[物理]实验7 Accd部分.ppt

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 (Charge Coupled Device )：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。 CCD的诞生 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。 注意事项 * * 1969 ATT 贝尔实验室 Willard Boyle George E. Smith 1. 体积小，重量轻，耗电少，启动快，寿命长，可靠性高； 2. 便于像素寻址和改变扫描速度，畸变小，几何重现性好； 3. 分辨力高； 4. 像元几何尺寸精确，测量精度高； 5. 灵敏度高，动态范围宽，易与微光像增强器级联耦合； 6. 有数字扫描能力，可实现模拟和数字等不同形式输出； 7. 不同材料的CCD，光谱响应可覆盖紫外、可见光、 近红外、中红外等较宽的波段。 CCD的特点 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 电荷转移过程： 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） 转移结束阶段 转移栅：高电平 低电平 CCD：传输 光栅：低电平 高电平 转移沟道关闭 光敏元进行 下一次积分 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CCD 线阵CCD每次扫描一条线 CCD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： 实验内容和步骤 １、 记录CCD