉(zhuǎn)換模塊用來 完成接收光信號(hào)并完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能；緩沖放大完成信號(hào)的幅值適當(dāng)放大的作用； A/D轉(zhuǎn)換器用來完成將模擬電信號(hào)數(shù)字化的功能；數(shù)字信號(hào)處理電路負(fù)責(zé)進(jìn)行算法轉(zhuǎn)換，'將代表 光電轉(zhuǎn)換并數(shù)字化后的數(shù)值量轉(zhuǎn)化為代表實(shí)際TDICCD輸出信號(hào)的數(shù)值量；D/A轉(zhuǎn)換器用來將TDI CCD出信號(hào)的數(shù)值量轉(zhuǎn)化為實(shí)際的TDICCD視頻電平；輸出緩沖放大用來加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路的 能力。各部分的連接關(guān)系是光電轉(zhuǎn)換模塊輸出模擬信號(hào)連接到下級(jí)的緩沖放大模塊，該信號(hào)通過緩沖放大模塊放大后，連接到A/D轉(zhuǎn)換器；A/D轉(zhuǎn)換器的輸出的數(shù)字信號(hào)連接到數(shù)字信號(hào)處理電 路輸入端，字信號(hào)處理電路輸出端連接到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端；D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬信號(hào)連接到輸 出放大模塊輸入端最后輸出放大模塊輸出實(shí)際TDI CCD視頻電平。 其中的光電轉(zhuǎn)換模塊結(jié)構(gòu)如下該電路的作用是將外界光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電路原理圖如附圖2。實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的元件采 用光電二極管。原因是光電二極管的光電特性為線性關(guān)系，與CCD的光電特性較為接近，在模擬 CCD的光電特性時(shí)僅需要經(jīng)過線性變換即可。當(dāng)光電二極管接受光照后，產(chǎn)生光生電流。該電流 經(jīng)電阻進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換后形成電壓。該電壓信號(hào)經(jīng)緩沖放大后輸出給后級(jí)電路。所述緩沖放大模塊完成對(duì)上級(jí)電路轉(zhuǎn)化來的信號(hào)進(jìn)行電壓幅值的放大，加強(qiáng)與后級(jí)電路的耦合能力。 所述A/D轉(zhuǎn)換器該模塊電路的作用是將光電轉(zhuǎn)換模塊得到的反應(yīng)光信號(hào)強(qiáng)弱的電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。數(shù)字化后 的數(shù)據(jù)通過輸出數(shù)據(jù)總線輸入到后級(jí)電路。 所述數(shù)字信號(hào)處理電路該電路的功能是實(shí)現(xiàn)由反映光電二極管的光照情況的數(shù)值經(jīng)過固定的算法轉(zhuǎn)換為反映TDI CCD輸出電壓值的數(shù)字量。其中的算法如下。采用線性對(duì)應(yīng)的方法。光電二極管的光電響應(yīng)如附圖2。光電二極管光電響應(yīng)在一定的反偏 電壓下光照與光生電流成線性關(guān)系。經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換為電壓后相當(dāng)于光照與電阻兩端電壓成線性關(guān) 系。這一點(diǎn)與CCD的感光特性一致。因此在忽略了各自的暗電流的情況下關(guān)系表達(dá)式如下<formula>formula see original document page 5</formula>① 其中VCCD:為CCD器件的光生電荷經(jīng)片上放大后的輸出電壓。 Tdi:為CCD器件的積分級(jí)數(shù)。Re:為CCD器件的光靈敏度(一級(jí)積分級(jí)數(shù))。Ee:為像面輻照量。<formula>formula see original document page 5</formula>。 ②其中Vdi。de :為光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出電壓。 Ee:同上。像面曝光時(shí)間。K:光電二極管的輻照度一光生電流響應(yīng)曲線斜率。 R:光電轉(zhuǎn)換模塊輸出電阻值。 Ao:緩沖放大的增益。Kl斗率可由光電二極管的響應(yīng)曲線上任取一點(diǎn)得到。由(1)、 (2)式可得Vccd、 Vdl。de對(duì)應(yīng)關(guān)系如下采用(3)式可以將光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出電壓轉(zhuǎn)化為TDICCD的電壓輸出值。