毕业设计（论文）牛顿环测量透镜曲率半径

目 录摘要Abstract第1章 绪论11.1 课题研究背景11.2.1 光学测量的背景11.2.1 CCD的背景21.2 本课题的研究现状31.3 论文的结构安排3第2章 系统工作原理52.1 牛顿环原理52.2 测量系统构成及系统工作原理82.3 系统软、硬件的实现102.4 系统测量误差112.5 本章小结12第3章 CCD的基本原理133.1 CCD的应用133.2 CCD的基本工作原理133.2.1 电荷存储143.2.2 电荷耦合163.2.3 电荷的注入和检测183.3 CCD的特性参数203.3.1 电荷转移效率和电荷转移损失率e203.3.2 驱动频率203.3.3 CCD的基本特性参数213. 4 本章小结25第4章基于TCD142D CCD的驱动电路和数据处理系统的设计264.1 TCD142D 驱动电路设计264.1.1 时序发生器的设计264.2.2 TCD142D驱动电路的设计274.2 TCD142D视频信号处理304.3 本章小结31结论33参考文献34致谢36附录137附录241附录345附录452 燕山大学本科生毕业设计（论文）摘 要在光学透镜生产工艺中,透镜曲率半径的测量与控制常常要通过牛顿环装置构成一望远物镜系统,其像方焦平面处则由读数显微镜或分光计作常规测量。这样的测量手段效率低、费时费力，且在测量的时候由于人为的原因，将带入不稳定的读数因素而得不到应有的测量精度。为了解决这一问题，本文采用了一种替代传统牛顿环实验仪的新的测量系统和数据处理方法,将线阵CCD传感器置于被测透镜像方焦平面上取代读数显微镜，将采集到的图像信号转化为微弱的电信号，并经放大、滤波、二值化处理，然后再进行数据采集。这种结合光学系统、CCD传感器和微机于一体的方法实现了被测图像信息的快速采集、存储及数据处理，集光-机-电-算一体化,从而实现了透镜曲率半径测量的快速性、准确性和自动化。关键词曲率半径；线阵CCD；测量系统；数据处理IAbstractIn the production process of optical 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 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 image 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 computer, 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 and automately.Keywords Curvaure radius; Linear CCD; Measurement system;Data Processing第1章 绪论 第1章 绪论1.1课题研究背景1.1.1 光学测量的背景光学是物理学的一个重要组成部分，人类对光的研究至少已有两千多年的的历史，世界上最早关于光学知识的文字记载，见于我国的墨经，研究最早的内容是几何光学，它是以光的直线传播，反射定律为基础，研究光在透明介质中的传播规律。17世纪和18世纪是光学发展史上的一个重要时期，在这段时间里，科学家们不仅开始从实验上对光学进行研究，而且也着手进行已有光学的知识的系统化、理论化。关于光的本性的认识，几个世纪以来始终存在着激烈的争论，在解释一些现象如干涉和衍射时，人们就用波动说去解释，而对另一些现象如光电效应就用微粒说去说明，光的波粒二象性是两种学说相互妥协的结果。光波的干涉原理是1801年英国人杨（T.Young，1773-1829）提出的，从而正确的解释了薄膜的彩色条纹。光的干涉是光的波动性的表现。两束相干光波在空间相遇时形成干涉条纹，获得光干涉的装置有分振幅法和分波阵面法二种，典型的分振幅法干涉装置是牛顿环和劈尖装置。它们产生的干涉条纹亮度大。目前广泛应用于生产中，如测量光波波长，曲率半径，检测光学表面质量等。20世纪60年代激光的发现，使光学的发展又获得了新的活力，激光技术与相关学科的结合，导致了光全息技术，光信息处理技术，光纤技术等的飞速发展，非线性光学、傅里叶光学等现代光学分支逐渐形成，带动了物理学及相关学科的不断发展。随着激光技术、电子技术以及计算机技术的迅猛发展，光学测量的技术与手段发生了质的飞跃。如；通过引入光电技术、数字技术、自动记录、自动测量和软件编程、硬件电路等先进技术，极大地提高了光学测量的精度和效率，为光学精密测量技术开辟了广阔的发展背景【1】。在光学领域中，光学球面曲率半径是决定光学球面光学特性的重要参量，它是光学冷加工过程中衡量光学元件加工质量的一项重要指标。测量光学球面的曲率半径，可以审核光学元件设计和制造质量，以便进一步进行修改加工，使光学元件达到更高的精度，因此球面曲率半径的测量具有重要的作用。同时，球面曲率半径测量的方法比较多，如：自准直显微镜法、自准直前置镜法、球径仪法等测量方法较古典，也最为常用。激光的问世给干涉测量带来了实质性的发展，先后出现了莫尔干涉测量法，预计光球面结合的激光干涉测长法等等。本文选用牛顿环的方法测量透镜曲率半径，牛顿环原理简单易懂，装置也较容易实现。