自二十世紀(jì)80年代開(kāi)始，攝影技術(shù)出現(xiàn)了革命性的突破，即電荷耦合器件CCD(Charged Coupled Device)的廣泛應(yīng)用。目前，CCD技術(shù)已發(fā)展成一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的新技術(shù)，成為現(xiàn)代光電子學(xué)與測(cè)試技術(shù)中最受關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。例如，在國(guó)防軍事領(lǐng)域，CCD成像技術(shù)在微光、夜視、遙感應(yīng)用中發(fā)揮著巨大的作用，適應(yīng)了現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的需求，成為軍事微電子學(xué)的研究熱門；在科研領(lǐng)域，由于其靈敏度高、噪聲低，成為研究宏觀(如天體)和微觀(如生物細(xì)胞)現(xiàn)象不可缺少的工具；CCD具有成本低、小而輕的特點(diǎn)，在圖像通信領(lǐng)域也獲得了廣泛的用途；在工程測(cè)量領(lǐng)域，CCD在工件尺寸測(cè)量、工件表面質(zhì)量檢測(cè)、物體熱膨脹系數(shù)測(cè)量、光強(qiáng)分布測(cè)量等方面都有很好的應(yīng)用。
　　在生產(chǎn)實(shí)際中，許多場(chǎng)合需要對(duì)一維尺寸進(jìn)行測(cè)量，例如對(duì)帶、管、條等的測(cè)量。采取傳統(tǒng)的先加工后測(cè)量的方法，勞動(dòng)強(qiáng)度大，信息反饋慢，直接影響了線材的質(zhì)量和生產(chǎn)效益。因此，必須有一套高精度的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)，一方面可使生產(chǎn)人員及時(shí)了解線徑的大小及偏差，一方面給生產(chǎn)機(jī)構(gòu)伺服系統(tǒng)提供正比于偏差的反饋量，實(shí)現(xiàn)反饋控制。
　　本課題研制了一套用線陣CCD對(duì)線材直徑進(jìn)行非接觸實(shí)時(shí)測(cè)量的系統(tǒng)，可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。
1 CCD電荷的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移原理
　　CCD是由一系列排得很緊密的MOS電容器組成，每一個(gè)光敏像元就是一個(gè)MOS電容器。它的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。
1.1 CCD光電轉(zhuǎn)換
　　當(dāng)在MOS電容器的柵極上加上一個(gè)小的正電壓時(shí)，半導(dǎo)體中的自由空穴被排斥到遠(yuǎn)離柵極的一邊，在SiO2的表面下形成一層電子的耗盡區(qū)，當(dāng)柵壓繼續(xù)增加，耗盡層將進(jìn)一步向半導(dǎo)體內(nèi)延伸，這一耗盡層對(duì)于帶負(fù)電荷的電子而言是一個(gè)勢(shì)能特別低的區(qū)域，因此也叫做勢(shì)阱^[1]。正柵壓進(jìn)一步增加，在界面上的電子層形成反型層。
　　當(dāng)光入射到耗盡區(qū)時(shí)，因內(nèi)光電效應(yīng)將產(chǎn)生電子-空穴對(duì)(硅吸收能量釋放價(jià)電子，形成電子-空穴對(duì))，在耗盡區(qū)電場(chǎng)作用下，空穴流入襯底底部，電子則積存于半導(dǎo)體表面，這樣勢(shì)阱中就積存了一定量的電荷，且勢(shì)阱中積存的電荷量與入射光強(qiáng)度成正比(CCD飽和的情況除外)。
1.2 CCD像素輸出
　　CCD 信號(hào)電荷的傳輸是通過(guò)控制各個(gè)像素上的電極電壓，電荷就會(huì)從電壓低的電極轉(zhuǎn)移到電壓高的電極下，使信號(hào)電荷隨著電極電壓的周期性變化在半導(dǎo)體表面或者體內(nèi)做定向運(yùn)動(dòng)。
　　線陣CCD電荷包只單方向傳遞，每一個(gè)掃描周期，所有像素都沿著電極相繼傳遞，進(jìn)行像素的水平移動(dòng)，直到所有像素全部輸出。
2 線陣CCD測(cè)徑系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　本測(cè)徑系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
　　(1)采用的CCD為EG&G RETICON公司的RL512EC/17線陣傳感器芯片；
　　(2) 采用高集成度的XC9572PC44芯片產(chǎn)生系統(tǒng)所需的驅(qū)動(dòng)和控制時(shí)序邏輯；
　　(3) 由外部PC機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD積分、時(shí)間、大小和數(shù)據(jù)采集工作過(guò)程的控制；
