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第第6 6章章 光电成像器件概述光电成像器件概述 v掌握内容掌握内容掌握光电成像器件的基本分类，工作原理及特性参数掌握光电成像器件的基本分类，工作原理及特性参数掌握电荷耦合器件（掌握电荷耦合器件（CCDCCD）的工作原理，主要性能及）的工作原理，主要性能及使用要点使用要点v理解内容理解内容自扫描光电二极管阵列的工作原理，主要性能及使用自扫描光电二极管阵列的工作原理，主要性能及使用要点要点v了解内容了解内容了解真空摄像管的基本工作原理和特性了解真空摄像管的基本工作原理和特性第第6 6章章 主要内容主要内容6.16.1光电成像器件概述光电成像器件概述6.26.2真空摄像管真空摄像管6.36.3电荷耦合器件电荷耦合器件6.46.4自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列 光电成像器件是指能输出图像信息的一类器件，光电成像器件是指能输出图像信息的一类器件，它包括真空成像器件和固体成像器件两大类。它包括真空成像器件和固体成像器件两大类。真空成像器件根据管内有无扫描机构粗略地分为真空成像器件根据管内有无扫描机构粗略地分为像管和摄像管，像管的主要功能是能把不可见光（红像管和摄像管，像管的主要功能是能把不可见光（红外或紫外）图像或微弱光图像通过电子光学透镜直接外或紫外）图像或微弱光图像通过电子光学透镜直接转换成可见光图像，如变像管、像增强器、转换成可见光图像，如变像管、像增强器、X X射线像射线像增强器等。摄像管是一种把可见光或不可见光（红外、增强器等。摄像管是一种把可见光或不可见光（红外、紫外或紫外或X X射线等）图像通过电子束扫描后转换成相应射线等）图像通过电子束扫描后转换成相应的电信号，通过显示器件再成像的光电成像器件。的电信号，通过显示器件再成像的光电成像器件。固体成像器件不象真空摄像器件那样需用电子束固体成像器件不象真空摄像器件那样需用电子束在高真空度的管内进行扫描，只要通过某些特殊结构在高真空度的管内进行扫描，只要通过某些特殊结构或电路（即自扫描形式）读出电信号，然后通过显示或电路（即自扫描形式）读出电信号，然后通过显示器件再成像。器件再成像。第第6 6章章 光电成像器件光电成像器件6.1 6.1 光电成像器件概述光电成像器件概述光电成像器件的类型光电成像器件的类型光电成像器件概述光电成像器件概述图图6-2 6-2 光导电视摄像管光导电视摄像管 图图6-3 6-3 图像各部分顺序传送过程图像各部分顺序传送过程 成像原理成像原理光电成像器件概述光电成像器件概述 光谱响应取决于光电转换材料的光谱响应，光谱响应取决于光电转换材料的光谱响应，其短波限有时受窗口材料的吸收特性影响。其短波限有时受窗口材料的吸收特性影响。光谱响应光谱响应光电成像器件的基本特性光电成像器件的基本特性转换特性通常被定义为光电成像器件的输出转换特性通常被定义为光电成像器件的输出物理量与对应物理量的比值关系。转换特性物理量与对应物理量的比值关系。转换特性的参量有灵敏度（或响应度）、转换系数及的参量有灵敏度（或响应度）、转换系数及亮度增益等。亮度增益等。转换特性转换特性光电成像器件的基本特性光电成像器件的基本特性分辨率是用来表示能够分辨图像中明暗细节分辨率是用来表示能够分辨图像中明暗细节的能力。分辨率常用二种方式来描述：一种的能力。分辨率常用二种方式来描述：一种为极限分辨率；另一种为调制传递函数。分为极限分辨率；另一种为调制传递函数。分辨率有时也称为鉴别率或解像力等。辨率有时也称为鉴别率或解像力等。分辨率分辨率光电成像器件的基本特性光电成像器件的基本特性 真空摄像管的种类很多。按其光敏真空摄像管的种类很多。按其光敏面光电材料的光电效应来分，可分为外面光电材料的光电效应来分，可分为外光电效应与内光电效应两大类。光电效应与内光电效应两大类。