声光效应线阵ccd测试仪毕业论文(编辑修改稿)

声光效应线阵ccd测试仪毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

用的是声光调制器属于正常声光效应的应用。 （ 2）按声光互作用长度分类 根据声光互作用区域的长度，声光效应可分为布拉格声光效应和喇曼一奈声光效应。 布拉格声光效应 :当超声波频率比较高 (一般在 20MHz以上 )时，声光互作用区域比较长的情况下，除零级光外，只产生一级衍射光。 声光介质相当于体光栅，对入射光方向要求严格。 对于正常声光器件只有满足布拉格方程方向的入射光可通过介质产生衍射。 对于反常声光器件只有满足狄克逊方程的入声光效应线阵 ccd 测试仪毕业论文 10 射光可通过介质产生衍射 .声光介质相当于体相位光栅，介质内折射率会产生一定分布。 喇曼一奈斯声光效应 :在声光互作用长度比较短时，声光介质对入射光的作用相当于一个平面位相光栅，声光互作用区域短，对入射光方向要求不严格，能产生多级衍射光 .每级衍射光强度均很低。 （ 3）按声光器件用途分类 声光偏转器是 用来控制激光束的偏转方向的。 可分为扫描式偏转器和飞点式偏转器两类。 声光调制器是利用一定频率的振幅来调制激光强度的。 其工作原理是驱动电信号频率不变，振幅是随待传输信号变化的 (待传输信号可以是视频，也可以是音频 )。 载频或射频是高频，与声光器件的工作频率是一致的，用这样的信号来驱动声光器件，可使衍射光强随待传输信号而变化。 声光调制器的应用非常广泛，如 :光斩波器、激光打印机、彩色扫描仪、声光光开关以及多元驱动等等。 声光滤光器是一种根据各向异性介质中的声光衍射原理而工作的电调谐滤 光器。 可以把入射白光中所需要的单 色光的波长滤出来，声光滤光器的突出特点是光谱分辨力高、角度孔径大，速度快，比机械式的滤光器方便得多。 其驱动电信号幅度不变，频率是跳变的，类似于飞点式偏转器 . 声光调制器 声光调制器是声波和光波相互作用的一种调制方法。 当声波在介质中传播时，会引起介质密度周期性地疏密变化，从而导致介质的介电系数及折射率的周期性变化。 而介质折射率随超声波信号的变化，又会影响光在介质中的传播特性，光的强度、撷率等参数随超声波信号的变化而变化 . 声光调制器 A由驱动源 (产生频率为 f的超声波 )、转换器和超声波介质 (晶体 )等组成。 其工作原理是利用声光效应，即使超声波通过转换器在介质中传播引起介质折射率的周期性变化而产生类似于运动位相光栅的效应 (这时光栅常数八等于超声波波长λ )，因此当频率为 0f 的激光束以布拉格角 bi 入射到声光调制器 A上时，此时会产生频率为 0f 的 0级和频率为 )( 0 cff  的 +1级衍射光，如图 24所示。 声光效应线阵 ccd 测试仪毕业论文 11 图 24 声光调制器结构原理 （ 1）驱动源 （ 2）转换 器 （ 3）超声波介质 由式（ 2— 6） α =2scb vfl  （ 2— 9） 式中 bl 为布拉格角， sv 为超声波在介质中的传播速度。 CCD 检测技术 近年来，光电耦合器件 CCD(Charge Coupled Device)在光学图像测量系统中的运用相当普遍，当被测对象的光信息通过光学系统，在 CCD的光敏面上形成光学图像后， CCD器件把光敏元上的光信息转换成与光强成比例的电荷量，用一定频率的时钟脉冲对 CCD进行驱动，在 CCD的输出端可获得被测对象的视频信号。 CCD摄像机具有体积小、重量轻、功耗低、噪声小、可靠性高、无烧伤现象、不怕振动、光谱响应宽、输出线性好等一系列显著的优点。 由于上述优点，利用图像测量技术实现几何量测量，不仅可能而且在一定场合下具有优势。 如何在现有条件下提高检测精度与速度成几何量测量领域的一个研究热点。 CCD 的组成部分 CCD是在 MOS晶体管电荷存贮器的基础上发展起来的，故有人把它说成是“排列起 来的 MOS电容器阵列”。 或者更直接地把它说成是“一种在源极与漏极之间密布着许多栅极、沟道极长的 MOS晶体管，即多栅 MOS晶体管，即多栅 MOS晶体管，如图 25所示 声光效应线阵 ccd 测试仪毕业论文 12 图 25 CCD 结构示意图 CCD 的典型结构及其各部分的命名如图 23所示。 CCD 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 MOS电容器，它的作用是存贮和转移信号电荷。 (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CCD 的第一个转移栅的势阱中。 (3)输出部分，包括一个输出二极管和一个输出栅，它的作用是将信号电荷引出CCD 的转移栅的到二极管，然后由引线输出。 CCD 的单元结构如下图所示 图 26 CCD 单元与线阵列结构的示意图 a) CCD 单元 b) CCD 线阵列 CCD 的工作原理 CCD（ Charge Coupled Device）电荷耦合器件，自 1970 年由美国贝尔实验室的 Willard Boyle 和 Gee Smith 提出后，随着半导体微电子技术的发展也得到了惊人的发展。 CCD 技术之所以能如此迅速发展，是因为 CCD 器件具有许多独特的优点： ① CCD 器件是一种固体化器件，体积小，重量轻，功耗低，可靠性高，寿命声光效应线阵 ccd 测试仪毕业论文 13 长； ② 图像畸变小，尺寸重现性好； ③ 具有较高的空间分辨率，光敏元间距的几何尺寸精度高，可获得较高的定位精度； ④ 具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。 典型的 CCD 图像传感器的结构如图 27 所示，是由一列光敏元阵列和与之平行的位移寄存器构成的。 在光敏元阵列与位移寄存器之间， 有一列转移栅，控制电荷由光敏元转移到位移寄存器。 图 27a 图所示的是单列位移寄存器结构， 27b 是双列寄存器结构。 采用两列移位寄存器，可以提高电荷的转移速度，进一步减小图像信息的失真。 (a) 单行结构 (b) 双行结构 图 27 线阵型 CCD 图像传感器 CCD 是一种 MOS 结构的新型器件，由金属（ M） — 氧化物（ O） — 半导体（ S）三层组成一个 MOS 电容。 将这些 MOS 电容以一定间隔排列后，如图 28 所示，为三个相邻的 MOS 结构。 当半导体材料为 P 型硅时，如在 3 两个金属电极上施加适当的正电压 V，在电极 2 上加上正电压 V’，少数载流子 — 电子被吸收到电极下的区域内。 当 V’V，则在电极 2 下面形成较深的耗尽区，从而形成电荷包。 电压维持时，电荷也保持不变。 把电极连成三组，构成三相 CCD。 当加驱动脉冲，则以使电极下存储的电荷朝一定方向移动，实现了电荷的转移。 由上述 CCD 的构造，可以归纳出 P 型硅衬底 CCD 的工作过程分为以下三步： ① 电荷存储 当在金属电极加一正向电压时，在硅衬底中形成耗尽区，称为势阱。 势阱的深度与栅极 电压以及势阱内是否存有电荷有关。 当光入射到耗尽区时，因内光电效应将产生光生电子 — 空穴对，在耗尽区电场作用下，空穴流入衬底底部，电子则积存于半导体表面。 这样，势阱中有一定量的电荷，且势阱中积存的电荷量与入射光强度成正比（ CCD 饱和情况除外） 声光效应线阵 ccd 测试仪毕业论文 14 图 28 电荷存储示意图 ② 电荷转移 如图 29 所示，左图为电荷转移的过程，右图为驱动脉冲时序。 半导体表面势阱的大小随栅极电压变化而变化。 调整相邻电极间的电压，可以使得一个电极下的势阱比另一个深，则电荷会流向势阱深的电极下，则实现了电荷按照驱动脉冲的顺序进行转 移。 图 29 三相 CCD 电荷转移原理示意图 ③ 电荷输出 电荷的输出主要有三种方式：电流输出；浮置扩散放大器输出；浮置栅放大器输出。 这三种方法可以将电荷信号转换为可以方便检测出的电流或电压信号，且电流、电压与电荷之间满足一定的函数关系。 线阵 CCD 器件的像元数越多，器件的分辨率也越高，对于尺寸的测量，采用高 位数光敏元件的线阵 CCD 器件，可以得到较高的测量精度。 声光效应线阵 ccd 测试仪毕业论文 15 CCD 的基本特性参数 (1) 电荷转移效率 电荷转移效率是表征 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。 影响电荷转移效率的主要原因是界面态对电荷的俘获常采用胖零工作模式来提高电荷转移效率即让零信号也有一定的电荷。 (2) 工作频率 f 决定工作频率下限，为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一电极到另一个电极所用的时间 t必须小于少数载流子的平均寿命 T 即 t T。 