1、清 华 大 学 学 术 专 著计 算 机 辅 助 光 学 测 量金 观 昌 著清 华 大 学 出 版 社( 京 ) 新 登 字 158 号内 容 简 介本 书 是 反 映 光 学 计 量 最 新 科 技 成 果 的 著 作 , 共 分 10 章 , 前 两 章 叙 述 计算 机 辅助 光 学 测 量 的 硬 件 与 软 件 以及 有 关 图 象 处 理 的 基 础 内 容。 以 后 各 章 分 别 介 绍 适 用 于 现 有 光 学 干 涉 术 的 条 纹 自 动 处 理 技 术 、 相 位 测 量 技 术 、 电 子 散 斑 干 涉 术 、 电 子 错 位 散 斑 干 涉 术 、 数 字 相
2、 关 测 量 技 术 、 计 算 机 辅 助 散 斑 干 涉 术 、 计 算 机 辅 助 光 弹性 应 力 分 析 方 法 以 及 计 算 机辅 助 云 纹 计 量 术 及 其 应 用 。 本书 可 供 高 等 院 校 从 事 光 学 计量 、 力 学 测 量、 物 理 等 专 业的 本 科 生 、 研 究 生 作 有 关 计 算 机 辅 助 测 试 的 教 学 用 书 , 对 于 从 事 计 量 工 作 、 无 损 检 测 的 工 程 和 研 究人 员 也 是 一 本 了 解 现 代 计 量、 检 测 技 术 动向 及 应 用 新 技 术 的 一 本 极 有价 值 的 参 考 书 。图 书
3、在 版 编 目 ( CIP ) 数 据计 算 机 辅 助 光 学 测 量 / 金 观 昌 编 著 . - 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 , 1997 ISBN 7-302-02502-9 . 计 . 金 . 光 学 -测 量 : 计 算 机 辅 助 测 试 . T B96中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 ( 97) 第 07614 号出 版 者 : 清 华 大 学 出 版 社 ( 北 京 清 华 大 学 校 内 , 邮 编 100084)印 刷 者 : 人 民 文 学 印 刷 厂发 行 者 : 新 华 书 店 总 店 北 京 科 技 发 行 所开 本 : 850 1
4、168 1/ 32 印 张 : 7. 75 字 数 : 198 千 字版 次 : 1997 年 6 月 第 1 版 1997 年 6 月 第 1 次 印 刷书 号 : ISBN 7-302-02502-9/ T 14印 数 : 0001 2000定 价 : 19. 50 元Abst r actA n impor t an t new t echnique computer -aided opt ical metr ology is descr ibed in th is book. T h is book is divided into 10 chapter s . T he har dwar
5、 e and s of twar e of t he comput er aided optical met r ology and t he bas ic theory of image pr ocessing ar e descr ibed in the fir s t t wo chapt er s . T he cont ent of ot her chapter sw ill include t he pr inciples and applicat ions of var ious computer -aided test ing tech niques t hey ar e au
6、t omatic fr inge analysis , phas e measur in g technique, Electr onic speckle patt er n inter fer ometr y, E lectr onic speckle shear ing patt ern int er fer ometr y, digitalcor r elat ion measur ing technique, computer -aided specklein ter fer omet r y, computer -aided ph ot oelas tic s tr ess anal
