C8060-01/C8061-01/C8062-01 CMOS图像传感器

 

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这是对其手册的简单翻译。   1. 综述

C8060-01/C8061-01/C8062-01系列是用在InGaAs线性图像传感器上的高灵敏度多路探头，其中C8060-01是专为无需散热的InGaAs线性图像传感器而设计的，而C8061

-01/C8062-01则是为需要散热的InGaAs的线性图像传感器设计的，这种传感器可以感知微弱的光信号。C8060-01/C8061-01/C8062-01系列探头含有一个低噪声驱动/放大电路，该驱动电路只需要简单的外部信号就可以稳定工作。而在此基础上，C8061-01/C8

062-01附加有一个高性能的温度控制器，该控制器能够在传感器上电之后就将其温度控制在预先设定的一定范围内(C8061-01:Ts=-10deg.C, C8062-01:Ts=-20deg.C)。如果冷却器失灵而引起内部电路过热，内部保护电路就会自动断开热-电冷却器的电源。尽管它的体积很小，其外壳的设计却是很利于散热的。而且，在探头的前面板设置有螺纹孔，让其能够方便地同其他设备连接，例如单色仪等等。

下表列出了适合C8060-01/C8061-01/C8062-01系列探头的InGaAs图像传感器型号。因为C8060-01/C8061-01/C8062-01系列探头是不包括传感器的，所以，它们的传感器需要单独购买。

表 1.1 适合各探头的图像出感器

 

2. 功能描述

该系列探头包含以下四个部分：

<!--[if !supportLists]-->u    <!--[endif]-->带热电冷却器的InGaAs图像传感器

<!--[if !supportLists]-->u    <!--[endif]-->驱动放大电路

<!--[if !supportLists]-->u    <!--[endif]-->温度控制电路

<!--[if !supportLists]-->u    <!--[endif]-->外壳

具体结构见本章附图。下面就各个部分进行简要介绍。

■带热电冷却器的InGaAs图像传感器

InGaAs图像传感器是由一个InGaAs光电二极管阵列和一个混合集成的CMOS移位寄存器构成的线性图像传感器。而对于512像素的图像传感器，就需要集成两个CMOS移位寄存器。这样的组合能够让这种传感器像传统的线性图像传感器一样在近红外区实现多路、高速分光谱测量。

G920X-256R/-512R (X=1,2,3,4)系列是一类无需散热的传感器，而G920X-256S/-512S (X=1,2,3,4) 系列和 G921X-256S/-512S (X=1,2,3,4)系列中就封装有一个一级帕尔帖冷却器以实现热电冷却。基于同样的目的，在G920X-256W (X=5,6,7,8)系列中封装有一个两级帕尔帖冷却器。在室温下试验运行，该设备无需外部冷却技术就可以实现冷却(C8061-01: Ts=-10deg.C, C8062-01: Ts=-20deg.C)。另外，因为InGaAs传感器和帕尔帖冷却器都是密封在一起的，所以无需干燥空气，这样让冷却操作容易实现。

■驱动放大电路

驱动放大电路能够提供图像传感器正常运行所需的各种时序信号，并处理来自传感器的低噪声模拟视频信号。此电路通过两个外部控制信号（START、CLK）进行工作，并由三端电源提供电压（5V、±15V）。驱动放大电路可细分为以下四个部分：

<时序信号发生器>

时序信号发生器包括有H-CMOS逻辑集成电路和可编程逻辑器件，能够提供多种传感器工作所需的时序信号。当然，它也可以为外部的模数转换提供触发信号。这些信号是和外部主控脉冲信号（CLK）同步的，并由起始信号（START）初始化。

<电压调整器>

电压调整器产生图像传感器正常工作所需的不同电压。这些电压都是由这个高精度、低噪声且稳定性好的调整器作产生的。

<视频信号处理器>

视频信号处理器包含两个放大器、多路器以及直流恢复电路。它能够处理来自图像传感器的低噪声模拟视频信号。对于512像素的InGaAs图像传感器来说，输出信号有两个，一是奇数信号（VIDEO-ODD）一是偶数信号（VIDEO-EVEN），它们都是由实时光强决定的电压信号。两个放大器中，第一级放大器是一个同相放大器，信号首先经过此放大器放大2倍；然后，每个信号都在多路器中打包，并经过第二级放大器放大1.5倍；同时，直流恢复电路会将视频信号中的直流偏置去除。最后，进过这些处理后的视频信号将通过最后一级的缓冲放大器后输出到外部电路。该缓冲放大器能够为外部直接模数转换提供地阻抗的正极输出，避免了外部噪声信号的影响。

注意：输出阻抗一般为50或75ohms.

