（测试计量技术及仪器专业论文）ccd摄像光谱仪接收系统设计.pdf

摘要 光谱仪器是进行光谱研究和物质的光谱分析的装置。本课题着眼于近年来 c c d 技术和计算机技术方面的迅速发展，在深入分析光谱仪的一般结构与原理 的基础上研制了一种实用的利用线阵c c d 与计算机结合的多通道光谱测量仪 器。 本课题研究的主要内容是设计开发种可见光的c c d 摄像光谱仪，主要包括 其光学结构设计、电路系统设计及其分析系统的开发几个部分。 在光学结构设计中，将光纤、平面定向光栅和凹而反射镜等合理组合，采用 一次性聚焦反射分光的方法，将待测光进行色散，光学结构大大简化，相比同类 产品，精度和测量速度有一定提高。 在电路系统设计中，本课题采用专用于光谱搽测的高性能线阵c c d 芯片 ( r l l 0 2 4 s b ) 作为光电接收器，匹配以完整的c c d c i s 图象处理器( v s p 3 1 0 0 ) ， 由高性能单片机c 8 0 5 1 f 0 2 1 接收a d 转换后的数据并进行简单处理，然后经串口 把数据交给上位计算机，由软件对数据进行最后处理。以v c + + 语言设计开发的 光谱仪计算机软件程序采用模块化结构，主要内容包括光谱曲线测量子程序、光 谱曲线放大和回放子程序、读写文本记录子程序、波长定标子程序等等。具有良 好的用户界面，完善的菜单，功能齐全，操作简捷。 本光谱仪的光谱测量范围为4 0 0 n m 7 6 0 n m ，光谱分辨率3 9 r i m ( 在波长为 5 4 6 1 n m 处) 。由于采用了一维线阵探测器，与传统扫描式光谱仪相比，本光谱仪 的检测速度得到了极大的提高。实验结果证明，本系统基本达到了预期的设计目 标。 关键词：线阵c c d 光谱仪快速测量 a b s t r a c t t h es p e c t r o m e t e ri sad e v i c eo fs p e c t r u mr e s e a r c ha n ds p e c t r u ma n a l y s i so f m a t e r i a l s d u et ot h er e q u i r e m e n to fh i g ht e s t i n gs p e e d ，am u l t i c h a n n e ls p e c t r o m e t e r i sd e s i g n e do nt h eb a s i so fd e e p l ya n a l y s i so ft h ec o n s t r u c t i o na n dp r i n c i p l eo f s p e c t r o m e t e r , w h i c hc o m b i n e st h el a t e s tt e c h n o l o g yo fc c dw i t ht h et e c h n o l o g yo f c o m p u t e r t h em a i nc o n t e n t so ft h i sr e s e a r c hp r o j e c ti st od e s i g nac c ds p e c t r o m e t e ro f v i s i b l el i g h t ，m a i n l yi n c l u d i n gi t so p t i c a ls t r u c t u r ed e s i g n ，e l e c t r o n i cc i r c u i ts y s t e m d e s i g na n dd e v e l o p i n go f a n a l y s i ss y s t e m ，e t c i nt h eo p t i c a ls t r u c t u r ed e s i g n ，w ec o m b i n eo p t i c a lf i b e r , f l a td e f i n i t ed i r e c t i o n g r a t i n ga n dc o n c a v e r e f l e c t o re t c w es e p a r a t et h ei n p u tl i g h tt h r o u g ha d o p t i n gt h e m e t h o do fs i m p l ef o c u s i n ga n dr e f l e c t i n ga n ds e p a r a t i n gl i g h t t h eo p t i c a ls t r u c t u r ei s s i m p l i f i e dc o n s u m e d l y c o m p a r i n gt h es a m ek i n dp r o d u c t s ，i ti sm o r ea c c u r a t ea n d m o r es w i f t n e s s i nt h ee l e c t r o n i cc i r c u i ts y s t e md e s i g n ，t h i