7、ysis meth od and compu ter -aided moir e met r ology.T his book can be used as a textbook for the gr aduate or u nder gr adu at e st udent s who st udy on opt ical metr ology, E ngineer ing mechanics , physics ar eas. It also can be used as a valuable r ef er ence book of moder n met r ology and tes
8、t ing t echnique f or t he engineer s and r es ear cher who wor ks in t he metr ology and nondes tr uct ive test ing ar eas . 绪 言计 算 机 技 术 的 发 展 特 别 是 高 性 能 、 低 价 格 的 微 型 计 算 机 的 迅 速 发 展 及 其 广 阔 应 用 已 使 计 算 机 辅 助 ( computer -aided) 一 词 变 成了 一 个 常 用 的 术 语 。 在 现 代 化 生 产 中 , 计 算 机 辅 助 设 计 CA D 计 算 机 辅
9、助 加 工 CA M 计 算 机 辅 助 测 试 CAT 正 得 到 越 来 越 多 的应 用 。 对 于 一 些 大 型 结 构 , 设 计 人 员 采 用 CAD 进 行 初 步 的 结 构 设计 , 之 后 应 用 有 限 元 法 进 行 力 学 分 析 , 而 测 试 是 检 验 计 算 分 析 的 重 要 手 段 。光 学 计 量 技 术 是 近 年 来 得 到 迅 速 发 展 的 一 种 较 新 的 测 试 技 术 1 。 60 年 代 以 来 , 激 光 技 术 的 推 出 大 大 扩 展 了 光 学 计 量 的 研 究和 应 用 。 全 息 干 涉 、 散 斑 照 相 与 干
10、涉 、 云 纹 和 云 纹 干 涉 对 应 力 分 析 、 位 移 与 振 动 冲 击 的 测 量 , 温 度 、 流 量 、 表 面 粗 糙 度 、 三 维 形 状 的 测 量 以 及 工 业 无 损 检 测 等 方 面 得 到 了 全 面 的 发 展 , 成 为 计 量 技 术 中 一个 不 可 缺 少 的 重 要 方 面 。 这 些 光 学 计 量 技 术 的 重 要 特 点 是 非 接 触 、 全 场 测 量 、 高 的 测 量 灵 敏 度 以 及 大 的 动 态 范 围 ( 时 间 和 空 间 ) 。 这 些 光 学 测 量 其 初 期 记 录 方 式 大 都 采 用 感 光 胶 片
11、 ( 全 息 干 版 ) , 这 给 应用 带 来 了 许 多 困 难 。 随 着 光 电 子 技 术 的 发 展 , 固 态 摄 象 机 的 广 泛 应 用 , 给 记 录 方 式 带 来 了 革 新 , 而 它 与 计 算 机 图 象 系 统 的 结 合 则 给 光 学 计 量 带 来 了 新 的 活 力 , 不 仅 使 整 个 测 量 过 程 完 全 自 动 化 , 并 且 具 有 高 精 度 、 现 场 测 量 、 实 时 显 示 等 许 多 优 点 。计 算 机 辅 助 光 学 计 量 术 早 在 70 年 代 已 开 始 发 展 , 由 Butter s 和 Leender t z
12、 2 提 出 的 电 子 散 斑 干 涉 仪 首 次 采 用 电 视 摄 象 机 记 录物 体 表 面 的 散 斑 , 并 采 用 电 子 线 路 相 减 、 滤 波 得 到 了 干 涉 条 纹 。 在 80 年 代 初 , 全 息 条 纹 的 计 算 机 自 动 数 据 处 理 开 始 得 到 关 注 。 En nos 和 R obinson 3 使 用 摄 象 机 、 图 象 板 和 计 算 机 测 量 铁 轨 固 定 卡 环 的三 维 变 形 。 与 此 同 时 , 在 采 用 计 算 机 图 象 技 术 和 云 纹 方 法 测 量 物 体 变 形 , 以 及 利 用 错 位 棱 镜 替
13、 代 参 考 光 而 获 得 位 移 偏 导 数 的 电 子 错位 散 斑 干 涉 术 方 面 , 已 发 表 了 不 少 文 章 4 , 5 。值 得 提 出 的 是 , 计 算 机 辅 助 光 学 计 量 的 一 个 关 键 技 术 相 位 测 量 技 术 得 到 了 发 展 与 完 善 6, 7 。 相 位 技 术 把 测 量 目 标 由 条 纹 本 身 转 到 条 纹 的 相 位 即 1/ 360 条 纹 , 通 过 计 算 机 处 理 得 到 各 点 的 精确 的 相 位 数 据 , 从 而 大 大 提 高 了 测 量 精 度 , 这 也 充 分 显 示 出 计 算 机 技 术 的
