關(guān)鍵詞：CCD傳感器 相關(guān)雙采樣 像素 勢阱

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)展成一項具有廣泛應(yīng)用前景的新技術(shù)，成為現(xiàn)代光電子與測試技術(shù)中最受關(guān)注的研究熱點之一。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，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。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。它的突出特點是以電荷用為信號，實現(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沒徑系統(tǒng)硬件設(shè)計

本測徑系統(tǒng)具有以下特點：

（1）采用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）通過計算機(jī)串口實現(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NS216C552和MAX202轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，輸入計算機(jī)進(jìn)行顯示。

CPLD芯片內(nèi)部分為兩部分：一部分是視頻