所述D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將數(shù)字信號(hào)處理電路輸出的并行的代表TDICCD的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信 號(hào)。該信號(hào)經(jīng)緩沖放大后輸出。實(shí)際的TDICCD信號(hào)如附圖3所示。TDICCD輸出的視頻信號(hào)和 普通的視頻信號(hào)不同，每行由很多個(gè)像元信號(hào)組成。如圖4所示，每個(gè)有效的TDICCD像元視頻 信號(hào)是從A電平信號(hào)到C電平信號(hào)的過程，其中A信號(hào)電平代表的尖峰是由復(fù)位信號(hào)RST產(chǎn)生的干 擾，叫做尖峰脈沖，是無用的信號(hào)，但消除不掉。B信號(hào)電平是復(fù)位參考電平，C信號(hào)電平是由驅(qū) 動(dòng)信號(hào)CR觸發(fā)的信號(hào)電平。此信號(hào)電平經(jīng)相關(guān)的電路處理后得到的有用的視頻信號(hào)是由B信號(hào)電 平和C信號(hào)電平產(chǎn)生的壓差。此壓差代表TDICCD芯片在這個(gè)像元處采集的光信號(hào)的大小和強(qiáng)弱。 而經(jīng)緩沖放大輸出后的幅值大小等于這個(gè)壓差的大小。利用該信號(hào)配合后續(xù)的CCD信號(hào)合成電路 可以實(shí)現(xiàn)TDICCD的光電轉(zhuǎn)換性能的模擬。所述輸出緩沖放大模塊由于本發(fā)明能夠模擬TDICCD器件的光電轉(zhuǎn)換功能，因此，在光電設(shè)備的研制周期及調(diào)試過 程中可以用其部分代替TDI CCD器件模擬光電轉(zhuǎn)換；或與TDI CCD電性能信號(hào)發(fā)生器配合使用， 從而完成TDICCD器件光電的模擬及完整的性能模擬，不僅縮短了設(shè)備的研制周期，而且避免了 電路調(diào)試階段TDI CCD器件損壞現(xiàn)象的發(fā)生。


圖l是本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖。 圖2是光電轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖。 圖3是光電二極管的光照響應(yīng)曲線。圖4是緩沖放大電路的原理圖。 圖5是TDI CCD像元信號(hào)。 圖6是DSP中進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的算法流程。 圖7是使用光電二極管模擬TDI CCD的物理結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 實(shí)施例l
選用加拿大DALSA公司生產(chǎn)的IT-F6-2048B型TDICCD圖像傳感器為例，介紹TDICCD的 基本結(jié)構(gòu)。該TDICCD的象素結(jié)構(gòu)2048X96 。它為雙向、單路雙路可選輸出、級(jí)數(shù)為96級(jí)的TDI CCD。 TDICCD光敏區(qū)中光敏元為WxM排列結(jié)構(gòu)，W為水平方向像元數(shù)，^為垂直方向的像 元數(shù)(為96個(gè)像素)。TDICCD不僅在線列方向而且在TDI級(jí)數(shù)方向存在移位時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，這樣才 能保證信號(hào)電荷包有序地傳輸?shù)綑z測單元。
現(xiàn)以VISHAY公司的TEMD5010為例，介紹光電二極管的基本原理。TEMD5010是一種高速 的，高靈敏度的PIN型光電二極管。其感光范圍為400nm-1000nm的光譜范圍。TEMD5010可以應(yīng) 用在紅外線傳感器，高速可見光成像設(shè)備中。
以DALSA公司的IT-F6-2048B型TDICCD為模擬目標(biāo)，以TEMD5010為例說明TDICCD器件 像元模擬裝置的具體實(shí)施方法。
本發(fā)明的TDICCD器件的像元模擬裝置如圖1所示，包括光電轉(zhuǎn)換模塊l,緩沖放大模塊2、 A/D轉(zhuǎn)換器3，數(shù)字信號(hào)處理電路4， D/A轉(zhuǎn)換器5，輸出放大模塊6。
如附圖2所示，光電轉(zhuǎn)換模塊的實(shí)現(xiàn)電路中二極管采用TEMD5010。 TEMD5010的光電響應(yīng) 曲線如附圖3。電阻R阻值采用50kQ。電源采用直流15V供電(忽略光電二極管的偏壓變化帶來的 光電響應(yīng)度的變化)。
如附圖l所示，緩沖放大電路采用集成運(yùn)放AD812構(gòu)成同相放大器進(jìn)行緩沖。電路原理圖如 附圖4。其中輸入的信號(hào)為光電轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓。因此該電路增益Ao為l。