14、优 越 性 。 为 此 , 国 际 光 学 工 程 学 会 ( SPI E ) 在 1990 年 的 年 会 中 , 首 次 把 相 位 测 量 作 为 分 会 议 的 专 题 。 数 以 百 计 的 研 究 论 文 使 相 位 技 术 在 极 短 的 时 间 内 得 到 了 充 实 。K A Steson 8 和 F P Chiang 9 等 分 别 提 出 了 完 全 用 计 算 机 完成 全 息 图 记 录 信 息 的 电 子 全 息 术 , 以 及 用 散 斑 图 经 傅 里 叶 变 换 完成 位 移 测 量 , 这 些 都 丰 富 了 计 算 机 辅 助 光 学 计 量 。光 弹 性
15、 方 法 是 光 学 应 力 分 析 的 一 个 重 要 工 具 , 也 是 应 用 很 广又 有 悠 久 历 史 的 测 试 技 术 。 一 种 完 全 用 电 子 记 录 、 相 位 分 析 的 计 算 机 辅 助 光 弹 性 应 力 分 析 , 不 仅 能 加 快 测 试 数 据 处 理 的 速 度 , 同 时 也 大 大 提 高 了 精 度 。80 年 代 初 由 美 国 南 卡 罗 累 那 大 学 的 W H Pet er 等 10 提 出 并发 展 的 数 字 散 斑 相 关 技 术 是 一 种 较 好 的 测 量 面 内 位 移 的 方 法 , 这 种 方 法 对 测 试 条 件
16、 要 求 低 、 测 试 面 积 及 量 程 变 化 范 围 大 、 精 度 可 达 到 被 测 象 素 的 百 分 之 一 。 这 种 方 法 的 另 一 优 点 是 既 可 用 于 固 体 变 形 , 也 可 用 于 流 体 中 粒 子 的 运 动 测 量 。 数 字 散 斑 相 关 方 法 需 要 繁 重 的 计 算 工 作 以 及 小 型 计 算 机 , 因 此 限 制 了 它 的 应 用 , 作 者 发 展 了 这 一 新 技 术 , 使 其 计 算 工 作 量 大 为 减 少 并 使 之 可 用 微 型 计 算 机 完 成变 形 测 量 , 从 而 大 大 扩 展 了 应 用 范
17、围 。云 纹 技 术 是 在 上 个 世 纪 就 已 开 始 的 一 种 量 测 技 术 , 80 年 代 又 有 了 新 的 发 展 , 密 栅 技 术 的 进 展 使 其 更 能 适 应 小 变 形 的 测 量 。 如 同 电 子 散 斑 干 涉 仪 使 用 摄 象 机 替 代 全 息 干 涉 中 的 全 息 干 版 一 样 , 计 算 机 辅 助 云 纹 技 术 也 使 云 纹 技 术 离 开 了 感 光 胶 片 , 并 由 计 算 机 直接 处 理 数 据 。 该 法 除 了 用 在 常 规 的 面 内 位 移 、 离 面 位 移 测 量 外 , 还可 应 用 于 三 维 形 状 测
18、量 和 表 面 缺 陷 检 测 , 这 些 都 在 工 业 产 品 检 测中 占 有 重 要 地 位 。 目 录绪 言第 1 章 计 算 机 辅 助 光 学 计 量 的 硬 件 与 软 件 11.1 计 算 机 图 象 系 统 的 输 入 设 备 21.2 图 象 存 储 器 图 象 卡 、 多 媒 体 视 卡 111.3 微 型 计 算 机 151.4 输 出 设 备 201.5 计 算 机 辅 助 光 学 测 量 的 软 件 开 发 23第 2 章 图 象 处 理 基 础 262. 1 图 象 262.2 数 字 图 象 的 基 本 概 念 332.3 图 象 的 傅 里 叶 变 换 及
19、其 它 变 换 412.4 图 象 增 强 58第 3 章 条 纹 自 动 处 理 技 术 703. 1 自 动 条 纹 分 解 技 术 713.2 外 差 技 术 条 纹 读 出 方 法 76第 4 章 相 位 测 量 技 术 804. 1 相 位 测 量 原 理 804.2 相 移 装 置 92第 5 章 电 子 散 斑 干 涉 术 98 5. 1 电 子 散 斑 干 涉 术 的 基 本 原 理 985.2 电 子 散 斑 干 涉 仪 1045.3 电 子 散 斑 干 涉 术 的 应 用 113第 6 章 电 子 错 位 散 斑 干 涉 术 1256. 1 电 子 错 位 散 斑 干 涉
