CCD特性实验要点.docx
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CCD特性实验要点
CCD特性实验
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【实验目的】
1．学习掌握CCD的基本工作原理，CCD正常工作所需的外部条件及这些条件的改变对CCD输出的影响。
2．测量曝光时间，驱动周期，照明情况对输出的影响，并根据实验原理对输出进行说明。
3．测量CCD的光电转换特性曲线，根据曲线得到CCD的灵敏度，饱和输出电压及饱和曝光量。
4．测量并计算CCD的暗信号电压，暗噪声，动态范围，像敏单元不均匀度等参数。
5．比较CCD输出信号经AD转换或二值化处理后输出信号的差异，了解各自的应用领域。
【实验仪器】
仪器由线阵CCD，CCD驱动电路，CCD信号处理电路，接口电路，专用软件，照度计，减光镜，柔光镜，灰度板等组成。
照度计：
照度计的作用是实验时，测量照射CCD的光强。
测量的照度值有的只作为参考，有的则需带入进行计算（如计算CCD的饱和曝光量）。
.
减光镜：
由两片偏振片组成，旋转调节两偏振片的透光轴夹角，可调节透过减光镜的光强度。
使用时，先将减光镜置于照度计通光窗口上，依据照度计显示的照度值调节好减光镜，再将减光镜放置于CCD窗口上使用（必须完全把CCD窗口覆盖）。
柔光镜：
其作用是将外界不均匀的光改变为均匀光，在实验中必须配在减光镜上同时使用。
灰度板：
在同一外界照度条件下，可表现出CCD每个像元感应并输出电压同该像元对强度之间的变化。
【实验原理】
一个完整的CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。
图1为某型号CCD的结构示意图。
CCD工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少。
取样结束后各光敏元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中。
移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端。
将输出信号接到计算机，示波器，图象显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。
由于CCD光敏元可做得很小（约10um），所以它的图象分辨率很高。
一．CCD的MOS结构及存贮电荷原理
CCD的基本单元是MOS电容器，这种电容器能存贮电荷，以P型硅为例，其结构如图2所示。
在P型硅衬底上通过氧化在表面形成SiO2层，然后在SiO2上淀积一层金属为栅极，P型硅里的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子，当金属电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。
于是带正电的空穴被排斥到远离电极处，形成耗尽区，带负电的少数载流子在紧靠SiO2层形成负电荷层（电荷包），这种现象便形成对电子而言的陷阱，电子一旦进入就不能复出，故又称为电子势阱，势阱深度与电压成正比，如图3所示。
当MOS电容器受到光照时（光可从各电极的缝隙间经过SiO2层射入，或经衬底的薄P型硅射入），光子的能量被半导体吸收，产生电子-空穴对，这时出现的电子被吸引存贮在势阱中，光越强，势阱中收集的电子越多，光弱则反之，这样就把光的强弱变成电荷的数量，形成了光电转换，实现了对光照的记忆。
早期的CCD器件用MOS电容器实现光电转换，现在的CCD器件为了改善性能，用光电二极管取代MOS电容器做光敏单元，实现光电转换，移位寄存器（实现电荷转移）为MOS电容器。
二．电荷的转移与传输
CCD的移位寄存器是一列排列紧密的MOS电容器，它的表面由不透光的铝层覆盖，以实现光屏蔽。
由上面讨论可知，MOS电容器上的电压愈高，产生的势阱愈深，当外加电压一定，势阱深度随阱中的电荷量增加而线性减小。
利用这一特性，通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱深浅。
