CCD尺寸测量光学系统设计原理

CCD的基本工作原理CCD的基本工作原理CCD（Charged Coupled Device，电荷耦合器件）是由一系列排得很紧密的MOS电容器组成。

它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。

因此，CCD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]。

以下将分别从这几个方面讨论CCD器件的基本工作原理。

1.1 MOS电容器CCD是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每一个光敏像元就是一个MOS（金属—氧化物—半导体）电容器。

但工作原理与MOS晶体管不同。

CCD中的MOS电容器的形成方法是这样的[2]：在P型或N型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚度约为100～150nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOS 电容器CCD一般是以P型硅为衬底，在这种P型硅衬底中，多数载流子是空穴，少数载流子是电子。

在电极施加栅极电压VG之前，空穴的分布是均匀的，当电极相对于衬底施加正栅压VG时，在电极下的空穴被排斥，产生耗尽层，当栅压继续增加，耗尽层将进一步向半导体内延伸，这一耗尽层对于带负电荷的电子而言是一个势能特别低的区域，因此也叫做“势阱”。

在耗尽状态时，耗尽区电子和空穴浓度与受主浓度相比是可以忽略不计的，但如正栅压VG 进一步增加，界面上的电子浓度将随着表面势成指数地增长，而表面势又是随耗尽层宽度成平方率增加的。

这样随着表面电势的进一步增加，在界面上的电子层形成反型层。

而一旦出现反型层，MOS就认为处于反型状态（如图3 —1所示）。

显然，反型层中电子的增加和因栅压的增加的正电荷相平衡，因此耗尽层的宽度几乎不变。

反型层的电子来自耗尽层的电子—空穴对的热产生过程。

对于经过很好处理的半导体材料，这种产生过程是非常缓慢的。

因此在加有直流电压的金属板上叠加小的交流信号时，反型层中电子数目不会因叠有交流信号而变化。

实验十二利用线阵C CD 进行物体外形尺寸的测量一、实验目的通过本实验掌握利用线阵C CD 进行非接触测量物体尺寸的基本原理和方法，用实例探讨影响测量范围、测量精度的主要因素，为今后设计提供重要依据。

二、实验准备内容1. 利用线阵C CD 进行非接触测量物体尺寸的基本原理线阵C CD 的输出信号包含了C CD 各个像元所接收光强度的分布和像元位置的信息，使它在物体尺寸和位置检测中显示出十分重要的应用价值。

CCD 输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体震动（振动）等的测量。

如图3-1 所示为测量物体外形尺寸（例如棒材的直径D）的原理图。

将被测物体 A 置于成像物镜的物方视场中，将线阵C CD 像敏面恰好安装在成像物镜的最佳像面位置上。

当被均匀照明的被测物体A通过成像物镜成像到C CD 的像敏面上时，被测物体像黑白分明的光强分布使得相应像敏单元上存储载荷了被测物尺寸信息的电荷包，通过C CD 及其驱动器将载有尺寸信息的电荷包转换为如图3 -1右侧所示的时序电D = D' / β显然，只要求出D' ，就不难测出物体A的实际尺寸D。

（3-1）线阵CCD 的输出信号U O 随光强的变化关系为线形的，因此，可用U O 模拟光强分布。

采用二值化处理方法将物体边界信息（图3-1 中的N1 与N2）检测出来是简单快捷的方法。

有了物体边界信息便可以进行上述测量工作。

2. 二值化处理方法图3-2 所示为典型CCD 输出信号与二值化处理的时序图。

图中F C 信号为行同步脉冲，FC 的上升沿对应于C CD 的第一个有效像元输出信号，其下降沿为整个输出周期的结束。

U G 为绿色组分光的输出信号，它为经过反相放大后的输出电压信号。

为了提取图3-2 所示U G 的信号所表征的边缘信息，采用如图3-3 所示的固定阈值二值化处理电路。

该电路中，电压比较器 L M393 的正输入端接 C CD 的输出信号 U G ，而反相输入端接到由 电位器 R 2 的动端，产生的可调的阈值电平，可以通过调节电位器对阈值电平进行设置， 构成固定阈值二值化电路。

