（光学专业论文）激光测微头的设计和研究.pdf

激光测微头的设计和研究 光学专业 研究生：高志国指导教师：曹益平 摘要 激光测微头因其测量精度高、速度快、体积小、稳定、不接触被测物体的表 面等优点在测量物体尺寸和位移中被广泛应用，在工业产品在线检测中能有效 的减少人工测量的劳动强度，提高生产效率。所以研究如何提高激光测微头的 测量精度和速度有很高的实用价值。 c c d 电荷耦合器件是获取物体信息的重要器件。c c d 电荷耦合器件是2 0 世纪7 0 年代初发展起来的新型半导体集成光电器件。近3 0 年来，c c d 器件在 图像传感和非接触测量领域的发展迅速。由于c c d 具有高分辨、高灵敏、重 量轻、体积小、耗电少、寿命长、可靠性好、信号处理方便、易于与计算机接 口等优点，致使c c d 光电尺寸测量的使用范围比现有的机械式，光学式测量 仪优越得多。基于线阵c c d 的这些优点它被广泛用于光学三角法测量中，用 于物体的位移和尺寸的非接触检测。 论文主要完成的工作内容包括： 设计了采用点激光以及l a t t i c ei s p l 0 1 6 在线可编程逻辑器件、m s 5 1 系列 单片机、光学系统等组成的激光测微头总体方案。该激光测微头是光学、电学、 计算机技术相结合的产物。可用计算机对其进行控制测量，也可以设定为自动 测量，提高系统的适应能力，满足各种环境下的测量要求。 对系统的各个硬件部分进行了详细的分析和讨论，完成了激光测微头的样机 的研制。计算机可以从激光测微头中获取处理后的位置信息，也可从激光测微 头中获取c c d 原始信息， 设计了一种光强自适应算法，使测微头具有自动调节功能，可以根据被测物 体的外部轮廓物理特征，改变c c d 的积分时间，从而让系统可以在各种环境 下测量，提高测量系统的适用性。 着重分析了光斑随机噪声对测量精度的影响，通过大量实验数据分析，提出 了一种基于统计平均结合可靠性排序滤波算法，有效抑制了光斑随机噪声引起 的干扰。 最后对测量系统的改进提出了一些可行性建议。， 关键词：激光三角法、激光测微头、线阵c c d 、可编程逻辑器件、单片机、 随机噪声 j 一 s t u d ya n dd e s i g no fl a s e rt r i a n g u l a rm e a s u r i n g d e v i c e m a j o ro p t i c s g r a d u a t e ：z h i - g u og a o a d v i s o r ： n - p m gc a n a b s t r a c t f o ri t sa d v a n t a g e so fh i g hp r e c i s i o n , f a s ts p e e d , p o r t a b l es i z e , g o o dr e l i a b i l i t y , u o r l - c o n t a dm e a s u r e m e n t , t h el a s e rt r i a n g u l a rm e a s u r i n gd e v i c ei se x t e m i v e l yu s e d i ns i z ea n dd i s t a n c em e a s u r e m e n ta n dp r o d u c to n - l i n ee x a m i n a t i o n i tc a nl e s s e n l a b o ri n t e n s i t ya n di m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ye x t r e m e l y s ot o s t u d yo n i m p r o v i n gt h el a s e rt r i a n g u l a rm e a s u r i n gd e v i c e sm e a s u r i n gp r e c i s i o na n ds p e e di s o f g r e a tp r a c t i c a lv a l u e t h ec c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) i sa ni m p o r t a n td e t e c t i o nd e v i c et o a c q u i r et h et a r g e ti n f o r m a t i o n t h ec c di s an e wi d n do fs e r e c o n d u c t o r o p t o e l e c t r i c a ld e v i c ei n v i t e da tt h eb e g i n n i n go ft h e7 0 si n2 0c e n t u r ya n di s d e v e l o p e dr a p i d l yi nt h er e a i mo fi m a g et r a n s m i s s i o na n dn o n - c o n t a c tm e 豁w e m e m d