實(shí)驗(yàn)7ACCD部分課件

線陣CCD像傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私釩CD工作原理，理解積分時(shí)間，驅(qū)動(dòng)頻率等相關(guān)概念；測(cè)量積分時(shí)間，驅(qū)動(dòng)頻率；觀察不同積分時(shí)間，驅(qū)動(dòng)頻率和光強(qiáng)下物體的測(cè)量；測(cè)量物體線寬。（CCD的應(yīng)用）CCD是什么？CCD(ChargeCoupledDevice)：即電荷耦合器件的縮寫(xiě)，它是一種集光電轉(zhuǎn)換及電荷存儲(chǔ)、電荷傳輸和電荷（信號(hào)）讀取功能于一體的全固態(tài)化光電子成像器件。CCD直接將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)圖像的存儲(chǔ)、處理和顯示。其突出特點(diǎn)是以電荷為信號(hào)。工作過(guò)程包括信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。第一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)CCD的應(yīng)用

CCD自70年代初誕生以來(lái)，已迅速發(fā)展成為最常用的固體圖像傳感器，應(yīng)用于科技、教育、醫(yī)學(xué)、商業(yè)、工業(yè)、軍事和消費(fèi)領(lǐng)域。它是圖像采集與數(shù)字化的關(guān)鍵器件，在信號(hào)處理、數(shù)字存儲(chǔ)和圖像傳感上都有廣泛的應(yīng)用。CCD最常見(jiàn)的應(yīng)用是在攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等相關(guān)圖像采集的設(shè)備上，它起到將光線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的作用。CCD上面有很多一樣的感光元件，每個(gè)感光元件叫一個(gè)像素。CCD在攝像機(jī)里是一個(gè)極其重要的部件，類似于人的眼睛，因此其性能的好壞將直接影響到攝像機(jī)的性能。CCD的性能指標(biāo)

像素?cái)?shù)量，CCD尺寸，靈敏度，信噪比等，其中像素?cái)?shù)以及CCD尺寸是重要的指標(biāo)。像素?cái)?shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量。攝像機(jī)拍攝的畫(huà)面可以理解為由很多個(gè)小的點(diǎn)組成，每個(gè)點(diǎn)就是一個(gè)像素。顯然，像素?cái)?shù)越多，畫(huà)面就會(huì)越清晰，如果CCD沒(méi)有足夠的像素的話，拍攝出來(lái)的畫(huà)面的清晰度就會(huì)大受影響，因此，理論上CCD的像素?cái)?shù)量應(yīng)該越多越好。CCD尺寸是指CCD的感光尺寸，也指芯片的對(duì)角線尺寸，用英寸表示，如1/2吋，1/4吋等。一般說(shuō)CCD尺寸越大越好，CCD尺寸越大其靈敏度就越高，在光線比較暗的時(shí)候拍攝的效果就比較好。

突出特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)

基本結(jié)構(gòu)：一系列排列緊密的MOS電容器

MOS：Metal-Oxide-Semiconductor金屬－氧化物－半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體金屬柵電極MOS結(jié)構(gòu)：CCD的基本單元(a)空勢(shì)阱(b)填充1/3的勢(shì)阱(c)全滿勢(shì)阱在CCD光電傳換的線性效應(yīng)區(qū)內(nèi)，外加在柵極上的電壓愈高，勢(shì)阱愈深；若外加電壓一定，勢(shì)阱深度隨勢(shì)阱中電荷量的增加而線性下降。MOS電容當(dāng)兩個(gè)金屬柵極足夠靠近時(shí)，其間隙下的表面勢(shì)將由兩個(gè)金屬柵極上的電位決定，能夠使一個(gè)MOS電容器中存儲(chǔ)的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到下一個(gè)MOS電容器中去。P型半導(dǎo)體金屬柵電極P型半導(dǎo)體金屬柵電極MOS電容器間電荷的轉(zhuǎn)移光敏元與CCD轉(zhuǎn)移單元一一對(duì)應(yīng)，移位寄存器是遮光的。CCD的結(jié)構(gòu)光敏元MOS電容電荷存儲(chǔ)區(qū)轉(zhuǎn)移柵MOS電容電荷轉(zhuǎn)移區(qū)1.積分光柵電極電壓為高電平：信號(hào)電荷與光強(qiáng)成正比，與積分時(shí)間成正比。轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉：將光敏區(qū)與CCD隔開(kāi)。入射光圖像電荷包“電像”CCD的工作過(guò)程2.轉(zhuǎn)移積分周期結(jié)束后，轉(zhuǎn)移柵打開(kāi)，每一光敏單元?jiǎng)葳鍍?nèi)的信號(hào)電荷并行轉(zhuǎn)移到移位寄存器相應(yīng)的單元內(nèi)。（1）轉(zhuǎn)移準(zhǔn)備階段轉(zhuǎn)移柵：低電平高電平（2）轉(zhuǎn)移階段光柵：高電平低電平形成轉(zhuǎn)移溝道電荷包進(jìn)入下勢(shì)阱CCD：高電平，、低電平3.傳輸N個(gè)電荷包一次沿著CCD串行傳輸。4.計(jì)數(shù)用計(jì)數(shù)器記錄驅(qū)動(dòng)周期的個(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)到預(yù)置值時(shí)產(chǎn)生回零脈沖，觸發(fā)轉(zhuǎn)移柵開(kāi)啟，開(kāi)始新一行信號(hào)轉(zhuǎn)移、傳輸。5.讀出信號(hào)電荷輸出電路信號(hào)電壓雙邊傳輸線陣CCD具有兩列移位寄存器，分別在光敏區(qū)的兩邊。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵開(kāi)啟時(shí)，奇、偶光敏單元?jiǎng)葳逯蟹e累的信號(hào)電荷分別移入兩列移位寄存器中，然后串行輸出，最后合二為一，恢復(fù)信號(hào)電荷的原有順序。線陣CCDCCD工作原理圖：CCD驅(qū)動(dòng)脈沖波形圖：CCD驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)脈沖與輸出脈沖波形圖：注意事項(xiàng)1.嚴(yán)禁帶電插拔CCD器件，否則會(huì)造成CCD器件損壞。2.示波器與CCD實(shí)驗(yàn)箱應(yīng)共地。（一）驅(qū)動(dòng)頻率觀測(cè)1.用示波器CH1探頭測(cè)試轉(zhuǎn)移脈沖，并調(diào)節(jié)使之同步，使脈寬適當(dāng)以便于觀測(cè)。2.用探頭CH2分別測(cè)試、、信號(hào)。3.按

