线阵CCD用于工件外径尺寸检测的研究

题目线阵CCD用于工件外径尺寸检测的研究TopicTheResearchonCCDusesintheworkpieceouterdiametersizeexamination2摘要CCD，是(ChargeCoupledDevice)即电荷耦合器件的缩写，它是一种特殊半导体器件，是一种新型的固体成像器件。它既具有光电转换的功能，又具有信号电荷的存储、转移和读出的功能。CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术。随着电子技术的迅猛发展，特别是近代电子技术的发展。性能卓越的单片机它在计算机外部设备、通讯设备、自动化工业控制、宇航设备、仪器仪表和各种消费类产品中都有着广泛的应用前景。本文简要介绍了CPLD/FPGA器件的特点和应用范围，并以CCD驱动电路的设计介绍了在MAX+plusII开发软件下，利用硬件描述语言输入方式来设计数字逻辑电路的过程，将CCD应用于集合量测量可以实现高精度，高效率，自动化，动态检测，非接触测量等要求，尤其用于工件外径尺寸的检测具有很强的优势。关键词：线阵CCDCPLDA/D转换器工件尺寸检测ABSTRACTCCDis(ChargeCoupledDevice),theacronymChargeCoupledDevice,whichisaspecialsemiconductordevices,isanewtypeofsolidimagingdevice.Ithasaphotovoltaicconversionfunctions,butalsohasthesignalchargestorage,transferandreadoutthefunctions.CCDtechnologyistheapplicationoflight,machines,acombinationofhigh-techandcomputerpower.Withtherapiddevelopmentofelectronictechnologies,especiallythedevelopmentofmodernelectronictechnology.Itsexcellentperformanceinthecomputerexternalcontrolequipmentcommunicationsequipmentintoindustrialautomationequipmentinstrumentationandvariousconsumerproductshavebroadapplicationprospects.ThisarticlebrieflyintroducedCPLD/FPGAdevicecharacteristicsandapplication,andCCD-drivencircuitdesignintroducedinMAX+plusIIdevelopmentsoftware,hardwaredescriptionlanguageusedtoimportdigitallogiccircuitdesignprocesswillCCDvolumemeasurementscanbeappliedtoachievehigh-precisionassembly,highefficiency,automateddynamictesting,non-contactmeasurementrequirements,particularlyforthedetectionofastrongworkingsizeadvantage.Keyword:LineCCD，CPLD，A/Dconverters，Havingsizedetection目录第一章概述.............................................11.1CCD图像传感器发展...................................11.2CCD的特点及分类.....................................1第二章CCD的工作原理.....................................32.1CCD的基本特性.......................................32.2CCD的电荷存储.......................................62.3电荷的输入和输出.....................................8第三章典型芯片TCD1206..................................133.1驱动电路的设计......................................133.2CCD信号的处理方法..................................16第四章基于尺寸测量CCD处理电路的研究....................184.1CCD二值化处理......................................184.2信号的A/D数据采集..................................204.3数据采集系统的硬件电路设计..........................22第五章基于线阵CCD的尺寸检测............................255.1工件尺寸检测系统总体构成............................255.2工件尺寸检测实验及数据处理..........................25第六章结论与展望.......................................29致谢...................................错误!未定义书签。参考文献..................................................301第一章概述图像传感器是数码相机的“心脏”，也是最关键的技术，数码相机的发展道路可以说就是图像传感器的发展道路。