CCD传感器测径实验
一、实验目的
了解CCD传感器的原理与应用。
二、实验仪器
CCD传感器模块,+15V直流稳压电源，示波器
三、实验原理
CCD图像传感器
电荷耦合器件（Charge Coupled Devices，简称CCD）是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的，由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送的功能，而且集成度高、功耗低，已成为图像数字化处理必不可少的器件。
CCD图像传感器是按一定规律排列的MOS（金属-氧化物-半导体）电容器组成的阵列，其构造如下图所示。在P型或N型硅衬底上生长一层很薄（约1200埃）的二氧化硅，再在二氧化硅薄层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极，形成规则的MOS电容阵列。再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。
图1.1 CCD芯片的构造
CCD芯片驱动时序
若衬底是P型，在栅极加正电压，衬底接地，则在SiO
2和衬底之间形成一个对电子来说的势阱，这个势阱具有储存电荷的功能。上图中每个光敏元（像素）对应的有三个转移栅电极，光照射到光敏元上，会产生电子-空穴对，入射光强则产生电荷多，弱则产生电荷少，电子被吸入势阱中。无光照的光敏元则无光生电荷。在没有转移时钟前，把光的强弱变成与其成正比例的电荷数量。
通过转移时钟φ1、φ2、φ3实现电荷的转移和输出，φ1、φ2、φ3的时序如图1.2所示，其工作原理是：t1时刻，φ1是高电平，于是在电极1下形成势阱，并将电子吸引在SiO
2和衬底交界处，如第N-1个光敏元产生的电子，而φ2、φ3是低电平，形象的可称为垒起势壁；t2时刻，φ1高电平有所下降，φ2变成高电平，φ3仍是低电平，这样电极2下的势阱最深，且和电极1下面势阱交迭，因此存储在电极一下面势阱中的电荷逐渐扩散漂移到电极2下面的势阱区，电极3上的电平无变化，所以仍是高筑势垒，势阱里的电荷不能往电极3下面漂移扩散；t3时刻，φ1变成低电平，φ2变为高电平，φ3仍是低电平，电荷被完全转移到电极2下面的势阱中来；这样便完成了电荷从电极1到电极2的转移。如此继续下去，在最靠近输出端的第N个光敏元所产生的电荷被第一个输出，第N-1个光敏元的电荷被转移到第N个光敏元的势阱区，就这样依次不断地向外输出，根据输出信号的先后顺序可辨别电荷是从哪个光敏元产生的，根据输出信号的大小可一判断该光敏元受光强弱。其电荷转移的过程如图1.3所示。
图1.2 图1.3
Ilx511是SONY公司生产的一种高灵敏度、低暗电流、1024像元的内置时钟信号发生器、采样保持电路和放大电路的线阵CCD图像传感器，每个像元宽14um，5V供电，最高输入时钟频率2MHz。CCD传感器的积分时间10mS。该传感器广泛应用于电子付款系统的条形码扫描和光学测量仪器。除了电源，ILX511需要两路时钟脉冲φROG和Φclk，其时序如下图，SHSW为采样保持电路选择。
图1.5 ILX511驱动时序
CCD测径原理
从上图CCD芯片的驱动时序可以看出，在CCD芯片的有效像元上，无光照射输出为低电平；有光照射时输出高电平，高电平的幅度反映照射光强的强弱；根据这一原理可以用一束平行光照射CCD芯片，不同宽度或直径的被测物体遮挡住平行光后，可通过CCD输出的高低电平来测量被测物体直径或宽度。原理框图如下图：
图1.6 CCD测径原理框图及输出波形
四、实验内容与步骤
1．接入+15V直流稳压电源，SHSW模式切换选择5V。
2．打开实验台电源，将光强调节旋钮旋到最大位置，ROC占空比调节旋钮到最大位置，用示波器观察CCD传感器模块的输出信号。
3．从安装有CCD 芯片暗盒的缝隙中插入不同宽度的金属薄片，在示波器上观察并测量新增加的高电平的宽度。
五、实验报告
根据采集到的波形分析，得出被测金属薄片的宽度。
六、注意事项
因为所采用的光源并非绝对的平行光，光纤在经过物件和照射到CCD器件表面的时候会发生漫发射，所以由于被测物件挡光产生的高电平的上升沿或下降沿有一定的坡度。
这里给出一个修正的办法，在上升沿和下降沿0.7V作为起始测量点来计算脉冲的宽度Δt，CLK的频率为1MHz，则每输出一个像元的时间为1uS，每个像元的宽度为14um，则被测物件的宽度L＝14um×Δt。