　　(4) 應(yīng)用了內(nèi)帶采樣保持的8位高速并行輸出A/D芯片TLC5510進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；
　　(5) 通過(guò)計(jì)算機(jī)串口實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)信息的傳輸。
　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)具體的工作過(guò)程：由CPLD產(chǎn)生CCD傳感器所需的工作時(shí)序，再經(jīng)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生時(shí)序和偏置都滿足CCD要求的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)CCD輸出模擬視頻信號(hào)；該信號(hào)經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換得到8位數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)于CPLD中，再經(jīng)芯片NS16C552和MAX202轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。
　　CPLD芯片內(nèi)部分為兩部分：一部分是視頻信號(hào)處理控制時(shí)序發(fā)生器，它提供CCD視頻信號(hào)處理(如A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)存取等)所需的各種同步控制時(shí)序；另一部分是CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器。
2.1 時(shí)序信號(hào)發(fā)生電路
　　本文采用的CCD傳感器為EG&G RETICON公司的RL512EC/17線性傳感器， 具有512個(gè)有效像素，像素信號(hào)輸出方式為串行視頻輸出。該傳感器具有高分辨率、高靈敏度、低噪聲、低功耗的特點(diǎn)，最大掃描頻率10MHz。
　　RL512EC/17各驅(qū)動(dòng)信號(hào)" title="驅(qū)動(dòng)信號(hào)">驅(qū)動(dòng)信號(hào)及輸出信號(hào)時(shí)序如圖2所示。

　　驅(qū)動(dòng)CCD所需的信號(hào)由CPLD編程產(chǎn)生，本系統(tǒng)采用一片XC9572PC44芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)序發(fā)生器的功能。該系列芯片是Xilinx公司典型的可通過(guò)JTAG在線編程的CPLD器件^[3]。
　　首先由CPLD產(chǎn)生符合時(shí)序要求的初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)TTL clk和TTL start，這兩路信號(hào)必須經(jīng)后面的偏置電路處理后才能得到最終的驅(qū)動(dòng)信號(hào)s、Φ₁、Φ₂。因?yàn)門TL clk和TTL start均為TTL電平，低電平0V，高電平" title="高電平">高電平+5V，而CCD要求的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平-7V，高電平+5V，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換：TTL start信號(hào)驅(qū)動(dòng)三極管，該三極管發(fā)射極和集電極分別接+5V和-8V,得到CCD所需的高電平+5V，低電平-7V的開(kāi)始信號(hào)s；同時(shí)TTL clk經(jīng)74LS74觸發(fā)的兩路反相" title="反相">反相時(shí)鐘通過(guò)DS0026芯片變換為高電平+5V、低電平-7V的兩路時(shí)鐘信號(hào)Φ₁、Φ₂。DS0026為專用電平轉(zhuǎn)換芯片，輸出電平與外接電壓電平一致，高低壓差最大20V^[4]。
　　直接驅(qū)動(dòng)RL512EC/17的信號(hào)共有三個(gè)：開(kāi)始信號(hào)s，互為反相的兩路時(shí)鐘信號(hào)Φ₁、Φ₂。開(kāi)始信號(hào)s為低電平的時(shí)間就是傳感器的曝光時(shí)間，由軟件編程控制。s為高電平時(shí)進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，此時(shí)每一個(gè)Φ₁、Φ₂周期CCD就向外電路輸出一個(gè)像素，該像素值就是圖2中的VIDEO信號(hào)。所有像素移出后，EOS信號(hào)輸出一個(gè)低脈沖，該信號(hào)用于測(cè)試。
