1、SHANDONG 毕 业 论 文在线实时自动检测系统设计与分析学 院 ： 电 气 与 电 子 工 程 学 院 专 业 ： 电 子 信 息 科 学 与 技 术 学 生 姓 名 ： 岳梅 学 号： 0712203265 指 导 教 师 ： 李 田 泽 2011 年 6 月中文摘要I摘 要在现代工业生产中，存在着大量细丝直径的测量问题。由于测微仪等接触测量会引起被测细丝产生形变，工业上常采用电阻法和称重法测量，这类方法测量精度低，而且只能测量某一段细丝的平均直径。近年来，由于激光的应用，出现了激光扫描测量法和投影放大法，虽然实现了非接触测量，但测量精度不高。因此本研究采用具有高分辨率、高灵敏度、像素
2、位置信息强、结构紧凑等优点的电荷耦合器件 CCD，设计一种在线实时自动检测系统，实现对细丝直径的高精度、快速、免损、非接触的测量，具有非常重要的意义。在线实时自动检测系统主要包括激光光学系统、线阵 CCD 传感器、单片机控制系统以及计算机处理系统；它的工作过程为：采用 He-Ne 激光器作为光源，利用新型电荷耦合器件作为光电接收装置，根据夫琅和费衍射原理，激光器发出的光束经过光学系统处理后，入射到电荷耦合器件 CCD 的光敏面上，经 CCD 形成视频信号输出，通过预处理与二值化处理，再把模拟信号转化为数字信号，最后经 USB 接口送入计算机进行数据计算与显示，实现细丝直径尺寸的测量；本论文研究
3、的内容主要包括：总体方案论证、光学系统研究、CCD驱动电路及 CCD 视频信号二值化处理电路研究、数据采集与处理系统研究、软件设计与误差分析；其中选用了 TCD1206 作为线阵 CCD 用于在线检测的传感器件，重点分析了 TCD1206 的驱动时序、设计了 TCD1206 的驱动电路和输出信号处理电路，对通用型单片机的各模块的功能进行了分析，同时对单片机的硬件系统进行了扩展，另外通过软件设计能有效地实现细丝直径的尺寸计算，并对可能造成的误差进行了分析，验证了方案的可行性。此测量系统具有工 作 稳 定 、 精 度 高 、 分 辨 率 高 、 非接触自动在线检测等特点，测量范围为 20 m200
4、 m,测量精度为1 m。本设计可以解决细丝直径、超细孔径、超小障碍物尺寸和光纤直径等测量问题。关键词：CCD ，非接触测量，驱动电路，数据采集与处理ABSTRACTIIABSTRACTIn modern industrial production,there are many large filament diameter measurement problems. Beacause the contact measurement of the micrometer will cause the deformation of the measured filaments,we ofen use
5、 the method of resistance measurement and the weighing.But accuracy of these methods are low, and they can only measure the average diameter of a section of filament. In recent years, beacause of the application of the laser, there has been laser scanning method and the projection magnification meth
6、od. Although it implements the non-contact measurement, its accuracy is not high. Therefore, this study uses charge-coupled device CCD which has the advantages of high resolution, high sensitivity, high pixel location, compact structure to designe an online real-time automatic detection system.It ac