6.2 6.2 真空摄像管真空摄像管基本原理基本原理真空摄像管真空摄像管性能参数性能参数真空摄像管真空摄像管摄像管的光电转换特性摄像管的光电转换特性光谱响应光谱响应时间响应特性时间响应特性 输出信噪比输出信噪比 动态范围动态范围 图像传递特性图像传递特性 光光导导摄摄像像管管出出现现于于2020世世纪纪6060年年代代,以以后后性性能能得得到到很很大大改改善善,广广泛泛应应用用于于电电视视摄摄像像等等方方面面。作作为为摄摄像像装装置置,必必须须有有三三个个功功能能:把把图图像像的的像像素素图图转转换换为为相相应应电电荷荷图图的的功功能能，把把电电荷荷图图暂暂存存器器起起来来的的功功能能和和把把各各个个像像素素依依次次读出的功能。光导摄像管就具备这三个功能。读出的功能。光导摄像管就具备这三个功能。光导摄像管光导摄像管真空摄像管真空摄像管图图1 1 光导摄像管的结构和等效电路光导摄像管的结构和等效电路 在真空管的前屏幕上设置有光电导膜和透明导电在真空管的前屏幕上设置有光电导膜和透明导电膜的阵列小单元。由电子枪射出的电子经电子透镜聚膜的阵列小单元。由电子枪射出的电子经电子透镜聚焦成电子束射向光电导膜。通过电子束扫描焦成电子束射向光电导膜。通过电子束扫描,读取储存读取储存在光导电子靶面上的由于入射光的激励所产生的电子在光导电子靶面上的由于入射光的激励所产生的电子图像。图像。(1)光导摄像管的结构光导摄像管的结构真空摄像管真空摄像管 图图1(b)1(b)示示出出了了原原理理性性的的等等效效电电路路。R R与与C C并并联联电电路路代代表表光光电电导导膜膜的的像像素素小小单单元元,并并假假定定为为射射束束的的撞撞击击面面积积。工工作作时时,用用电电子子束束逐逐点点扫扫描描像像素素小小单单元元,把把各各小小单单元元均均充充至至电电源源电电压压V,V,然然后后中中断断。在在光光的的照照射射下下,由由于于光光电电导导效效应应,R,R会会变变小小,C,C则则会会放放电电,电电压压降低。降低。电电压压降降低低的的多多少少与与光光强强成成比比例例,实实现现把把图图像像的的像像素素图图转转换换为为相相应应的的电电荷荷图图,并并把把电电荷荷图图暂暂存存起起来来。当当用用电电子子束束再再次次逐逐点点扫扫描描时时,如如图图1(b)所所示示形形成成闭闭合合电电路路,(电电子子束束)所所放放出出的的电电荷荷量量使使C充充电电。充充电电电电流流大大小小与与小小单单元元电电压压降降低低的的程程度度成成正正比比。充充电电电电流流流流过过负负载载电电阻阻RL,从从而而输输出出与与强强弱弱程程度度不不同同的的光光成成正正比比的的电电压压信信号号。根根据据这这样样的的工工作作原原理理来来扫扫描描二二维维的的光光电电膜膜表表面面,就就可可获获得得二二维维图图像像信信号号,完完成成各各个个像像素素信信号号的的依依次次读读出出。电电子子束束的的偏偏转转有有电电磁磁方方式式和和静静电电方方式式两两种种。为为使使电电子子加加速速必必须须外外加加300600V的电压。的电压。真空摄像管真空摄像管硅靶结构与工作原理硅靶结构与工作原理真空摄像管真空摄像管(2)硅靶视像管硅靶视像管 由于硅靶的量子效率高，在由于硅靶的量子效率高，在0.350.351.11.1 m m的光谱的光谱范围内能有效地工作，因此它是光谱响应最宽的一范围内能有效地工作，因此它是光谱响应最宽的一种视像管，可用于近红外电视种视像管，可用于近红外电视光电发射式摄像管光电发射式摄像管SITSIT管结构原理示意图管结构原理示意图 光电发射式摄像管在结构光电发射式摄像管在结构上和工作原理上与视像管都不上和工作原理上与视像管都不相同，它带有移像部分，将光相同，它带有移像部分，将光电转换和信号存储分开。图像电转换和信号存储分开。图像的光电转换由光电阴极完成，的光电转换由光电阴极完成，存储靶进行光电信号的存储，存储靶进行光电信号的存储，通过电子束扫描拾取信号。通过电子束扫描拾取信号。增强硅靶摄像管简称增强硅靶摄像管简称“SITSIT”(Silicon(Silicon Intensifled Target)Intensifled Target)管，它管，它是在硅靶视像管的基础上发明是在硅靶视像管的基础上发明的。