毕业设计ccd.doc

1、 目 录 1 引言 Y1.1 钢板测量的现状Y1.2 CCD 的简介 2 电荷耦合器件 CCD Y2.1 CCD 发展的概述 Y2.2 CCD 的特点 Y2.3 CCD 的工作原理 Y2.4 CCD 的主要特性参数 Y3 激光三角测量法 Y4 CCD 的数据采集及驱动器 Y4.1 光电信号的二值化处理 Y4.2 序列光电信号的量化处理 Y4.3 序列光电信号的 A/D 采集 Y4.4 驱动器Y6 整个系统的综合 Y6.1 系统的原理方框图6.2 测量系统Y结论 Y致谢 Y参考文献Y中文摘要CCD(电荷耦合器件)是一种性能独特的半导体光电器件。近年来在摄像工业检测等科技领域里得到了广泛的应用将

2、CCD 技术应用于长度等几何量测量可以实现高精度、在线动态检测和非接触测量等要求，尤其对微小长度变化量的测量具有很强的优势。毕业设计首先介绍了 CCD 的工作原理和主要性能参数，其次介绍了激光三角测量法。采用激光三角斜射法，用激光器为光源，设计了光学聚集及成像系统，最后设计了以 CCD 为光电转换元件的非接触式钢板长度测量系统。入射光在钢板表面产生散射，光斑经光学系统成像于 CCD 光敏面上，根据像点移动与钢板长度之间的对应关系，通过对像点移动的分析，得到钢板的长度。另外，介绍了 CCD 输出数据的采集和二值化处理，还有 CCD 的驱动电路。英文摘要CCD(Charge Coupled Dev

3、ices)is a semiconductor photoelectric device with particular performance,which is applied widely in some fields such as camera and industry measurement and so on recently.The measurement system with CCD has an advantage on the geometrical measure such as length for achieving high accuracy,on-line dy

4、namic detection,non-contact measurement,and especially adapts to measure thength little alternation.。Firstly,great capability parameter and work principle of linear CCD.Secondly,optical trigonometry measurement principle are introduced,which are based on to design optical focusing and imagery system

5、 with laser instrument as illuminant. Finally non-contact armor plates length measurement instrument is constructed,using CCD as photoelectric transformation element.The incident light occurs scatting on the armor platesurface,then imaged on CCD through optical system.Because of corresponding relati

6、on between moving of image point ang length change of armor plate,through analysis of image point change,the length of armor plate is achieved.In addition,gather two-channel and dispose of CCDoutput dataand drive circuit are introuduced.1 引言工业生产过程自动化是工业现代化的重要方向在线检测是工业生产过程自动化的重要内容之一。在线检测技术能保证产品质量节约和降

7、低成本、提高劳动生产率、减轻劳动强度，具有明显的社会经济效益，因而在国内外越来越受到重视。目前，世界上先进的钢铁企业已较为普遍地采用在线自动测量技术对钢板板材的长度、宽度进行测量与剪切。其中，除了采用激光扫描、超声检测、射线测量等技术外，近几年来也正在应用CCD摄像机进行图象尺寸测量方面的科研和技术改造，但达到实际应用的系统并不多。随着国外钢铁企业在钢板生产上测量与控制手段的提高，国际上对钢铁产品尺寸提出了更高的要求。国内在线检测技术现状我国在线检测技术的研究和应用起步较晚，建国后先是引进前苏联的设备和技术后来又引进日本、美国的技术，大力扶持发展传感技术、数显技术、机电一体化技术，在线检测技术

