声光效应线阵ccd测试仪毕业论文.doc

声光效应线阵ccd测试仪毕业论文声光效应线阵ccd测试仪毕业论文摘 要本论文在探讨CCD的基本结构、工作原理、信号处理及其在光电传感器中的应用的基础上，对光电检测技术，特别是基于线阵CCD的特征标志光电检测技术进行了较为广泛和深入的理论研究。本设计是现代检测技术中光电检测的应用，对声光效应和图像传感器有机结合的一套测试仪。传统光电检测技术己难以满足检测要求。因此，特征标志光电检测技术的理论研究及应用研究具有一定学科前沿性，同时，也具有重要和广泛的实际应用前景。本测试仪包括以下几个部分：1、半导体激光发生器，2、超声波发生器，3、线阵CCD器件，4、电路部分，5、数据采集系统，6、计算机系统。半导体激光器产生激光通过受超声波扰动的介质后发生衍射，衍射光进入线阵CCD器件转化为电信号，电信号经过放大处理和A/D 转化后输入到单片机中，最后经过USB100输入到计算机系统进行数据处理。关键词：声光效应，线阵CCD，光电检测, 半导体激光发生器AbstractThis thesis focuses on the photoelectric testing technology, especially the technology on the characteristic symbol of linear CCD on the base of deep discussing on the structure and principle of CCD、the signal processing and the application of the photoelectric sensor. This design which is the application of modern photoelectric testing technology is the measuring instrument on synthesizing of the acousto-optic effect and the image sensor. The fundamental and applied research on the characteristic symbol photoelectric testing technology is certainly on the leading edge of the discipline because that it is hard for traditional photoelectric testing technology to satisfy the testing request. Simultaneously，it also has the important and widespread practical application prospect. This measuring instrument mainly includes several parts: 1、Semiconductor laser generator，2、ultrasonic generator, 3、linear CCD, 4、electric circuit parts, 5、data acquisition system , 6、computer system. The laser which produced by the Semiconductor laser generator creates diffraction after receiving the supersonic wave disturbance in the medium. The diffraction light transforms to the electrical signal by entering the linear CCD. The electrical signal enters in the monolithic integrated circuit