的。真空摄像管真空摄像管 电电 荷荷 耦耦 合合 器器 件件(Charge(Charge Coupled Coupled Devices,Devices,简简称称CCD)CCD)是是贝贝尔尔实实验验室室的的W.S.BoyleW.S.Boyle和和G.E.SmithG.E.Smith于于19701970年年发发明明的的,由由于于它它有有光光电电转转换换、信信息息存存储储、延延时时和和将将电电信信号号按按顺顺序序传传送送等等功功能能,且且集集成成度度高高、功功耗耗低低,因因此此随随后后得得到到飞飞速速发发展展,是是图图像像采采集集及及数数字字化化处处理理必必不不可可少少的的关关键键器器件件,广广泛泛应应用用于于科科学学、教教育育、医医学学、商商业业、工业、军事和消费领域。工业、军事和消费领域。6.3 6.3 电荷耦合器件电荷耦合器件 CCDCCD以电荷作为信号。以电荷作为信号。CCDCCD的工作过程的主的工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。电荷耦合器件电荷耦合器件工作原理工作原理 CCD是按一定规律排列的是按一定规律排列的MOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）电容器组成的阵列。在半导体）电容器组成的阵列。在P型或型或N型硅衬底型硅衬底上生长一层很薄（约上生长一层很薄（约1200）的二氧化硅）的二氧化硅,再在二氧再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅化硅薄层上依次序沉积金属或掺杂多晶硅电极（栅极）极）,形成规则的形成规则的MOS电容器阵列，再加上两端的输电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了入及输出二极管就构成了CCD芯片。芯片。（1）电荷存储）电荷存储CCDCCD的基本结构是的基本结构是MOSMOS结构，它是一种工作在非稳态的器件。以结构，它是一种工作在非稳态的器件。以P P型衬底型衬底MOSMOS结构为例，结构为例，若在栅极上加正电压若在栅极上加正电压,衬底接地衬底接地,则带正电则带正电的空穴被排斥离开的空穴被排斥离开Si-SiO2界面界面,带负电的电子被吸引到紧靠带负电的电子被吸引到紧靠Si-SiO2界面。当电压高到一定值界面。当电压高到一定值,形成对电子而言的所谓势阱形成对电子而言的所谓势阱,电子电子一旦进入就不能复出。电压愈高一旦进入就不能复出。电压愈高,产生的势阱愈深。可见产生的势阱愈深。可见MOS电电容器具有存储电荷的功能。容器具有存储电荷的功能。工作原理工作原理电荷耦合器件电荷耦合器件（2）电荷耦合）电荷耦合 三相电荷的转移过程三相电荷的转移过程工作原理工作原理电荷耦合器件电荷耦合器件 转转移移栅栅实实行行转转移移的的工工作作原原理理是是,t,t1 1时时刻刻1 1是是高高电电平平,于于是是在在电电极极下下形形成成势势阱阱,并并将将少少数数载载流流子子(电电子子)吸吸引引至至聚聚集集在在Si-SiOSi-SiO2 2界界面面处处,而而电电极极、却却因因为为加加的的是是低低电电平平,形形象象地地称称为为 垒垒 起起 阱阱 壁壁。如如 图图（a a）（2）电荷耦合）电荷耦合工作原理工作原理电荷耦合器件电荷耦合器件 t t2 2时时刻刻,1 1的的高高电电平平有有所所下下降降,2 2变变为为高高电电平平,而而3 3仍仍是是低低电电平平。这这样样在在电电极极下下面面势势阱阱最最深深,且且和和电电极极1 1下下面面势势阱阱交交迭迭,因因此此储储存存在在电电极极下下面面势势阱阱中中的的电电荷荷逐逐渐渐扩扩散散漂漂移移到到电电极极下下的的势势阱阱区区。由由于于电电极极上上的的高高电电平平无无变变化化,所所以以仍仍高高筑筑势势垒垒,势势阱阱里里的的电电荷荷不不能能往往电电极极下下扩扩散散和和漂漂移移。如如图图（b b）（c c）(d)(d)所示。