7、hieves high accuracy ,rapid, damage-free, non-contact measurement on the filament diameter.It has great significance.Line real-time automatic detection system consists of laser optical system, line array CCD sensor, MCU control systems and computer processing system. Its working process: I use He-Ne
8、 laser as light source, and a new charge-coupled device as the optical receiver.According to Fraunhofer diffraction theory, The beam from the laser treatment is through the optical system,and is incident to the photosensitive surface of CCD charge-coupled device.It is formed video signal by the CCD
9、to output , and by pre-treatment and binarization the analog signals is into digital signals. Then by the USB interface it is into the computer for data calculation and display to achieve the measurement of filament diameter. The contents of this thesis include: demonstration of the overall program,
10、 research of optical system, research of CCD drive circuit and the CCD video signal processing circuit,research of data acquisition and processing system,and software design and error analysis. TCD1206 is chosed as one of the linear CCD sensors for on-line detection.The focus analysis is the driving
11、 timing of TCD1206. I designed TCD1206 driving circuit and output signal processing circuit,analyzed the function of the general-purpose MCU of each moduleI ,and ABSTRACTIIIextended the microcontroller hardware. In addition,software design can effectively achieve the filament diameter size calculati
12、on. I analyzed the possible errors,and I verified the feasibility of the program. This measurement system has the features of stable work process, high accuracy, high resolution, non-contact automatic line detection. Its measurement range is 20 m200 m, and measurement accuracy is 1 m. Key words: CCD
13、,non-contact measurement, drive circuit, data acquisition and processing目录IV目 录摘 要 IABSTRACT（英文摘要） 目 录 第一章 引 言 . 11.1 课题研究的目的和意义 11.2 课题的国内外研究现状 . 21.3 本论文的主要研究内容 4第二章 系统总体方案设计 . 62.1 总体方案设计 62.2 系统特点及主要技术指标 7第三章 光学系统设计 83.1 光源的选择 83.2 光学系统设计 93.2.1 基 本 原 理 介 绍 . 93.2.2 光 学 系 统 设 计 11第四章 CCD 驱动电路与视频
