线阵CCD图像传感器（通用7篇）
线阵CCD图像传感器 篇1
0系统概述
本系统原理如图1所示,计算机通过RS232接口和C8051微控制器进行通讯,控制整个系统的运行;C8051微控制器控制CCD进行光信号的采集,同时将采集的数据传输至计算机;应用Labview编写的人机交互软件可以全自动地操作整个系统,并对采集的数据进行分析、处理和一维模拟成像。
平行光通过单缝等光学元件时,会按照一定的光学规律分布,线阵CCD则能够将一维的光信号转化为模拟电信号,再通过一系列的电信号处理,就能够在计算机上显示光强的分布。同时,如果中间的光学器件是一个单缝,则缝的中心点对应的是光强的最大值,通过这个原理能够标记器件的位置信息(如图1)。本系统对弹簧振子和单摆等动力学系统进行了测试,获得了非常好的效果[1][2]。
1 硬件设计
本系统的硬件设计主要包括CCD的驱动和信号采集。光电信号转换器件选用的是TCD1200D型CCD,其驱动需要发送SH、Ф1、Ф2、RS等4个驱动脉冲,其中RS的频率(与A/D转换需要的频率相同)范围是0.02MHz到2MHz,典型值是1MHz。而C8051F020的PCA模块最高可发送11MHz的脉冲,ADC的工作频率达500ksps,完全可以担任驱动CCD的工作。本实验中RS和A/D转换的频率为400KHz。
具体方案如图2所示,用PCA发送稳定的0.8MHz的方波脉冲,然后通过D触发器,进行2次分频,获得5V,0.4MHz和0.2MHz的方波脉冲(两种频率都各有两路电平总是相反的脉冲),其中0.4MHz脉冲作为RS驱动脉冲,0.2MHz的两路脉冲分别作为Ф1和Ф2的脉冲。同时用定时器2(T2)检测RS,进行计数,确定SH的周期,发送符合要求的SH脉冲。
对于DOS的采集,本系统选用的是用OP27搭建的减法器等模拟电路进行放大、滤波等预处理。
2 软件设计
本系统的软件设计包括C8051微控制器的应用程序和人机交互界面的Labview应用程序。
C8051微控制器的程序流程图如图3所示,配合硬件设置好PCA、ADC等功能的初始化后,直至接收计算机发送的信息,便开始读取CCD的数据,并存储到XDATA空间当中。结束一周期的数据的采集则关闭A/D转换,并判断计算机发送的信息里要求发送整个波形还是进行位置判断,若是前者,则将所有的数据发送到串口的缓存中;若是后者,则判断出转换数据的最大值,再将最大值的位置信息发送至串口,进行完一系列的过程后,则重新开始采集,依此循环。[3]
Labview采用图形化的G语言进行编程,完成人机交互界面软件的功能。该软件可以实现整个波形图和位置信息的实时采集,历史数据的保存和读取,以及整个系统的开始、停止和复位等控制[4]。
3 测试结果
系统完成后,我们进行了单缝衍射和阻尼振动的测试实验[5]。实验结果如图5、图6所示,其中图5是单缝衍射的测试图样,该图清晰地反映出了单缝衍射的规律,完整地显示了衍射条纹各级条纹的间距和相对光强值,波形图下方的图样则是对实际条纹情况的模拟,使结果更加简洁、直观;图6是阻尼振动的测试图样,图中同样清晰地展示了阻尼振动的物理规律,经过测试,该系统定位精度达140μm,定位频率达50Hz以上。
本系统利用C8051f020型微控制器创新了一种新型的CCD驱动方式,同时与Labview虚拟仪器相结合,可以很好的测量一维光强的变化,并可以对数据进行单个提取和分析(如本文的位置传感等),适用于实验教学、科学研究和生产等许多领域。
摘要：本文介绍的是一种基于线阵CCD的图像和位置传感系统。此系统以C8051F020型微控制器作为下位机,进行CCD的驱动和与计算机(上位机)的通讯等;计算机通过用Labview编写的人机交互软件控制整个系统的运行;上位机和下位机之间以RS232接口通讯。经测试,本系统进行干涉、衍射等一维光学实验收到良好效果;位置传感器的定位精度达140μm,定位频率达50Hz以上。
关键词：微控制器,Labview,线阵CCD,位置传感器
参考文献
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[2]吴雄伟,程永进,王伟.基于C8051F020光电位移传感器的设计[J].仪器仪表与分析监测,2006(7):9-11.
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[4]岂兴明.Labview8.2中文版入门与典型实例[M].北京:人民邮电出版社,2008.
[5]潘华锦,张丽,马春庭.利用CCD测量单缝衍射的光强分布[J].计量与测试技术,2009,36(3):57-58.