u et oi t sh i g hr e s o l u t i o n , h i g hs e n s i t i v i t y , l i g h tw e i g h t , s m a l ls i z e ，l o wp o w e r , l o n g h r e , g o o dr e l i a b i l i t y , c o n v e n i e n c e i ns i g n a l p r o c e s s i n g , e a s yc o n n e c t i n gw i t h c o m p u t e r , c c di ss u p e r i o rt op r e v i o u sm e c h a n i c a la n do p t i c a lm e a s u r i n gd e v i c ei n m e a s u r i n gf i e l d b a s e do nt h o s ea d v a n t a g e so fr n e a rc c d 9i ti su s e di no i 删 t r i a n g u l a rm e t h o d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： t h es y s t e m a t i c a ls c h e m eo fl a s e rt r i a n g u l a rm e a s u r i n gd e v i c ei s p r o p o s e d w h i c hc o n s i s t so fl a t t i c ei s p l 0 1 6i n s y g e mp r o g r a m m a b l el o g i cu n 嵋m s - 5 1s i n g l e c h i pm i c r o p r o c e s s o ra n do p t i c a ls y s t e m i ti sa ni n t e g r a t i o no fo p t i c s ，e l e c t r i c s ， c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm e c h a n i c s i tc a na u t o m a t i e a l l yw o r k o rb en u m e r i c a l l y c o n t r o l l e db ym i c r o - c o m p u t e rt os a m f ye a c hm e a s u r i n gr e q u e s ti nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s e v e r yh a r du n i ti n t h el a s e rt r i a n g u l a rm e a s u r i n gd e v i c ea r ca n a l y z e da n d d i s c u s s e dd e t a i l e da n dt h ep r o t o t y p es y s t e mi sd e v e l o p e d i tc a nt r a n s m i tt h e p r o c e s s e di n f o r m a t i o nm a d eb y m s - 5 1s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o ro rt h ec c dm d e i n f o r m a t i o ni n t om i c r o c o m p u t e r a ne n v i r o n m e n t a lh g h ts e l f - a d a p t e d a l g o r i t h m i s d e s i g n e dt om a k et h e d e s i g n e dl a s e rt r i a n g u l a rm e a s u r i n gd e v i c eh a v ee n v i r o n m e n ta u t o - a d j u s tf u n c t i o n , s oa st oc h a n g et h ee x p o s u r et i m eo fc c d ，a c c o r d i n gt ot h es u r f a c ec h a r a c t e ro f m e a s u r e do b j e c t st oe n h a n c ei t sa d a p t a b i l i t y t h em a i nf a c t o ra f f e c t i n gt h em e a s u r i n gp r e c i s i o nc a u s e db yl a s e r sr a n d o m n o i s ei ss t r e s s e d b ya n