14、信号处理电路设计 134.1 CCD 器件 . 134.1.1 电 荷 耦 合 器 件 的 结 构 134.1.2 电 荷 耦 合 器 件 的 特 性 参 数 144.2 CCD 器件的选择 . 164.2.1 TCD1206 的 性 能 及 特 点 164.2.2 TCD1206 的 引 脚 . 184.3 CCD 驱动电路的设计 . 194.4 CCD 视频信号处理电路设计 . 214.4.1 CCD 输 出 视 频 信 号 的 预 处 理 214.4.2 CCD 输 出 视 频 信 号 的 二 值 化 处 理 方 法 . 234.4.3 TCD1206 视 频 信 号 二 值 化 处 理
15、 电 路 . 26目录V第五章 数据采集系统设计 . 285.1 采集控制系统的设计 285.2 单片机及其外部扩展 305.2.1 8051 单 片 机 介 绍 . 305.2.2 程 序 存 储 器 与 数 据 存 储 器 315.3 A/D 转换设计 . 325.4 串行通信设计 355.5 LED 数码显示电路设计 365.6 电源电路设计 . 38第六章 单片机软件系统设计 . 396.1 8051 主控制模块 396.2 数据通信与处理模块 406.3 控制 CCD 驱动程序 42第七章 误差分析 . 437.1 误差分析 437.1.1 测量原理误差 . 437.1.2 CCD
16、像元灵敏度不均匀误差 . 447.1.3 偶然误差 44结论 . 46参考文献 47致谢 . 49附录 . 50第一章 引言1第一章 引言1.1 课题研究的目的和意义随着科研和生产的迅速发展，对透明或不透明的棒件、管件以及线件等工件的直径尺寸实现快速、高精度、非接触、操作方便和稳定可靠的检测是非常必要的，例如对电缆、电线、钢丝、裸铜线、轧钢、纤维、橡胶、小钻头、灯丝的生产加工和测量这些线材和棒料往往都是在自动化生产线上加工的，加工速度快，生产效率高，其加工水平的提高往往是与测量技术的不断提高密切相连的，可以说产品质量在很大程度上是由监测仪器的精度所决定的。应用传统的接触测量，由于接触力的作用，
17、测量精度较低，而且无法实现动态测量；应用普通光学测量，测量时间较长，而且无法实现在线测量。目前，尺寸的测量要求无论是在研究方面还是生产方面都有了新的要求，特别是在如何提高测量精度、加快测量速度、非接触检测上提出了更高的要求。本课题提出的这项具有现实意义的检测方法，采用了激光技术与 CCD 技术相结合的光电传感技术，可实现细丝直径在线非接触自动测量，它与电子学、计算机技术相结合可构成具有实际应用价值的自动检测系统。随着科学技术的发展，具有非接触、高速度、高精度、便于数字化，易于和计算机相结合，易于自动化，因此可应用在诸多领域。电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，简称 CCD
18、）是 20 世纪 70 年代初发展起来的一种新型高精度半导体器件，它具有自扫描、灵敏度高、分辨率高的特点，CCD 从出现至今，发展迅速，分辨率越来越高，功能越来越完善，利用 CCD 可以满足高速、高精度以及非接触测量的要求，目前 CCD 在光电成像领域具有重要的地位和广泛的应用。通过以上分析，应用高精度传感器电荷耦合器件（CCD） ，研发一种高精度在线实时自动检测仪用于上述细丝直径、钢管内外径的精确、快速、在线检测，具有重要的现实意义。第一章 引言21.2 课题的国内外研究现状按检测方式的不同，国内外对内径尺寸的检测主要分为人工检测和自动检测两类。人工检测一般使用接触物体的计量工具(如螺旋测微
19、器、百分表等)或者人工判读的非接触光学仪器，可以直接取样接触测量或者利用超声波测厚仪来测量。其中传统的检测方法采用千分尺人工测量，随机抽取产品，分别测出壁厚和外径，然后取平均值的方法得到该批样品的平均壁厚、平均外径以及平均内径。该检测方法速度慢，效率低，检测精度低，且人为因素影响大，难以满足大批量生产检测的要求。近年来随着 CCD 的产生与发展，国内外常采用CCD 作为光电转换器来检测管状物体的内外径。CCD 器件是一种光、电相结合的器件，它能通过光电转换，将非电量的光学图像变换成电信号，这对于后续的信号处理极为有利。利用 CCD 器件本身所具有的自扫描、高分辨率、高灵敏度、结构紧凑、像素位置
