CCD光电测量实验报告.docx

1、CCD光电测量实验报告重 庆 大 学学 生 实 验 报 告实验课程名称 电子信息综合实验 开课实验室 重庆大学物理实验教学中心 学 院 物理 年级 2012 专业班 电子信息01 组内成员姓名 张益达 组 长 张益达 设 计 日 期：2015年10月20日起2015年12月8日止开 课 时 间 2015 至 2016 学年第 1 学期总 成 绩教师签名 物理学院 学院制CCD光电测量综合设计一、实验目的本次电子信息综合实验的目的，是完成一个CCD光电测量系统。CCD（Charge Coupled Devices）是20世纪70年代发展起来的新型半导体器件。CCD器件是一种新型光电转换器件，它以

2、电荷作为信号，其基本功能是电荷信号的产生、存储、传输与检测。它主要由光敏单元、输入结构和输出结果等组成。本次实验使用的的TCD1206UD二相线阵CCD。实验设计的最终目的是搭建一个完整的CCD光电测量系统，可以实现CCD器件对光影关系的感应，并在示波器上显示其输入输出波形。完成TCD1206 CCD器件驱动电路的设计，学会用Altium Designer实现简单的工程，理解FPGA特点、应用和设计流程，CCD光电测量系统的最终实现。二、实验原理：1.CCD的原理、种类、特点、发展、应用1.1 CCD简介CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以

3、称为CCD图像传感器,也叫图像控制器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。1.2 CCD 工作原理1.2.1 电荷存储构成CCD的基本单元是MOS（金属氧化物半导体）电容器，如图2.1所示。正像其他电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。如果MOS结构中的半导体是P型，当在金属电极（称为栅）上加一

4、个正的阶梯电压时（衬底接地），Si-SiO2界面处的电势（称为表面势或界面势）发生相应变化，附近的P型硅中多数载流子空穴被排斥，形成所谓耗尽层，如果栅电压VG超过MOS晶体管的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度耗尽状态，由于电子在那里的势能较低，我们可以形象地说，半导体表面形成了电子的势阱，可以用来存储电子。当半导体表面存在势阱时，如果有信号电子（电荷）来到势阱或在其邻近，它们变可以聚集在表面。随着电子来到势阱中，表面势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电子逐渐填充势阱。势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，即表面势的大小，而表面势又随栅电压而变化，栅电压越大，势阱越

5、深。如果没有外来的信号电荷，耗尽层及其邻近区域在一定温度下产生的电子将逐渐填满势阱，这种热产生的少数载流子电流叫做暗电流，所以有别于光照下产生的载流子。因此，电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。图1.1 电荷存储1.2.2信号电荷的转移电荷耦合器件工作原理较为简单，属于转移电极结构，是三相转移电极结构，其原理如图2.3所示。如果在三相转移电极1、2和3上加如图2.2所示的三相脉冲电压后，当1为高电平（t 1）时，由外界注入的信号电荷S被存储于1电极下表面的势阱中。在t2时刻，1变为低电平、2变为高电平后，S被转移并被存储与2电极下表面势阱中，如图2.3所示的电荷转移过程。依

6、次类推，信号电荷逐极转移，最后达到输出端。图2.2 三相脉冲驱动电压 图2.3电荷的转移过程应该注意，采用三相电压的目的是为了使信号电荷准确地沿着指向终端的方向移动。按耗尽层理论，可以证明，转移栅（MOS结构）电极下半导体表面电子势阱的深度与氧化层厚度和半导体所掺杂的浓度有关，氧化层厚度越大，势阱越浅；半导体中所掺杂质浓度越高，势阱越浅。因此，可以利用这种原理在一个电极下势阱中制造势垒以阻止信号电荷逆向转移，如图2.4（a），（b）所示 （a）利用氧化层产生势垒 （b）利用表面掺杂产生势垒图2.4 两相CCD的电极结构与脉冲波形按图2.4（a），由于同一个电极下氧化层厚度不同，在存储信号电荷的

7、电子势阱“后面”总存在一个势垒，阻止信号电荷逆向转移。按图2.4（b），利用在同一个电极下P型半导体表面局部加有较多的受主杂质（图中以+表示），也会产生同样的阻止信号电荷逆构转移的势垒。因此，这两种CCD都可以用波形简单得多的两相驱动脉冲工作，波形如图2.5所示。图2.5两相驱动脉冲波形CCD常因各种原因使所存储的信号电荷不能完全转移，若在第N个电极下存的信号电荷储为QN，经一次转移后，转移到第N+1个电极的信号电荷为QN+1，则称为一次转移的转移效率，而称=1-为转移失效率。由于通常CCD的电极数目很大，为使信号电荷转移到输出端不致有过大损失，一般要求CCD的转移效率在0.999或0.999

