（光學(xué)專(zhuān)業(yè)論文）基于彩色及近紅外雙ccd的爐內(nèi)工件表面溫度全視場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng).pdf

摘要 摘要 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內(nèi)工件表面溫度全視場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng)是一種彩色 c c d 和近紅外c c d 雙光路相結(jié)合的檢測(cè)系統(tǒng)。彩色c c d 光路用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)視， 并可快速確定工件位置：近紅外光路采用紅外比色測(cè)溫方法精確測(cè)定工件表面 溫度。即用一種設(shè)備完成了對(duì)爐內(nèi)狀況的觀察和工件表面溫度的測(cè)量。這對(duì)于 提高產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化燃燒過(guò)程、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境以及工業(yè)生產(chǎn)安全都有重 要意義。本文對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和完整的理論分析，并對(duì)測(cè)試及計(jì)算中的一些 問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。 緒論：對(duì)國(guó)內(nèi)外輻射測(cè)溫方法和技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的論述，對(duì)其存在的 問(wèn)題進(jìn)行了分析，指出了本系統(tǒng)的創(chuàng)新之處。 第一章：簡(jiǎn)單介紹了高溫測(cè)量的常用方法；闡述了輻射測(cè)溫系統(tǒng)的理論基 礎(chǔ)黑體輻射定律，并在此理論基礎(chǔ)上介紹了比色測(cè)溫原理以及比色測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)； 最后還給出了系統(tǒng)的工作流程。 第二章：詳細(xì)討論了系統(tǒng)構(gòu)成的硬件系統(tǒng)，對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的主要硬件部分的 原理做了簡(jiǎn)單介紹。 第三章：按照軟件工程的思想，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了需求分析，并在需求分析的 基礎(chǔ)上給出了軟件系統(tǒng)的整體框架以及系統(tǒng)軟件的流程圖。 第四章：分析了系統(tǒng)中由于硬件、噪聲、軟件引起誤差的原因，提出了相 應(yīng)減小誤差的方法，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 關(guān)鍵詞：比色測(cè)溫、圖像處理、n i c c d 、窄帶濾波片 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內(nèi)工件表面溫度全視場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng) a b s t r a c t f u l lv i e wf u r n a c ew o r k p i e c es u r f a c et e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n dd e t e c t i n g s y s t e mb a s e do nc o l o ra n dn e a r - i n f r a r e dd o u b l ec c di st h ee x a m i n a t i o ns y s t e m w h i c hu n i f i e sd o u b l ep a t ho fl i g h t sf r o mc o l o rc c da n dn e a r - i n f r a r e dc c d c o l o r c c dc a nb eu s e dt or e a l t i m em o n i t o r i n ga n dr a p i d l yc o n f i r mt h el o c a t i o no ft h e w o r kp i e c e n e a r - i n f r a r e dc c dc a na c c u r a t e l ym e a s u r et h es u r f a c et e m p e r a t u r eo f t h e w o r kp i e c eb yc o l o r i m e t r i ct e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t i no t h e rw o r d ，w eh a v e f i n i s h e dt h ew o r ko f o b s e r v i n g f u m a c es t a t ea n dm e a s u r i n gt h es u r f a c et e m p e r a t u r e o ft h ew o r kp i e c ew i t hj u s to n ep i e c eo fe q u i p m e n t i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r i m p r o v i n gt h ep r o d u c tq u a l i t y , o p t i m i z i n gb u r n i n gp r o c e s s ，s a v i n ge n e r g y , p r o t e c t i n g e n v i r o n m e n ta n de n s u r i n gi n d u s t r i a ls a f e t y i nt h i sp a p e r , w ed e s i g n e dt h ew h o l e s y s t e ma n dd i de n t i r et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n dw em a d ef u r t h e ri n v e s t i g a t i o nf o rt h e p r o b l e m sa p p e a r e di nm e a s u r e m e n ta n dc a l c u l a t i o n i n t r o d u c t i o n ：t h em e t h o d sa p p l i e dt om e a s u r et h et e m p e r a t u r ea r es u m m a r i z e d ， t h ep r o b l e m s e x i s t i n gi n t h e s em e t h o d sa r ea n a l y z e d ，a n dp o i n to u tt h i s s y s t e m i n n o v a t i o np l a c e c h a p t e r1 ：t h ec o m m o n l yu s e dm e t h o d so fh i g ht e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta r e i n t r o d u c e ds i m p l y t h el a wo fb l a c kb o d yr a d i a t i o nw h i c hr a d i a t i o nt h e r m o m e t r y d e p e n d so ni se l a b o r a t e d b a s e do nt h i st h e o r y , t h em e r i t so fc o l o r i m e t r i ct e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ta r ei n t r o d u c e d f i n a l l y , r e t u r n e dt og i v eb a c kt ot h es y s t e mw o r kf l o w c h a p t e r2 ：t h eh a r d w a r es y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i l ，a n dt h ep r i n c i p l e so f m a i n h a r d w a r ea r ei n t r o d u c e ds i m p l y c h a p t e r3 ：a c c o r d i n gt ot h e o r yo fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，t h eo v e r a l lf r a m ea n d t h ef l o wc h a to fs o f t w a r es y s t e mw h i c ha r eb a s e do nd e m a n da n a l y s i st ot h es y s t e m a r ei n t r o d u c e d c h a p t e r4 ：t h es y s t e me r r o r sb e c a u s eo fh a r d w a r e ，n o i s e ，s o f t w a r ea r ea n a l y z e d ， t h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d st or e d u c ee r r o r sa r ep r o p o s e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：c o l o r i m e t r i ct e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ；i m a g ep r o c e s s i n g ；n i c c d 2 n a r r o wb a n df i l t e rs l i c e 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內(nèi)工件表面溫度全視場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng) 緒論 1 課題背景 溫度是反映物質(zhì)本身固有特征的重要參數(shù)之一，是物質(zhì)中分子運(yùn)動(dòng)平均動(dòng) 能的體現(xiàn)。溫度測(cè)量是一門(mén)應(yīng)用極廣泛的技術(shù)，無(wú)論在現(xiàn)代工業(yè)賴(lài)以生存和發(fā) 展的能源動(dòng)力工程中，還是在諸如大規(guī)模集成電路、生物技術(shù)、航天科技等新 興技術(shù)領(lǐng)域中，或者在與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的石化、冶金、材料、食品等 行業(yè)中，都發(fā)揮著巨大的作用。它不僅為節(jié)約能源、提高設(shè)備熱效率和發(fā)掘新 材料等眾多領(lǐng)域帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)進(jìn)一步保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)和保持一 個(gè)國(guó)家和地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。 在石化、冶金等行業(yè)中，控制高溫加熱爐中加熱工件的表面溫度顯的尤為 重要。在冶煉過(guò)程中，加熱工件的表面溫度的高低以及是否均勻直接影響到產(chǎn) 品的質(zhì)量，特別是由準(zhǔn)確控制加熱溫度，進(jìn)而優(yōu)化調(diào)整燃燒工藝所帶來(lái)的節(jié)能 降耗和效益提升更是意義重大。 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著計(jì)算機(jī)圖象處理技術(shù)的發(fā)展，基于工業(yè)電荷藕荷器件c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e s ) 與計(jì)算機(jī)圖象處理相結(jié)合的比色測(cè)溫技術(shù)是較為熱門(mén)的研究 方向之一，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了一定的研究。 日本日立實(shí)驗(yàn)室k u r i h a r a 等研制了火焰圖像識(shí)別系統(tǒng)( f i r e s ，f l a m ei m a g e r e c o g n i t i o ns y s t e m ) ，并在本公司1 9 8 5 年問(wèn)世的h i a c 一3 0 0 0 系統(tǒng)中應(yīng)用該技術(shù) 獲得了火焰溫度場(chǎng)的分布，同時(shí)進(jìn)行了燃燒經(jīng)濟(jì)性和n o x 的估算等【1 1 。隨后， 該公司的m s h i o d a 提出了類(lèi)似于比色法的圖像溫度測(cè)量方法，并提出了多燃燒 器未燃盡碳生成的預(yù)測(cè)模型，在日本仙臺(tái)電站1 7 5 m w 機(jī)組上得到實(shí)施【2 j 0 日本三菱公司的光學(xué)圖像火焰掃描系統(tǒng)( o p t i s ，o p t i c a li m a g ef l a m e s c a n n e r ) 采用光學(xué)圖像傳感器提高了系統(tǒng)對(duì)火焰的靈敏度和鑒別能力，據(jù)稱(chēng)該 系統(tǒng)能夠較好地克服爐膛背景熱輻射和相鄰燃燒器的火焰信號(hào)的干擾，系統(tǒng)的 緒論 主要功能是火焰形狀識(shí)別和火焰穩(wěn)定性判斷等。我國(guó)上海寶山鋼鐵公司自備電 廠的鍋爐機(jī)組采用了該系統(tǒng)的第一代產(chǎn)品( o p t i s 1 ) ，檢測(cè)整個(gè)爐膛火焰狀況， 該系統(tǒng)圖像效果清晰。 c a s h d o l l a r l 3 4 1 于1 9 7 9 年研制成功了3 波長(zhǎng)高溫計(jì)，在0 8 、0 9 、1 0 “m3 種 工作波長(zhǎng)下測(cè)量火焰及爆炸粉塵的溫度，測(cè)量上限可至2 0 0 0 k ，同時(shí)可用換濾光 片方法形成4 波長(zhǎng)及6 波長(zhǎng)高溫計(jì)。 歐盟b a b e l o t 及美國(guó)o h s e 等人研究多波長(zhǎng)高溫計(jì)【4 1 ，并制成6 波長(zhǎng)高溫計(jì)， 采用光導(dǎo)纖維束分光，硅光電二極管作為探測(cè)器，用于材料熱物性的快速動(dòng)態(tài) 測(cè)量，在5 0 0 0 k 時(shí)分辨率為5 k 。 