20、准确等特性进行测量时，无须配置复杂的机械运动结构，从而减小了产生系统误差的来源。将CCD 应用于几何量测量中具有测量精度高、价格低廉、易于维护、操作容易等优点，可以实现高效率、自动化、动态检测、非接触测量等要求，在工程实际检测中，尤其是在小尺寸的测量方面具有很强的优势。随着超精加工和微细加工技术的发展，尺寸的下限越来越小，精度要求越来越高。随着新的测量原理和方法的开发，小尺寸测量的分辨率和准确度也不断提高。一些新的测量技术在几何量测量技术中正在或已经开始得到应用，例如 CCD 测量、电子显微镜测量、电视显微镜测量、计算机辅助测量等等。从这个意义上来说，小尺寸测量乃是体现精密测量、超精密测量的一
21、个重要方面。对 细 小 窄 薄 等 小 尺 寸 测 量 ， 历 来 是 实 际 工 程 应 用 中 的 技 术 难 点 之 一 。 小尺 寸 测 量 的 对 象 包 括 细 丝 的 直 径 、 狭 缝 的 宽 度 、 小 孔 的 孔 径 、 包 膜 的 厚 度 、微 小 位 移 量 等 。 以 细 丝 直 径 的 测 量 为 例 ， 传 统 的 测 量 法 ， 测 量 精 度 不 高 ， 费时 费 力 ， 不 能 满 足 现 代 测 量 高 效 、 自 动 化 的 要 求 。 光 学 高 倍 投 影 法 测 量 受 结第一章 引言3构 空 间 限 制 较 大 ， 测 量 精 度 低 ， 工 作
22、 量 大 ， 难 以 实 现 自 动 化 。 激 光 技 术 的 发展 ， 为 细 丝 直 径 的 测 量 提 供 了 新 的 测 量 原 理 和 方 法 ， 由 于 激 光 衍 射 法 测 量 精度 高 ， 具 有 非 接 触 测量的优点，已被应用于小尺寸测量，按测量信号的接收方式，分为目测法和固体摄像法。目测法只能用于静态检测，而固体摄像法可实现自动在线检测。由此可见，CCD 作为固体摄像器件的一种，应用于小尺寸检测具有很强的优势。针 对 不 透 明 管 状 物 体 内 径 的 检 测 ， 需 要 检 测 管 深 处 内 径 时 ， 经 常 采 用 将检 测 头 伸 入 内 孔 进 行 测
23、 量 的 方 法 。 而 对 于 透 明 物 体 (如 玻 璃 管 )的 内 、 外 径的 检 测 ， 常 利 用 激 光 扫 描 与 线 阵 CCD 结 合 来 测 量 ， 基 本 原 理 是 通 过 激 光照 射 ， 利 用 透 明 物 体 的 透 光 性 来 测 量 管 径 和 壁 厚 ， 检 测 精 度 一 般 在0.02mm 左 右 。近年来国内的有这样的发展：1 997 年 张 文 伟 ， 庄 葆 华 等 采 用 面 阵 CCD进 行 内 孔 直 径 测 量 ， 通 过 CCD 扫 描 获 得 内 孔 的 图 像 ， 经 二 值 化 处 理 得 到 孔的 边 缘 ， 最 后 经 圆
24、 的 拟 合 得 到 内 孔 直 径 。 长 春 理 工 大 学 光 电 工 程 学 院 的 徐 熙平 、 张 连 存 等 人 采 用 单 光 三 角 测 量 原 理 设 计 了 一 种 基 于 PSD 的 非 接 触 式测 量 内 径 的 光 电 测 量 系 统 ， 该 系 统 测 量 误 差 不 于 0.03mm， 重 复 性 测 量 精度 优 于 0.03mm。国外发展状况如下所述：1988 年,日本三菱电机公司应用机器研究所的高岛和夫等人于发明了管内面形测定装置。该装置采用激光三角法，以线性光电二极管作为信号接收器,对钢管内径和形状进行了检测，但在检测管内面椭圆度误差时，效率较低，检测
25、钢管的长度也只有 5m 左右。 2000 年的德国专利“System to monitor intemal diameter of bore”中介绍了对 1mm-5mm、深50mm 的内孔尺寸的测量。20 世纪 70 年代初由美国贝尔电话实验室的W.S.Boyle 和 G.E.Smith 发明了一种新型半导体集成光电器件CCD 电荷耦合器件，其应用研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感、光电检测技术和非接触测量领域的发展更为迅速。CCD 的发展异常迅速，器件的象元数目增多，中心间距减小。以线阵CCD 为例，其象元中心距在研制成功初期为 30 m 到 1984 年已减小到第一章 引言47 m，到