8、9以上。 影响转移效率的因素很多，尤其是表面CCD，与工作频率、波形、电极结构、工艺过程甚至信号大小都有关系。由于表面CCD受存于半导体表面的表面 态俘获电子的影响，其转移效率很难提高到超过0.9999。为此，人们研制了埋沟道CCD的新工艺，将电子势阱底和转移沟道移到体内，从而使转移效率提高到0.9999以上。目前以普遍采用了埋沟技术。1.2.3电荷的注入与检测由探测器产生的电压或电流信号需要通过注入极转换成信号电荷，并注入转移电极。图2.6所示的电路结构和电压脉冲波形是电荷注入的结构原理和波形图注入电荷包的方法很多，如图2.6所示的结构是常常采用的表面势平衡注入法。图中输入栅IG加直流电压V

9、IG，输入二极管ID加反向脉冲电压ID。当I为个高电平IH期间，ID低电平到达后，电子自ID电极注入I和IG电极下；当ID变为高电平时将在附近形成深的电子势阱，使多余的电子被会流入该势阱，并经PN结流入IG。因此，在注入过程结束后，最终在I电极下电子势阱中留下的电荷与I电极电压IH和IG电压VIG之差成比例，故：如果探测器产生的信号电压是VI，则用VI调制VIG，则可得到随VI变化的一系列信号电荷包。图2.6 表面势平衡注入法 （a）工作电路；（b）波形电荷包有多种检出方式，通常采用浮置扩散放大器的输出，简称FDA法。 FDA法输出结构的基本原理如图2.7所示，图中包括工作电路、工作脉冲波形和

10、输出信号波形。图中A为浮置扩散极，V0为芯片上的输出放大器管，TR为芯片上的复位管，输出栅OG加直流电压VOG以在其电压下形成导电沟道。图2.7 电荷包检出的FDA法（a）电路；（b）波形其工作过程是：在终端电极3为高电平期间（信号电荷存储在该电极下），预先用复位脉冲R导通TR管，使浮置扩散极A置于较高的电平VRD。随后3变为低电平时，3电极下的信号电荷QS（电子）经过输出栅OG下导电沟道转移到电极A上，使电极A的电压下降VA：CA为浮置扩散极的结电容。下一个复位脉冲R又使A复位于VRD，以准备接受下一个信号电荷，其输出波形如图2.7所示。 连接成源极输出器的输出晶体管TO，从源极输出的信号与

11、VA的波形相似。RL为外接负载电阻。1.3 CCD 的种类1、HAD感测器HAD(HOLE-ACCUMULATION DIODE)传感器是在N型基板，P型，N+2极体的表面上，加上正孔蓄积层，这是SONY独特的构造。由于设计了这层正孔蓄积层，可以使感测器表面常有的暗电流问题获得解决。另外，在N型基板上设计电子可通过的垂直型隧道，使得开口率提高，换句话说，也提高了感度。在80年代初期，索尼将其领先使用在可变速电子快门产品中，在拍摄移动快速的物体也可获得清晰的图象。2、ON-CHIP MICRO LENS80年代后期，因为CCD中每一像素的缩小，将使得受光面积减少，感度也将变低。为改善这个问题，索

12、尼在每一感光二极管前装上微小镜片，使用微小镜片后，感光面积不再因为感测器的开口面积而决定，而是以微小镜片的表面积来决定。所以在规格上提高了开口率，也使感亮度因此大幅提升。3、SUPER HAD CCD进入90年代后期以来，CCD的单位面积也越来越小，1989年开发的微小镜片技术，已经无法再提升感亮度，如果将CCD组件内部放大器的放大倍率提升，将会使杂讯也被提高，画质会受到明显的影响。索尼在CCD技术的研发上又更进一步，将以前使用微小镜片的技术改良，提升光利用率，开发将镜片的形状最优化技术，即索尼SUPERHAD CCD技术。基本上是以提升光利用效率来提升感亮度的设计，这也为日前的CCD基本技术

