西南交通大学个性化实验---CCD传感阵列原理及驱动实验

单位：西南交通大学物理实验中心项目名称：CCD传感阵列原理及驱动实验指导老师：胡清、魏云组员：陈旺20092464（09级交控二班）张晏硕20094927（09级材料二班）一、前言 (2)二、实验目的 (2)三、实验设备 (2)四、实验原理 (3)五、实验步骤 (5)六、实验结果 (7)七、实验分析与讨论 (9)八、实验现场拍照 (11)九、实验展望 (11)十、实验心得体会 (12)十一、参考文献 (13)一、前言CCD(Charge Coupled Device,电荷耦合器件)是1970年问世的新型光电半导体器件，它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的，具有光电转换、信息存储和延时等功能，又有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、线性好、灵敏度高、动态范围大、性能稳定和自扫描能力强等优点。

故在图像传感、物体外型测量、工程检测、信息存储和处理等各个领域得到广泛的应用。

采用这种测量方法还具有如下优点：1、不必在望远镜、读数显微镜、测微目镜的视场中采用目视的方法测量。

只需通过CCD 传感器在计算机显示器或示波器显示屏上可直接观察物理现象并进行数据测量、记录、处理；2、能更直接地观测光强的相对分布情况。

通过定标，可以定量测量光强的分布情况；3、对衍射峰值、谷值、光强随空间位置变化率等的确定和测量不再是凭借人们的主观上的判断，而是对光强分布转化后的数字信号进行计算机处理从而得出精确的判断，因而测量结果更精确、客观；4、测量所得的数据、图形可方便地比较、计算、存档与输出；5、此种方法可与力、热、声及光等多领域的技术手段相结合以满足科学研究和工程技术中更多的需要。

二、实验目的1、掌握用示波器观测CCD驱动脉冲的频率、幅度、周期和相位关系的测量方法；2、通过测量CCD驱动脉冲的时序和相位关系，理解CCD的基本工作原理；3、通过测量CCD的输出信号和驱动脉冲的相位关系，掌握CCD的基本特性；4、通过测量CCD在不同驱动频率和不同积分时间下的输出信号，理解积分时间的意义以及驱动频率和积分时间对CCD输出信号的影响；5、加深对线性CCD的光电转换特性、灵敏度、暗信号及动态范围等特性参数的理解；6、理解积分时间等因素对上述参数的影响。

三、实验设备1、OEMS光电测量及技术实验系统1台：图1 OEMS 系统流程图本系统流程图如图1所示，需要测量的光信号经光学系统投射到CCD 器件，CCD 器件在驱动信号的驱动下，将光信号转化为模拟视频信号，模拟视频信号通过前置放大等处理后送到A/D 转换器，A/D 转换在驱动器的驱动信号控制下将模拟信号转化为数字信号并按帧传送到存储器中存储，当计算机运行程序向单片机1发送传输数据的命令，单片机1就从存储器中读取一帧数据(2048个像元点的数据)并将其通过串口通讯接口传送给计算机。

同时，在程序控制下，单片机2从驱动器读取驱动频率和积分时间，从存储器读取数据，并经过一定处理后在数码管上显示出来。

在单片机1与计算机的串口通信中,由于计算机配置的是基于RS232标准的接口,而单片机的输入输出电平都采用的是TTL ,两者在电气特性上是不一致的,因而需要进行转换。

本系统采用单电源的标准RS-232的MAX232芯片。

此电路采用的CCD 型号是TCD1206SUP ，为典型的二相线阵CCD 。

它由2236个pn 结光电二极管构成光敏元阵列。

A/D 转换采用的器件是AD78系列，它将输入的模拟信号转换为八位二进制数分别输出，也就是输出的数据在0—255之间。

从信号预处理出来的电压信号最大为2伏。

存储器采用的型号为IDT7134，它共有12根地址线，容量为82 K ，因为每个象元点用8位二进制表示，故此存储器一次可以存储2048个象元点的信息。

2、双踪迹同步示波器1台；3、配备OEMS 系统软件的计算机1台。

四、实验原理1)CCD 传感器阵列原理及驱动CCD 是一种光电转换器件，它是一种有独特功能的MOS(金属氧化物半导体场效应管)集成电路，CCD 的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。

CCD 器件主要由光电转换单元和电荷转移结构两部分组成，它有线阵列和面阵列两种结构类型，两种结构的应用都很广泛，下面主要介绍线阵CCD 器件的结构和原理。

图2(a)为一种单排结构，用于低位数CCD 传感器。

它的光敏单元与CCD 移位寄存器SR 分开，用转移栅控制光生信号电荷向移位寄存器转移，一般使信号转移时间远小于摄像时间(光积分时间)。

转移栅关闭时，光敏单元势阱收集光信号电荷，经过一定的积分时间，形成与空间分布的光强信号对应的信号电荷图形。

积分周期结束时，转移栅打开，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD 移位寄存器SR 的响应单元内。

转移栅关闭后，光敏单元开始对下一行图像信号进行积分。

而已转移到移位寄存器的上一行信号电荷，通过移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。

图2(b)为双排移位寄存器结构。

光敏单元在中间，其奇偶单元的信号电荷分别传送到上、下两列移位寄存器后串行输出，最后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。

光敏单元 转移栅 输出(a) 单排结构(b) 双排结构 移位寄存器 光 敏 元转移 控制栅 移位寄存器 输出本实验仪所采用的CCD 型号是TCD1206SUP ，如图3所示，它是一种典型的2048位两相线阵CCD 。

