西南交通大学个性化实验CCD传感阵列原理及驱动实验.docx
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西南交通大学个性化实验CCD传感阵列原理及驱动实验
单位:
西南交通大学物理实验中心
项目名称:
CCD传感阵列原理及驱动实验
指导老师:
胡清、魏云
组员:
陈旺20092464(09级交控二班)
张晏硕20094927(09级材料二班)
一、前言2
二、实验目的2
三、实验设备2
四、实验原理3
五、实验步骤5
六、实验结果7
七、实验分析与讨论9
八、实验现场拍照11
九、实验展望11
十、实验心得体会12
十一、参考文献13
一、前言
CCD(ChargeCoupledDevice,电荷耦合器件)是1970年问世的新型光电半导体器件,它是在MOS集成电路技术基础上发展起来的,具有光电转换、信息存储和延时等功能,又有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、线性好、灵敏度高、动态范围大、性能稳定和自扫描能力强等优点。
故在图像传感、物体外型测量、工程检测、信息存储和处理等各个领域得到广泛的应用。
采用这种测量方法还具有如下优点:
1、不必在望远镜、读数显微镜、测微目镜的视场中采用目视的方法测量。
只需通过CCD传感器在计算机显示器或示波器显示屏上可直接观察物理现象并进行数据测量、记录、处理;
2、能更直接地观测光强的相对分布情况。
通过定标,可以定量测量光强的分布情况;
3、对衍射峰值、谷值、光强随空间位置变化率等的确定和测量不再是凭借人们的主观上的判断,而是对光强分布转化后的数字信号进行计算机处理从而得出精确的判断,因而测量结果更精确、客观;
4、测量所得的数据、图形可方便地比较、计算、存档与输出;
5、此种方法可与力、热、声及光等多领域的技术手段相结合以满足科学研究和工程技术中更多的需要。
二、实验目的
1、掌握用示波器观测CCD驱动脉冲的频率、幅度、周期和相位关系的测量方法;
2、通过测量CCD驱动脉冲的时序和相位关系,理解CCD的基本工作原理;
3、通过测量CCD的输出信号和驱动脉冲的相位关系,掌握CCD的基本特性;
4、通过测量CCD在不同驱动频率和不同积分时间下的输出信号,理解积分时间的意义以及驱动频率和积分时间对CCD输出信号的影响;
5、加深对线性CCD的光电转换特性、灵敏度、暗信号及动态范围等特性参数的理解;
6、理解积分时间等因素对上述参数的影响。
三、实验设备
1、OEMS光电测量及技术实验系统1台:
图1OEMS系统流程图
本系统流程图如图1所示,需要测量的光信号经光学系统投射到CCD器件,CCD器件在驱动信号的驱动下,将光信号转化为模拟视频信号,模拟视频信号通过前置放大等处理后送到A/D转换器,A/D转换在驱动器的驱动信号控制下将模拟信号转化为数字信号并按帧传送到存储器中存储,当计算机运行程序向单片机1发送传输数据的命令,单片机1就从存储器中读取一帧数据(2048个像元点的数据)并将其通过串口通讯接口传送给计算机。
同时,在程序控制下,单片机2从驱动器读取驱动频率和积分时间,从存储器读取数据,并经过一定处理后在数码管上显示出来。
在单片机1与计算机的串口通信中,由于计算机配置的是基于RS232标准的接口,而单片机的输入输出电平都采用的是TTL,两者在电气特性上是不一致的,因而需要进行转换。
本系统采用单电源的标准RS-232的MAX232芯片。
此电路采用的CCD型号是TCD1206SUP,为典型的二相线阵CCD。
它由2236个pn结光电二极管构成光敏元阵列。
A/D转换采用的器件是AD78系列,它将输入的模拟信号转换为八位二进制数分别输出,也就是输出的数据在0—255之间。
从信号预处理出来的电压信号最大为2伏。
存储器采用的型号为IDT7134,它共有12根地址线,容量为
,因为每个象元点用8位二进制表示,故此存储器一次可以存储2048个象元点的信息。
