实验五面阵CCD时序驱动测试及成像实验

物理与电子信息学院——电子信息实验技术光电成像器件实验光电成像器件实验报告实验题目实验五面阵CCD时序驱动测试及成像实验日期2016.6.15姓名杨智超组别双2班级13光电子班学号134090340【实验目的】1、掌握面阵CCD模块的基本操作；2、了解行间转移式(interlinetranster)面阵CCD的基本工作原理、面阵CCD各路驱动脉冲波形意义及相位关系及面阵CCD输出的视频信号特点。【实验器材】光电技术创新综合实验平台一台面阵CCD模块一台带宽50MHz以上双踪迹同步示波器一台连接导线若干【实验原理】1、CCD的基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测，以下分别进行介绍。(1)光电荷的产生CCD的首要功能是完成光电转换，即产生与入射的光谱辐射量度成线性关系的光电荷。当光入射到CCD的光敏面时，便产生了光电荷。CCD在某一时刻所获得光电荷与前期所产生的光电荷进行累加。称为电荷积分。入射光越强，通过电荷积分所得到的电荷量越大，获得同等光电荷所需要的积分时间越短。(2)电荷存储构成CCD的基本单元是MOS(金属一氧化物一半导体)结构。在栅极施加正偏压之前，P型半导体中空穴(多数载流子)的分布是均匀的。当在栅极施加小于P型半导体的闽值电压的正偏压后，空穴被排斥，产生耗尽区。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体体内延伸。当栅极的正偏压大于P型半导体的阑值电压时，半导体与绝缘体界面上的电势变的如此之高，以致于将半导体体内的电子(少数载流子)吸引到表面，形成一层极薄的但电荷浓度很高的反转层。反转层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。(3)电荷转移当完成对光敏元阵列的扫描后，CCD将光电荷从光敏区域转移至屏蔽存储区域。而后，光电荷被按顺序转移至读出寄存器。通过在按一定的时序在电极上施加高低电平，可使光电荷在相邻的势阱间进行转移。通常把CCD的电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。按相数划分，CCD一般可分为二相CCD、三相CCD及四相CCD。图1如图1，四相时钟转移方式中两相产生势阱，用于电荷存储，两相用于产生势垒。三相时钟是指每个像元需要三个电极来转移电荷，这种方式在稳定时使用两个电极形成势垒，一个电极存储电荷，转移过程中两个电极存储电荷，一个电极形成势垒。两相时钟无论在结构上和时钟驱动上都比前两种方法简单。每个像元的转移由四个电极控制，一相时钟控制两个电极，两个电极的掺杂浓度不同，这种方式使电荷只能向一个方向转移。(4)光电荷的输出物理与电子信息学院——电子信息实验技术光电成像器件实验光电荷的输出是指在光电荷转移通道的末端，将电荷信号转换为电压或电流信号输出，也称为光电荷的检测。2、行间转移式(interlinetranster)面阵CCD工作原理隔列转移型面阵CCD它的像敏单元呈二维排列，每列像敏单元被遮光的读出寄存器及沟道隔开，像敏单元与读出寄存器之间又有转移控制栅。每一像敏单元对应两个遮光的读出寄存器单元。读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。由于每列像敏单元均被寄存器隔开，因此，这种面阵CCD称为隔列转移型CCD。隔列转移型面阵CCD工作在PAL电视制式下，按电视制式的时序工作。在场正程期间像敏区进行光积分，这个期间转移栅为低电平，转移栅下的势垒将像敏单元的势阱与读出寄存器的变化势阱隔开。像敏区进行光积分的同时，移位寄存器在垂直驱动脉冲的驱动下一行行地将每列的信号电荷向水平移位寄存器转移。场正程结束（光积分时间结束）后，进入场逆程。在场逆程期间转移栅上产生一个正脉冲，在转移控制脉冲的作用下将像敏区的信号电荷并行地转移到垂直寄存器中。转移过程结束后，光敏单元与读出寄存器又被隔开，转移到读出寄存器的光生电荷在读出脉冲的作用下一行行地向水平读出寄存器中转移，水平移位寄存器快速地将其经输出放大器输出。在输出端得到与光学图像对应的一行行的视频信号。3、行间转移式面阵CCD驱动时序行间转移式面阵CCD驱动时序是一组周期性的，关系比较复杂的时序脉冲信号，而且具有特定的电压电平，它是直接影响CCD转换效率，信噪比等光电转换特性的一个重要因素，精确的驱动时序是CCD器件正常稳定工作的保证，。