制造时将MOS电容紧密排列，使相邻的MOS电容势阱相互“沟通”。
当相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小（目前工艺可做到0.2μm），在信号电荷自感生电场的库仑力推动下，就可使信号电荷由浅处流向深处，实现信号电荷转移。
为了保证信号电荷按确定路线转移，通常MOS电容阵列栅极上所加电压脉冲为严格满足相位要求的二相、三相或四相系统的时钟脉冲。
下面我们分别介绍三相和二相CCD结构及工作原理。
1.三相CCD传输原理
简单的三相CCD结构如图4所示。
对应每一个光敏单元为一个像元，每1像元有三个相邻电极，每隔两个电极的所有电极（如1、4、7……，2、5、8……，3、6、9……）都接在一起，由3个相位相差1200的时钟脉冲φ1、φ2、φ3来驱动，故称三相CCD，图4（a）为剖面图，（b）为俯视图，（d）给出了三相时钟随时间的变化。
在t1时刻,第一相时钟φ1处于高电压，φ2、φ3处于低压。
这时第一组电极1、4、7……下面形成深势阱，在这些势阱中可以贮存信号电荷形成“电荷包”，如图（c）所示。
在t2时刻，φ1电压线性减少，φ2为高电压，在第一组电极下的势阱变浅，而第二组（2、5、8……）电极下形成深势阱，信息电荷从第一组电极下面向第二组转移，直到t3时刻，φ2为高压，φ1、φ3为低压，信息电荷全部转移到第二组电极下面。
重复上述类似过程，信息电荷可从φ2转移到φ3，然后从φ3转移φ1电极下的势阱中，当三相时钟电压循环一个时钟周期时，电荷包向右转移一级（一个像元），依次类推，信号电荷一直由电极1、2、3……N向右移，直到输出。
2．二相CCD传输原理
CCD中的电荷定向转移是靠势阱的非对称性实现的。
在三相CCD中是靠时钟脉冲的时序控制，来形成非对称势阱，但采用不对称的电极结构也可以引进不对称势势阱，从而变成二相驱动的CCD，目前实用CCD中多采用二相结构。
实现二相驱动的方案有:
阶梯氧化层电极
阶梯氧化层电极结构参见图5。
由图可见，此结构中将一个电极分成二部分，其左边部分电极下的氧化层比右边的厚，则在同一电压下，左边电极下的势阱浅，自动起到了阻挡信号倒流的作用。
设置势垒注入区（图6）
对于给定的栅压，位阱深度是掺杂浓度的函数，掺杂浓度高，则位阱浅。
采用离子注入技术使转移电极前沿下衬底浓度高于别处，则该处位阱就较浅，任何电荷包都将只向位阱的后沿方向移动。
图5采用阶梯氧化层电极形成的二相结构图6采用势垒注入区形成二相结构
低电位
高电位
（a）结构示意；（b）驱动脉冲
由图6（b）可见，驱动脉冲φ1φ2反向，当φ1为低电位时，它们在移位寄存器中形成的势阱如图6（a）所示。
当φ1由低电位变为高电位，φ2由高电位变为低电位时，相当于势阱曲线右移一个单元，信号电荷也向右转移一位。
三．电荷读出方法
CCD的信号电荷读出原理可用图7，图8说明。
图7中T1，T2为场效应管，它的源级，漏极之间的电流受栅极电压控制。
以2相驱动为例，驱动脉冲，复位脉冲，输出信号波形之间的关系如图8所示。
在t1时刻，加在场效应管T1栅极上的复位脉冲RS为高电平，T1导通，结电容C被充电到一个固定的直流电平，源极跟随器T2的输出电平Vo被复位到略低于输入电压Vi的复位电平上。
在T2时刻，复位脉冲为低电平，T1截止，仅有很小的漏电流，使输出电平有一个下跳。
在T3时刻，φ2脉冲变为低电平，信号电荷从φ2电极下进入T2管栅极，这些电荷（电子，带负电）使T2管的栅极电位下降，输出电平也跟随下降，电荷越多，输出电平下降越多，其下降幅度代表信号电压。
将信号电压取样，就得到与光敏单元曝光量成正比的输出电压。
【实验内容】
一、CCD驱动信号与传输性能的实验
CCD要在若干时序严格配合的外界脉冲驱动下才能正常工作。
进入ccd.exe程序后选择实验1，并按图10中的参数选择结束时间，显示屏上将显示各路脉冲的波形图。
SH信号加在转移栅上。
当SH为高电平时，正值φ1为高电平。
移位寄存器中的所有φ1电极下均形成深势阱，同时SH的高电平使光敏单元与各像元φ1电极下的深势阱沟通，光敏单元向φ1注入信号电荷。
SH为低电平时，光敏单元与移位寄存器的连接中断，此时光敏单元在外界光照作用下产生与光照对应的电荷，而移位寄存器中的信号电荷在时钟脉冲作用下向输出端转移，由输出端输出。
