自二十世紀(jì)80年代開始,，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)與測試技術(shù)中最受關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。例如,，在國防軍事領(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,；在工程測量領(lǐng)域，CCD在工件尺寸測量,、工件表面質(zhì)量檢測,、物體熱膨脹系數(shù)測量、光強(qiáng)分布測量等方面都有很好的應(yīng)用,。
　　在生產(chǎn)實(shí)際中,，許多場合需要對一維尺寸進(jìn)行測量，例如對帶,、管,、條等的測量。采取傳統(tǒng)的先加工后測量的方法,，勞動強(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)時在線檢測系統(tǒng)，一方面可使生產(chǎn)人員及時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對線材直徑進(jìn)行非接觸實(shí)時測量的系統(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，每一個光敏像元就是一個MOS電容器,。它的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號,，實(shí)現(xiàn)電荷的存儲和電荷的轉(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小的正電壓時,，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,，這一耗盡層對于帶負(fù)電荷的電子而言是一個勢能特別低的區(qū)域，因此也叫做勢阱^[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,，因內(nèi)光電效應(yīng)將產(chǎn)生電子-空穴對(硅吸收能量釋放價電子,，形成電子-空穴對)，在耗盡區(qū)電場作用下,，空穴流入襯底底部,，電子則積存于半導(dǎo)體表面，這樣勢阱中就積存了一定量的電荷,，且勢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 信號電荷的傳輸是通過控制各個像素上的電極電壓，電荷就會從電壓低的電極轉(zhuǎn)移到電壓高的電極下,，使信號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,。
　　線陣CCD電荷包只單方向傳遞，每一個掃描周期,，所有像素都沿著電極相繼傳遞,，進(jìn)行像素的水平移動，直到所有像素全部輸出,。
2 線陣CCD測徑系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　本測徑系統(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)動和控制時序邏輯；
　　(3) 由外部PC機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對CCD積分,、時間,、大小和數(shù)據(jù)采集工作過程的控制；
　　(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) 通過計(jì)算機(jī)串口實(shí)現(xiàn)對數(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)具體的工作過程：由CPLD產(chǎn)生CCD傳感器所需的工作時序，再經(jīng)時鐘驅(qū)動電路產(chǎn)生時序和偏置都滿足CCD要求的信號,，驅(qū)動CCD輸出模擬視頻信號,；該信號經(jīng)放大,、A/D轉(zhuǎn)換得到8位數(shù)字信號存儲于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：一部分是視頻信號處理控制時序發(fā)生器,，它提供CCD視頻信號處理(如A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號存取等)所需的各種同步控制時序,；另一部分是CCD驅(qū)動時序發(fā)生器,。
2.1 時序信號發(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個有效像素,，像素信號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)動信號" title="驅(qū)動信號">驅(qū)動信號及輸出信號時序如圖2所示,。

　　驅(qū)動CCD所需的信號由CPLD編程產(chǎn)生，本系統(tǒng)采用一片XC9572PC44芯片實(shí)現(xiàn)時序發(fā)生器的功能,。該系列芯片是Xilinx公司典型的可通過JTAG在線編程的CPLD器件^[3],。
　　首先由CPLD產(chǎn)生符合時序要求的初始驅(qū)動信號TTL clk和TTL start，這兩路信號必須經(jīng)后面的偏置電路處理后才能得到最終的驅(qū)動信號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)動信號為低電平-7V,，高電平+5V,，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換：TTL start信號驅(qū)動三極管，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的開始信號s,；同時TTL clk經(jīng)74LS74觸發(fā)的兩路反相" title="反相">反相時鐘通過DS0026芯片變換為高電平+5V、低電平-7V的兩路時鐘信號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RL512EC/17的信號共有三個：開始信號s,，互為反相的兩路時鐘信號Φ₁、Φ₂,。開始信號s為低電平的時間就是傳感器的曝光時間,，由軟件編程控制。s為高電平時進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移,，此時每一個Φ₁,、Φ₂周期CCD就向外電路輸出一個像素，該像素值就是圖2中的VIDEO信號,。所有像素移出后,，EOS信號輸出一個低脈沖，該信號用于測試,。
　　s脈沖用來初始化每一次掃描,，兩次s負(fù)脈沖之間的間隔就是一次掃描的時間T_L，該時間必須滿足(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輸出信號飽和值的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 視頻信號放大、采樣電路
　　CCD輸出的視頻模擬信號比較微弱,，必需經(jīng)過放大后才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,。由于CCD輸出的信號電壓為負(fù)值，在放大的同時要將其轉(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]。
　　放大后的模擬信號必須進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換才能進(jìn)行下一步的存儲,、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)換的時鐘信號和使能信號由CPLD產(chǎn)生,。采樣后的數(shù)據(jù)存儲于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 測試結(jié)果
　　在對該系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和測試成功后,，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,，以及光源在通過待測目標(biāo)邊緣時的衍射現(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,，目標(biāo)尺寸的兩個邊緣在CCD上成像的具體位置不可能十分確定，導(dǎo)致CCD輸出信號波形在輪廓邊緣處有一漸緩的過渡區(qū),，而且這一過渡區(qū)隨著輪廓在視場中位置的變化而變化,。
　　(3)證明了熱噪聲對CCD性能的影響十分明顯。在系統(tǒng)剛通電和長時間通電后分別采集數(shù)據(jù),，發(fā)現(xiàn)長時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)噪聲來源于熱噪聲，隨著通電時間加長,，溫度升高,，噪聲急劇增加。
　　本系統(tǒng)沒有涉及到光學(xué)設(shè)備,，另外CCD的噪聲問題本文也沒有詳細(xì)討論,，如熱噪聲和復(fù)位噪聲等對系統(tǒng)的性能有很大影響，這些問題的解決是筆者下一步要進(jìn)行的工作,。