a l y z i n gl o t so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，ah e wf i l t e r i n ga l g o r i t h m c o m b i n e ds t a t i s t i c a la v e r a g ep r o c e s s i n gw i t hr e l i a b i l i t ys o r tp r o g r a mi sp r o p o s e d , w h i c hc a nr e s t r a i nt h er a n d o mn o i s e si n f l u e n c ee f f e c t i v e l ys o 鹊t oi m p r o v et h e m e a s u r i n gp r e c i s i o n f i n a l l y , s o m ef u r t h e ri m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n sf o r t h el a s e rt r i a n g u l a rm e a s u r i n g d e v i c ea r ep r e s e n t e d k e yw o r d ：l a s e rt r i a n g u l a rm e t h o d ；l a s e rt r i a n g u l a rm e a s u r i n gd e v i c e ；l i n e a rc c d ； p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ；, r a n d o mn o i s e v i 7 k 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 激光测微头是一种测量精度高、速度快、体积小、稳定、不接触被测物体以 三角法测量原理为理论基础，以c c d 获取物体信息的光学测量仪器。由于它以 上的优点被用于物体位移和尺寸的测量，在工业产品的在线检测中被广泛应用， 有效的减少人工测量的劳动强度，提高生产效率。本文对激光测微头的研究具 有很高的实用性。 1 1 激光三角法的基本原理 激光三角法广泛用于三维面形轮廓 7 - 9 1 和尺寸测量。 激光三角法测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然 后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置 高度不同，c c d 光电探测器测出光斑像的位置也不同，从而计算出物体表面激 光照射点的位置高度【1 0 圳1 。 + ax 矿 图1 - 1 三角法原理图 当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就发生改变，从而实现激光测量物 体的位移。 婴型奎兰! 堂垒堡墨 箜= 兰丝堡 采用点结构的照明光束的激光三角法具有系统结构简单、价格低廉、操作方 网j 玎大学硕十学位论文 第一章 绪论 位置，则像点位置的差异司以表不为： t ：f ( + z ；t e , a d ( ! 一l ) , i t z 0z 可 觚：f 仉+ 乙留吼) ( 上一上) 2 0 2 r e 用x 方向的位移量计算物体的距离，可以得到： 。l + a x , x z , q 。f ( x , + z , t g o , ) 4 ，订 ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) 上式表明，z o 和斯之间呈非线性关系。通常，采用一维线阵探测器，是投影 光轴、成像光轴和探测器阵列位于同一平面，这时像点的位置只是在x 方向上 沿探测器阵列移动，有效光源位于x 轴上即胪0 ，且= z r - o ，这时上式可以简化 为： g o = _ _ 二! _ = _ ( 1 8 ) 2 瓦弓专而 u 踟 这种由一个投影光轴和一个成像光轴构成的测量系统又称为单三角测量系 统。这种测量方法要求投影光轴和成像光轴之间恒定的夹角。如果用这种系统 完成一维或二维物面高度的测量，必须在整个传感器( 包括投影和成像) 和被 测物体之间附加一维或二维的相对扫描，如果我们引入第二个成像系统，则可 以构成双三角测量系统。这是距离的测量可以通过比较在两个探测器上像点的 差异而实现，而单三角法中距离的测量是通过比较一个相对于物面的像点和一 个相对于基准的像点而实现的。正如图1 - 2 所示，在第二个探测器平面上像点 的坐标为： 而2 ：孚。二掣 ( 1 9 ) “ ( 如一z l 2 ) 。 只2 ：掣 ( 1 1 0 ) 2 0 一2 l 2 j ( 1 3 ) 和( 1 9 ) 两式联立，可以得到： 知：垡世 ( 1 1 1 ) 堕! ! ! 盔兰堡兰些丝苎 苎二童 堕笙 1 2 点激光测微头的光学系统 图1 - 3 三角法的光学系统 点结构光法用点光源照明被测物体，光能量集中，可获得高的信噪比，在测 量较暗和较远距离物体时具有优势，如图1 - 3 所示，口是点激光投影光轴和透 镜光轴的夹角，是透镜光轴和c c d 探测器的夹角，厂是透镜i 的焦距。