CCD驱动信号与传输性能的实验

刘文军

• CCD （ Charged Coupled Device）全称电荷耦合器件，它是用于存储和传输信息的新型半导体器件，

• 它在工业、军事、科学研究、生活等方面有广泛的应用，如光学测量、遥感测量、图像制导、图像识别、数码摄影等。

19691969 年，年， ccdccd 由美国贝尔实验室的由美国贝尔实验室的 W.S.BoW.S.Boyleyle 与与 G.E.SmithG.E.Smith 发明，发明， 20092009 年获诺贝尔年获诺贝尔

物理奖。物理奖。

实验目的

• 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。

• 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。

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。 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 1 CCD 结构示意图

（补偿输出）

电源

CCD的MOS结构及存贮电荷原理

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 。

• 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。

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。

采用阶梯氧化层电极形成的二相结构

二相 CCD 传输原理

采用势垒注入区形成二相结构（ a ）结构示意； (b) 驱动脉冲

低电位

高电位

电荷读出方法

实验内容、步骤• 选择实验 1后计算机界面如图10所示。• 菜单栏可输入起始时间，结束时间，选择驱动周期，曝光时间。确定显示信号的时间范围和 CCD的工作参数。

• 由屏幕上半部显示 CCD工作时的各路驱动信号波形，下半部显示 CCD输出电压值。

• 按启动后仪器开始采样并显示实时图形，按停止后显示屏上保持最后采集到的图形。

• 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。

• CP 为像元同步脉冲。• 由于工艺上的原因，本实验仪所用 CCD 在靠近输出端设有 32 个虚

设单元（哑元），然后是 2048 个有效光敏单元，最后又是 8 个虚设单元，共 2088 个单元。必须经过 2088 个驱动周期后才能把一幅完整的信号传送出去。

• 适当的改变设置，可以显示若干有效光敏单元的输出情况。当设置的显示时间大于 2088乘以驱动周期时，可显示若干积分周期内每周期采样后光敏单元的总体输出情况。

• 按表 1 设置实验条件和灰度板位置，记录输出波形，并根据实验原理对输出波形进行说明（参见附录）。在做完表 1 内容后，也可自行设置参数，观测参数设置对输出的影响，加深对实验原理的理解。

• 表 1 曝光时间，驱动周期，照明情况对输出的影响 起始时间 0 ，照度约 1Lx结束时间

(ms)曝光时间

(ms)驱动周期

(s)灰度板位置 CCD输出电压图形 对输出的说明

2 2 0.8

4 2 0.8

4 2 0.8

4 4 0.8

4 4 1.6

4 4 3.2

8 8 3.2

结束时间 (ms)

曝光时间 (ms)

驱动周期 (s)

灰度板位置 CCD输出电压图形 对输出的说明

2 2 0.8

曝光时间等于显示时间，显示 1幅完整图形。各光敏单元输出电压幅度与透过灰度板的照度成正比。由于显示时间大于驱动周期的 2088倍，有效信号传送完后有一段时间传送空信号。

4 2 0.8

由于显示时间是曝光时间的 2倍，显示的是 2幅图形。横坐标（时间轴）上每格对应的时间是结束时间为 2ms时的 2倍。

4 2 0.8挡光片位置改变，光敏单元照明情况改变，输出也随之改变

4 4 0.8

曝光时间延长，输出电压也随之增加。由于驱动周期未变，只需 1.67ms就将所有信号传送到输出端，剩余时间传送的是空信号。

4 4 1.6驱动周期延长，传送信号的时间相应延长。

4 4 3.2

曝光时间小于驱动周期的 2088倍，移位寄存器中信号尚未全部传送到输出端，转移栅又再次开启，信号电荷混杂，导致输出失真。 CCD应用中应避免这种情况出现。

8 8 3.2曝光量大于饱和曝光量，信号失真。 CCD应用中应避免这种情况出现。

CCD特性实验仪配件介绍

• 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应光照强度之间的变化。