本课题设计了一种光学球面曲率半径高精度自动测量系统，在光学透镜生产工艺中,透镜曲率半径的测量与控制通过牛顿环装置构成一望远物镜系统,其像方焦平面处则由读数显微镜或分光计作常规测量，但这样的测量手段,将带入不稳定的读数因素而得不到应有的测量精度,且效率极低，为此,利用CCD图像传感器,将其置于被测透镜像方焦平面上,取代读数显微镜就可实现透镜曲率半径测量的自动化和准确性。此外，采用CCD传感器就必须对其驱动及信号处理电路进行设计，选择合适的测量电路才能保证测量过程的自动化和测量结果的准确性，最后对测量系统的软硬件实现进行设计，得到最后完整精确地测量结果。1.1.2 CCD的背景自CCD于1970在贝尔实验室诞生以来，CCD技术随着半导体微电子技术的发展而迅速发展，CCD传感器的像素集成度、分辨率、几何精度和灵敏度大大提高，工作频率范围显著增加，可高速成像以满足对高速物体的拍摄，并以其光谱响应宽，动态范围大，灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用，成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。综上所述，CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，并被广泛应与于现代光学和光电测试技术领域。事实上，凡可用胶卷和光电检测技术的地方几乎都可应用CCD。随着半导体材料与技术的发展，特别是超大规模集成电路技术的不断进步，CCD图像传感器的性能也在迅速提高，将CCD技术、计算机图像处理技术与传统测量方法相结合，能获取被测对象的更多信息，实现快速、准确的无接触测量，显著提高测量技术水平和智能化水平，因此，CCD技术必将以其突出的优点而在工业测控、机器视觉、多媒体技术、虚拟现实技术及其它许多领域得到越来越广泛的应用。目前市面上的绝大多数消费性机种及高端数码相机都使用CCD作为图像传感器，而CMOS传感器以往都是作为低端产品应用于摄像头和简易电脑相机上，是否采用CCD传感器一度成为人们判断数码相机档次的标准之一。目前有能力生产CCD的公司分别为：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fujisu、SANYO、Sharp【2】。1.2 本课题的研究现状（1）2005年8月南昌大学理学院刘崧、戚小平,钟双英采用了一种替代传统牛顿环实验仪的新的观测系统和数据处理方法,该方法充分利用图像传感器技术和计算机的图像处理功能,能在保持原有测量精度条件下,使实验的观测效果更好,数据采集更方便。通过自编Visual C+软件对数据进行处理,算出透镜焦距。在物理实验教学方面有一定的实用价值【3】。（2）2004年10月苏州大学现代光学技术研究所沈阳研究了一种球面透镜曲率半径的线性测量原理及机构,其原理是将透镜测量中涉及到的球面曲率半径、测环半径、矢高对应处理成正比线性关系,提出了按此原理设计的三种测量机构的实例,使球面透镜曲率半径的线性测量获得了满意的结果【4】。（3）2001年厦门大学机电工程系陈安建教授研究的一种自动测量和显示透镜曲率半径的系统。叙述该系统的工作原理,分析系统软、硬件设计及测量产生的误差【5】。1.3 论文的结构安排（1）第一章讲述本课题的研究背景、现状，并列出了测量曲率半径的几种方法，最终采用牛顿环的方法测量，为了提高测量精度，用CCD取代读数显微镜，构成一个自动测量系统，最后简单介绍了本论文的结构安排。（2）第二章介绍了牛顿环原理和牛顿环装置，然后简述了整个测量系统的结构，给出了测量系统的硬件及软件的整体设计。（3）第三章详细介绍了CCD传感器的结构与工作原理，并给出了本系统设计中所选用的CCD传感器即TCD142D CCD及它的结构、基本特性和引脚图。（4）第四章详细介绍了基于CCD142 CCD的驱动电路的设计和及所采用的固定阈值法所采用的视频信号处理的方法。37第2章 系统工作原理 第2章 系统工作原理2.1 牛顿环原理利用光的干涉现象实现光学精密测量是目前最为精确而有效的技术。由干涉现象产生的牛顿环是一种典型的等厚薄膜干涉图样，是牛顿在1675年首先观察到的。他将一块曲率半径较大的平凸透镜放在一块玻璃平板上，平凸透镜的凸球面和玻璃平板之间形成一个厚度均匀变化的圆尖劈形空气簿膜，当平行光垂直射向平凸透镜时，从尖劈形空气膜上、下表面反射的两束光相互叠加而产生干涉。同一半径的圆环处空气膜厚度相同，上、下表面反射光程差相同，因此使干涉图样呈圆环状。用单色光照射透镜与玻璃板，就可以观察到一些明暗相同的同心圆环，圆环分布是中间疏、边缘密，圆心在接触点，从反射光看到的牛顿环中心是暗的，从透射光看到的牛顿环中心是明的，如若用白光入射，将观察到彩色圆环。透镜曲率半径与牛顿环条纹半径之间有一种确定的关系，因此可以通过测量牛顿环条纹半径来得出透镜的曲率半径。下面介绍该系统中所用到的牛顿环装置及推导牛顿环条纹半径与透镜曲率半径之间的关系式。如图2-1所示，有一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜，将其凸面放在一块光学玻璃平板(平晶)上，凸面与玻璃平板之间的空气层厚度从中心到边缘逐渐增加，若以平行单色光垂直照射到牛顿环上，则经空气层上、下表面反射的二光束存在光程差，它们在平凸透镜的凸面相遇后，将发生干涉。