目录绪论---------------------------------------------------------------------1页1.课程设计的目的--------------------------------------------------1页2. 课程设计的意义-------------------------------------------------1页3. 课程设计的任务及要求----------------------------------------1页一、CCD的基本工作原理-------------------------------------------2页二、利用线阵CCD进行玻璃管外径尺寸测量的测量方法---3页三、光学系统的选型说明------------------------------------------4页1、CCD的选择具有采样保持输出电路的线阵TCD1500C----4页2、光源及成像物镜选择--------------------------------------------6页3、线阵CCD的拼接技术--------------------------------------------7页四、石英玻璃管参数测量的设计原理---------------------------9页五、CCD用于玻璃管尺寸测量的原理---------------------------10页六、测量仪的设计原理---------------------------------------------11页总结---------------------------------------------------------------------13页参考资料---------------------------------------------------------------14页绪论1.课程设计的目的CCD自问世以来，以它无与伦比的优越性能和诱人的应用前景，引起的各国科学家的高度重视，许多发达国家不惜重金投资加速研制，加之微细加工技术的进展，使得CCD像素数剧增，分辨率，灵敏度大幅提高，发展速度惊人。

ccd尺寸测量原理
CCD（Charge-Coupled Device）尺寸测量原理主要基于CCD
相对于被测物体的像素数量，从而获得物体的尺寸信息。

CCD是一种光敏器件，由一系列的电荷耦合元件组成。

CCD尺寸测量的基本原理如下：
1. 光信号转换：被测物体发出的光线经过透镜组成的光学系统，聚焦于CCD上。

CCD的表面被分成许多像素，每个像素都能
感受到光信号。

2. 光电转换：光线照射到CCD的像素上后，光子会激发出一
定数量的电子，这些电子将被捕获并存储在每个像素中。

其存储结构使得电子的容量直接对应于光照强度。

3. 电荷传输：CCD中的电子由引导栅极依次传输至输出端，
并通过逐行或逐列传输的方式移动，最终被读取出来。

4. 电子读取：读出电路将CCD中存储的电子转换为电压信号，然后进行放大和采样，最终获得数字信号。

基于以上原理，可以通过以下步骤进行CCD尺寸测量：
1. 设置测量参数：确定测量的像素范围、采样频率和曝光时间等参数。

2. 图像采集：将被测物体放置在CCD系统下，经光学系统形
成被测物体的像，通过触发信号启动CCD系统进行图像采集。

3. 图像处理：通过图像处理算法，对采集到的图像进行处理，如灰度化、边缘检测等。

4. 尺寸测量：基于图像处理结果，通过像素数量和已知比例关系，计算出被测物体的尺寸。

5. 结果输出：将测量结果以数字信号或可视化形式输出，用于后续分析和应用。

需要注意的是，在实际应用中，为了提高测量精度和减小误差，通常还会考虑校准、光照条件控制、采集时间同步等因素。

CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。

可以称为CCD图像传感器。

CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。

CCD 上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。

一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。

CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。

CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。

经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

CCD发展史CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉〃波义耳(Willard S. Boyle)和乔治〃史密斯（George E. Smith）所发明的。

当时贝尔实验室正在发展影像电话和半导体气泡式内存。

将这两种新技术结合起来后，波义耳和史密斯得出一种装臵，他们命名为‚电荷‘气泡’元件‛（Charge "Bubble" Devices）。

这种装臵的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装臵，当时只能从暂存器用‚注入‛电荷的方式输入记忆。

但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷，而组成数位影像。

到了70年代，贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装臵捕捉影像，CCD就此诞生。

有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体（Fairchild Semiconductor）、美国无线电公司（RCA）和德州仪器（Texas Instruments）。

其中快捷半导体的产品率先上市，于1974年发表500单元的线性装臵和100x100像素的平面装臵。

CCD简介CCD广泛应用在数码摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远镜，和高速摄影技术如Lucky imaging。

CCD在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵CCD，即包括x、y两个方向用于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性CCD，它只有x一个方向，y方向扫描由扫描仪的机械装臵来完成。

