专利名称：一种tdi ccd器件的光电转换模拟装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种TDI CCD即积分延时电荷耦合器件的光电转换模拟装置及方法，属于光电转 换试验设备及方法。
技术背景TDICCD具有可以不牺牲空间分辨率和工作速度的情况下获得高灵敏度这个突出特点，使其 在高速、微光领域具有广泛的应用前景。在科研任务中，出于性能和指标的需求，往往需要定制 新型TDICCD器件，这就需要一定的研制周期和供货周期，有时甚至长达一至两年，这会严重影 响科研生产任务的进度，另外，TDICCD器件的造价往往很高，工艺复杂，有些新型TDICCD器 件的驱动要求很复杂，往往采用多种电源一起供电，并且电源的上下电顺序要满足一定的先后关， 一旦没有满足要求，或者防护不好的话容易造成器件的损坏，造成巨大的损失，这在电路的调试 阶段会经常发生。目前，业界已经开始设计各种TDICCD的波形发生器以解决试验替代品的问题， 但是均处于电性能模拟的阶段，无法实现光学和电学系统的完整调试。将本装置的输出信号连接 到TDI CCD波形合成发生电路后可对TDI CCD进行光电性能和电性能的完整模拟。发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种能在设备研制过程中和电路的调试阶段模拟实现TDI CCD器件光电转换功能的TDICCD器件的模拟装置，模拟输出TDI CCD的视频电平信号。为解决上述技术问题，本发明的TDICCD器件的模拟装置如附图l,包括光电转换模块，缓 冲放大模块、A/D转换器，数字信号处理电路，D/A转换器、输出放大模块；光电转换模块用来 完成接收光信号并完成光信号到电信号的转换功能；缓冲放大完成信号的幅值适当放大的作用； A/D转换器用来完成将模拟电信号数字化的功能；数字信号处理电路负责进行算法转换，'将代表 光电转换并数字化后的数值量转化为代表实际TDICCD输出信号的数值量；D/A转换器用来将TDI CCD出信号的数值量转化为实际的TDICCD视频电平；输出缓冲放大用来加强驱动后级电路的 能力。各部分的连接关系是光电转换模块输出模拟信号连接到下级的缓冲放大模块，该信号通过缓冲放大模块放大后，连接到A/D转换器；A/D转换器的输出的数字信号连接到数字信号处理电 路输入端，字信号处理电路输出端连接到D/A转换器输入端；D/A转换器输出模拟信号连接到输 出放大模块输入端最后输出放大模块输出实际TDI CCD视频电平。 其中的光电转换模块结构如下该电路的作用是将外界光信号转化为电信号。电路原理图如附图2。实现光电转换的元件采 用光电二极管。原因是光电二极管的光电特性为线性关系，与CCD的光电特性较为接近，在模拟 CCD的光电特性时仅需要经过线性变换即可。当光电二极管接受光照后，产生光生电流。该电流 经电阻进行电流电压转换后形成电压。该电压信号经缓冲放大后输出给后级电路。所述缓冲放大模块完成对上级电路转化来的信号进行电压幅值的放大，加强与后级电路的耦合能力。 所述A/D转换器该模块电路的作用是将光电转换模块得到的反应光信号强弱的电信号进行数字化。数字化后 的数据通过输出数据总线输入到后级电路。 所述数字信号处理电路该电路的功能是实现由反映光电二极管的光照情况的数值经过固定的算法转换为反映TDI CCD输出电压值的数字量。其中的算法如下。采用线性对应的方法。光电二极管的光电响应如附图2。光电二极管光电响应在一定的反偏 电压下光照与光生电流成线性关系。经电阻转换为电压后相当于光照与电阻两端电压成线性关 系。这一点与CCD的感光特性一致。因此在忽略了各自的暗电流的情况下关系表达式如下<formula>formula see original document page 5</formula>① 其中VCCD:为CCD器件的光生电荷经片上放大后的输出电压。 Tdi:为CCD器件的积分级数。Re:为CCD器件的光灵敏度(一级积分级数)。Ee:为像面辐照量。<formula>formula see original document page 5</formula>。 ②其中Vdi。de :为光电转换模块的输出电压。 Ee:同上。像面曝光时间。K:光电二极管的辐照度一光生电流响应曲线斜率。 R:光电转换模块输出电阻值。 Ao:缓冲放大的增益。Kl斗率可由光电二极管的响应曲线上任取一点得到。由(1)、 (2)式可得Vccd、 Vdl。de对应关系如下采用(3)式可以将光电转换模块的输出电压转化为TDICCD的电压输出值。所述D/A转换器D/A转换器的功能是将数字信号处理电路输出的并行的代表TDICCD的数据转换成模拟信 号。该信号经缓冲放大后输出。实际的TDICCD信号如附图3所示。TDICCD输出的视频信号和 普通的视频信号不同，每行由很多个像元信号组成。如图4所示，每个有效的TDICCD像元视频 信号是从A电平信号到C电平信号的过程，其中A信号电平代表的尖峰是由复位信号RST产生的干 扰，叫做尖峰脉冲，是无用的信号，但消除不掉。