畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）牛頓環(huán)測(cè)量透鏡曲率半徑

1、目 錄 HYPERLINK l _Toc233008347 摘要Abstract HYPERLINK l _Toc233008347 第1章 緒論 HYPERLINK l _Toc233008347 1 課題研究背景 HYPERLINK l _Toc233008347 1 光學(xué)測(cè)量的背景 HYPERLINK l _Toc233008347 1 CCD的背景 HYPERLINK l _Toc233008347 2 本課題的研究現(xiàn)狀 HYPERLINK l _Toc233008347 3 論文的結(jié)構(gòu)安排 HYPERLINK l _Toc233008347 3第2章 系統(tǒng)工作原理 HYPERLINK

2、 l _Toc233008347 5 牛頓環(huán)原理 HYPERLINK l _Toc233008347 5 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)工作原理 HYPERLINK l _Toc233008347 8 系統(tǒng)軟、硬件的實(shí)現(xiàn) HYPERLINK l _Toc233008347 10 系統(tǒng)測(cè)量誤差 HYPERLINK l _Toc233008347 11 本章小結(jié) HYPERLINK l _Toc233008347 12第3章 CCD的基本原理 HYPERLINK l _Toc233008347 13 CCD的應(yīng)用 HYPERLINK l _Toc233008347 13 CCD的基本工作原理 HYPERLIN

3、K l _Toc233008347 13 電荷存儲(chǔ) HYPERLINK l _Toc233008347 14 電荷耦合 HYPERLINK l _Toc233008347 16 電荷的注入和檢測(cè) HYPERLINK l _Toc233008347 183.3 CCD的特性參數(shù) HYPERLINK l _Toc233008347 20 電荷轉(zhuǎn)移效率和電荷轉(zhuǎn)移損失率e HYPERLINK l _Toc233008347 20 驅(qū)動(dòng)頻率 HYPERLINK l _Toc233008347 20 CCD的基本特性參數(shù) HYPERLINK l _Toc233008347 213. 4 本章小結(jié) HYPE

4、RLINK l _Toc233008347 25第4章基于TCD142D CCD的驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) HYPERLINK l _Toc233008347 264.1 TCD142D 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) HYPERLINK l _Toc233008347 26 時(shí)序發(fā)生器的設(shè)計(jì) HYPERLINK l _Toc233008347 26 TCD142D驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) HYPERLINK l _Toc233008347 27 TCD142D視頻信號(hào)處理 HYPERLINK l _Toc233008347 30 本章小結(jié) HYPERLINK l _Toc233008347 31結(jié)論 HYPERLI

5、NK l _Toc233008347 33參考文獻(xiàn) HYPERLINK l _Toc233008347 34致謝 HYPERLINK l _Toc233008347 36附錄1 HYPERLINK l _Toc233008347 37附錄2 HYPERLINK l _Toc233008347 41附錄3 HYPERLINK l _Toc233008347 45附錄4 HYPERLINK l _Toc233008347 52摘 要在光學(xué)透鏡生產(chǎn)工藝中,透鏡曲率半徑的測(cè)量與控制常常要通過(guò)牛頓環(huán)裝置構(gòu)成一望遠(yuǎn)物鏡系統(tǒng),其像方焦平面處則由讀數(shù)顯微鏡或分光計(jì)作常規(guī)測(cè)量。這樣的測(cè)量手段效率低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且

6、在測(cè)量的時(shí)候由于人為的原因，將帶入不穩(wěn)定的讀數(shù)因素而得不到應(yīng)有的測(cè)量精度。為了解決這一問(wèn)題，本文采用了一種替代傳統(tǒng)牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)儀的新的測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法,將線陣CCD傳感器置于被測(cè)透鏡像方焦平面上取代讀數(shù)顯微鏡，將采集到的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為微弱的電信號(hào)，并經(jīng)放大、濾波、二值化處理，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這種結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)、CCD傳感器和微機(jī)于一體的方法實(shí)現(xiàn)了被測(cè)圖像信息的快速采集、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理，集光-機(jī)-電-算一體化,從而實(shí)現(xiàn)了透鏡曲率半徑測(cè)量的快速性、準(zhǔn)確性和自動(dòng)化。關(guān)鍵詞曲率半徑；線陣CCD；測(cè)量系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理AbstractIn the production process of optic

7、al lens,the measurement and the control of the lens curvature radius often constitutes a telescope lens system by Newtons rings. We often do the conventional measurement by the microscope or spectrometer on focal plane. This means the measurement is low efficiency, time-consuming and laborious. And

8、there will be lack of measurement accuracy due, because it may bring in some uncertainty factors when we read the data. In order to solve this problem, I use a new measurement system and data processing method instead of the traditional Newtons Ring Experiment. In this measurement system, the CCD im

9、age sensor is placed on the focal plane to replace the reading microscope. The images will be collected into a weak signal of electrical signals, and by the amplification, filtering, binarization processing, the data is collected. This approach combines the optical system, CCD sensors and the comput

10、er, so it could achieve a rapid acquisition, storaged and data processed quilkly. It may realize the light-drive-electrical-count integration. It has overcome the fundamental shortcomings with measuring used microscope, in order to achieve the measuring the curvanre radius of lens speedly, accuracy

11、and automately.Keywords Curvaure radius; Linear CCD; Measurement system;Data Processing第1章 緒論課題研究背景1 光學(xué)測(cè)量的背景光學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要組成部分，人類對(duì)光的研究至少已有兩千多年的的歷史，世界上最早關(guān)于光學(xué)知識(shí)的文字記載，見(jiàn)于我國(guó)的墨經(jīng)，研究最早的內(nèi)容是幾何光學(xué)，它是以光的直線傳播，反射定律為基礎(chǔ)，研究光在透明介質(zhì)中的傳播規(guī)律。17世紀(jì)和18世紀(jì)是光學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要時(shí)期，在這段時(shí)間里，科學(xué)家們不僅開(kāi)始從實(shí)驗(yàn)上對(duì)光學(xué)進(jìn)行研究，而且也著手進(jìn)行已有光學(xué)的知識(shí)的系統(tǒng)化、理論化。關(guān)于光的本性的認(rèn)識(shí)，幾

12、個(gè)世紀(jì)以來(lái)始終存在著激烈的爭(zhēng)論，在解釋一些現(xiàn)象如干涉和衍射時(shí)，人們就用波動(dòng)說(shuō)去解釋，而對(duì)另一些現(xiàn)象如光電效應(yīng)就用微粒說(shuō)去說(shuō)明，光的波粒二象性是兩種學(xué)說(shuō)相互妥協(xié)的結(jié)果。光波的干涉原理是1801年英國(guó)人楊（T.Young，1773-1829）提出的，從而正確的解釋了薄膜的彩色條紋。光的干涉是光的波動(dòng)性的表現(xiàn)。兩束相干光波在空間相遇時(shí)形成干涉條紋，獲得光干涉的裝置有分振幅法和分波陣面法二種，典型的分振幅法干涉裝置是牛頓環(huán)和劈尖裝置。它們產(chǎn)生的干涉條紋亮度大。目前廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中，如測(cè)量光波波長(zhǎng)，曲率半徑，檢測(cè)光學(xué)表面質(zhì)量等。20世紀(jì)60年代激光的發(fā)現(xiàn)，使光學(xué)的發(fā)展又獲得了新的活力，激光技術(shù)與相關(guān)學(xué)科