图像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前短短的几年，数码相机就由几十万象素，发展到800,900万象素甚至更高。其关键零部件——图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象.产品类别区分，图像传感器产品主要分为CCD、CMOS以及CIS传感器三种。本文将主要介绍CCD及其用途。1.1CCD图像传感器发展CCD（ChargedCoupledDevice）于1969年在贝尔试验室研制成功，之后由日商等公司开始量产，其发展历程已经将近30多年，从初期的10多万像素已经发展至目前主流应用的500-800万象素。CCD和传统底片相比，CCD更接近于人眼对视觉的工作方式，每一个CCD组件由上百万个MOS电容所构成（光点的多少要看CCD的像素而定）。CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及最底下的电子线路矩阵所组成。目前的CCD组件，每一个像素的面积和开发初期比较起来，己缩小到1/10以下。今后在应用产品趋向小型化，高像素的要求下，单位面积将会更加的缩小。目前市面上的绝大多数消费型机种及高端数码相机都使用CCD作为图像传感器，而CMOS传感器以往都是作为低端产品应用于摄像头和简易电脑相机上，是否采用CCD传感器一度成为人们判断数码相机档次的标准之一。目前有能力生产CCD的公司分别为：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji、SANYO和Sharp。1.2CCD的特点及分类CCD是数字相机的灵魂。CCD的面积越大，解析度就越高。CCD的制作技术对数字相机发展有极大的影响。由于制作CCD需要很高的技2术，所以到现在为止，CCD仍然是数字相机发展的最大阻碍。CCD的优点：1高解析度（HighResolution）2低噪声(LowNoise)高敏感度3动态范围广(HighDynamicRange)4良好的线性特性曲线(Linearity)5大面积感光(Largefieldofview)光谱响应广(BroadSpectralResponse)6低影像失真(LowImageDistortion)7体积小，重量轻8低耗电力，不受强电磁场影响9电荷传输功率佳10可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。CCD有两种基本类型：（1）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CCD，简称SCCD。（2）体沟道CCD——电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并可在半导体体内沿一定方向传输，有时也称为埋沟道器件。CCD又可分为线型（Linear）与面型（Area）两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。3第二章CCD的工作原理电荷耦合摄像器件（CCD）的突出特点是以电荷为信号的载体，不同于大多数以电流或电压为信号的载体的器件。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD的基本过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测。2.1CCD的基本特性1．光电转换特性存储于CCD像敏单元中的信号电荷包是由入射光子被硅衬底材料吸收，并被转换成少数载流子（反型层电荷）形成的，因此，它具有良好的光电转换特性。它的光电转换因子可达到99.7%以上。另外，可以推出：Qin＝tchqA,e（2.1）式中，tc为CCD的积分时间，可以设为常数；为CCD器件的光电转换效率，当材料确定以后它是常数；q为电子电荷量，是常数；为入射辐射频率，对于某单色光亦为常数。由此可以看出CCD的光电转换特性为线性的。2.光谱响应光电成像器件的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。例如，属于外光电效应摄像管的光谱响应由光阴极材料决定；属于内光电效应的视像管和CCD摄像器件的光谱响应分别由靶材料和硅材料决定；热释电摄像管基于材料的热释电效应，它的光谱响应特性近似直线。3．动态范围饱和暴光量和等效噪声暴光量的比值称为CCD的动态范围。CCD器件动态范围一般在103-104数量级。换种说法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决定。（1）阱中的最大信号电荷量4CCD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。设CCD的电极有效面积为A，Si的杂质浓度NA为1015cm-3，；氧化膜厚度为0.1μm，电极尺寸为10*20（μm）2，栅极电压为10V，则SCCD中，势阱中的电荷量Q为0，6PC或3，7106个电子。Q可近似用下式表示Q=CoxUoA（2.2）式中，Cox是单位氧化膜面积的电容量，Uo为栅极电压。在BCCD中，计算比较复杂，随着沟道深度增加，势阱中可以容纳的电荷量增加减少，对于与上述SCCD条件相同的BCCD，若氧化膜厚0.1μm，相当于沟道深度的外延层厚度为21μm，则QSCCD/QBCCD约为4.5。（2）噪声在CCD中，有以下几种噪声源：①由于电荷注入器件引起的噪声；②电荷转移过程中，电荷量的变化引起的噪声；③由检测时产生的噪声。（Ⅰ）光子噪声：由于光子发射是随机过程，因而势阱中收集的光电荷也是随机的，这就成为噪声源。由于这种噪声源与CCD传感器无关，而取决于光子的性质，因而成为摄像器件的基本限制因素，这种噪声主要对于低光强下的摄像有影响。（Ⅱ）胖零噪声：对SCCD，在使用偏置电荷（胖零）时，也会产生噪声，这与使用偏置光的情况一样。（Ⅲ）俘获噪声：在SCCD中起因于界面缺陷，在BCCD中起因于体缺陷，但BCCD中俘获噪声小。（Ⅳ）输出噪声：这种噪声起因于输出电路复位过程中产生的热噪声。该噪声若换算成