20、术 的 方 法 原 理 1256.2 电 子 错 位 散 斑 干 涉 仪 1316.3 电 子 错 位 散 斑 干 涉 术 的 应 用 137第 7 章 数 字 相 关 测 量 技 术 1437. 1 数 字 散 斑 相 关 的 方 法 原 理 1447.2 相 关 运 算 1487.3 数 字 散 斑 相 关 测 量 变 形 的 实 验 技 术 及 误 差 分 析 1597.4 数 字 散 斑 相 关 的 应 用 162第 8 章 计 算 机 辅 助 散 斑 干 涉 术 ( CASI ) 1758.1 计 算 机 辅 助 散 斑 干 涉 术 的 基 本 原 理 1758.2 提 高 精 度
21、的 拟 合 运 算 方 法 1798.3 实 验 测 试 及 方 法 比 较 183第 9 章 计 算 机 辅 助 光 弹 性 应 力 分 析 方 法 1859.1 光 弹 性 方 法 原 理 1869.2 计 算 机 辅 助 光 弹 性 法 获 得 等 差 线 和 等 倾 线 的 方 法 1889.3 计 算 机 辅 助 光 弹 性 法 获 得 等 和 线 的 方 法 1939.4 计 算 机 辅 助 光 学 接 触 应 力 分 析 197第 10 章 计 算 机 辅 助 云 纹 计 量 术 及 其 应 用 201 10.1 计 算 机 辅 助 云 纹 技 术 测 量 面 内 变 形 201
22、10.2 计 算 机 辅 助 云 纹 技 术 测 量 离 面 位 移 20810.3 计 算 机 辅 助 投 射 条 纹 系 统 应 用 于 三 维形 状 测 量 21110.4 计 算 机 辅 助 反 射 云 纹 技 术 应 用 于 表 面缺 陷 检 测 222参 考 文 献 225 CON TE NT SP RE FACECH AP TE R 1. T he har dwar e and sof twar e of computer - aidedoptical metr ology. 11. 1 Input appar at us of computer image s ys tem 2
23、1. 2 Image memor y, image boar d and multimediavis ion car d 111. 3 M icr o-comput er 151. 4 Per ipher als 201. 5 Softw ar e development s of computer -aided opticalmetr ology 23CH AP TE R 2. T he base of image pr ocessing 262. 1 Image 262. 2 Bas ic concept of th e digital image 332. 3 Four ier t r
24、ansfor m and oth er t r ansfor m 412. 4 Image enh ancement 58CH AP TE R 3. Automatic f r inge pr ocessing techn ique 703. 1 Au tomat ic fr inge analysis technique 713. 2 Het er odyne tech nique for f r inge r eadout 76CH AP TE R 4. Ph ase measur ement tech nique 80 4. 1 T he pr inciple of phase meas
25、 ur cment 804. 2 Phas e s hifting appar atus 92CH AP TE R 5. E lectr onic speckle patter nI nter fer omet r y( E SPI ) 985. 1 T he basic pr inciple of ESPI 985. 2 E lect r onic speckle pat ter n Int er fer omet er 1045. 3 Applicat ions of E SP I 113CH AP TE R 6. E lectr onic shear ing speckle patter
26、 nI nter fer omet r y ( E SSPI ) 1256. 1 T he met hod and pr inciple of E SSPI 1256. 2 E lect r onic shear ing speckle pat ter nInt erf er omet er 1316. 3 Applicat ions of E SSPI 137CH AP TE R 7. Digital cor r elation measur ing tech nique 1437. 1 M ethodology of digital s peckle cor r elation 1447.