实验结果见表1
二、CCD特性参数的测量
影响CCD性能的基本参量有：
像敏单元数，像元尺寸，响应度，饱和曝光量，饱和输出电压，暗信号电压，动态范围，像敏单元不均匀度，驱动频率，传输效率，光谱响应范围，功率损耗等。
这些参量，有的完全由CCD的材料及制造工艺确定，如像元数，像元尺寸，光谱响应范围等。
有的与使用条件，外围电路与信号处理电路的参数，光学系统的优劣有关系，可用实验的方法测量。
在实验项目中选择实验2，屏幕上将显示输出电压，不再显示驱动信号。
1、CCD的光电转换特性：
光电转换特性是CCD最基本的特性。
实验中，改变CCD的曝光量（照度与曝光时间的乘积），测量相应的输出电压，以曝光量为横轴，输出电压为纵轴，就可作出CCD的光电转换特性曲线。
特性曲线线性段的斜率，即为CCD的响应度或称灵敏度（V/Lx·s），它表征曝光量改变时输出电压的改变程度。
特性曲线的拐点对应的输出电压VS为饱和输出电压，即CCD输出的最大电压。
拐点对应的曝光量称为饱和曝光量，CCD使用时必须保证最大曝光量低于饱和曝光量，否则会导致信号严重失真。
特性曲线的起始点对应的电压VD为暗信号电压，即一定曝光时间下，无光照时的输出电压。
一只良好的CCD传感器，应具有高的响应度和低的暗信号输出。
按表2数据设置参数，用减光镜和柔光镜调整照度（通常可设置为0.2～1.5Lx之间，如果外界环境光线较暗，可适当增加照度值或增加外界光照强度，其他实验也可以采用类似处理方法）,并记录测量到的照度值。
在不同曝光时间时点击启动按钮，可观察到由于噪声的影响，各单元的输出值在小范围内波动。
点击停止后，用鼠标横线对准各输出单元的输出平均值，屏幕下方将会显示横线对应的电压值，将测量到的输出电压数据记录于表2中。
用表2数据作图，并由图计算出CCD的灵敏度，饱和输出电压，饱和曝光量。
2．暗信号电压，暗噪声，动态范围，像敏单元不均匀度：
暗信号电压是由于积分暗电流，以及时钟脉冲通过寄生电容耦合等因素产生。
暗电流的存在，限制了CCD的曝光（积分）时间。
实验中，通过改变CCD的曝光时间，观测暗信号输出幅度的变化以及噪声大小。
一般手册上给出的暗信号电压，是在10ms的曝光时间下测量得到。
暗电流与温度密切相关，温度每升高7度，暗电流约增加1倍，当需要用CCD探测微弱信号时，将CCD制冷，能大大延长积分时间。
暗信号一般是不均匀的，存在着热噪声，转移噪声等各种噪声因素，暗噪声定义为暗信号电压平均值与最大值之间的差值。
动态范围一般定义为饱和输出电压与暗信号电压的比值。
由于暗信号电压与曝光时间有关，因此曝光时间越短，动态范围越大。
动态范围决定了CCD在不失真状态下能探测的最强与最弱信号的比值，在光谱测量等应用领域中，为了测量出较弱的谱线，就需选用动态范围大的CCD。
CCD的各个像元在均匀光照下，有可能输出不相等的信号电压。
这是由于材料的不均匀性以及工艺条件，制造误差等因素导致的。
像敏单元不均匀度NU值是使CCD在均匀白光照射下，使其输出电压等于1/2饱和输出电压时测量得到，定义为U/U，U为输出电压的平均值，U为输出电压平均值与最大值之间的差值。
实用的CCD不均匀度应在10％以下。
用不透光材料遮盖CCD窗口，在不同的曝光（积分）时间测量暗信号及暗噪声电压，记录于表3中。
用均匀白光照明，用减光镜调整CCD的照度，使曝光时间10ms时的输出电压约为饱和输出电压的一半，测量输出电压的平均值U及输出电压平均值与最大值之间的差值U，记录于表3中。
用饱和输出电压除以10ms时的暗信号电压，计算CCD的动态范围。
用表3中测量的U及U，计算CCD的像敏单元不均匀度。
三、CCD输出信号的处理方式
当用数字设备（如计算机）接收，显示CCD采集的模拟信号时，需对信号进行数字化处理。
CCD用于图像采集时，一般是用AD转换器将模拟信号转换为数字信号进行传输、处理，在显示时再还原出原来的模拟信号。
在某些不要求图像灰度的应用中，如图纸，文件的输入，物体尺寸、位置的检测等，只需把信号作为分离的二值（0，1）处理，这样可提高图像边缘的锐度，还可提高处理速度，降低成本。
在实验项目中选择实验3。
实验中，用灰度板作为采集对象，适当调整CCD照度，比较经两种不同方法处理后输出信号的异同，将图像记录于表4中。