sp r o j e c ta d o p t st h eh i g hp e r f o r m a n c e l i n e a ra r r a yc c d ( r l l 0 2 4 s b ) t or e c e i v et h el i g h t ，a n dm a t c h 、i mt h ec o m p l e t e c c d c i si m a g ep r o c e s s o r ( v s p 3 1 0 0 ) ，a n dah i g hp e r f o r m a n c es i n g l e c h i pp r o c e s s o r r e c e i v e st h ea dc o n v e r t e rd i g i t a ld a t a t h ed i g i t a ld a t aa l et r a n s m i t t e dt ot h e c o m p u t e rt h r o u g hs e r i a lp o r t ，a n d t h ec o m p u t e rp r o c e s s e st h e s ed a t a a d o p t e dm o d u l a r d e s i g nm e t h o d , n e ws p e c l r o m e t e rs o f t w a r ei sd e s i g n e di nl a n g u a g ev c + + i tm a i n l y i n c l u d e ss p e c t r u mc u r v ec a p t u r i n gs u b p r o g r a m ，w a v e l e n g t hc a l i b r a t i n gs u b p r o g r a m ， c u r v ez o o m i n gs u b p r o g r a m ，w r i t i n g r e a d i n gd a t ar e c o r ds u b p r o g r a m ，p a r a m e t e r s e t t i n gs u b p r o g r a m ，e t c t h e s o f t w a r ei n c l u d e s f i i e n d l yi n t e r f a c e ，f u n c t i o n a l l y c o m p l e t em e n u ，t h u so p e r a t i n gv e r ye a s i l y t h es p e c t r a lr a n g eo ft h es p e c t r o m e t e ri sf r o m4 0 0t o7 6 0 n m ，a n dt h es p e c t r a l r e s o l u t i o ni sa b o u t3 9 n mw h e nt h ew a v e l e n g t hi s5 4 6 1 n m b e c a u s et h es y s t e m d e s i g nc o n s u l t sl i n e a ra r r a yd e t e c t o r ，t h es p e c t r o m e t e rr e a c h e sm u c hh i g h e rt e s t i n g s p e e dt h a nt h ec o n d i t i o n a ls p e c t r o m e t e r s i ti st e s t i f i e dt h r o u g he x p e r i m e n t st h a tt h e s p e c t r o m e t e rb a s e do nl i n e a ra r r a yc c da c h i e v e st h ed e s i g na i m s k e y w o r d s ：l i n e a ra r r a yc c ds p e c t r o m e t e rr a p i dt e s t i n g 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：l 习乐5 狍 功。6 年6 月岁日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( “ ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名：j 习采5 艳 导师签名：；私也劾。 日期：。g 年占月，曰 日期： 2 0 。年i 月舌e t 第一章绪论 1 1 光谱仪器现状 第一章绪论 在2 0 世纪后期光谱技术和光谱仪器获得了突破性进展，基于光散射原理的 激光散射光谱仪、基于干涉调频调幅的傅立叶变换光谱仪、基于非线性光学原理 的各种激光光谱仪等等，都是6 0 年代以来突破传统光谱仪原理和结构得到迅速 发展和广泛应用的新颖光谱仪，己成为现代天文、化学、物理各研究领域和生产 领域的有力工具2 【3 】。 