目录1引言………………………………………………………………………Y 1.1 钢板测量的现状……………………………………………………………Y 1.2 CCD的简介………………………………………………………………2电荷耦合器件CCD …………………………………………………………Y 2.1 CCD发展的概述……………………………………………………………Y 2.2 CCD的特点………………………………………………………………… Y 2.3 CCD的工作原理…………………………………………………………… Y2.4 CCD的主要特性参数……………………………………………………Y3 激光三角测量法…………………………………………………………… Y4 CCD的数据采集及驱动器………………………………………………… Y 4.1光电信号的二值化处理…………………………………………………Y 4.2 序列光电信号的量化处理…………………………………………… Y4.3 序列光电信号的A/D采集…………………………………………… Y4.4 驱动器…………………………………………………………………Y6 整个系统的综合………………………………………………………… Y6.1 系统的原理方框图……………………………………………………6.2 测量系统…………………………………………………………………Y结论……………………………………………………………………………Y 致谢………………………………………………………………………………Y 参考文献……………………………………………………………………………Y中文摘要CCD(电荷耦合器件)是一种性能独特的半导体光电器件。

近年来在摄像工业检测等科技领域里得到了广泛的应用将CCD技术应用于长度等几何量测量可以实现高精度、在线动态检测和非接触测量等要求，尤其对微小长度变化量的测量具有很强的优势。

毕业设计首先介绍了CCD的工作原理和主要性能参数，其次介绍了激光三角测量法。

重庆大学学生实验报告实验课程名称电子信息综合实验开课实验室重庆大学物理实验教学中心学院物理年级 2012 专业班电子信息01 组内成员姓名张益达组长张益达设计日期：2015年10月20日起2015年12月8日止开课时间 2015 至 2016 学年第 1 学期物理学院学院制目录一、实验目的 (1)二、实验原理： (1)D的原理、种类、特点、发展、应用 (1)1.1 CCD简介 (1)1.2 CCD 工作原理 (1)1.3 CCD 的种类 (6)1.4 CCD 的发展 (7)1.5 CCD 的主要应用 (9)1.6 TCD1206UD 的工作原理 (10)2. FPGA的特点、应用、设计流程 (12)2.1 FPGA 简介 (12)2.2 FPGA 的主要应用 (12)2.3 FPGA 的设计流程 (13)三、设计要求 (14)1.电路设计 (14)D驱动信号 (14)四、实现过程 (15)1.设计方案： (15)1.1电源部分设计 (15)1.2 CCD 驱动电路的设计 (16)2.设计过程 (16)2.1电源部分 (16)2.2 CCD驱动电路部分设计 (17)2.3 整体电路设计 (18)2.4 PCB板的制作 (18)2.5印制电路的焊接 (19)3.测试：调试中出现的问题和解决方法 (19)3.1调试过程 (19)3.2 测试结果 (21)3.3 实验设计修正 (23)五、结果和分析 (24)1.实验收获 (24)2.设计的建议 (24)参考文献 (26)组内成员评分 (27)CCD光电测量综合设计一、实验目的本次电子信息综合实验的目的，是完成一个CCD光电测量系统。

CCD（Charge Coupled Devices）是20世纪70年代发展起来的新型半导体器件。

CCD器件是一种新型光电转换器件，它以电荷作为信号，其基本功能是电荷信号的产生、存储、传输与检测。

它主要由光敏单元、输入结构和输出结果等组成。

基于衍射法测量细丝直径的CCD系统设计摘要近些年来，伴随着半导体技术与光电子学科技的迅速发展，在各个领域中广泛应用着大量光电器件。

其中，电荷耦合器件（CCD）由于具有光电转换、像元尺寸小、几何精度高、性能稳定等优点，被大量用于非接触式直径测量领域。

相对于接触式的直径测量方式，非接触直径测量具有测试速度快，精度高，对环境要求低等特点，因此使用范围较广。

本文对基于线阵CCD的非接触直径测量系统进行了较为全面的研究，并结合本课题的特点（测量细丝直径），提出了适合本课题的具体设计方案，在课题研究过程中，本文主要完成了以下几个工作：介绍了非接触直径测量的国内外发展现状及发展趋势。

