CCD傳感器測徑實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br /> 了解CCD傳感器的原理與應(yīng)用。
二、實(shí)驗(yàn)儀器
CCD傳感器模塊,+15V直流穩(wěn)壓電源，示波器
三、實(shí)驗(yàn)原理
CCD圖像傳感器
電荷耦合器件（Charge Coupled Devices，簡稱CCD）是貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發(fā)明的，由于它有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送的功能，而且集成度高、功耗低，已成為圖像數(shù)字化處理必不可少的器件。
CCD圖像傳感器是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）電容器組成的陣列，其構(gòu)造如下圖所示。在P型或N型硅襯底上生長一層很薄（約1200埃）的二氧化硅，再在二氧化硅薄層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅電極，形成規(guī)則的MOS電容陣列。再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片。

圖1.1 CCD芯片的構(gòu)造
CCD芯片驅(qū)動時序
若襯底是P型，在柵極加正電壓，襯底接地，則在SiO₂和襯底之間形成一個對電子來說的勢阱，這個勢阱具有儲存電荷的功能。上圖中每個光敏元（像素）對應(yīng)的有三個轉(zhuǎn)移柵電極，光照射到光敏元上，會產(chǎn)生電子-空穴對，入射光強(qiáng)則產(chǎn)生電荷多，弱則產(chǎn)生電荷少，電子被吸入勢阱中。無光照的光敏元則無光生電荷。在沒有轉(zhuǎn)移時鐘前，把光的強(qiáng)弱變成與其成正比例的電荷數(shù)量。
通過轉(zhuǎn)移時鐘φ1、φ2、φ3實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移和輸出，φ1、φ2、φ3的時序如圖1.2所示，其工作原理是：t1時刻，φ1是高電平，于是在電極1下形成勢阱，并將電子吸引在SiO₂和襯底交界處，如第N-1個光敏元產(chǎn)生的電子，而φ2、φ3是低電平，形象的可稱為壘起勢壁；t2時刻，φ1高電平有所下降，φ2變成高電平，φ3仍是低電平，這樣電極2下的勢阱最深，且和電極1下面勢阱交迭，因此存儲在電極一下面勢阱中的電荷逐漸擴(kuò)散漂移到電極2下面的勢阱區(qū)，電極3上的電平無變化，所以仍是高筑勢壘，勢阱里的電荷不能往電極3下面漂移擴(kuò)散；t3時刻，φ1變成低電平，φ2變?yōu)楦唠娖剑?phi;3仍是低電平，電荷被完全轉(zhuǎn)移到電極2下面的勢阱中來；這樣便完成了電荷從電極1到電極2的轉(zhuǎn)移。如此繼續(xù)下去，在最靠近輸出端的第N個光敏元所產(chǎn)生的電荷被第一個輸出，第N-1個光敏元的電荷被轉(zhuǎn)移到第N個光敏元的勢阱區(qū)，就這樣依次不斷地向外輸出，根據(jù)輸出信號的先后順序可辨別電荷是從哪個光敏元產(chǎn)生的，根據(jù)輸出信號的大小可一判斷該光敏元受光強(qiáng)弱。其電荷轉(zhuǎn)移的過程如圖1.3所示。

圖1.2                                        圖1.3
Ilx511是SONY公司生產(chǎn)的一種高靈敏度、低暗電流、1024像元的內(nèi)置時鐘信號發(fā)生器、采樣保持電路和放大電路的線陣CCD圖像傳感器，每個像元寬14um，5V供電，最高輸入時鐘頻率2MHz。CCD傳感器的積分時間10mS。該傳感器廣泛應(yīng)用于電子付款系統(tǒng)的條形碼掃描和光學(xué)測量儀器。除了電源，ILX511需要兩路時鐘脈沖φROG和Φclk，其時序如下圖，SHSW為采樣保持電路選擇。

圖1.5 ILX511驅(qū)動時序
CCD測徑原理
從上圖CCD芯片的驅(qū)動時序可以看出，在CCD芯片的有效像元上，無光照射輸出為低電平；有光照射時輸出高電平，高電平的幅度反映照射光強(qiáng)的強(qiáng)弱；根據(jù)這一原理可以用一束平行光照射CCD芯片，不同寬度或直徑的被測物體遮擋住平行光后，可通過CCD輸出的高低電平來測量被測物體直徑或?qū)挾取Ｔ砜驁D如下圖：

圖1.6 CCD測徑原理框圖及輸出波形
四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟
1．接入+15V直流穩(wěn)壓電源，SHSW模式切換選擇5V。
2．打開實(shí)驗(yàn)臺電源，將光強(qiáng)調(diào)節(jié)旋鈕旋到最大位置，ROC占空比調(diào)節(jié)旋鈕到最大位置，用示波器觀察CCD傳感器模塊的輸出信號。
3．從安裝有CCD 芯片暗盒的縫隙中插入不同寬度的金屬薄片，在示波器上觀察并測量新增加的高電平的寬度。
五、實(shí)驗(yàn)報告
根據(jù)采集到的波形分析，得出被測金屬薄片的寬度。
六、注意事項
因?yàn)樗捎玫墓庠床⒎墙^對的平行光，光纖在經(jīng)過物件和照射到CCD器件表面的時候會發(fā)生漫發(fā)射，所以由于被測物件擋光產(chǎn)生的高電平的上升沿或下降沿有一定的坡度。
這里給出一個修正的辦法，在上升沿和下降沿0.7V作為起始測量點(diǎn)來計算脈沖的寬度Δt，CLK的頻率為1MHz，則每輸出一個像元的時間為1uS，每個像元的寬度為14um，則被測物件的寬度L＝14um×Δt。