after enlargement processing and transforming by the A/D transformation component. Finally, the signal inputs to the computer system through USB100 for data processing.Key words: acousto-optic effect, linear CCD, photoelectric testing technology, Semiconductor laser generator目录摘 要IABSTRACTII目录III第一章 绪论11.1引言11.2课题研究的背景和意义21.3国内外研究现状及发展趋势21.4 本设计的目的及内容3第二章 测试系统的设计52.1测试系统总体描述52.1.1测试系统基本原理52.1.2声光效应线阵CCD测试仪52.2光源的选择62.3声光效应与声光调制72.3.1声光效应原理72.3.2声光效应分类92.3.3声光调制器102.4 CCD检测技术112.4.1 CCD的组成部分112.4.2 CCD的工作原理122.4.3 CCD的基本特性参数152.4.4 CCD器件的选择16第三章 测试硬件电路系统253.1 信号处理电路253.2数据采集系统283.3 TLC2543 串行A/D 转换器283.3.1 TLC2543C简介283.3.2 TLC2543C的主要性能293.3.3 TLC2543C的转换过程293.4 USB通讯模块30第四章 测试系统软件设计32第五章 实验数据记录及处理34总结和展望38参考文献39致 谢40附录4139第一章 绪论 1.1引言电荷祸合器件(CCD，Char罗CoupledDeviee)是一种以电荷包的形式存储和传递信息的半导体器件，它是由美国贝尔实验室的W.5.Byoel和GE.smiht在 1970年前后发明的。它经历了以研究为主的发展阶段，在五年左右的时间内，建。立了以一维空阱模型为基础的CCD基本理论，这个理论与实验结果大致相符，满足了指导器件进一步发展的需要。与此同时，依靠成熟的MOS集成电路工艺，CCD迅速从实验室走向了市场。CCD在影像传感、信号处理和数字存储等三大领域中的广泛应用，充分显示出它的巨大潜力，在微电子学技术中独树一帜。CCD已被普遍认为是七十年代以来出现的最重要的半导体器件之一。和同样功能的电真空器件相比，CCD作为一种自扫描式光电接收器件，它有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。因此它在科研、教育、医学、商业、工业、军事及消费等诸多领域都得到了广泛应用，已经成为图像采集及数字化处理必不可少的器件。信息时代离不开语言、文字、图像的实时获取与交流。如果把多媒体、各种网络和信息高速公路作为一个整体，那么CCD是它们的眼睛，是全球实时信息技术的关键器件。当前我们的CCD生产技术相对较弱，也缺乏一种完善的测试、评价CCD性能的系统。而CCD的种类越来越多，应用越来越广，如何正确地选择和使用CCD是我们所要面对的问题。根据我们的调查，还没有发现国内关于如何测试和评价CCD性能方面的研究结果。随着科学技术的飞速发展和工业生产自动化程度的提高，高精度，高效率，非接触在线检测已成为检测行业的发展方向。它可以大大地解放劳动力，达到提高生产效率和产品质量、降低成本地目的。CCD伴随着计算机技术地迅速发展，在国防及民用工业等部门引起了人们的极大关注，尤其是CCD所具有的体积小、重量轻、结构简单、功耗低、便于数字化等一系列优点，更使其在检测方面的应用越来越广泛。光电传感器技术是未来探测技术的发展方向。综合利用近代各种先进技术，采用光电方法对各种光的、非光的物理量进行检测是光电检测技术的基本内容。其基本组成部分为:光源(投光器)、被检测对象及光信号的形成、光信号的匹配处理、光电转换、电信号的放大与处理、微机、控制系统和显示等部分,如图1-1所示：图1-1 光电检测系统框图1.2课题研究的背景和意义研究基于 CCD的扫描技术的意义在于，它能快速方便地将真实世界的彩色信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为将实物数字化提供了一种手段。