2、双踪迹同步示波器1台;
3、配备OEMS系统软件的计算机1台。
四、实验原理
1)CCD传感器阵列原理及驱动
CCD是一种光电转换器件,它是一种有独特功能的MOS(金属氧化物半导体场效应管)集成电路,CCD的突出特点是以电荷作为信号,而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。
CCD器件主要由光电转换单元和电荷转移结构两部分组成,它有线阵列和面阵列两种结构类型,两种结构的应用都很广泛,下面主要介绍线阵CCD器件的结构和原理。
图2(a)为一种单排结构,用于低位数CCD传感器。
它的光敏单元与CCD移位寄存器SR分开,用转移栅控制光生信号电荷向移位寄存器转移,一般使信号转移时间远小于摄像时间(光积分时间)。
转移栅关闭时,光敏单元势阱收集光信号电荷,经过一定的积分时间,形成与空间分布的光强信号对应的信号电荷图形。
积分周期结束时,转移栅打开,各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移位寄存器SR的响应单元内。
转移栅关闭后,光敏单元开始对下一行图像信号进行积分。
而已转移到移位寄存器的上一行信号电荷,通过移位寄存器串行输出,如此重复上述过程。
图2(b)为双排移位寄存器结构。
光敏单元在中间,其奇偶单元的信号电荷分别传送到上、下两列移位寄存器后串行输出,最后合二为一,恢复信号电荷的原有顺序。
本实验仪所采用的CCD型号是TCD1206SUP,如图3所示,它是一种典型的2048位两相线阵CCD。
中间的光电二极管是光电转换单元,两侧的转移栅控制光生信号电荷向移位寄存器转移,转移栅的两侧是转移光生电荷的CCD移位寄存器。
CCD的驱动脉冲SH、F1、F2、FR的时序关系通过示波器可发现:
当SH遇到上升沿,光积分开始,光电二极管进行光电转换,转移栅关闭;当SH遇到下降沿,光积分结束,光电二极管停止光电转换,转移栅打开,奇、偶光生信号电荷分别转移到CCD移位寄存器1和CCD移位寄存器2,当下一个积分时间开始时,转移栅关闭,光电二极管又进行光电转换,F1、F2控制已转移到CCD移位寄存器内的光生电荷依次串行输出到信号输出缓冲区,再由电极OS输出,每输出一个信号电荷,复位控制信号FR就要进行复位操作,清空缓冲区,以便下一次输出。
加在CCD移位寄存器1和CCD移位寄存器2的二相时钟脉冲时序不同,前者为F1、F2,后者为F2、F1,从而保证转移到CCD移位寄存器2的奇数像元的光电荷时序在前,转移到CCD移位寄存器1的偶数像元的光电荷时序在后,正好错开,合在一起成为按时序输出的串行视频信号。
光积分时间TSH由使用者根据具体应用时光强来决定。
2)光电转换特性及响应灵敏度
CCD的光电转换特性即输入输出特性,不饱和时其输出信号正比于曝光量(光强与光照时间之积),当曝光量达到某一值后,其输出就达到最大值,而不再增加(水平线),如图4所示。
图4CCD光电转换特性曲线
图像传感器的灵敏度标志着器件光敏区内的光电转换效率,用在一定光谱范围内,单位曝光量下器件输出的电流或电压幅度来表示,实际上,上述光电转换特性曲线的斜率就是器件的灵敏度。
CCD是用硅材料制成的,它的光电转换特性与硅靶摄像管相似,对于恒定的曝光量,在一定范围内将产生恒定的信号输出。
特性曲线的线性段可用下式表示:
(1)
其中y为输出信号电压,x为曝光量,a为直线段的斜率,它表示CCD的光响应灵敏度,
为光电转换系数(约为1),b为无光照时CCD输出电压,称为暗输出电压。
器件工作时,应把工作点选在光电转换特性曲线的线性区内(可调整光强或积分时间来控制)。
一般宜选择工作点接近饱和点,但最大光强又不进入饱和区,这样可提高光电转换精度。
要研究CCD的光电转换特性,就要测出在不同光强下的CCD输出。
为了获得不同的光强,有几种方法:
①直接调节光源的强度,这种方法显然不好确定不同光强间的相对大小,并且对光源本身也有特殊要求,一般不采用;