所示。（2）电荷耦合）电荷耦合工作原理工作原理电荷耦合器件电荷耦合器件 t t3 3时时刻刻,1 1变变为为低低电电平平,2 2为为高高电电平平,这这样样电电极极下下面面的的势势阱阱完完全全被被撤撤除除而而成成为为阱阱壁壁,电电荷荷转转移移到到电电极极下下的的势势阱阱内内。由由于于电电极极下下仍仍是是阱阱壁壁,所所以以不不能能继继续续前前进进,这这样样便便完完成成了了电电荷荷由由电电极极1 1下下转转移移到到电电极极2 2下下的的一一次次转移转移,如图如图(e)(e)所示。所示。（2）电荷耦合）电荷耦合工作原理工作原理电荷耦合器件电荷耦合器件 图图2 2中中所所示示为为6464位位CCDCCD结结构构。每每个个光光敏敏元元（像像素素）对对应应有有三三个个相相邻邻的的转转移移栅栅电电极极1 1、2 2、3,3,所所有有电电极极彼彼此此间间离离得得足足够够近近,以以保保证证使使硅硅表表面面的的耗耗尽尽区区和和电电荷荷的的势势阱阱耦耦合合及及电电荷荷转转移移。所所有有的的1 1电电极极相相连连并并施施加加时时钟钟脉脉冲冲1 1,所所有有的的2 2、3 3也也是是如如此此,并并施施加加时时钟钟脉脉冲冲2 2、3 3。这三个时钟脉冲在时序上相互交迭。这三个时钟脉冲在时序上相互交迭,如图如图3 3所示。所示。图图2 CCD2 CCD芯片的构造芯片的构造 （2）电荷耦合（图示电荷耦合过程）电荷耦合（图示电荷耦合过程）电荷耦合器件电荷耦合器件图图3 3 三个时钟脉冲的时序三个时钟脉冲的时序电荷耦合器件电荷耦合器件图图4 4 完成一次转移的过程完成一次转移的过程 电荷耦合器件电荷耦合器件 CCDCCD也也可可在在输输入入端端用用电电形形式式输输入入被被转转移移的的电电荷荷,或或用用以以补补偿偿器器件件在在转转移移过过程程中中的的电电荷荷损损失失,从从而而提提高高转转移移效效率率。电电荷荷输输入入的的多多少少,可可用改变二极管偏置电压用改变二极管偏置电压,即改变即改变G Gi i来控制。来控制。CCDCCD输输出出经经由由输输出出二二极极管管。输输出出二二极极管管加加反反向向偏压的大小由输出栅控制电压偏压的大小由输出栅控制电压G G0 0来控制。来控制。电荷耦合器件电荷耦合器件CCDCCD的的输输入入实实际际上上是是对对光光信信号号或或电电信信号号进进行行电电荷荷取取样样，并并把把取取样样的的电电荷荷存存储储于于CCDCCD的的势势阱阱中中，然然后后在在时时钟钟脉脉冲冲的的作作用用下下，把把这这些些电电荷荷转转移移到到CCDCCD的的输输出出端端。信信号号的的输输入入有有光光注注入入和和电电注注入入两两种种方方式式。CCDCCD作作摄摄像像光光敏敏器器件件时时，其其信信号号电电荷荷由由光光注注入入产产生生。器器件件受受光光照照射射时时，光光被被半半导导体体吸吸收收，产产生生电电子子-空空穴穴对对，这这时时少少数数载载流流子子被被收收集集到到较较深深的的势势阱阱中中。光光照照愈愈强强，产产生生的的电电子子-空空穴穴对对愈愈多多，势势阱阱中中收收集集的的电电子子也也愈愈多多，反反之之亦亦然然。就就是是说说，势势阱阱中中收收集集的的电电子子电电荷荷的的多多少少反反映映了了光光的的强强弱弱，从从而而可可以以反反映映图图像像的的明明暗暗程程度度，这这样样就就实实现现了了光光信信号号与与电电信信号号之之间间的的转转换。换。（3）电荷的注入和检测（输入和输出）电荷的注入和检测（输入和输出）电荷耦合器件电荷耦合器件光注入电荷光注入电荷Q QIPIP为为为材料的量子效率；为材料的量子效率；q q为电子电为电子电荷量；荷量；为入射光的光子流速为入射光的光子流速率；率；A为光敏单元的受光面积；为光敏单元的受光面积；T0为光注入时间。为光注入时间。电荷的注入（电荷的注入（光注入）光注入）光照射到光敏元上光照射到光敏元上,会产生电子会产生电子-空穴对（光生电荷）空穴对（光生电荷）,电子被吸引电子被吸引存储在势阱中。入射光强则光生电荷多存储在势阱中。入射光强则光生电荷多,弱则光生电荷少弱则光生电荷少,无光照的无光照的光敏元则无光生电荷。