如果说我们这个时代的特征是数字化生存，那么，信息数字化技术无疑是这种“生存”的基本前提条件之一。扫描能将真实世界的彩色信息数字化，其对于数字化时代的重要性是不言而喻的。 本研究课题结合学科发展趋势和实际应用需求，提出研究声光效应线阵CCD应用、信号放大处理、A/D装换和计算机处理等关键技术，开发了声光效应线阵CCD测试实验系统，并应用于实际中。因此，本研究课题具有学术研究意义、技术开发价值和产品应用前景。现今，多科学的交叉、融合己是现代科学发展的突出特色和必然途径，CCD图像扫描、处理科学无论是在理论上还是在实践上都存在着巨大的潜力。它的发展将向着高速、高分辨率、立体化、能化和标准化的方向发展。1.3国内外研究现状及发展趋势 自从1969年，美国贝尔实验室Boyle和Smith利用当时已发展得很好的硅技术研制成第一个CCD以来，依靠业已成熟的MOS集成电路工艺，CCD技术得以迅速发展。CCD是一种以电荷量表示光量大小，用祸合方式传输电荷量的器件，具有自动扫描、动态范围大、光谱响应范围宽、体积小、功耗低、寿命长和可靠性高等一系列优点。CCD的基本功能是电荷的存贮和电荷的转移，因此，CCD的基本作原理是信号电荷的产生、存贮、传输和检测。从结构上，CCD可分为线阵CCD和面阵CCD两种，后者主要用于摄取图像，而前者作为一种高灵敏光电传感器在生产线上大量应用于产品外形尺寸非接触测量、分类、表面质量评定和精确定位等。线阵CCD器件是由阵列光敏元曝光一定时间后在相应驱动脉冲作用下，信号电荷转移至移位寄存器，由移位寄存器一位一位地将其输出，从而得到所需的光电信息。线阵CCD灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作与维护方便、成本低廉，在工业生产线上，已广泛用于产品外部尺寸非接触检测、控制和分类、自动化及机器人视觉中的精确定位等技术领域。近10年来，CCD的用量以每年20%的速度递增。从1989年日本出版的技术市场杂志获悉，世界上己把CCD列为未来10年可能增益100倍的高技术产品。据国外专家统计，1987年CCD世界市场规划为16亿美元，而实际上1997年为50亿美元，1998年为65亿美元。CCD传感器正沿着提高自身综合性能的方法发展。CCD伴随着计算机技术地迅速发展，在国防及民用工业等部门引起了人们的极大关注，尤其是CCD所具有的体积小、重量轻、结构简单、功耗低、便于数字化等一系列优点，更使其在检测方面的应用越来越广泛。光电传感器技术是未来探测技术的发展方向。综上所述，本论文课题的理论研究应用研究具有一定科学前沿性，同时，也具有重要和广泛的实际应用前景。 1.4 本设计的目的及内容 本研究课题结合学科发展趋势和实际应用需求，在参考大量文献和剖析实际应用领域的CCD数据采集系统的基础上，着眼于基于线阵CCD扫描技术的声光效应测试仪器的研究。主要研究内容：(1)研究光电检测技术，在深入了解CCD、特别是线阵CCD及其传感器的基本工作原理，驱动方式和特点的基础上，对其在线性光电扫描技术中的应用及与其他应用技术的结合方法进行研究。(2) 研究声光效应的基本原理，并对声光效应进行初步了解和探讨。通过分析选择合适的与CCD相匹配的组成器件。(3) 深入研究线阵CCD智能检测方法。依据欲选用的线阵CCD,提出在CCD信号采集、二值化及结果显示等方面的思路和方法，实现初步的图像检测。(4)设计制作出线阵CCD扫描装置，并开发设计出一套线阵CCD图像检测系统，为线阵的CCD图像扫描技术与其他测试系统结合提供一个平台。 第二章 测试系统的设计2.1测试系统总体描述2.1.1测试系统基本原理本设计研究的主要是基于声光效应线阵CCD测试仪的测试系统，其基本原理如图: 图2-1 测试系统基本原理示意图该测试系统利用光通过某一受超声波扰动的介质发生的衍射现象，用线CCD图像传感器将激光的衍射条纹转换成电信号，再通过低通滤波处理、信号放大、A/D数据采集后，送入计算计进行相应数据处理和分析。