调整光路中的成像镜头光圈大小来调节不同的光强输入;
采用点光源时,可以利用光强与距离的平方成反比的关系调节光强调节曝光量。
在实验中,通过改变CCD与点光源的距离来调节曝光量。
3)暗信号及动态范围
所谓暗信号,即在没有光照或其他方式对器件进行电荷注入的情况下也会出现的信号。
在正常工作的情况下,MOS电容处于未饱和的非平衡态。
然而随着时间的推移,由于热激发而产生的少数载流子使系统趋向平衡。
因此,即使在没有光照或其它方式对器件进行电荷注入的情况下,也会存在暗电流。
暗电流是大多数摄像器件所共有的特性,是判断一个摄像器件好坏的重要标准。
暗电流的主要来源有以下几点:
1、耗尽区中的本征热激发产生的暗电流。
2、少数载流子自中性体内向表面扩散产生的暗电流。
3、表面能级的热激发产生的暗电流。
另外暗电流还与温度有关。
温度越高,热激发产生的载流子越多,因而暗电流也越大,因此CCD的温度不可过高。
由于CCD是积分器件,所以它的暗信号与积分时间有关,随着积分时间的增长,积累的暗电荷也要增大,本实验的实验目的之一就是通过改变积分时间测量暗电路,让读者进一步理解积分时间的暗电路的影响。
动态范围是与信噪比相关的一个特性参数,它反映了器件的工作范围。
图像传感器的动态范围是指输出饱和信号与暗场噪声信号之比值。
对于本实验,动态范围DR定义为:
(2)
五、实验步骤
1)CCD的驱动信号及输出信号测量
1、了解实验箱各部分的功能及用法,详情请参考实验系统使用说明书。
将示波器地线与实验仪上的地线连接良好,并确认示波器的电源和实验仪的电源插头均插入交流220V插座上。
2、打开OEMS光电测量及技术实验系统的主电源开关,多档开关“输入选择”打到“CCD信号”,多档开关“数码显示”打到“积分时间工作频率”,观察仪器面板显示窗口,数字闪烁表示仪器初始化,仪器初始化结束后显示为“000”字样,前两位表示积分时间值,共分为16档,显示数值范围“00”~“15”,数值越大表示积分时间越长,每档对应的积分时间大小可通过示波器测量出来。
末位表示CCD的驱动频率,分四档,显示数值范围“0”~“3”,数值越大表示驱动频率越低,每档对应的驱动频率大小可通过示波器测量出来。
3、调节示波器,以看清楚至少2个信号周期为准。
分别测量F1、F2、SH、FR等各路脉冲信号的波形,观察它们之间的相互时序关系。
4、打开光源照射到CCD上,用示波器CH1探头测量SH信号,调节示波器显示至少2个SH周期;CH2探头分别测量实验仪的VOS、DOS、VO各路信号,根据信号大小调节多档开关“信号增益”到适当的增益倍数,分别测量VOS、DOS、VO各路信号的波形并记录,观察、分析三者之间的关系;改变光强大小,重新测量。
2)CCD器件光电转换特性及响应灵敏度的测量
1、排布光路,连接仪器
图5光路设置图
参照图5摆放好光路,将光圈设为最大值,调节SI-I光电转换器、成像镜头及LED光源同轴等高,注意调节CCD的俯仰和旋转螺钉使接收面正对入射光线。
将OEMS的CCD接口与SI-I光电转换器相连,将OEMS的RS232接口与计算机的RS232接口相连,将OEMS的光源口与LED面阵光源相连。
2、开启系统,设置仪器和软件
开启OEMS电源并启动计算机,运行OEMS系统软件,确认“采集”菜单中“串口设置”选项正确。
打开OEMS主机上的光源开关,使LED面阵光源发光,使“信号增益”置于“1”,“输入选择”置于“CCD信号”,“数码显示”置于“积分时间工作频率”,设置“积分时间”为00,“驱动频率”为0。
3、点击“采样→连续采样”菜单,前后移动光电转换器,确保在移动过程中,输出信号可以在较大的范围内变化(最大能饱和,最小接近零)。
并将CCD放置在饱和的位置。
4、点击“采样→采样选项”菜单,将“连续采样周期”设置为400毫秒,“多次采样次数”设置为20,点击“确定”按钮完成设置。
5、点击“信号→信号属性”菜单,就可以得到输出信号的平均值。