■温度控制电路（C8061-01/C8062-01）

该电路控制C8061-01/C8062-01中电热冷却器的电流，同时通过植入图像传感器的电热调节器监控传感器的温度。当温度控制器上电之后，电热冷却器和内部冷却风扇就开始工作，将图像传感器的温度控制在预置的范围之内(C8061-01: Ts=-10deg.C, C8062-01: Ts=-20deg.C)。同时，从“温度监控器”终端就可以获得代表图像传感器温度并以电压输出为形式的温度监控信号。万一电热冷却器失灵而导致电路过热，内部保护电路就会自动断开电热冷却器的电源，同时，安装在侧面板的LED指示灯就会点亮示警。

■机壳

C8060-01的机壳时非常紧凑的，并在前面板设置有螺纹固定孔以方便其同外部设备如单色仪的连接。而C8061-01/C8062-01在C8060-01的基础上又加入了冷却模块，因此，在C80601-1/C8062-01的机壳设计中，冷却模块（包括散热片和冷却风扇）是固定在机壳上的。这种结构的设计能够保证良好的散热性和冷却模块的独立性，让用户能够方便地将其他冷却设备如风冷或水冷固定在机壳上（仅仅适合C8061-01）。

注意：冷却模块上制作有散热用的通风缝隙，在使用传感器的时候勿使其堵塞，否则会造成传感器过热。冷却风扇模块的安装孔有效长度是9mm，主单元前面板的安装孔有效深度为4mm。千万不要使用超过此长度的螺钉，螺钉拧紧过程中，如果拧得太紧，就有可能损坏螺纹或者钻穿机壳侧面。

 

 

 

 

3.安装步骤

<!--[if !supportLists]-->n        <!--[endif]-->信号输入输出连接

 （1）电源连接

将"D.+5V"端同数字电路连接起来，而将"+15V/-15V"端分别同模拟电路的电源连接起来。由于数字地和模拟地分别连接在它们各自最适合的位置，在外部电路中应该将它们尽可能地分离开来。电源本身必须是低噪声，少纹波，并且电源线尽可能粗，以降低其阻抗的影响。

注意：在为仪器连接电源的时候，考虑到其他仪器潜在接地的影响，接地是必须的。

（2）脉冲发生器的连接

为仪器连接一个能够提供驱动放大电路工作所需两种脉冲信号（START、CLK）的脉冲发生器（参看第五章电气说明书）。

日本滨松提供此仪器所使用的优化脉冲发生器（C5945）。

（3）外部控制器的连接

为仪器连接一个控制器，该控制器能够为InGaAs图像传感器提供电荷放大器的变频增益数字式选择信号（Cf SEL）（参看第五章电气说明书）。

（4）示波器的连接

将“DATA VIDEO”端同示波器的输入端连接起来。而脉冲发生器输出的启动信号（START）将连接到示波器的外部触发端以使视频信号同步。这里，确保使用屏蔽线缆避免视频信号被外部噪声所干扰。

注意：示波器的使用是为了检验图像传感器和驱动放大电路是否正常工作。

（5）模数转换的连接（可选）

如果用户要连接模数转换，请使用“DATA VIDEO”和“TRIGGER”信号端（参看第五章电气说明书）

在连接ADC之前，请仔细阅读电气说明书“模数转换”部分。

<!--[if !supportLists]-->n        <!--[endif]-->控制输入输出连接（C8061-01/C8062-01）

    （6）电源的连接

将VD2（C8061-01: "D.+5V", C8062-01: “D.+6V”）端通电路相连，并将电热冷却器的VP（C8061-01: "P.+5V", C8062-01: “P.+6V”）端、冷却风扇的VF（"F.+12V"）端与各自的电源连接。

同信号电源一样，控制部分的电源也要求低噪声，少纹波，并且电源线要足够粗使阻抗降低，特别是连接到图像传感器内部电热冷却器的VP线的一定要粗。

注意：在为仪器连接电源的时候，考虑到其他仪器潜在接地的影响，接地是必须的。

（7）外部控制器的连接

为仪器连接控制器，该控制器能够为冷却模块提供数字式控制信号（COOLING）。（参看第五章电气说明书）。

４.操作步骤说明

依照以下步骤进行操作并参看本章结束附图（传感器时序）。

图像传感器需要在黑暗环境中进行测试，所以需要必要的光线屏蔽，避免光线进入图像传感器中的光敏面。

（1）启动启动放大电路电源

在确定电源（"D.+5V", "+15V/-15V"）连接正确后，打开各个电源。此时检查电流值是否正常，如果电流值过大，很可能电源线发生短路，这个时候就要立即断开电源，检查电源线。

