CCD特性实验

课时：3学时

教材：大学物理实验补充讲义

简介：CCD具有集成度高、分辨率高、灵敏度高、功耗小、寿命长、性能稳定、便于与计算机结合等优点。被广泛应用于人民生活、军事、天文、医疗、电视、图像扫描、工业检测和自动控制等各个领域。学习和掌握一些CCD的基本结构，工作原理，通过实验对CCD的基本特性进行测量，为进一步应用CCD打下基础，是十分必要的。

实验重点：学习掌握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。

难点：掌握CCD的基本工作原理。

教学目的：1.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。

2.测量CCD的光电转换特性曲线，根据曲线得到CCD的灵敏度、饱和输出电压及饱和曝光量。

3.测量并计算CCD的暗信号电压、暗噪声、动态范围、像敏单元不均匀度等参数。

4.比较CCD输出信号经AD转换和二值化处理后输出信号的差异，了解各自的应用领域。

教学方法：讲授式、指导式、讨论式

实验要求：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。

实验仪器：ZKY-CCD-1CCD特性实验仪

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。图 1为某型号CCD的结构示意图。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。

图1 CCD的结构示意图

ZKY-CCD-1 CCD特性实验仪由线阵CCD，CCD驱动电路，CCD信号处理电路，接口电路，专用软件，照度计，减光镜，柔光镜，灰度板等组成。

CCD，CCD驱动电路，CCD信号处理电路，接口电路，照度计及照度值显示窗口装在主机里，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）。仪器面板如图2所示。

仪器设计了强大的软硬件功能，通过计算机设置工作参数，并显示CCD输出情况。选择实验1后计算机界面如图3所示。

由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。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。停止后用鼠标对准显示屏上一点，屏幕下方将会显示鼠标纵线对应的时间值和鼠标横线对应的输出电压值，用鼠标拖动还可放大或缩小图形，便于进一步研究。其它界面和使用方法在实验步骤中予以陈述。

 

图2  CCD特性实验仪面板

图3  CCD的操作与显示界面

实验步骤：

1.CCD驱动信号与传输性能的实验

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。

φ₁，φ₂及RS脉冲的时序与作用在实验原理中已有叙述，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（照度通常设置为1~4Lx）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1)。完成表 1内容后，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。

2.CCD特性参数的测量

影响CCD性能的基本参量有：像敏单元数，像元尺寸，响应度，饱和曝光量，饱和输出电压，暗信号电压，动态范围，像敏单元不均匀度，驱动频率，传输效率，光谱响应范围，功率损耗等。这些参量，有的完全由CCD的材料及制造工艺确定，如像元数，像元尺寸，光谱响应范围等。有的与使用条件，外围电路与信号处理电路的参数，光学系统的优劣有关系，可用实验的方法测量。

在实验项目中选择实验2，屏幕上将显示输出电压，不再显示驱动信号。

CCD的光电转换特性

光电转换特性是CCD最基本的特性。实验中，改变CCD的曝光量（照度与曝光时间的乘积），测量相应的输出电压，以曝光量为横轴，输出电压为纵轴，就可作出CCD的光电转换特性曲线，如图4。

图4  CCD的光电转换特性

特性曲线线性段的斜率，即为CCD的响应度或称灵敏度（V/Lx·s），它表征曝光量改变时输出电压的改变程度。

特性曲线的拐点对应的输出电压V_S为饱和输出电压，即CCD输出的最大电压。

拐点对应的曝光量称为饱和曝光量，CCD使用时必须保证最大曝光量低于饱和曝光量，否则会导致信号严重失真。

特性曲线的起始点对应的电压V_D为暗信号电压，即一定曝光时间下，无光照时的输出电压。一只良好的CCD传感器，应具有高的响应度和低的暗信号输出。

按表 2数据设置参数，用减光镜和柔光镜调整照度(通常可设置为1 ~ 4Lx之间，需根据每个CCD的自身特性参数进行设置。如果外界环境光线较暗，可适当增加照度值或增加外界光照强度，其他实验也可以采用类似处理方法)，并记录测量到的照度值。在不同曝光时间时点击启动按钮，可观察到由于噪声的影响，各单元的输出值在小范围内波动。点击停止后，用鼠标横线对准各输出单元的输出平均值，屏幕下方将会显示横线对应的电压值，将测量到的输出电压数据记录于表 2中。