中间的光电二极管是光电转换单元，两侧的转移栅控制光生信号电荷向移位寄存器转移，转移栅的两侧是转移光生电荷的CCD 移位寄存器。

CCD 的驱动脉冲SH 、F1、F2、FR 的时序关系通过示波器可发现：当SH 遇到上升沿，光积分开始，光电二极管进行光电转换，转移栅关闭；当SH 遇到下降沿，光积分结束，光电二极管停止光电转换，转移栅打开，奇、偶光生信号电荷分别转移到CCD 移位寄存器1和CCD 移位寄存器2，当下一个积分时间开始时，转移栅关闭，光电二极管又进行光电转换，F1、F2控制已转移到CCD 移位寄存器内的光生电荷依次串行输出到信号输出缓冲区，再由电极OS 输出，每输出一个信号电荷，复位控制信号FR 就要进行复位操作，清空缓冲区，以便下一次输出。

加在CCD 移位寄存器1和CCD 移位寄存器2的二相时钟脉冲时序不同，前者为F1、F2，后者为F2、F1，从而保证转移到CCD 移位寄存器2的奇数像元的光电荷时序在前，转移到CCD 移位寄存器1的偶数像元的光电荷时序在后，正好错开，合在一起成为按时序输出的串行视频信号。

光积分时间T SH 由使用者根据具体应用时光强来决定。

2)光电转换特性及响应灵敏度CCD 的光电转换特性即输入输出特性，不饱和时其输出信号正比于曝光量(光强与光照时间之积)，当曝光量达到某一值后，其输出就达到最大值，而不再增加(水平线)，如图4所示。

图4 CCD 光电转换特性曲线图像传感器的灵敏度标志着器件光敏区内的光电转换效率，用在一定光谱范围内，单位曝光量下器件输出的电流或电压幅度来表示，实际上，上述光电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度。

CCD 是用硅材料制成的，它的光电转换特性与硅靶摄像管相似，对于恒定的曝光量，OS DOS OD在一定范围内将产生恒定的信号输出。

特性曲线的线性段可用下式表示：b ax y +=γ (1)其中y 为输出信号电压，x 为曝光量，a 为直线段的斜率，它表示CCD 的光响应灵敏度，γ为光电转换系数(约为1)，b 为无光照时CCD 输出电压，称为暗输出电压。

器件工作时，应把工作点选在光电转换特性曲线的线性区内(可调整光强或积分时间来控制)。

一般宜选择工作点接近饱和点，但最大光强又不进入饱和区，这样可提高光电转换精度。

要研究CCD 的光电转换特性，就要测出在不同光强下的CCD 输出。

为了获得不同的光强，有几种方法：①直接调节光源的强度，这种方法显然不好确定不同光强间的相对大小，并且对光源本身也有特殊要求，一般不采用；②调整光路中的成像镜头光圈大小来调节不同的光强输入；③采用点光源时，可以利用光强与距离的平方成反比的关系调节光强调节曝光量。

在实验中，通过改变CCD 与点光源的距离来调节曝光量。

3)暗信号及动态范围所谓暗信号，即在没有光照或其他方式对器件进行电荷注入的情况下也会出现的信号。

在正常工作的情况下，MOS 电容处于未饱和的非平衡态。

然而随着时间的推移，由于热激发而产生的少数载流子使系统趋向平衡。

因此，即使在没有光照或其它方式对器件进行电荷注入的情况下，也会存在暗电流。

暗电流是大多数摄像器件所共有的特性，是判断一个摄像器件好坏的重要标准。

暗电流的主要来源有以下几点：1、耗尽区中的本征热激发产生的暗电流。

2、少数载流子自中性体内向表面扩散产生的暗电流。

3、表面能级的热激发产生的暗电流。

另外暗电流还与温度有关。

温度越高，热激发产生的载流子越多，因而暗电流也越大，因此CCD 的温度不可过高。

由于CCD 是积分器件，所以它的暗信号与积分时间有关，随着积分时间的增长，积累的暗电荷也要增大，本实验的实验目的之一就是通过改变积分时间测量暗电路，让读者进一步理解积分时间的暗电路的影响。

动态范围是与信噪比相关的一个特性参数，它反映了器件的工作范围。

图像传感器的动态范围是指输出饱和信号与暗场噪声信号之比值。

对于本实验，动态范围DR 定义为：dos V V DR 暗信号值饱和信号值= (2)五、实验步骤1)CCD 的驱动信号及输出信号测量1、了解实验箱各部分的功能及用法，详情请参考实验系统使用说明书。

将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器的电源和实验仪的电源插头均插入交流220V 插座上。

2、打开OEMS 光电测量及技术实验系统的主电源开关，多档开关“输入选择”打到“CCD 信号”，多档开关“数码显示”打到“积分时间工作频率”，观察仪器面板显示窗口，数字闪烁表示仪器初始化，仪器初始化结束后显示为“00 0”字样，前两位表示积分时间值，共分为16档，显示数值范围“00”～“15”，数值越大表示积分时间越长，每档对应的积分时间大小可通过示波器测量出来。

末位表示CCD的驱动频率，分四档，显示数值范围“0”～“3”，数值越大表示驱动频率越低，每档对应的驱动频率大小可通过示波器测量出来。

3、调节示波器，以看清楚至少2个信号周期为准。

分别测量F1、F2、SH、FR等各路脉冲信号的波形，观察它们之间的相互时序关系。

4、打开光源照射到CCD上，用示波器CH1探头测量SH信号，调节示波器显示至少2个SH周期；CH2探头分别测量实验仪的VOS、DOS、VO各路信号，根据信号大小调节多档开关“信号增益”到适当的增益倍数，分别测量VOS、DOS、VO各路信号的波形并记录，观察、分析三者之间的关系；改变光强大小，重新测量。