从透镜上看到的干涉花样是以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的圆环(如图2-2所示)，即为牛顿环。由于同一干涉环上各处的空气层厚度是相同的，因此它属于等厚干涉。由图2-1可见，设透镜的曲率半径为R，与接触点0相距为r处空气层的厚度为d，其几何关系式为:图2-1 牛顿环装置示意图 图2-2 牛顿环由于Rd，可以略去得 （2-1）光线应是垂直入射的，计算光程差时还要考虑光波在平玻璃板上反射会有半波损失，从而带来/2的附加程差，所以总程差为 （2-2）产生暗环的条件是: （2-3）其中K= 0,1，2，3，为干涉暗条纹的级数。综合(2-1)、(2-2)和(2-3)式可得第K级暗环的半径为: （2-4）由公式(2-4)式可知，如果单色光源的波长己知，测出第m级的暗环半径，即可得出平凸透镜的曲率半径R;反之，如果R己知，测出后，就可计算出入射单色光波的波长入。但是用此测量关系式往往误差很大，原因在于凸面和平面不可能是理想的点接触;接触压力会引起局部形变，使接触处成为一个圆形平面，干涉环中心为一暗斑。或者空气间隙层中有了尘埃，附加了光程差，干涉环中心为一亮(或暗)斑，均无法确定环的几何中心。实际测量时，我们可以通过测量距中心较远的两个暗环的半径和的平方差来计算曲率半径R。因为 （2-5） （2-6）两式相减可得 （2-7）所以 （2-8）或 （2-9）由上式可知，只要测出Dm与Dn(分别为第m与第n条暗环的直径)的值，就能算出R。这样也可避免实验中条纹级数难于确定的困难，利用后一计算式还可克服确定条纹中心位置难确定的困难。另外该系统中若不能保证线阵CCD的位置准确定位在牛顿环的直径上，也可采用测出相差相同级数的三级暗(明)条纹之间的距离的方法来测出透镜的曲率半径,这样对测量结果就不会产生影响，下面以相邻三条暗（明）条纹来说明。如图2-3，在牛顿环干涉示意图中，、和分别表示第k级、k+1级和k+2级干涉暗（明）条纹半径，设这三级暗（明）条纹之间的距离分别为和,代入公式（2-7）得 （2-10） （2-11）有以上两式得曲率半径的计算公式为 （2-12）图2-3 牛顿环干涉图样示意图 图2-4 测量位置偏差示意图如图2-4若CCD测出的仅是某一弦上的相差相同级数的三级暗（明）条纹之间距离和，显然，由图中的三角关系得 （2-13） （2-14）由公式（2-10）、（2-11）、（2-13）和（2-14）得 （2-15）对比公式（2-12）和（2-15）,显然,若CCD侧的仅是某一弦时对测量结果不会有任何影响【6】。2.2 测量系统构成及系统工作原理系统的基本构成如图2-5所示。在被测透镜的焦平面上用高灵敏度的线阵CCD图像传感器取代传统所用的读数显微镜。CCD的光谱响应波长范围为0.4761.27m,共有2048个像元,全长28.67mm。因此，测量系统必须采用=0.6328m的He-Ne激光作光源,经扩束准直后垂直照射在牛顿环上。每个光敏元在空间和电气上都能够彼此独立,其输出的电荷包空间分布与系统的光强空间分布成比例。CCD在驱动脉冲作用下将电荷包信号顺序的驱动出来，形成视频信号。若CCD驱动时钟频率为，输出时钟频率为2，CCD的单位尺寸为P，从CCD输出的信号为，放大滤波后为，在经过比较器进行二值化处理，得到图2-5 测量系统的基本构成矩形信号（信号处理波形如图2-6所示，图中、为干涉环宽度；L为相邻两干涉环的距离），其电平同TTL电平兼容。如果计数器的计数时钟频率为q，以的高电平部分控制计数器1级数，计数值为i，则有 （2-16）CCD是在时钟脉冲控制下利用移位寄存器的功能形成一系列幅值不等的时钟脉冲序列来实现电荷色的读取与输出。若CCD驱动时钟频率为，输出时钟频率则为2，CCD的单元尺寸p，从CCD出来的信号为1，放大滤波后为2，再经门限比较及进行二值化处理后得到矩形信号3。图2-6 信号处理流程图如果计数器的计数时钟频率为，则以3的高电平部分控制计数器1计数，计数值为，干涉环的宽度为如下关系： （2-17）再以3的低电平部分控制计数器2计数,计数值为，则相邻两干涉环的距离为 （2-18）计算两相邻环间矩m值应取两干涉亮条纹的中心距，即 （2-19）再利用公式(2-12)式即可算出被测透镜的曲率半径，所测数据通过计算机自动处理,可在打印机上将结果输出。2.3 系统软、硬件的实现系统硬件电路实现的基本构成如图2-7所示【7】。图2-7 硬件电路实现示意图其驱动电路主要是一些频率发生电路,由晶体振荡器和分频器组成,用来产生CCD所需要的驱动时间脉冲序和12V电平,同时还产生可编程定时器8253芯片所需的时钟。用控制8253芯片的计数器1和计数器2,工作在方式零。在这种方式下，计数器对CLK输入信号进行减法计数,每个时钟周期计数器减1。设定该方式后,计数器的输出OUT变低,设置装入计数值时也使输出OUT变化。当计数减到零即计数结束时,输出OUT变高,该输出信号即可作为中断请求信号来使用。此计数过程受到计数器的门控信号GATE控制。当GATE为高电平时,允许计数；若门控信号为低电平时,则禁止计数。使用计数器1和2可以测定、和、。