线阵CCD图像传感器 篇2
伴随着半导体制造工艺的进步,现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)器件的设计技术也取得飞跃性的发展[1]。凭借日益丰富的片内资源以及固有的并行处理能力,FPGA的应用范围已经超出通信行业,逐渐扩大到数字信号处理、硬件加速[2,3,4]、汽车电子等领域。色选机通过对被测物体的图像进行处理,判断被测物体是否符合要求,实现筛选[5],其电子系统涉及图像采集、信号处理、图像显示、串口通信等。FPGA可实现上述功能。与常见的FPGA+ARM/DSP+PC方案相比,在FPGA内实现图像采集、处理与显示可简化色选机系统结构,提高经济性。本设计搭建了实现图像采集、图像处理与图像显示的完整的硬件平台,完成了图像采集与图像显示的逻辑设计,并预留了充裕的FPGA片内资源,留作图像处理模块使用,具有较高的实用性。
1 系统设计
如图1所示,本系统由图像采集子系统与图像显示子系统组成。图1中大虚线框内的各模块均为FPGA内部逻辑设计模块,细箭头表示控制信号流向,空心粗箭头表示图像信号流向。采集子系统包括RS232通信芯片、总线缓冲器、线阵电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)传感器、CCD缓冲放大器、CCD模数转换器、双口随机存取存储器(Random-Access Memory,RAM)模块和图像采集模块。显示子系统包括同步动态随机存储器(Synchronous Dynamic Random Access Memory,SDRAM)、视频解码芯片、视频图形阵列(Video Graphics Array,VGA)监视器、图像缓存模块和图像显示模块。顶层控制模块统一控制图像信号的采集、缓存与显示。下文分别就两个子系统进行阐述。
1.1 图像采集子系统设计
图1中,CCD采用东芝公司生产的TCD2566BFG彩色线阵图像传感器。该型传感器灵敏度高,暗电流小,采用两相5 V时钟脉冲驱动,含有3行彩色光电二极管阵列与1行黑白光电二极管阵列,每行阵列中光电二极管数量为5 340个[6]。FPGA采用Altera公司生产的Cyclone III型EP3C5E144C8芯片。该芯片内含5 136个LE、46个M9K Block、23个乘法器,以及414K片内RAM[7]。串口通信芯片为MAXIM公司生产的MAX3232。
图像采集模块完成采集子系统的核心功能———驱动CCD传感器。该模块接收外界指令,配置CCD行频及每英寸点数(Dots Per Inch,DPI),产生CCD时钟脉冲与控制信号。模块由驱动子模块、单口RAM子模块以及RS232子模块构成。驱动CCD传感器前,应先在驱动子模块内设置好CCD的行频与DPI。设置过程如下:单口RAM加载.mif文件进行初始化,在不同的地址预存不同的配置信息。用户根据实际需要,通过RS232子模块,向单口RAM子模块发送不同的读取地址。读取出的不同配置信息传输至驱动子模块,驱动子模块据此向CCD传感器发送不同频率的时钟脉冲,达到改变行频与DPI的目的。参照CCD技术手册,驱动子模块还产生CCD传感器所需的控制信号,经过总线缓冲器传输给CCD传感器,实现驱动。驱动TCD2566BFG需要10路信号,如图2所示。
图2中,SW1为彩色模式与黑白模式选择信号;SW2为时间延迟积分(Time Delay Integration,TDI)功能选择信号;SCG为存储清除栅(Storage Clear Gate)脉冲信号;SH为转移栅(Shift Gate)脉冲信号,其为高电平时,转移栅下势阱允许MOS电容中的信号电荷包转移到模拟移位寄存器中,为低电平时,二极管进入光积分状态[8]。时钟Φ1A与Φ2A为三行彩色光电二极管阵列的驱动时钟,频率均为35 MHz,相位差为180°。时钟Φ1B与Φ2B为一行黑白光电二极管阵列的驱动时钟,CCD工作在彩色模式时维持低电平。Φ1A、SCG、SH、RS、CP可利用计数器产生其波形。对Φ1A取反可得Φ2A。复位信号RS与电平钳制信号CP的占空比为1:8。关键源代码如下(pixel_counter为140 MHz时钟下的18位计数器):
CCD被正常驱动后,产生的模拟图像信号,经过缓冲放大器传输至CCD专用模数转换器AD9945。AD9945完成图像信号的模数转换,并将采集到的一行数字图像信号写入片内双口RAM中。至此,采集子系统完成CCD图像信号的采集。
1.2 图像显示子系统设计
显示子系统中,图像缓存模块与图像显示模块完成显示子系统的核心功能,即缓存图像与显示图像。图1中,SDRAM采用Hynix公司生产的HY57V64820HG芯片,位宽8 bit,内含4个Bank,总存储空间为64 MB,用于缓存双口RAM输出的图像信号[9]。视频解码芯片采用Analog Devices公司生产的ADV7123KSTZ140,最高数据吞吐率为330 MS/s[10],可将数字图像信号转换为VGA标准时序的模拟图像信号。
1.2.1 图像缓存模块逻辑设计
当CCD传感器工作在300DPI模式下且行频为3 500 Hz时,其每秒钟产生的数据量为9.345 MB,小于VGA(1366×768@60Hz)每秒钟显示的数据量73.764 MB,因此有必要对CCD图像数据进行缓存,当缓存的图像数据达到VGA一帧的数据量时,再将数据发送至视频解码芯片进行显示。显然,FPGA片内RAM无法提供足够的存储空间,使用片外SDRAM很有必要。
图像缓存模块内含图像裁剪、片内FIFO以及SDRAM控制器3个子模块。
在缓存图像之前,需要对图像信号进行裁剪,使其符合VGA标准时序。TCD2566BFG传感器工作在300DPI模式下,输出图像一行像素点数量为2 670,工作在600DPI模式下,一行像素点数量则为5 340。对于1 366×768分辨率的监视器,每行能够显示的最大像素点数量为1 366点。为此,对双口RAM输出的图像数据进行了裁剪:即300DPI模式下,每读取双口RAM数据一次,读取地址递增2;600DPI模式下,每读取一次数据,读取地址递增4。经过裁剪后,实际显示的图像每行为1 335像素,在首尾各添加15点空白像素后,图像信号符合VGA显示标准时序。采用多监视器或高分辨率监视器显示,也可以解决CCD图像与监视器每行像素点数量不同的问题。