13、的結(jié)合，導(dǎo)致了光全息技術(shù)，光信息處理技術(shù)，光纖技術(shù)等的飛速發(fā)展，非線性光學(xué)、傅里葉光學(xué)等現(xiàn)代光學(xué)分支逐漸形成，帶動(dòng)了物理學(xué)及相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展。隨著激光技術(shù)、電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，光學(xué)測(cè)量的技術(shù)與手段發(fā)生了質(zhì)的飛躍。如；通過(guò)引入光電技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、自動(dòng)記錄、自動(dòng)測(cè)量和軟件編程、硬件電路等先進(jìn)技術(shù)，極大地提高了光學(xué)測(cè)量的精度和效率，為光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)開(kāi)辟了廣闊的發(fā)展背景【1】。在光學(xué)領(lǐng)域中，光學(xué)球面曲率半徑是決定光學(xué)球面光學(xué)特性的重要參量，它是光學(xué)冷加工過(guò)程中衡量光學(xué)元件加工質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。測(cè)量光學(xué)球面的曲率半徑，可以審核光學(xué)元件設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量，以便進(jìn)一步進(jìn)行修改加工，使光學(xué)元件

14、達(dá)到更高的精度，因此球面曲率半徑的測(cè)量具有重要的作用。同時(shí)，球面曲率半徑測(cè)量的方法比較多，如：自準(zhǔn)直顯微鏡法、自準(zhǔn)直前置鏡法、球徑儀法等測(cè)量方法較古典，也最為常用。激光的問(wèn)世給干涉測(cè)量帶來(lái)了實(shí)質(zhì)性的發(fā)展，先后出現(xiàn)了莫爾干涉測(cè)量法，預(yù)計(jì)光球面結(jié)合的激光干涉測(cè)長(zhǎng)法等等。本文選用牛頓環(huán)的方法測(cè)量透鏡曲率半徑，牛頓環(huán)原理簡(jiǎn)單易懂，裝置也較容易實(shí)現(xiàn)。本課題設(shè)計(jì)了一種光學(xué)球面曲率半徑高精度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，在光學(xué)透鏡生產(chǎn)工藝中,透鏡曲率半徑的測(cè)量與控制通過(guò)牛頓環(huán)裝置構(gòu)成一望遠(yuǎn)物鏡系統(tǒng),其像方焦平面處則由讀數(shù)顯微鏡或分光計(jì)作常規(guī)測(cè)量，但這樣的測(cè)量手段,將帶入不穩(wěn)定的讀數(shù)因素而得不到應(yīng)有的測(cè)量精度,且效率極低，為

15、此,利用CCD圖像傳感器,將其置于被測(cè)透鏡像方焦平面上,取代讀數(shù)顯微鏡就可實(shí)現(xiàn)透鏡曲率半徑測(cè)量的自動(dòng)化和準(zhǔn)確性。此外，采用CCD傳感器就必須對(duì)其驅(qū)動(dòng)及信號(hào)處理電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇合適的測(cè)量電路才能保證測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化和測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，最后對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到最后完整精確地測(cè)量結(jié)果。 CCD的背景自CCD于1970在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生以來(lái)，CCD技術(shù)隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展，CCD傳感器的像素集成度、分辨率、幾何精度和靈敏度大大提高，工作頻率范圍顯著增加，可高速成像以滿足對(duì)高速物體的拍攝，并以其光譜響應(yīng)寬，動(dòng)態(tài)范圍大，靈敏度和幾何精度高、噪聲低、體積小、重量輕、低電壓、低

16、功耗、抗沖擊、耐震動(dòng)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、堅(jiān)固耐用、壽命長(zhǎng)、圖像畸變小、無(wú)殘像、可以長(zhǎng)時(shí)間工作于惡劣環(huán)境、便于進(jìn)行數(shù)字化處理和與計(jì)算機(jī)連接等優(yōu)點(diǎn)，在圖像采集、非接觸測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)控方面得到了廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代光電子學(xué)和測(cè)試技術(shù)中最活躍、最富有成果的研究領(lǐng)域之一。綜上所述，CCD應(yīng)用技術(shù)已成為集光學(xué)、電子學(xué)、精密機(jī)械與計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合性技術(shù)，并被廣泛應(yīng)與于現(xiàn)代光學(xué)和光電測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。事實(shí)上，凡可用膠卷和光電檢測(cè)技術(shù)的地方幾乎都可應(yīng)用CCD。隨著半導(dǎo)體材料與技術(shù)的發(fā)展，特別是超大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷進(jìn)步，CCD圖像傳感器的性能也在迅速提高，將CCD技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量方法相結(jié)合，

17、能獲取被測(cè)對(duì)象的更多信息，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的無(wú)接觸測(cè)量，顯著提高測(cè)量技術(shù)水平和智能化水平，因此，CCD技術(shù)必將以其突出的優(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)測(cè)控、機(jī)器視覺(jué)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其它許多領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前市面上的絕大多數(shù)消費(fèi)性機(jī)種及高端數(shù)碼相機(jī)都使用CCD作為圖像傳感器，而CMOS傳感器以往都是作為低端產(chǎn)品應(yīng)用于攝像頭和簡(jiǎn)易電腦相機(jī)上，是否采用CCD傳感器一度成為人們判斷數(shù)碼相機(jī)檔次的標(biāo)準(zhǔn)之一。目前有能力生產(chǎn)CCD的公司分別為：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fujisu、SANYO、Sharp【2】。1.2 本課題的研究現(xiàn)狀（1）2005年8月南昌大學(xué)理學(xué)院

18、劉崧、戚小平,鐘雙英采用了一種替代傳統(tǒng)牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)儀的新的觀測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法,該方法充分利用圖像傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)的圖像處理功能,能在保持原有測(cè)量精度條件下,使實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)效果更好,數(shù)據(jù)采集更方便。通過(guò)自編Visual C+軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,算出透鏡焦距。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面有一定的實(shí)用價(jià)值【3】。（2）2004年10月蘇州大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)研究所沈陽(yáng)研究了一種球面透鏡曲率半徑的線性測(cè)量原理及機(jī)構(gòu),其原理是將透鏡測(cè)量中涉及到的球面曲率半徑、測(cè)環(huán)半徑、矢高對(duì)應(yīng)處理成正比線性關(guān)系,提出了按此原理設(shè)計(jì)的三種測(cè)量機(jī)構(gòu)的實(shí)例,使球面透鏡曲率半徑的線性測(cè)量獲得了滿意的結(jié)果【4】。（3）2001年廈門大學(xué)機(jī)電