近年来声光调谐器件a o t f 技术的应用也有了很大发展，没有机械活动件、 全固态、电子调谐、结构小而牢固、可承受震动冲击等一系列优点，使其具有明 显的技术和应用竞争力【4 】【5 】【6 ：| 。在光谱探测器的发展历程中，从传统的肉眼、感 光板、光电池到光电倍增管、热电偶、热释电器件，己发展到全固态的光电、热 电探测器，如c c d 、光电二极管阵列等等，不但提高了探测效率，而且可实现 全光谱快速扫描7 1 1 8 】【9 1 。在光谱仪控制和分析检测数据处理显示传输和应用技术 发展历程中，计算机技术的发展实现了仪器自动化甚至智能化 0 】【1 1 1 。而且近年 来网络技术的发展又推动了光谱仪器网络化的发展，不但可以完成光谱信息远距 离传输交换，而且可实现比实验室信息管理系统更高一层的远距网络化【1 2 【1 3 l 。 随着新技术的不断出现和发展，光谱技术和光谱仪器也将在更高层次更广范 围向高科技知识密集化发展。值得注意的若干新动向有： 光谱传感器微型化生物化。如采用光纤与化学试剂或生物材料的种种结合， 构成微型光纤化学、光纤生化光谱传感器。纳米技术和纳米材料的发展，及芯片 技术从半导体集成电路移植到微型传感器，都促进着光谱传感器微型化进程 1 4 1 1 5 】【1 6 】【l7 1 。 光谱仪器网络化。光谱仪器配备上调制解调器及相应的网络接口、应用软件， 可以大大方便远在几千公里以外的制造商即时诊断用户仪器的工作状态排除仪 器故障【1 8 】 1 9 】 2 0 1 。光谱仪器虚拟化，即使用软件直接通过计算机实现对仪器的主 要操作。像光谱仪这样常用的仪器，虚拟、模糊的新概念一定会影响下一代光谱 仪器的设计制造和使用1 2 1 2 2 1 2 3 1 。 c c d 摄像光谱仪接收系统设计 1 2g g d 光谱仪的最新进展 在2 0 0 1 年，美国马萨诸塞州的a c t o n 研究公司将光谱仪和c c d 组合为一个 标准组件，并设计了易于连接的u s b 接口，极好地解决了c c d 元件集成的问题。 在这个光谱系统中，起决定性作用的是其采用的c c d 器件，其组件非常适于集 成化，具有内置制冷能力，可形成低于2 2 的环境。 目前，c c d 趋向于大型阵列发展，为提供更好的分辨率，大规模像素c c d 将成为今后设计的热点。此外，虽然c c d 作为光谱检测器已有不少应用，但在 质谱中作为离子检测器的潜力彳刚刚被认识。总之，随着c c d 技术的不断革新 和发展，c c d 在光谱检测中的应用前景是非常广阔的2 4 】1 2 5 1 1 2 6 1 2 7 l 【2 8 1 。 1 3 本文研究的主要内容 本课题研究的主要内容是设计开发一种可见光的c c d 摄像光谱仪，主要包 括其光学结构设计、电路系统设计及其分析系统的开发几个部分。本课题对欲设 计的光谱仪初步定性为：检测区间为可见光部分( 约4 0 0 7 6 0 n m ) ；测量时间短 效率高；性价比高；结果稳定可靠等。 全文第一章绪论，对光谱仪的发展历史进行了简要阐述，包括分光元件和探 测器元件的发展，并着重介绍了以c c d 为探测器的光谱仪的最新动态；第二章 系统总体设计，简单介绍了系统的几个部分的工作原理；第三章c c d 器件的工 作原理及选择，包括c c d 器件的电荷存储、电荷耦合、电荷注入、电荷检测以 及r l l 0 2 4 s b 器件的特点；第四章较详细地介绍了c c d 图像处理器v s p 3 1 0 0 ； 第五章简单介绍了单片机c 8 0 5 1 f 0 2 1 及其与上位计算机的串口通信电路；第六 章主要论述了系统的软件设计；第七章讨论如何对系统进行定标并对实验结果进 行分析；第八章对工作进行总结，指出下一步研究的方向和重点。 第一二章系统总体设计 第二章系统总体设计 2 1 系统的基本工作原理 光谱仪器是一种利用光学光谱的色散原理而设计的光学仪器。所有的光谱仪 器都可分成三部分：光源和照明系统，分光系统，以及接收系统【2 9 】。光源可以是 研究对象，也可以作为工具照射被研究的物质。本系统将光源作为研究对象。 分光系统是任何光谱仪器的核心部分。一般来说它由准直管、色散工作台和 暗箱组成。分光系统的工作原理如图2 一l 所示。由狭缝发出的光束经过准直物镜， 变成平行光束射入色散元件d ：由于色散元件的作用使进入的单束“白光”分解 为多束单色光，再经过暗箱物镜按波长的顺序成像在焦面上。一个由“白光”照 明的狭缝经过分光系统而变为若干个单色的狭缝像，这是目前广泛应用的光谱仪 器分光系统的基本原理。色散元件可以选择棱镜或者光栅。不过，近年来，随着 光栅技术的成熟，棱镜已经很少再用作分光系统中的色散元件了 3 q 。本c c d 摄 像光谱仪采用平面反射光栅作为分光元件。 图2 - 1 光谱仪器的工作原理图 光谱仪器的第三部分是接收系统，它的作用是测量光谱组成部分的波长和强 度。接收系统包括光谱的接收、处理和显示。一般来说，由于计算机技术的迅速 发展，在光谱的处理和显示时，我们几乎都采用了计算机的帮助，使得数据处理 方便迅速准确。在光谱的接收方面，不断有新的技术出现，在第一章已有具体介 c c d 摄像光谱仪接收系统设计 绍，这里不再赘述。 