2.1.2声光效应线阵CCD测试仪声光效应线阵CCD测试仪主要有以下几个部分组成：激光发生器、超声波发生器、声光器件，线阵CCD，如图2.2：声光功率信号源激光器转角平台光强分布测量仪频率计USB采集盒接计算机 图2-2 声光效应线阵CCD测试仪示意图2.2光源的选择通常情况下，使用激光作为传感器的光源，主要是因为激光具有如下的特性：1、高定向性：激光光束发散角小，可以集中在狭窄的范围内，向特定方向发射。2、高单色性：激光光束的单色性好，谱线频带窄，因此，在测试系统中使用时，可以通过滤色等手段，有效滤除和减少测量过程中环境杂散光对于系统的影响。3、高辐射密度：激光光束能量集中，即使功率很小的激光发射器，其光强也足够用于测量，保证了测量系统的安全性。激光器基本上是由激光工作物质、激励（泵浦）系统和光学共振腔组成。激光工作物质是激光器的核心，可以为固体（如红宝石）、气体（如He-Ne 气体、CO2）、半导体（如砷化镓）等，它在外能作用下，具有粒子数反转的特性。激励系统是将能量输入工作物质，使其实现粒子数反转，常用的有光泵、气体放电激励、化学反应激励、热激励等。光学共振腔的作用是提供光学反馈能力，以形成受激发射的持续振荡，并对振荡光束的方向和频率进行限制，保证输出激光的高定向性和高单色性。激光器的种类很多，迄今为止已有好几百种，在光电检测技术中，He-Ne 气体激光器和半导体激光器用的最多，因此下面对这两种激光器做一下简要介绍。1、 He-Ne 气体激光器He-Ne 激光器具有连续输出激光的能力，输出幅度和频率较稳定，激光波长有632.8nm、1.15m 和3.39m 三种12。工作电源一般可以采用稳定的直流，工频或射频交流，在精密测量中，采用直流稳压电源，以获得稳定的激光。它输出的激光光束的相干性和方向性很强，居各类激光器之首。但是，He-Ne 激光器发光效率低，与其他光源相比，需要的电压较高，电源较复杂，体积也较大。2、 半导体激光器半导体激光器是一种注入式电致发光器件，不但单色性好、方向性强、发散角小、能量高度集中，而且体积小、重量轻、结构简单、抗震性强、发光效率高，并可通过选择不同材料获得不同频率的激光。但是，半导体激光器对电流要求比较高，受电源波动影响较大。综上所述，虽然He-Ne 激光器准直性好，发散角小，光斑受距离影响小，可以保证长距离测量时光斑不受距离影响，保证了测量精度。但是He-Ne 激光器体积大，且预热时间长，发光效率差，操作不便，可供选择激光波长少，不能根据CCD 的响应灵敏度进行选择。半导体激光器同样具有准直性好，发散角小的优点，而且体积小、结构简单、抗震性强、发光效率高，激光波长多，所以比He-Ne 激光器更适合作为激光三角测距传感器的光源。我们所选用的激光器为半导体激光器。2.3声光效应与声光调制 2.3.1声光效应原理光通过某一受到超声波扰动的介质发生的衍射现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。有超声波传播的介质如同一个位相光栅。用正弦高频功率信号源驱动一声光晶体，在晶体中往返传输的超声波相互叠加形成驻波。激光通过这个晶体时将会发生衍射现象。通过观察和测量,由声光相互作用的机理可推算出晶体中的声速、也可研究驱动电压功率与衍射效率的关系、光的偏振特性、调制频率与驱动频率的关系与及空气中的光速。设声光介质中的超声波是沿Y方向传播的平面纵波，其角频率为 ，波长为，波矢为k。入射光为沿x方向传播的平面波，其角频率为w，波长为波矢为k。介质内的弹性应变也以行波形式随声波一起传播。由于光速大约是声波的倍，在光波通过的时间介质在空间上的周期变化可看成是固定的。由于应变而引起的介质折射率的变化由下式决定: (2-1)式中，n为折射率，S为应变，P为光弹系数。通常，P和S为二阶常量，当声波在各向同性介质中传播时，P和S可作为标量处理。