8、在我国受到了明显的重视和发展。尤其是最近几年，我国在这方面取得了很大的进步中国科技大学情仪系较早地对微R寸的光学测量进行了研究，已拥有相当的经验。四川联合大学机械学院对光滑表面的缺陷、轮廓的非接触激光测量技术已取得国家科技发明奖。武汉测绘科技大学光电学院对形位光学测量做了大量的工作。攀技花钢铁研究院于1985年开发出25m钢轨自动定长装置，并于 1991年完成线材断面的测量。最近，攀钢自动化部与初轧厂合作开发了热轧钢坯自动测宽测厚装置现场使用效果较好。CCD（Charge Coupled Devices）是20世纪70年代发展起来的新型半导体器件。美国贝尔实验室W.S波意耳和G.E史密斯等人在

9、研究磁泡时，发现了电荷通过半体势阱发生转移的现象，提出了电荷耦合这一概念和CCD器件模型，同时预言了CCD器件在信号处理、信号存储及图像传感中的应用前景。几十年来，CCD的研究及应用取得了惊人的进展，特别是在图像传感器应用方面，以成为现代光电子学试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一。CCD器件是一种新型光电转换器件，它以电荷作为信号。其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输与检测。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。CCD 有面阵和线阵之分，线阵是把 CCD像素排成一直线的器件，而面阵是把CCD像素排成一个平面的器件。另外，按准光敏面的尺寸可分为13英寸、12英寸、23英寸和1英寸。

10、按照使用场合不同，有彩色和黑白CCD芯片之分。CCD器件的应用，按功能来分，目前主要应用于三个方面： 图像传感器CCD 最重要的应用是作为固体摄像器器件。与真空摄像管相比CCD固体摄像器件具有一系列优点，用CCD 最终取代摄像管，实现全固体化摄像机是人们最求的目标。目前在消费用摄像机中，CCD摄像器已经取代摄像管。在广播摄像机中，CCD取代摄像管的进程也在加快。 模拟信号处理。模拟信号处理是CCD应用方式最丰富多样的一个领域。CCD本身是一种模拟器件，但它处理的模拟信号的采样，其幅度是连续的，而其时间关系而言，是离散的采样信号，受时钟脉冲控制，类似于数字移位寄存器。因此CCD能够在模拟信号的状

11、态下完成采样信号的各种处理而无需模拟-数字和数字-模拟转换。目前，CCD 模拟信号处理主要包括模拟延迟、多路分路转换、横向滤波、递归滤波和相关处理等。 数字信号存储CCD 本质上一种移位寄存器，属于动态串行存储器。CCD数字存储器的主要优点是每位存储单元所占面积小，封装密度高。综上所述，该论文提出了利用CCD和激光三角测量原理来实现对钢板进行在线的长度测量，该系统克服了以往方法的速度慢，精确度低的缺点。2 电荷耦合器件 CCD2.1 CCD 发展的概述 电荷耦合器件是在 MOS 集成电路基础上发展起来的，人们说 CCD 就是一个多栅 MOS 晶体管，即在源与漏之间密布着许多栅极、沟道极长的 M

12、OS 晶体管。这是半导体技术的一次重大突破。CCD 的概念最初是 20 世纪 70 年代，由美国贝尔实验室的 W.S.Boyle 和 G.B.Smith 提出来的，很快又研制出了各种用途的 CCD 器件。由于它具有光电转换、信息存储和延时等功能，而且集成度高，功耗小，故在固体图像传感、信息存储和处理等方面得到了广泛的应用。CCD自问世以来，以它无比的优越性能和诱人的应用前景，引起了各国科学界德尔高度重视，日、美、英、德等发达国家不惜重金投资加速研制，加之微细加工技术的进展，使得 CCD 像素数剧增，分辨力、灵敏度大幅提高，发展速度惊人。线阵 CCD 已由第一代大踏步跃入第二代 CCPD（光电二

13、极管阵列） ，其线阵彩色 CCD 以实现了 10725 像素，阵列的不均匀性小于 1%。面阵 CCD 具有自扫描功能，主要用作图像传感器。一般的出售商品由40964096（1600 万）像素，性噪比达 80dB，暗电流小于 25pA 2(27),输出分均与性小于 1%，像素尺寸为 7.5m7.5m，探测信号电平为 10 个电子。彩色摄像方面，市场上已有 40964096 像素高清晰度彩色 CC 摄像机出售。微光探测方面，市场上已推出 10-9lx，水平分辨力大于 700TV 线，动态范围4000：1 的 CCD 摄像机。目前国外 5000 像素的线阵 CCD 已商品化，并对 4 个 5000