2 2 接收系统设计 接收系统可分为两个部分：硬件部分，即系统电路；软件部分，即数据处 理程序。 常用的系统电路有两种：一种是不使用单片机，数据经过a d 转换后直接 经过i o 口交给计算机，我们常把此种电路称为数据采集卡；另一种是使用单片 机，数据经过a d 转换后先交给单片机做初步处理，然后再经i o 口交给上位计 算机。本课题采用的是第二种电路，其优点在于有单片机存在可方便扩展功能， 如果我们给该系统配上l e d 显示器，把上位计算机内的数据处理和显示程序移 植到单片机中，则该系统就可独立工作，不再依附于计算机。系统电路框图如图 2 2 所示。 图2 - i 系统电路框图 我们在第一章中已经讨论过，c c d 是现今最为普遍使用的光电接收器件， 它具有高灵敏度、低噪声、快速读出、高动态范围和宽光谱响应范围等优点。 c c d 根据其像元排列方式不同，可分为两种：线阵c c d 和面阵c c d 。光谱探 测用线阵c c d 即可。c c d 像元数的多少是影响系统像方分辨率的重要因素。对 于同样的视场，c c d 像元数越多，系统像方的分辨率越高，但同时c c d 的电荷 转移率却会下降。此外还要综合性能价格比方面的考虑。c c d 像元数选择的原 则是在满足测量精度的前提下尽量选用像元数少的c c d 。综合考虑c c d 的像元 4 第二幸系统总体设计 数、光谱响应范围、动态范围和像敏单元的均匀性等因素，本课题选用r l l 0 2 4 s b 系列c c d 芯片。 c c d 将光信号转换成电荷信号再经过输出电路转变成电压信号输出。该电 压信号为模拟信号，而单片机只能进行数字信号的处理，故本系统中采用了a d 转换器。d 转换器的类型有多种，根据本课题的特征和要求，参考a d 转换 器的选用原则，本课题选用专用c c d 图像处理器v s p 3 l o o 。 考虑到单片机的数据处理速度，内存储器的大小，以及其封装形式，再有以 后扩展功能的需要，本课题选用我们比较熟悉的8 0 5 1 系列单片机c 8 0 5 1 f 0 2 1 。 根据课题的需要，软件设计可以分为波长定标软件和系统测量软件两个部分 的设计。作为w i n d o w s 应用程序的设计目标，c c d 数据采集应用程序，应该具有 如下基本功能：数据采集、数据存储、数据处理、显示、打印等，而且一个友好 的用户界面是必不可少的。 本文将在f 面章节对该接收系统作较为详细的阐述。 c c d 摄像光谱仪接收系统设计 第三章c c d 器件的工作原理及选择 3 以c c d 为探测器的光谱仪方案 本课题中光谱仪的应用对象为发光光源，即对发光光源的光谱进行测试，观 察其光谱分布情况，确定其流明数和色温。最根本的要求是测量快速、结果准确、 成本低廉，以取得较好的性价比。针对本课题的特点，即对发光光源的光谱测量 强调的是测量速度，而不是很高的分辨率和灵敏度，我们考虑到近些年来在光谱 检测分析领域应用越来越广泛的c c d 技术。c c d 是一种以电荷量表示光量大小， 用耦合方式传输电荷量的新型器件，具有自动扫描、动态范围大、光谱响应范围 宽、体积小、功耗低、寿命长及可靠性高等一系列优点。c c d 有光电倍增管无 法比拟的优势。曾作为主要检测器沿用了数十年的光电倍增管虽然具有很高的灵 敏度和宽的光谱响应范围，但是单个光电倍增管的致命缺点是不具备多道同时检 测信号能力，因而也不能一次同时获得多条分析线。而c c d 与可以提供二维光 谱的光栅相结合，能够同时采集到分布在空问的多个信号，突破了光电倍增管的 局限，大大地提高了全光谱检测的效率。将c c d 与计算机相结合，把同时获得 的各波长点的数据串行输入给计算机进行处理，可以实时地得到全部光谱的光强 分布图。 采用平面反射光栅作为分光元件、c c d 作为探测器的光谱测量系统测量迅 速，结果可靠，操作简便，损耗很小，且成本不高，在实际生产中相当实用，对 本课题来说是非常理想的光谱仪方案。 3 2c c d 器件的基本工作原理【3 司【3 3 】洲 电荷耦合摄像器件( c c d ) 的突出特点是以电荷为信号的载体，不同于大多 数以电流或电压为信号的载体的器件。c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的 转移。因此，c c d 的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测。 c c d 有两种基本类型：一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面， 并沿界面转移，这类器件称为表面沟道c c d ( 简称为s c c d ) ；另一种是电荷包 6 第三章c c d 器件的工作原理及选择 存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向转移，这类器 件称为体沟道或埋沟道器件( 简称为b c c d ) 。下面我们以s c c d 为例来讨论c c d 的基本工作原理。 3 2 1 电荷的存储 秘玲哟 图3 - 1c c d 栅极电压变化对耗尽区的影响 构成c c d 的基本单元是m o s ( 金属氧化物一半导体) 结构。