原理与应用.doc

实验22 CCD原理及应用实验

实验规则及注意事项

为了确保线阵CCD原理及应用技术实验的顺利进行，保障人身安全，避免损坏设备，并且达到实验目的，要求实验人员必须严格遵守以下实验规则及注意事项。
1、 在实验之前，实验人员必须阅读本实验指导书中所要求的实验准备内容，并阅读必要的参考资料。明确实验目的，了解实验内容的详细步骤，达到要求后方能进行实验。
2、 实验进行过程中，必须严格按照指导老师制定的步骤进行实验，不得自行随意进行，否则可能损坏实验仪，造成不必要的严重后果。
3、 要爱护实验仪器和示波器等实验设备，不允许将其它不相关的仪器在未经许可的情况下与本实验仪进行连接。
4、 所有与本实验仪相关的线缆必须在断电的情况下正确连接好，严禁带电插拔所有电缆线。
5、 实验要集中精力，认真实验。遇到问题时应找指导老师解决，不得自作主张。
6、 一旦发生意外事故或者实验现象出现异常时，应立即切断电源，并如实向指导老师汇报情况。待故障排除之后方可继续进行实验。
7、 在进行CCD实验过程中，不允许带电插拔CCD器件，否则会造成CCD器件损坏。
8、 不允许用带电的烙铁焊接任何与CCD有电气连接的导线、元器件。必须焊接时，应将烙铁的电源拔下来，利用烙铁的余热焊接，或者将CCD芯片拔下来后再焊接。

一、实验目的
1、 掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD驱动器各路脉冲的频率、幅度、周期和相位关系的测量方法。
2、 通过测量CCD驱动脉冲之间的相位关系，掌握二相线阵CCD的基本工作原理。
3、 通过测量典型线阵CCD的输出脉冲信号与驱动脉冲的相位关系，掌握CCD的基本特征。
4、 通过对典型线阵CCD在不同驱动频率和不同积分情况下输出信号的测量，进一步掌握积分时间的意义，以及驱动频率与积分时间对CCD输出信号的影响。
5、 通过该实验，定性了解CCD进行物体测量的方法。
二、实验原理
CCD是电荷耦合器件（Charge Coupled Device）的简称，它是由金属—氧化物---半导体（Charge Coupled Device）简称MOS构成的密排器件。主要用于两个领域，一是信息存储和信息处理，二是用于摄像装置。 这里介绍摄像用的黑白两相线阵CCD。
1、 两相线阵CCD电荷传输原理
两相线阵CCD电荷传输原理如图22.1所示，通过控制电极SH、φ1、φ2的电位高低来改变势井的深度，从而使电荷包在势井中转移。每一相有两个电极（即一个CCD转移寄存器的MOS电容实际中用两个），这两个电极与半导体衬底间的绝缘体厚度不同，在同一外加电压下产生两个不同深度的势井，绝缘体薄的那个MOS电容比绝缘体厚的那个MOS电容势井深，只要不是过多的电荷引入，电荷总是存于右边那个势井。图b显示了相位相差180O的驱动脉冲Φ1为高电位，Φ2为低电位时MOS电容的势井深度及电荷存储情况。图c表示Φ1和Φ2电位相等时的情况，这时电荷还不能移动；图d显示了Φ1为低电位，Φ2为高电位时的情况，这时电荷流入Φ2相的势井。当Φ1和Φ2电位再相等时停止流动。

图22.1 两相线阵CCD电荷传输原理示意图

电荷传输机理证明，电荷从一个势井传输到下一个势井需要一定的时间，且电荷传输随时间的变化遵循指数衰减规律，只有由Φ1和Φ2的频率所确定的电荷传输时间大于或等于电荷传输所需要的时间，电荷才能全部传输。但在实际应用中，从工作速率考虑，由频率所确定的电荷传输时间往往小于电荷本身传输所需要的时间。这就是说，电荷的转移效率与驱动频率有关。驱动频率越低，输出信号越强。积分时间为光电转换的时间，显然，积分时间越长，光敏区的MOS电容存储的电荷越多，相应输出信号越强。
2、黑白两相线阵CCD结构
黑白两相线阵CCD有多种规格，实际上大同小异。这里以实验所用TCD1200D型2160像素的CCD为例进行简述。结构如图22.2所示。