芬蘭i v o 公司的燃燒監(jiān)測(cè)與數(shù)字分析系統(tǒng)( d i m a c ，d i g i t a lm o n i t o r i n ga n d a n a l y s i so fc o m b u s t i o n ) 【6 j ，于1 9 8 8 年首先用于芬蘭r u a h a l a h t i 一臺(tái)8 0 m w 的 泥煤和煤混燒的電廠鍋爐，它采用光學(xué)系統(tǒng)將圖像傳送給爐外的圖像傳感器， 通過(guò)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的圖像分析卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理，據(jù)稱(chēng)該系統(tǒng)具有降 低爐膛出口氧濃度，提高燃燒效率，減少輔助燃油量等功能。 在國(guó)內(nèi)比色測(cè)溫領(lǐng)域中，清華大學(xué)吳占松1 6 j 進(jìn)行了小型發(fā)光火焰溫度分布測(cè) 量的研究，他詳細(xì)推導(dǎo)了圖像亮度信號(hào)與火焰溫度之間的關(guān)系，經(jīng)黑體爐標(biāo)定 獲得了多項(xiàng)式回歸模型，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)火焰圖像處理的先河。隨后開(kāi)展了非對(duì)稱(chēng) 火焰三維溫度分布重建的研究，通過(guò)在計(jì)算中加入內(nèi)部火焰分布平滑的先驗(yàn)假 設(shè)，給出了給對(duì)稱(chēng)火焰的三維溫度分布測(cè)量的重構(gòu)算法。 上海交通大學(xué)的徐偉勇【7 】等采用傳像光纖和數(shù)字圖像處理技術(shù)開(kāi)展了電站 鍋爐燃燒火焰檢測(cè)的研究，將火焰亮度及其變化歷史趨勢(shì)作為判斷燃燒穩(wěn)定性 的依據(jù)，并致力于通過(guò)火焰圖像處理實(shí)現(xiàn)燃燒過(guò)程閉環(huán)控制的研究。其研究成 果已應(yīng)用到電站鍋爐的運(yùn)行中，圖像監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的“o n o f f ”信號(hào)并入到鍋爐燃 燒控制系統(tǒng)( f s s s ) 中。 原電力部門(mén)南京自動(dòng)化研究所的許柯夫，提出在6 0 0 7 0 0 n m 波段內(nèi)，避開(kāi) 爐壁面輻射的影響，使用中心波長(zhǎng)不同的干涉濾波片同時(shí)攝取圖像，利用比色 測(cè)溫的原理，消去中心介質(zhì)吸收的影響，不需進(jìn)行黑體標(biāo)定，以進(jìn)行輻射溫度 的測(cè)量。研究者在電廠中利用現(xiàn)有的內(nèi)窺式光學(xué)系統(tǒng)采集火焰圖像進(jìn)行了試驗(yàn)， 之后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了專(zhuān)門(mén)使用于比色測(cè)溫法的比色攝像機(jī)，以及使用傳像 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內(nèi)工件表面溫度全視場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng) 光纖裝置代替現(xiàn)有的潛望鏡式光學(xué)裝置等建議。 上海理工大學(xué)蔡小舒等【8 】利用以c c d 陣列作為光譜測(cè)量元件的微型光纖光 譜儀，研制了試驗(yàn)用火焰檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量火焰的發(fā)射光譜來(lái)進(jìn)行火焰的檢 測(cè)和診斷技術(shù)的研究。該系統(tǒng)不但i i l 4 i 量火焰輻射的強(qiáng)度和閃爍頻率，而且能 測(cè)量火焰視場(chǎng)平均溫度及火焰在某一波段內(nèi)的黑度、色度等。進(jìn)一步研究火焰 發(fā)射光譜曲線(xiàn)形狀在不同燃燒狀態(tài)下的差異，還可以對(duì)燃燒的狀況進(jìn)行診斷。 華中理工大學(xué)周懷春等 9 1 提出基于參考測(cè)溫的單色法圖像溫度檢測(cè)法。其基 本原理是，在爐膛火焰電視監(jiān)視裝置的攝像機(jī)前加裝一個(gè)濾色片，以獲取單波 長(zhǎng)下的火焰輻射圖像，同時(shí)，利用熱電偶或雙色高溫計(jì)實(shí)測(cè)爐內(nèi)一個(gè)攝像方向 的燃燒溫度作為參考溫度，進(jìn)而計(jì)算出火焰二維溫度場(chǎng)，再根據(jù)所測(cè)得的溫度 場(chǎng)進(jìn)行燃燒工況診斷。在此基礎(chǔ)上建立了二維輻射圖像和三維輻射能量分布的 數(shù)學(xué)關(guān)系，并以比色法為基礎(chǔ)確定輻射能和圖像灰度的定量關(guān)系，將才圖像轉(zhuǎn) 化為灰度圖像，由各象素灰度之間的比值等于各象素之間的溫度的4 次方之間 的比值關(guān)系，利用參考溫度計(jì)算出火焰溫度圖像。 東南大學(xué)王式民等【lo 】研制的全爐膛火焰監(jiān)測(cè)及圖像處理系統(tǒng)已應(yīng)用到多家 電廠中。系統(tǒng)對(duì)火焰圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理，進(jìn)而獲得火焰的亮度均值、面積 和形心坐標(biāo)等參數(shù)，可預(yù)報(bào)爐內(nèi)燃燒程度和發(fā)展趨勢(shì)，以便提前報(bào)警。 浙江大學(xué)熱能工程研究所【l l 】在對(duì)比色測(cè)溫原理進(jìn)行理論研究和誤差分析的 基礎(chǔ)上，提出一種直接利用原始的火焰圖像中r 、g 、b 三色信息的測(cè)溫方法。 即由彩色c c d 獲取的火焰圖像包含的r 、g 、b 三色亮度值，通過(guò)試驗(yàn)和理論 的分析，利用修正后的比色公式直接計(jì)算溫度場(chǎng)。該方法不需參考點(diǎn)，設(shè)備簡(jiǎn) 單。在此基礎(chǔ)上，他們?cè)诠I(yè)鍋爐的不同位置設(shè)置多套c c d 檢測(cè)系統(tǒng)，在多家 電廠進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并已有兩套系統(tǒng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。 武漢光學(xué)技術(shù)研究所于1 9 8 4 成功研制了3 波長(zhǎng)h d w l 型紅外測(cè)溫儀， 北京聯(lián)大于1 9 8 8 年提出了多光譜溫度自動(dòng)檢測(cè)法，1 9 8 9 年王瑞才研制成功了 4 波長(zhǎng)高溫計(jì)并應(yīng)用于電弧加熱下燒蝕材料的溫度測(cè)量【l4 1 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的戴景民與羅馬大學(xué)r u f f i n o 教授合作研制成功棱鏡分光式 3 5 波長(zhǎng)高溫計(jì)，并成功地用于燒蝕材料真溫及發(fā)射率地測(cè)量【1 5 】。1 9 9 9 年又研制 成功6 目標(biāo)8 波長(zhǎng)高溫計(jì)并成功用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)羽焰溫度和發(fā)射率的測(cè)量。 