如前所述，应变也以行波形式传播，所以可写成: (2-2)当应变较小时，折射率作为Y和t的函数可写作: (2-3)式中，为无超声波时介质折射率， 为声致折射率变化的幅值，由(21)式可求出 (2-4)当声光作用的距离满足，而且光束相对于超声波波面以一角度斜入射时，在理想情况下除了0级之外，只出现1级或者一1级衍射，如图2-3所示。图2-3布拉格衍射这种衍射与晶体对X光的布拉格衍射很类似，故称为布拉格衍射。能产生这种衍射的光束入射角称为布拉格角。此时的有超声波存在的介质起体光栅的作用。可以证明 ，布拉格角满足 (2-5)式中(2-5)称为布拉格条件。因为布拉格角一般都很小，故衍射光相对于入射光的偏转角为: (2-6)式中，v、为超声波波速，人为超声波频率。在布拉格衍射的情况下，一级衍射光的衍射效率为: (2-7) 式中，为超声波功率，L和H为超声换能器的长和宽。为反映生光介质本身性质的一个常数。，为介质密度，P为光的弹性系数。在布拉格条件下，m级衍射光的频率为: （m =0或m =） (28)2.3.2声光效应分类声光效应可根据具体情况依照不同方法进行分类。主要的分类方法包括按入射光和衍射光的偏振特性分类，按声光互作用长度分类，按声光器件用途分类三种。（1）按入射光和衍射光的偏振特性分类根据入射光和衍射光的偏振态，声光效应可分为正常和反常两大类。正常声光效应中入射光与衍射光的偏振态相同，它们在同一介质中的折射率相同;而反常声光效应中入射光与衍射光的偏振态不同，它们在同一介质中的折射率不同。对于正常声光效应，衍射光的偏振方向与入射光相同，因而折射率也相同；对于反常声光效应，衍射光的偏振方向与入射光不同，因而折射率也不同。本设计采用的是声光调制器属于正常声光效应的应用。（2）按声光互作用长度分类根据声光互作用区域的长度，声光效应可分为布拉格声光效应和喇曼一奈声光效应。布拉格声光效应:当超声波频率比较高(一般在20MHz以上)时，声光互作用区域比较长的情况下，除零级光外，只产生一级衍射光。声光介质相当于体光栅，对入射光方向要求严格。对于正常声光器件只有满足布拉格方程方向的入射光可通过介质产生衍射;对于反常声光器件只有满足狄克逊方程的入射光可通过介质产生衍射.声光介质相当于体相位光栅，介质内折射率会产生一定分布。喇曼一奈斯声光效应:在声光互作用长度比较短时，声光介质对入射光的作用相当于一个平面位相光栅，声光互作用区域短，对入射光方向要求不严格，能产生多级衍射光.每级衍射光强度均很低。（3）按声光器件用途分类声光偏转器是用来控制激光束的偏转方向的。可分为扫描式偏转器和飞点式偏转器两类。声光调制器是利用一定频率的振幅来调制激光强度的。其工作原理是驱动电信号频率不变，振幅是随待传输信号变化的(待传输信号可以是视频，也可以是音频)。载频或射频是高频，与声光器件的工作频率是一致的，用这样的信号来驱动声光器件，可使衍射光强随待传输信号而变化。声光调制器的应用非常广泛，如:光斩波器、激光打印机、彩色扫描仪、声光光开关以及多元驱动等等。声光滤光器是一种根据各向异性介质中的声光衍射原理而工作的电调谐滤光器。可以把入射白光中所需要的单色光的波长滤出来，声光滤光器的突出特点是光谱分辨力高、角度孔径大，速度快，比机械式的滤光器方便得多。其驱动电信号幅度不变，频率是跳变的，类似于飞点式偏转器.2.3.3声光调制器声光调制器是声波和光波相互作用的一种调制方法。当声波在介质中传播时，会引起介质密度周期性地疏密变化，从而导致介质的介电系数及折射率的周期性变化。而介质折射率随超声波信号的变化，又会影响光在介质中的传播特性，光的强度、撷率等参数随超声波信号的变化而变化.声光调制器A由驱动源(产生频率为f的超声波)、转换器和超声波介质(晶体)等组成。其工作原理是利用声光效应，即使超声波通过转换器在介质中传播引起介质折射率的周期性变化而产生类似于运动位相光栅的效应(这时光栅常数八等于超声波波长)，因此当频率为的激光束以布拉格角入射到声光调制器A上时，此时会产生频率为的0级和频率为的+1级衍射光，如图2-4所示。图2-4 声光调制器结构原理（1）驱动源 （2）转换器 （3）超声波介质由式（26） =2 （29）式中为布拉格角，为超声波在介质中的传播速度。