图像信号从双口RAM输出的时钟频率是40 MHz,而SDRAM读写数据的时钟频率为100 MHz。因此,在SDRAM控制器两端各例化一片异步先进先出(First In First Out,FIFO)存储器,实现图像数据的异步读写。SDRAM工作在页读写模式,突发长度512 B。读写FIFO位宽8 bit,深度1 024 word,利用其先入先出与可同时读写的特性,可实现一帧图像的持续写入与读出。图像缓存模块的工作流程如图3所示。
图像经过裁剪后,即可传输进SDRAM内。SDRAM正常读写数据前必须进行初始化,以设置突发长度、列地址控制器(Column Address Strobe,CAS)潜伏期和操作模式。SDRAM初始化完毕后,即拉高wrfifo的写使能。图像数据以40 MHz的频率从双口RAM向wrfifo写入,直到写完一帧VGA图像后才拉低wrfifo写使能。当wrfifo内部数据大于512 word(半满)时,则拉高wrfifo的读使能,读出图像数据,以100 MHz的频率写入SDRAM。SDRAM完成一页(512 B)数据的写入后,暂时关闭wrfifo的读使能以及SDRAM的写使能,当wrfifo内部数据量再次大于512 word时,则再一次读取数据,写入SDRAM。重复该过程,持续向SDRAM写入图像数据。SDRAM内部写满一帧图像后,开始读SDRAM过程。检测rdfifo内部数据量,小于512 word时,拉高SDRAM读使能,以100 MHz频率向rdfifo写入图像数据。读完SDRAM内一页数据时,暂时关闭SDRAM读使能以及rdfifo写使能,等待VGA显示请求。收到VGA模块的显示请求后,拉高rdfifo的读使能,数据以85.5 MHz的频率传输至显示模块。凭借FPGA的并行特性,缓存模块在每一个时钟上升沿都可检测rdfifo的内部数据量。在rdfifo读出数据到VGA过程中,一旦检测到rdfifo内部数据量小于512 word,即拉高rdfifo的写使能,在读取数据的同时,写入数据。上述过程可实现一帧图像数据的连续写入和读出。由于系统采用的SDRAM无法同时进行写和读两种操作,因此本文采用了两片HY57V64820HG进行乒乓操作:SDRAM1进行读出操作,向ADV7123KSTZ140输出信号时,SDRAM2则从双口RAM写入数据;反之亦然。通过乒乓操作,实现了图像帧与帧之间的连续传输。
1.2.2 图像显示模块逻辑设计
VGA是IBM公司于1987年提出的一个使用模拟信号的显示标准。在1 366×768@60 Hz模式下,扫描一帧图像需要16.7 ms,其中实际显示图像的时间为12.3 ms。图像扫描过程从左往右,从上往下。设置一个计数器记录扫描的位置。当扫描至一行图像的左端点时,则开始将一行图像信号传输至视频解码芯片,扫描至右端点时,则停止图像信号的传输。纵向扫描的原理与此相似。图像显示模块还生成视频解码芯片需要的时钟脉冲、行场同步信号以及消隐信号。图像显示模块关键源代码如下:
2 软硬件综合调试
利用FPGA集成开发环境Quartus II 11.0软件自带的Signal Tap工具,可以检测FPGA内部信号的真实值。将逻辑设计的顶层模块文件在Quartus II 11.0软件中全编译,生成.sof文件,利用JTAG接口将文件烧录进FPGA在线调试。驱动模块输出的驱动信号以及双口RAM输入的数字图像信号如图4所示。对比技术手册时序图,Signal Tap抓取的信号表明,驱动线阵CCD所需的10路信号被正确地产生了。结果如图4中的DATA_R、DATA_G、DATA_B信号所示,FPGA成功接收到了由线阵CCD产生的数字图像信号。图像采集子系统完成了设计目标。图像在监视器上显示结果如图5所示。线阵CCD传感器需以特定速度扫描被测物体才能得到二维图像。测试中,被测物体油茶果匀速通过CCD传感器下方,CCD传感器保持固定。显示设备为通用即插即用监视器,分辨率1 366×768。显示画面稳定,无失帧,无噪点。
3 结论
Signal Tap抓取的信号波形和监视器显示的画面表明系统基本上实现了设计目标,即使用FPGA芯片完成CCD图像信号的采集和显示,证明了系统软硬件设计的正确性。全编译结果显示,FPGA内部LE只使用了44%。利用剩余的资源,可以对图像信号进行图像处理,处理结果通过串口传输至筛选执行机构,执行筛选动作。配合不同的CCD传感器,该系统可广泛应用于安检、医疗影像、遥感测绘等领域,具有较高的实用价值。
参考文献
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CCD图像传感器原理 篇3
1 CCD分类
a.从CCD的工作特性可分为：线性CCD和矩阵式CCD。b.从工艺特性又可分为：单CCD、3CCD及Super CCD三种。c.按光谱可分为可见光CCD、红外CCD、X光CCD和紫外CCD。
2 CCD结构
CCD从结构上分为线阵CCD和面阵CCD，从受光方式分为正面光照和背面光照两种。线阵CCD有单沟道和双沟道两种信号读出方式，其中双沟道信号读出方式的信号转移效率高。面阵CCD的结构复杂，常见的有帧转移 (FT) CCD、全帧转移 (FFT) CCD、隔列内线转移 (IIT) CCD、帧内线转移 (FIT) CCD、累进扫描内线转移 (PSIT) CCD等。
3 CCD成像原理
CCD (Charge Coupled Devices, CCD) 由大量独立光敏元件组成，每个光敏元件也叫一个像素。这些光敏元件通常是按矩阵排列的，光线透过镜头照射到光电二极管上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于它所受到的光照强度，图像光信号转换为电信号。当CCD工作时，CCD将各个像素的信息经过模/数转换器处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出。
CCD工作过程可分为电荷存储、电荷转移、电荷输出和图像信息还原四个阶段。
3.1 电荷存储