19、工程系陳安建教授研究的一種自動(dòng)測(cè)量和顯示透鏡曲率半徑的系統(tǒng)。敘述該系統(tǒng)的工作原理,分析系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)及測(cè)量產(chǎn)生的誤差【5】。1.3 論文的結(jié)構(gòu)安排（1）第一章講述本課題的研究背景、現(xiàn)狀，并列出了測(cè)量曲率半徑的幾種方法，最終采用牛頓環(huán)的方法測(cè)量，為了提高測(cè)量精度，用CCD取代讀數(shù)顯微鏡，構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，最后簡(jiǎn)單介紹了本論文的結(jié)構(gòu)安排。（2）第二章介紹了牛頓環(huán)原理和牛頓環(huán)裝置，然后簡(jiǎn)述了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，給出了測(cè)量系統(tǒng)的硬件及軟件的整體設(shè)計(jì)。（3）第三章詳細(xì)介紹了CCD傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理，并給出了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所選用的CCD傳感器即TCD142D CCD及它的結(jié)構(gòu)、基本特性和引腳圖。（

20、4）第四章詳細(xì)介紹了基于CCD142 CCD的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和及所采用的固定閾值法所采用的視頻信號(hào)處理的方法。第2章 系統(tǒng)工作原理 牛頓環(huán)原理利用光的干涉現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)光學(xué)精密測(cè)量是目前最為精確而有效的技術(shù)。由干涉現(xiàn)象產(chǎn)生的牛頓環(huán)是一種典型的等厚薄膜干涉圖樣，是牛頓在1675年首先觀察到的。他將一塊曲率半徑較大的平凸透鏡放在一塊玻璃平板上，平凸透鏡的凸球面和玻璃平板之間形成一個(gè)厚度均勻變化的圓尖劈形空氣簿膜，當(dāng)平行光垂直射向平凸透鏡時(shí)，從尖劈形空氣膜上、下表面反射的兩束光相互疊加而產(chǎn)生干涉。同一半徑的圓環(huán)處空氣膜厚度相同，上、下表面反射光程差相同，因此使干涉圖樣呈圓環(huán)狀。用單色光照射透鏡與玻璃板，就

21、可以觀察到一些明暗相同的同心圓環(huán)，圓環(huán)分布是中間疏、邊緣密，圓心在接觸點(diǎn)，從反射光看到的牛頓環(huán)中心是暗的，從透射光看到的牛頓環(huán)中心是明的，如若用白光入射，將觀察到彩色圓環(huán)。透鏡曲率半徑與牛頓環(huán)條紋半徑之間有一種確定的關(guān)系，因此可以通過(guò)測(cè)量牛頓環(huán)條紋半徑來(lái)得出透鏡的曲率半徑。下面介紹該系統(tǒng)中所用到的牛頓環(huán)裝置及推導(dǎo)牛頓環(huán)條紋半徑與透鏡曲率半徑之間的關(guān)系式。如圖2-1所示，有一塊曲率半徑較大的平凸玻璃透鏡，將其凸面放在一塊光學(xué)玻璃平板(平晶)上，凸面與玻璃平板之間的空氣層厚度從中心到邊緣逐漸增加，若以平行單色光垂直照射到牛頓環(huán)上，則經(jīng)空氣層上、下表面反射的二光束存在光程差，它們?cè)谄酵雇哥R的凸面相遇

22、后，將發(fā)生干涉。從透鏡上看到的干涉花樣是以玻璃接觸點(diǎn)為中心的一系列明暗相間的圓環(huán)(如圖2-2所示)，即為牛頓環(huán)。由于同一干涉環(huán)上各處的空氣層厚度是相同的，因此它屬于等厚干涉。由圖2-1可見(jiàn)，設(shè)透鏡的曲率半徑為R，與接觸點(diǎn)0相距為r處空氣層的厚度為d，其幾何關(guān)系式為:圖2-1 牛頓環(huán)裝置示意圖 圖2-2 牛頓環(huán)由于Rd，可以略去得 QUOTE r22R （2-1）光線應(yīng)是垂直入射的，計(jì)算光程差時(shí)還要考慮光波在平玻璃板上反射會(huì)有半波損失，從而帶來(lái)/2的附加程差，所以總程差為 （2-2）產(chǎn)生暗環(huán)的條件是: QUOTE 2 （2-3）其中K= 0,1，2，3，為干涉暗條紋的級(jí)數(shù)。綜合(2-1)、(2-

23、2)和(2-3)式可得第K級(jí)暗環(huán)的半徑為: （2-4）由公式(2-4)式可知，如果單色光源的波長(zhǎng)己知，測(cè)出第m級(jí)的暗環(huán)半徑，即可得出平凸透鏡的曲率半徑R;反之，如果R己知，測(cè)出后，就可計(jì)算出入射單色光波的波長(zhǎng)入。但是用此測(cè)量關(guān)系式往往誤差很大，原因在于凸面和平面不可能是理想的點(diǎn)接觸;接觸壓力會(huì)引起局部形變，使接觸處成為一個(gè)圓形平面，干涉環(huán)中心為一暗斑。或者空氣間隙層中有了塵埃，附加了光程差，干涉環(huán)中心為一亮(或暗)斑，均無(wú)法確定環(huán)的幾何中心。實(shí)際測(cè)量時(shí)，我們可以通過(guò)測(cè)量距中心較遠(yuǎn)的兩個(gè)暗環(huán)的半徑和的平方差來(lái)計(jì)算曲率半徑R。因?yàn)?（2-5） （2-6）兩式相減可得 （2-7）所以 （2-8）或

24、（2-9）由上式可知，只要測(cè)出Dm與Dn(分別為第m與第n條暗環(huán)的直徑)的值，就能算出R。這樣也可避免實(shí)驗(yàn)中條紋級(jí)數(shù)難于確定的困難，利用后一計(jì)算式還可克服確定條紋中心位置難確定的困難。另外該系統(tǒng)中若不能保證線陣CCD的位置準(zhǔn)確定位在牛頓環(huán)的直徑上，也可采用測(cè)出相差相同級(jí)數(shù)的三級(jí)暗(明)條紋之間的距離的方法來(lái)測(cè)出透鏡的曲率半徑,這樣對(duì)測(cè)量結(jié)果就不會(huì)產(chǎn)生影響，下面以相鄰三條暗（明）條紋來(lái)說(shuō)明。如圖2-3，在牛頓環(huán)干涉示意圖中，、和分別表示第k級(jí)、k+1級(jí)和k+2級(jí)干涉暗（明）條紋半徑，設(shè)這三級(jí)暗（明）條紋之間的距離分別為和,代入公式（2-7）得 （2-10） （2-11）有以上兩式得曲率半徑的計(jì)算

25、公式為 （2-12）圖2-3 牛頓環(huán)干涉圖樣示意圖 圖2-4 測(cè)量位置偏差示意圖如圖2-4若CCD測(cè)出的僅是某一弦上的相差相同級(jí)數(shù)的三級(jí)暗（明）條紋之間距離和，顯然，由圖中的三角關(guān)系得 （2-13） （2-14）由公式（2-10）、（2-11）、（2-13）和（2-14）得 （2-15）對(duì)比公式（2-12）和（2-15）,顯然,若CCD側(cè)的僅是某一弦時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果不會(huì)有任何影響【6】。2.2 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖2-5所示。在被測(cè)透鏡的焦平面上用高靈敏度的線陣CCD圖像傳感器取代傳統(tǒng)所用的讀數(shù)顯微鏡。CCD的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為0.4761.27m,共有2048個(gè)像元,全長(zhǎng)