记录下该平均值以及CCD的位置坐标,完成一次光强测量操作。
6、移动CCD,使之朝远离光源的方向移动,这样进入CCD的光强将变弱,曝光量减少,输出信号变弱。
重复以上5、6两步的操作,直至输出信号接近零则完成测量。
7、以CCD到点光源的距离的平方分之一为X坐标,输出信号为Y坐标,在坐标纸上绘出CCD的光电转换特性曲线。
3)暗信号测量及积分时间对暗信号的影响
1、保持OEMS光电系统设置不变。
遮挡住光源,不让光线进入光电转换器。
2、确认将积分时间和驱动频率设置为:
“00”档和“0”档,用上面同样的方法进行多次平均采集,观察波形并记录“信号属性”中的平均值,即为暗信号值,并将它填入预先设计好的表格中。
3、按下驱动频率按钮,将驱动频率改为“1”,重复以上步骤2的操作。
4、继续改变驱动频率,将其设为“2”和“3”,并分别测出相应的暗信号。
5、比较不同积分时间下暗电流的大小,分析积分时间对暗电流的影响。
六、实验结果
1)CCD传感器阵列原理及驱动
①通过示波器观察发现CCD的驱动脉冲SH、F1、F2及FR的时序关系为:
a)当SH遇到上升沿,光积分开始,光电二极管进行光电转换,转移栅关闭;
b)当SH遇到下降沿,光积分结束,光电二极管停止光电转换,转移栅打开,奇、偶光生信号电荷分别转移到CCD移位寄存器1和CCD移位寄存器2,当下一个积分时间开始时,转移栅关闭,光电二极管又进行光电转换,F1、F2控制已转移到CCD移位寄存器内的光生电荷依次串行输出到信号输出缓冲区,再由电极OS输出,每输出一个信号的电荷,复位控制信号FR进行复位操作,清空缓冲区。
②积分时间对光电探测阵列的影响如表1所示:
表1积分时间测量
驱动频率0档
驱动频率1档
驱动频率2档
驱动频率3档
时间(档)SH(ms)
012.80
025.60
038.40
0411.21
0514.01
0616.80
0719.59
0822.41
0925.18
1027.99
1130.80
1233.60
1336.43
1439.19
1542.02
1644.83
时间(档)SH(ms)
015.60
0211.20
0316.80
0422.40
0528.00
0633.60
0739.20
0844.80
0950.40
1056.00
1161.70
1267.20
1372.80
1478.40
1584.00
1689.60
时间(档)SH(ms)
0011.20
0122.40
0233.60
0344.81
0456.00
0567.21
0678.41
0789.59
08100.7
09112.0
10123.2
11134.4
12145.3
13156.8
14168.0
15179.2
时间(档)SH(ms)
0022.39
0144.81
0267.21
0389.50
04112.0
05134.4
06156.8
07179.2
08201.6
09224.0
10246.4
11275.1
12291.0
13310.5
14331.0
15360.5
2)光电转换特性及响应灵敏度
①当CCD光电转换器到点光源距离变换时,光强和距离之间的实验数据记录如表1所示:
表2光强和距离之间的实验数据记录
CCD位置坐标(mm)
光信号大小(V)
点光源到CCD的距离(mm)
7501.277495
8501.0605195
9500.5407295
10500.3038395
11500.1871495
12500.1259595
13500.0849695
②相对曝光量(X)—输出信号(Y)的关系如图6所示:
图6光电转换特性曲线
③积分时间对暗电流的影响,如表3所示:
表3积分时间对暗电流影响实验数据记录
积分时间档驱动频率档积分时间(ms)暗信号/V
0008.420.00031
00116.810.00197
00233.650.00440
00367.310.02198
七、实验分析与讨论
1、CCD光电转换曲线的线性区是否严格线性?