图22.2 TCD1200D结构示意图
它包括摄像机构、两个CCD模拟移位寄存器、输出机构和采样保持电路四部分。
摄像机构也称摄像区，它具有2160个光敏元和电荷转移电极组成，实际上为2160个MOS电容，电荷转移电极为MOS电容的栅极，通过电荷转移电极给栅极加脉冲电压。光敏元起光电转换作用，MOS电容起暂存转换的电荷和向CCD模拟移位寄存器转移电荷包的作用。将2160个MOS电容的奇数位分别与CCD转移寄存器1相连，偶数位分别与CCD转移寄存器2相连。
CCD模拟移位寄存器也是由一系列MOS电容组成。移位寄存器1和2各密排1080个，他们对光不敏感，φ1、φ2为MOS电容的栅极，通过φ1、φ2外加脉冲电压。
电荷转移电极SH为摄像区MOS电容的控制电极，外加周期性脉冲电压。在脉冲电压低电平期间，摄像机构中的MOS电容形成势井暂存光敏元转换的电荷，建立起一个与图像明暗成比例的电荷图像。高电平期间，摄像区的MOS电容中的电荷同时读出到CCD模拟移位寄存器的MOS电容中，奇数位信号转移到移位寄存器1。偶数位信号转移到移位寄存器2。在下一个周期的低电平期间，摄像区的MOS电容摄取第二幀图像，与此同时，CCD转移寄存器的MOS电容中的电荷，在φ1、φ2脉冲电压的作用下，两个移位寄存器中的电荷包以奇、偶序号交替的方式逐个移位到输出机构中，恢复了摄像时的次序。
由场效应管Q1、Q2构成的两个源极跟随器构成输出机构，将来自CCD移位寄存器携带图像信息的电荷包以电压的形式送到器件外，OS是输出电极。
输出机构接有复位电极RS，接到Q1的栅极，每当前一个电荷包输出完毕，下一个电荷包尚未输出之前，RS上应出现复位脉冲，将前一个电荷包抽走，使Q1栅极复原，准备接收下一个电荷包。
DOS为采样保持电路的控制端，当DOS加适当脉冲电压时，CCD输出信号得到了采样保持，OS端输出连续信号，DOS加直流电压时，采样保持电路不起作用，OS端输出信号与光强成正比，通常均用此种情况。
3、 驱动脉冲及时序要求
要使CCD器件正常工作，至少要在SH、φ1、φ2、RS电极上加四路脉冲电压。这四路脉冲的周期和时序要满足图22.3所示要求，图中U0为CCD输出信号。

图22.3 四路脉冲的周期和时序

SH为电荷转移电极控制脉冲。SH为低电平时处于“采光期”，进行摄像，摄像区的MOS电容对光生电子进行积累；SH为高电平时，摄像区积累的光生电子按奇偶顺序移向两侧的移位寄存器中，时间很短，所以SH脉冲的周期决定了器件采光时间的长短。SH脉冲的周期称为积分时间。
φ1、φ2为加在移位寄存器MOS电容上的脉冲，称为驱动频率。在SH脉冲的一个周期里，两侧的移位寄存器在φ1、φ2驱动脉冲的作用下，把上一周期转移来的电荷包逐个依次输出到器件外。每当φ1或φ2高电平时就输出一个电荷包，按奇偶顺序移，φ1移奇数位，φ2移偶数位。因此，φ1、φ2的位相必须相反。
驱动频率的大小要适当，因为电荷的传输是从一个势井依次传到下一势井，需要一定的时间，φ1、φ2的周期若小于这一时间，势井的电荷不能全部输出，则影响输出信号幅度和精度，太大会使噪声增大。
SH和φ1、φ2必须满足：SH的周期等于或稍大于2160/2个φ1、φ2脉冲周期，小于时则电荷包不能全部输出，会影响下个周期输出信号的精确度；太大会影响器件的速率。RS脉冲为复位脉冲，其频率为φ1、φ2脉冲频率的两倍。
以上四个脉冲除频率要满足以上要求外，脉冲波形也有一定要求，尤其是SH、φ1、φ2脉冲之间的关系，当SH为高电平时，φ1必须同时为高电平，且φ1必须比SH提前上升，当SH为低电平时，φ1必须同时为低电平，且φ1必须比SH迟后下降。如图22.4所示，用模拟示波器是很难测出这些时间的。