根据测量原理及系统结构,其微机控制的软件程序主要由主程序和中断服务程序组成,如图2-8所示。在微机控制时,采用外设接口地址的部分译码方式。8253芯片占用外设接口地址04OH-05FH。在使用时,只要选择其中4个合适的地址分别代表计数器和控制寄存贮器的地址即可工作。为了提高抗干扰能力,采用了软件数字滤波。为了满足精度要求,采用了浮点运算模块化、子程序结构以及程序的调用、修改。图2-8 软件程序图2.4 系统测量误差在该系统中,透镜曲率半径R是通过测量、和、。后利用(2-15)和(2-18)式计算所得。由误差传递理论可知,曲率半径的测量误差R可由下式求出R= + + + + （2-20）系统采用一维线阵CCD,每个像元的尺寸为0.014mm,即=0.014mm，共含有2048个像元，全长28.67mm。牛顿环的照明光源采用He-Ne激光，经扩束并准值后垂直照射到牛顿环上。在以上条件下，在实验室中对曲率半径为1.5m的平凸镜进行测量我们在实验室中,测量结果为R=1491.8mm,R=12.290mm。结果表明,系统的相对测量误差约为0.8%,这与用读数显微镜测量的6%的相对误差相比提高了近7.5倍【7】。2.5 本章小结本章主要讲述了用CCD传感器测量透镜曲率半径的整体思路，详细的介绍了牛顿环原理并推出用牛顿环侧曲率半径的工式，然后简单介绍了测量系统的基本构成与硬件软件的设计思路，最后简要说明了这种测量方法的误差小，适合工艺生产。第3章 CCD的基本原理 第3章 CCD的基本原理3.1 CCD的应用CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，CCD被广泛用于再线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。它的主要用途有：（1）利用CCD测量几何量，CCD诞生后，首先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在CCD光敏元上造成影像，CCD输出的脉冲表征测量工件的尺寸或缺陷；（2）利用CCD测量几何量，CCD诞生后，首先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在CCD光敏元上造成影像，CCD输出的脉冲表征测量工件的尺寸或缺陷；（3）用于传真技术，文字、图象识别。例如用CCD识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；（4）自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机；（5）作为机器人视觉系统；（6）CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描），与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小，且不需要高压。3.2 CCD的基本工作原理电荷耦合摄像器件(CCDCharge Coupled Device)的突出特点是以电荷为信号，不同于大多数器件是以电流或电压为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD的工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、转移和检测。CCD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CCD(简称SCCD)；另一种是电荷包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BCCD)。CCD的结构分为三层，由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。CCD由许多感光单位组成，当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。为了获得清晰的图像，必须选择合适的CCD，所以先要弄清楚他的特性。CCD图像传感器的特性一般包括光谱特性、分辨率、暗电流、灵敏度和动态范围等。下面就介绍CCD的基本工作原理和本设计中选用的CCD及它的基本特性。3.2.1 电荷存储构成CCD的基本单元是MOS结构。如图3-1(a)所示，在栅极G施加正偏压之前，P型半导体中的空穴(多数载流子)的分布是均匀的。当栅极施加正偏压（此时小于P型半导体的阙值电压）后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图3-1(b)所示。偏压继续增加，耗尽区将继续向半导体体内延伸，图3-1单个CCD栅极电压变化对耗尽区的影响(a) 栅极电压为零；(b)栅极电压小于阈值电压；(c)栅极电压大于阈值电压如图3-1(c)所示，当时，耗尽区的深度与成正比。若将半导体与绝缘体界面上的电势记为表面势，用表示，将随栅极电压的增高而增高，它们的关系如图3-2所示。图3-2 表面势与栅极电压的关系（p型硅杂质浓度，反型层电荷=0）图3-2描述了在掺杂为，氧化层厚度分别为0.1m、0.3m、0.4m和0.6m的情况下，不存在反型层电荷时，与的关系曲线。