P系列线性光电二极管阵列图像传感器

P系列线性光电二极管阵列图像传感器

14μm, single output, 512, 1024, 2048像素

特点

●扩展光谱范围—200 到 1000 nm

●40MHz 像素读出率且70Hz行速率

●>2500:1动态范围

●5V时钟

●14μm的正方形像素，100％的填充因子

●超低图像滞后

●电子曝光及抗模糊控制

说明

在P系列线阵传感器中,PerkinElmer结合最好的高灵敏度光电二极管阵列探测特性和高速电荷耦合扫描,为提高先进的图像应用需求提供坚实地解决方案.

这些高性能成像系统,低噪声、高灵敏度、令人印象深刻的电荷存储能力,和无延迟的动态成像以方便地单输出架构形式.这些14μm方形连续像素图像传感器减少图像信息最低损失和人工修饰,而独特的光电二极管结构提供延展低于250nm出色的蓝色响应并进入到紫外线. 仅要求5V时钟的两相CCD读出寄存器已经达到出色的电荷转移效率.附加电极提供单独地曝光和抗晕控制.最终,高灵敏读出放大器提供大的输出信号,在随后相机电路缓和要求的噪声. 可用的标准阵列长度512,1024和2048像素,分别带玻璃或二氧化硅窗口中,这些通用图像传感器广泛用于高速文本读出,web检查,邮件分类,产品测量和计量,位置识别,和其它工业以及需要最大图像性能的特定应用.

P系列结合了带高速CCD读出寄存器和高灵敏读出放大器的高性能光电二极管.详细构造参见图1.

图1.图像传感器功能框图

光探测区域

P系列成像系统的光探测区域是连续以14μm为中心光电二极管的线性阵列.这些光电二极管是使用PerkinElmer设计扩展短波长敏感深度UV低于250nm,先进的光电二极管构成,以保持100%填充因子和交付极低的图像延迟.这个独特的设计也避免在光探测区域,多晶硅层中减少多数CCD图像传感器的量子效应.P系列图像传感器支持通用可视的玻璃窗口或UV低于250nm下的石英玻璃窗口. P系列图像传感器可以支持外部附加窗口中.看图2a和2b对于敏感度和传输曲线.

由于潜在的光泄漏,距过渡像素最近的两个黑像素不应用于作为暗黑参考.

水平移位寄存器

在光电二极管中作为光收集的电荷包被接收,通过埋沟转换成一串流输出,两相提供高电荷转换效率的CCD移位寄存器达移位频率到40MHZ. PerkinElmer 5V CCD进程使用这个设计,允许低耗,高速,便宜,现成的驱动器件操作.

转移门(ØTG)控制电荷包从光电二极管运动到CCD移位寄存器.电荷集成期间,电压控制ØTG是保持在低状态从移位寄存器隔离开光电二极管.当要求转移电荷到移位寄存器时,ØTG开到高状态以便在光电二极管和移位寄存器之间建立转移通道.电荷转移序列,详细说明在图4,过程如下:

读出一个特定的图像行(n)后,移位寄存器是空的电荷并准备从光电二极管接收代表图像n+1行的新电荷包.对于开始转移序列,水平时钟脉冲(ØH1 和ØH2)以ØH1保持为高状态,ØH2为低状态被停止.然后,ØTG开到高去开始转移电荷到移位寄存器.一旦ØTG到达高状态,光栅门(ØPG)电压被置成高去完成转移.推荐光栅门保持高状态最少0.1 μs以确保完成转移.这个间隔之后,光栅门电压返回到低状态,并且此过程完成时,转移门也返回到低状态.转移定时的详细描述显示在图3带范围与容差在表1.

Note 1.过度和黑像素

Note 2.有效像素

Note 1.750ns是完全复位光电二极管的典型时间

转移后,电荷由两相水平电压ØH1 和 ØH2交替作用沿移位寄存器传输.而两相CCD移位寄存器架构允许时间容差宽于三或四相中的要求, 当两相CCD时钟为50%占空比时获得最佳电荷转移效率(CTE)和最低功耗.此外, 信号ØH1 和 ØH2不同的相位应该维持在180度且占空比应该设置为50%,以避免贮存电荷容量和电荷转移效率损失.

范围和容差在表2中,详细读出时序在图4.

时序要求

在高速应用中,快速波形转换允许输出信号最大建立时间.但是,通常使用符合视频性能要求的最慢上升和下降时间,因为快速沿常常引入更多的转换噪声进入视频波形.当要求最高速度时,细致平滑的波形转换可以改善速度与视频质量间的平衡.

输出放大器

从移位寄存器的最后一级摆脱的电荷由积分器和视频放大器转换成电压信号.这个积分器,一个由浮动扩散建立的电容,设置复位晶体管电压(ØRG)到高状态来初始化DC参考电压(VRD).对于读出电荷, ØRG脉冲低关闭复位晶体管并由VRD隔离积分器.接着ØH1到低,电荷包转运到积分器,在哪依包大小产生比例电压.复位晶体管电压, ØRG,必须在ØH1高到低转换之前到低的状态.如果这个条件不满足,将导致视频信号明显的剪断.图4描述要求的时钟波形和重叠允差.

视频放大器缓冲器信号由图像传感器的积分器输出.必须注意保持该放大器负载在驱动高活性能力或低阻抗负载之内. 半功率带宽为10 pF的外部负载是150兆赫. 建议输出的视频信号用一个宽带跟随器缓冲或其他合适的放大器去提供一个高阻输出放大器.

保持外部放大器靠近输出引脚以减少杂散电感和输出信号可能会损害信号质量的电容耦合. 曝光控制和抗模糊

P系列图像传感器的曝光控制支持光电二极管中可变电荷累积时间.当抗模糊门电压(ØAB)设置到高状态时,电荷从像素存贮栅到曝光控制漏极流失.在光电二极管的正常电荷收集期间,ØAB设置到低状态.由于曝光控制模式的时序要求，电荷被转移到读出寄存器之前,电荷积累总是在周期刚好结束处.图3包括抗模糊曝光控制的时序要求.所示的曝光控制时序将作用在下一个读出周期出现作为视频数据的电荷包上.

图像传感器性能

P系列图像传感器中每个元素极好地执行自己的功能并且顺利地整合队内的其它元素.光电二极管有效地转换光到电荷,读出寄存准确地传输电荷到放大器,并且该放大器提供一个干净、健壮的用于图像处理的电子信号. 而这些图像传感器的实际性能强烈依赖于电子的细节和相机提供的时序,他们直接实现需求促进最佳的设计.

操作条件

为了获得最佳性能和最长的使用寿命，仔细按照下面这些图像传感器操作要求. 提供无噪音和变化的稳定的电压源，与控制边缘干净的波形. 静电放电（ESD）,过电压和过温度保护图像传感器. 不要违反对输出寄存器速度的限制或减少低于最小值的时序余量.

图像传感器的结构

所有P系列图像传感器使用的是陶瓷封装和光学平窗构造. 图像传感器芯片通过热填充银的环氧树脂被固定到精确的引线框架.在密封之前,封装被烘烤以消除水分, 并检测密封完整性.

注:OH1和OH2时钟转换的交叉点应该发生在水平时钟振幅的10 - 90％.