工作频率的上限，当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的时间 t大于驱动脉冲使其转移的时间 T/3 ， 那么信号电荷跟不上驱 动脉冲的变化，将会使转移效率大大下降，因此要求 t=T/3。 (3) 光谱响应 CCD接受光的方式有正面光照和背面光照两种。 由于 CCD的正面布置着很多电极，电极的反射和散射作用使得正面照射光谱灵敏度比背面照射时低。 即使是透明的多晶硅电极也会因为电极的吸收以及在整个硅即二氧化硅界面上的多次反射引起某些波长的光产生干涉现象，出现若干个明暗条纹使光谱响应曲线，为此用于摄像或像敏的 CCD(简称为 ICCD)常采用背面光照射的方法。 (4) 动态范围 动态范围由势阱中可存储的最大电荷量和噪声决定的最小电荷量之比。 CCD势阱中可容纳的最大信号电荷量取决于 CCD的电极面积及器件结构 (SCCD还是 BCCD) ， 时钟驱动方式及驱动脉冲电压的幅度等因素。 (5) 暗电流 在正常工作的情况下， MOS电容处于未饱和的非平衡态，然而随着时间的推移由于热激发而产生的少数载流子使系统趋向平衡。 因此即使在没有光照或其他方式对器件进行电荷注入的情况下，也会存在不希望有的电流。 暗电流是大多数摄像器件所共有的特性，是判断一个摄像器件好坏的重要标准，尤其是暗电流在整个摄像区域不均匀时更是如此。 (6) 分辨率 分辨率是图像传感器的重要特性。 常用调制传 递函数 MTF来评价线阵 CCD。 声光效应线阵 ccd 测试仪毕业论文 16 现在 256x1,1024x1,2048x1,5000x1,10550x1等多种。 像位数高的器件具有更高的分辨率，尤其是用于物体尺寸测量中采用高位数光敏单元的线阵 CCD器件可以得到更高的测量精度。 CCD 器件的选择 CCD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 以电流或者电压为信号 CCD，其 功能是电荷的存储和电荷的转移因此 CCD工作程的主要问题是信号电荷的产生存储传输和检测 CCD有两种基本型。 一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面并沿界面传输 这类器称为表面沟道 CCD(简称 SCCD) 二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内沿一定向传输这类器件称为体沟道或者埋沟道器件 (简称 BCCD)。 在本设计中，我们采用 TCD1252AP器件。 (1) TCD1252AP器件的基本结构 CCD是一种光电转换器件，采用集成电路工艺制成。 它以电荷包的形式存储和传送信息，主要由光敏单元、输入结构和输出结构等部分组成。 下面以线阵CCD为例说明： TCD1252AP器件为 2700像敏单元的长阵列器件，采用双沟道结构形式。 TCD1252AP的结构如图 210所示。 从结构图可以看出， TCD1252AP是有两个转移栅和两个模拟移位寄存器的双沟道型线阵器件。 图 210 TCD1252AP 的原理结构图 模拟移位寄存器转 移 栅光电二 极管补偿输出单元转 移 栅模拟移位寄存器信号输出单元声光效应线阵 ccd 测试仪毕业论文 17 TCD1252AP的光敏阵列共有 2738个光电二极管，其中有 38个光电二极管被遮蔽（前边 13D ～ 39D 的和后边的 40D ～ 50D ），中间的 2700个光电二极管为有效的光敏单元。 (2) TCD1252AP 的外形尺寸 图 211 TCD1252AP外形尺寸 TCD1252AP 为 DIP22 封装形式的双列直插型器件，外形尺寸如图 211 所示。 器件的外形尺寸总长为 ,宽 ，高 ；器件的光敏单元总长为；光敏单元（像敏面）距离器件表面玻璃的距离为 ，表面玻璃的厚度为（  ） mm。 这些参数对于实际应用都是很重要的。 而且，器件的外形尺寸与封装尺寸等对于同系列器件基本相同。 (3) TCD1252AP 的基本工作原理 在图 212中， TCD1252AP 的驱动器应产生 SH、φ l、φ RS 等 4 路脉冲，其中转移脉冲的周期远远大于其他 4 路脉冲的周期。 φ l、φ 2 为像素脉冲，两者互为反相， RS 为复位脉冲． SH 为光积分脉冲， OS 为像元输出， DOS 为像元补偿输出。 当 SH 为低电平时，在φ。