受到哪些因素影响?
答:
不是严格的。
随着积分时间和积分频率的增大,它的斜率会逐渐变小。
除此之外,一是CCD光电转换器件本身存在有饱和度;二是受外界温度变化影响;三是外界光强的变化会影响实验的结果;四是与CCD内部材料的本性有关。
2、CCD的响应灵敏度与积分时间、驱动频率有关吗?
要提高响应灵敏度有哪些途径?
答:
都有关。
随着二者的增大,CCD的灵敏度会降低。
提高灵敏度的方法有:
①提高CCD光电转换器件本身的饱和阈值;②改善CCD内部材料;③降低实验初始温度。
3、CCD的暗信号来源有哪些?
CCD暗信号受什么因素影响?
答:
1)①CCD内部光电转换半导体材料耗尽区中的本征热激发产生;②CCD内部光电转换半导体材料少数载流子自中性体内向表面扩散产生;③表面能级热激发产生。
2)①实验温度;②积分时间。
4、动态范围体现CCD器件什么方面的特性?
如何提高动态范围?
答:
1)动态范围是与信噪比相关的一个特征参数,它反映了器件工作的范围。
2)增大器件的饱和阈值
,降低暗信号值
。
5、观察光电阵列输出信号的分布情况,为什么平行光照射下的CCD输出不是一条直线,而是有一定起伏?
可以采用何种方法进行处理?
答:
1)由于转移栅关闭/开启的周期时间过短或驱动频率过小周期过大导致光敏单元势阱收集的光电子总数过少。
当转移栅打开的一瞬间,由于储存的光电子数量过少,导致势阱内光电子势能较低,所以在转移栅打开的一瞬间短时间内输出信号强度不能达到稳定值。
输出信号强度波形图呈正弦曲线上升。
且输出信号强度的波形图调整时间
、上升时间
变大;当其大部分光电子在稳定期内通过CCD移位寄存器输出之后,导致势阱当中光电子势能大幅下降。
所以输出信号强度波形图会呈正弦曲线下降。
所以在初始阶段(积分时间和积分频率分别为000)输出信号强度呈正弦曲线波动。
2)适当增大驱动频率;增大积分时间。
下图7所示为经调节驱动频率使CCD输出为一条直线的过程。
图7不同驱动频率下输出信号的强度与积分时间的关系
a)积分时间为00,驱动频率为0时的情形b)积分时间为00,驱动频率为1时的情形
c)积分时间为00,驱动频率为2时的情形d)积分时间为00,驱动频率为3时的情形
6、怎么保证在二相脉冲驱动下电荷转移的定向性?
复位信号在何时起作用?