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作用下，不同厚度的氧化层有着不同的。表面势表征了耗尽区的深度。图3-3 表面势与反型层电荷密度的关系图3-3为栅极电压不变的情况下，表面势与反型层电荷密度之间的关系，曲线的直线性越好，说明表面势与反型层电荷密度有着良好的反比例线性关系，这种关系很容易用半导体物理中“势阱”的概念来描述。电子所以被加有栅极电压的MOS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”与栅极电压的关系恰如与的关系，如图3-4(a)所示的空势阱的情况。图3-4 势阱（a）空势阱；（b）填充1/3的势阱；（c）全满势阱图3-4（b）为反型层电荷填充13势阱时表面势收缩的情况。与反型层电荷密度之间的关系如图3-3所示。当反型层电荷继续增加时将逐渐减小；当反型层电荷足够多时，减小到最低值2，如图3-4（c）所示。此时，表面势不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象。这样，表面势可作为势阱深度的量度，而表面势又与栅极电压、氧化层厚度有关，即与MOS电容容量和的乘积有关。势阱的横截面积取决于栅极电压的面积A。MOS电容存储信号电荷的容量 (3-1)3.2.2 电荷耦合理解CCD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。假定开始时有一些电荷存储在偏压为l0V的第一个电极下面的深势阱里，其他电极均加有大于阙值的较低电压(例如2V)。设图3-5(a)为零时刻（初始位置）。经过时刻后，各电极上的电压变为如图3-5(b)所示，因第一个电极仍保持为l0V，第二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很近(间隔只有几微米)，它们各自对应的势阱将合并在一起，原来在第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(c)所示。若此后电极上的电压变为如图3-5(d)所示，第一个电极电压由10V变为2V，第二个电机电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下面的势阱中，如图3-5所示。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。图3-5 三相CCD中电荷的转移过程(a)初始状态；(b)电荷由1电极像2电极转移；(c)电荷在1、2电极下均匀分布；(d)电荷继续由1电极向2电极转移；(e)电荷完全转移到2电极；(f)三相交叠脉冲通过将一定规律变化的电压加到CCD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CCD的电极分为几组，每一组称为一相，并施加同样的时钟驱动脉冲。CCD的内部结构决定了使其正常工作所需要的相数决。如图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CCD称为三相CCD。3.2.3 电荷的注入和检测1.电荷的注入在CCD中，电荷注入的方法有很多，主要可分为两类：电注入和光注入。（1）光注入法当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。CCD摄像器件的光敏单元为光注入方式光注入电荷 (3-2)式中：为材料的量子效率；q为电子电荷量；为入射光的光子流速率；A为光敏电源的受光面积；为光注入时间。（2）电注入所谓电注入就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷注入到相应的势阱中。电注入的方法很多，比较常用的有电流注入法和电压注入法。电流注入法电流注入法的原理如图3-6(a)所示，由扩散区和P型衬底构成注入二极管。lG为CCD的输入栅，其上加适当的正偏压，以保持开启并作为基准电压。模拟输入信号加在输入二极管ID上。当为高电平时，可区(ID极)看做MOS晶体管的源极，IG为其栅极，而为其漏极。当它工作在饱和区时，输入栅下沟道电流为： (3-3)式中：W为信号沟道宽度；为注入栅IG的长度；为注入栅的偏置电压；也为硅材料的阕值电压；是载流子表面迁移率；为IG栅电容。经过Tc时间的注入后，CR2地下势阱的信号电荷量 (3-4)因此，这种注入方式的信号电荷Qs不仅依赖于和Tc，而且与输入二极管所加偏压的大小有关。也正因为这样，所以Qs与没有线性关系。图3-6 电注入法（a）电流注入法；（b）电压注入法电压注入法如图3-6（b）所示，与电流注入法类似，也是把信号加到源极扩散区上，所不同的是输入电极上加有与CR同位相的选通脉冲。但其宽度小于CR的脉宽。在选通脉冲的作用下，电荷被注入到第一个转移栅CR下的势阱里，直到势阱的电位与区的电位相等时，注入电荷才停止。2. 电荷的检测在CCD中，有效地收集和检测电荷是一个重要的问题。CCD的重要特性之一是信号电荷在转移过程中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，尽可能地减小时钟脉冲对输出信号的容性干扰。