构成CCD基本单位是MOS电容器，类似于MOS晶体管结构，和其他电容器一样，MOS电容器能够储存电荷。当金属电极（称为栅）加正电压时（衬底接地），在电压的作用下，就会产生一个垂直于衬底表面的电场。在此电场的作用下，P型硅中的多子空穴被向下排斥，形成耗尽层。电子在那里势能较底，可以形象化地说，形成了电子的势阱，势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，栅电压越大，势阱越深。
3.2 电荷转移
若CCD基本单位MOS电容器之间排列足够紧密（通常相邻MOS电容电极间隙小于3μm），使相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合，那么就可使信号电荷（电子）在各个势阱中转移，并力图向表面势S最大的位置堆积。因此，在各个栅极上加以不同幅值的正向脉冲G，就可改变它们对应的MOS的表面势S，亦即可改变势阱深度，从而使信号电荷由浅阱向深阱自由移动。就电荷转移方式来讲，CCD有二相、三相、四相等多种结构形式。下面是三相CCD转移图：
3.3电荷输出
电荷输出结构有多种形式，如“电流输出”结构、“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构应用最广泛，结构如下图：
(a）浮置扩散输出（b）浮置栅输出
3.4 图象信息还原
Bayer方式滤色器，R-G-B-G四个单元为一组，G是R和B的两倍，因为人眼的视锥细胞对绿色更敏感。现在数码相机普遍采用的方式：R-Gr-B-Gb混合色亮度等于R、G、B各分量亮度之和，根据R、G、B三分量比例来还原色彩。
4 CCD主要参数
CCD主要参数有：总像素、有效像素、尺寸、灵敏度、量子效率、光谱响应特性、转移效率、不均匀度、动态范围、采样精度、线性度、噪声等。
4.1 灵敏度
它是指在一定光谱范围内单位曝光量的输出信号电压（电流）。也相当于投射在光敏元上的单位辐射功率所产生的电压（电流）。
4.2 量子效率
如果说灵敏度是从宏观角度描述CCD光电特性，那么量子效率是对同一个问题的微观描述，可以理解为1个光子能产生的电子数。
4.3 光谱响应特性
主要由光电二极管特性决定。下图是Si光电二极管的光谱响应曲线。
Si材料的禁带宽度决定了光谱响应的长波极限，由于波长愈短，半导体对光波的吸收系数愈小，这就决定了光谱响应的短波极限。
4.4 转移效率
转移效率η是指电荷包在进行每一次转移中的效率，即电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有部分的电荷转移过去，余下1-η部分没有被转移，由于CCD中信号电荷包大都要经历上千次的转移，即使值几乎接近1，但其总效率往往仍然很低。例如，如果转移效率为0.999，转移2000次的话，总效率只有0.135。S0009CCD的转移效率为0.99999, 平均转移2000次，总效率为0.98。
4.5 不均匀度
CCD成像器件不均匀性包括光敏元不均匀和CCD (CMOS）不均匀。一般CCD是近似均匀的，即每次转移效率是一样的。光敏元响应不均匀是由于工艺过程及材料不均匀引起的，画素越多，均匀性问题越突出，不均匀度是影响像素提高的因素，也是成品率下降的重要原因。CCD的成品率一般不足50%。
4.6 动态范围/采样精度
上限取决于光敏元势阱容量，下限取决于CCD能分辨的最小信号，即等效噪声信号。
动态范围=光敏元满阱信号/等效噪声信号
采样精度是指输出电荷经A/D转换成数字信号的位 (Bit) 数。采样精度越高，层次越多，图像越细腻。现在数码单反相机采样精度为12bits。采样精度影响到颜色层次过渡细腻程度，动态范围则影响到整个图像表达明暗动态范围。
4.7 线性度
线性度是指在动态范围内，输出信号与曝光量关系是否成直线关系。
通常在弱信号和接近满阱信号时，线性度比较差。在弱信号时，噪声影响大，信噪比低；在接近满阱信号时，耗尽层变窄，使量子效率下降，灵敏度降低，。
参考文献
[1]李云飞、李敏杰等, TDI-CCD图像传感器的噪声分析与处理, 光学精密工程, 2007-cqvip.com
[2]熊平, CCD与CMOS图像传感器特点比较, 半导体光电, 2004-cqvip.com
CCD图像传感器发展与应用 篇4
电荷耦合器件(CCD)自20世纪60年代末出现以来,以其线性良好、量子效率高、动态范围大以及模拟兼数字化等优点,在信号处理及图像传感领域里发挥了巨大的作用。如今CCD摄像器件已广泛应用于SDTV摄像机、HDTV摄像机、数字摄像机、数码相机、可视电话以及监控系统等领域[1]。CCD的高分辨率成像技术已广泛应用于SDTV和HDTV、图像通信、医学和科学成像等领域。
2 CCD图像传感器类型介绍及应用[2]
2.1 线型CCD
线型CCD图像传感器由一列MOS光敏单元和一列CCD移位寄存器构成,分为单行结构和双行结构,线型CCD图像传感器可直接接收一维光信息,不能直接将二维图像转变为视频信号输出,必须用扫描的方法得到整个二维图像的视频信号。线型CCD图像传感器主要用于尺寸测试和定位、传真和光学文字识别技术等方面。
2.2 面型CCD
按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列,即可以构成面型CCD图像传感器。面型CCD图像传感器有3种基本类型:线转移型、帧转移型和行间转移型。面型CCD图像传感器主要用于摄像、存储、数码相机等感光器件。
3 几种国外CCD图像传感器介绍
3.1 超高分辨力线阵CCD图像传感器
该CCD图像传感器是由美国柯达公司研制,成功用于高端扫描系统。该器件可应用于高清晰度尺寸测量定位、传真和光学文字识别技术等方面。
3.2 帧转移面型CCD图像传感器
由Philips公司推出用于数码相机的彩色帧转移CCD(FT-CCD),型号为FXA1013,分辨力为2 000×1 600,芯片尺寸为9.49 mm×8.67 mm,像素尺寸为4.1μm×4.1μm。
3.3 低光度CCD图像传感器