图22.4 积分时间上升和下降时间

4、CCD二值化的原理
在CCD输出信号中涵盖了线阵CCD各像元的照度分布和像元位置信号，这在测量物体位置中显得非常重要。
U0
首像元
末像元
图22.5
LM339
+
-
U0
U1
+5V
+12V
图22.6
当将不透明物体放置到CCD上后，我们观测到U0的输出信号如图22.5所示。为了将物体的边界检测并描述出来，可以采用如图22.6所示的阈值法检测电路。在该电路中，电压比较器的“+”输入端接CCD输出信号U0，而其另一端接电位可以调整的电位器上，这样便构成了可调阈值电平的固定阈值二值化电路。

三、实验仪器简介
1、TCD1200D线阵CCD图象传感器
特性：
● 像敏单元数目：2160像元
● 像敏单元大小：14×14×14（相邻像元中心距14）
● 光敏区域： 采用高灵敏度PN结作为光敏单元
● 时钟： 二相（5V）
● 内部电路： 包含采样保持电路，输出预放大电路
● 封装形式： 22脚DIP封装
管脚定义

ф1
时钟1
OS
信号输出
ф2
时钟2
DOS
补偿输出
SH
转移控制栅
OD
电源
RS
复位栅
SS
地
NC
空脚

工作条件：
特性
符号
最小值
典型值
最大值
单位
时钟脉冲电压
高电平
Vф
4.5
5
5.5
V
低电平
0
0.2
0.5
转移脉冲电压
高电平
VSH
4.5
5
5.5
V
低电平
0
0.2
0.5
复位脉冲电压
高电平
VRS
4.5
5
5.5
V
低电平
0
0.2
0.5
电源电压
VOD
11.4
12
13
V
时钟脉冲频率
fф
0.1
0.5
1.0
MHZ
复位脉冲频率
fRS
0.2
1.0
2.0
MHZ

2、CCD原理及应用实验箱
仪器由六部分组成：
CCD驱动电路：产生CCD驱动所需的各种驱动脉冲；
积分时间驱动频率测试电路：
1）调整SH脉冲的周期，按“积分时间”，DSI轮番显示0、1、2、3，对应不同的SH脉冲周期，0对应最小周期，3对应最大周期；
2）调整时钟脉冲频率和复位脉冲频率，按“驱动频率”，DS2轮番显示0、1、2、3，对应不同的时钟频率，0对应最大频率，3对应最小频率。
为保证SH脉冲的周期等于或稍大于2160/2个φ1、φ2脉冲周期，调整时钟脉冲频率时，SH脉冲的周期随之变化，而调整SH脉冲的周期时，时钟脉冲周期不变。
信号处理电路：用硬件对CCD输出信号进行二值化处理，W1电位器可调整阈值电平。
测试区：为转移脉冲SH、时钟脉冲φ1、φ2、复位脉冲RS、CCD输出U0、二值化处理后信号U1的输出引出端。
USB数据采集电路：为CCD输出与计算机接口电路，目的是通过软件对CCD输出信号进行二值化处理。
光源与CCD暗箱：包含光源和CCD传感器，光源用实验箱上的0～12V电源驱动，光强度可调，CCD传感器用电缆接入实验箱上的“CCD”接口。
3、双踪同步示波器（20MHz以上）
板面布置如下图