緒論 3 論文的創(chuàng)新之處 從文獻(xiàn)查新的結(jié)果來(lái)看，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中有關(guān)高溫爐膛內(nèi)的電視系統(tǒng)，多數(shù)為 工況監(jiān)視系統(tǒng)，也有一些涉及到測(cè)溫，但多數(shù)是單一彩色c c d 比色原理檢測(cè)爐 膛火焰分布的方法，而有關(guān)采用雙光路c c d 圖像的目標(biāo)溫度監(jiān)測(cè)，并將高溫爐 膛內(nèi)的工況實(shí)時(shí)監(jiān)視和近紅外比色測(cè)溫原理相結(jié)合，對(duì)工件表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí) 全視場(chǎng)檢測(cè)的系統(tǒng)，在所查文獻(xiàn)中未見(jiàn)報(bào)道。 9 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內(nèi)工件表面溫度全視場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng) 第一章比色測(cè)溫法 1 1 高溫測(cè)溫綜述 溫度是表征物體冷熱程度的物理量。根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)理論，溫度是分子平均 動(dòng)能的量度，反映的是物體質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)的速度。溫度作為一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，它的變 化必然引起氣體壓力及容積等狀態(tài)變化。溫度測(cè)量是利用某些物質(zhì)的物理性能 ( 如線(xiàn)膨脹率、體積膨脹率、電阻率、熱噪聲、熱輻射等) 與溫度的關(guān)系做成 各式各樣的感溫器件一溫度傳感器，并通過(guò)溫度傳感器物理特性的變化獲得溫 度值。高溫測(cè)量一般指銻凝固點(diǎn)( 9 0 3 8 9 k ) 以上的溫度測(cè)量，常用的高溫測(cè)量 方法如圖1 _ 1 所示，主要分為接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫，以下分別加以簡(jiǎn)單介 紹。 1 1 1 接觸式測(cè)溫方法 圖1 1 ：常用的高溫測(cè)量方法 第1 章比色測(cè)溫法 接觸式測(cè)溫方法的感溫元件直接置于被測(cè)溫度場(chǎng)或介質(zhì)中，不受火焰的黑 度、熱物性參數(shù)等因數(shù)影響，具有測(cè)溫精度高，使用方便的優(yōu)點(diǎn)。但是當(dāng)被測(cè) 物質(zhì)具有腐蝕性時(shí)，高溫條件下測(cè)溫元件的測(cè)量準(zhǔn)確性也相應(yīng)降低。對(duì)于具有 瞬態(tài)脈動(dòng)特性的測(cè)量對(duì)象，接觸式測(cè)溫法難以作為實(shí)用的溫度場(chǎng)測(cè)量手段，這 主要是由于接觸法得到的是某個(gè)局部位置的溫度信號(hào)。如果要得到整個(gè)物體的 表面溫度場(chǎng)，必須在測(cè)溫面上進(jìn)行合理布點(diǎn)，并通過(guò)適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法獲得被測(cè) 溫度場(chǎng)的近似分布。此外，大多數(shù)接觸式測(cè)溫裝置的動(dòng)態(tài)特性不夠理想，難以 反映溫度的快速變化和脈動(dòng)。熱電偶測(cè)溫法是最常見(jiàn)的接觸式測(cè)溫法【l “，用兩 種不同導(dǎo)體( 或半導(dǎo)體) 組成的回路，兩斷接點(diǎn)分別處于不同溫度環(huán)境中與當(dāng) 地達(dá)成熱平衡時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，標(biāo)定后可用來(lái)測(cè)量溫度。黑體腔式熱輻射高溫 計(jì)，是近年來(lái)隨著光纖技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型的接觸測(cè)溫方式。它是以高耐 溫材料深入高溫火焰中和火焰達(dá)成局部熱平衡，依據(jù)黑體腔內(nèi)產(chǎn)生自發(fā)熱輻射， 并經(jīng)普通石英光纖將輻射能傳送到檢測(cè)系統(tǒng)，利用雙色測(cè)溫法測(cè)量出當(dāng)?shù)販囟取?它結(jié)合了接觸測(cè)溫和非接觸測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)，與熱電偶測(cè)溫方法相比，具有測(cè)溫上 限高、精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)勢(shì)，具有良好的應(yīng)用前景。 1 1 2 非接觸式測(cè)溫方法 非接觸式測(cè)溫方法分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是通過(guò)測(cè)量燃燒介質(zhì)的熱力學(xué)性質(zhì)參 數(shù)來(lái)求解溫度：另一類(lèi)是利用高溫火焰的輻射特性通過(guò)光學(xué)法來(lái)測(cè)量溫度場(chǎng)。 非接觸式測(cè)溫方法由于測(cè)溫元件不與被測(cè)介質(zhì)接觸，不會(huì)破壞被測(cè)介質(zhì)的溫度 場(chǎng)和流場(chǎng)，同時(shí)感受熱慣性很小，因此可用于測(cè)溫不穩(wěn)定熱力過(guò)程的溫度，其 測(cè)量上限不受材料性質(zhì)的影響，可測(cè)諸如爐內(nèi)工件等高溫對(duì)象。但對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)高 溫工件溫度測(cè)量，非接觸式測(cè)量方法需開(kāi)設(shè)光學(xué)窗口，窗口的透過(guò)率經(jīng)常由于 局部污染而造成不均勻的減弱，這增加了高溫工件溫度測(cè)量的困難。 1 2 輻射測(cè)溫原理 1 2 1 基礎(chǔ)理論 只要是溫度在絕對(duì)零度以上的物體都會(huì)或多或少的發(fā)射出電磁波，這就是 熱輻射。物體在向周?chē)懦鲚椛淠艿耐瑫r(shí)，也會(huì)吸收來(lái)自周?chē)奈矬w所放出的 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內(nèi)工件表面溫度全視場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng) 輻射能【3 1 l 。熱輻射電磁波具有以光速傳播、反射、折射、散射、干涉和吸收等 的特性。它是由波長(zhǎng)相差很遠(yuǎn)的紅外線(xiàn)、可見(jiàn)光及紫外線(xiàn)所組成的，它們的波 長(zhǎng)范圍從1 0 - 3 m 到1 0 4 m 不等而可見(jiàn)光只是其中的- d , 部分，約為o 3 8 o 7 8 p m ， 比0 3 8 “r n 更短的電磁波稱(chēng)緯紫外線(xiàn)，比0 7 8 9 m 更長(zhǎng)的稱(chēng)為紅外線(xiàn)。在低溫時(shí)， 物體輻射能量8 t o l , ，主要發(fā)射的時(shí)紅外線(xiàn)。隨著溫度的升高，輻射能量急劇增 加，輻射光譜也向短的方向移動(dòng)，在5 0 0 ( 2 左右時(shí)，輻射光譜包括部分可見(jiàn)光； 在8 0 0 c 時(shí)可見(jiàn)光部分大大增加，即呈現(xiàn)“紅熱”；如果溫度到了3 0 0 0 c 時(shí)，輻 射光譜則包含更多的短波成分，使得物體呈現(xiàn)“白熱”。