13、奠定了基础。4、NEW STRUCTURE CCD在摄影机的光学镜头的光圈F值不断的提升下，进入到摄影机内的斜光就越来越多，使得入射到CCD组件的光无法百分之百的被聚焦到感测器上，而CCD感测器的感度将会降低。1998年索尼公司为改善这个问题，将彩色滤光片和遮光膜之间再加上一层内部的镜片。加上这层镜片后可以改善内部的光路，使斜光也可以被聚焦到感光器。而且同时将硅基板和电极间的绝缘层薄膜化，让会造成垂直CCD画面杂讯的讯号不会进入，使SMEAR特性改善。5、EXVIEW HAD CCD比可视光波长更长的红外线光，也可以在半导体硅芯片内做光电变换。可是至当前为止，CCD无法将这些光电变换后的电荷，

14、以有效的方法收集到感测器内。为此，索尼在1998年新开发的“EXVIEW HAD CCD”技术就可以将以前未能有效利用的近红外线光，有效转换成为映像资料而用。使得可视光范围扩充到红外线，让感亮度能大幅提高。利用“EXVIEWHAD CCD”组件时，在黑暗的环境下也可得到高亮度的照片。而且之前在硅晶板深层中做的光电变换时，会漏出到垂直CCD部分的SMEAR成分，也可被收集到传感器内，所以影响画质的杂讯也会大幅降低2 。1.4 CCD 的发展1.4.1 CCD 的发展史CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉波义耳(Willard S. Boyle）和乔治史密斯（Georg

15、e E. Smith）所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装置，他们命名为“电荷气泡元件”（Charge Bubble Devices）。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。到了70年代，贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（Fairchild Semiconductor）、美国无线电公司（

16、RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。其中快捷半导体的产品领先上市，于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。1.4.2 CCD 的发展趋势CCD自问世以来，以它无比的优越性能和诱人的应用前景，引起了各国科学界德尔高度重视，日、美、英、德等发达国家不惜重金投资加速研制，加之微细加工技术的进展，使得CCD像素数剧增，分辨力、灵敏度大幅提高，发展速度惊人。线阵CCD已由第一代大踏步跃入第二代CCPD（光电二极管阵列），其线阵彩色CCD以实现了10725像素，阵列的不均匀性小于1%。 面阵CCD具有自扫描功能，主要用作图像传感器。一般的出售商品由4096

17、4096（1600万）像素，性噪比达80dB，暗电流小于25pA2(27),输出分均与性小于1%，像素尺寸为7.5m7.5m，探测信号电平为10个电子。 彩色摄像方面，市场上已有40964096像素高清晰度彩色CC摄像机出售。微光探测方面，市场上已推出10-9lx，水平分辨力大于700TV线，动态范围4000：1的CCD摄像机。 目前国外5000像素的线阵CCD已商品化，并对4个5000像素CCD进行拼接，实现了2104像素超长线阵CCD，获得了相当大的动态范围，满足了星 载、机载、空间监测等要求。 对CCD来说，随着超大规模集成工艺的进展，CCD不仅研究水平不断提高，阵列元数不断增多，CCD

18、摄像机的性能越来越好，而且更重要的是CCD芯片的成品率不断提高，摄像机的价格大幅度下降。据Secuity Management杂志发表的统计数据表明，综合研究所CCD摄像机的价格较之管式摄像机的总价格平均要低20%60%。又如俄罗斯机器人推出一种CCD摄像机，能在微光中拍摄并分辨出比人头发丝还细的物体，其售价只有同类管式摄像机的13。价格低廉使CCD摄像机应用领迅速扩大。现在不论是信号处理，还是数字存储，不论是高精度摄影，还是家用摄像，不是民用和是军用，可以说从太空到海底到处都有CCD的用武之地。 在图像传感方面的应用，目前还是以低性能CCD(即线阵CCD和30万像素以下的面阵CCD)为主，多

19、用于办公自动化方面的传真机、复 印机、摄像机和电视对讲机等；工业方面的机器人视觉、热影分析、安全监视、工业监控等；社会生活方面的家庭摄录一体化、汽车后视镜、门视镜等；军事方面的成像制导和跟踪、微光夜视、光电侦查，可视电话等。至于高性能CCD对用于医疗、高清晰度广播电视摄像以及天文学、卫星遥感等太空领域。 在迫切需要的牵引下，CCD图像传感器de 产量和销售额逐年大增。CCD今后的发展趋势微型化、高速、高灵敏度、多功能化。随着CCD性能的进一步提高，价格进一步降低，应用领域会更扩大，特别是在航天、遥感、夜视、侦察、制导、预警等军事领域中将会大显身手，将对加速武器更新换代 、促进军事装备升级做出重

