实验五 面阵CCD时序驱动测试及成像实验.pdfVIP

光电成像器件实验报告

实验题目实验五面阵CCD时序驱动测试及成像实验日期2016.6.15

姓名杨智超组别双2班级13光电子班学号134090340

【实验目的】

1、掌握面阵CCD模块的基本操作；

2、了解行间转移式(interlinetranster)面阵CCD的基本工作原理、面阵CCD各路驱动

脉冲波形意义及相位关系及面阵CCD输出的视频信号特点。

【实验器材】

光电技术创新综合实验平台一台面阵CCD模块一台

带宽50MHz以上双踪迹同步示波器一台连接导线若干

【实验原理】

1、CCD的基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测，以下分别进行介绍。

(1)光电荷的产生

CCD的首要功能是完成光电转换，即产生与入射的光谱辐射量度成线性关系的光电

荷。当光入射到CCD的光敏面时，便产生了光电荷。CCD在某一时刻所获得光电荷与前期

所产生的光电荷进行累加。称为电荷积分。入射光越强，通过电荷积分所得到的电荷量

越大，获得同等光电荷所需要的积分时间越短。

(2)电荷存储

构成CCD的基本单元是MOS(金属一氧化物一半导体)结构。在栅极施加正偏压之前，

P型半导体中空穴(多数载流子)的分布是均匀的。当在栅极施加小于P型半导体的闽值电

压的正偏压后，空穴被排斥，产生耗尽区。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体体

内延伸。当栅极的正偏压大于P型半导体的阑值电压时，半导体与绝缘体界面上的电势

变的如此之高，以致于将半导体体内的电子(少数载流子)吸引到表面，形成一层极薄的

但电荷浓度很高的反转层。反转层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。

(3)电荷转移

当完成对光敏元阵列的扫描后，CCD将光电荷从光敏区域转移至屏蔽存储区域。而后，

光电荷被按顺序转移至读出寄存器。通过在按一定的时序在电极上施加高低电平，可使

光电荷在相邻的势阱间进行转移。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。按相数划分，CCD一般可分为二相CCD、三相CCD及四相CCD。

图1

如图1，四相时钟转移方式中两相产生势阱，用于电荷存储，两相用于产生势垒。三

相时钟是指每个像元需要三个电极来转移电荷，这种方式在稳定时使用两个电极形成势

垒，一个电极存储电荷，转移过程中两个电极存储电荷，一个电极形成势垒。两相时钟

无论在结构上和时钟驱动上都比前两种方法简单。每个像元的转移由四个电极控制，一

相时钟控制两个电极，两个电极的掺杂浓度不同，这种方式使电荷只能向一个方向转移。

(4)光电荷的输出

光电荷的输出是指在光电荷转移通道的末端，将电荷信号转换为电压或电流信号输

出，也称为光电荷的检测。

2、行间转移式(interlinetranster)面阵CCD工作原理

隔列转移型面阵CCD它的像敏单元呈二维排列，每列像敏单元被遮光的读出寄存器

及沟道隔开，像敏单元与读出寄存器之间又有转移控制栅。每一像敏单元对应两个遮光

的读出寄存器单元。读出寄存器与像敏单元的另一侧被沟阻隔开。由于每列像敏单元均

被寄存器隔开，因此，这种面阵CCD称为隔列转移型CCD。隔列转移型面阵CCD工作在

PAL电视制式下，按电视制式的时序工作。在场正程期间像敏区进行光积分，这个期间转

移栅为低电平，转移栅下的势垒将像敏单元的势阱与读出寄存器的变化势阱隔开。像敏

区进行光积分的同时，移位寄存器在垂直驱动脉冲的驱动下一行行地将每列的信号电荷

向水平移位寄存器转移。场正程结束（光积分时间结束）后，进入场逆程。在场逆程期

间转移栅上产生一个正脉冲，在转移控制脉冲的作用下将像敏区的信号电荷并行地转移

到垂直寄存器中。转移过程结束后，光敏单元与读出寄存器又被隔开，转移到读出寄存

器的光生电荷在读出脉冲的作用下一行行地向水平读出寄存器中转移，水平移位寄存器

快速地将其经输出放大器输出。在输出端得到与光学图像对应的一行行的视频信号。

3、行间转移式面阵CCD驱动时序

行间转移式面