26、28.67mm。因此，測(cè)量系統(tǒng)必須采用m的He-Ne激光作光源,經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后垂直照射在牛頓環(huán)上。每個(gè)光敏元在空間和電氣上都能夠彼此獨(dú)立,其輸出的電荷包空間分布與系統(tǒng)的光強(qiáng)空間分布成比例。CCD在驅(qū)動(dòng)脈沖作用下將電荷包信號(hào)順序的驅(qū)動(dòng)出來(lái)，形成視頻信號(hào)。若CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率為，輸出時(shí)鐘頻率為2，CCD的單位尺寸為P，從CCD輸出的信號(hào)為，放大濾波后為，在經(jīng)過(guò)比較器進(jìn)行二值化處理，得到圖2-5 測(cè)量系統(tǒng)的基本構(gòu)成矩形信號(hào)（信號(hào)處理波形如圖2-6所示，圖中、為干涉環(huán)寬度；L為相鄰兩干涉環(huán)的距離），其電平同TTL電平兼容。如果計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率為q，以的高電平部分控制計(jì)數(shù)器1級(jí)數(shù)，計(jì)數(shù)值為i，則有 （

27、2-16）CCD是在時(shí)鐘脈沖控制下利用移位寄存器的功能形成一系列幅值不等的時(shí)鐘脈沖序列來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷色的讀取與輸出。若CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率為，輸出時(shí)鐘頻率則為2，CCD的單元尺寸p，從CCD出來(lái)的信號(hào)為1，放大濾波后為2，再經(jīng)門限比較及進(jìn)行二值化處理后得到矩形信號(hào)3。圖2-6 信號(hào)處理流程圖如果計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率為，則以3的高電平部分控制計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值為，干涉環(huán)的寬度為如下關(guān)系： （2-17）再以3的低電平部分控制計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)值為，則相鄰兩干涉環(huán)的距離為 （2-18）計(jì)算兩相鄰環(huán)間矩m值應(yīng)取兩干涉亮條紋的中心距，即 （2-19）再利用公式(2-12)式即可算出被測(cè)透鏡的曲率半徑，所測(cè)數(shù)

28、據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理,可在打印機(jī)上將結(jié)果輸出。2.3 系統(tǒng)軟、硬件的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件電路實(shí)現(xiàn)的基本構(gòu)成如圖2-7所示【7】。圖2-7 硬件電路實(shí)現(xiàn)示意圖其驅(qū)動(dòng)電路主要是一些頻率發(fā)生電路,由晶體振蕩器和分頻器組成,用來(lái)產(chǎn)生CCD所需要的驅(qū)動(dòng)時(shí)間脈沖序和12V電平,同時(shí)還產(chǎn)生可編程定時(shí)器8253芯片所需的時(shí)鐘。用控制8253芯片的計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2,工作在方式零。在這種方式下，計(jì)數(shù)器對(duì)CLK輸入信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù),每個(gè)時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)器減1。設(shè)定該方式后,計(jì)數(shù)器的輸出OUT變低,設(shè)置裝入計(jì)數(shù)值時(shí)也使輸出OUT變化。當(dāng)計(jì)數(shù)減到零即計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí),輸出OUT變高,該輸出信號(hào)即可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)來(lái)使用。此計(jì)數(shù)過(guò)程受到

29、計(jì)數(shù)器的門控信號(hào)GATE控制。當(dāng)GATE為高電平時(shí),允許計(jì)數(shù)；若門控信號(hào)為低電平時(shí),則禁止計(jì)數(shù)。使用計(jì)數(shù)器1和2可以測(cè)定、和、。根據(jù)測(cè)量原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu),其微機(jī)控制的軟件程序主要由主程序和中斷服務(wù)程序組成,如圖2-8所示。在微機(jī)控制時(shí),采用外設(shè)接口地址的部分譯碼方式。8253芯片占用外設(shè)接口地址04OH-05FH。在使用時(shí),只要選擇其中4個(gè)合適的地址分別代表計(jì)數(shù)器和控制寄存貯器的地址即可工作。為了提高抗干擾能力,采用了軟件數(shù)字濾波。為了滿足精度要求,采用了浮點(diǎn)運(yùn)算模塊化、子程序結(jié)構(gòu)以及程序的調(diào)用、修改。圖2-8 軟件程序圖2.4 系統(tǒng)測(cè)量誤差在該系統(tǒng)中,透鏡曲率半徑R是通過(guò)測(cè)量、和、。后利用(2

30、-15)和(2-18)式計(jì)算所得。由誤差傳遞理論可知,曲率半徑的測(cè)量誤差R可由下式求出R= + + + + （2-20）系統(tǒng)采用一維線陣CCD,每個(gè)像元的尺寸為,即=，共含有2048個(gè)像元，全長(zhǎng)。牛頓環(huán)的照明光源采用He-Ne激光，經(jīng)擴(kuò)束并準(zhǔn)值后垂直照射到牛頓環(huán)上。在以上條件下，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)曲率半徑為的平凸鏡進(jìn)行測(cè)量我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中,測(cè)量結(jié)果為R=,R=。結(jié)果表明,系統(tǒng)的相對(duì)測(cè)量誤差約為0.8%,這與用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量的6%的相對(duì)誤差相比提高了近倍【7】。 本章小結(jié)本章主要講述了用CCD傳感器測(cè)量透鏡曲率半徑的整體思路，詳細(xì)的介紹了牛頓環(huán)原理并推出用牛頓環(huán)側(cè)曲率半徑的工式，然后簡(jiǎn)單介紹了測(cè)量系統(tǒng)的

31、基本構(gòu)成與硬件軟件的設(shè)計(jì)思路，最后簡(jiǎn)要說(shuō)明了這種測(cè)量方法的誤差小，適合工藝生產(chǎn)。第3章 CCD的基本原理 CCD的應(yīng)用CCD傳感器應(yīng)用時(shí)是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導(dǎo)纖維、濾光鏡及反射鏡等各種光學(xué)元件結(jié)合，主要用來(lái)裝配輕型攝像機(jī)、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。CCD應(yīng)用技術(shù)是光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的高新技術(shù)，作為一種非常有效的非接觸檢測(cè)方法，CCD被廣泛用于再線檢測(cè)尺寸、位移、速度、定位和自動(dòng)調(diào)焦等方面。它的主要用途有：（1）利用CCD測(cè)量幾何量，CCD誕生后，首先在工業(yè)檢測(cè)中制成測(cè)量長(zhǎng)度的光電傳感器，物體通過(guò)物鏡在CCD光敏元上造成影像，CCD輸出的脈沖表征測(cè)量工件的尺寸或缺陷；（2）利用CCD測(cè)量

32、幾何量，CCD誕生后，首先在工業(yè)檢測(cè)中制成測(cè)量長(zhǎng)度的光電傳感器，物體通過(guò)物鏡在CCD光敏元上造成影像，CCD輸出的脈沖表征測(cè)量工件的尺寸或缺陷；（3）用于 技術(shù)，文字、圖象識(shí)別。例如用CCD識(shí)別集成電路焊點(diǎn)圖案，代替光點(diǎn)穿孔機(jī)的作用；（4）自動(dòng)流水線裝置，機(jī)床、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)監(jiān)視裝置、指紋機(jī)；（5）作為機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)；（6）CCD固態(tài)圖像傳感器作為攝像機(jī)或像敏器件，取代攝像裝置的光學(xué)掃描系統(tǒng)（電子束掃描），與其它攝像器件相比，尺寸小、價(jià)廉、工作電壓低、功耗小，且不需要高壓。3.2 CCD的基本工作原理電荷耦合攝像器件(CCDCharge Coupled Device)的突出特點(diǎn)是以電荷為信號(hào)