2.4 CCD检测技术近年来，光电耦合器件CCD(Charge Coupled Device)在光学图像测量系统中的运用相当普遍，当被测对象的光信息通过光学系统，在CCD的光敏面上形成光学图像后，CCD器件把光敏元上的光信息转换成与光强成比例的电荷量，用一定频率的时钟脉冲对CCD进行驱动，在CCD的输出端可获得被测对象的视频信号。CCD摄像机具有体积小、重量轻、功耗低、噪声小、可靠性高、无烧伤现象、不怕振动、光谱响应宽、输出线性好等一系列显著的优点。由于上述优点，利用图像测量技术实现几何量测量，不仅可能而且在一定场合下具有优势。如何在现有条件下提高检测精度与速度成几何量测量领域的一个研究热点。2.4.1 CCD的组成部分CCD是在MOS晶体管电荷存贮器的基础上发展起来的，故有人把它说成是“排列起来的MOS电容器阵列”;或者更直接地把它说成是“一种在源极与漏极之间密布着许多栅极、沟道极长的MOS晶体管，即多栅MOS晶体管，即多栅MOS晶体管，如图2-5所示 图2-5 CCD结构示意图CCD的典型结构及其各部分的命名如图2-3所示。CCD由三部分组成:(1)主体部分，即信号电荷转移部分，实际上是一串紧密排布的MOS电容器，它的作用是存贮和转移信号电荷。(2)输入部分，包括一个输入二极管和一个输入栅，它的作用是将信号电荷引入CCD的第一个转移栅的势阱中。(3)输出部分，包括一个输出二极管和一个输出栅，它的作用是将信号电荷引出CCD的转移栅的到二极管，然后由引线输出。CCD的单元结构如下图所示 图2-6 CCD单元与线阵列结构的示意图a) CCD单元 b) CCD线阵列2.4.2 CCD的工作原理CCD（Charge Coupled Device）电荷耦合器件，自1970 年由美国贝尔实验室的Willard Boyle 和George Smith 提出后，随着半导体微电子技术的发展也得到了惊人的发展。CCD 技术之所以能如此迅速发展，是因为CCD 器件具有许多独特的优点： CCD 器件是一种固体化器件，体积小，重量轻，功耗低，可靠性高，寿命长； 图像畸变小，尺寸重现性好； 具有较高的空间分辨率，光敏元间距的几何尺寸精度高，可获得较高的定位精度； 具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。典型的CCD 图像传感器的结构如图2-7 所示，是由一列光敏元阵列和与之平行的位移寄存器构成的。在光敏元阵列与位移寄存器之间，有一列转移栅，控制电荷由光敏元转移到位移寄存器。图2-7-a 图所示的是单列位移寄存器结构，2-7-b 是双列寄存器结构。采用两列移位寄存器，可以提高电荷的转移速度，进一步减小图像信息的失真。(a) 单行结构 (b) 双行结构图2-7 线阵型CCD 图像传感器CCD 是一种MOS 结构的新型器件，由金属（M）氧化物（O）半导体（S）三层组成一个MOS 电容。将这些MOS 电容以一定间隔排列后，如图2-8 所示，为三个相邻的MOS 结构。当半导体材料为P 型硅时，如在1、3 两个金属电极上施加适当的正电压V，在电极2 上加上正电压V，少数载流子电子被吸收到电极下的区域内。当VV，则在电极2 下面形成较深的耗尽区，从而形成电荷包。电压维持时，电荷也保持不变。把电极连成三组，构成三相CCD。当加驱动脉冲，则以使电极下存储的电荷朝一定方向移动，实现了电荷的转移。由上述CCD 的构造，可以归纳出P 型硅衬底CCD 的工作过程分为以下三步： 电荷存储当在金属电极加一正向电压时，在硅衬底中形成耗尽区，称为势阱。势阱的深度与栅极电压以及势阱内是否存有电荷有关。当光入射到耗尽区时，因内光电效应将产生光生电子空穴对，在耗尽区电场作用下，空穴流入衬底底部，电子则积存于半导体表面。这样，势阱中有一定量的电荷，且势阱中积存的电荷量与入射光强度成正比（CCD 饱和情况除外）图2-8 电荷存储示意图 电荷转移如图2-9 所示，左图为电荷转移的过程，右图为驱动脉冲时序。半导体表面势阱的大小随栅极电压变化而变化。调整相邻电极间的电压，可以使得一个电极下的势阱比另一个深，则电荷会流向势阱深的电极下，则实现了电荷按照驱动脉冲的顺序进行转移。