使用线阵型CCD 实现高精度二维位置测量的方法.docx

目录第一章 电荷耦合元件 - 1 -1.1 电荷耦合元件简介 -1 -1.1.1 CCD 的基本原理 - 1 -1.1.2线阵 CCD - 2 -1.2 CCD 功能特性 -3 -1.3 CCD 的应用 -3 -第二章 使用线阵型 CCD 实现高精度二维位置测量的方法 - 6 -2.1 二维位置测量系统设计实例 -6 -2.1.1 球面镜—柱面镜组合的特性 - 6 -2.1.2 二维位置测量光学系统 - 6 -2.1.3 高精度二维位置测量系统 - 7 -2.2 光学系统设计 -9 -2.2.1 二维位置测量的应用 - 9 -2.2.2 光学系统设计 - 9 -结论 - 11 -参考文献 - 12 -第一章 电荷耦合元件1.1 电荷耦合元件简介电荷耦合元件（CCD），英文全称Charge-coupled Device可以称为CCD图像传 感器CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号CCD上植入的微小 光敏物质称作像素（Pixel）一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就 越高CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号CCD上有许多 排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。

经由外部电路的控制，每个 小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容1・1・1 CCD的基本原理1、 CCD 的基本结构转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构构 成CCD的基本单元是MOS电容一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料， 上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极 （栅极）2、 电荷存储以衬底为P型硅构成的MOS电容为为例当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在Si - SiO界面处的电势发生变化，附近的2P型硅中的多数载流子-空穴被排斥，形成耗尽层如果栅极电压超过MOS晶体管的开 启电压，则在Si-SiO界面处形成深度尽状态，电子在那里势能较低-形成了一个势阱2 如有信号电子，将聚集在表面，实现电荷的存储此时耗尽层变薄势阱的深浅决定存 储电荷能力的大小3、 电荷转移CCD 的转移电极相数有二相、三相、四相等对于单层金属化电极结构，为了保 证电荷的定向转移，至少需要三相这里以三相表面沟道CCD为例表面沟道器件，即SCCD （Surface Channel CCD） ——转移沟道在界面的CCD器件。

4、 光信号注入CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入两种，在光纤系统中，CCD接收 的信号是由光纤传来的光信号，即采用光注入CCD当光照到CCD时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对，在栅极电压的作用 下，多数载流子（空穴）流入衬底，少数载流子（电子）被收集在势阱中，存储起来 这样能量高于半导体禁带的光子，可以用来建立正比于光强的存储电荷5、 电荷检测（输出）CCD输出结构是将CCD传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出电荷输出 结构有多种形式，如电流输出结构、浮置扩散输出结构、浮置栅输出结构等浮置栅输 出结构应用最广1・1・2线阵CCD结构简单，成本较低可以同时储存一行电视信号 •由于其单排感光单元的数 目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做的较大，并且由 于线阵CCD实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态 测量，并能在低照度下工作，所以线阵 CCD广泛地应用在产品尺寸测量和分类、 非接触尺寸测量、条形码等许多领域线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构下图（a）为单沟道，（b）为双沟 道諭出特点 :由于 CCD 像元是有间隔的，不论面阵还是线阵 CCD 获取的图像外观虽 然是致密的，但实质上都是离散图像， 但面阵 CCD 像元在纵横两个方向间隔一致， 其图像的离散度是一致的，而线阵 CCD 图像由于存在像元间距和扫描行距，像素 点在两个坐标方向上的距离分别是像元间距和扫描行距，一般来说扫描行距受机 械传动部分的限制，远大于像元间距。

线阵 CCD 获取二维图像，必须配以扫描运动，在此过程中，线阵 CCD 在电 机驱动下水平前移，按照固定的时间间隔采集一行图像从理论上讲，电机运动 速度应该是匀速的； CCD 采集图像的时间间隔主要取决于光积分时间，也应该是 相等的，因此行距应该是相等的，但由于电机运动产生的振动、启停过程中速度 的变化，特别是机械传部分的误差都会影响采集行距的一致性， 同时，线阵 CCD 自 身光积分时间也会影响采集行距1.2 CCD 功能特性CCD 图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、 传输、处理和复现其显著特点是：1.体积小重量轻；2.功耗小，工作电压低，抗冲击 与震动，性能稳定，寿命长；3.灵敏度高，噪声低，动态范围大；4.响应速度快，有自 扫描功能，图像畸变小，无残像；5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度 高，尺寸精确，商品化生产成本低因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把2CD 器件作为光电接收器CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类线阵CCD 通常将 CCD 内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲所需相数由 CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。

线阵CCD有 单沟道和双沟道之分，其光敏区是 MOS 电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单 它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单， 易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像（线阵CCD如右图所示）面阵 CCD 的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连接成一 个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像1.3 CCD 的应用四十年来， CCD 器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感 和非接触测量领域的发展更为迅速随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用 的广度与深度必将越来越大 CCD 是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根 据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的 数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光 信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被侧物体进行准确的测量、分析含格状排列像素的 CCD 应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光元件其光 效率可达70%（能捕捉到70%的入射光），优于传统菲林（底片）的2%,因此CCD迅速 获得天文学家的大量采用。