用鼠标纵线对准二值化图像边缘，读取对应的CCD输出电压值，记录于表4中。
根据表4记录的图形及输出电压值，说明二值化处理的原理。
【实验数据与图像】
1、曝光时间，驱动周期，照明情况对输出的影响
表1
结束时间（ms）
曝光时间（ms）
驱动周期（μs）
灰度板位置
CCD输出电压图形
对输出的说明
2
2
0.8
位置A
图a1
附注1
4
2
0.8
位置A
图a2
附注2
4
2
0.8
位置B
图a3
附注3
4
4
0.8
位置B
图a4
附注4
4
4
1.6
位置B
图a5
附注5
4
4
3.2
位置B
图a6
附注6
8
8
3.2
位置B
图a7
附注7
位置A位置B
图a1
附注1.曝光时间等于显示时间，显示1幅完整图形。
各光敏单元输出电压幅度与透过灰度板的照度成正比。
由于显示时间大于驱动周期的2088倍，有效信号传送完后有一段时间传送空信号。
图a2
附注2：
由于显示时间是曝光时间的2倍，显示的是2幅图形。
横坐标（时间轴）上每格对应的时间是结束时间为2ms时的2倍
图a3
附注3：
挡光片位置改变，光敏单元照明情况改变，输出也随之改变。
图a4
附注4：
曝光时间延长，输出电压也随之增加。
由于驱动周期未变，只需1.67ms就将所有信号传送到输出端，剩余时间传送的是空信号
图a5
附注5：
驱动周期延长，传送信号的时间相应延长。
图a6
附注6：
曝光时间小于驱动周期的2088倍，移位寄存器中信号尚未全部传送到输出端，转移栅又再次开启，信号电荷混杂，导致输出失真。
CCD应用中应避免这种情况出现。
图a7
附注7：
曝光时间延长，输出电压也随之增加。
由于驱动周期未变，只需1.67ms就将所有信号传送到输出端，剩余时间传送的是空信号。
二、光电转换特性的测量
起始象素1000，结束象素1050，驱动周期0.8s，照度＝1.9Lx
曝光时间（ms）
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
输出电压（V）
0.25
0.60
0.84
1.11
1.27
1.54
1.77
1.80
1.84
1.84
得到的曝光量—电压曲线为
图1曝光量与电压曲线
图2经线性拟合
在2-16（ms）段，曲线近似为直线，可知电压与曝光量成线性关系，曝光量再增大就过饱和，电压成水平状。
直线部分经拟合得到：
斜率为0.1227，截距为0.0729
即CCD的灵敏度为：
0.1227
，暗电压为:
0.0729（V），饱和电压为：
1.84（V）求得饱和曝光量为:
14.4（Lx*s）.
三、暗信号电压及不均匀度的测量
起始象素500，结束象素1500，驱动周期0.8s
暗信号测量
不均匀度测量
曝光时间（ms）
10
70
500
曝光时间（ms）
10
暗信号电压（V）
0.04
0.13
0.80
输出电压U（V）
1.03
暗噪声（V）
0
0.06
0.47
U（V）
0.25
CCD的动态范围=1.84/0.04=46
像敏单元不均匀度：
四、AD转换或二值化处理后输出信号的测量
起始象素0，结束象素2047，驱动周期0.8s，照度约1.9Lx
曝光时间
（ms）
灰度板位置
二值化图像边缘对应的输出电压值（V）
CCD输出图形
二值化图像
2
1.003
图b1上部
图b1下部
4
0.999
图b2上部
图b2下部
4
1.003
图b3上部
图b3下部
图b1
图b2
图b3
从图中可以看出，工作原理为：
设定某个输出电压值（本实验为1.0V左右）为高低电压分界线，高于此值的信号定位1，小于此值的为0。
【实验结果与讨论】
通过本次实验，我们学习掌握了CCD的基本工作原理，CCD正常工作所需的外部条件及这些条件改变对CCD输出的影响。
我们还测量了曝光时间、驱动周期、照明情况对输出的影响，并根据实验原理对输出进行了说明。
我们还测量了CCD的光电转换特性曲线，根据曲线得到了CCD的灵敏度、饱和输出电压及饱和曝光量。
还测量并计算了CCD的暗信号电压，暗噪声，动态范围，像敏单元不均匀度等参数。
最后，我们比较了CCD输出信号经AD转换或二值化处理后输出信号的差异。
较好的达到了实验要求。
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