　　s脈沖用來(lái)初始化每一次掃描，兩次s負(fù)脈沖之間的間隔就是一次掃描的時(shí)間T_L，該時(shí)間必須滿足(N+2)/f_s≤T_L≤40ms，其中f_s為掃描頻率，N為像素?cái)?shù)512。不大于40ms是為了保證積累的暗泄漏電荷不超過(guò)輸出信號(hào)飽和值的1%(CCD輸出電荷的飽和值為4pC，泄漏電荷在室溫下為1pA，經(jīng)40ms積累得到0.04pC的泄漏電荷)。本文采用f_s=2.5MHz，T_L=40μs。
2.2 視頻信號(hào)放大、采樣電路
　　CCD輸出的視頻模擬信號(hào)比較微弱，必需經(jīng)過(guò)放大后才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于CCD輸出的信號(hào)電壓為負(fù)值，在放大的同時(shí)要將其轉(zhuǎn)換為正值，因此筆者將運(yùn)算放大電路設(shè)計(jì)為反相放大的形式。另外，該CCD為電流輸出，運(yùn)放反相端的接地電阻必須較大，否則CCD輸出的微弱電流將不會(huì)引起電壓的明顯變化。本系統(tǒng)采用的CCD要求運(yùn)算放大器在掃描頻率(本文為2.5MHz)時(shí)的閉環(huán)增益至少為40dB。在電路設(shè)計(jì)中，選用了AD8009運(yùn)算放大器^[5]。
　　放大后的模擬信號(hào)必須進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換才能進(jìn)行下一步的存儲(chǔ)、顯示。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選用8位高速并行的A/D芯片TLC5510完成A/D轉(zhuǎn)換工作^[6]，其內(nèi)部自帶采樣保持電路，這在一定程度上簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)。TLC5510的轉(zhuǎn)換速率(20MHz)完全可以滿足CCD(2.5MHz)的工作要求。A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號(hào)和使能信號(hào)由CPLD產(chǎn)生。采樣后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于CPLD中。
2.3 I/O電路
　　考慮到本文使用的線陣CCD數(shù)據(jù)量較小、速率較低，采用串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信能夠滿足CCD與計(jì)算機(jī)間的數(shù)據(jù)通信需要。NS16C552和MAX202芯片組成的串口電路與CPLD連接，將CPLD送出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行輸出，像素信息便可傳送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、顯示。
3 測(cè)試結(jié)果
　　在對(duì)該系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和測(cè)試成功后，將采集到的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)恢復(fù)出CCD傳感器表面不同位置的亮度。光源分別在CCD遮蓋半邊、遮蓋中間以及從CCD的一側(cè)斜射的情況下照射，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行亮度仿真，具體的仿真結(jié)果如圖3所示。

　　仿真結(jié)論：
　　(1)仿真結(jié)果顯示的明暗變化能夠準(zhǔn)確反映CCD表面的光照情況。
　　(2)在(a)、(b)兩圖中，遮蓋部分與光照部分之間存在亮度過(guò)渡區(qū)。這是由于CCD本身的感光單元有一定間距，加上照明光源在視場(chǎng)內(nèi)光強(qiáng)分布的不均勻性，CCD本身的光敏不均勻性(PRUN)、轉(zhuǎn)移損失，以及光源在通過(guò)待測(cè)目標(biāo)邊緣時(shí)的衍射現(xiàn)象等原因，使得CCD輸出包絡(luò)的邊緣必然帶有明顯的梯度?；蛘哒f(shuō)，目標(biāo)尺寸的兩個(gè)邊緣在CCD上成像的具體位置不可能十分確定，導(dǎo)致CCD輸出信號(hào)波形在輪廓邊緣處有一漸緩的過(guò)渡區(qū)，而且這一過(guò)渡區(qū)隨著輪廓在視場(chǎng)中位置的變化而變化。
　　(3)證明了熱噪聲對(duì)CCD性能的影響十分明顯。在系統(tǒng)剛通電和長(zhǎng)時(shí)間通電后分別采集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間通電之后的仿真圖像明顯疊加了大量黑點(diǎn)，圖像較模糊。這是由于CCD的絕大多數(shù)噪聲來(lái)源于熱噪聲，隨著通電時(shí)間加長(zhǎng)，溫度升高，噪聲急劇增加。
　　本系統(tǒng)沒(méi)有涉及到光學(xué)設(shè)備，另外CCD的噪聲問(wèn)題本文也沒(méi)有詳細(xì)討論，如熱噪聲和復(fù)位噪聲等對(duì)系統(tǒng)的性能有很大影響，這些問(wèn)題的解決是筆者下一步要進(jìn)行的工作。