驱动时序要很好地保证光积分，垂直行转移，行-串行转移，水平像素串行输出等状态切换期间的平稳过渡，避免图像信息的丢失。并确保所有转移时钟(水平转移和垂直转移)的上升沿和下降沿时间能够足够地快，因为过慢的时钟驱动会导致过短的交叠时间，从而导致电荷转移效率降低，像素点分离效果差以及垂直条纹的出现。在CCD中电荷的转移必须按照确定方向。为此，在MOS阵列上所加的各路时钟电压脉冲，必须严格满足相位要求，使得任何时刻，势阱的变化总是朝着一个方向。这样，随着时间的推移，每个像素势阱中的光生电荷按照势转移的方向，一位一位地顺序传输。通过这一系列的动作，CCO把一幅空问域分布的光学图像变换成一列按时间域分布的离散信号电压。【实验步骤及注意事项】1、将示波器地线与面阵CCD模块上的地线连接好，并确认示波器的电源已插在交流220V插座上。2、用导线将面阵CCD模块的12V和GND的台阶插座用导线连接到ZY12243B光电技术创新综合实验平台的对应插孔上去。3、打开示波器电源开关、打开ZY12243B的电源开关。4、驱动脉冲波形的测量。（1）将示波器的触发电平调整至适当位置，设置示波器的触发信源为CH2，对照图3及图4所示的波形图进行下面的实验测量。（2）用CH1（幅度选为10.0V，扫描时间间隔为50μs档）探头测量内部控制脉冲SH，然后用CH2（幅度选为5.0V，扫描的时间间隔为50μs档）探头分别观测V1，画出两者的脉冲的波形图并与图3的波形相比较，分析它们的相位关系。（3）用CH2（幅度选为5.0V，扫描的时间间隔为50μs档）探头测量V1脉冲，用CH1（幅度选为5.0V，扫描的时间间隔为50μs档）探头分别测量V2、V3、V4脉冲，画出这四个脉冲的波形图，将这些波形与图2的波形相比较，并通过实测波形图测出它们的频率，分析它们的相位关系；结合实验原理对行间转移式CCD的讲解，说明V1、V2、V3、V4脉冲在信号电荷垂直转移过程中的作用。通过上述测试达到理解电荷包信号物理与电子信息学院——电子信息实验技术光电成像器件实验的垂直转移过程与垂直转移原理。（4）参考《图像传感器应用技术》第6章关于奇、偶场的特点，试从所测出的信号波形图中找到奇数场与偶数场。本次试验所用CCD芯片的奇、偶数场的读时序如图4所示。有兴趣的同学可测量V1、V2、V3、V4四个垂直控制脉冲之间的相位关系，同图5中所给数值进行比较。（5）用CH1（幅度选为10.0V，扫描时间间隔为50μs档）探头观测内部控制脉冲SH，然后用CH2（幅度选为5.0V，扫描的时间间隔为50μs档）探头观测V1，调整示波器的主基时，使得测量的是图1-3中的A区域波形，再将CH1、CH2扫描时间间隔调至1.00us进行测量，A区域波形展开如图1-5所示，测量SH、V1脉冲宽度是否和图5一致。（6）CH1、CH2幅度及扫描时间不变，用CH2探头测量V1，CH1探头测量V2、V2、V3、V4，H1对照图5所示的波形，分别测量各自的脉冲宽度。（7）用CH1（幅度选为5.0V，扫描时间间隔为100nS档）、CH2（幅度选为2.0V，扫描时间间隔为100nS档）探头分别测量H1、H2脉冲，仔细调节示波器的触发电平使波形稳定，比较二者的相位关系，分析信号电荷包沿水平方向转移的过程与原理。图2图3图45、视频输出信号的测量（1）打开内置面阵CCD摄像头的镜头盖；（2）用CH1探头测量VIDEO视频输出信号，CH1的幅度选为200mV，扫描时间间隔分别用5ms、1ms、25μs、5μs和25ns档；（3）参照实验原理说明及《图像传感器应用技术》第6章相关知识说明，分别用示波器测出场正程、场逆程、行正程、行逆程的时间；物理与电子信息学院——电子信息实验技术光电成像器件实验（4）观测场正程、行正程期间的视频输出信号；观测视频信号的输出幅度与变化量。【实验结果与数据处理】图1图2图3图4物理与电子信息学院——电子信息实验技术光电成像器件实验图5图6【实验结论与分析】思考题:CCD和CMOS传感器是被普遍采用的图像传感器，他们有什么相同和不同之处？CCDCMOS设计单一感光器感光器连接放大器灵敏度同样面积下高感光开口小，灵敏度低成本线路品质影响程度高，成本高CMOS整合集成，成本低解析度连接复杂度低，解析度高低，新技术高噪点比单一放大，噪点低百万放大，噪点高功耗比需外加电压，功耗高直接放大，功耗低通过本实验让我掌握了面阵CCD模块的基本操作，了解了行间转移式面阵CCD的基本工作原理、面阵CCD各路驱动脉冲波形意义及相位关系，让我更加形象的理解了面阵CCD输出的视频信号特点。