14、像素 CCD 进行拼接，实现了 2104 像素超长线阵 CCD，获得了相当大的动态范围，满足了星 载、机载、空间监测等要求。 对 CCD 来说，随着超大规模集成工艺的进展，CCD 不仅研究水平不断提高，阵列元数不断增多，CCD 摄像机的性能越来越好，而且更重要的是 CCD芯片的成品率不断提高，摄像机的价格大幅度下降。据 Secuity Management 杂志发表的统计数据表明，综合研究所 CCD 摄像机的价格较之管式摄像机的总价格平均要低 20%60%。又如俄罗斯机器人推出一种 CCD 摄像机，能在微光中拍摄并分辨出比人头发丝还细的物体，其售价只有同类管式摄像机的 13。价格低廉使 CCD

15、 摄像机应用领迅速扩大。现在不论是信号处理，还是数字存储，不论是高精度摄影，还是家用摄像，不是民用和是军用，可以说从太空到海底到处都有 CCD 的用武之地。在图像传感方面的应用，目前还是以低性能 CCD(即线阵 CCD 和 30 万像素以下的面阵 CCD)为主，多用于办公自动化方面的传真机、复 印机、摄像机和电视对讲机等；工业方面的机器人视觉、热影分析、安全监视、工业监控等；社会生活方面的家庭摄录一体化、汽车后视镜、门视镜等；军事方面的成像制导和跟踪、微光夜视、光电侦查，可视电话等。至于高性能 CCD 对用于医疗、高清晰度广播电视摄像以及天文学、卫星遥感等太空领域。在迫切需要的牵引下，CCD

16、图像传感器 de 产量和销售额逐年大增。CCD今后的发展趋势微型化、高速、高灵敏度、多功能化。随着 CCD 性能的进一步提高，价格进一步降低，应用领域会更扩大，特别是在航天、遥感、夜视、侦察、制导、预警等军事领域中将会大显身手，将对加速武器更新换代 、促进军事装备升级做出重大贡献。2.2 CCD 的特点CCD器件之所以发展如此迅速，主要因为它具有以下的特点： CCD器件的信号与微机接口容易。CCD 器件是一种固体化器件，体积小，重量轻，工作电压和功耗 低，耐冲击性好，可靠性高，寿命长。 CCD器件具有理想的“扫描”线性，畸变小尺寸重现性好，特别适用与尺寸测量、定位和成像传感器等方面。 CCD器

17、件具有很高的空间分辨率。 CCD器件具有很高的光学灵敏度和大的动态范围。 CCD 器件的光敏元间距的位置精确，可以获得很高的定位和测量精度。2.3 CCD 的工作原理2.3.1 电荷存储构成 CCD 的基本单元是 MOS（金属氧化物半导体）电容器，如图 2.1所示。正像其他电容器一样，MOS 电容器能够存储电荷。如果 MOS 结构中的半导体是 P 型，当在金属电极（称为栅）上加一个正的阶梯电压时（衬底接地） ，Si-SiO2 界面处的电势（称为表面势或界面势）发生相应变化，附近的 P 型硅中多数载流子空穴被排斥，形成所谓耗尽层，如果栅电压 VG 超过 MOS 晶体管的开启电压，则在 Si-Si