通过对线阵CCD特性及工作原理的分析，设计了一种基于线阵CCD非接触直径测量系统。

[1]关键字：线阵CCD 直径测量衍射法目录1绪论 (1)1.1前言 (1)1.2基于CCD测径仪的国内外发展现状 (2)2 测量原理和方案论证 (3)2.1驻波测量导电金属细丝直径[4] (3)2.2衍射法测量细丝直径[5] (4)2.3双光束干涉法测量细丝直径[ 6] (4)小结 (6)3 计算机程序设计 (6)3.1系统的软件设计 (6)3.2软件流程框图 (7)3.2数据转换模块的设计 (8)3.3显示及报警模块的设计 (8)3.6系统程序 (10)4 精度分析 (11)4.1差分放大电路 (11)4.2光学系统对测量精度的影响分析 (11)4.2.1衍射 (11)4.2.2环境光扰动 (12)4.3信号处理电路对测量精度的影响分析 (12)4.4零点漂移对测量精度的影响 (12)4.5被测工件的均匀性对测量精度的影响 (12)4.5.1误差分析 (12)4.5.2标定误差 (12)5 总结 (13)参考文献 (14)1 绪论1.1前言光电自动检测技术在工业自动化生产中有着极其广泛和重要的用途。

然而，目前产品零件尺寸的检测大多数是人工测量的接触式和静止测量，所以检测速度低，生产效率低，劳动强度大，远远跟不上目前自动化生产的需要。

1.掌握本实验仪的基本操作和功能。

2.掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD 驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动脉冲之间的相 位关系等的测量方法。

3.线阵CCD 驱动脉冲的时序和相位关系观测，掌握二相线阵CCD 的基本工作原理，特别是复位脉冲 在CCD 输出电路中的作用；转移脉冲与驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的过程。

1.双踪迹同步示波器(带宽50MHz 以上)一台。

2.彩色线阵CCD 多功能实验仪YHCCD －IV 一台。

1) 首先将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器和实验仪的电源插头均插入交流220V 插座上。

2) 打开示波器电源。

3) 打开YHCCD －IV 的电源开关，观察仪器面板显示窗口，数字闪烁表示仪器初始化，闪烁结束后显示为“00 0”字样，前两位表示积分时间档次值，共分为32档，显示数值范围由 “00”~“31” ，数值越 大表示积分时间越长。

末位表示CCD 的驱动频率，分4档，显示数值范 围“0”~“3”，数值越大表示驱动频率越低。

1) 将示波器CH1和CH2扫描线调整至适当位置，同步设置为CH1。

对照“附录”中TCD2252D 的驱 动波形进行下面的实验。

2) 用CH1探头测量转移脉冲SH ，子细调节使之稳定(同步)，使SH 脉冲宽度适当以便于观察。

(将示波器的扫描频率调至2μs 档摆布，便于观察对照)用CH2探头分别观测驱动脉冲F1与F2， 这就是SH 与F1、F2的相位关系。

3) 用CH1探头测量F1信号， CH2探头分别测量F2、RS 、CP 、SP 信号，这就是F1与F2、RS 、CP 、SP 信号之间的相位关系。

4)用CH1探头测量CP 信号， CH2探头分别测量RS 、SP ，这就是CP 与RS 、SP 信号之间的相位关系。

5) 将以上所测的相位关系与TCD2252D 的驱动波形相对照。

1) 用示波器分别测量4档驱动频率下F1、F2、RS 信号的周期，并计算信号频率填入表1-1。

文摘CCD全称为电荷藕合器件，由于CCD具有非接触性测量、分辨率高等方面的特点，因此CCD器件在物体外型测量、表面检测、图像传真、智能传感等方面得到了广泛的应用。

另外，CCD测量速度快，所以不仅可用于静态测量，还可用于动态在线检测，因此CCD技术在线检测系统中应用也越来越多。

现代加工技术发展迅速，加工精度不断提高，相应的对检测设备也提出了新的要求，如高精度，在线检测等，新技术，新工艺，新项目对大直径尺寸高精度测量技术提出了越来越高的要求。