如图3 - 1 ( a ) 所示，在栅极g 施加电压u 6 之前p 型半导体中空穴( 多数载流子) 的分布是均 匀的。当栅极施加正电压u g ( 此时u g 小于等于p 型半导体的阀值电压u 。h ) 时， p 型半导体中的空穴将开始被排斥，并在半导体中产生如图3 - 1 ( b ) 所示的耗尽 区。电压继续增加，耗尽区将继续向半导体体内延伸，如图3 - 1 ( c ) 所示。u g 大于u t l i 后，耗尽区的深度与u g 成正比。若将半导体与绝缘体界面上的电势记 为表面电势，且用巾。表示，表面势巾。将随栅极电压u g 的增高而增高，他们的 关系曲线如图3 - 2 所示。图3 2 描述了在掺杂为1 0 “c m _ 3 ，氧化层厚度为o 1 p m ， 0 3 m ，0 4 1 a m 和0 6 岫情况下，不存在反型层电荷时，表面势m 。与栅极电压 u 。的关系曲线。从曲线可以看出：氧化层的厚度越薄，曲线的直线性越好。在 同样的栅极电压u 。作用下，不同厚度的氧化层有着不同的表面势。表面势面。表 征了耗尽区的深度。 7 一一 ! ! 里堡堡垄塑垡堡坚墨竺堡生 图3 - 2 表面势中。与栅极电压u g 的关系 图3 - 3 中。与反型层电荷密度q i 。的关系 图3 - 3 为栅极电压u o 不变的情况下，表面势d 。与反型层电荷密度q i v 之间 第三章c c d 器件的工作原理及选择 的关系。由图4 3 可以看出，。随q i n v 的增加而线性减小。依据图3 - 2 与图3 3 的关系曲线，很容易用半导体物理中的“势阱”概念来解释。电予所以被加有栅 极电压的m o s 结构吸引到半导体与氧化层的交界面处，是因为那里的势能最低。 在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压u g 的关系恰如。与u g 的关 系，如图3 4 ( a ) 所示的空势阱的情况。 l k vl j嘲 一p s v 童三d 蹦掣 - - - i 玩0 v l 釉麒巍螂购静蔚 c 浚囊势辩 一一：u o = 1 5 v 图3 - 4 势阱 图3 - 4 ( b ) 为反型层电荷填充1 3 势阱时表面势收缩的情况。表面势中。与 反型层电荷密度q i 。，的关系如图3 - 3 所示。当反型层电荷继续增加时，表面势中， 减d , 至m j 最低值2 中，如图3 4 ( c ) 所示。此时，表面势可作为势阱深度的量度， 而表面势又与栅极电压、氧化层厚度d o x 有关，即与m o s 电容的容量c 。x 和u g 的乘积有关。 势阱的横截面积取决于栅极电压的面积a 。m o s 电容存储信号电荷的容量 为 3 2 2 电荷耦合 q = c o 。u o ( 3 一1 ) 为了理解c c d 中势阱及电荷如何从一个位置转移到另一个位置，可观察图 3 - 5 所示的四个彼此靠得很近的电极在加上不同电压的情况下，势阱与电荷的运 9 c c d 摄像光谱仪接收系统设计 动规律。假定开始时有一些电荷存储在栅极电压为i o v 的第1 个电极下面的深 势阱里，其他电极上均加有大于阀值的低电压( 例如2 v ) 。若图3 5 ( a ) 所示为 0 时刻( 初始时刻) ，经过t i 时刻后，各电极上的电压变为如图3 5 ( b ) 所示， 第1 个电极仍保持为i o v ，第2 个电极上的电压由2 v 变到i o v 。因这两个电极 靠得很近( 间隔不大于3 1 ) ，它们各自的势阱将合并在一起，原来第1 个电极 下的电荷变为这两个电极下联合势阱所共有，如图3 5 ( b ) 和图3 5 ( c ) 所示。 若此后各电极上的电压变为如图3 5 ( d ) 所示，第1 个电极上的电压由i o v 变 为2 v ，第2 个电极上的电压仍为1 0 v ，则共有的电荷转移到第2 个电极下面的 势阱中，如图3 5 ( e ) 所示。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。 国露 2 vl 嚣v2 v2 v vi o v2 槽v2 v 国 2 v1 0 v 1 0 v 釜v 蜷瞥样 ( 醇 喾露 2 vi 0 - ) 2 v l w 错 麟瓣 ( b j 国孕 2 v ：v 璩v2 v 咩萨堪萨 蠢羹蠢亭辨 构 图3 - 5 三相c c d 中电荷的转移过程 通过将按一定规律变化的电压加到c c d 各电极上，电极下的电荷包就能沿 半导体表面按一定方向移动。通常把c c d 的电极分为几组，每一组称为一相， 并旖加同样的时钟驱动脉冲。c c d 正常工作所需要的相数由其内部结构决定。 图3 - 5 所示的结构需要三相时钟脉冲，其驱动脉冲的波形如图3 5 ( f ) 所示，这 样的c c d 称为三相c c d 。三相c c d 的电荷必须在三相交叠驱动脉冲的作用下， 才能以一定的方向逐单元地转移。另外，必须强调指出，c c d 电极间隙必须很 小，电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下。这对于图3 - 5 所示的 孵霉 第三章c c d 器件的_ 作原理及选择 电极结构来说是一个关键问题。