20、大贡献。1.5 CCD 的主要应用四十年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确的测量、分析。含格状排列像素的CCD应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光元件。其光效率可达70%（能捕捉到70%的入射光

21、），优于传统菲林（底片）的2%，因此CCD迅速获得天文学家的大量采用。传真机所用的线性CCD影像经透镜成像于电容阵列表面后，依其亮度的强弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。传真机或扫瞄仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影，而数码相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像，或从中撷取一块方形的区域。一旦完成曝光的动作，控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元，到达边缘最后一个单元时，电荷讯号传入放大器，转变成电位。如此周而复始，直到整个影像都转成电位，取样并数位化之后存入内存。储存的影像可以传送到打印机、储存设备或显示器。当前，超高分辨率的CCD芯片仍相当昂贵，配备3CCD的

22、静态照相机，其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜。经冷冻的CCD同时在1990年代初亦广泛应用于天文摄影与各种夜视装置，而各大型天文台亦不断研发高像素CCD以拍摄极高解像之天体照片。CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致，速度也同步，以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望远镜记录到比原来更大的视场。一般的CCD大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度（或趋近零照度）摄影机/照相机等。为了减低红外线干扰，天文用CCD常以液态氮或半

23、导体冷却，因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应。CCD对红外线的敏感度造成另一种效应，各种配备CCD的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜，很容易拍到遥控器发出的红外线。降低温度可减少电容阵列上的暗电流，增进CCD在低照度的敏感度，甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升（信噪比提高）。温度噪声、暗电流（dark current）和宇宙辐射都会影响CCD表面的像素。天文学家利用快门的开阖，让CCD多次曝光，取其平均值以缓解干扰效应。为去除背景噪声，要先在快门关闭时取影像讯号的平均值，即为暗框(dark frame）。然后打开快门，取得影像后减去暗框的值，再滤除系统噪声（暗点和亮点等等），得到更清

24、晰的细节。天文摄影所用的冷却CCD照相机必须以接环固定在成像位置，防止外来光线或震动影响；同时亦因为大多数影像平台生来笨重，要拍摄星系、星云等暗弱天体的影像，天文学家利用自动导星技术。大多数的自动导星系统使用额外的不同轴CCD监测任何影像的偏移，然而也有一些系统将主镜接驳在拍摄用之CCD相机上。以光学装置把主镜内部份星光加进相机内另一颗CCD导星装置，能迅速侦测追踪天体时的微小误差，并自动调整驱动马达以矫正误差而不需另外装置导星。1.6 TCD1206UD 的工作原理1.6.1 TCD1206UD的基本结构TCD1206UD为典型的二相线阵CCD。下图为TCD1206UD的基本结构原理图。它由

25、2236个pn结光电二极管构成光敏元阵列，其中前64个和后12个是用作暗电流检测而被遮蔽的，图中用符号Dn表示；中间的2160个光电二极管是曝光像敏单元，图中Sn表示。奇、偶数光敏元分别与两边移位寄存器相连。移位寄存器的每一位（像素）有两个MOS，其中的一个MOS与光敏元相连，并接1脉冲，另一个不直接与光敏元相连，接2脉冲。其像素数量与光敏元相同。每个光敏单元的尺寸为14m长、14m高，中心距亦为14m。光敏元阵列总长30.24mm，光敏元的两侧是用作存储信号电荷的MOS电容列(图中存储栅)。MOS电容阵列两侧是转移栅电极SH，转移栅的两侧为CCD模拟移位寄存器，其输出部分由信号输出单元和补偿

26、输出单元构成。1.6.2工作原理当光照射光敏元时，由于光电转换原理，可以产生相应的信号电荷并将其存储在势阱中，这样光敏区因感光而形成一个电像，它与景物相对应。存储的电荷在一定时间后转移到移位寄存器，相邻2次电荷转移的时间间隔称为积分时间，由于电荷的转移时间很短，可认为电荷转移的周期便是积分时间，也是光敏元接受光照的时间。当移位寄存器中1为高电平，此时SH脉冲也为高电平使1电极下的深势阱与光敏元的存储势阱沟通，光敏元里的信号电荷迅速向两边模拟移位寄存器的1电极控制的MOS单元转移。然后，SH电平变低，形成浅势阱，光敏元与移位寄存器隔断，光敏元开始将光照量转化为对应信号电荷量。同时，已转移到移位寄