26、 1999 年，性能比较高的 CCD 中心距已可做到 4 m；象元数最初为 128 元，到 1984 年已提高到 5000 元，到 1999 年，象元数已可达到 8800 元。CCD 中心间距的减小和象元数的增加，意味着测量精度的提高。面阵 CCD 的发展也很快，1975 年，面阵 CCD 的象元数只有 512320，1985 年就推出20482048 象元的面阵 CCD，1999 年 40964096 象元的器件也已问世，面阵CCD 的中心距也有明显的减小。CCD 结构也从开始时的单沟道结构，发展为双沟道结构，如今正向性能更好的结构发展。随 着 CCD 应 用 范 围 日 益 广 泛 ， 对
27、 CCD 器 件 的 要 求 也 越 来 越 多 。CCD 传 感 器 的 出 现 使 传 统 的 光 电 技 术 发 生 了 重 大 变 化 ， 对 人 类 生 活 的 许 多领 域 有 着 积 极 的 影 响 。 目 前 ， CCD 应 用 技 术 的 研 究 方 兴 未 艾 ， CCD 产 品日 新 月 异 ， 国 际 上 竞 争 相 当 激 烈 ， 国 内 CCD 应 用 技 术 也 有 很 大 的 发 展 ，它 的 研 究 受 到 普 遍 重 视 。1.3 本论文的主要研究内容本论文从原理分析、硬件设计、软件设计及误差分析等方面对在线自动内径检测系统进行设计与分析，主要研究内容为：（
28、1）总体方案设计，提出细丝直径测量的原理方案，使在线实时自动检测系统具有较高的分辨率；（2）光学系统研究，设计出一种能实现高分辨率测量、性能优良的 CCD光学系统；（3）CCD 驱动电路研究，研究出一种可靠性高的、满足 CCD 驱动时序要求的驱动电路；（4）CCD 视频信号二值化处理电路研究，研究出一种可提高二值化处理精度的处理电路；（5）研究出一种可实现高分辨率测量、响应快、失真小、抗干扰能力强的线阵 CCD 数据采集与处理系统；（6）对系统的控制、数据采集和数据处理等功能进行软件设计；第一章 引言5（7）研制出一种可以适应细丝直径的高精度在线实时自动检测系统，并对测量误差进行分析。本文的研
29、究重点在测量方案的确定、CCD 传感器的选用以及单片机控制系统的研究，是在以前工作的基础上，针对以往测量系统的不足改进了测量方案、选择了 CCD 传感器并建立相应的单片机软硬件系统。在 以 往 的 测 量 系 统 中 ， 比 较 常 见 的 是 使 用 成 像 法 和 激 光 扫 描 法 ， 系 统 结构 比 较 复 杂 ， 造 成 误 差 来 源 较 多 ， 难 以 有 效 提 高 测 量 精 度 。 本 系 统 以 细 丝 直径 为 例 ， 利 用 光 的 衍 射 原 理 ， 对 细 丝 进 行 高 精 度 的 直 径 测 量 ， 提 出 了 更 为 简单 可 行 的 测 量 方 案 ，
30、通 过 引 入 目 前 己 被 广 泛 使 用 的 CCD 器 件 ， 简 化 了 测量 系 统 的 整 体 结 构 ， 使 得 安 装 调 试 更 为 简 便 ， 同 时 减 少 了 许 多 误 差 来 源 ， 保证 了 测 量 值 的 较 高 精 度 ， 这 是 本 文 的 创 新 之 处 。第二章 系统总体方案设计6第二章 系统总体方案设计2.1 总体方案设计根据对测量原理的分析，提出以下基于 CCD 器件的检测设计方案。由于CCD 传感器具有灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、像元尺寸小、几何精度高、抗震动、防潮湿及成本低、功耗低、噪声低和使用寿命长等特点，多年来它一直受到人们的高度重视
31、，发展十分迅速。结合 CCD 传感器的这些优点，再配置以适当的光学系统，便可获得很高的空间分辨率，特别适用于几何尺寸的高精度非接触式在线检测。本系统具体组成包括：光源、被测件（细丝）、光学系统、线阵 CCD 传感器、CCD 驱动电路、二值化处理电路、数据采集与处理系统、计算机系统（显示、控制）等。该系统的组成框图如图 2-1 所示。He-Ne 激光器被测工件CCD 图像传感器CCD 驱动电路CCD 信号二值化处理电路数据采集与处理系统计算机显示光学系统图 2-1 CCD 测 量 系 统 原 理 框 图工 作 过 程 ： 氦 氖 激 光 器 射 出 的 激 光 束 经 过 扩 束 、 准 直 、