18、O2 界面处形成深度耗尽状态，由于电子在那里的势能较低，我们可以形象地说，半导体表面形成了电子的势阱，可以用来存储电子。当半导体表面存在势阱时，如果有信号电子（电荷）来到势阱或在其邻近，它们变可以聚集在表面。随着电子来到势阱中，表面势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电子逐渐填充势阱。势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅” ，即表面势的大小，而表面势又随栅电压而变化，栅电压越大，势阱越深。如果没有外来的信号电荷，耗尽层及其邻近区域在一定温度下产生的电子将逐渐填满势阱，这种热产生的少数载流子电流叫做暗电流，所以有别于光照下产生的载流子。因此，电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状

19、态，才能存储电荷。少数载流子p-Si金属氧化层沟阻VG信号电荷空阱（a）MOS 电容器 （b）有信号电荷的势阱图 2.1 电荷存储2.3.2 信号电荷的转移电荷耦合器件工作原理较为简单，属于转移电极结构，是三相转移电极结构，其原理如图 2.3 所示。如果在三相转移电极 1、 2 和 3 上加如图 2.2 所示的三相脉冲电压后，当 1 为高电平（t 1）时，由外界注入的信号电荷 S 被存储于 1 电极下表面的势阱中。在 t2 时刻， 1 变为低电平、 2 变为高电平后， S 被转移并被存储与 2 电极下表面势阱中，如图 2.3 所示的电荷转移过程。依次类推，信号电荷逐极转移，最后达到输出端。 1

20、 2 3tttt1 t2图 2.2 三相脉冲驱动电压图 2.3 电荷的转移过程应该注意，采用三相电压的目的是为了使信号电荷准确地沿着指向终端的方向移动。按耗尽层理论，可以证明，转移栅（MOS 结构）电极下半导体表面电子势阱的深度与氧化层厚度和半导体所掺杂的浓度有关，氧化层厚度越大，势阱越浅；半导体中所掺杂质浓度越高，势阱越浅。因此，可以利用这种原理在一个电极下势阱中制造势垒以阻止信号电荷逆向转移，如图 2.4（a） ， （b）所示。（a）利用氧化层产生势垒（b）利用表面掺杂产生势垒图 2.4 两相 CCD 的电极结构与脉冲波形按图 2.4（a） ，由于同一个电极下氧化层厚度不同，在存储信号电荷

21、的电子势阱“后面”总存在一个势垒，阻止信号电荷逆向转移。按图 2.4（b） ，利用在同一个电极下 P 型半导体表面局部加有较多的受主杂质（图中以+表示） ，也会产生同样的阻止信号电荷逆构转移的势垒。因此，这两种 CCD 都可以用波形简单得多的两相驱动脉冲工作，波形如图 2.5 所示。图 2.5 两相驱动脉冲波形CCD 常因各种原因使所存储的信号电荷不能完全转移，若在第 N 个电极下存的信号电荷储为 QN，经一次转移后，转移到第 N+1 个电极的信号电荷为QN+1，则称（2.1）1为一次转移的转移效率，而称 =1- 为转移失效率。由于通常 CCD 的电极数目很大，为使信号电荷转移到输出端不致有过

22、大损失，一般要求 CCD 的转移效率在 0.999 或 0.9999 以上。影响转移效率的因素很多，尤其是表面 CCD，与工作频率、波形、电极结构、工艺过程甚至信号大小都有关系。由于表面 CCD 受存于半导体表面的表面态俘获电子的影响，其转移效率很难提高到超过 0.9999。为此，人们研制了埋沟道 CCD 的新工艺，将电子势阱底和转移沟道移到体内，从而使转移效率提高到 0.9999 以上。目前以普遍采用了埋沟技术。2.3.3 电荷的注入与检测由探测器产生的电压或电流信号需要通过注入极转换成信号电荷，并注入转移电极。图 2.6 所示的电路结构和电压脉冲波形是电荷注入的结构原理和波形图注入电荷包的方法很多，如图 2.6 所示的结构是常常采用的表面势平衡注入法。图中输入栅 IG 加直流电压 VIG，输入二极管 ID 加反向脉冲电压 ID。当 I 为个高电平 IH 期间， ID 低电平到达后，电子自 ID 电极注入 I 和