j 、 并：是物体位移量在c c d 上成像的两个端点。z 是物体的位移距离，缸是物 体位移距离在c c d 上成的像，根据一定的成像关系，由缸就可算出z 。 1 3 c c d 测量物体位移原理 c c d 的 c c d 的 图1 4 视频信号转换电路 测某一物体的位移怯，首先使点激光照射某待测物体，其影像正投影到c c d 的 四川大学硕十学位论文第一章绪论 光敏面上，得到影像在c c d 的初始位置置，然后移动物体可以得到待测物体的移 动后影像在c c d 上的位置z ，根据这两个位置可以计算出物体的位移。其视频 信号转换电路框架如图1 - 4 所示，在信号处理电路中采用差分放大器把输入的视 频信号经过差分，然后通过a d 转化成数字信号，把数字信号存入单片机外部扩 展的数据存储器r a m ，在单片机中用重心法“”即( 1 1 2 ) 式计算出光强分布的质 心，从而准确地找出光斑影像在c c d 的位置，获得亚像素级定位精度。 小皆一心s “ 式中z 。为光点像在c c d 上的重心位置( 单位是像素) ；f 是c c d 上离散值的序号 ( 最大值为已定c c d 的像素个数) ；* 是第- 爪有效采样点的强度值经过a d 转化 后的数字信号值。通过( 1 1 2 ) 式算出、x 2 ，( 五一五) 就是物体位移影像 在c c d 上成像的光敏元的数量，那么缸= k t x t x ，) 物体位移在c c d 上成像的距 离( k 为c c d 相邻两个像素的中心距离) 。所以根据一定的成像关系由血可以计 算出物体位移z 。 整个测量系统的框架图如图卜5 所示，其主要包括光学成像系统、c c d 元件、 c c o 驱动电路、视频处理器、计算机接口，信号处理软件。 图1 - 5 测量系统 1 4 本文结构 第一章介绍了激光三角法的基本原理，点激光测头的光学系统以及测量物体 的位移和尺寸的方法，系统的结构框架。 第二章经过分析提出了一套实用的光学系统参数。 眄儿i 大学硕t - 学位论文第一章 绪论 第三章重点介绍了测量系统的重要组成部分c c d 的结构。并详细介绍了的 二相线阵c c d t c d l 2 0 6 u d 的驱动波形，采用i s p 技术产生c c d 驱动波形，以及 测量系统的自适应技术。 第四章介绍了测量系统的数据采集和硬件结构，着重介绍了系统与计算机的 串口通信接口设计，以及计算机的高级语言v i s u a lc + + 中重心法计算原理。 第五章列出了影响测量系统精度的几个因素，重点分析了散斑对测量精度的 影响，提出用可靠性排序滤波算法来降低散斑效应对精度的影响。 第六章提出了用定点标定消除光学系统的误差和硬件上的两种改进方案：用 v h d l 简化c c d 驱动波形设计；增设模拟接口，采用数模转化技术以电压来表 示物体信息。 第七章是本文总结。 1 5 本章小结 本章主要论述了三角测量的原理，并针对本论文所要完成的工作详述了点激 光测量的基本原理和光学系统，以及物体位移测量的基本方法和整个测量系统 构架，最后给出了本文结构。 四川大学硕士学位论文 第二章 测量系统的光学部分 第二章测量系统的光学部分 2 , 1 测量系统的光路 c c d 图2 1 光学系统 图2 1 是在图1 3 为基础上加以改进的实际光路图。点结构照明的三角测量 系统中采用图2 1 所示的光路结构，其中c 点是激光投影光轴与物体的交点，b 点是c 点在c c d 上成的像点，图中的点划线是凸透镜l 的光轴，a 是凸透镜1 的光心，口是点激光投影光轴和透镜光轴的夹角，是透镜光轴和c c d 探测器 的夹角，万是c c d 与水平方向的夹角，粗虚线是激光三角测头的外框，x 是物 体位移在c c d 上成的像，0 点是凸透镜l 和凸透镜2 光轴的交点，d 点是0 点在 c c d 上的像点，凸透镜l 是成像元件，凸透镜2 是为了聚焦激光器的出射光使 照射到物体上的光斑更小。 探测器基线与成像光轴所成倾角，满足s c h e i m p f l u g 条件时“，即满足： 辔口= m t g f l ( 2 1 ) 四川大学硕士学位论文 第二章 铡量系统的光学部分 时，投影光轴与探测器之间成物像共轭关系，在一定景深范围内的被测点都能 正焦地成像在探测器阵列上，从而保证了系统的测量精度。上式中，m 是光轴 上成像系统的放大倍率。角度，与激光投影光轴和成像光轴的夹角口，以及 与m 有关，放大倍率m 为： a d 肘2 酉 ( 2 - 2 ) ( 2 2 ) 式中a d 是o 点的像距，o a 是o 点的物距。 记凸透镜l 的焦距为，则a z 和x 之间的关系为： a z ：祟粤桨 (23)f s i n 口+ c o s 口s i n 口血 。7 处理c c d 的视频信号得到缸= t ( x i 一k ) ，即可根据( 2 3 ) 式计算出移动位 移z 。激光三角测量法的测量精度，即能分辨的最小移动距离为： ，= k m ( 2 4 ) 式中的七为c c d 的分辨率，即相邻像素的中心距离。 2 2 光学系统参数的选取 激光测微头必须要考虑的三个方面足：测量范围、测量精度以及整个系统的 体积。需兼顾三个方面，合理选择系统参数。