在当今国内工业中对直径的测量大多还是采用千分尺等落后的接触式的方法，不但效率不高而且精确度不够。

针对工业中用千分尺人工对工件直径测量的落后方法，利用线阵CCD对直径实现精密测量的系统进行了设计。

该系统基于光学系统无接触性测量的基本原理，运用光学测量的理论和一般方法，设计并讨论了在实际运用中存在的问题及解决办法。

为了探索CCD图象传感器在尺寸检测方面的应用性能、特性参数以及相关测控系统硬件系统的设计特点，从而为今后研制基于线阵CCD的宽范围尺寸测量系统作好理论和实验准备。

设计方案内容:光学部分的内容光源的设计。

机械部分主要是相关传感器的支撑结构设计。

电路控制部分主要有CCD芯片选择、CCD输出信号的处理、单片机数据采集及处理等。

关键词CCD传感器，二值化,单片机，输出显示English AbstractAll called charge coupled device CCD, due to CCD non-contact measurement with high resolution and the characteristics, so CCD device object shape measurement, surface inspection, image fax, intelligent sensing and so on have been widely used. In addition, CCD high speed, so not only can be used for static measurement, but also for dynamic line detection, the CCD technology online detection system applications are increasing. The rapid development of modern processing technology, continuously improving processing precision, corresponding to the test equipment also made new demands, such as high-precision, on-line detection, new technologies, new techniques, new projects on the large diameter of the proposed high-precision measurement technology more to the higher requirements.In today the domestic industry, or most of the diameter measurement using micrometer and other backward-contact method, the efficiency and accuracy is not high enough. Micrometer used for industrial labor behind the workpiece diameter measurement method using linear array CCD to achieve precise measurement of the diameter of the system design. The system is non-contact optical system based on the basic principle of measurement, using optical measurement methods of the theory and the general design and discusses the practical application of problems and solutions. In order to explore the CCD image sensor in the size of the application performance testing, measurement and control system parameters and related design features of the hardware system, which for the future development of linear array CCD based on a wide range of dimensional measurement systems make theoretical and experimental preparations. Design elements: the optical part of the contents of the source design. Mechanical sensor is mainly related to the support structure design. Circuit control part of the main CCD chip select, CCD output signal processing, microprocessor data acquisition and processing.Key words CCD data acquisition, MCU目录文摘 (Ⅰ)英文文摘 (Ⅱ)1 绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 课题的提出 (1)2 编程软件简介 (3)2.1 KEIL软件 (3)2.1.1 KEIL软件简介 (3)2.1.2 KEIL 的使用方法 (3)2.2 ISIS 7 professional简介 (3)2.2.1ISIS 7 professional简介9 (3)2.2.2 ISIS 7 professional使用方法简介 (3)2.3 PCB概述 (4)3 编程语言的简介 (4)3.1 C语言的概述 (5)3.2 C语言的优缺点 (5)3.3 C语言的内容 (5)4 CCD动态线径测量硬件系统的设计 (6)4.1 芯片介绍 (7)4.2 使用到的电子元件的简介 (7)4.3 使用到的CCD传感器的简介 (8)4.3.1 TCD1304AP传感器的额定值 (9)4.3.2 TCD1304AP电特性参数 (9)4.3.3 TCD1304AP工作原理 (10)4.3.4 TCD1304驱动 (11)4.3.5 TCD1304传感器引脚的功能介绍 (12)4.3.6 CCD的测量原理 (13)4.4 PCB打靶系统的总体结构 (13)4.5 PCB打靶系统的基本测量原理 (13)4.6 光学系统设计 (14)4.7 信号转换电路 (14)4.7.1 A/D转换电路 (14)4.7.2 二值化电路 (15)4. 8 显示接口电路 (16)4.8.1 显示器驱动器 (17)4.8.2 译码器 (17)4.8.3 数码管的选择 (17)5 软件设计 (17)5.1 测量程序 (18)5.2 影响仪器精度的因素及解决措施 (19)6 系统调试 (19)6.1 程序调试 (24)6.2 硬件调试 (25)6.3 装载程序后的硬件电路调试 (26)结论 (27)参考文献 (28)附件A (29)附件B (31)附件C (32)致谢 (37)1 绪论1.1 课题背景CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·博伊尔(Wil lard S. Boyle)和乔治·史密斯（George E. Smith）所发明的。