答:
1)在二相脉冲的驱动下,当脉冲极性处于正极性时,由于光电子的电性属于负极性,异性相吸,所以在二相脉冲的正半周期内,光电子会转移到CCD移位寄存器1(假设二相驱动频率加在CCD移位寄存器1侧);以此类推,当二相脉冲处于负半周期时,光电子会转移到CCD移位寄存器2侧。
通过这样的方式保证二相脉冲驱动下电荷转移的定向性。
2)转移光栅将光电转换信号输出之后即将关闭的一刻,复位信号FR就要进行复位操作,清空缓冲信号,以便下一次的输出。
八、实验现场拍照
图8实验场景
a)CCD光电测量及技术实验系统b)OEMS系统面板
c)实验整体器材d)实验组员
九、实验展望
在文字识别、图形识别及边缘识别等应用中,很多时候需要把图形或信号二值化。
在CCD二值化的测量应用中,使用最多的通常是固定电压阈值比较方法和微分二值化方法。
在外界光强固定的情况下,使用电压阈值比较方法可通过试验比较阈值,具有简单、方便的特点。
但在野外自然光照明的条件下进行二值化测量时,自然光的变化会使被测目标的照度在几十勒克斯到上千勒克斯的范围内变化。
因此,通过手动调节二值化阈值的方法就显得既麻烦又不可靠。
而微分二值化方法虽然具有在一定的信号变化范围内实现二值化测量的功效,但在信号较小的时候其抗干扰能力较差。
查阅有关文献资料得知,采用具有低漂移控制的峰值探测电路可以方便地实现对目标信号幅度随光强变化的自动比较阈值跟踪,省去了人工调节阈值电压的不便。
希望日后能有机会继续开展有关CCD特性的研究课题,力争设计上述兼具无需调节、简单可靠与在外界光强由几十勒克斯到上千勒克斯的变化范围内都能自动跟踪目标信号变化功能的新型电路,使在野外自然光照明条件下,CCD二值化测量系统仍能正常工作。
此外,另有文献指出,采用变阈值二值化和自动调整积分时间的线阵CCD像元细分方法同时具有电子细分和软件细分的特点。
该方法与一般的电子细分相比提高了细分精度的可靠性,同时省去了软件细分需要的A/D转换和数据存储及运算,具有较高的实际应用价值。
十、实验心得体会
通过对这次CCD传感器阵列原理及驱动的个性化实验相关资料检索与查询,使我学习了解许多CCD的相关知识,掌握了CCD传感器阵列原理及驱动的内部整体结构和如何亲自动手安装光电测量仪器测试数据,明白了光电物理实验的基本实验规律步奏和测量原则;除此之外还了解到CCD广泛应用在数码摄影、天文学,尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜、和高速摄影技术如Luckyimaging、CCD在摄像机、数码相机和扫描仪等方面。
在这次个性化实验中我们明白了要想把一个项目做好必须具备以下几点:
1、首先要认真听取指导老师给我们讲解有关的CCD传感器阵列原理及驱动知识和注意事项,通过亲自动手安装光电测量仪器测试数据,并熟练掌握光电物理实验的规律和原则,提高了自己的动手能力,为自己下一步要测量各组数据和观察实验现象奠定了夯实的基础。
2、不管做什么事都不能闭门造车,要通过比如图书、网络各种途径搜寻有关个性化实验相关的知识,只有这样才会拥有更多的专业的知识和经验,做起项目来也会达到事半功倍的效果。
3、在实验当中一定要记得及时与老师和组员交流,学习分享实验中的的经验和失误,这样不经可以减少测量的失败而且会使自己的实验速度有很大的提高,除此之外光有理论知识是不够的,纸上谈兵的悲剧是不能重蹈覆辙的,我们不仅要学好理论知识,而且要学会动手操作,因为动手是最快的学习方法而且能使我们所学知识进一部巩固。
在这个项目当中不仅我们学到了很多新的知识,而且在整个个性化实验当中还是我们巩固了大学物理,模电,微电子方面的知识,使我们对光电信息实验有了一个更加整体的认识。
当今社会到处都是各种光电信息产品,我们的生活无处不被光电子信息产品所包围,我们现在很难想象一个没有相机的世界是有多单调,如果是那样我们将错失多少美好的瞬间。
从大的方面来看我们国家目前正在面临产业转型,新兴的光电子信息产业独树一帜发展更是日益更新突飞猛进,而CCD正是高端光电子信息典型代表,所以做这个项目不仅仅使我们觉得我们的付出是有价值的,而且整个项目在某种程度上更是包含着一种时代意义!
十一、参考文献
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