有經(jīng)驗(yàn)的人員從觀察灼 熱物體表面的“顏色”來(lái)大致判斷物體的溫度，這就是輻射測(cè)溫的基本原理。 但這種判斷時(shí)相當(dāng)粗糙的，精確的判定物體的熱輻射及其溫度之間的定量關(guān)系 時(shí)輻射測(cè)溫的重要研究?jī)?nèi)容。 1 2 2 熱輻射的基本概念 1 輻射能q 【1 7 】u 8 1 【1 9 】 輻射能是以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪? 主要指紫外、可見(jiàn)光和紅外輻射) 能量。輻射能一般用符號(hào)q 表示，其單位是焦耳( j ) 。 2 輻射通量m 輻射通量m 又稱(chēng)為輻射功率，定義為單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的輻射能量，即 o ：塑( 1 - 1 ) 擊 輻射通量的單位是瓦特( w ) 或焦耳秒( j s ) 。 3 輻射出射度m 輻射出射度m 是用來(lái)反映物體輻射能力的物理量。定義為輻射體單位面積 向半空間發(fā)射的輻射通量，即 m ：塑( 1 2 ) 刪 4 輻射強(qiáng)度i 輻射強(qiáng)度i 定義為：點(diǎn)輻射源在給定方向上發(fā)射的在單位立體角內(nèi)的輻射通 量，用i 表示，即 第1 章比色測(cè)溫法 ，：塑( 1 - 3 ) ，= 一 d r 2 輻射強(qiáng)度的單位是瓦特球面度。1 ( w s r 。1 ) 。 由輻射強(qiáng)度的定義可知，如果一個(gè)置于各向同性、均勻介質(zhì)中的點(diǎn)輻射體 向所有方向發(fā)射的總輻射通量是m ，則該點(diǎn)輻射體在各個(gè)方向的輻射強(qiáng)度i 是常 量，有 ，：里( 1 - 4 ) 4 萬(wàn) 5 輻射亮度l 輻射亮度l 定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射通量，如圖1 2 所示。 三：坐：垡：竺( 1 - 5 ) d s c o s 口以獅c o s o 式中0 是給定方向和輻射源面元法線(xiàn)間的夾角。輻射亮度的單位是瓦特球面 度米2 ( w s r m 2 ) 。 圖1 - 2 ：輻射亮度示意圖 顯然一般輻射體的輻射強(qiáng)度與空間方向有關(guān)。但是有些輻射體的輻射強(qiáng)度 在空間方向上的分布滿(mǎn)足 d l = 刃oc o s o ( 1 - 6 ) 式中1 0 是面元d s 沿其法線(xiàn)方向的輻射強(qiáng)度。符合上式規(guī)律的輻射體稱(chēng)為余弦輻 射體或朗伯體。將( 1 - 6 ) 式代入( 1 5 ) 式，得到余弦輻射體的輻射亮度為 三= 等吐 ( 1 - 7 ) 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內(nèi)工件表面溫度全視場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng) 可見(jiàn)余弦輻射體的輻射亮度是均勻的，與方向角0 無(wú)關(guān)。將( 1 - 7 ) 式代入( 1 5 ) 式，得到余弦輻射體的面元d s 向半空間的輻射通量為 拋= l o d s l c o s 國(guó)n = l o z z s ( 1 - 8 ) 計(jì)算上式積分時(shí)應(yīng)用了立體角的定義地=粵=_(rsinod6p)(rdo)=sinodod妒。余 弦輻射體的輻射出射度為 m = 等咆石 ( 1 9 ) 6 輻射照度e 在輻射接收面上的輻射照度e 定義為照射在面元上的輻射通量d m 與該面元 的面積d a 之比。即 e ：塑( 1 - l o ) 洲 單位是w m 2 。 由輻射通量和輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系式( 1 4 ) 我們知道，一個(gè)輻射強(qiáng)度為 1 w s r 1 的點(diǎn)光源，總輻射通量等于4 n w ?，F(xiàn)在假如有一個(gè)以這個(gè)點(diǎn)光源為球 心，半徑為1 m 的球面包圍這個(gè)點(diǎn)光源，則該球面上的輻射照度恰好等于1 w m 2 。 用這樣的假想球面不難求得輻射強(qiáng)度為i 在距離r 處的輻射照度為e = - 2 1 7 。這 k 。 r 一結(jié)果表明，一個(gè)均勻點(diǎn)光源在空間一點(diǎn)的輻射照度與該光源的輻射強(qiáng)度成正 比，與距離平方成反比。 7 單色輻射量度 對(duì)于單色光輻射，同樣可以采用上述物理量表示，只不過(guò)均定義為單位波 長(zhǎng)間隔內(nèi)對(duì)應(yīng)的輻射度量，其名稱(chēng)及單位見(jiàn)表1 1 。并且對(duì)所有輻射量x 來(lái)說(shuō)單 色輻射度量與輻射度量之間均滿(mǎn)足 x = l x 。樅 ( 1 1 1 ) 第1 章比色測(cè)溫法 表i - 1 ：?jiǎn)紊廨椛涞拿Q(chēng)、符號(hào)及單位 量度名稱(chēng) 符號(hào)定義式單位名稱(chēng)單位符號(hào) 單色輻射通量m l d m d 九 瓦特微米w p m 單色輻射出射度m x d m d 九 瓦特( 米2 微米) w ( m 2 “m ) 單色輻射強(qiáng)度i i d i d 九 瓦特( 球面度微米)w ( s r r t m ) 單色輻射亮度h d l d 九 瓦特( 米2 球面度微米)w ( m 2 s r p m ) 單色輻射照度b d e d l 瓦特( 米2 微米)w ( m 2 岬) 1 2 3 熱輻射的基本定律 1 絕對(duì)黑體 任何溫度下，能全部吸收入射到其表面上的任意波長(zhǎng)的輻射能的物體稱(chēng)為絕 對(duì)黑體。在相同溫度下，黑體的輻射出射度最大，實(shí)際物體的輻射出射度總是 低于黑體。 2 實(shí)際物體的全發(fā)射率( t ) 設(shè)m ( t ) 表示實(shí)際物體在某一溫度t 下全波長(zhǎng)范圍的積分輻射出射度，m o ( t ) 表示黑體在某一溫度t 下全波長(zhǎng)范圍的積分輻射出射度，則定義兩者之比為實(shí) 際物體的全發(fā)射率，記為( t ) ；定義熱輻射體的光譜輻射出射度m ( l ，t ) 與黑體 在相同溫度及波長(zhǎng)下的光譜輻射出射度m o ( l , t ) 之比為光譜( 單色) 發(fā)射率： 砸，丁) = 器 ( 1 _ 1 2 ) e ( z ，t ) 與物體的物理特性及輻射波長(zhǎng)有關(guān)。光譜發(fā)射率小于1 且不隨波長(zhǎng)而改變 的物體稱(chēng)為灰體。各種物體的發(fā)射率隨波長(zhǎng)的變化如圖1 3 所示。 基于彩色及近紅外雙c c 3 的爐內(nèi)工件表面溫度全視場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng) 圖1 3 ：特定輻射中的不同輻射率 3 普朗克公式 黑體處于溫度t 時(shí)，在波長(zhǎng)x 處的單色輻射出射度由普朗克公式給出 w 塒) = 熹 ( 1 - 1 3 ) 式中h 為普朗克常數(shù)，c 為真空中的光速，k 為波爾茲曼常數(shù)。令，c = 2 砌c2 ， c ，= h c k ，則( 1 1 3 ) 式可改寫(xiě)為 州 ) = 志( w c m 忡) ( 1 - 1 4 ) 式中，c l = 3 7 4 1 8 3 2 x 1 0 “2 w c m2 稱(chēng)為第一輻射常數(shù)；c 2 = 1 4 3 8 7 8 6 x 1 0 4 a n k 稱(chēng)為第二輻射常數(shù)。