目前CCD的输出电荷信号的方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出电流输出方式的电路如图3-7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等单元构成。由电源、电阻R、衬底P和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，且的大小与注入二极管中的信号电荷量Qs成正比，而与R成反比。电阻R是制作在CCD器件内部的定电阻，阻值为常数。所以，输出电流与注入二极管中的电荷量Qs成线性关系，且 (3-5)图3-7 电荷输出电路电流输出方式3.3 CCD的特性参数3.3.1 电荷转移效率和电荷转移损失率e电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数。一次转移后到达下一个势阱中的电荷量与原来势阱中的电荷量之比称为转移效率。如果在起始时注入某电极下的电荷为，在时间t时，大多数电荷在电场的作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷由于某种原因留在该电极下，若被留下来的电荷为，则转移效率为 (3-6)如果转移损失率定义为 (3-7)则转移效率和转移损失率e的关系为=1-e (3-8)3.3.2驱动频率CCD器件必须在驱动脉冲的作用下完成信号电荷的转移，输出信号电荷。驱动频率一般泛指加在转移栅上的脉冲CRl或CR2的频率。1驱动频率的下限在信号电荷的转移过程中，为了避免由于热激发少数载流予丙对注入信号电荷的干扰，注入信号电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t必须小于少数载流予的平均寿命，即。在正常工作条件下，对于三相CCD而言 (3-9)故 (3-10)可见,工作频率的下限与少数载流子的下限有关。2驱动频率的上限当驱动频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的时间t大于驱动脉冲使其转移的时间T/3，那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，将会使转移效率大大下降。为此，要求tT/3即 (3-11)这就是电荷自身的转移时间对驱动脉冲频率上限的限制。由于电荷转移的快慢与载流子迁移率、电极长度。衬底杂质浓度和温度等因素有关，因此，对于相同的结构设计，n沟CCD比p沟CCD的工作频率高。3.3.3 CCD的基本特性参数1光电转换特性在CCD中，信号电荷包是由入射光子被硅衬底材料吸收产生的少数载流子形成的，因此，它具有良好的光电转换特性。它的光电转换因子可达到997以上。2光谱响应CCD接受光的方式有正面光照与背面光照两种。由于CCD的正面布置着很多电极，电极的反射和散射作用使得正面照射的光谱灵敏度比背面照射时低。即使是透明的多晶硅电极，也会因为电极的吸收以及在整个硅。二氧化硅界面上的多次反射而引起某些波长的光产生干涉现象，出现若干个明暗条纹，从而使光谱响应曲线出现若干个峰与谷。为此，CCD常采用背面照射的方法。3暗电流在正常工作的情况下，MOS电容处于未饱和的非平衡态。随着时间的推移，由于热激发而产生的少数载流子使系统趋向平衡因此，即使在没有光照或其他方式对器件进行电荷注入的情况下，也会存在不希望有的暗电流。产生暗电流的主要原因有：(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)界面引起的暗电流。另外，暗电流还与温度有关，温度越高，热激发产生的载流子越多，因而暗电流就越大。4分辨率分辨率是图像传感器的重要特性。常用调制传递函数MTF来评价。像敏单元位数越高的器件具有更高的分辨率。尤其是用于物体尺寸测量中，采用高位数光敏单元的线阵CCD器件可以获得更高的测量精度。5.动态范围CCD图像传感器的动态范围由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决定。（1）势阱可存储的最大信号电荷量设CCD的电极有效面积为A，Si材料的杂质浓度为，氧化膜厚度为0.1m，电极尺寸为，栅极电压为10V，则SCCD势阱中的电荷量Q为0.6pC或个电子。Q可近似地表示为 (3-12)式中:是氧化膜单位面积的电容量；为栅极电压。（2）噪声在CCD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。CCD图像传感器的平均噪声值如表3-1所示【7】，表3-1 CCD噪声噪声种类噪声电平（电子数）注入噪声转移噪声输出噪声4001000100400总均方根载流子变化SCCDBCCD1151570在该系统设计中选取线阵TCD142D CCD传感器，TCD142D是高灵敏度、低暗电流，Pn结光敏二极管组成的2048象素，像素尺寸为，间距为14m，两相时钟、封装为22引线、单路输出的传感器。TCD142D CCD各种特性如下表3-2和表3-3所示。