33、，不同于大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號(hào)。CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD的工作過(guò)程的主要問(wèn)題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和檢測(cè)。CCD有兩種基本類型：一種是電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面轉(zhuǎn)移，這類器件稱為表面溝道CCD(簡(jiǎn)稱SCCD)；另一種是電荷包存儲(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)沿一定方向轉(zhuǎn)移，這類器件稱為體溝道或埋溝道器件(簡(jiǎn)稱BCCD)。CCD的結(jié)構(gòu)分為三層，由一個(gè)類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。CCD由許多感光單位組成，當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的

34、信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。為了獲得清晰的圖像，必須選擇合適的CCD，所以先要弄清楚他的特性。CCD圖像傳感器的特性一般包括光譜特性、分辨率、暗電流、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍等。下面就介紹CCD的基本工作原理和本設(shè)計(jì)中選用的CCD及它的基本特性。 電荷存儲(chǔ)構(gòu)成CCD的基本單元是MOS結(jié)構(gòu)。如圖3-1(a)所示，在柵極G施加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中的空穴(多數(shù)載流子)的分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正偏壓（此時(shí)小于P型半導(dǎo)體的闕值電壓 QUOTE Uth ）后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡區(qū)，如圖3-1(b)所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡區(qū)將繼續(xù)向半導(dǎo)體體內(nèi)延伸，圖3-1單個(gè)CCD柵極電壓變化對(duì)耗盡區(qū)的影響柵極電

35、壓為零；(b)柵極電壓小于閾值電壓；(c)柵極電壓大于閾值電壓如圖3-1(c)所示，當(dāng)時(shí)，耗盡區(qū)的深度與成正比。若將半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)記為表面勢(shì)，用表示，將隨柵極電壓的增高而增高，它們的關(guān)系如圖3-2所示。圖3-2 表面勢(shì)與柵極電壓的關(guān)系（p型硅雜質(zhì)濃度，反型層電荷=0）圖3-2描述了在摻雜為，氧化層厚度分別為m的情況下，不存在反型層電荷時(shí)，與的關(guān)系曲線。從曲線可以看出：氧化層的厚度越薄，曲線的直線性越好在同樣作用下，不同厚度的氧化層有著不同的。表面勢(shì)表征了耗盡區(qū)的深度。圖3-3 表面勢(shì)與反型層電荷密度 QUOTE QINS 的關(guān)系圖3-3為柵極電壓不變的情況下，表面勢(shì)與反型層電荷密度

36、之間的關(guān)系，曲線的直線性越好，說(shuō)明表面勢(shì)與反型層電荷密度有著良好的反比例線性關(guān)系，這種關(guān)系很容易用半導(dǎo)體物理中“勢(shì)阱”的概念來(lái)描述。電子所以被加有柵極電壓的MOS結(jié)構(gòu)吸引到半導(dǎo)體與氧化層的交界面處，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”與柵極電壓的關(guān)系恰如與的關(guān)系，如圖3-4(a)所示的空勢(shì)阱的情況。圖3-4 勢(shì)阱（a）空勢(shì)阱；（b）填充1/3的勢(shì)阱；（c）全滿勢(shì)阱圖3-4（b）為反型層電荷填充13勢(shì)阱時(shí)表面勢(shì)收縮的情況。與反型層電荷密度之間的關(guān)系如圖3-3所示。當(dāng)反型層電荷繼續(xù)增加時(shí)將逐漸減?。划?dāng)反型層電荷足夠多時(shí)，減小到最低值2，如圖3-4（c）所示。此時(shí)，表面勢(shì)不再束縛

37、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、氧化層厚度有關(guān)，即與MOS電容容量和的乘積有關(guān)。勢(shì)阱的橫截面積取決于柵極電壓的面積A。MOS電容存儲(chǔ)信號(hào)電荷的容量 (3-1) 電荷耦合理解CCD中勢(shì)阱及電荷如何從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置，可觀察圖3-5所示的四個(gè)彼此靠得很近的電極。假定開(kāi)始時(shí)有一些電荷存儲(chǔ)在偏壓為l0V的第一個(gè)電極下面的深勢(shì)阱里，其他電極均加有大于闕值的較低電壓(例如2V)。設(shè)圖3-5(a)為零時(shí)刻（初始位置）。經(jīng)過(guò)時(shí)刻后，各電極上的電壓變?yōu)槿鐖D3-5(b)所示，因第一個(gè)電極仍保持為l0V，第二個(gè)電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個(gè)

38、電極靠得很近(間隔只有幾微米)，它們各自對(duì)應(yīng)的勢(shì)阱將合并在一起，原來(lái)在第1個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下聯(lián)合勢(shì)阱所共有，如圖3-5(c)所示。若此后電極上的電壓變?yōu)槿鐖D3-5(d)所示，第一個(gè)電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個(gè)電機(jī)電壓仍為10V，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3-5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。圖3-5 三相CCD中電荷的轉(zhuǎn)移過(guò)程(a)初始狀態(tài)；(b)電荷由1電極像2電極轉(zhuǎn)移；(c)電荷在1、2電極下均勻分布；(d)電荷繼續(xù)由1電極向2電極轉(zhuǎn)移；(e)電荷完全轉(zhuǎn)移到2電極；(f)三相交疊脈沖通過(guò)將一定規(guī)律變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電

39、荷包就能沿半導(dǎo)體表面按一定方向移動(dòng)。通常把CCD的電極分為幾組，每一組稱為一相，并施加同樣的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)脈沖。CCD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了使其正常工作所需要的相數(shù)決。如圖3-5所示的結(jié)構(gòu)需要三相時(shí)鐘脈沖，其驅(qū)動(dòng)脈沖的波形如圖3-5(f)所示，這樣的CCD稱為三相CCD。 電荷的注入和檢測(cè)在CCD中，電荷注入的方法有很多，主要可分為兩類：電注入和光注入。（1）光注入法當(dāng)光照射到CCD硅片上時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，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。CCD攝像器件的光敏單元為光注入方式光注入電荷 (3-2)式中：為材料的量子效率；q為電子電荷量；為入射光的光

40、子流速率；A為光敏電源的受光面積；為光注入時(shí)間。（2）電注入所謂電注入就是CCD通過(guò)輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流進(jìn)行采樣，將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷注入到相應(yīng)的勢(shì)阱中。電注入的方法很多，比較常用的有電流注入法和電壓注入法。 = 1 * GB3 電流注入法電流注入法的原理如圖3-6(a)所示，由擴(kuò)散區(qū)和P型襯底構(gòu)成注入二極管。lG為CCD的輸入柵，其上加適當(dāng)?shù)恼珘海员３珠_(kāi)啟并作為基準(zhǔn)電壓。模擬輸入信號(hào)加在輸入二極管ID上。當(dāng)為高電平時(shí)，可區(qū)(ID極)看做MOS晶體管的源極，IG為其柵極，而為其漏極。當(dāng)它工作在飽和區(qū)時(shí)，輸入柵下溝道電流為： (3-3)式中：W為信號(hào)溝道寬度；為注入柵IG的長(zhǎng)度