低光度图像传感器CCD60采用读出寄存器和输出放大器间的增益寄存器,增殖光电子多达1 000倍。采用背面减薄工艺,分辨力为128×128像素,量子效率大于90%。CCD60工作在反转模式以抑制暗电流,工作速度高达1 000 f/s(帧/秒)。传感器的光谱范围为400~1 060 nm,填充系数为100%。在电荷域的片上增益能通过控制工作电压来调整,像素尺寸为24μm×24μm。
3.4 高分辨力大面阵CCD图像传感器
Farchild Imaging公司的CCD595型9 216×9 216像素大面阵全帧转移CCD图像传感器,其像素尺寸为8.75μm×8.75μm,成像面积为80.64 mm×80.64 mm。该CCD图像传感器可应用于摄像和高分辨力数码相机。
3.5 CCD485固体全帧传感器
Farchild Imaging公司的一种固体全帧转移CCD图像传感器,型号为CCD485,计划用于科学、工业、商业的高清晰度数字成像应用。其填充系数接近100%,特点是成像区采用埋沟多针相工作模式。成像区分为4个象限,采用三相时钟结构,每一象限都可单独时钟驱动。该CCD的像素数为4 096×4 097,像素尺寸为15μm×15μm,有效像素数为4 080×4 080,读出噪声低,动态范围宽。
3.6 松下推出高速CCD图像传感器
松下推出的MN39192FH是一种1 330万像素1/4SXGA CCD图像传感器,通过辅助片上的滤色镜和光栅实现了速度高、灵敏度高等特性,推动了小型高质量数码视频摄像机的发展。该CCD器件具有信噪比高、动态范围宽等特点,像素尺寸为2.8μm×2.8μm。
3.7 ITO-CCD图像传感器[3]
大多数CCD图像传感器的电极材料均采用多晶硅薄膜,而多晶硅对蓝光透射性很差,于是Kodak发明了氧化铟锡(ITO)电极。ITO-CCD对蓝光是全透明的,敏锐度更高,透光性比一般CCD提高了20%,ITO-CCD比传统CCD的蓝光透过率提高了2.5倍,同时大幅度降低了噪声干扰,使图像质量更好,为专业数码相机提供了高清晰度、高质量的图像。至今Kodak公司已研制出200万(1 736×1 160)像素、600万(3 032×2 008)像素和1 600万(4 000×4 000)像素ITO-CCD图像传感器,KAF-1602LE是Kodak公司推出的ITO-CCD型号之一。
3.8 电子倍增CCD图像传感器
Andor-technology公司研发出了128×128,512×512,576×288,726×902,1 815×2 256,1 024×128,2 048×2 048像素的电子倍增CCD(Electron Multiplying CCD,EMCCD)。这种帧转移EMCCD的结构包括先进的增益移位寄存器、成像区、存储区、移位寄存器和输出放大器,其量子效率高,灵敏度高,信噪比高。这些成像测量系统主要用于弱光检测、生命科学中的DNA标记、X射线成像与光谱检测、生物和医学成像等。
3.9 紫外CCD图像传感器
日本滨松公司开发的新型紫外固体摄像器件——薄型背照式电荷耦合器件(BTCCD),采用特殊的制造工艺和锁相技术,具有噪声低,灵敏度高、动态范围大等优点。BTCCD有很高的紫外光灵敏度,紫外波段的量子效率超过40%,可见光部分超过80%,甚至达到90%左右,不仅可工作于紫外光,也可工作于可见光。
目前Sarnoff研究中心的紫外研究工作有两个方向:一是研制线阵和隔行转移列阵格式的CMOS/CCD,现已证明,这种方法所产生的探测器随着时间和表面电荷的变化能保持高度的稳定性;二是为海洋研究室研究一种薄型背面照射技术,模拟证明,这种技术可以在深真空紫外波段(10 nm)获得30%以上的稳定量子效率。在真空紫外以下,硅CCD可用来在远紫外(10~100 nm)和软X射线(0.1~10 nm)波段内成像。
美国COOK公司向市场提供了Dicam-pro型增强式制冷型CCD相机,它的曝光时间仅3 ns,其工作波段位于近红外-紫外波段。这种相机可用于荧光分析、化学荧光分析、光谱分析、弹道分析、生物荧光分析、高速流体分析、电源现象分析以及PIV成像等系统。可用光缆传输从相机到PCI接口板的串行数据。
4 CCD图像传感器的发展现状和发展趋势[3,4,5,6]
目前,CCD图像传感器的生产主要集中在日本的索尼、东芝、松下、滨松、夏普、三洋、富士、奥林巴斯、NEC、加拿大的Dalsa和美国的柯达等公司。当前各CCD生产厂商和数码相机、摄像机厂商之间像素和照片质量的竞争,实质是缩小像素面积的竞争。自1987年以来,CCD图像传感器的像素面积以每年20%的速度缩小,目前像素面积已经小于3μm×3μm。
从目前CCD技术的发展趋势来看,CCD将向高分辨力、高速度、微型化、多光谱、紫外、X射线、红外等方向发展。近几年,数码相机和微型摄像机的发展过程中,CCD和CMOS图像传感器相互竞争。总的来看,在军用领域,CCD使用的较多;在民用领域,CMOS图像传感器与CCD之间的竞争相当激烈,重点是制作工艺、功耗、集成度和成本。在竞争的过程中,CCD和CMOS图像传感器的研制和开发厂商不断推出新品。从CMOS与CCD目前的应用、技术发展以及未来的发展趋势看,CMOS图像传感器可能成为主流。CMOS固体摄像器件与90%的半导体器件都采用相同标准的芯片制造技术,而CCD则需要一种特殊的制造工艺,故CCD的制造成本高很多,表1是两种器件的比较。随着CMOS图像传感器技术的进一步研究和发展,过去仅在CCD上采用的技术正在被应用到CMOS图像传感器上。
5 小结
CCD和CMOS图像传感器已经发展成熟,至今已经推出了可见光CCD和CMOS图像传感器、紫外CCD、红外CCD、微光CCD、X射线CCD和X射线CMOS图像传感器等。近年来,人们对CCD的分辨力、信噪比、灵敏度、动态范围等特性的要求越来越高。CCD图像传感器将在我国航天、遥感、天文、工业、农业、商业、医学、交通、通信等领域得到更加广泛的应用。
参考文献
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[5]SUYAMA M,KAGEYAMA A.An electron bombardment CCD tube[C]//Proc.SPIE.[S.l.]:SPIE Press,1997:422-429.