暗信号电压，暗噪声，动态范围，像敏单元不均匀度

暗信号电压是由于积分暗电流，以及时钟脉冲通过寄生电容耦合等因素产生。暗电流的存在，限制了CCD的曝光（积分）时间。实验中，通过改变CCD的曝光时间，观测暗信号输出幅度的变化以及噪声大小。一般手册上给出的暗信号电压，是在10ms的曝光时间下测量得到。

暗电流与温度密切相关，温度每升高7℃，暗电流约增加1倍，当需要用CCD探测微弱信号时，将CCD制冷，能大大延长积分时间。

暗信号一般是不均匀的，存在着热噪声，转移噪声等各种噪声因素，暗噪声定义为暗信号电压平均值与最大值之间的差值。

动态范围一般定义为饱和输出电压与暗信号电压的比值。由于暗信号电压与曝光时间有关，因此曝光时间越短，动态范围越大。动态范围决定了CCD在不失真状态下能探测的最强与最弱信号的比值，在光谱测量等应用领域中，为了测量出较弱的谱线，就需选用动态范围大的CCD。

CCD的各个像元在均匀光照下，有可能输出不相等的信号电压。这是由于材料的不均匀性以及工艺条件，制造误差等因素导致的。

像敏单元不均匀度NU值是使CCD在均匀白光照射下，使其输出电压等于1/2饱和输出电压时测量得到，定义为DU/U，U为输出电压的平均值，DU为输出电压平均值与最大值之间的差值。实用的CCD不均匀度应在10％以下。

用不透光材料遮盖CCD窗口，在不同的曝光（积分）时间测量暗信号及暗噪声电压，记录于表 3中。

用均匀白光照明，用减光镜调整CCD照度，使曝光时间10ms时的输出电压约为饱和输出电压的一半，测量输出电压的平均值U及输出电压平均值与最大值之间的差值DU，记录于表 3中。

3.CCD输出信号的处理方式

当用数字设备（如计算机）接收，显示CCD采集的模拟信号时，需对信号进行数字化处理。

CCD用于图像采集时，一般是用AD转换器将模拟信号转换为数字信号进行传输、处理，在显示时再还原出原来的模拟信号。

在某些不要求图像灰度的应用中，如图纸，文件的输入，物体尺寸、位置的检测等，只需把信号作为分离的二值（0，1）处理，这样可提高图像边缘的锐度，还可提高处理速度，降低成本。

在实验项目中选择实验3。实验中，用灰度板作为采集对象，适当调整CCD照度，比较经两种不同方法处理后输出信号的异同，将图像记录于表 4中。用鼠标纵线对准二值化图像边缘，读取对应的CCD输出电压值，记录于表 4中。

实验数据：

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：Lx

结束时间(ms)	曝光时间(ms)	驱动周期(ms)	灰度板位置	CCD输出电压图形	对输出的说明
4	4	1.6
8	4	1.6
8	4	1.6
8	8	1.6
8	8	3.2
8	8	6.4
16	16	6.4

说明：上表中的初始照度和曝光时间需根据每个CCD的自身特性参数进行设置，上表设置参数只为示例。灰度板不要遮挡照度计通光窗口。

表2光电转换特性的测量

起始象素1000，结束象素1050，驱动周期0.8ms

用表 2数据作图，并由图计算出CCD的灵敏度，饱和输出电压，饱和曝光量。

表3暗信号电压及不均匀度的测量

起始象素500，结束象素1500，驱动周期0.8ms

用饱和输出电压除以10ms时的暗信号电压，计算CCD的动态范围。

用表 3中测量的U及DU，计算CCD的像敏单元不均匀度。

表4 AD转换或二值化处理后输出信号的测量

起始象素0，结束象素2047，驱动周期0.8ms，照度：Lx

曝光时间 (ms)	灰度板位置	CCD输出电压图形	二值化图像	二值化图像边缘对应的输出电压值(V)
5
10
10

说明：上表中的初始照度和曝光时间需根据每个CCD的自身特性参数进行设置，上表设置参数只为示例。

根据表 4记录的图形及输出电压值，说明二值化处理的原理。

注意事项：CCD实验的光源应为自然光、直流电源供电的照明光源或采用电子镇流器（频率高达几千赫兹）的荧光灯。减光镜和柔光镜属于易碎品，使用时需谨慎。请勿将灰度板弯折。照度计和线阵CCD通光窗口需保持干净。仪器背面接AC220V电源，使用时请注意安全。