如果电极间隙比较大，两电极闻的势阱将被势垒 隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移，c c d 便不能 在外部驱动脉冲作用下转移电荷。能够产生完全转移的最大间隙一般由具体电极 结构、表面念密度等因素决定。理论计算和实验证明，为不使宅极间隙下方界面 处出现阻碍电荷转移的势垒，间隙的长度应不大于3 。这大致是同样条件下半 导体表面深耗尽区宽度的尺寸。当然，如果氧化层厚度、表面态密度不同，结果 也会不同。但对于绝大多数的c c d ，1 p m 的f l 隙长度是足够小的。 3 2 3c c d 应用于光谱检测的理论基础( 电荷的注入) 在c c d 中，电荷注入的方式很多，归纳起来，可分为光注入和电注入丽类。 在光谱检测中，c c d 的电荷注入方式为光注入方式。在此，我们仅对光注入方 式进行介绍。 当光照射到c c d 硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子一空穴对， 多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。光注 入方式又可分为正面照射式与背面照射式。在标准的全桢显示传输c c d 中，对 电荷传输非常必要的多晶硅电极吸收了大量的光，导致量子效率的降低，特别在 光线无法穿透很深的紫外区。背面照射器件将芯片倒装，以背照射而绕过电极， 从而使紫外区和可见光区提高了量子效率；而正面照射器件虽然依靠l u m o g e n 膜提高紫外区响应，但其性能却仍不及背面照射c c d 。 光注入电荷为： q 。= 相。a t 。 ( 3 2 ) 式中，r 为材料的量子效率；q 为电子电荷量；心为入射光的光子流速率；a 为光敏单元的受光面积；，为光的注入时间。 由式( 3 2 ) 叮以看出，当c c d 确定以后，玑q 及a 均为常数，注入到势 阱中的信号电荷q 埘与入射光的光子流速率n 。及注入时间t 。成正比。注入时间f 。 由c c d 驱动器的转移脉冲的周期决定。当设计的驱动器能够保证其注入时间 稳定不变时，注入到c c d 势阱中的信号电荷只与入射辐射的光子流速率a 乙成 正比。在单色入射辐射时，入射光的光子流速率与入射光谱辐射通量的关系为 c c d 摄像光港仪接收系统设计 舶：孚堕。式中，h ，y ，丑均为常数。因此，在这种情况下，光注入的电荷量 ，2 y 札。与入射的光谱辐射通量o 。成线性关系，该线性关系是应用c c d 检测光谱 强度和进行多通道光谱分析的理论基础。原子发射光谱的实测分析验证了光注入 的线性关系。 3 2 4 电荷的检测( 输出方式) 在c c d 中，有效地收集和检测电荷是一个重要问题。c c d 的重要特性之 一是信号电荷在转移过程与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避 免。因此，选择适当的输出电路，尽可能地减少时钟脉冲对信号的容性干扰。目 前的c c d 输出电荷信号的方式主要是称为电流输出方式的电路。 图3 - 6 电荷检测电路 电流输出方式的电路如图3 - 6 所示，它由检测二极管、二极管的偏置电阻r 、 源极输出放大器和复位场效应管v r 等单元构成。信号电荷在转移脉冲c r l 、c r 2 的驱动下向右转移到最末一级转移电极( 图中c r 2 电极) 下的势阱中，当c r 2 电极上的电压由高变低时，由于势阱的提高，信号电荷将通过输出栅( 加有恒定 的电压) 下的势阱进入反向偏置的二极管( 图中n + 区) 中。由电源u d 、电阻r 、 衬底p 和n + 区构成的输出二极管反向偏置电路，它对于电子来说相当于一个很 深的势阱。进入反向偏置的二极管中的电荷( 电子) ，将产生电流i d ，且i d 的大 第三章c c d 器件的工作原理及选择 小与注入二极管中的信号电荷量q s 成正比，而与r 成反比。电阻r 是制在c c d 器件内部的固定电阻，阻值为常数。所以，输出电流i d 与注入二极管中的电荷量 q s 成线性关系，且 q s ：4 d t ( 3 - 3 ) 由于i d 的存在，使得a 点的电位发生变化。注入二极管中的电荷量q 。越大， i d 也越大，a 点电位下降得越低。所以，可以用a 点的电位来检测注入到输出二 极管中的电荷q 。隔直电容只将a 点的电位变化取出，使其通过场效应放大器 的o s 端输出。在实际的器件中，常常用绝缘栅场效应管取代隔直电容，并兼有 放大器的功能，它由开路的源极输出。 图中的复位管场效应管v r 用于对检测二极管的深势阱进行复位。它的主要 作用是在个读出周期中，注入输出二极管深势阱中的信号电荷通过偏置电阻r 放电，偏置电阻大小，信号电荷很容易被放掉，输出信号的持续时间很短，不利 于检测。增大偏置电阻，可以使输出信号获得较长的持续时间，在转移脉冲c r l 的周期内，信号电荷被卸放掉的数量不大，有利于对信号的检测。但是，在下一 个信号到来时，没有卸放掉的电荷势必与新转移来的电荷叠加，破坏后面的信号。 为此，引入复位场效应管v r ，使没有来得及被卸放掉的信号电荷通过复位场效 应管卸放掉。复位场效应管在复位脉冲r s 的作用下使复位场导通，它导通的动 态电阻远远小于偏置电阻的阻值，以便使输出二极管中的剩余电荷通过复位场效 应管流入电源，使a 点的电位恢复到起始的高电平，为接收新的信号电荷做好 准备。 