这样就在转移栅实行转移前光敏元则无光生电荷。这样就在转移栅实行转移前,把光的强弱变把光的强弱变成与其成比例的电荷的数量成与其成比例的电荷的数量,实现了光电转换。若停止光照实现了光电转换。若停止光照,电荷在电荷在一定时间内也不会损失一定时间内也不会损失,可实现对光照的记忆。可实现对光照的记忆。电荷耦合器件电荷耦合器件电荷的检测（输出方式）电荷的检测（输出方式）电流输出电流输出浮置扩散放大器输出浮置扩散放大器输出浮置栅放大器输出浮置栅放大器输出电荷耦合器件电荷耦合器件 设原有的信号电荷量为设原有的信号电荷量为Q Q0 0，转移到下一个，转移到下一个电极下的信号电荷量为电极下的信号电荷量为Q Q1 1，其比值，其比值 (6-21)(6-21)称为转移效率。称为转移效率。没有被转移的电荷量设为没有被转移的电荷量设为 ，则与原信，则与原信号电荷号电荷Q Q0 0之比之比 (6-22)(6-22)称为转移损失率。称为转移损失率。特性参数特性参数（1 1）转移效率）转移效率，转移损失率，转移损失率电荷耦合器件电荷耦合器件（2）工作频率）工作频率 CCDCCD器件是工作在不平衡状态，所以驱动脉冲频器件是工作在不平衡状态，所以驱动脉冲频率的选择显然十分重要：频率太低，热激发少数载率的选择显然十分重要：频率太低，热激发少数载流子过多，它的加入降低了输出信号的信噪比；频流子过多，它的加入降低了输出信号的信噪比；频率太高，又会降低总转移效率，减小了输出信号的率太高，又会降低总转移效率，减小了输出信号的幅值，同样降低信噪比。幅值，同样降低信噪比。为驱动脉冲工作频率下限，即与少数载流子为驱动脉冲工作频率下限，即与少数载流子的寿命的寿命有关有关 为工作频率的上限，与信号电荷从一个为工作频率的上限，与信号电荷从一个电极转移到另一个电极的转移时间应大于或等电极转移到另一个电极的转移时间应大于或等于于t t2 2 电荷耦合器件电荷耦合器件表示在电极下的势阱中能容纳的电荷量表示在电极下的势阱中能容纳的电荷量 。如果如果SiOSiO2 2氧化层的厚度为氧化层的厚度为d d，则每一个电极下，则每一个电极下的势阱中，最大电荷贮存容量的势阱中，最大电荷贮存容量 ：（3 3）电荷贮存容量）电荷贮存容量电荷耦合器件电荷耦合器件（4）CCD的噪声的噪声散粒噪声、转移噪声及热噪声。散粒噪声、转移噪声及热噪声。电荷耦合器件电荷耦合器件 电荷耦合器件的一个重要应用是作为摄像电荷耦合器件的一个重要应用是作为摄像器件，电荷耦合摄像器件可分为一维（线阵）的器件，电荷耦合摄像器件可分为一维（线阵）的和二维（面阵）两种，它们的功能都能把二维光和二维（面阵）两种，它们的功能都能把二维光学图像信号转变成一维视频信号输出。它们的原学图像信号转变成一维视频信号输出。它们的原理是：首先用光学成像系统（光学镜头）将被摄理是：首先用光学成像系统（光学镜头）将被摄的景物图像成像在的景物图像成像在CCDCCD的光敏面（光敏区）上，的光敏面（光敏区）上，在每一个光敏单元（在每一个光敏单元（MOSMOS电容器）的势阱中贮存电容器）的势阱中贮存与图像照度成正比的光生信号电荷一定完成了光与图像照度成正比的光生信号电荷一定完成了光电转换和电荷的积累。然后，转移到电转换和电荷的积累。然后，转移到CCDCCD的移位的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下有顺序的转移和寄存器中，在驱动脉冲的作用下有顺序的转移和输出，成为视频信号。输出，成为视频信号。