由于黑體是余弦漫射體，應(yīng)用( 1 - 9 ) 式可求得黑體的單色 輻射亮度為 州妒) = 磊考巧w c m 2 v m ( 1 - 1 5 ) 圖1 - 4 給出了不同溫度條件下黑體的單色輻射出射度( 輻射亮度) 隨波長(zhǎng)的 變化曲線(xiàn)。由圖1 4 可見(jiàn)： ( 1 ) 對(duì)應(yīng)任一溫度，單色輻射出射度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，且只有一個(gè)峰值；對(duì)應(yīng) 不同溫度的曲線(xiàn)不相交。因而溫度能惟一確定單色輻射出射度的光譜分布和輻 射出射度( 即曲線(xiàn)下的面積) 。 第1 章比色測(cè)溫法 圖1 - 4 ：黑體的輻射曲線(xiàn) ( 2 ) 單色輻射出射度和輻射出射度均隨溫度的升高而增大。 ( 3 ) 單色輻射出射度的峰值隨溫度的升高向短波方向移動(dòng)。 4 瑞利一瓊斯公式 由( 1 - 1 4 ) 式可以看出，當(dāng)九t 很大時(shí)，p 。2 “7z 1 + 導(dǎo)，則可得到適合于長(zhǎng) a i 波長(zhǎng)區(qū)的瑞利一瓊斯公式 m b ( 五，r ) = c 導(dǎo)t 2 - 4 ( 1 1 6 ) 在2 t 7 7 1 05 刪k 時(shí)，瑞利一瓊斯公式與普朗克公式的誤差小于1 。 4 維恩公式 當(dāng)u 很小時(shí)，ec 2 ，”一1ze 。“7 ，則可得到適合于短波長(zhǎng)區(qū)的維恩公式 a ，6 ( 五，r ) = c 1 2 - 5 e g “7 ( 1 - 1 7 ) 在2 t 五時(shí)，占( a 1 ，t ) s ( 兄2 ，t ) 那么式( 1 - 2 1 ) 中l(wèi) n e ( a 。，r ) s ( 五，丁) 】 0 ，這 類(lèi)物體的比色溫度大于真實(shí)溫度，即t c t 。 若實(shí)際物體的光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)的增加而增大( 大多數(shù)非金屬材料均如 此) ，即當(dāng)a 2 時(shí)，s ( 五l ，t ) 占( a 2 ，t ) 那么式( 1 - 2 1 ) 中l(wèi) n e ( 2 , ，丁) s ( 五2 ，丁) 孤而盎蒜 其中r 為c c d 攝像機(jī)的最小照度。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內(nèi)工件表面溫度金視場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng) 2 3c c d 工作原理 電荷耦合器件【2 3 i ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)， 而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號(hào)。c c d 的基本功能是電荷的存 儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，其工作過(guò)程中的主要問(wèn)題是信號(hào)電荷產(chǎn)生存儲(chǔ)傳輸和 檢測(cè)。c c d 有兩種基本類(lèi)型：一是電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣層之間的界面， 并沿界面?zhèn)鬏敚@類(lèi)器件稱(chēng)為表面溝道c c d ( 簡(jiǎn)稱(chēng)s c c d ) ；二是電荷包存儲(chǔ)在 離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸，這類(lèi)器件稱(chēng) 為體溝道或埋溝道器件( 簡(jiǎn)稱(chēng)b c c d ) 。下面我們以s c c d 為例來(lái)說(shuō)明c c d 工 作原理。 2 3 1 電荷的存儲(chǔ)與耦合 l 電荷存儲(chǔ) c c d 的基本構(gòu)成單元是m o s ( 金屬一氧化物一半導(dǎo)體) 結(jié)構(gòu)。如圖2 8 ( a ) 所示，在柵極施加正偏壓u g 之前，p 型半導(dǎo)體中空穴多數(shù)載流子的分布是均勻 的。當(dāng)柵極施加正偏壓u g ( 此時(shí)u g 小于p 型半導(dǎo)體的閾值電壓u t l l ) 后，空穴 被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，如圖2 - 8 ( b ) 所示。偏壓u g 繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向 半導(dǎo)體內(nèi)延伸。當(dāng)u g u l h 時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)( 常稱(chēng)為表面勢(shì)， 用巾s 表示) 變得如此之高，以至于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子( 少數(shù)載流子) 吸引到表 面形成一層極薄的( 約1 0 - 2 m m ) 但電荷濃度很高的反型層，如圖2 8 ( c ) 所示。 反型層電荷的存在表明了m o s 結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。但是，當(dāng)柵極電壓由零突 變到高于閩值電壓u 。h 時(shí)，輕摻雜半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子很少，不能立即建立反 型層。在不存在反型層的情況下，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向體內(nèi)延伸，而且柵極和襯 底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)上，如果隨后可以獲得少數(shù)載流子，那么 耗盡區(qū)將收縮，表面勢(shì)下降，氧化層上的電壓增加。 表面勢(shì)巾s 隨著反型層電荷濃度q i n v 和柵極電壓u o 的變化而變化，如果表 面勢(shì)m s 與反型電荷濃度q 惝的對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)直線(xiàn)性好，說(shuō)明這兩者之間有著良好的 反比例線(xiàn)性關(guān)系。這種線(xiàn)性關(guān)系很容易用半導(dǎo)體物理中的“勢(shì)阱”概念來(lái)描述。 電子所以被加有柵極電壓u g 的m o s 結(jié)構(gòu)吸引到氧化層與半導(dǎo)體的交界面處， 是因?yàn)槟抢锏膭?shì)能最低。在沒(méi)有反型層電荷時(shí)，勢(shì)阱的“深度”與柵極電壓u 。 第2 章系統(tǒng)硬件 的關(guān)系恰如中s 與u o 的線(xiàn)性關(guān)系，如圖2 - 9 ( a ) 空勢(shì)阱的情況。圖2 - 9 ( b ) 為反型層 電荷填充1 3 勢(shì)阱時(shí)，表面勢(shì)收縮。當(dāng)反型層電荷足夠多，使勢(shì)阱被填滿(mǎn)時(shí)，m s 降到2 0 r 。此時(shí)表面勢(shì)不再束縛多余的電子，電子將產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象這樣表面 勢(shì)可作為勢(shì)阱深度的量度，而表面勢(shì)又與柵極電壓u g 、氧化層的厚度d o x 有關(guān)。 勢(shì)阱的橫截面積取決于柵極電極的面積a 。