41、；為注入柵的偏置電壓；也為硅材料的闋值電壓；是載流子表面遷移率；為IG柵電容。經(jīng)過(guò)Tc時(shí)間的注入后，CR2地下勢(shì)阱的信號(hào)電荷量 (3-4)因此，這種注入方式的信號(hào)電荷Qs不僅依賴于和Tc，而且與輸入二極管所加偏壓的大小有關(guān)。也正因?yàn)檫@樣，所以Qs與沒(méi)有線性關(guān)系。圖3-6 電注入法（a）電流注入法；（b）電壓注入法 = 2 * GB3 電壓注入法如圖3-6（b）所示，與電流注入法類似，也是把信號(hào)加到源極擴(kuò)散區(qū)上，所不同的是輸入電極上加有與CR同位相的選通脈沖。但其寬度小于CR的脈寬。在選通脈沖的作用下，電荷被注入到第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵CR下的勢(shì)阱里，直到勢(shì)阱的電位與區(qū)的電位相等時(shí)，注入電荷才停止。2.

42、電荷的檢測(cè)在CCD中，有效地收集和檢測(cè)電荷是一個(gè)重要的問(wèn)題。CCD的重要特性之一是信號(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，選擇適當(dāng)?shù)妮敵鲭娐罚M可能地減小時(shí)鐘脈沖對(duì)輸出信號(hào)的容性干擾。目前CCD的輸出電荷信號(hào)的方式主要有電流輸出、浮置擴(kuò)散放大器輸出和浮置柵放大器輸出電流輸出方式的電路如圖3-7所示，它由檢測(cè)二極管、二極管的偏置電阻R、源極輸出放大器和復(fù)位場(chǎng)效應(yīng)管等單元構(gòu)成。由電源、電阻R、襯底P和區(qū)構(gòu)成的輸出二極管反向偏置電路，它對(duì)于電子來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)很深的勢(shì)阱。進(jìn)入反向偏置的二極管中的電荷(電子)，將產(chǎn)生電流，且 QUOTE ID 的大小與注入二極管中的信號(hào)

43、電荷量Qs成正比，而與R成反比。電阻R是制作在CCD器件內(nèi)部的定電阻，阻值為常數(shù)。所以，輸出電流 QUOTE ID 與注入二極管中的電荷量Qs成線性關(guān)系，且 (3-5)圖3-7 電荷輸出電路電流輸出方式 CCD的特性參數(shù) 電荷轉(zhuǎn)移效率和電荷轉(zhuǎn)移損失率e電荷轉(zhuǎn)移效率是表征CCD性能好壞的重要參數(shù)。一次轉(zhuǎn)移后到達(dá)下一個(gè)勢(shì)阱中的電荷量與原來(lái)勢(shì)阱中的電荷量之比稱為轉(zhuǎn)移效率。如果在起始時(shí)注入某電極下的電荷為，在時(shí)間t時(shí)，大多數(shù)電荷在電場(chǎng)的作用下向下一個(gè)電極轉(zhuǎn)移，但總有一小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，則轉(zhuǎn)移效率為 (3-6)如果轉(zhuǎn)移損失率定義為 (3-7)則轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率e

44、的關(guān)系為=1-e (3-8)驅(qū)動(dòng)頻率CCD器件必須在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下完成信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移，輸出信號(hào)電荷。驅(qū)動(dòng)頻率一般泛指加在轉(zhuǎn)移柵上的脈沖CRl或CR2的頻率。1驅(qū)動(dòng)頻率的下限在信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移過(guò)程中，為了避免由于熱激發(fā)少數(shù)載流予丙對(duì)注入信號(hào)電荷的干擾，注入信號(hào)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)載流予的平均壽命，即。在正常工作條件下，對(duì)于三相CCD而言 (3-9)故 (3-10)可見(jiàn),工作頻率的下限與少數(shù)載流子的下限有關(guān)。2驅(qū)動(dòng)頻率的上限當(dāng)驅(qū)動(dòng)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)間t大于驅(qū)動(dòng)脈沖使其轉(zhuǎn)移的時(shí)間T/3，那么，信號(hào)電荷跟不上驅(qū)動(dòng)脈沖的變化，將會(huì)

45、使轉(zhuǎn)移效率大大下降。為此，要求tT/3即 (3-11)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。由于電荷轉(zhuǎn)移的快慢與載流子遷移率、電極長(zhǎng)度。襯底雜質(zhì)濃度和溫度等因素有關(guān)，因此，對(duì)于相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，n溝CCD比p溝CCD的工作頻率高。3.3.3 CCD的基本特性參數(shù)1光電轉(zhuǎn)換特性在CCD中，信號(hào)電荷包是由入射光子被硅襯底材料吸收產(chǎn)生的少數(shù)載流子形成的，因此，它具有良好的光電轉(zhuǎn)換特性。它的光電轉(zhuǎn)換因子可達(dá)到997以上。2光譜響應(yīng)CCD接受光的方式有正面光照與背面光照兩種。由于CCD的正面布置著很多電極，電極的反射和散射作用使得正面照射的光譜靈敏度比背面照射時(shí)低。即使是透明的多晶硅電極，也會(huì)

46、因?yàn)殡姌O的吸收以及在整個(gè)硅。二氧化硅界面上的多次反射而引起某些波長(zhǎng)的光產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)若干個(gè)明暗條紋，從而使光譜響應(yīng)曲線出現(xiàn)若干個(gè)峰與谷。為此，CCD常采用背面照射的方法。3暗電流在正常工作的情況下，MOS電容處于未飽和的非平衡態(tài)。隨著時(shí)間的推移，由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子使系統(tǒng)趨向平衡因此，即使在沒(méi)有光照或其他方式對(duì)器件進(jìn)行電荷注入的情況下，也會(huì)存在不希望有的暗電流。產(chǎn)生暗電流的主要原因有：(1)耗盡的硅襯底中電子自價(jià)帶至導(dǎo)帶的本征躍遷；(2)少數(shù)載流子在中性體內(nèi)的擴(kuò)散；(3)界面引起的暗電流。另外，暗電流還與溫度有關(guān)，溫度越高，熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子越多，因而暗電流就越大。4分辨率分辨率是

47、圖像傳感器的重要特性。常用調(diào)制傳遞函數(shù)MTF來(lái)評(píng)價(jià)。像敏單元位數(shù)越高的器件具有更高的分辨率。尤其是用于物體尺寸測(cè)量中，采用高位數(shù)光敏單元的線陣CCD器件可以獲得更高的測(cè)量精度。CCD圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍由勢(shì)阱中可存儲(chǔ)的最大電荷量和噪聲決定的最小電荷量之比決定。（1）勢(shì)阱可存儲(chǔ)的最大信號(hào)電荷量設(shè)CCD的電極有效面積為A，Si材料的雜質(zhì)濃度為m，電極尺寸為，柵極電壓為10V，則SCCD勢(shì)阱中的電荷量Q為0.6pC或個(gè)電子。Q可近似地表示為 (3-12)式中:是氧化膜單位面積的電容量；為柵極電壓。（2）噪聲在CCD圖像傳感器中有以下幾種噪聲源：(1)電荷注入器件時(shí)由電荷量的起伏引起的噪聲；(2)電荷

