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CCD特性实验MADEBYSunny【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。光敏单元图1CCD结构示意图(补偿输出)电源一.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。栅极二氧化硅耗尽区P型硅图2MOS电容器剖面图图3势阱,用阱底的液体代表信号电荷当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“沟图4三相CCD传输原理图(a)(b)t1t2t3(c)(d)t1t2t3t4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(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。φ1φ2AlAl2O3注入区φ1φ2φ1φ2(b)SiO2SiO2(a)低电位高电位三.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。Viφ2φ1φ2φ2t1t2t3RST1T2RSVoDCVo信号电压图8驱动脉冲,复位脉冲,图7电荷读出原理图输出信号波形图【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输出电压(V)VSVD曝光量(Lx·s)图11CCD的光电转换特性积),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,
本文标题:CCD特性实验
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