32、 滤 波 后 入 射 到 被测 细 丝 上 ， 在 距 细 丝 一 定 距 离 处 产 生 衍 图 样 ， CCD 图 像 传 感 器 在 驱 动 电路 的 作 用 下 接 收 衍 射 条 纹 ， 将 光 信 号 转 换 成 与 之 相 应 的 电 输 出 信 号 ， 电第二章 系统总体方案设计7信 号 经 过 二 值 化 处 理 将 CCD 电 信 号 中 图 像 尺 寸 部 分 与 背 景 部 分 分 离 成 二 值化 电 平 ， 最 后 经 过 数 据 采 集 将 探 测 到 的 信 号 转 换 成 数 字 量 ， 输 入 计 算 机 进 行软 件 计 算 ， 通 过 显 示 屏 显 示
33、 出 测 量 结 果 。 细 丝 测 量 的 计 算 过 程如果满足 且dsinx根据远场 Fraunhofer 衍射公式可得：， 为细丝直径， 表示第几级暗纹数， 为氦氖激kDdxSMk光器的波长， 是第 级暗纹的位置,S 为暗纹之间的距离, 为所用 CCD 像元k 间距。S 的确定是数据处理的一个很重要的任务。可简单用扫描法逐点扫描衍射图样来识别暗点位置：在顺序扫描时如果某一点（像元）的信号值同时小于其前后邻近两点的值，则改点为一暗纹位置，记下 CCD 像元序号，扫描结束，即可得到全部暗点位置，后点序号减前点序号即可得到有关各级暗纹的间距M（以像元数为单位） ，考虑图样中间位置遮去中心亮纹
34、部分，不宜用作测量信息，因此取整个图样中最左、最右两边各 4 个间距迭加平均值作为暗纹间距 S的最终测量结果，最后由上式计算得到所测细丝的直径。2.2 系统特点及主要技术指标该系统为一种高速、高精度、非接触的测量系统，它涉及到光学、精密机械、现代传感器技术、自动控制、电子学和计算机等多学科的现代技术。本设计中的线阵 CCD 测量系统是将 CCD 传感器与机械、电子和计算机相结合的非接触测量系统。该测量系统具有工作稳定、精度高、分辨率高、非接触自动在线检测等特点，测量范围为 20 m200 m，测量精度为1 m。本设计可以解决细丝直径、超细孔径、超小障碍物尺寸和光纤直径等测量问题。第三章 光学系
35、统设计8第三章 光学系统设计3.1 光源的选择光 源 的 选 择 对 于 图 像 传 感 器 的 有 效 利 用 是 很 重 要 的 。 线 阵 CCD 是 由光 源 通 过 光 学 系 统 后 照 射 在 其 光 敏 面 上 从 而 获 得 信 号 ， 如 果 光 源 的 强 度 或 频谱 发 生 变 化 ， 信 号 也 将 随 之 变 化 。 所 以 ， 合 理 地 选 择 光 源 是 获 得 理 想 输 出 信号 的 关 键 。 常用的光源有自然光源和人工光源两类。各种天体（包括地球、太阳、星体）及大气等都是自然光源，自然光源是客观存在的，人们只能对其研究和利用，不能改变其发光特性。人工
36、光源主要有白炽灯、卤素灯、气体放电灯、激光器等。钨丝白炽灯是最为常见的人工光源，在电流作用下维持钨丝的温度而发生辐射，属于热辐射体。卤钨灯是一种改进的白炽灯，常用的卤钨灯有碘钨灯和溴钨灯。气体放电灯包含汞灯、钠灯、氙灯等，它们的共同原理是气体放电。这几种光源在照明中比较常见，但在研究中很少应用，主要是因为稳定性和方向性差。激光光源是一种新型光源，与其他光源相比有单色性好、方向性强、光亮度极高的优点，因而在国防、科研、工农业生产和医疗方面得到广泛的应用。电荷耦合器件 CCD 的应用系统大致可以分为两类：摄像和检测。不同类型对照明光源有不同的要求，需根据不同需要选用。首先检测系统包括两种：一种是通
37、过测量被测物体的像来确定被测物体的某些特征参数；另一种是通过测量被测物体的空间频谱分布来确定被测物体的某些特征参数。前者只要选用白炽灯或者卤钨灯作为照明光源即可；后者应选用激光照明，因为它能满足单色性高、干涉性好、光束准直精度高等要求。CCD 器件的光谱响应范围为 0.21.1, 峰值响应波长多为 0.55 ，氦氖气体激光器的激光波长为 0.6328 ，mm m光敏响应灵敏度很接近于其峰值响应波长的光谱灵敏度，与其他激光器相比，用相同功率光束照明，可得到较大的信号输出。并且，此种激光器的制造技术比较成熟，且结构简单，使用方便，价格便宜，故常被选用。由于氦氖激光器输出的光束质量好，有良好的功率稳