如附圖1所示，A/D轉(zhuǎn)換電路與數(shù)字信號(hào)處理電路采用TI公司的TMS320LF2407芯片來實(shí)現(xiàn)。 TMS320LF2407是專用數(shù)字信號(hào)處理CPU。其外圍集成了ADC、 SCI、 SPI等重要的外設(shè)。本發(fā)明 的A7D轉(zhuǎn)換模塊的實(shí)現(xiàn)可以利用TMS320LF2407上集成的ADC設(shè)備。數(shù)字信號(hào)處理器與A/D轉(zhuǎn)換模塊的聯(lián)接也轉(zhuǎn)化為TMS320LF2407的內(nèi)部總線連接。TMS320LF2407的處理器通過內(nèi)部ADC寄存 器獲得ADC轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)量。
TDICCD IT-F6-2048B的與光電轉(zhuǎn)換相關(guān)的主要參數(shù)如下靈敏度(96TDI) 1920 V/u J/cm2。 設(shè)像面曝光時(shí)間T,nt為ls。再由附圖3可得TEMD5010在像面輻照度為lmW/cm2時(shí)的光生電流為63 u A
因此可得
〖=63 ④
單位if^！其中p A為電流單位，cm2面積單位，mW功率單位。將上面的已知條件帶入公式(3) m『
可得下式
「-__F
COT63x10—6xl000x50xl03化"
從而根據(jù)(5)式可以計(jì)算出光電轉(zhuǎn)換模塊輸出對(duì)應(yīng)的TDICCD應(yīng)該的輸出電平大小。在DSP中使 用程序完成上面的公式計(jì)算。程序流程如附圖6。
如附圖1所示，DA轉(zhuǎn)換電路采用D/A轉(zhuǎn)換器3采用十位高速D/A轉(zhuǎn)換器AD9750。它的作用是把 DSP產(chǎn)生的十位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)。例如當(dāng)D/A的輸出范圍是0 1V，輸出的 1111111111被轉(zhuǎn)成1V而0000000000轉(zhuǎn)成0V。 D/A轉(zhuǎn)換器3輸出的電平再經(jīng)過輸出放大電路5放大到 相應(yīng)的反映TDI CCD光電轉(zhuǎn)換后的電平大小。
如附圖l所示，輸出緩沖電路可以采用緩沖放大模塊的形式。
實(shí)施例2
如附圖7所示在實(shí)施例1的原理基礎(chǔ)上可以將數(shù)個(gè)模擬像元單元排列成一行，構(gòu)成線陣CCD器 件的模擬設(shè)備。計(jì)算關(guān)系如下在線陣感光尺寸為L，光敏二極管長度為M時(shí)，可使用N個(gè)光電二 極管用來模擬TDICCD的光電特性。其中N使用如下公式
A^丄 ⑥ 似
現(xiàn)以加拿大DALSA公司生產(chǎn)的IL-P1型線陣圖像傳感器為例，該系列具有4096 、 2048、 1024、 512像敏單元的不同型號(hào)。每個(gè)像敏單元尺寸為10umX10um，現(xiàn)以4096像敏單元的器件為例，公式(6)中的L為40.96mm。
現(xiàn)以VISHAY公司的TEMD5010為例介紹光電二極管的基本結(jié)構(gòu)。TEMD5010是一種高速的， 高靈敏度的PIN型光電二極管。其感光范圍為400nm-1000nm的光譜范圍。TEMD5010可以應(yīng)用在 紅外線傳感器，高速可見光成像設(shè)備中。其外形尺寸為5mmX5mm。公式(6)中的M為5mm。
由此，公式⑥屮的N為8。因此將8個(gè)TEMD5010排列成一行，并且與CCD器件的像敏單元起 始位置對(duì)齊，來完成IL-P1 4096器件的模擬?？梢姽饷舳O管l，可以測量CCD器件上的1到512感 光情況，光敏二極管2，可以測量CCD器件上的513到1024感光情況，依次類推可以利用該裝置分 段模擬CCD器件上的像敏單元。
權(quán)利要求
1、一種TDI CCD器件的光電轉(zhuǎn)換模擬裝置，其特征在于該裝置包括光電轉(zhuǎn)換模塊(1)，緩沖放大模塊(2)、A/D轉(zhuǎn)換器(3)，數(shù)字信號(hào)處理電路(4)，D/A轉(zhuǎn)換器(5)、輸出放大模塊(6)；光電轉(zhuǎn)換模塊(1)用來接收光信號(hào)并完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，緩沖放大模塊(2)將信號(hào)的幅值放大，A/D轉(zhuǎn)換器(3)將模擬電信號(hào)數(shù)字化，數(shù)字信號(hào)處理電路(4)負(fù)責(zé)進(jìn)行算法轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換器(5)將TDI CCD輸出信號(hào)的數(shù)值量轉(zhuǎn)化為實(shí)際的TDI CCD視頻電平；輸出放大模塊(6)用來加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路的驅(qū)動(dòng)能力；將本裝置的輸出信號(hào)連接到TDI CCD波形合成發(fā)生電路中，各部分的連接關(guān)系是光電轉(zhuǎn)換模塊(1)輸出模擬信號(hào)連接到下級(jí)的緩沖放大模塊(2)，該信號(hào)通過緩沖放大模塊(2)放大后，連接到A/D轉(zhuǎn)換器(3)；A/D轉(zhuǎn)換器(3)的輸出的數(shù)字信號(hào)連接到數(shù)字信號(hào)處理電路(4)輸入端，字信號(hào)處理電路(4)輸出端連接到D/A轉(zhuǎn)換器(5)輸入端；D/A轉(zhuǎn)換器(5)輸出模擬信號(hào)連接到輸出放大模塊(6)輸入端；最后輸出放大模塊(6)輸出實(shí)際TDI CCD視頻電平。