激光位移计-CCD的工作原理与应用.doc

激光位移计-CCD的工作原理与应用CCD（Charge Coupled Devices）电荷耦合器件，是70年代初发展起来的新型半导体器件。它由美国贝尔实验室的W. S. Boyle和G. E. Smith于1970年首先提出，在经历了一段时间的研究之后，建立了以一维势阱模型为基础的非稳态CCD基本理论。几十年来，CCD的研究取得了惊人的进展，特别是在像感器应用方面发展迅速，已成为现代光电子学和现代测试技术中最活跃，最富有成果的新兴领域之一。实验目的1、了解二相线阵CCD的基本工作原理2、了解二相线阵CCD驱动信号时序3、了解线阵CCD在位移测量中的应用方法实验仪器1. CCD激光位移计2. 数字示波器准备好坐标纸、铅笔和直尺，也可用相机。实验原理1 CCD的基本结构电荷耦合器件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的基本功能是电荷的产生、储存和转移。一个完整的CCD器件由像敏单元、转移栅、模拟转移寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。11 像敏单元MOS的结构和感光工作原理构成CCD的基本单元是像敏单元，其结构如图1所示，常称为MOS结构。在栅极G施加正偏压之前（此时小于P型半导体的阈值电压），P型半导体中的空穴是均匀分布的。当栅极施加正向偏压后，空穴被排斥，产生耗尽区。当时，半导体与绝缘体界面上的电势将变得如此之高，以至于将半导体内的电子吸引到表面，形成一层极薄的但电荷浓度很高的反型层。反型层电荷的存在表明了MOS结构储存电荷的功能。图1然而，当栅极电压由零突变到高于阈值电压时，因半导体中的少数载流子很少，不能立即建立反型层。在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸。而且，栅极和衬底之间的绝大部分电压施加在耗尽区上。如果随后获得少数载流子，那么耗尽区将收缩，表面势下降，氧化层上的电压增加。当提供足够的少数载流子时，表面势可降到半导体材料费米能级的两倍。表面势与反型电荷浓度有着良好的线性关系，相当于一个势阱。电子之所以被加有栅极电压的MOS结构吸引到氧化层与半导体交界面处，就是因为那里势能最低。在没有反型层电荷时，势阱深度与栅极电压为线性关系。当反型层电荷填充时，表面势下降，当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，下降到，表面势不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象。 当MOS器件受到光照时（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，这些电子是可以传导的。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，实现了光与电的转换，而势阱中收集的电子处于存贮状态，即使停止光照一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。总之，上述结构实质上是个微小的MOS电容，用它构成象素，既可“感光”又可留下“潜影”，感光作用是靠光强产生的电子电荷积累，潜影是各个象素留在各个电容里的电荷不等而形成的，若能设法把各个电容里的电荷依次传送到输出端，再组成行和帧并经过“显影”就实现了图象的传递和再现。1.2 电荷的转移与传输 像敏单元中因感光而储存的电子依靠转移栅转移到模拟转移寄存器中。 CCD的转移栅和模拟转移寄存器都是一列排列紧密的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“沟通”。认为相邻MOS电容两电极之间的间隙足够小（目前工艺可做到0.2m），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。1.2.1 三相CCD模拟转移寄存器的结构和传输原理CCD中电荷信号的转移传输则是靠一定数量紧密排列的MOS结构组成的模拟转移寄存器，在各MOS结构的电极上加不同的电压就可实现电荷按一定方向的传递。如图2所示。 