38、定性，激光参数一致性好。因此在本检测系统中，本文选择氦氖激光器作为本测量系统的光源。基第三章 光学系统设计9于以上考虑，本系统中采用 Melles Griot 公司生产的 25-STP-910-230 稳频氦氖激光器。主要技术指标：波长为 632.8nm，模式是 TEM00 模，噪音（RMS）为Ddxsin产生暗条纹的条件是（ k=1，2 ，3，） （3-1)dsin暗条纹的中心位置为 （3-2）dDx两相邻暗纹之间的中心是明纹中心；由公式 得，当 相同，20sinI即 相同时，光强相同，所以在屏上得到的光强相同的图样是平行于狭缝的条x纹。当 时， ， ，在整个衍射图样中，此处光强最强，称为中
39、央主极00I大 。当 （ ，即 时， 在这些地方为暗条纹。暗k,.)21dDk0I条纹是以光轴为对称轴，呈等间隔、左右对称的分布。中央亮条纹的宽度 可x用 的两条暗条纹间的间距确定， ；某一级暗条纹的位置与缝宽1x2成反比， 大， 小，各级衍射条纹向中央收缩；当 宽到一定程度，衍射dx d现象便不再明显，只能看到中央位置有一条亮线，这时可以认为光线是沿几何直线传播的。次极大明纹与中央明纹的相对光强分别为：= 0.047, 0.017, 0.008 （3-3）0I由以上分析，如已知光波长 ，可得单缝的宽度计算公式为第三章 光学系统设计11（3-kDdx4）因此，如果测到了第 级暗条纹的位置 ，用
40、光的衍射就可以测量细缝的宽度。因为激光的方向性极强，可视为平行光束；根据巴比涅定理可知，当宽度为 的单缝换成宽度为 的细丝时，除 =0 处，屏幕上的衍射光强分布与单缝dd的衍射光强分布相同。根据互补原理，光束照射在细丝上时，其衍射效应和狭缝一样，在接收屏上得到同样的明暗相间的衍射条纹。于是，利用上述原理我们便可以利用衍射法测量细丝直径。即 = ， 为细丝直径， 表示第几级暗纹数， 为氦氖激光器kDdxSdk的波长， 是第 级暗纹的位置, 为暗纹之间的距离。S3.2.2 光学系统设计本系统采用波长为 0.6328 m 的氦氖激光器作为光源，其发出的高斯光束经偏振片组 2 入射到双准直透镜 3 扩
41、束成平行测量光，小孔光阑起空间滤波作用，由狭缝 5 和 6 组成二次衍射装置，取出零级衍射光并有效消除杂散光后入射到被测细丝 7 上，8 是遮光条，遮去零级衍射光束，然后由 CCD 接受细丝的夫琅和费衍射图像最终转化成数字信号输入计算机,经由计算机处理,显示其衍射图样并精确求得衍射图样的暗纹间距 ,由公式(3-4)计算给出测量结果。光学x系统图如图 3-2 所示。1 2 3 4 3 5 6 7 8 91氦氖激光器 2偏振片组 3准直透镜 4小孔光阑5、 6狭缝 7细丝 8遮光条 9-线阵 CCD第三章 光学系统设计12具体实 现 过 程 ： 由 于 激 光 经 被 测 细 丝 衍 射 后 产
42、生 的 衍 射 条 纹 主 要 能 量集 中 在 零 级 条 纹 上 ， 为 避 免 CCD 饱 和 并 扩 大 CCD 测 量 的 动 态 范 围 ， 特用 遮 光 条 在 CCD 前 挡 去 衍 射 零 级 光 束 。 偏 振 片 组 可 用 来 调 节 入 射 光 束 的 强弱 ， 以 保 证 充 分 利 用 CCD 光 强 测 量 的 的 动 态 范 围 ， 以 得 到 较 多 级 次 的 衍射 信 号 。由 于 激 光 具 有 相 干 性 好 的 特 性 ， 所 以 残 留 杂 散 光 之 间 或 杂 散 光 与 衍 射 光之 间 常 会 发 生 一 些 杂 乱 的 干 涉 条 纹
43、， 叠 加 在 衍 射 条 纹 上 ， 使 测 量 信 号 受 到严 重 干 扰 。 因 此 ， 在 测 试 装 置 和 处 理 数 据 中 ， 必 须 设 法 消 除 这 些 干 扰 ，才 能 取 出 有 用 的 不 失 真 衍 射 条 纹 信 号 ， 否 则 得 不 到 到 正 确 的 测 量 结 果 。 采用 两 个 狭 缝 5 和 6 组 成 二 次 衍 射 系 统 ,大 大 减 少 了 杂 散 光 的 干 扰 。 若 用 扩 束平 行 光 直 接 照 射 细 丝 ， 图 样 的 中 心 为 较 强 的 圆 光 斑 ， 干 扰 很 大 ， 即 使 使用 遮 光 条 8 将 其 挡 去
44、,其 在 光 学 元 件 和 遮 光 条 上 的 漫 射 光 形 成 的 杂 散 光 相 互之 间 、 杂 散 光 与 衍 射 光 之 间 仍 能 形 成 较 强 的 干 涉 ， 将 严 重 干 扰 衍 射 条 纹 ，使 图 样 严 重 扭 曲 无 法 使 用 ， 而 二 次 衍 射 系 统 在 很 大 程 度 上 抑 制 了 杂 散 光 ， 提高 了 条 纹 信 号 的 信 噪 比 ， 可 得 到 较 干 净 的 条 纹 图 样 ， 基 本 保 证 测 量 信 息 不 受畸 变 。图 3-2 光学系统图第四章 CCD 驱动电路与视频信号处理电路设计13第四章 CCD 驱动电路与视频信号处理电