以图2 - l 的c 点来计算，测量高 度是凸透镜l 和凸透镜2 的光轴交点0 到凸透镜l 光心a 的竖直距离m 】。 万是c c d 与水平方向的夹角：8 = 9 0 一0 一( 2 5 ) c c d 所在的电路板总的长度尺寸为p ：- 6 0 m m 物距，： 像距，： 放大率m ： z ：旦 c o s 0 ，：卫 l f m ：上 l 一 c c d 与成像光轴的夹角夕： 口= a r c t g ( t g o m ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 四川大学硕士学位论文第二章测量系统的光学部分 将( 2 8 ) 式姒( 2 4 域髓精鼽，= = 警( 2 1 0 ) 测头的水平距离厶 = 1 0 邓+ f ) s i i l 护+ 主c 。s j + 占 ( 2 ( 2 1 1 ) 式中的“1 0 ”是凸透镜2 的半径，e 是设计时留的余量，可以取1 0 r a m 。 d 测头的竖直距离r ： r = 1 0 + l c o s 8 + 一s i n 占+ 占 ( 2 1 2 ) 2 ( 2 1 2 ) 式中的“1 0 ”为凸透镜2 离上边缘的距离，p 同上也取l o m m 。 取( 2 3 ) 式中缸= 2 1 6 0 刁x o 0 1 4 ( t c d l 2 0 6 u d 的有效光敏元为2 1 6 0 个，每 个光敏元的尺寸是0 0 1 4um ，像点在c c d 的边缘会导致测量偏差，为了保证测 量精度，c c d 的边缘光敏元件不可用，目为光敏元数量的使用系数，取刁= o 9 ) ， 将式( 2 6 ) 、( 2 9 ) 代入式( 2 3 ) ，可得系统的测量范围丕 z ： 垡二2 1 垫生兰兰! ! q 兰翌兰里：q ! ! f s i n 口+ c o s 8 s i n 2 1 6 0 x 刁o 0 1 4 ：丝坠垒咝( 2 1 3 ) f c o s 2 口厂2c o s 2o + t 9 2 0 ( h f c o s 印2 + c o s 2 0 ( h f c o s 8 ) j ( 2 1 3 ) 式中，= 2 1 6 0 x 叩0 0 1 4 = 2 7 2 1 6 m m 由以上的公式可以得出，三角法测微头的测量范围、精度、尺寸由测量高度从 投影光轴和成像光轴的夹角f 以及成像系统的焦距厂决定的。 就三种情况分另l j 进行讨论： 一、焦距厂和投影光轴和成像光轴的夹角口不变，测量高度变化对测头各方 面的影响，取厂= 3 7 m m , p = 2 5 。，如图2 2 。 h m m ( a ) 高度h 与测最精度，的关系 系 四川大学硕t - 学位论文第二章 测量系统的光学部分 h m m i f r a m ( c ) 高度日与系统水乎尺寸三的关系 ( d ) 高度与系统竖直尺寸r 的关系 图2 - 2 焦距厂和夹角口不变，高度对测头的影响 由图2 2 可以得出，焦距厂和投影光轴和成像光轴的夹角口固定不变，测 量精度，、系统竖直尺寸刀与高度成递减关系，而测量范围厶系统水平尺 寸与高度成递增关系。 二、焦距，和高度不变，投影光轴和成像光轴的夹角f 变化对测头各方面的 影响，取= 3 7 m m ，p 9 0 m m ，如图2 - 3 。 e 产 ( b ) 夹角口与测量范围z 的关系 ( c ) 夹角口与系统水平尺寸三的关系 ( d ) 夹角口与系统竖直尺寸r 的关系 图2 - 3 焦距f 和高度不变，夹角0 对测头的影响 四川大学硕十学位论文 第二章测量系统的光学部分 由图2 - 3 可以得出，焦距，和高度固定不变，测量精度y 、系统竖直尺 寸斤和投影光轴与成像光轴的夹角日成递减关系，而测量范围三系统水平尺 寸与投影光轴和成像光轴的夹角口成递增关系。 三、投影光轴和成像光轴的夹角口和高度不变，焦距，变化对测头各方面的 影响取口= 2 5 。，p 9 0 m m ，如图2 4 。 f m ( a ) 焦距f 和测量精度y 的关系 f m ( b ) 焦距和测最范围z 的关系 f m f m ( c ) 焦距厂和系统水平尺寸的关系( d ) 焦距，和系统竖直尺寸露的关系 图2 - 4 夹角口和高度日不变，焦距厂对测头的影响 由图2 4 可以得出，投影光轴和成像光轴的夹角口和高度固定不变，测 量范围z 与焦距厂成递减关系，而测量精度，、系统竖直尺寸最系统水平尺 寸和焦距厂成递增关系。 综合式( 2 1 0 ) ，( 2 1 3 ) 和图2 - 2 图2 4 ，可以得出测量范围z 与高度髓 投影光轴和成像光轴的夹角口成递增关系，而与焦距，成递减的关系；测量精 度，和焦距，成递增的关系，而与高度髓投影光轴和成像光轴的夹角口成递 减关系。在满足测量范围的条件下，高度和角度0 不宣选的太大，否则会降 低测量精度。增大焦距能提高测量精度，但同时也减小了测量范围。所以在已 四川大学硕士学位论文 第二章 测量系统的光学部分 定参数下，测量范围和测量精度是一对矛盾，不可能同时提高两者，必须根据 实际要求并结合理论分析选取合适的参数，使测量系统获得最佳效果。从理论 上说选用光敏元数多，而且光敏元尺寸小的c c d 就既可以提高测量范围也可以 提高测量精度，实际上测量精度还受到散斑效应等其他因索的影响。 经过反复对比验证，所采用的一组系统参数为：投影光轴和成像光轴的夹角 口= 2 5 4 ，高度忙9 0 m ，焦距= 3 7 m 。