的順序依次改變驅(qū)動(dòng)頻率，分別測(cè)出、、的周期、頻率、幅度，填入表7－2中。第一部分CCD驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)1.在斷電情況下將與本實(shí)驗(yàn)有關(guān)的線纜正確連接好，嚴(yán)禁帶電插拔所有電纜線2.打開(kāi)CCD實(shí)驗(yàn)箱電源開(kāi)關(guān)，將積分時(shí)間設(shè)置按鈕調(diào)整為0檔，將驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)整為0檔。3.用示波器檢查CCD驅(qū)動(dòng)器的各路波形是否正確（參考實(shí)驗(yàn)箱面板上時(shí)序圖）（一）不同頻率與不同光強(qiáng)下測(cè)量物體的變化第二部分CCD特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)將不透光的被測(cè)物體（黑片）從開(kāi)口槽放置到CCD上面，將積分時(shí)間置于0檔，驅(qū)動(dòng)頻率置于0檔。用示波器觀測(cè)與的關(guān)系，并畫(huà)出波形圖。將半透光的被測(cè)物體（白片）從開(kāi)口槽放置到CCD上面，改變CCD像敏元的照度，將積分時(shí)間置于0檔，驅(qū)動(dòng)頻率置于0檔。用示波器觀測(cè)輸出信號(hào)的波形變化，畫(huà)出波形圖。3.積分時(shí)間不變化，改變驅(qū)動(dòng)頻率完成1，2步驟的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。4.分析上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)頻率與輸出信號(hào)的變化關(guān)系。（二）不同積分時(shí)間與不同光強(qiáng)下測(cè)量物體的變化將不透光的被測(cè)物體（黑片）從開(kāi)口槽放置到CCD上面，將積分時(shí)間置于0檔，驅(qū)動(dòng)頻率置于0檔。用示波器觀測(cè)與的關(guān)系，并畫(huà)出波形圖。將半透光的被測(cè)物體（白片）從開(kāi)口槽放置到CCD上面，改變CCD像敏元的照度，將積分時(shí)間置于0檔，驅(qū)動(dòng)頻率置于0檔。用示波器觀測(cè)輸出信號(hào)的波形變化，畫(huà)出波形圖。3.驅(qū)動(dòng)頻率不變化，改變積分時(shí)間完成1，2步驟的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。4.分析上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，說(shuō)明積分時(shí)間與輸出信號(hào)的變化關(guān)系。第三部分CCD輸出信號(hào)輸出信號(hào)數(shù)據(jù)采集及物體寬度的測(cè)量1.將實(shí)驗(yàn)箱的USB端口和計(jì)算機(jī)USB端口用專用的數(shù)據(jù)線纜連接；2.運(yùn)行CCD應(yīng)用軟件，如果正常連接，計(jì)算機(jī)任務(wù)欄右下角會(huì)有圖標(biāo)（綠色箭頭顯示）；選擇“開(kāi)始繪圖”開(kāi)始數(shù)據(jù)采集。主窗口中觀察數(shù)據(jù)采集波形，上面為二值化的波形，下面為