它的基本结构如图3-8所示，图中的光敏区有2110个像元构成线型阵列，其中Dn 表示“哑元”，共有62个，前51个、后11个，被铝膜遮盖用于暗电流检测。Sn表示中间2048个像元，用以感光，像元之间的中心间距是14m，故光敏像元阵列总长为28672m。光敏元两边是转移栅电极,转移栅的两侧为CCD模拟移位寄存器，其输出部分由信号输出单元和补偿输出单元构成【6】。表3-2 技术特性（其中电压是对接地端Vss）参数符号单位额定值时钟脉冲电压转移脉冲电压复位脉冲电压电源电压V0.315工作温度存储温度-2560-40100表3-3 光电特性（=25，=12V，=12V（脉冲）=0.5MHz，=1MHz，负载电阻=100k,（积分时间）=10ms，光源为日光灯或荧光灯）参数符号单位最小值典型值最大值响应度像敏单元不均匀性寄存器不均匀性饱和输出电压饱和曝光量暗信号电压暗信号不均匀性DC功耗总转移系数输出阻抗动态范围DC信号输出电压DC补偿输出电压DC失配电压RPRNURISEDSNUTTEDRV/lxsVlxsmVmVmWkVVmV1.2926.01031.50.251.55150115004.54.5300图3-8 TCD142D CCD基本结构图3-9是TCD142D的引脚。TCD142D有22个引脚，其中12个是空脚。图中1A、2A、1B、2B均为时钟端，SH为转移栅，RS为复位栅，OS为信号输出端，DOS为补偿输出端，SS为地，NC空闲，芯片中间是光敏窗。图3-10是它的光谱响应。图3-9 TCD142D引脚图 图3-10 TCD142D CCD光谱效应3.4 本章小结本章首先简单说明了CCD的广泛应用，然后详细介绍了CCD工作的基本原理与参数特性，并给出了几个基本特性，最后根据这些特性选择了本系统设计所用到的CCD，并列表说明了它的各种特性以及它的结构图和引脚图。第4章 基于TCD142D CCD的驱动电路和数据处理系统的设计 第四章 基于TCD142D CCD的驱动电路和数据处理系统的设计4.1 TCD142D驱动电路设计线阵CCD(Charge Coupled Device)越来越广泛地被应用到工业、军事、民用行业。采用CCD数据采集卡和微机相结合，对被测图像信息进行快速采样、存储及数据处理，是线阵CCD数据采集发展的新方向。与适当的光学系统相结合，可以实现光机电算一体化设计。时序发生器主要用于用于产生CCD驱动时序和视频信号处理控制时序及I/O接口工作控制时序。它的设计，是CCD数据采集电路设计的关键，也是CCD应用的关键。因此在介绍CCD驱动电路之前先介绍一下TCD142D时序发生器的设计，本系统设计中将采用高集成度的EPM7064SLC44产生系统所需的驱动和控制时序逻，在此设计中，TCD142D CCD的工作频率为2MHz。4.1.1 时序发生器的设计对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同的，但不同型号的CCD器件具有完全不同的外型结构和驱动时序。TCD142D的工作时序如图4-1所示。图4-1 TCD142D CCD工作时序图时序驱动器模块完成两个功能：(1)产生CCD芯片工作的时序信号；(2)产生视频处理的时序信号。在本设计中，时序发生器产生的所有驱动和控制时序信号都是在MAXPLUS开发环境下设计完成并经编译、校验后在线下载到CPLD器件内部的。合适的CPLD是根据实际需要在实验过程中选定的。在该数据采集卡的设计中，选用一片MAX7000S系列芯片EPM7064SLC44来实现时序发生器的功能。该系列芯片是ALTERA公司典型的可通过JTAG在线编程的CPLD器件。基于EPM7064SLC44的时序发生器的工作原理框图如图4-2所示。图4-2 时序发生器电路原理框外部时钟信号作为CPLD时序发生器的基准信号，所有时序信号的产生都是以此为基础的。EPM7064SLC44芯片内部分为两部分：一部分是视频信号处理控制时序发生器，它为CCD视频信号处理提供各种同步控制时序；另一部分是CCD驱动时序发生器，它根据TCD142D的具体驱动时序逻辑的要求，产生CCD工作所需的四路驱动信号(RS、SH、,)，同时它还为视频信号处理控制时序的产生提供时钟控制信号。图中操作控制命令主要用来控制数据采集系统的工作过程，该系统有三种工作状态：数据采集系统初始化；数据采集过程；PC机读取视频信号过程。由图4-2可以看出，一片CPLD可以替代原来的几十个分立元件来实现CCD数据采集系统中各种驱动和控制时序逻辑，而且CPLD还允许设计编程保密位。采用CPLD有利于减小系统电路板的面积、提高系统的安全保密性、降低系统功耗和保证产品的质量。总之，时序发生器的可编程特性使其能够最大程度地满足用户的不同要求。4.2.2 TCD142D驱动电路的设计CCD由于精度高、分辨率高、性能稳定、功耗低、寿命长等特点,广泛应用于图像传感和非接触测量领域。在CCD应用技术中,其赖以正常工作的驱动信号的产生电路比较复杂,驱动电路的设计也就成为其应用中的关键问题之一。由于不同厂家生产的CCD其驱动时序不尽相同,而同一厂家的不同型号的CCD其驱动时序也不完全一样,使CCD的驱动电路很难规范化、产品化。因此,许多CCD用户必须面对驱动电路的设计问题。