电荷耦合摄像器件（电荷耦合摄像器件（ICCDICCD）电荷耦合器件电荷耦合器件（1 1）线型）线型CCDCCD摄像器件：摄像器件：两种基本形式：两种基本形式：单沟道单沟道 双沟道双沟道电荷耦合器件电荷耦合器件（2）面阵）面阵ICCD 帧转移面阵帧转移面阵ICCD 隔列转移型面阵隔列转移型面阵ICCD 线转移型面阵线转移型面阵ICCD(3)增强型电荷耦合器件增强型电荷耦合器件 线转移面阵线转移面阵CCD示意图示意图电荷耦合器件电荷耦合器件（4 4）ICCDICCD的基本特性参数的基本特性参数光电转换特性光电转换特性光谱响应和干涉效应光谱响应和干涉效应 动态范围动态范围陷阱的最大电荷存储量陷阱的最大电荷存储量噪声噪声暗电流暗电流分辨率和调制传递函数（分辨率和调制传递函数（MTFMTF）电荷耦合器件电荷耦合器件 自扫描光电二极管阵列（自扫描光电二极管阵列（SSPDSSPD）又叫）又叫MOSMOS型图像探测器，它的自扫描电路由型图像探测器，它的自扫描电路由MOSMOS移位寄移位寄存器构成。根据像元的排列形状不同，它又分存器构成。根据像元的排列形状不同，它又分为线阵列和面阵列。线阵列如不另加扫描机构，为线阵列和面阵列。线阵列如不另加扫描机构，则只能对移位的光强分布进行光电转换。但由则只能对移位的光强分布进行光电转换。但由于它的成本低，且许多被测对象本身在运动中，于它的成本低，且许多被测对象本身在运动中，自然形成另一维扫描，故在机器视觉检测方面自然形成另一维扫描，故在机器视觉检测方面用量很大。面阵列可以直接对二维图像进行光用量很大。面阵列可以直接对二维图像进行光电转换。电转换。6.4自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列SSPDSSPD线阵列线阵列SSPDSSPD线阵电路框图线阵电路框图（1 1）线阵的结构）线阵的结构自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列（2 2）移位寄存器电路）移位寄存器电路 自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列（3 3）电荷存储方式工作原理）电荷存储方式工作原理自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列（4 4）多相时钟线阵列）多相时钟线阵列 自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列SSPDSSPD面阵列面阵列（1 1）再充电采样型面阵列）再充电采样型面阵列 自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列SSPDSSPD面阵列面阵列（2 2）电压采样型面阵）电压采样型面阵 自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列1 1 CCDCCD线阵在姿态检测中的应用线阵在姿态检测中的应用利利用用双双线线结结构构CCDCCD可可以以检检测测物物体体的的空空间间姿姿态态变变化化，其其基基本本原原理理如如图图6-386-38所所示示。在在物物体体的的和和上上面面各各放放置置一一套套如如图图6-386-38所所示示的的装装置置，利利用用物物体体运运动动时时成成像像在在CCDCCD线线阵阵上上的的位位置置变变化化检检测测出出不不同同的的电电信信号号，再再经经过过一一定定的数学处理便可以得出物体运动的姿态信号。的数学处理便可以得出物体运动的姿态信号。CCD器件的应用举例器件的应用举例图图6-38 6-38 物体成像基本原理图物体成像基本原理图 1)CCD1)CCD驱动电路驱动电路CCDCCD与与一一般般的的集集成成电电路路不不同同，后后者者通通常常只只需需要要简简单单的的电电源源便便能能工工作作，而而CCDCCD除除了了电电源源以以外外，还还需需与与之之配配套套的的驱驱动动电电路路提提供供电电荷荷转转移移所所需需的的各各种种时时钟钟脉脉冲冲以以及及输输入入输输出出所所需需的的复复位位脉脉冲冲。CCDCCD的的性性能能受受驱驱动动电电路路的的影影响响较较大大，如如信信号号处处理理能能力力、转转移移效效率率、信信噪噪比比等等只只在在合合适适的的时时钟钟脉脉冲冲配配合合下下才才能能达达到到器器件件设设计计和和工工艺艺的的最最佳佳值值。