B信号电平是复位参考电平，C信号电平是由驱 动信号CR触发的信号电平。此信号电平经相关的电路处理后得到的有用的视频信号是由B信号电 平和C信号电平产生的压差。此压差代表TDICCD芯片在这个像元处采集的光信号的大小和强弱。 而经缓冲放大输出后的幅值大小等于这个压差的大小。利用该信号配合后续的CCD信号合成电路 可以实现TDICCD的光电转换性能的模拟。所述输出缓冲放大模块由于本发明能够模拟TDICCD器件的光电转换功能，因此，在光电设备的研制周期及调试过 程中可以用其部分代替TDI CCD器件模拟光电转换；或与TDI CCD电性能信号发生器配合使用， 从而完成TDICCD器件光电的模拟及完整的性能模拟，不仅縮短了设备的研制周期，而且避免了 电路调试阶段TDI CCD器件损坏现象的发生。
图l是本发明结构框图。 图2是光电转换模块电路原理图。 图3是光电二极管的光照响应曲线。图4是缓冲放大电路的原理图。 图5是TDI CCD像元信号。 图6是DSP中进行电平转换的算法流程。 图7是使用光电二极管模拟TDI CCD的物理结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。 实施例l
选用加拿大DALSA公司生产的IT-F6-2048B型TDICCD图像传感器为例，介绍TDICCD的 基本结构。该TDICCD的象素结构2048X96 。它为双向、单路双路可选输出、级数为96级的TDI CCD。 TDICCD光敏区中光敏元为WxM排列结构，W为水平方向像元数，^为垂直方向的像 元数(为96个像素)。TDICCD不仅在线列方向而且在TDI级数方向存在移位时钟驱动，这样才 能保证信号电荷包有序地传输到检测单元。
现以VISHAY公司的TEMD5010为例，介绍光电二极管的基本原理。TEMD5010是一种高速 的，高灵敏度的PIN型光电二极管。其感光范围为400nm-1000nm的光谱范围。TEMD5010可以应 用在红外线传感器，高速可见光成像设备中。
以DALSA公司的IT-F6-2048B型TDICCD为模拟目标，以TEMD5010为例说明TDICCD器件 像元模拟装置的具体实施方法。
本发明的TDICCD器件的像元模拟装置如图1所示，包括光电转换模块l,缓冲放大模块2、 A/D转换器3，数字信号处理电路4， D/A转换器5，输出放大模块6。
如附图2所示，光电转换模块的实现电路中二极管采用TEMD5010。 TEMD5010的光电响应 曲线如附图3。电阻R阻值采用50kQ。电源采用直流15V供电(忽略光电二极管的偏压变化带来的 光电响应度的变化)。
如附图l所示，缓冲放大电路采用集成运放AD812构成同相放大器进行缓冲。电路原理图如 附图4。其中输入的信号为光电转换电路输出的电压。因此该电路增益Ao为l。
如附图1所示，A/D转换电路与数字信号处理电路采用TI公司的TMS320LF2407芯片来实现。 TMS320LF2407是专用数字信号处理CPU。其外围集成了ADC、 SCI、 SPI等重要的外设。本发明 的A7D转换模块的实现可以利用TMS320LF2407上集成的ADC设备。数字信号处理器与A/D转换模块的联接也转化为TMS320LF2407的内部总线连接。TMS320LF2407的处理器通过内部ADC寄存 器获得ADC转化的数据量。
TDICCD IT-F6-2048B的与光电转换相关的主要参数如下灵敏度(96TDI) 1920 V/u J/cm2。 设像面曝光时间T,nt为ls。再由附图3可得TEMD5010在像面辐照度为lmW/cm2时的光生电流为63 u A
因此可得
〖=63 ④
单位if^！其中p A为电流单位，cm2面积单位，mW功率单位。将上面的已知条件带入公式(3) m『
可得下式
「-__F
COT63x10—6xl000x50xl03化"
从而根据(5)式可以计算出光电转换模块输出对应的TDICCD应该的输出电平大小。在DSP中使 用程序完成上面的公式计算。程序流程如附图6。
如附图1所示，DA转换电路采用D/A转换器3采用十位高速D/A转换器AD9750。它的作用是把 DSP产生的十位数字信号转换成相应的模拟信号。例如当D/A的输出范围是0 1V，输出的 1111111111被转成1V而0000000000转成0V。 D/A转换器3输出的电平再经过输出放大电路5放大到 相应的反映TDI CCD光电转换后的电平大小。
如附图l所示，输出缓冲电路可以采用缓冲放大模块的形式。
实施例2
如附图7所示在实施例1的原理基础上可以将数个模拟像元单元排列成一行，构成线阵CCD器 件的模拟设备。计算关系如下在线阵感光尺寸为L，光敏二极管长度为M时，可使用N个光电二 极管用来模拟TDICCD的光电特性。其中N使用如下公式
A^丄 ⑥ 似
现以加拿大DALSA公司生产的IL-P1型线阵图像传感器为例，该系列具有4096 、 2048、 1024、 512像敏单元的不同型号。每个像敏单元尺寸为10umX10um，现以4096像敏单元的器件为例，公式(6)中的L为40.96mm。