48、在轉(zhuǎn)移過(guò)程中電荷量的變化引起的噪聲；(3)檢測(cè)電荷時(shí)常常需要對(duì)檢測(cè)二極管進(jìn)行復(fù)位操作因此復(fù)位脈沖將導(dǎo)致信號(hào)的檢測(cè)噪聲。CCD圖像傳感器的平均噪聲值如表3-1所示【7】，表3-1 CCD噪聲噪聲種類噪聲電平（電子數(shù)）注入噪聲轉(zhuǎn)移噪聲輸出噪聲4001000100400總均方根載流子變化SCCDBCCD1151570在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選取線陣TCD142D CCD傳感器，TCD142D是高靈敏度、低暗電流，Pn結(jié)光敏二極管組成的2048象素，像素尺寸為，間距為14m，兩相時(shí)鐘、封裝為22引線、單路輸出的傳感器。TCD142D CCD各種特性如下表3-2和表3-3所示。它的基本結(jié)構(gòu)如圖3-8所示，圖中的光

49、敏區(qū)有2110個(gè)像元構(gòu)成線型陣列，其中Dn 表示“啞元”，共有62個(gè)，前51個(gè)、后11個(gè)，被鋁膜遮蓋用于暗電流檢測(cè)。Sn表示中間2048個(gè)像元，用以感光，像元之間的中心間距是14m，故光敏像元陣列總長(zhǎng)為28672m。光敏元兩邊是轉(zhuǎn)移柵電極,轉(zhuǎn)移柵的兩側(cè)為CCD模擬移位寄存器，其輸出部分由信號(hào)輸出單元和補(bǔ)償輸出單元構(gòu)成【6】。表3-2 技術(shù)特性（其中電壓是對(duì)接地端Vss）參數(shù)符號(hào)單位額定值時(shí)鐘脈沖電壓轉(zhuǎn)移脈沖電壓復(fù)位脈沖電壓電源電壓V15工作溫度存儲(chǔ)溫度-2560-40100表3-3 光電特性（=25，=12V，=12V（脈沖）=0.5MHz，=1MHz，負(fù)載電阻=100k,（積分時(shí)間）=10m

50、s，光源為日光燈或熒光燈）參數(shù)符號(hào)單位最小值典型值最大值響應(yīng)度像敏單元不均勻性寄存器不均勻性飽和輸出電壓飽和曝光量暗信號(hào)電壓暗信號(hào)不均勻性DC功耗總轉(zhuǎn)移系數(shù)輸出阻抗動(dòng)態(tài)范圍DC信號(hào)輸出電壓DC補(bǔ)償輸出電壓DC失配電壓RPRNURISEDSNUTTEDRV/lxsVlxsmVmVmWkVVmV921031.5515011500300圖3-8 TCD142D CCD基本結(jié)構(gòu)圖3-9是TCD142D的引腳。TCD142D有22個(gè)引腳，其中12個(gè)是空腳。圖中1A、2A、1B、2B均為時(shí)鐘端，SH為轉(zhuǎn)移柵，RS為復(fù)位柵，OS為信號(hào)輸出端，DOS為補(bǔ)償輸出端，SS為地，NC空閑，芯片中間是光敏窗。圖3-1

51、0是它的光譜響應(yīng)。圖3-9 TCD142D引腳圖 圖3-10 TCD142D CCD光譜效應(yīng) 本章小結(jié)本章首先簡(jiǎn)單說(shuō)明了CCD的廣泛應(yīng)用，然后詳細(xì)介紹了CCD工作的基本原理與參數(shù)特性，并給出了幾個(gè)基本特性，最后根據(jù)這些特性選擇了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所用到的CCD，并列表說(shuō)明了它的各種特性以及它的結(jié)構(gòu)圖和引腳圖。第四章 基于TCD142D CCD的驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 TCD142D驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)線陣CCD(Charge Coupled Device)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用到工業(yè)、軍事、民用行業(yè)。采用CCD數(shù)據(jù)采集卡和微機(jī)相結(jié)合，對(duì)被測(cè)圖像信息進(jìn)行快速采樣、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理，是線陣CCD數(shù)據(jù)采集發(fā)展

52、的新方向。與適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)光機(jī)電算一體化設(shè)計(jì)。時(shí)序發(fā)生器主要用于用于產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序和視頻信號(hào)處理控制時(shí)序及I/O接口工作控制時(shí)序。它的設(shè)計(jì)，是CCD數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是CCD應(yīng)用的關(guān)鍵。因此在介紹CCD驅(qū)動(dòng)電路之前先介紹一下TCD142D時(shí)序發(fā)生器的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將采用高集成度的EPM7064SLC44產(chǎn)生系統(tǒng)所需的驅(qū)動(dòng)和控制時(shí)序邏，在此設(shè)計(jì)中，TCD142D CCD的工作頻率為2MHz。 時(shí)序發(fā)生器的設(shè)計(jì)對(duì)不同型號(hào)的CCD器件而言，其工作機(jī)理是相同的，但不同型號(hào)的CCD器件具有完全不同的外型結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)時(shí)序。TCD142D的工作時(shí)序如圖4-1所示。圖4-1 TC

53、D142D CCD工作時(shí)序圖時(shí)序驅(qū)動(dòng)器模塊完成兩個(gè)功能：(1)產(chǎn)生CCD芯片工作的時(shí)序信號(hào)；(2)產(chǎn)生視頻處理的時(shí)序信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生的所有驅(qū)動(dòng)和控制時(shí)序信號(hào)都是在MAXPLUS開(kāi)發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)完成并經(jīng)編譯、校驗(yàn)后在線下載到CPLD器件內(nèi)部的。合適的CPLD是根據(jù)實(shí)際需要在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選定的。在該數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)中，選用一片MAX7000S系列芯片EPM7064SLC44來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)序發(fā)生器的功能。該系列芯片是ALTERA公司典型的可通過(guò)JTAG在線編程的CPLD器件?；贓PM7064SLC44的時(shí)序發(fā)生器的工作原理框圖如圖4-2所示。圖4-2 時(shí)序發(fā)生器電路原理框外部時(shí)鐘信號(hào)作為CP

54、LD時(shí)序發(fā)生器的基準(zhǔn)信號(hào)，所有時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生都是以此為基礎(chǔ)的。EPM7064SLC44芯片內(nèi)部分為兩部分：一部分是視頻信號(hào)處理控制時(shí)序發(fā)生器，它為CCD視頻信號(hào)處理提供各種同步控制時(shí)序；另一部分是CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器，它根據(jù)TCD142D的具體驅(qū)動(dòng)時(shí)序邏輯的要求，產(chǎn)生CCD工作所需的四路驅(qū)動(dòng)信號(hào)(RS、SH、,)，同時(shí)它還為視頻信號(hào)處理控制時(shí)序的產(chǎn)生提供時(shí)鐘控制信號(hào)。圖中操作控制命令主要用來(lái)控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過(guò)程，該系統(tǒng)有三種工作狀態(tài)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)初始化；數(shù)據(jù)采集過(guò)程；PC機(jī)讀取視頻信號(hào)過(guò)程。由圖4-2可以看出，一片CPLD可以替代原來(lái)的幾十個(gè)分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中各種驅(qū)動(dòng)和控