m o s 電容存儲(chǔ)信號(hào)電荷的容量 q = u g 爿 ( 2 9 ) 氧碣酋翥 t y o = s vl 一一一一j c = = = 7 - j u o = l o v ib l l b j ( a ) 空勢(shì)阱( b ) 填充1 3 的勢(shì)阱( c ) 全滿(mǎn)勢(shì)阱 圖2 - 9 ：勢(shì)阱 2 電荷耦合 下面以圖2 1 0 為例，講解c c d 中勢(shì)阱及電荷如何從一個(gè)位置移到另一個(gè)位 置。如圖2 1 0 所示，圖中為c c d 中四個(gè)彼此靠得很近得電極。假定開(kāi)始時(shí)有一 些電荷存儲(chǔ)在偏壓為1 0 v 的第一個(gè)電極下面的深勢(shì)阱里，其他電極上均加有大 于閾值的較低電壓( 例如2 v ) 。設(shè)圖2 - 1 0 ( a ) 為零時(shí)刻( 初始時(shí)刻) 。經(jīng)過(guò)t 1 時(shí)刻 后各電極上的電壓變?yōu)閳D2 - 1 0 ( b ) 所示，第一個(gè)電極仍保持為1 0 v ，第二個(gè)電極 基 0 4 8 2 6 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內(nèi)工件表面溫度全視場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng) 上的電壓由2 v 變?yōu)? 0 v ，因?yàn)檫@兩個(gè)電極靠得很緊( 間隔只有幾微米) ，它們 各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起，原來(lái)在第一個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下 勢(shì)阱所共有，如圖2 1 0 ( b ) 和( c ) 所示。若此后電極上的電壓變?yōu)閳D2 - 1 0 ( d ) 所示， 第一個(gè)電極電壓由1 0 v 變?yōu)? v ，第二個(gè)電極電壓仍為1 0 v ，則共有的電荷轉(zhuǎn)移 到第二個(gè)電極下面的勢(shì)阱中，如圖2 - 1 0 ( e ) 所示。由此可見(jiàn)，深勢(shì)阱及電荷包向 右移動(dòng)了一個(gè)位置。 o0oo o ooo 二名勰二力杰必曼甥扔 杰k = 丁一 ：= = r 作肯電崎 0 皇毋辨 ( ) oq ) oo ( d )：c ) ( f ) ( a ) 初始狀態(tài)( b ) 電荷由電極向電極轉(zhuǎn)移( c ) 電荷在、電極下均勻分布 ( d ) l h 荷繼續(xù)由電極向。電極轉(zhuǎn)移( e ) 電荷完全轉(zhuǎn)移到電極( d 三相交疊脈沖 圖2 1 0 ：三相c c d 中電荷的轉(zhuǎn)移過(guò)程 通過(guò)將一定規(guī)則變化的電壓加到c c d 各電極上，電極下的電荷包就能沿半 導(dǎo)體表面按一定方向移動(dòng)。通常把c c d 電極分為幾組，每一組稱(chēng)為一相，并施 加同樣的時(shí)鐘脈沖。c c d 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了使其正常工作所需要的相數(shù)。圖2 1 0 所示的結(jié)構(gòu)需要三相時(shí)鐘脈沖，其波形圖如圖2 1 0 ( f ) 所示，這樣的c c d 稱(chēng)為三 相c c d 。三相c c d 的電荷耦合( 傳輸) 方式必須在三相交疊脈沖的作用下，才 能以一定的方向逐單元地轉(zhuǎn)移。另外必須強(qiáng)調(diào)指出，c c d 電極間隙必須很小， 電荷才能不受阻礙地從一個(gè)電極下轉(zhuǎn)移到相鄰電極下。這對(duì)圖2 1 0 所示的電極 結(jié)構(gòu)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。如果電極間隙比較大，兩相鄰電極問(wèn)的勢(shì)阱將被勢(shì)壘隔 開(kāi)，不能合并，電荷也不能從一個(gè)電極向另一個(gè)電極完全轉(zhuǎn)移，c c d 便不能在 外部脈沖作用下正常工作。 能夠產(chǎn)生完全耦合條件的最大間隙一般由具體電極結(jié)構(gòu)、表面態(tài)密度等因 第2 章系統(tǒng)硬件 素決定。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證實(shí)為了不使電極間隙下方界面處出現(xiàn)阻礙電荷轉(zhuǎn)移 的勢(shì)壘，間隙的長(zhǎng)度應(yīng)小于3 k t m 。這大致是同樣條件下半導(dǎo)體表面深耗盡區(qū)寬 度的尺寸。當(dāng)然如果氧化層厚度、表面態(tài)密度不同結(jié)果也會(huì)不同。但對(duì)絕大多 數(shù)c c d ，1k t m 的間隙長(zhǎng)度是足夠小的。 以電子為信號(hào)的c c d 稱(chēng)為n 型溝道c c d ，簡(jiǎn)稱(chēng)為n 型c c d ；而以空穴為 信號(hào)電荷的c c d 稱(chēng)為p 型溝道c c d ，簡(jiǎn)稱(chēng)為p 型c c d 。由于電子的遷移率單 位場(chǎng)強(qiáng)下的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此n 型c c d 比p 型c c d 的工作 頻率高得多。 2 1 3 2 電荷的注入和檢測(cè) 1 電荷的注入( 輸入方式) c c d 的電荷注入方式可歸納為光注入和電注入兩種。在爐內(nèi)板帶糾偏電視 檢測(cè)系統(tǒng)中，我們所使用的d m k 3 0 0 2 i r 面陣n i c c d 是光注入方式。 當(dāng)光( 包括紅外光) 照射到c c d 硅片上時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生 電子一空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開(kāi)，少數(shù)載流子則被收集在勢(shì)阱中 形成信號(hào)電荷。光注入方式又分為正面照射式和背面照射式兩種。光注入電荷 鰳= r q a n 。a 疋 ( 2 - 1 0 ) 式中，”為材料的量子效率；q 為電子電荷量；a n 。為入射光的光子流速率；4 為光敏單元的受光面積；為光注入時(shí)間。 由上式可以看出，當(dāng)c c d 確定以后，叩、g 以及a 均為常數(shù)，注入到勢(shì)阱中 的信號(hào)電荷qz p 與入射光子流速率抽。及注入時(shí)間t c 成正比。注入時(shí)間t c 由 c c d 驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)移脈沖的周期t s h 決定。當(dāng)所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器能夠保證其注入時(shí) 間穩(wěn)定不變時(shí)，注入到c c d 勢(shì)阱中的信號(hào)電荷只與入射輻射光子流速率血。成 正比。在單色入射輻射時(shí)，入射光的光子流速率與入射光譜輻通量的關(guān)系為 a n 。：挈，其中h 、v 為常數(shù)。因此在這種情況下，光注入的電荷量與入射的 仃v 光譜輻量度巾，成線(xiàn)性關(guān)系。 2 電荷的檢測(cè)( 輸出方式) 在c c d 中，有效地收集和檢測(cè)電荷是一個(gè)重要問(wèn)題。c c d 的重要特性之一 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內(nèi)工件表面溫度全視場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng) 是信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移過(guò)程中與時(shí)鐘脈沖沒(méi)有任何電容耦合，而在輸出端則不可避 免。