根据这组数据，由式( 2 i 0 ) 一( 2 1 3 ) 分别可算得测量精度7 = 0 0 2 3 6 m m ，测量范围z = 3 3 9 2 册。水平尺寸l = 1 0 5 6 m ， 竖直距离庐9 6 9 珊。 图2 - 5 实际的测量光学系统 图2 5 是根据上面分析得到的参数做成的实际光学系统，由点激光器、透 镜、c c d 所在的电路板组成。 2 3 本章小结 本章分析了各个光学参数对系统测量精度、范围、外观尺寸的影响，根据反 复对比提出了一套实用的光学系统参数。 四川大学硕十学位论文第三章c c d 的工作原理和驱动设计 第三章c c d 的工作原理和驱动设计 c c d 是激光测微头的重要组成部分，本章将介绍c c d 的结构和工作原理，以 及对c c d 工作波形进行详细介绍，着重介绍采用i s p 技术制作c c d 的驱动波形。 3 1c c d 的基本结构 电荷祸合器件的突出特点是以电荷作为信号，不同于其他的大多数器件是以 电流或电压为信号。c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，c c d 工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测“”1 。 c c d 有两种基本类型：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，这类器件称为表面沟道c c d ( 简称s c c d ) ；二是电荷包存储在离半导 体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟 道器件( 简称b c c d ) 。下面以s c c d 为主讨论c c d 的基本工作原理。 构成c c d 的基本单元是s ( 金属一氧化物一半导体) 结构。如图3 - i ( a ) 所 示，在栅极g 施加正偏压u g 之前，p 型半导体中空穴( 多数载流子) 的分布是 均匀的。 金属 氧 p 型半导体 ( a ) 耗尽区 ( b ) 反型层 ( c ) 图3 1 单个c c d 栅极电压变化对耗尽层的影响 ( a ) 栅极电压为零；( b ) 栅极电压小于阈值电压：( c ) 栅极电压丈于阈值电压 当栅极施加正偏压u o ( 此时u o 小于p 型半导体的阈值电压u m ) 后，空穴被 排斥，产生耗尽区，如图3 - i ( b ) 所示。偏压继续增加，耗尽区将进一步向半 四川大学硕十学位论文第三章c c d 的工作原理和驱动设计 导体体内延伸。当u o u m 时，半导体与绝缘体界面上的电势( 常称为表面势， 用m s 表示) 变得如此之高，以致将半导体体内的电子( 少数载流子) 吸引到 表面，形成一层极薄的( 约1 0 。2 u m ) 但电荷浓度很高的反型层，如图3 - 1 ( c ) 所示。反型层电荷的存在表面了m o s 结构存储电荷的功能。然而，但栅极电压 由零突变到高于阈值电压u l i l 时，轻掺杂半导体中的少数载流子很少，不能立 即建立反型层。在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸，而且， 栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上。如果随后可以获得少数载流 子，那么耗尽区将收缩，表面势下降，氧化层的电压增加。当提供足够的少数 载流子时，表面势可降低到半导体材料费密能级o f 的两倍。例如，对于掺杂 为1 0 ”c 1 1 1 的p 型半导体，费密能级为0 3 v 。耗尽区收缩到最小时，表面势中s 下降到最低值0 6 v ，其于电压降在氧化层上。 为了理解c c d 中势阱及电荷如何从一个位置移到另一个位置。可观察图3 2 中c c d 中四个彼此靠的很近的电极。假定开始时有一些电荷存储在偏压为1 0 v 的第一个电极下面的深势阱垦，其他电极上均加有大于阈值电压u 血的较低电 压( 例如2 v ) 。设图3 2 ( a ) 为零时刻( 初始时刻) 。经过t l 时刻后，各电极 上的电压变成如图3 - 2 ( b ) 所示，第一个电极仍保持为i o v ，第二个电极上的 电压由2 v 变到i o v ，因这两个电极靠得很紧( 日j 隔只有几微米) ，它们各自的 对应势阱合并在一起，原来在第一个电极下的电荷变成为这两个电极下势阱所 共有，如图3 - 2 ( b ) 和如图3 2 ( c ) 。若此后电极上的电压变成为如图3 2 ( d ) 所示，第一个电极电压由i o v 变为2 v ，第二个电极电压仍为i o v ，则共有的 电荷转移到第二个电极下面的势阱中，如图3 2 ( e ) 所示。由此可见，深势阱 及电荷包向右移动了一个位置。 通过将一定规则变化的电压加到c c d 各电极上，电极上的电荷包就能沿半 导体表面按一定方向移动。通常把c c d 电极分为几组，每一组称为一相，并施 加同样的时钟脉冲。c c d 的内部结构决定了使其正常工作所需要的相数。图3 - 2 所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图，如图3 2 ( f ) 所示，这样的c c d 称 为三相c c d 。