假定开始时有一些电荷存储在偏压为10V的第二个电极下面的势阱里，其它电极上均加有大于阈值的较低电压，如图2(a)所示。当第三个电极上的电压由2V变到10V，由于这两个电极彼此很近，它们的势阱将合并成一个势阱，而原来电极下的电荷将变为两个电极共有。当第二个电极的电压下降为2V，电荷将转移到第三个电极下的势阱中，这样电荷包就向右移动了一个位置。通过将一定规则变化的电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。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。CCD的内部结构决定了使其正常工作所需要的相数。图2所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形如图2(f)所示，这样的CCD称为三相CCD。 图21.2.3 二相CCD模拟转移寄存器的结构和传输原理CCD模拟转移寄存器中电荷的定向转移依赖于非对称势阱，三相CCD模拟转移寄存器是靠时钟脉冲的时序控制来形成非对称势阱的。二相CCD模拟转移寄存器的非对称势阱则是靠MOS的非对称电极结构来实现的，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两种。 阶梯氧化层电极 阶梯氧化层电极结构参见图3。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,左边电极下的位阱浅,自动起到了阻挡信号倒流的作用. 设置势垒注入区(图4) 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。 （a）结构示意； (b)驱动脉冲 图3采用阶梯氧化层电极形成的二相结构 图4采用势垒注入区形成二相结构2、CCD的工作原理与时序2.1 二相线阵CCD的结构示意图本实验使用的是东芝TCD1251UD二相线阵CCD。它由2700高灵敏度PN结作为像敏单元，像敏单元大小为11m（即像敏单元中心间距）。其电路原理图如图3。图3图3就是东芝TCD1251UD二相线阵CCD。它的中间是2776个高灵敏度PN结作为像敏单元，像敏单元大小为11m（即像敏单元中心间距），像敏单元两边是转移栅，最外边是模拟转移寄存器。CCD表面除了2700个像敏单元，前端有13个哑元、48个遮光单元和3个过渡单元，中间是2700个（S1到S2700）有效像敏单元，最后是12个哑元，一行完整的信号输出有2776个像元。2.2二相线阵CCD的工作时序二相线阵CCD工作时主要由4路时序脉冲控制：SH，1，2和RS。这四路脉冲时序图如下。图4当SH高电平来到时，1为高电平，2为低电平（1，2相互为反向时序脉冲）。CCD模拟转移寄存器中所有1电极下均形成深势阱，同时SH的高电平使1电极下的深势阱与MOS电容存储势阱（转移栅）沟通，MOS电容中的信号电荷包迅速向上下两列模拟转移寄存器的1电极转移。当SH由高变低时，SH低电平形成势垒，使MOS电容与1电极隔离。而后，1与2交替变化，使存于1电极下的信号电荷包顺序的向左转移，并经由输出端OS电极输出。RS是复位输出级的复位脉冲，复位一次输出一个光脉冲信号。3.、线阵CCD的应用：微小位移的测量线阵CCD的一种应用是作为位移计使用。其光路原理图如下。图5激光束照射到位于A处的目标屏T上，通过一透镜L，屏上漫反射光将通过透镜中心O汇聚到CCD感光面A处。当T沿激光束方向移动至B处时，目标屏上的光斑将汇聚到B处。过A点作L的平行线交BB于C点。由于透镜L平行于CCD表面，可知AOCAOB，所以AC的长度正比于AB的长度。当AOC小于5时，可以近似认为AOC为直角三角形，此时AB长度正比于AC长度，于是正比于AB长度。假设CCD到透镜距离为L1，透镜到AC的距离（近似为AO长度）为L2，透镜中轴线与激光束夹角为。当从CCD上测得AB长度为L时，可得：而故仪器简介本实验着重于对CCD工作时序的理解和CCD的应用上。实验主机面板图如下。图6图中，基频：本仪器的基本工作频率。可以有5个选项。RS：复位脉冲，频率等于基频的一半。 ：模拟转移寄存器驱动脉冲，频率等于RS的一半，两者频率相同，相位相反。SH： 转移栅脉冲，高电平时沟通像敏单元和模拟转移寄存器，使像敏单元中的光电子转移到模拟转移寄存器。