27、 2 Cor r elat ion oper at ion 1487. 3 E xper iment al tech nique and er r or analysis ofdef or mation meas ur ement using digital s pecklecor r elation 1597. 4 Applicat ions of digital speckle cor r elat ion 162CH AP TE R 8. Computer -aided speckleI nter fer omet r y( CASI ) 1758. 1 T he basic pr in
28、ciple of CA SI 1758. 2 T he fitt ing oper ation met hod for improving pr ecision 1798. 3 E xper iment al test ing and meth od compar ison 183CH AP TE R 9. Computer -aided phot oclastic str ess a nalysismethod 1859. 1 T he pr inciple of phot oelas tic met hod 1869. 2 Obt aining is ocline and isochr o
29、mat usin g comput er9. 3 aided photoelast icityObt aining abs olute r etar dation using computer188aided photoelast icity 1939. 4 Comput er -aided contact s tr ess analys is 197CH AP TE R 10. Computer - aided moir e metr ology an d itsapplication 20110. 1 Computer -aided moir e technique for in -pla
30、nedefor mat ion measur ements 20110. 2 Computer -aided moir e technique for out of planedefor mat ion measur ements 20810. 3 Computer -aided moir e technique for 3D s hapemeasur ements 21110. 4 A pplication Computer -aided r eflective moir et echnique t o s ur face flaw det ection 222R E FE RE NCE S
31、 225 1第 1 章 计 算 机 辅 助 光 学 计 量 的硬 件 与 软 件 计 算 机 辅 助 光 学 计 量 的 硬 件 系 统 由 光 学 系 统 和 计 算 机 图 象 处 理 系 统 两 大 部 分 组 成 , 图 1-1 为 硬 件 系 统 的 结 构 图 。 根 据 不 同 的 工图 1-1 计 算 机 辅 助 光 学 计 量 系 统 结 构 图作 原 理 和 测 量 对 象 采 用 不 同 的 光 学 系 统 , 其 主 要 部 件 为 各 种 光 源( 激 光 和 白 光 源 ) , 反 射 、 分 光 和 扩 束 元 件 。 有 时 也 使 用 光 纤 作 为 光 的
32、传 输 器 件 以 方 便 光 路 的 布 置 , 这 些 将 在 以 后 不 同 章 节 中 详 述 。 计 算 机 图 象 处 理 系 统 在 80 年 代 初 大 都 由 小 型 计 算 机 构 成 。 近 年 来 , 微 型 计 算 机 的 快 速 发 展 已 使 其 替 代 小 型 机 成 为 图 象 系 统 的 主2机 12 , 它 的 高 性 能 、 低 价 格 、 小 体 积 、 便 携 式 已 受 到 普 遍 欢 迎 。 图 象 系 统 的 输 入 设 备 也 基 本 上 由 固 态 摄 象 器 件 电 荷 耦 合 器 件 ( CCD 摄 象 机 ) 承 担 。 图 象 存
