CCD特性实验

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，