现以VISHAY公司的TEMD5010为例介绍光电二极管的基本结构。TEMD5010是一种高速的， 高灵敏度的PIN型光电二极管。其感光范围为400nm-1000nm的光谱范围。TEMD5010可以应用在 红外线传感器，高速可见光成像设备中。其外形尺寸为5mmX5mm。公式(6)中的M为5mm。
由此，公式⑥屮的N为8。因此将8个TEMD5010排列成一行，并且与CCD器件的像敏单元起 始位置对齐，来完成IL-P1 4096器件的模拟。可见光敏二极管l，可以测量CCD器件上的1到512感 光情况，光敏二极管2，可以测量CCD器件上的513到1024感光情况，依次类推可以利用该装置分 段模拟CCD器件上的像敏单元。
权利要求
1、一种TDI CCD器件的光电转换模拟装置，其特征在于该装置包括光电转换模块(1)，缓冲放大模块(2)、A/D转换器(3)，数字信号处理电路(4)，D/A转换器(5)、输出放大模块(6)；光电转换模块(1)用来接收光信号并完成光信号到电信号的转换，缓冲放大模块(2)将信号的幅值放大，A/D转换器(3)将模拟电信号数字化，数字信号处理电路(4)负责进行算法转换，D/A转换器(5)将TDI CCD输出信号的数值量转化为实际的TDI CCD视频电平；输出放大模块(6)用来加强驱动后级电路的驱动能力；将本装置的输出信号连接到TDI CCD波形合成发生电路中，各部分的连接关系是光电转换模块(1)输出模拟信号连接到下级的缓冲放大模块(2)，该信号通过缓冲放大模块(2)放大后，连接到A/D转换器(3)；A/D转换器(3)的输出的数字信号连接到数字信号处理电路(4)输入端，字信号处理电路(4)输出端连接到D/A转换器(5)输入端；D/A转换器(5)输出模拟信号连接到输出放大模块(6)输入端；最后输出放大模块(6)输出实际TDI CCD视频电平。
2、 根据权利要求1所述的TDICCD器件的光电转换模拟装置，其特征在于所述数字信号处理 电路(4)中光电转换元件采用光电二极管，当光电二极管接受光照后，产生光生电流，该电流 经电阻进行电流电压转换后形成电压，该电压信号经缓冲放大后输出给后级电路。
3、 根据权利要求1所述的TDICCD器件的光电转换模拟装置及方法，其特征在于所述该数字 信号处理电路(4)是实现由反映光电二极管的光照情况的数值经过固定的算法转换为反映TDI CCD输出电压值的数字量，其中的算法如下光电二极管光电响应在一定的反偏电压下光照与光生电流成缚性关系，经电阻转换为电压后 相当于光照与电阻两端电压成线性关系，因此在忽略了各自的暗电流的情况下关系表达式如下其中VCCD:为CCD器件的光生电荷经片上放大后的输出电压 Tdi:为CCD器件的积分级数Re:为CCD器件的一级积分级数光灵敏度 Ee:为像面辐照量<formula>formula see original document page 3</formula>其中Vdi。de :为光电转换模块的输出电压 Ee:为像面辐照量 T;nt:像面曝光时间K:光电二极管的辐照度一光生电流响应曲线斜率R:光电转换模块输出电阻值Ao:缓冲放大的增益 K斜率可由光电二极管的响应曲线上任取一点得到 由(1)、 (2)式可得Vccd、 Vdi。de对应关系如下:<formula>formula see original document page 3</formula>采用(3)式将光电转换模块的输出电压转化为TDICCD的电压输出值。
4 、根据权利要求3所述的TDICCD器件的光电转换模拟装置光电转换方法，其特征在于将 N个模拟像元单元排列成一行，其线阵感光尺寸为L，光敏二极管长度为M时，其中N使用如下公 式<formula>formula see original document page 3</formula> (6) 用该装置分段模拟CCD器件上的像敏单元。
全文摘要
本发明一种TDI CCD器件的光电转换模拟装置及方法，属于TDI CCD器件的光电转换试验设备及方法。该装置包括光电转换模块，缓冲放大模块、A/D转换器，数字信号处理电路，D/A转换器、输出放大模块；光电转换模块用来完成接收光信号并完成光信号到电信号的转换功能；缓冲放大完成信号的幅值适当放大的作用；A/D转换器用来完成将模拟电信号数字化的功能；数字信号处理电路负责进行算法转换，D/A转换器用来将TDI CCD输出信号的数值量转化为实际的TDI CCD视频电平；输出缓冲放大用来加强驱动后级电路的能力。将本装置的输出信号连接到TDI CCD波形合成发生电路后，可对TDI CCD进行光电性能和电性能的完整模拟和转换。避免了电路调试阶段TDI CCD器件的损坏。
文档编号H04N5/335GK101309370SQ20081005094
公开日2008年11月19日 申请日期2008年7月9日 优先权日2008年7月9日
发明者辉 刘, 李云飞, 王宏波, 薛旭成, 郭永飞 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所