因此，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)妮敵鲭娐房梢员M可能地減小時(shí)鐘脈沖容性地饋入輸 出電路的程度。目前c c d 的輸出主要方式有電流輸出、浮置擴(kuò)散放大器輸出和 浮置柵放大器輸出。本系統(tǒng)采用的d m k 3 0 0 2 一i r 面陣n i c c d 其電荷檢測(cè)為電流 輸出方式。 r dt r 幽2 - 1 1 ：電荷輸出電路 如圖2 - 1 1 所示，當(dāng)信號(hào)電荷在轉(zhuǎn)移脈沖的驅(qū)動(dòng)下向右轉(zhuǎn)移到末極電極( 圖 中m 2 電極) 下的勢(shì)阱后，巾2 電極上的電壓由高變低時(shí)，由于勢(shì)阱提高，信號(hào)電 荷將通過(guò)輸出柵( 加有恒定的電壓) 下的勢(shì)阱進(jìn)入反向偏置的二極管( 圖中n + 區(qū)) 。由u d 、電阻r 、襯底p 、和n + 區(qū)構(gòu)成的反向偏置二極管相當(dāng)于無(wú)限深的勢(shì) 阱。進(jìn)入到反向偏置的二極管中的電荷將產(chǎn)生輸出電流i d ，且i d 的大小與注入 n - 極管中的信號(hào)電荷量成正比，而與電阻r 成反比。電阻r 是制作在c c d 內(nèi) 的電阻，阻值是常數(shù)。所以輸出電流i d 與注入n - 極管中的電荷量成線(xiàn)性關(guān)系， 且 q = ，d d t ( 2 1 1 ) 由于i d 的存在，使得a 點(diǎn)的電位發(fā)生變化，i o 增大，a 點(diǎn)電位降低。所以 可以用a 點(diǎn)的電位來(lái)檢測(cè)二極管的輸出電流i d ，用隔直電容將a 點(diǎn)的電位變化， 取出后再通過(guò)放大器輸出。圖2 - 1 1 中的場(chǎng)效應(yīng)管t r 為復(fù)位管。它的主要作用是 將一個(gè)讀出周期內(nèi)輸出二極管沒(méi)有來(lái)得及輸出的信號(hào)電荷通過(guò)復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)輸 出。因?yàn)樵趶?fù)位場(chǎng)效應(yīng)管復(fù)位柵為正脈沖時(shí)復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，它的動(dòng)態(tài)電阻 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于偏置電阻r ，使二極管中的剩余電荷被迅速抽走，使a 點(diǎn)的電位恢復(fù) 到起始的高電平。 2 3 3c c d 的特性參數(shù) 第2 章系統(tǒng)硬件 1 轉(zhuǎn)移效率”和轉(zhuǎn)移損失率 電荷轉(zhuǎn)移效率是表征c c d 性能好壞的重要參數(shù)。轉(zhuǎn)移效率定義為：一次轉(zhuǎn) 移后到達(dá)下一個(gè)勢(shì)阱中的電荷與原來(lái)勢(shì)阱中的電荷之比。如在t = o 時(shí)，注入到某 電極下的電荷為q ( 0 ) ；在時(shí)間t 時(shí)，大多數(shù)電荷在電場(chǎng)作用下向下一個(gè)電極轉(zhuǎn)移， 但總有- 4 , 部分電荷由于某種原因留在該電極下。若被留下來(lái)的電荷為q ( t ) ，則 轉(zhuǎn)移效率為 ，7 ：q ( o ) - q ( t ) ：1 一盟( 2 1 2 ) 。 q ( o )q ( o ) 如果轉(zhuǎn)移損失率定義為 s ：皇盟( 2 1 3 ) q ( o ) 則轉(zhuǎn)移效率與損失率的關(guān)系為 ，7 = 1 一占 ( 2 1 4 ) 理想情況下”應(yīng)等于l ，但實(shí)際上電荷在轉(zhuǎn)移中有所損失，所以_ 總是小于1 的。 所以，提高轉(zhuǎn)移效率”是電荷耦合器件能否使用的關(guān)鍵。 2 工作頻率f ( 1 ) 工作頻率的下限 為了避免由于熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子對(duì)注入信號(hào)的干擾，注入電荷從一個(gè)電 極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所用的時(shí)間t 必須小于少數(shù)載流子的平均壽命t ，即f j f ( 2 1 5 ) 可見(jiàn)，工作頻率的下限與載流子的壽命有關(guān)。 ( 2 ) 工作頻率的上限 當(dāng)工作頻率升高時(shí)，若電荷本身從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所需要的時(shí) 個(gè) 間t 大于驅(qū)動(dòng)脈沖使其轉(zhuǎn)移的時(shí)間，那么，信號(hào)電荷跟不上驅(qū)動(dòng)脈沖的變化， j 甲 將會(huì)使轉(zhuǎn)移效率大大下降。為此，要求f ：1 ，即 基于彩色及近紅外雙c c d 的爐內(nèi)工件表面溫度全視場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng) ，五1 ( 2 - 1 6 ) 這就是電荷自身的轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖頻率上限的限制。 2 3 4 面陣c c d 攝像器件的特性 1 分辨率 c c d 攝像器件的每個(gè)光敏單元都是分開(kāi)的。它屬于空間上分立的光敏單元 對(duì)光學(xué)圖像進(jìn)行抽樣。假設(shè)要攝取的光學(xué)圖像沿著水平方向的亮度分布為正弦 條狀圖案，經(jīng)c c d 的光敏單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，得到以時(shí)間軸方向的正弦信號(hào)。根 據(jù)奈奎斯抽樣定理，c c d 的極限分辨率是空間抽樣頻率的一半。因此，c c d 的 分辨率主要取決于c c d 芯片的像素?cái)?shù)，其次還受到轉(zhuǎn)移傳輸效率的影響。分辨 率通常用電視線(xiàn)( t v l ) 來(lái)表示。高集成度的光敏單元可獲得高的分辨率，但光 敏單元尺寸的減少導(dǎo)致靈敏度的降低。所以必須采用一些新的工藝結(jié)構(gòu)，例如 雙層結(jié)構(gòu)，將光電轉(zhuǎn)換層和電荷轉(zhuǎn)移層分開(kāi)，從而提高靈敏度和飽和信號(hào)的電 荷量。 從頻譜分析角度看，c c d 攝像器件在垂直和水平兩個(gè)方向都是離散取樣方 式。根據(jù)奈奎斯抽樣定理，c c d 輸出信號(hào)的頻譜如圖2 一1 2 所示。取樣后的信號(hào) 頻譜幅度如下： s i n 即萬(wàn)等) 砌丌等- 8 i n ( ”礬t ) 砌礬t ( 2 - 1 7 ) 式中：f 。為取樣脈沖寬度，即一個(gè)感光單元的寬度，瓦為取樣周期，即一個(gè)像 素的寬度( 含兩側(cè)的不感光部分) 。 夕 一。 弋型土2 i 琥( 乃 圖2 1 2 ：取樣脈沖寬度對(duì)取樣信號(hào)頻譜的影響 第2 章系統(tǒng)硬件 當(dāng)月= f r 。時(shí)，譜線(xiàn)包絡(luò)達(dá)到第一零點(diǎn)，這也是孔徑光闌限制了高頻信號(hào)， 使之幅度下降的結(jié)果。適當(dāng)選擇r o ，使近f j 2 處的頻譜幅度下降不多，但又使頻 譜混疊( 見(jiàn)圖2 1 2 中的陰影部分) 部分減小?？梢?jiàn)，在c c d 中感光單元的寬度