三相c c d 的电荷耦合( 传输) 方式必须在三相交叠脉冲的作用下， 才能以一定的方向逐单元地转移。另外必须强调指出，c c d 电极间隙必须很小， 电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下。这对于如图3 - 2 所示的 电极结构是一个关键问题。如果电极间隙比较大，两相邻电极问的势阱将被势 四川大学颂十学位论文 第三章c c d 的t 作原理和驱动设计 垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移，c c d 便不 能在外部脉冲作用下正常工作。 2 v1 0 v2 v2 v 9999 二，号哆乡吵吵，哆芒 ! ；蜥有电荷 的势阱 t a ) 2 v 1 0 2 vl w 2 v 甲宁9甲 7 隽芝吵吵，哆z 一卑d 一 电荷移动 2 v i o v 2l o v2 v 甲宁甲甲 7 鼍电哕吵哆! ! - 尹z 一断势阱 ( b ) 2 v2 vl o v2 v 甲宁甲宁 = r ，哆吵吵岁，哕z 百 2 v l o vl o v2 v 9宁99 7 为哆电专，号 一r 一一 e 三三：；j ( c ) m 世 丛：1 ：0 v v 垂筵世 电 世 ( e ) ( f ) 图3 - 2 三相c c d 中电荷的转移过程 ( a ) 初始状态；( b ) 电荷由电极向电极转移；( c ) 电荷在、电极下均匀分布；( d ) 电荷继续由电极向电极转移；( e ) 电荷完全转移到电极；( f ) 三相交叠脉冲 能够产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构、表面态密度等因 素决定。理论计算和实验证实，为了不使电极删隙下方界面处出现阻碍电荷转 移的势垒，间隙的长度应小于3 u m 。这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区 宽度的尺寸。当然如果氧化层厚度、表面态密度不同，结果也会不同。但对绝 大多数c c d ，l u m 的间隙长度是足够小的。 c c d 还必须在正确的波形驱动下，才能正常工作，完成对被测物体信息的获 取。 朋川大学硕七学位论文 第三童c c d 的丁作原理和驱动设计 3 2t c d l 2 0 6 u d 工作原理 l 塑分吐囹 i $ t t广广 巾，厂 厂 厂 广 厂 厂 厂 厂 厂 厂 m ：厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂j 厂广 瓤1n n n n n n n n nnn nnn n n n n n n 几 s p f 1 1n n n n n n n n n n n n n n n n n n n 1n 吼t 丁 k 生尘r + ； 三! ! ! 尘垫垡曼 1 1 2 全1 。 图3 - 3t c d l 2 0 6 u d 的驱动波形。 在本文激光测量系统中采用的是t c d l 2 0 6 u d 型号的二相线阵c c d 。它是由 2 2 3 6 个p n 结光电二极管构成光敏元阵列，其中前6 4 个和后1 2 个用作暗电流 检测而被遮蔽的。每一个光敏单元的尺寸为1 4 u m 长、1 4 u m 高，中心距也为1 4 u m 。 光敏元阵列总长为3 0 2 4 m m ，光敏元的两侧是用作存储光生电荷的m o s 电容列。 m o s 电容列两侧是转移电极，转移栅的两侧为c c d 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。 t c d l 2 0 6 u d 在图3 3 所示的驱动脉冲作用下工作。当s h 脉冲高电平来到时， 正值o l 电极下均形成深势阱，同时s h 的高电平使m l 电极下的深势阱与m o s 电容存储势阱沟通。m o s 电容中的信号电荷包通过转移栅转移到模拟移位寄存 器的m l 电极下的势阱中。当s h 由高变低时，s h 低电平形成的浅势阱将存储 栅下势阱与o l 电极下的势阱隔离开。存储栅势阱进入光积分状态，而模拟移 位寄存器将在o l 和吐 2 脉冲作用下驱使转移到中l 电极下势阱中的信号电荷向 左转移，并经输出电路由o s 电极输出。 由于结构上的安排，o s 端首先输出1 3 个虚设单元信号，再输出5 1 个暗信 号，然后才连续输出s 1 到s 2 1 6 0 的有效像素单元信号。第s 2 1 6 0 信号输出后，又 输出9 个暗信号，再输出2 个奇偶检测信号，以后便是空驱动。空驱动数目可 以是随意的。e h 于该器件足两列并行分奇、偶传输的，所以在一个s h 周期中 至少要有1 1 1 8 个o l 脉冲。即t 钳 1 1 1 8 t l 。 四川大学颂十学位论文 第三章c c d 的t 作原理和驱动设计 图3 3 的各驱动信号的作用： 1 其中s h 波形的高电平( 必须在o l 的高电平时才有效) 是c c d 的曝光时间。 这个高电平的宽度可根据光源的强度和系统要求进行调节，在低电平的宽度内 必须把所有转化成模拟信号的c c d 存储电荷传输出去，所以低电平宽度一定要 大于所有信号传输时间之和。 