3 3 c c d 的选择 现在市场上的线阵c c d 器件种类很多，按有效像元个数分有5 1 2 、1 0 2 4 、 2 0 4 8 、5 0 0 0 等多种；按其电荷转移沟道可分为单沟道和双沟道两种；按其驱动 频率分类可分为高速、中速和低速的；根据它们的灵敏度、动态范围等特性，可 分为高灵敏度的与超高灵敏度的；根据它们的主要应用场合可为用于光谱测量 的、用于尺寸测量的等等。 用于光谱探测的线阵c c d 应具有光谱响应范围宽、动态范围大、噪声低、 暗电流小、灵敏度高和像敏单元的均匀性好等特点。根据本课题的要求，兼顾性 c c d 摄像光谱仪接收系统设汁 能和经济上的多方面因素，本c c d 摄像光谱仪选择r l l 0 2 4 s b 自扫描光电二极 管阵列式线阵c c d 器件为接收器件，下面从几个方面进行讨论。 3 3 1r l l 0 2 4 s l l 的结构与工作原理 r l l 0 2 4 s b 为1 0 2 4 像敏单元的线阵c c d 器件，它的像敏单元是由较大光敏 面积的光电二极管构成，光敏面的有效尺寸为长2 5 p 4 n 、高2 5 m m ，1 0 2 4 像敏单 元的总长度为2 5 6 m m 。 图3 - 7r l l 0 2 4 s b 管脚定义图 r l l 0 2 4 s b 的管脚定义如图3 7 所示。由图可见r l l 0 2 4 s b 管脚中除了我们 已经熟悉的2 相驱动脉冲c r l 与c r 2 、转移脉冲s t 、复位脉冲r s 电极外，增 加了抗晕栅a b s 、抗晕漏a b d 、行输出结束信号e o s 、温敏二极管t d l 与t d 2 。 供电电源系统由v d d 提供+ 5 v 电压，v s s 为器件的地，v 。b 为器件的衬底偏压， 复位场效应管的漏极r d 电压v d d 的1 2 ，o s 为有效像敏单元信号的输出端， d o s 为被遮蔽光电二极管( 补偿信号) 的输出端。 r l l 0 2 4 s b 的等效电路原理图如图3 - 8 所示。图中有两列光电二极管阵列， 上面为被遮蔽的光电二极管阵列。输出补偿信号d o s ；下面为有效光电二极管 阵列，每一个光电二极管都对应着一个m o s 场效应管( 相当于存储栅的功能) ， 用来存储光电二极管所产生的信号电荷，并兼有模拟开关或转移栅的功能。有效 光电二极管下面的场效应管为抗晕用的场效应管，他们的栅极由抗晕栅a b s 控 4 z 。 s ，匹鞭km麟甚 簸烈悖博付=2傍m日眩 ，2 3 4 5 6 7 基9 m 雠盟i鼍鹩焉s 第三章c c d 器件的工作原理及选择 制，它的作用是使场效应管累积的信号电荷量大于某值时抗晕场效应管导通，多 余的信号电荷将通过抗晕场效应管排出而不会影响临近的光敏单元信号。图的最 上面为移位寄存器，它在驱动脉冲c r l 和c r 2 的作用下将顺利地打开场效应管 构成的模拟开关，使有效光电信号和参考信号( 暗光电信号) 分别经o s 与d o s 端输出。 图3 - 8r l l 0 2 4 s b 等效电路原理图 在具体的电路连接中，我们把抗晕栅a b s 接+ 5 v ，抗晕漏a b d 接+ 2 5 v ， 只有当场效应管累积的信号电荷达到饱和时，多余电荷从抗晕漏a b d 输出：衬 底偏压v 。u b 为+ i v ；温敏二极管t d l 与t d 2 在我们的系统中没有使用，即我们 的系统没有温度控制，在应用中不能做长时间的测量；行输出结束信号e o s 可 以作为a d 转换器的行同步信号，在此，我们没有使用，我们的a d 转换器的 驱动信号和c c d 的驱动脉冲为同一信号，动作绝对同步，因此不再需要行同步 信号。 3 3 2r l l 0 2 4 s b 的特点 ( 1 ) 光谱响应 图3 - 9 所示为r l l 0 2 4 s b 的光谱响应特性曲线。普通光学玻璃在紫外波段对 光的吸收较大，使得用普通光学玻璃为窗口的器件，其光谱响应曲线截止于 3 5 0 n m ；以石英玻璃为窗口的器件在紫外波段对光的吸收很小，它的光谱响应曲 獬 雠 髂 船k c c d 摄像光曾仪接收系统设计 线可延长至2 0 0 n m 的紫外谱区。因此在要求探测紫外波段的光谱时，要选用石 英玻璃窗1 ：3 的器件。区别其窗口玻璃的方法是在器件型号的尾部以q 符号表示 适应窗口的器件，而以g 表示普通玻璃窗口的器件。 1 0 0 。7 5 墨o ；5 0 荔 霉 0 2 5 1 0 0 奎0 03 0 04 0 0 5 0 06 0 07 0 0 8 0 09 0 01 0 0 01 1 0 0 图3 9r l l 0 2 4 s b 光谱响应特性曲线 我们考虑到石英窗c c d ：器件比玻璃窗c c d 器件的光谱响应好，响应范围宽， 价格相差不大，我们选择使用石英窗c c d 器件。 ( 2 ) 输出信号电荷与曝光量的线性 i 1 1 9 0 霉 7 警6 0 ： 3 ； 0 图3 1 0 输出信号电荷与曝光量的关系曲线 r l l 0 2 4 s b 的输出信号电荷与曝光量的关系曲线如图3 一1 0 所示。