图2-9 三相CCD 电荷转移原理示意图 电荷输出电荷的输出主要有三种方式：电流输出；浮置扩散放大器输出；浮置栅放大器输出。这三种方法可以将电荷信号转换为可以方便检测出的电流或电压信号，且电流、电压与电荷之间满足一定的函数关系。线阵CCD 器件的像元数越多，器件的分辨率也越高，对于尺寸的测量，采用高位数光敏元件的线阵CCD 器件，可以得到较高的测量精度。2.4.3 CCD的基本特性参数(1) 电荷转移效率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与原来势阱中的电荷之比称为转移效率。影响电荷转移效率的主要原因是界面态对电荷的俘获常采用胖零工作模式来提高电荷转移效率即让零信号也有一定的电荷。(2) 工作频率f决定工作频率下限，为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一电极到另一个电极所用的时间t必须小于少数载流子的平均寿命T 即t T。工作频率的上限，当工作频率升高时，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，因此要求t=T/3。(3) 光谱响应CCD接受光的方式有正面光照和背面光照两种。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即二氧化硅界面上的多次反射引起某些波长的光产生干涉现象，出现若干个明暗条纹使光谱响应曲线，为此用于摄像或像敏的CCD(简称为ICCD)常采用背面光照射的方法。(4) 动态范围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。CCD势阱中可容纳的最大信号电荷量取决于CCD的电极面积及器件结构(SCCD还是BCCD) ，时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素。(5) 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，然而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电流。暗电流是大多数摄像器件所共有的特性，是判断一个摄像器件好坏的重要标准，尤其是暗电流在整个摄像区域不均匀时更是如此。(6) 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来评价线阵CCD。现在256x1,1024x1,2048x1,5000x1,10550x1等多种。像位数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器件可以得到更高的测量精度。2.4.4 CCD器件的选择CCD电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号CCD，其功能是电荷的存储和电荷的转移因此CCD工作程的主要问题是信号电荷的产生存储传输和检测CCD有两种基本型。一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面并沿界面传输这类器称为表面沟道CCD(简称SCCD) 二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内沿一定向传输这类器件称为体沟道或者埋沟道器件(简称BCCD) 。在本设计中，我们采用TCD1252AP器件。(1) TCD1252AP器件的基本结构CCD是一种光电转换器件，采用集成电路工艺制成。它以电荷包的形式存储和传送信息，主要由光敏单元、输入结构和输出结构等部分组成。下面以线阵CCD为例说明：TCD1252AP器件为2700像敏单元的长阵列器件，采用双沟道结构形式。TCD1252AP的结构如图2-10所示。从结构图可以看出，TCD1252AP是有两个转移栅和两个模拟移位寄存器的双沟道型线阵器件。