33、储 设 备 普 遍 采 用 可 插 入 微 型 机 扩 展 槽 的 各 种 不 同 性 能 和 存 储 容 量 的 图 象 卡 。 近 年 来 , 先 进 的 多 媒 体 视 频 技 术 已 经 为 计 算 机 图 象 技 术 开 辟 了 一 个 新 的 途 径 。 输 出 设 备 则 根 据 不 同 需 要 配 有 黑 白 、 彩 色 图 象 监 视 器 、 单 色 和 彩 色 打 印 机 、 热 印 机 等 。软 件 方 面 , 近 年 来 以 C 语 言 为 主 的 ( 包 括 T ub r o C, quick C, C+ + 等 ) 计 算 机 语 言 , 由 于 其 功 能 广 、
34、 速 度 快 已 得 到 广 泛 应 用 。 最 近 窗 口 ( W indows ) 软 件 也 已 开 始 在 图 象 处 理 中 得 到 应 用 , 它 具 有同 时 运 行 多 个 应 用 程 序 和 在 应 用 程 序 之 间 传 输 信 息 的 能 力 , 这 将 对 充 分 发 挥 计 算 机 性 能 提 供 有 效 的 工 作 环 境 。 下 面 分 别 介 绍 这 些 常 用 设 备 的 基 本 原 理 。1.1 计 算 机 图 象 系 统 的 输 入 设 备1.1.1 摄 象 器 件 的 一 般 概 况电 子 摄 象 器 件 可 将 二 维 辐 射 ( 光 学 图 象 )
35、信 息 转 换 为 容 易 处 理 和 传 输 的 电 信 号 。 从 所 接 收 的 辐 射 来 区 分 , 主 要 是 可 见 光 以 及 不 可 见 辐 射 ( 红 外 , 紫 外 及 X 射 线 ) ; 从 读 出 方 式 来 区 分 , 有 电 子 束 扫 描摄 象 管 和 以 移 位 或 电 荷 传 输 扫 描 的 固 态 摄 象 器 件 。摄 象 器 件 的 主 要 性 能 指 标 有 以 下 几 方 面 :( 1) 光 谱 响 应 , 也 称 光 谱 灵 敏 度 。 它 表 示 器 件 对 光 波 波 长 的 响 应 。如 硅 靶 视 象 管 可 工 作 在 1.1 m 波 长
36、 , 用 作 近 红 外 记 录 。普 通 CCD 摄 象 机 也 可 对 近 红 外 波 段 响 应 。( 2) 光 灵 敏 度 , 也 称 响 应 度 。 它 表 示 在 给 定 光 强 ( 如 单 位 辐 射 通 量 或 单 位 幅 射 照 度 ) 均 匀 地 照 射 到 器 件 靶 面 所 产 生 的 输 出 信 号3电 流 。C CD 摄 象 机 的 光 灵 敏 度 可 达 0.01 lx 。( 3) 光 电 变 换 特 性 , 也 称 伽 玛 度 。它 反 映 信 号 输 出 特 性 的 斜 率 , 通 常 可 表 示 为 S= E , 其 中 E 为 输 入 幅 射 或 光 量
37、, S 为 输 出 信 号 电 流 的 变 化 。 通 常 小 于 1。( 4) 信 噪 比 。 用 dB 表 示 , 通 常 应 在 40dB 以 上 。 即 信 号 比 噪 声 大 100 倍 。( 5) 暗 电 流 。 即 无 光 照 时 摄 象 机 的 输 出 电 流 , 一 般 为 几 到 几 十 个 nA 。 暗 电 流 会 随 时 间 和 空 间 变 化 。( 6) 分 辨 率 。 表 示 器 件 对 图 象 细 节 的 鉴 别 能 力 。 对 电 子 束 管 , 垂 直 分 辨 率 受 扫 描 线 数 的 限 制 。 一 般 CCD 摄 象 机 , 根 据 制 造 过 程 采
38、用 象 素 表 示 , 普 通 CCD 摄 象 机 为 512( H ) 488。 高 分 辨 率 的 摄 象 机 , 如 日 本 HM C 1010 为 1024 1024, 而 HM C 1020, 高 达 1920 1035 象 素 。( 7) 动 态 范 围 。 它 有 两 种 含 意 , 一 是 摄 象 机 能 感 受 一 幅 图 象 内 最 亮 和 最 暗 的 光 强 比 值 。 另 一 是 摄 象 机 能 容 纳 最 亮 一 帧 图 象 平 均 亮 度 和 最 暗 一 帧 图 象 平 均 亮 度 的 比 值 。 某 些 视 象 管 可 达 到 35 1,一 般 则 为 6 0 1