图中横坐标 第三章c c d 器件的工作原理及选择 为曝光量h ( r d c m 2 ) ，纵坐标为c c d 器件的输出电荷量q o 。( p c ) 。可以看出， 在曝光量较低( 低于饱和曝光量) 时曲线的线性很好。当曝光量接近饱和曝光量 时，曲线才出现弯曲，线性关系变坏。因此，应用时要控制曝光时涮，使它工作 在线性范围之内。 我们前面已经讨论了c c d 光敏单元的光注入特性，注入的信号电荷q 。与入 射辐射的量子流速率。及积分时间，。成正比，并给出电荷注入公式 级：邓q a n e ：掣t c c d 啊 ( 3 - 4 ) h c 式中，中。为入射单色光的光谱辐射通量。显然，调整积分时间t 。即可调整输出 电荷与入射辐射光通量的关系。 ( 3 ) r l l 0 2 4 s b 的其他特性 r l l 0 2 4 s b 的像敏单元的不均匀性、动态范围与灵敏度等其他特性参数如表 5 7 所示。从表中不难看出r l l 0 2 4 s b 具有动态范围宽，灵敏度高，像敏单元的 均匀性好等特点，是一种性能优良的器件。这些特点源于它的像敏面积大和以电 荷为信号。它的像敏单元面积为2 5 2 5 0 0 1 a m 2 ，比其他线阵的面积大千倍之多。 表3 - 1r l l 0 2 4 s b 系列c c d 的特性 特征典型值最大值单位 像敏单元中心距 2 5啪 像敏单元高度 2 5m m 灵敏度 2 9 x 1 0 4 c ( j c m 。、 像敏单元不均匀性 51 0+ 饱和曝光量 3 5n j c m 2 饱和电荷 1 0 p c 动态范围 3 1 2 5 0 暗电流( 均方根值) 0 2 0 0 5 0 p a 峰值波长 7 5 0i 珈 光谱响应范围2 0 0 1 0 0 0 1 1 i n c c d 摄像光谱仪接收系统设计 注释1 ：像敏单元不均匀性( p r i n ) 的定义为： p r u ：a u 1 0 0 u 其中u 为均匀照度下全部输出信号的平均值，u 为输出信号与u 的最大偏差值。 注释2 ：动态范围定义为像敏单元的势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定 的最小电荷量之比。 c c d 势阱中可存储的最大电荷量取决于c c d 的电极面积及器件结 构，时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素。 在c c d 图像传感器中有以下几种噪声源：( 1 ) 电荷注入器件时由电 荷量的起伏引起的噪声：( 2 ) 电荷在转移过程中电荷量的变化引起 的噪声；( 3 ) 检测电荷时常常需要对检测二极管进行复位操作，因 此复位脉冲将导致信号的检测噪声。 注释3 ：暗电流产生的主要原因有以下几点：( 1 ) 耗尽的硅衬底中电子自价 带至导带的本征跃迁；( 2 ) 少数载流子在中性体内的扩散；( 3 ) s i s i 0 2 界面引起的暗电流。 3 3 3i 也1 0 2 4 s b 的驱动器设计 r l l 0 2 4 s b 的驱动脉冲波形如图3 1 l 所示。从图中可以看出，它只需要三路 驱动脉冲，即转移脉冲s t 及驱动脉冲c r l 和c r 2 ，且幅度要求为5 v ，便于驱 动。器件输出的脉冲为行扫描结束脉冲e o s ，该信号可以作为a d 转换器的行 同步信号，在本光谱仪中我们没有使用。 为了得到如图3 1 1 所示的驱动脉冲波形，我们设计如图3 - 1 2 所示的驱动电 路，它由3 个二进制同步计数器( 7 4 h c l 6 1 ) 构成的可预置计数器( 由四位开关 的状态预置) 、d 触发器和逻辑电路组成，产生s t ，c r l 与c r 2 脉冲。7 4 h c l 6 1 的预置数据有我们根据c c d 的积分时间长短来设计，但积分时间最短不能小于 1 0 2 4 个时钟周期。由于r l l 0 2 4 s b 共有1 0 2 4 个像元，数据全部转移出来需要1 0 2 4 个时钟周期，如果积分时问小于了1 0 2 4 时钟周期，那么前后两次光注入得到的 电荷就会叠加，从而得到的数据也就不准确了。 第三章c c d 器件的工作原理及选择 厂弋 n门 叫墼p 门门几几门g 门门八门n 1 厂、，_ l 厂厂飞棚v 1 厂v j - f、3 4 柚“ n 1 ，乒丘式 一孙 t 。_ c 鬟ll o 图3 1 1r l l 0 2 4 s b 驱动脉冲波形图 图3 1 2r l l 0 2 4 s b 驱动电路 1 9 c c d 摄像光谱仪接收系统殴计 图3 1 2 的驱动电路中时钟脉冲为1 m h z ，由8 m h z 的晶体振荡器经8 分频 后得到。四位开关写入的数据依次是：0 0 0 0 ，0 0 0 1 ，0 1 1 0 ：每经过2 1 7 6 个时钟 脉冲，s t 就输出一个转移脉冲。c r l 和c r 2 是时钟脉冲经过d 触发器2 分频后 得到的，其频率为5 0 0 k h z ，因此，每个积分时间内c r l 和c r 2 输出1 0 8 8 个转 移脉冲，当1 0 2 4 个像敏单元的电荷全部转移出来以后，还有6 4 个空脉冲，这些 空脉冲就形成了后面的无效数据，由软件把他们剔除。 图3 1 3r l l 0 2 4 s b 放大电路 由于器件的