线阵CCD图像传感器 篇5
关键词：光电检测技术,CCD,图像传感器
0光电检测技术
光电传感器又称图像传感器或影像传感器,是利用调制光实现对物体的检测,其作用是将接收到的光信号转变为模拟电信号[1]。光电传感器由发射器和接收器组成,通过接收器接收到的光强变化产生检测输出实现检测功能。传感器种类繁多,模式多样,主要用于切换机器动作、控制生产线运行,为零件或产品计数、检验产品、保护操作人员等等。作为生产线上的控制部件,光电传感器参与制造了成千上万种产品。光电传感器非接触地探测物体,广泛用于许多自动化领域,如管理系统、机械制造、包装工业等。光电传感器可提供高质量的探测、识别与成像以及高分辨率的静止图像等。随着科学技术的飞速发展和工业生产自动化程度的提高,高精度、高效率、非接触在线检测已成为检测行业的发展方向。它可以大大地解放劳动力,达到提高生产效率和产品质量、降低成本的目的。
所谓光电检测系统是指对待测光学广量或由非光学待测物理量转换成的光学量,通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统,如图一所示。光电检测为非接触检测,具有无损、远距离、抗干扰能力强、受环境影响小、检测速度快、灵敏度高、电路简单、价格低廉、测量精度高等优越性,因而应用十分广泛,尤其在高速自动化生产、生产过程的在线检测、安全运行保护等方面起到重要作用。特别是近年来,各种新型光电探测器件的出现,以及电子技术和微电脑技术的发展,使光电检测系统的内容愈加丰富,应用越来越广,目前已渗透到几乎所有工业和科研部门,是当今检测技术发展的主要方向。
1 CCD工作原理及介绍
1.1 CCD工作原理
CCD (Charge Couple Devices)即为电荷耦合器件,是固态图像传感器的敏感器件,与普通的MOS、TTL等电路一样,属于一种集成电路,但CCD具有光电转换、信号储存、转移(传输)、输出、处理以及电子快门等多种独特功能。自1969年美国贝尔实验室研制成功第一只光电荷耦合器件(Charge Coupled Device,简称CCD)以来,CCD伴随着计算机技术的迅速发展,在国防及民用工业等部门引起人们的极大关注,尤其CCD所具有的体积小、重量轻、结构简单、功耗低、便于数字化等一系列优点,更使其在检测方面的应用越来越广泛,是未来探测技术的发展方向[2]。
电荷耦合器件CCD的基本原理是在一系列MOS电容器金属电极上,加以适当的脉冲电压,排斥掉半导体衬底内的多数载流子,形成“势阱”的运动,进而达到信号电荷(少数载流子)的转移。如果所转移的信号电荷是由光像照射产生的,则CCD具备图像传感器的功能;若所转移的电荷通过外界注入方式得到的,则CCD还可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。
CCD主要由信号输入、转移和输出三部分组成,其核心部分为电荷转移。当入射光到达光敏元件,使得光敏元件产生电子-空穴对,空穴在表面电场作用下进入衬底,电子则进入输入栅形成的势阱中存储起来。图二为CCD器件的结构原理图[3,4]。
图三展示了三相驱动CCD传感器电荷转移过程。根据能量定理电荷总是从能量高向能量低的方向运动,电极Φ2电压比电极Φ1高,在电极Φ2处形成的势阱高于电极Φ1处,电荷从电极Φ1向电极Φ2转移。只要下一时刻电极Φ3电压比电极Φ2高,电荷又将从电极Φ2向电极Φ3转移。
1.2 CCD图像传感器的介绍
电荷耦合器件CCD的基本原理与金属——氧化物——硅(MOS)电容器的物理机理密切相关。CCD的电荷(少数载流子)的产生有两种方式:电压信号注入和光信号注入。作为图像传感器,CCD接收的是光信号,即光信号注入法。当光信号照射到CCD硅片上时,在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子—空穴对。这时在栅极电压的作用下,多数载流子(空穴)将流入衬底,而少数载流子(电子)则被收集在势阱中,形成信号电荷存储起来。这样高于半导体禁带宽度的那些光子,就能建立起正比于光强的存储电荷。
由许多个MOS电容器排列而成的CCD,在光像照射下产生光生载流子的信号电荷,再使其具备转移信号电荷的自扫描功能,即构成固态图像传感器。
图四所示光电摄像管中,当入射光像信号照射到摄像管中间电极表面时,其上将产生与各点照射光量成比例的电位分布,若用电子束扫描中间电极,负载RL上会产生变化的放电电流。由于光量不同而使负载电流发生变化,这恰是所需的输出电信号。所用电子束的偏转或集束,是由磁场或电场控制实现的[5]。
在图五的固态图像传感器中,输出信号的产生,不需外加扫描电子束,它可以直接由自扫描半导体衬底上诸像素而获得。这样的输出电信号与其相应的像素的位置对应,无疑是更准确些,且再生图像失真度极小[5]。
通过图四和图五光导摄像管与固态图像传感器的基本原理的比较,可以看出:光导摄像管等图像传感器,由于扫描电子束偏转畸变或聚焦变化等原因所引起的再生图像的失真,往往是很难避免的。失真度极小的固态图像传感器,非常适合测试技术及图像识别技术。此外,固态图像传感器与摄像管相比,还有体积小、重量轻、坚固耐用、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强以及耗电少等许多优点,并且固态图像传感器的成本也较低。
2 CCD图像传感器的发展趋势