39、。( 8) 惰 性 。 指 输 入 光 强 发 生 变 化 时 , 输 出 信 号 的 相 应 变 化 在 时 间 上 的 滞 后 。( 9) 几 何 比 率 。 通 常 以 垂 直 与 水 平 比 为 3 4作 为 标 准 , 偶 然 也有 1 1 标 准 。 实 际 靶 面 尺 寸 有 6. 6 mm 9 mm 和 9. 5 mm12. 2 mm 。 对 于 视 象 管 , 也 可 用 电 子 方 式 调 整 尺 寸 。1.1.2 视 象 管视 象 管 是 在 80 年 代 广 泛 使 用 的 一 种 摄 象 器 件 , 它 是 由 玻 璃 壳 、 光 导 靶 和 电 子 枪 组 成 的
40、电 子 束 管 。 近 年 来 , 它 已 经 被 更 轻 便 的 CCD 摄 象 器 件 所 替 代 。 但 在 一 些 老 的 图 象 设 备 中 仍 然 使 用 , 这 里 仅 作 简 单 介 绍 。4光 导 靶 的 作 用 是 把 输 入 的 光 学 图 象 变 成 电 荷 图 象 。 光 导 靶 可 由 不 同 的 材 料 ( 如 硅 、 碲 化 锌 、 硒 化 镉 ) 制 成 并 构 成 不 同 性 能 的 视 象 管 。 光 导 靶 由 两 层 材 料 组 成 , 紧 靠 玻 璃 壳 前 面 的 是 透 明 导 电 膜 , 其 后 覆 盖 一 个 薄 的 光 敏 层 , 电 视
41、信 号 由 透 明 导 电 膜 引 出 。 这 两 层 薄 膜 组 成 了 大 量 的 小 象 素 电 阻 和 电 容 , 前 者 将 随 着 照 明 光 的 增 大 而 减小 。 图 1-2 为 视 象 管 的 结 构 图 和 等 效 电 路 图 。( a)图 1-2 视 象 管 的 结 构 图 和 等 效 电 路 图5当 电 子 枪 发 射 电 子 并 以 光 栅 形 式 扫 描 时 , 电 子 束 落 在 光 导 靶扫 描 侧 的 某 象 素 上 , 使 其 表 面 电 位 等 于 阴 极 电 位 。 此 时 , 外 电 源 、 负 载 电 阻 、 象 素 电 容 和 阴 极 构 成 回
42、 路 而 使 电 容 充 电 。 充 电 时 , 在 负 载 上 产 生 电 压 变 化 , 作 为 输 出 电 视 信 号 。 当 电 子 束 离 开 此 象 素 后 , 象 素 电 阻 与 电 容 构 成 放 电 回 路 放 电 , 使 靶 的 扫 描 侧 的 电 位 上 升 。 由 于 光 照 大 小 直 接 改 变 象 素 电 阻 大 小 , 当 无 光 照 时 电 位 上 升 很 少 , 而 光 照 强 时 电 位 上 升 大 , 因 此 , 充 电 时 在 负 载 电 阻 上 就 形 成 一 个 与 象 素 上 光 照 强 度 相 对 应 的 电 压 降 , 该 电 压 降 耦 合
43、 到 前 置 放 大 器 , 形 成 靶 面 上 的 图 象 电 视 信 号 。1. 1. 3 固 态 摄 象 器 件固 态 摄 象 器 件 是 70 年 代 在 美 国 首 先 研 制 成 的 一 种 新 型 图 象传 感 器 。 随 着 大 规 模 集 成 电 路 工 艺 的 不 断 完 善 和 推 广 , 许 多 高 性 能 的 摄 象 器 件 已 在 空 间 探 测 、 光 谱 测 量 、 高 速 传 真 、 复 印 系 统 及 各 种 成 象 技 术 领 域 得 到 广 泛 应 用 。 由 于 它 的 基 本 工 作 原 理 为 电 荷 通 过 半 导 体 势 阱 发 生 转 移 ,