2 从图3 - 3 中可以看出蛾和唾1 2 波形在相位上刚好相反，开始中i 的高电平是 让c c d 开始曝光，获得所测物体有用的电荷信号，在后面的每个周期中送出两 个电荷信号。m l 的周期是o r 的两倍，占空比是5 0 。 3 在中r 波形的下降沿时，c c d 就将输出相应位置c c d 电荷信号( 注意：c c d 总共送出2 2 3 6 个信号，其中前面的6 4 和最后的1 2 的信号为无用信号，有用的 就只有中间的2 1 6 0 个信号) 。 4 从图3 3 中可以看出s p 波形只是中r 波形的延迟。 5 当第一个有用信号来的时候口 c 为高电平，处理完最后一个有用信号变为低 ( 对于t c d l 2 0 6 u d 型号c c d 来说，当第6 5 个信号的时候为高电平，宽度为2 1 6 0 个o r 的周期) 。采用o c 的目的是屏蔽不要的7 6 个信号，而只获得有用的2 1 6 0 个信号。 3 3基于i s p 技术的t c d l 2 0 6 u d 驱动电路 为了保证c c d 能正常工作，必须设计出符合如图3 3 所示波形的驱动电路。 图3 - 4 硬件系统 传统线阵c c d 驱动器大多采用计数分频的分频技术来产生c c d 所需的各种驱动 信号，驱动电路也比较复杂，光积分时间及信号的转移完全由驱动电路本身控 制，积分时间固定，使用起来缺乏灵活性。所以本文采用i s p 协删技术来解决 四川大学硕十学位论文第三章c c d 的_ 丁作原理和驱动没计 c c d 驱动电路的设计，简化结构。 本实验是用的l a t t i c e 公司的i s p l s l l 0 1 6 e 芯片和i s p 软件开发平台。图 3 - 4 是信号获取的硬件构架，由频率为1 6 m h z 的晶振产生i s p l 0 1 6 e s o l j 所需的 时钟信号，在i s p l 0 1 6 e 8 0 l j 中利用各种数字器件组合在一起产生t c d l 2 0 6 u d 线阵c c d 所需的驱动波形( 如图3 3 所示) 。正常工作时，从c c d 的d o s 和o s 端有包含物体信息的信号输出，通过一个差分放大器进行减法。由减法处理的 模拟信号经过t l c 5 5 4 0 a d 转化器，变成数字信号，留待后续处理。 图3 - 5i s p 芯片制作流程 图3 - 5 是i s p 使用的流程图。 i s p 软件支持三种模式的硬件设计：一、使用原理图，i s p 内部含有常用的 数字元件库，例如计数器、逻辑运算器、编码器、触发器等。建立原理图时根 据自己的需要，从元件库调入所需的元件再加上信号连线，以及信号的输入端 口和输出端口。二、v h d l 硬件描述语占。三、v e r l o g 硬件描述文件。当原理图 或者硬件语占做好后，再建立一个文本文件( 主要是仿真信号的输入) ，用于仿 真时使用。之后开始仿真，看仿真结果是否符合自己的设计要求，如果是就可 以下载到芯片了，不行则再修改原理图或者硬件语言，再仿真，直至符合设计 要求。 四川大学硕十学位论文第三章c c d 的工作原理和驱动设计 图3 - 6c c d 所在的电路板图3 - 7 物体的视频信号 图3 - 6 是图3 - 4 所示的实际电路板，主要由晶振、c c d 驱动芯片、c c d 、 运算放大器等组成。图3 7 是c c d 在图3 3 所示的波形驱动下模拟示波器测出 的物体视频信号 3 4 系统的自适应技术 c c d 的光照度历是指c c d 像敏元单位受照面积接受的光通量。c c d 是积分型 器件，其输出电流信号，不仅和光照度有关，也和两次取样的时间间隔，即积 分时日jt 有关“1 ： i = k e f t = r q ( 3 1 ) 其中，k 为比例常数，g = 毋r 称为曝光量。对于一定的器件，q 应工作在小 于饱和曝光量q 。范围内，即q q 。而且，对于c c d 像敏元而言，其光照 度不能低于灵敏阈，否则较暗部分将无法测出，产生测量误差。因此，实际测 量中，通常需要调节c c d 光敏面的照度昂，使之满足： d 阜 ( 3 2 ) 由式( 3 1 ) 可知，积分时间影响像敏元的曝光量，对于同样的光照度，积分时 间长，像敏元的曝光量就多。因此，对于光照度较弱的场合，可以采用较长的 积分时问使c c d 光敏获得足够的曝光量；反之，对于光强较强的场合，则可通 过减少积分时间的方式降低c c d 光敏元的曝光量。 ! 坐型望墅生生兰丝! ! l 一苎兰兰! 旦塑二堡堕堡塑墅垫堡茎 图3 - 8 曝光时间自适应调整流程 在i s p 设计中，本文采用8 0 c 5 1 单片机p 1 口的p 1 2 、p 1 3 两位去控制i s p 驱动芯片s h 高电平的宽度。如前面介绍，s h 的高电平部分是c c d 曝光时间， 改变它的宽度，就可以改变输出信号的强弱，表现为信号电压的高低变化。 表1 ：p 1 3 、p i 2 和积分时间对应表 p 1 3p 1 2 积分时间t o0 t 0 l2 t lo 4 t ll 8 t 兰业旦塑堑塑兰竺坐一 苎三! ! 兰里堕三堡垦矍塑矍塑堡堡 所以可以利用这一点，去实现测量系统的自适应光强调节技术。设p i 2 、p i 3 部设置为0 时的积分时间为t ，那么积分时间和p 1 2 、p i 3 对应关系如表i 所 示。 单片机就可以通过改变p i 2 、p i