CCD图像传感器经过30多年的发展,从最初简单的8像素移位寄存器发展至今,已经具有数百万至上千万像素。由于CCD图像传感器具有很大的潜在市场和广阔的应用前景,因此,近年来国际上在这方面的研究工作进行的相当活跃,很多国家均投入大量的人力、物力和财力,在CCD图像传感器研究和应用方面取得瞩目的成果。从目前CCD技术的发展趋势来看,主要有以下几个方向[6]:①高分辨率:②高速度;③微型、超小型化;④新型器件结构;⑤微光CCD;⑥多光谱CCD器件;⑦超级(Super)CCD。
随着社会各行各业的先进技术的不断发展,CCD因其独有的性能和功能,在很多领域得到了广泛应用,已显示出潜在的巨大优势。
参考文献
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[5]蔡文贵．CCD技术及应用[J]．北京：电子工业出版社，1999：1．
线阵CCD图像传感器 篇6
电荷耦合器件(CCD.Charge (Couple Device)是20世纪70年代初出现的新型半导体器件。目前随着CCD器件性能不断提高,在图像传感、尺寸测量及定位测控等领域的应用日益广泛.CCD应用的关键是驱动信号的产生及输出信号的处理。由于不同厂家不同型号的CCD器件驱动电路各不相同,致使驱动信号的产生必须根据具体的CCD器件时序要求来设计驱动电路。因此、如何快速方便地产生CCD所需的驱动时序,成为CCD应用的关键。使用专用IC驱动CCD虽集成度高、但是费用高,灵活性和可移植性不好;传统的时序发生器实现方法如单片机驱动法、EPROM驱动法、直接数字驱动法等,由于速度和功能上的限制,已不能满足CCD应用向高速、小型化、智能化发展的需要。可编程逻辑器件CPLD以其高集成度、高速度、高可靠性、开发周期短可满足这些需要,与VHDL语言的结合可以很好地解决上述问题。由于可编程逻辑器件可以通过软件编程对其硬件的结构和工作方式进行重构,从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。可编程逻辑器件(PLD)是在20世纪80年代迅速发展起来的一种新型集成电路,随着大规模集成电路的进一步发展,出现了PAL和GAL逻辑器件,而复杂可编程逻辑器件CPLD是在此逻辑器件基础上发展起来的,跟分立元件相比,具有速度快、容量大、功耗小、集成度高、可靠性强等优点。故CPLD被广泛应用于各种电路的设计中。本文以TCD1200D型CCD为例,给出了驱动时序的设计方法。
1 CCD图像传感器工作原理
CCD图像传感器是以电荷作为信号,而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号,其基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。当光入射到CCD的光敏面时.CCD首先完成光电转换.即产生与入射光辐射量成线性关系的光电荷。CCD的工作原理是被摄物体反射光线到CCD器件上.CCD根据光的强弱积聚相应的电荷.产生与光电荷量成正比的弱电压信号,经过滤波、放大处理,通过驱动电路输出一个能表示敏感物体光强弱的电信号
或标准的视频信号。根据所集成光敏元件的排列,CCD图像传感器分为线阵和面阵两种类型。
1.1 线阵CCD
线型CCD图像传感器结构如图1所示。在图中,1—CCD转移寄存器2—转移控制栅,3—积蓄控制电极,4-PD阵列SH-转移控制栅输入端RS-复位控制VOD-漏极输出0S-图像信号输出OG-输出控制栅。在结构图中,光敏元件作为光敏像素位于传感器中央,两侧设置CCD移位寄存器,在它们之间设有转移控制栅。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,在光积分周期里,光敏电极电压为高电平,光电荷与光照强度和光积分时间成正比,光电荷存储于光敏像敏单元的势阱中。当转移脉冲到来时,光敏单元按其所处位置的奇偶性,分别把信号电荷向两侧移位寄存器转送。同时,在CCD移位寄存器上加上时钟脉冲,将信号电荷从CCD中转移,由输出端一行行地输出。线型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息,不能直接将二维图像转变为视频信号输出,为了得到整个二维图像的视频信号,就必须用扫描的方法来实现。线型CCD图像传感器主要用于尺寸测试、传真和光学文字识别技术等方面。
线型CCD的主要技术指标如下:像敏单元数;像元尺寸;像元中心距;像元总长;光谱响应范围;光谱响应峰值波长;灵敏度等。
1.2 面阵CCD
面型CCD图像传感器有三种基本类型:线转移型、帧转移型和行间转移型,图2所示为三种类型的原理图。面型CCD由光敏区(感光区)、存储区和水平读出寄存器三部分构成。图像成像到光敏区,当光敏区的某一相电极(如P)加有适当的偏压时,光生电荷将被收集到这些光敏单元的势阱里,光学图像变成电荷包图像。当光积分周期结束时,信号电荷迅速转移到存储区中,经输出端输出一帧信息。当整帧视频信号自存储区移出后,就开始下一帧信号的形成。这种面型CCD的特点是结构简单,光敏单元密度高,但增加了存储区。面型CCD图像传感器主要用于摄像,存储,数码相机感光器件等。
面型CCD的主要技术指标如下;像素数;像素尺寸(μm2);填充系数(%);成像面积(mm2);读出噪声;饱和输出电压(mV);满阱容量(98%的像素);平均暗电流(nA/cm2);平均量子效率;垂直电荷转移效率(%);水平电荷转移效率(%);总的读出噪声电子(e-rms);水平时钟脉冲频率(MHz);芯片功耗(W)等。