27、存器中的信号电荷包通过驱动脉冲1、2的控制，顺次地向图4-1中的左边转移，并经输出部分的OS端输出，输出电压信号的大小与光敏元中的电荷数成正比，光敏元中的电荷数与光的强度和积分时间成正比。2. FPGA的特点、应用、设计流程2.1 FPGA 简介FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。2.2 FPGA 的主要应用2.2.1 逻辑控制（逻辑接口领域）传

28、统方向,主要用于通信设备的高速接口电路设计，用FPGA处理高速接口的协议，并完成高速的数据收发和交换。FPGA最初以及到目前最广的应用就是在通信领域，一方面通信领域需要高速的通信协议处理方式，另一方面通信协议随时在修改，非常不适合做成专门的芯片。因此能够灵活改变功能的FPGA成为首选,到目前为止FPGA的一半以上的应用也是在通信行业。2.2.2 算法实现（信号处理、图像处理）数字信号处理方向或者数学计算方向，很大程度上这一方向已经大大超出了信号处理的范畴。在这一方向要求FPGA设计者有一定的数学功底，能够理解并改进较为复杂的数学算法，并利用FPGA内部的各种资源使之能够变为实际的运算电路。2.

29、2.3 SOPC（控制）严格意义上来说这个已经在FPGA设计的范畴之内，只不过是利用FPGA这个平台搭建的一个嵌入式系统的底层硬件环境，然后设计者主要是在上面进行嵌入式软件开发而已。如果涉及到需要在FPGA做专门的算法加速，实际上需要用到第二个方向的知识，而如果需要设计专用的接口电路则需要用到第一个方向的知识。目前SOPC方向发展其实远不如第一和第二个方向，其主要原因是因为SOPC以FPGA为主，或者是在FPGA内部的资源实现一个“软”的处理器，或者是在FPGA内部嵌入一个处理器核。但大多数的嵌入式设计却是以软件为核心，以现有的硬件发展情况来看，多数情况下的接口都已经标准化，并不需要那么大的F

30、PGA逻辑资源去设计太过复杂的接口。而且就目前看来SOPC相关的开发工具还非常的不完善，以ARM为代表的各类嵌入式处理器开发工具却早已深入人心，大多数以ARM为核心的SOC芯片提供了大多数标准的接口，大量成系列的单片机/嵌入式处理器提供了相关行业所需要的硬件加速电路，需要专门定制硬件场合确实很少。通常是在一些特种行业才会在这方面有非常迫切的需求。即使目前Xilinx将ARM的硬核加入到FPGA里面，相信目前的情况不会有太大改观，不要忘了很多老掉牙的8位单片机还在嵌入式领域混呢，嵌入式主要不是靠硬件的差异而更多的是靠软件的差异来体现价值的。2.3 FPGA 的设计流程PGA的设计流程就是利用ED

31、A开发软件和编程工具对FPGA芯片进行开发的过程。FPGA的开发流程一般如图1所示，包括电路设计、设计输入、功能仿真、综合优化、综合后仿真、实现、布线后仿真、板级仿真以及芯片编程与调试等主要步骤。 图1 FPGA开发的一般流程三、设计要求1.电路设计电源部分:要求能够根据所选器件设计出适合该器件的电源，本次实验所选器件电源均为直流电流于是考虑使用整流滤波电路。2.CCD驱动信号本次实验选用的CCD器件是TCD1206UD。由于TCD1206UD结构上的安排，OS端首先输出13个虚设单元信号，再输出51个暗信号，然后连续输出S1到S2160的有效像素单元信号。第S2160信号输出后，又输出9个暗

32、信号，再输出2个奇偶检测信号，以后便是空驱动。空驱动数目可以任意的。由于该器件是两列并行分奇、偶传输的，所以在一个SH周期中至少要有1118个1脉冲，即TSH1118T1SP及C是为用户提供的控制脉冲，SP与CCD输出的像元光电信号同步，可用来做采样保持控制信号。C的上升沿对应于CCD的第一个有效像素单元S1，因而可以用作行同步。四、实现过程1.设计方案：1.1电源部分设计根据实验要求以及所学知识，采用整流滤波电路实现由220V交流电到12V和+5V直流电的转变三端输出，变压器二极管整流桥选用器件：LM7879系列三段稳压电路集成IC芯片（包括LM7812CT、LM7809CT、LM7805CT、LM7912CT）直流电源的输入为220V的电网电压，所需直流电压的数值和电网电压的有效值