这这里里只只简简单单介介绍绍电电路路中中用用到到的的几几种种脉脉冲冲信信号号：SHSH（电电荷荷转转移移信信号号），Q Q1 1、Q Q2 2（移移位位信信号号），RSRS1 1、RSRS2 2（复复位位信信号号）,QS,QS（采采样样信信号号），各各信信号号的的时时序如图序如图6-396-39所示。所示。图图6-39 CCD6-39 CCD驱动信号驱动信号 2)CCD2)CCD信号的采样保持信号的采样保持为为了了消消除除时时钟钟的的影影响响，在在CCDCCD的的输输出出端端应应有有一一个个低低通通滤滤波波器器。输输出出低低通通滤滤波波器器应应有有一一定定的的增增益益以以抵抵消消CCDCCD的的电电荷荷转转移移损损失失。低低通通滤滤波波器器如如图图6-406-40所所示示。在在低低通通滤滤波波器器之之后后接接信信号号放放大大与与跟跟随随电电路路，再再接接采采样样电电路路，即即可可获获得得CCDCCD线线阵阵的的较较规规则则的的信信号号。放放大大与采样电路可采用常用的电路。与采样电路可采用常用的电路。图图 6-40 6-40 可调增益滤波器可调增益滤波器 3)3)位置信号的获取位置信号的获取由由图图6-386-38可可知知，CCDCCD线线阵阵的的输输出出信信号号实实际际上上是是反反光光带带的的宽宽度度信信号号，但但是是所所需需要要的的是是物物体体的的位位置置信信号号，因因此此还还需需要要进进一一步步由由这这个个宽宽度度信信号号获获取取位位置置信信号号。因因为为CCDCCD在在SHSH信信号号的的每每个个周周期期内内进进行行一一次次完完全全的的电电荷荷转转移移，所所以以这这个个所所谓谓的的位位置置信信号号实实际际上上就就是是SHSH的的下下降降沿沿到到CCDCCD信信号号的的上上升升沿沿之之间间的的宽宽度度。因因此此，只只要要构构造造这这样样一一个个信信号号：在在SHSH的的上上升升沿沿上上升升，在在CCDCCD信信号号的的上上升升沿沿下下降降，就就可可以以获获得得物物体体的的位位置置信信号号。具具体电路如图体电路如图6-416-41所示。所示。图图6-41 6-41 位置信号获取原理图位置信号获取原理图 4 4）将脉冲信号转化成直流信号将脉冲信号转化成直流信号由由于于在在脉脉冲冲调调宽宽电电路路中中所所需需的的控控制制信信号号为为直直流流信信号号，所所以以在在获获得得了了物物体体的的位位置置信信号号以以后后，还还需需要要将将它它转转化化成成直直流流信信号号。其其主主要要原原理理是是对对位位置置信信号号的的低低电电平平部部分分进进行行积积分分，在在积积分分完完毕毕时时接接着着进进行行采采样样，由由于于物物体体空空间间位位置置的的变变化化，使使得得位位置置信信号号的的低低电电平平部部分分在在整整个个周周期期内内所所占占的的百百分分比比改改变变，从从而而使使得得积积分分电电路路的的积积分分时时间间改改变变，于于是是采采样样电电路路所所获获得得的的值值也也跟跟着着作作相相应应的的改改变变，从从而而实实现现了了从从脉脉宽宽信信号号到到直直流流信信号号的的转转化化。具具体体原原理理如如图图6-426-42所所示示。图中图中LF398LF398的输出即是所需的直流信号。的输出即是所需的直流信号。图图6-42 6-42 方波转换成直流方波转换成直流 CCDCCD器件为什么必须在动态下工作？其驱动脉器件为什么必须在动态下工作？其驱动脉冲频率的上下限受哪些条件限制。冲频率的上下限受哪些条件限制。二相驱动二相驱动CCDCCD，像元数，像元数N N10241024，若要求最后位，若要求最后位仍有仍有5050的电荷输出，求电荷转移损失率的电荷输出，求电荷转移损失率。有有5mm5mm工件，要求用线阵工件，要求用线阵CCDCCD测量，分辨率优于测量，分辨率优于5u5u，信号处理可对，信号处理可对CCDCCD单元进行单元进行4 4细分，推出用细分，推出用投影法测量时对投影法测量时对CCDCCD的参数要求。若的参数要求。若CCDCCD单元间单元间隔为隔为15u15u，用什么方法可进行测量，对系统参，用什么方法可进行测量，对系统参数有什么要求？数有什么要求？思考题思考题