55、制時(shí)序邏輯，而且CPLD還允許設(shè)計(jì)編程保密位。采用CPLD有利于減小系統(tǒng)電路板的面積、提高系統(tǒng)的安全保密性、降低系統(tǒng)功耗和保證產(chǎn)品的質(zhì)量?？傊瑫r(shí)序發(fā)生器的可編程特性使其能夠最大程度地滿足用戶的不同要求。 TCD142D驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)CCD由于精度高、分辨率高、性能穩(wěn)定、功耗低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于圖像傳感和非接觸測(cè)量領(lǐng)域。在CCD應(yīng)用技術(shù)中,其賴以正常工作的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生電路比較復(fù)雜,驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)也就成為其應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。由于不同廠家生產(chǎn)的CCD其驅(qū)動(dòng)時(shí)序不盡相同,而同一廠家的不同型號(hào)的CCD其驅(qū)動(dòng)時(shí)序也不完全一樣,使CCD的驅(qū)動(dòng)電路很難規(guī)范化、產(chǎn)品化。因此,許多CCD用戶必須面

56、對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)問(wèn)題。CCD時(shí)序脈沖信號(hào)是一組周期性的、關(guān)系比較復(fù)雜的脈沖信號(hào),它是影響CCD器件的信號(hào)處理能力、轉(zhuǎn)移效率、信噪比等性能的一個(gè)重要因素。線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路通常有4種方式實(shí)現(xiàn):EPROM驅(qū)動(dòng)法(或EPROM)、IC驅(qū)動(dòng)法、單片機(jī)驅(qū)動(dòng)法以及可編程邏輯器件(PLD)驅(qū)動(dòng)法。TCD142D在驅(qū)動(dòng)脈沖的驅(qū)動(dòng)下工作，當(dāng)脈沖高電平到來(lái)時(shí)正為高電平，移位寄存器中的所有電極下均形成深勢(shì)阱，的高電平使電極下的深勢(shì)阱與像元的MOS電容存儲(chǔ)勢(shì)阱溝通，信號(hào)電荷包迅速向上下兩列模擬移位寄存器的電極轉(zhuǎn)移，并經(jīng)過(guò)輸出電路有OS電極輸出。由于結(jié)構(gòu)上的安排，OS端輸出12個(gè)虛設(shè)單元的脈沖，再輸出51個(gè)暗電流后才連

57、續(xù)輸出2048個(gè)信號(hào)脈沖。輸出第2048個(gè)信號(hào)脈沖后，再輸出11個(gè)暗電流脈沖，接下去輸出多余的信號(hào)脈沖。由于器件是兩列并行傳輸，所以在一個(gè)轉(zhuǎn)移周期內(nèi)至少要有1061個(gè)時(shí)鐘脈沖。是復(fù)位脈沖，復(fù)位一次輸出一個(gè)光電信號(hào)。DOS是補(bǔ)償輸出單元的輸出端，用于檢取驅(qū)動(dòng)（尤其是復(fù)位脈沖）對(duì)輸出電路的容性干擾信號(hào)，若將OS和DOS分別送到差分放大器的兩個(gè)輸入端，在輸出端將得到被放大的沒(méi)有干擾的光電信號(hào)。TCD142D的驅(qū)動(dòng)電路如圖4-3所示【8】，脈沖電路產(chǎn)生、四路脈沖，由非門及晶體振蕩器構(gòu)成的晶體振蕩電路輸出頻率為4MHz的方波，經(jīng)JK觸發(fā)器分頻，得到頻率為2MHz的方波，將4MHz與2MHz脈沖相與，形成

58、脈沖。脈沖占空比為1：3，頻率為2MHz。將經(jīng)JK觸發(fā)器分頻，產(chǎn)生頻率為1MHz的脈沖，脈沖送入分頻器，經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生轉(zhuǎn)移脈沖，并且使周期1061s。將和相與產(chǎn)生，=。至此，就產(chǎn)生了四路脈沖。將這四路脈沖經(jīng)反相器反相，再經(jīng)阻容加速電路送至H0026驅(qū)動(dòng)器，放大至一定量以后用以驅(qū)動(dòng)TCD142D。圖4-3 TCD142D CCD驅(qū)動(dòng)電路 TCD142D視頻信號(hào)處理CCD作為光電傳感器將被檢測(cè)對(duì)象的光信息通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)成像于CCD的光敏面上，CCD的光敏像元將其上的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電荷量。CCD在一定頻率的時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下，在CCD的輸出端可以獲得被測(cè)對(duì)象的視頻信號(hào)。視頻信號(hào)中的每一個(gè)離散的電壓信號(hào)

59、的大小對(duì)應(yīng)于該光敏像元上圖像的光強(qiáng)，信號(hào)輸出的時(shí)序?qū)?yīng)于該光敏像元在CCD上的位置，從而CCD用自身電子掃描方式完成信息的從空間域到時(shí)間域的變換。CCD作為圖像傳感器使用時(shí)，為了保證圖像的細(xì)節(jié)，必須確定分辨率，根據(jù)采樣定理的要求，抽樣頻率應(yīng)高于圖像的最高空間頻率的2倍。根據(jù)對(duì)CCD傳感器視頻信號(hào)應(yīng)用的差異，對(duì)CCD視頻信號(hào)有兩種處理方法：一是對(duì)CCD視頻信號(hào)進(jìn)行二值化處理后在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；而是對(duì)CCD視頻信號(hào)采樣，量化編碼后在采集到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在不要求圖像灰度的系統(tǒng)中，為提高處理速度和降低成本盡可能采用二值化處理。實(shí)際上許多檢測(cè)對(duì)象在本質(zhì)上也表現(xiàn)為二值情況，如圖紙、文件的輸入、物體尺寸、位置檢

60、測(cè)等。在輸入這些信息是采用二值化處理是恰當(dāng)?shù)?。二值化處理是把圖像和背景作為分離的二值（0、1）對(duì)待。光學(xué)系統(tǒng)吧被測(cè)對(duì)象成像在CCD光敏像元上，由于被測(cè)物和背景在光強(qiáng)上的變化反映在CCD視頻信號(hào)中所對(duì)應(yīng)的圖像尺寸邊界處會(huì)有明顯的電平變化，通過(guò)二值化處理把CCD視頻信號(hào)中圖像尺寸部分與背景部分分離成二值電平。實(shí)現(xiàn)CCD視頻信號(hào)二值化處理的方法很多，一般采用硬件電路實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中TCD142D CCD傳感器采用二值化的方法處理CCD視頻信號(hào)。由TCD142D輸出端OS輸出的視頻信號(hào)有以下特點(diǎn)：（1）負(fù)極性信號(hào)；（2）包含有周期性的復(fù)位脈沖串?dāng)_；（3）有效信號(hào)幅值較小，約為500mV；CCD輸出視