45、路设计4.1 CCD 器件电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices） ，简称 CCD，又称为固体摄像器件，是 1970 年由美国贝尔实验室的 W.S.Boyle 和 G.E.Smith 受到磁泡存储器的启发而提出、由贝尔实验室首先研制出来的新型光电成像器件。CCD 是在MOS 晶体管电荷存储器的基础上发展起来的，根据不同领域的需求，目前己经研制出了多种类型和规格的 CCD 传感器，并正向高灵敏度、高密度、高速度和宽光谱响应范围的方向发展。CCD 有两种基本类型：一种是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿着界面传输，这种器件称为表面沟道电荷耦合器件，简称 SCCD (Su
46、rface Charge Coupled Device)；另一种是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿着一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道电荷耦合器件，简称 BCCD (Body Charge Coupled Device)。4.1.1 电荷耦合器件的结构CCD 的典型结构以及各部分的命名如图 4-1 所示输出栅输入信号 输入栅 输出信号123输入二极管 输出二极管SiPSi-O2图 4-1 以 P 型硅为衬底的 CCD 结构第四章 CCD 驱动电路与视频信号处理电路设计14CCD 的典型结构由三部分组成:（1）主体部分即信号电荷转移部分，实际上是一串紧密排布的 MO
47、S 电容器，它的作用是存储信号电荷，并且使这些电荷在时钟的作用下有规律的转移。（2）输入部分包括一个输入二极管和一个输入栅，它的作用是将信号电荷引入到 CCD 的第一个转移栅下的势阱中。（3）输出部分包括一个输出二极管和一个输出栅，它的作用在于将 CCD最后一个转移栅下的势阱中的信号电荷引出，并检测出电荷所输出的光信息。电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压信号。无论线阵 CCD，还是面阵 CCD，其基本工作原理相同，主要由光电转换与电荷存储、电荷转移和电荷注入与检测三部分组成。4.1.2 电荷耦合器件的特性参数（1）转移效率 和转移损失率 电荷转移效率
48、是表征 CCD 性能好坏的重要参数。一次转移后到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效率。如果在 t=0 时，注入到某电极下的电荷为 Q(0)；在时间 t 时，大多数电荷在电场作用下向下一个电极转移，但总有一小部分电荷由于某种原因留在该电极下。若被留下来的电荷为Q(t)，则转移效率为（4-1)0(Qt)0(t1） 如果转移损失率定义为（4-)0(t2）则转移效率与损失率的关系为（4-13） 第四章 CCD 驱动电路与视频信号处理电路设计15理想情况下 应等于 1，但实际上电荷在转移中有损失，所以 总是小于 1 的（常为 0.9999 以上） 。一个电荷为 Q(0)的电荷包，经过
49、n 次转移后，所剩下的电荷：Q(n)=Q(0) （4-n4） 这样，n 次转移前后电荷量之间的关系为（4-neQ)0(5） 由此可见，提高转移效率是电荷耦合器件能否实用的关键。影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获。为此，常采用“胖零”工作模式，即让“零”信号也有一些得到电荷。（2）工作频率 f工作频率下限为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须少于少数载流子的平均寿命 ，即 t92%驱动频率 1MHz第四章 CCD 驱动电路与视频信号处理电路设计18动态范围 1700:1输出幅度 1.7V工作温度 0-600供电电源 12V功耗 140 WmTCD1206 的特点:（1）驱动简单 TCD1206 的四路驱动脉冲均可由 CMOS 逻辑器件 HC7404 直接提供 0.3