CCD时序脉冲信号是一组周期性的、关系比较复杂的脉冲信号,它是影响CCD器件的信号处理能力、转移效率、信噪比等性能的一个重要因素。线阵CCD驱动电路通常有4种方式实现:EPROM驱动法(或EPROM)、IC驱动法、单片机驱动法以及可编程逻辑器件(PLD)驱动法。TCD142D在驱动脉冲的驱动下工作，当脉冲高电平到来时正为高电平，移位寄存器中的所有电极下均形成深势阱，的高电平使电极下的深势阱与像元的MOS电容存储势阱沟通，信号电荷包迅速向上下两列模拟移位寄存器的电极转移，并经过输出电路有OS电极输出。由于结构上的安排，OS端输出12个虚设单元的脉冲，再输出51个暗电流后才连续输出2048个信号脉冲。输出第2048个信号脉冲后，再输出11个暗电流脉冲，接下去输出多余的信号脉冲。由于器件是两列并行传输，所以在一个转移周期内至少要有1061个时钟脉冲。是复位脉冲，复位一次输出一个光电信号。DOS是补偿输出单元的输出端，用于检取驱动（尤其是复位脉冲）对输出电路的容性干扰信号，若将OS和DOS分别送到差分放大器的两个输入端，在输出端将得到被放大的没有干扰的光电信号。TCD142D的驱动电路如图4-3所示【8】，脉冲电路产生、四路脉冲，由非门及晶体振荡器构成的晶体振荡电路输出频率为4MHz的方波，经JK触发器分频，得到频率为2MHz的方波，将4MHz与2MHz脉冲相与，形成脉冲。脉冲占空比为1：3，频率为2MHz。将经JK触发器分频，产生频率为1MHz的脉冲，脉冲送入分频器，经译码电路产生转移脉冲，并且使周期1061s。将和相与产生，=。至此，就产生了四路脉冲。将这四路脉冲经反相器反相，再经阻容加速电路送至H0026驱动器，放大至一定量以后用以驱动TCD142D。图4-3 TCD142D CCD驱动电路4.2 TCD142D视频信号处理CCD作为光电传感器将被检测对象的光信息通过光学成像系统成像于CCD的光敏面上，CCD的光敏像元将其上的光强度转换成电荷量。CCD在一定频率的时钟脉冲的驱动下，在CCD的输出端可以获得被测对象的视频信号。视频信号中的每一个离散的电压信号的大小对应于该光敏像元上图像的光强，信号输出的时序对应于该光敏像元在CCD上的位置，从而CCD用自身电子扫描方式完成信息的从空间域到时间域的变换。CCD作为图像传感器使用时，为了保证图像的细节，必须确定分辨率，根据采样定理的要求，抽样频率应高于图像的最高空间频率的2倍。根据对CCD传感器视频信号应用的差异，对CCD视频信号有两种处理方法：一是对CCD视频信号进行二值化处理后在进行数据采集；而是对CCD视频信号采样，量化编码后在采集到计算机系统。在不要求图像灰度的系统中，为提高处理速度和降低成本尽可能采用二值化处理。实际上许多检测对象在本质上也表现为二值情况，如图纸、文件的输入、物体尺寸、位置检测等。在输入这些信息是采用二值化处理是恰当的。二值化处理是把图像和背景作为分离的二值（0、1）对待。光学系统吧被测对象成像在CCD光敏像元上，由于被测物和背景在光强上的变化反映在CCD视频信号中所对应的图像尺寸边界处会有明显的电平变化，通过二值化处理把CCD视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平。实现CCD视频信号二值化处理的方法很多，一般采用硬件电路实现。本系统设计中TCD142D CCD传感器采用二值化的方法处理CCD视频信号。由TCD142D输出端OS输出的视频信号有以下特点：（1）负极性信号；（2）包含有周期性的复位脉冲串扰；（3）有效信号幅值较小，约为500mV；CCD输出视频信号的上述特点决定了它不能够直接送入PC机进行软件处理，必须先从硬件上对其进行二值化处理。为消除视频信号中的驱动脉冲(主要是复位脉冲)及噪声等所造成的干扰，将微弱的负极性视频信号反向、放大。在电路设计中，选用了一片差动运算放大器，将视频信号及其补偿输出分别送至差动放大器的反相和同相输出端，在进行视频信号放大的同时消除复位脉冲所造成的干扰，并将负极性视频信号转换成正极性。在放大器的输出端接一级RC滤波器，进一步滤除噪声。经过上述处理后的视频信号再进行二值化处理后进行数据采集。二值化处理的方法很多，常用的有固定阈值法、浮动阈值法和微分法。本设计中采用固定阈值法，它是一种最简便的二值化处理方法。将CCD输出的视频信号送入电压比较器的通向输入端，比较器的反向输入端加可调的电平就构成了如图4-4所示的固定阈值二值化电路。图4-4 固定阈值二值化处理当CCD视频信号的幅度稍稍大于阈值电压（电压比较器反向输入端的电位）时，电压比较器输出为高电平；视频信号小于等于阈值电压时，电压比较器输出为低电平。CCD视频信号经电压比较器后输出的是二值化方波信号。调节阈值电压时，方波的前、后将发生移动，脉冲的宽度发生变化，当CCD视频信号输出含有被测图像尺寸的信息时，可以适当的调节阈值获得方波脉冲宽度与图像尺寸的精确关系。在使用这种方法时要确保光源的稳定，本系统中采用He-Ne激光作光源。4.3 本章小结驱动电路在CCD应用中有非常重要的作用，由第3章介绍的内容选用了传感器TCD142D CCD，本章设计了基于TCD142D CCD的时序发生器和驱动电路，并选用二值化中固定阈值法处理视频信号，这个方法简单且处理速度快，从而达到高速处理和低设计成本的目的。结论