机所用的线性CCD影像经透镜成像于电容阵列表面后，依其亮度的强弱在每 个电容单位上形成强弱不等的电荷机或扫瞄仪用的线性 CCD 每次捕捉一细长条 的光影，而数码相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像，或从中撷取 一块方形的区域一旦完成曝光的动作，控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下 一个单元，到达边缘最后一个单元时，电荷讯号传入放大器，转变成电位如此周著复 始，直到整个影像都转成电位，取样并数位化之后存入内存储存的影像可以传送到打 印机、储存设备或显示器在数码相机领域， CCD 的应用更是异彩纷呈一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜（ Bayer filter ）加装在 CCD 上每四个像素形成一个单元，一个负责过滤红色、一个 过滤蓝色，两个过滤绿色（因为人眼对绿色比较敏感）结果每个像素都接收到感光讯号， 但色彩分辨率不如感光分辨率用三片 CCD 和分光棱镜组成的 CCD 系统能将颜色分得更好，分光棱镜能把入射光分析 成红、蓝、绿三种色光，由三片 CCD 各自负责其中一种色光的呈像所有的专业级数 位摄影机，和一部份的半专业级数位摄影机采用CCD技术目前，超高分辨率的CCD 芯片仍相当昂贵，配备 CCD 的高解析静态照相机，其价位往往超出许多专业摄摄影者 的预算。

因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜，兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现这 类多次成像的照相机只能用于拍摄静态物品CCD 在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如带追踪 望远镜的功能方法是让 CCD 上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致，速度也 同步，以 CCD 导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望远镜记录到比原来更 大的视场一般的 CCD 大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照 度（或趋近零照度）摄影机/照相机等为了减低红外线干扰，天文用 CCD 常以液态氮或 半导体冷却，因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应 CCD 对红外线的敏感度造 成另一种效应，各种配备 CCD 的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜，很容易拍到 遥控器发出的红外线降低温度可减少电容阵列上的暗电流，增进 CCD 在低照度的敏 感度，甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升（信噪比提高）第二章使用线阵型CCD实现高精度二维位置测量的方2.1二维位置测量系统设计实例2・1・1球面镜一柱面镜组合的特性在介绍高精度二维位置测量系统之前，先介绍球面镜一柱面镜组合的特性，它构成 本CCD光学成像系统的基础。

如图1所示，球面镜焦距为f ,柱面镜焦距为f ,它们共轴1 2且距离l分别小于f和于2 °o是球面镜的焦点，平面xoy是球面镜的焦平面,M是焦平面上 x轴上一点，通过球面镜后为一束平行光，平行光经柱面镜汇聚成一条直线这样通过球 透镜一柱面镜组合M点成像为一条直线a，直线a位于柱面镜的焦平面上且与柱面镜的 圆柱轴线方向平行同理，过M点平行于y轴的直线上的任意一点成的像都是直线a 这样,a至Uz轴的距离对应M点的x坐标设a至Uz轴的距离为b，由透镜像公式得出OM1(1)若取/1=f 2,贝临至Uz轴的距离为b= OM工球面镜柱面镜图1球面镜一柱面镜组合成像图2.1.2二维位置测量光学系统该光学系统由一组光学仪器组成，包括主球面镜、球面镜、分光棱镜、两个柱面镜和两个线阵型CCD主球面镜、球面镜及分光棱镜共轴，分光棱镜分出两条相互垂直的 光路，在两条光路轴上分别加上柱面镜，柱面镜的圆柱轴线方向相互垂直这样，分光棱 镜的引入构成了两组球面镜一柱面镜组合，它们分别测定x轴和y轴方向的位置为方 便设计，我们选取具有相同焦距彳的球面镜和柱面镜如图2所示，主球面镜的焦距是 f，m为平面上任意一点，其坐标为（x，y ），物距do。

m点通过主球面镜成像n点,n点在 平面x 1o1y 1上，像距n点的坐标（x ； y，）由下面公式得出(2)(3)d x yo — — od x' y'1主球面镜与球面镜之间的距离为d + f，这样像点n位于球面镜的焦平面上由1可1 1知,n点通过球面镜、分光棱镜和两个柱面镜成像为两条直线a和b，直线a位于柱面镜 的焦平面上且与z轴的距离为x，直线b位于柱面镜的焦平面上且与z轴的距离为y1 1 1分别在柱面镜的焦平面上过z和z轴与柱面镜圆柱轴线方向垂直放置线阵型CCD这样,1像线a和b分别与CCD垂直且相交，CCD测出直线a和b的位置x和y，通过公式（3）可1 1以求出M点的坐标（x，y ）图2二维位置测量系统光路图2.1.3高精度二维位置测量系统本节通过实例设计实例，给出选择和确定CCD和透镜参数的方法系统装置图如图3所示主球Ettf镜球面饋分光棱镜CCD 八V VI靶商 CCDZ外部电路信号处理外部电路信号。