图2-10 TCD1252AP的原理结构图TCD1252AP的光敏阵列共有2738个光电二极管，其中有38个光电二极管被遮蔽（前边的和后边的），中间的2700个光电二极管为有效的光敏单元。(2) TCD1252AP的外形尺寸图2-11 TCD1252AP外形尺寸TCD1252AP为DIP22封装形式的双列直插型器件，外形尺寸如图2-11所示。器件的外形尺寸总长为41.6mm,宽9.65mm，高7.22mm；器件的光敏单元总长为29.7mm；光敏单元（像敏面）距离器件表面玻璃的距离为1.72mm，表面玻璃的厚度为（0.70.1）mm。这些参数对于实际应用都是很重要的。而且，器件的外形尺寸与封装尺寸等对于同系列器件基本相同。(3) TCD1252AP的基本工作原理在图2-12中，TCD1252AP的驱动器应产生SH、l、2、RS等4路脉冲，其中转移脉冲的周期远远大于其他4路脉冲的周期。l、2为像素脉冲，两者互为反相，RS为复位脉冲SH为光积分脉冲，OS为像元输出，DOS为像元补偿输出。当SH为低电平时，在1、2交变后，OS输出像元电压信号，随后发RS脉冲，以便去掉信号输出缓冲中的残余电荷，为下一点像素电压输出做准备。 (4) TCD1252AP的特性如TCD1252AP的驱动脉冲波形图所示。转移脉冲SH的高电平期间，驱动脉冲1必须也为高电平，而且必须保证SH的下降沿落在1的高电平上，这样才能保证光敏区的信号电荷并行的向模拟移位寄存器的1电极转移。完成信号电荷的并行转移后，SH变为低电平，光敏区与模拟移位寄存器被隔离。在光敏区进行光积累的同时，模拟移位寄存器在驱动脉冲1和2的作用下，将转移到模拟移位寄存器的1电极的信号电荷向右转移，在输出端得到被光强调制的序列脉冲输出，如图2-12中的OS信号。SH的周期称为行周期，行周期应大于等于2750个转移脉冲1的周期T1。只有行周期大于2750 T1 ，才能保证SH在转移第二行信号时第一行信号能全部转移出器件。当SH由高变低时，OS输出端便开始进行输出。如图2-12所示，OS端首先输出13个虚设单元的信号（所谓虚设单元是没有光电二极管与之对应的CCD模拟寄存器的部分），然后输出24个哑元（哑元是指被遮蔽的光电二极管与之对应的CCD模拟寄存器的部分产生的信号），再输出3个信号（这3个信号可因光的斜射而产生电荷信号的输出，但这3个信号不能被作为信号处理）后才能输出2700个有效的像敏单元信号。有效像敏单元信号输出后，再输11个哑元信号（其中包括1个用于检测1个周期结束的检测信号）。这样，1个行周期中共包括2750个单元，行周期应该大于等于这些单元输出的时间（即大于等于2750T1）。图2-12 TCD1252AP驱动脉冲波形图2-12 TCD1252AP驱动脉冲波形1、光谱响应特性TCD1252AP的光谱特性曲线如图2-13所示。光谱响应的峰值波长为550nm，短波响应在400nm处大于70%（实践证明该器件在300nm处仍有较好的响应），光谱响应的长波限在1100nm处响应范围远超过了人眼的视觉范围。图2-13 TCD1252AP光谱响应曲线该器件像敏单元不均匀性的典型值为3%，像敏单元不均匀性的定义有两种:一种定义为在50%饱和曝光量的情况下各个像敏单元之间输出信号电压的差值U与各个像敏单元输出信号均值电压U之比的百分数，即另一种用PRNU(V)表示，定义为5%饱和曝光量情况下的相邻像素输出电压的最大差值。2、灵敏度线阵CCD的灵敏度参数定义为单位曝光量的作用下器件的输出信号电压， R= (2-10)公式中为线阵CCD输出的信号电压，为光明面上的曝光量。3、动态范围动态范围定义为饱和曝光量与信噪比等于1时的曝光量之比。但是，这种定义方式不容易计量，为此常采用饱和输出电压与暗信号电压之比代替，即 = （211）式中，为CCD的饱和输出电压，为CCD没有光照射时的输出电压（暗信号电压）。TCD1252AP的其他特性参数如表2-1所示。由表中可以看出，他是一种性能优良的线阵CCD器件。表2-1 TCD1252AP的特性参数特性参数参数符号最小值典型值最大值单位备注灵敏度R446382V(lx.s)像敏单元的不均匀性PRNU