44、 因 此 也 称 为 电 荷 转 移 器 件 ( CT D) , 它 主 要包 含 两 种 类 型 : 电 荷 耦 合 器 件 ( CCD) 和 电 荷 注 入 器 件 ( CI D) , 其 中 尤 以 电 荷 耦 合 器 件 应 用 广 泛 。CCD 器 件 是 一 种 光 电 转 换 器 件 , 有 面 阵 和 线 阵 之 分 , 对 于 图象 处 理 输 入 设 备 , 主 要 采 用 面 阵 结 构 。 CCD 器 件 是 一 种 有 独 特 功能 的 M OS( 金 属 氧 化 物 半 导 体 场 效 应 管 ) 集 成 电 路 , 其 基 本 结 构 如 图 1-3( a) 所
45、示 。 它 是 在 P 型 ( 或 N 型 ) 硅 衬 底 的 表 面 上 用 氧 化 方 法 形 成 一 层 厚 度 约 0.1 m 左 右 的 二 氧 化 硅 层 , 再 在 二 氧 化 硅 上 蒸 镀 一 金 属 膜 并 用 光 刻 方 法 制 成 栅 状 电 极 。 当 在 电 极 上 加 上 比 相 应 的绝 缘 栅 场 效 应 管 导 通 电 压 更 高 的 偏 压 时 , 电 极 下 面 的 空 穴 将 远 离二 氧 化 硅 表 面 , 在 二 氧 化 硅 层 下 形 成 一 个 表 面 耗 尽 层 , 也 称 表 面 势 阱 , 势 阱 的 深 度 与 所 加 的 电 压 成
46、比 例 。 电 极 上 加 的 电 压 越 高 , 则 势 阱 越 深 。 当 一 束 光 线 投 射 到 CCD 器 件 时 , 光 子 穿 过 透 明 电 极 及 氧6化 层 进 入 衬 底 , 产 生 电 子 跃 迁 , 形 成 电 子 -空 穴 对 , 电 子 -空 穴 对 在外 加 电 场 作 用 下 分 别 向 电 极 两 端 移 动 , 这 就 是 光 生 电 荷 。 这 些 光 生 电 荷 将 储 存 在 电 极 形 成 的 势 阱 中 成 为 电 荷 包 , 因 而 可 以 把 CCD 器 件 看 作 在 一 个 小 方 形 或 长 方 形 固 态 表 面 形 成 的 电 荷
47、 的 固 定 阵 列 。 由 于 栅 极 间 距 离 很 小 , 因 此 各 栅 极 下 面 的 表 面 势 阱 会 发 生 耦 合 。 当 改 变 电 极 电 压 时 , 也 即 由 图 1-3( a) 中 的 A 线 加 高 电 压 改 为 在 下 一 组 栅 极 B 线 加 高 电 压 时 , 电 荷 包 将 从 A 栅 极 下 转 移 到 B 栅 极 下图 1-3 电 荷 耦 合 器 件 结 构 图7( 图 1-3( b) , ( c) ) 。 因 此 , 如 在 栅 极 上 加 一 个 按 时 序 变 化 的 时 钟 脉冲 电 压 , 则 电 极 下 面 的 势 阱 也 会 按 时
48、序 变 化 , 这 样 电 荷 包 也 会 从 一 端 移 到 另 一 端 完 成 传 送 图 象 信 号 的 功 能 , 所 以 实 际 上 CCD 器 件 是 一 个 移 位 寄 存 器 。面 阵 CCD 器 件 根 据 转 移 和 读 出 的 结 构 方 式 可 分 两 种 类 型 : 帧 转 移 ( FT CCD) 和 行 间 转 移 ( I LT CCD) 。使 用 帧 转 移 方 式 , 在 场 的 正 程 时 , 景 物 经 透 镜 成 象 在 器 件 的 光 生 电 荷 区 形 成 光 生 电 荷 并 进 行 时 间 积 分 ; 在 场 回 扫 时 间 内 , 在 光 生 电
49、荷 积 分 区 加 帧 转 移 高 速 时 钟 脉 冲 , 使 整 场 图 象 快 速 地 转 移 到 读出 存 储 区 。 在 下 一 个 场 扫 描 正 程 时 间 , 新 的 图 象 信 号 在 光 生 电 荷 积 分 区 形 成 , 而 同 时 读 出 存 储 区 在 行 转 移 垂 直 寄 存 器 时 钟 脉 冲 的 驱动 下 , 以 一 步 一 行 的 方 式 将 整 场 信 号 电 荷 转 移 到 水 平 寄 存 器 内 , 每 一 行 在 一 个 行 扫 逆 程 内 完 成 , 各 行 之 间 的 间 隔 为 一 个 行 扫 正 程 , 因 此 正 好 在 一 场 扫 描 正 程 时 间 内 , 将 读 出 存 储 区 全 部 信 号 电 荷 输 出完 毕 。 同 样 , 水 平 寄 存 器 在 水 平 时 钟 脉 冲 的