四、实验内容与步骤
注意：使用双踪示波器检测信号时，示波器与CCD原理应用实验箱应共地。
1、实验准备
（1）打开CCD原理与应用实验箱的电源开关，用“积分时间”按钮调整转移脉冲SH周期档为0档，用“驱动频率”按钮调整时钟脉冲频率为0档，观察积分时间显示窗口和驱动频率显示窗口的显示数据，并用积分时间设置按钮调整积分时间档为0档（按红色按钮依次由0®1®2®3®0），用频率设置按钮调整频率为0档（按红色按钮依次由0®1®2®3®0）。
（2）然后，用CH1探头检查CCD驱动器的各路脉冲波形是否正确（参考实验箱面板上时序图）。如符合，则继续进行以下实验；否则，应请指导教师进行检查。
2、驱动时序和相位的测量
（1） 打开示波器的电源开关，用CH1探头测试转移脉冲SH。用CH1做触发信号，调节扫描速度和同步使之同步，使SH脉冲至少出现一个周期。
（2） 用CH2探头测试Φ1，调节示波器扫描速度展开SH，观察Φ1和SH的时序和相位是否符合要求。
（3） 用CH1探头测试Φ1，用CH2分别测试Φ2、RS，，观察时序和相位是否符合要求。
3、驱动频率的测量：分别测出各频率档Φ1、Φ2、RS的周期、频率、幅度，填入下表
驱动频率
项目
Φ1
Φ2
RS
0档
周期（s）

频率（Hz）

幅度（V）

1档
周期（s）

频率（Hz）

幅度（V）

2档
周期（s）

频率（Hz）

幅度（V）

3档
周期（s）

频率（Hz）

幅度（V）

4、积分时间的测量
（1） 将频率设为0（档），用CH1观测SH脉冲周期，分别测出各积分时间档位的积分时间。填入下表中。
（2）再改变驱动频率，测出不同档位的积分时间。
驱动频率0档
驱动频率1档
驱动频率2档
驱动频率3档
积分时间（档）
SH周期（ms）
积分时间（档）
SH周期（ms）
积分时间（档）
SH周期（ms）
积分时间（档）
SH周期（ms）
0

0

0

0

1

1

1

1

2

2

2

2

3

3

3

3

5、不同频率与不同光强下测量物体的变化
（1）关闭CCD原理与应用，用电缆将CCD接入实验箱。打开实验箱的电源开关将积分时间开关置于0档，驱动频率开关置于0档，用CH1探头测量ΦSH并使之同步，用CH2测量输出信号Uo,缓慢调节CCD像敏元的照度，稳定ΦSH与Uo信号，观测ΦSH与Uo的关系，并画出ΦSH与Uo2个周期的波形图.
（2）将不透光的被测物体放置到CCD上面。观察UO的波形改变。记录Uo2个周期的波形图。
（3）改变CCD像敏元的照度，观察UO的波形变化，观察光变强和变弱时的波形变化。
（4）积分时间置于0档，改变积分时间，观察UO的波形改变。
6、比较U1与U0两路信号
将积分时间开关置于0档，驱动频率开关置于0档，将示波器CH1探头接CCD输出信号U0，CH2探头接硬件二值化后的信号U1，比较两路信号，画出U0与U1 2个周期的波形图。
7、关闭CCD原理与应用实验箱电源，关闭示波器电源。整理仪器。
五、实验数据处理要求
1、根据各脉冲频率的测量，画出SH、Φ1、Φ2、RS的波形，记录CCD输出图像Uo，以及二值化图像U1。
2、根据记录的波形，说明ΦSH与Uo的关系。
3、根据实验观察，说明像敏元的照度的与UO的关系。
4、根据实验观察，说明积分时间对UO的影响。
5、根据记录的波形，说明U0与U1的区别。
六、思考题
1、说明TCD1200D的基本工作原理。