实验7ACCD部分课件

线阵CCD像传感器实验目的了解CCD工作原理，理解积分时间，驱动频率等相关概念；测量积分时间，驱动频率；观察不同积分时间，驱动频率和光强下物体的测量；测量物体线宽。（CCD的应用）CCD是什么？CCD(ChargeCoupledDevice)：即电荷耦合器件的缩写，它是一种集光电转换及电荷存储、电荷传输和电荷（信号）读取功能于一体的全固态化光电子成像器件。CCD直接将光学图像转换为电荷信号，以实现图像的存储、处理和显示。其突出特点是以电荷为信号。工作过程包括信号电荷的产生、存储、传输和检测。第一台数码相机CCD的应用

CCD自70年代初诞生以来，已迅速发展成为最常用的固体图像传感器，应用于科技、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。它是图像采集与数字化的关键器件，在信号处理、数字存储和图像传感上都有广泛的应用。CCD最常见的应用是在摄像机、数码相机等相关图像采集的设备上，它起到将光线转换成电信号的作用。CCD上面有很多一样的感光元件，每个感光元件叫一个像素。CCD在摄像机里是一个极其重要的部件，类似于人的眼睛，因此其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。CCD的性能指标

像素数量，CCD尺寸，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及CCD尺寸是重要的指标。像素数是指CCD上感光元件的数量。摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像素。显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果CCD没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响，因此，理论上CCD的像素数量应该越多越好。CCD尺寸是指CCD的感光尺寸，也指芯片的对角线尺寸，用英寸表示，如1/2吋，1/4吋等。一般说CCD尺寸越大越好，CCD尺寸越大其灵敏度就越高，在光线比较暗的时候拍摄的效果就比较好。

突出特点：以电荷作为信号

基本结构：一系列排列紧密的MOS电容器

MOS：Metal-Oxide-Semiconductor金属－氧化物－半导体

P型半导体金属栅电极MOS结构：CCD的基本单元(a)空势阱(b)填充1/3的势阱(c)全满势阱在CCD光电传换的线性效应区内，外加在栅极上的电压愈高，势阱愈深；若外加电压一定，势阱深度随势阱中电荷量的增加而线性下降。MOS电容当两个金属栅极足够靠近时，其间隙下的表面势将由两个金属栅极上的电位决定，能够使一个MOS电容器中存储的信号电荷转移到下一个MOS电容器中去。P型半导体金属栅电极P型半导体金属栅电极MOS电容器间电荷的转移光敏元与CCD转移单元一一对应，移位寄存器是遮光的。CCD的结构光敏元MOS电容电荷存储区转移栅MOS电容电荷转移区1.积分光栅电极电压为高电平：信号电荷与光强成正比，与积分时间成正比。转移栅关闭：将光敏区与CCD隔开。入射光图像电荷包“电像”CCD的工作过程2.转移积分周期结束后，转移栅打开，每一光敏单元势阱内的信号电荷并行转移到移位寄存器相应的单元内。（1）转移准备阶段转移栅：低电平高电平（2）转移阶段光栅：高电平低电平形成转移沟道电荷包进入下势阱CCD：高电平，、低电平3.传输N个电荷包一次沿着CCD串行传输。4.计数用计数器记录驱动周期的个数。计数到预置值时产生回零脉冲，触发转移栅开启，开始新一行信号转移、传输。5.读出信号电荷输出电路信号电压双边传输线阵CCD具有两列移位寄存器，分别在光敏区的两边。当转移栅开启时，奇、偶光敏单元势阱中积累的信号电荷分别移入两列移位寄存器中，然后串行输出，最后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。线阵CCDCCD工作原理图：CCD驱动脉冲波形图：CCD驱动电路的驱动脉冲与输出脉冲波形图：注意事项1.严禁带电插拔CCD器件，否则会造成CCD器件损坏。2.示波器与CCD实验箱应共地。（一）驱动频率观测1.用示波器CH1探头测试转移脉冲，并调节使之同步，使脉宽适当以便于观测。2.用探头CH2分别测试、、信号。3.按

的顺序依次改变驱动频率，分别测出、、的周期、频率、幅度，填入表7－2中。第一部分CCD驱动实验1.在断电情况下将与本实验有关的线缆正确连接好，严禁带电插拔所有电缆线2.打开CCD实验箱电源开关，将积分时间设置按钮调整为0档，将驱动频率调整为0档。3.用示波器检查CCD驱动器的各路波形是否正确（参考实验箱面板上时序图）（一）不同频率与不同光强下测量物体的变化第二部分CCD特性测试实验将不透光的被测物体（黑片）从开口槽放置到CCD上面，将积分时间置于0档，驱动频率置于0档。用示波器观测与的关系，并画出波形图。将半透光的被测物体（白片）从开口槽放置到CCD上面，改变CCD像敏元的照度，将积分时间置于0档，驱动频率置于0档。用示波器观测输出信号的波形变化，画出波形图。3.积分时间不变化，改变驱动频率完成1，2步骤的实验内容。4.分析上述实验现象，说明驱动频率与输出信号的变化关系。（二）不同积分时间与不同光强下测量物体的变化将不透光的被测物体（黑片）从开口槽放置到CCD上面，将积分时间置于0档，驱动频率置于0档。用示波器观测与的关系，并画出波形图。将半透光的被测物体（白片）从开口槽放置到CCD上面，改变CCD像敏元的照度，将积分时间置于0档，驱动频率置于0档。用示波器观测输出信号的波形变化，画出波形图。3.驱动频率不变化，改变积分时间完成1，2步骤的实验内容。4.分析上述实验现象，说明积分时间与输出信号的变化关系。第三部分CCD输出信号输出信号数据采集及物体宽度的测量1.将实验箱的USB端口和计算机USB端口用专用的数据线缆连接；2.运行CCD应用软件，如果正常连接，计算机任务栏右下角会有图标（绿色箭头显示）；选择“开始绘图”开始数据采集。主窗口中观察数据采集波形，上面为二值化的波形，下面为