（2）从脉冲发生器输入控制信号

从脉冲发生器输入两种控制信号（START、CLK）到驱动放大电路中，信号必须是H-CMOS电平。如果不失H-CMOS电平，就有可能发生误操作。START信号的长度必须大于CLK的一个周期长度，并尽可能与CLK信号同步。其中，CLK信号的频率决定了“DATA VIDEO”信号的读出频率，START信号的间隔则决定了图像传感器的存储时间。

［设置积分时间］

设置积分时间的步骤如下例：

<例子>

假设现在使用的是型号为G9201-256S的图像传感器，时钟信号CLK为４MHz。

积分时间就是指时间矢量图中RESET信号高电平之间的时间。这段时间也等于在START信号的间隔中减去扫描时间。"Data Video"信号的读出频率为CLK信号的1/8，那么一个像素的读出时间（tr）就是2 μs。

如此，一次扫描所需的时间计算如下：

Tscan= (tc x 3) + (tr x N) + (tL x 10)

= 0.25 (μs) x 3 + 2 (μs) x 256 + 0.25 x 10

= 515.25 μs

其中，N为像素数，Tc为“CLK”信号的周期。

因此，开始信号的间隔时间必须设定为515.25 μs或更长（这里注意，考虑到开始信号和时钟信号的宽度和同步性，扫描时间会比515.25 μs稍微长一点）。

（3）接通温度控制电路电源（C8061-01/C8062-01）

在确定VD2 (C8061-01: “D.+5V”, C8062-01:“D.+6V),VP (C8061-01: “P.+5V”, C8062-01: “P.+6V) 以及 VF (“F.+12V”)正确连接后，接通控制电路的电源。当数字控制信号（Cooling control）为低电平时，没有电流流入冷却器和冷却风扇，此时温度控制电路处于待机状态，LED指示灯时熄灭的。当数字控制信号变为高电平的时候，冷却器和冷却风扇开始工作。此时，应该检查电流是否正常。如果电流过大，很可能电源线被短路，应立即断开电源。对于“C8061-01”，通过VP线的初始电流大约为1.7A，当稳定时，电流值在1.1 到1.3A之间；而对于“C8062-01”，其对应初始电流为3.0A左右，当稳定时，电流值在2.0 到 2.4A之间。

[LED指示明细]

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->LED 熄灭：此状态下，说明仪器正在被冷却中(Cooling control = H)或仪器处于待机状态(Cooling control = L)。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->LED绿灯亮：此状态下说明冷却温度处在预置范围内(C8061-01:Ts=-10deg C,C8062-01:Ts=-20deg C)。

<!--[if !supportLists]-->l      <!--[endif]-->LED红灯亮：当红灯亮起，是发出警告，电路处于过热状态。可能因为以下几个原因,电路开路、图像传感器内部电热计短路或者是电热冷却器没有正常工作。

注意：确保电源与"F. +12V"端的正确连接，如果电源电压不正确，就会降低冷却效果，导致传感器过热。

警告1：如果LED红灯亮起，应立即关闭电源并检查电源线。

警告2：上下面板的缝隙是为散热而设计的，要避免其堵塞以防止仪器过热。

（4）“DATA VIDEO”信号的监控

监控此信号的方法是使用示波器。

[暗室状态的输出]

这里要指出的是，当传感器工作一段时间后观察到的波形和刚通电时观察到的波形有小小的不同，这是因为仪器经过冷却后输出电压变小的缘故。

警告：如果未观察到如图4.1所示的正确波形，应再次检查系统线路的连接。

当完成上述操作时候，就可以用光照射传感器了。这里特别指出，光源应尽量使用直流光源，如果使用调制光源如日光灯，输出波形可能是闪烁的，容易造成误操作。

5.电气说明书 5.1 C8060-01的说明书

<!--[if !supportLists]-->n     <!--[endif]-->最大绝对额定值

表 5.1 最大绝对额定值（C8060-01）

<!--[if !supportLists]-->n     <!--[endif]-->电气说明

（未特别指明则设定Ta=25deg.C, VD1=+5V, VA+=+15V, VA-=-15V）

表 5.2 电气说明（C8060-01）