相邻两个SH脉冲之间的时间就是像敏单元的感光时间，这里称为积分时间。模拟转移寄存器中的光电荷的输出时间应该小于积分时间才能保证光电信号的完整。因此，积分时间长短由两个条件决定，一是足够感光，二是传输完成。二值化：用两种状态表示某一物理量如电压高低、电流的大小或电荷量的多少。 本实验主要是指光电子的多少所对应的输出脉冲电压的高低和脉冲电压变化率的大小。微分：某物理量的变化率。阈值（电压）：区分两种状态的门槛值。 本实验可选择不同的工作频率：250kHz4MHz。此频率选择为基频，作为CCD其它工作频率的基准。面板上方第一排Q9插座可以分别输出基频、RS、1、2、SH时序脉冲。第二排则可输出由CCD的OS端输出的光信号及其各种处理后的波形，如基本信号、二值化信号、微分信号等。面板左侧则是设置CCD输出一行信号中脉冲的数量。当“功能”置于“基本”档位时，数码管显示输出一行信号中脉冲的数量；置于“二值化”档位时，显示二值化后信号的宽度；也就是照射到线阵CCD上光斑的宽度。置于“微分”档时，显示当前光信号所处位置。实验内容与步骤一、D时序脉冲观察1. 将模式选择置于“基本”档位，设置CCD相脉冲数为一个较小的数（小于10，便于示波器观察）。2. 将SH信号接入示波器CH1，并作为触发信号。调制示波器，使SH波形显示一到两个周期。3. 将1信号接入示波器二通道CH2，观察SH低电平中1的脉冲数量、相位等特点。改变CCD 1相脉冲数，观察波形的变化。4. 用2信号替换1信号，观察其变化。5. 将RS信号替换2信号，观察SH低电平中RS脉冲数量和相位特点，比较与相信号有何不同与关联。 在坐标纸上画出同一SH脉冲下的1、2和RS的相位关系。SHRS二、CCD输出光信号的观察1. 将半导体激光器、偏振片、CCD探头依次放在导轨上。将激光器与LD-2电源连接，将CCD探头与主机后面的航空插头和Q9插头连接。2. 将主机上脉冲数量设为2776（2777），基频设为4MHz。将SH信号作为触发信号接入示波器CH1，并将“光信号”接入示波器二通道CH2。3. 打开激光器，调节使激光打在CCD探头前方狭缝上。旋转偏振片使激光光强削弱至适当强度。此时可以在示波器上观察到“光信号”在SH低电平中某处有一向下的尖峰，此尖峰即为激光束打在CCD上产生的光信号。4. 旋转激光器下放螺钉左右移动激光束打在CCD狭缝上的位置，观察波形如何变化。结合实验一中观察到的波形和CCD的工作原理，解释为什么会有这种变化。5. 将“放大”接入二通道，调节面板下方的“阈值电压”和“放大”，使示波器上波形刚好不削顶。改变脉冲数（如设为1000），移动激光光斑在CCD狭缝上的位置，观察CCD输出信号的变化，并解释这种变化的原因。6. 将“功能”置于“二值化”档，示波器CH2接入“二值化”信号，调节“二值化电压”旋钮，观察波形的改变。此时数码管上显示二值化后信号的宽度，也就是激光光斑在CCD上的宽度。7. 将“功能”置于“微分”档，示波器CH2接入“微分”信号，此时电路中将对光信号进行微分，数码管上将显示当前微分后信号在CCD上所处位置，即表明CCD像敏单元线阵中那一个像敏单元处光强的变化率大于设定的阈值，改变阈值电压，再观察微分信号的位置有无变化。 简单描述你观察到的CCD感光和输出光信息现象并作简要分析讨论。三、CCD应用激光位移计，微小位移的测量1. 将激光器、偏振片和旋转位移台依次装在导轨上，转接杆和标线置于原来放置CCD探头的滑块上（旋转台的不锈钢杆穿过转接杆一端的圆孔插入滑块中）。调节激光器高度，使激光束平行于导轨，并打在目标白屏中央。旋转平台，使白屏移动轴与激光束平行。2. 在转接杆的另一端放置CCD探头，将透镜在目标屏和CCD探头间移动，寻找光斑在CCD探头表面汇聚最好的位置。3. 将透镜固定在离此位置最近的插孔里，调节透镜高度，使汇聚光斑打在CCD狭缝上。将CCD主机上“功能”置于“二值化”档，可以读出此时光斑的宽度。旋转偏振片调节光强，使二值化信号宽度适中（约100到120）。再将“功能”置于“微分”档，可以读出当前光斑在CCD上的位置，记下此值P1。4. 转动转接杆，通过标线读出转接杆与激光束的夹角。此角度即为。此时还可测出透镜距CCD探头表面的距离L1和透镜到目标屏上光斑的距离L2。5. 转动目标屏移动轴末端的旋钮（注意，旋钮上有一白色刻线，旋钮每转