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的TDICCD器件的光電轉(zhuǎn)換模擬裝置，其特征在于所述數(shù)字信號(hào)處理 電路(4)中光電轉(zhuǎn)換元件采用光電二極管，當(dāng)光電二極管接受光照后，產(chǎn)生光生電流，該電流 經(jīng)電阻進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換后形成電壓，該電壓信號(hào)經(jīng)緩沖放大后輸出給后級(jí)電路。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的TDICCD器件的光電轉(zhuǎn)換模擬裝置及方法，其特征在于所述該數(shù)字 信號(hào)處理電路(4)是實(shí)現(xiàn)由反映光電二極管的光照情況的數(shù)值經(jīng)過固定的算法轉(zhuǎn)換為反映TDI CCD輸出電壓值的數(shù)字量，其中的算法如下光電二極管光電響應(yīng)在一定的反偏電壓下光照與光生電流成縛性關(guān)系，經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換為電壓后 相當(dāng)于光照與電阻兩端電壓成線性關(guān)系，因此在忽略了各自的暗電流的情況下關(guān)系表達(dá)式如下其中VCCD:為CCD器件的光生電荷經(jīng)片上放大后的輸出電壓 Tdi:為CCD器件的積分級(jí)數(shù)Re:為CCD器件的一級(jí)積分級(jí)數(shù)光靈敏度 Ee:為像面輻照量<formula>formula see original document page 3</formula>其中Vdi。de :為光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出電壓 Ee:為像面輻照量 T;nt:像面曝光時(shí)間K:光電二極管的輻照度一光生電流響應(yīng)曲線斜率R:光電轉(zhuǎn)換模塊輸出電阻值A(chǔ)o:緩沖放大的增益 K斜率可由光電二極管的響應(yīng)曲線上任取一點(diǎn)得到 由(1)、 (2)式可得Vccd、 Vdi。de對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:<formula>formula see original document page 3</formula>采用(3)式將光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出電壓轉(zhuǎn)化為TDICCD的電壓輸出值。
4 、根據(jù)權(quán)利要求3所述的TDICCD器件的光電轉(zhuǎn)換模擬裝置光電轉(zhuǎn)換方法，其特征在于將 N個(gè)模擬像元單元排列成一行，其線陣感光尺寸為L，光敏二極管長度為M時(shí)，其中N使用如下公 式<formula>formula see original document page 3</formula> (6) 用該裝置分段模擬CCD器件上的像敏單元。
全文摘要
本發(fā)明一種TDI CCD器件的光電轉(zhuǎn)換模擬裝置及方法，屬于TDI CCD器件的光電轉(zhuǎn)換試驗(yàn)設(shè)備及方法。該裝置包括光電轉(zhuǎn)換模塊，緩沖放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號(hào)處理電路，D/A轉(zhuǎn)換器、輸出放大模塊；光電轉(zhuǎn)換模塊用來完成接收光信號(hào)并完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能；緩沖放大完成信號(hào)的幅值適當(dāng)放大的作用；A/D轉(zhuǎn)換器用來完成將模擬電信號(hào)數(shù)字化的功能；數(shù)字信號(hào)處理電路負(fù)責(zé)進(jìn)行算法轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換器用來將TDI CCD輸出信號(hào)的數(shù)值量轉(zhuǎn)化為實(shí)際的TDI CCD視頻電平；輸出緩沖放大用來加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路的能力。將本裝置的輸出信號(hào)連接到TDI CCD波形合成發(fā)生電路后，可對(duì)TDI CCD進(jìn)行光電性能和電性能的完整模擬和轉(zhuǎn)換。避免了電路調(diào)試階段TDI CCD器件的損壞。
文檔編號(hào)H04N5/335GK101309370SQ20081005094
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月9日
發(fā)明者輝 劉, 李云飛, 王宏波, 薛旭成, 郭永飛 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所