2 基于VHDL的驱动时序设计
2.1 TCD1200D简介
2.1.1 TCD1200D的特点
TCD1200D是日本东芝公司生产的双沟道线阵CCD器件,具有灵敏度高(饱和曝光量为0.037×·s)、暗电流低等特点。该器件具有2 160个像元,内部信号预处理电路包含采样保持和输出预放大电路,当温度为25℃时,该器件工作在5 V驱动脉冲,12 V电源条件下。
2.1.2 TCD1200D驱动时序要求
芯片正常工作需要4路驱动信号:时钟脉冲F1,时钟脉冲F2,转移脉冲SH和复位脉冲RS。其中SH为光电荷转移脉冲,其下降沿是每行输茁的起始点;F1,F2为两相交变驱动脉冲(相位差为90。),其作用为驱动信号电荷进行定向转移;RS为输出极复位脉冲,清除输出即输出一个单元电荷后所剩电荷,以保证下一个单元电荷电压的正确输出。在4路脉冲的正确驱动下,该图像传感器将产生有效光电信号OS和补偿信号。图3即为TCD1200D各路驱动信号的时序关系。图4为TCD1200D驱动电路脉冲宽度与延时关系图,其中SH与F1的脉冲间隔t1,t5最小值为0,典型值为1001ns;SH脉冲上升与下降时间t2,t4最小值为0,典型值为50ns;SH脉冲宽度t3最小值为200ns,典型值为1 000ns;F1,F2脉冲上升、下降时间t6,t7最小值为0,典型值为60ns;RS脉冲宽度t8最小值为40ns,典型值为250ns;F1,F2与RS脉冲间隔t9。最小值为100ns,典型值为125ns。
2.2 驱动时序设计
本设计采用wZE-SPX010.00MHz晶振作为系统标准时钟。按照TCD1200D时序要求,时钟脉冲F1,F2设为0.5 MHz,将晶振20倍分频作为F1和F2输入信号,RS的周期为1000ns,TCD1200D包含2160个有效像元,有效像元前后各有64及12个哑单元,所以SH的周期应该大于等于2236个RS周期,令SH的周期为2240个RS周期,即2.24ms。图4为本论文设计的TCD1200D驱动波形图,单位均为ns。在图4中,时钟脉冲F1和F2的脉冲宽度为1000ns,SH的脉冲宽度为800ns,其上升沿和下降沿与对应的时钟脉冲F1和F2上升沿、下降沿间隔100ns,RS的脉冲宽度为200ns,他的下降沿与F1的上升沿间隔300ns。可见本设计符合TCD1200D的驱动时序要求。
2.3 VHDL语言实现
Max+PlusⅡ是Altera公司推出的一种开发设计平台,他功能强大,可以生成图形义件,文本文件和波形文件。并支持层次设计和从顶至底的设计方法,支持VHDL语言。可以编译并形成各种能够下载到各种CPLD器件的文件,还可以进行仿真以检验设计的可行性。硬件描述语言(Very high speed integerated circuitHardware Description
Language,VHDL)源于美国国防部。他是用来描述集成电路的结构和功能的标准语言,设计人员无需通过门级原理图,而是针对设计目标进行功能描述,从而加快设计周期,VHDL元件的设计与工艺无关,方便工艺转换。基于以上优点,本系统采用VHDL语言实现CCD驱动时序电路,程序如下:
3. 结语
本文在分析TCD1200D的工作原理和驱动信号时序要求的基础上,结合CPLD技术,采用VHDL语言,设计了一种合理的时序产生方案。该方案相对于数字电路硬件,单片机等驱动方式,时序驱动电路设计简单、体积小、灵活性好。设计完成后,可通过计算机进行软件调试,再实际投人使用,降低了使用风险性,实现了对CCD器件的正确驱动。
参考文献
[1]周祖成．电荷耦合器件在信号处理图像传感器中的应用．北京：清华大学出版社，1991．10
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[3]TCD1200D使用说明书，2005．7
线阵CCD图像传感器 篇7
本文欲搭建光纤折射实验平台, 实验基于光纤端出射光束以散射角随所接触液体折射液体折射率的原理, 并使用CCD探测出折射光的光强, 利用光强曲线确定偏移量, 从而得到液体的折射率。改进以后的系统使得折射率的实验变得方便灵活、条理清晰, 同时也让实验更具现代科技气息。
一、实验原理简介
1. 实验原理概述
液体折射率测量仪的原理是:一束激光以垂直照射到液体上, 然后经过液体的折射, 再经过底面平面镜子反射到CCD元件上, 通过比较有无液体时, CCD元件上光点的位移, 从而计算出该液体的折射率。这就要求我们必须准确测量出光点的位移。我们通过计算机可以读出光点位移所对应的CCD元件的像素数目, 所以只要知道相邻两个像素之间的距离, 就可以根据公式:位移=像素数目*像素间的距离, 计算出液体的折射率了。
2. 折射率公式推导
如图1, 让一垂直装有待测溶液的矩形玻璃容器的光纤的出射光束射入某液体, 然后经过液体的折射, 再经过底面平面镜的反射从界面射出。从几何光学原理可知, 出射光束与入射光束对称但不在同一直线上, 即出射光相对入射光有一侧向位移, 此位移大小与待测溶液的折射率和容器顶端材料的参数有关。为了消除容器顶端材料的参数对测量的影响, 我们选用了折射率接近于1的有机玻璃。让同一束光在同样的入射角下先后通过空定标溶液矩形容器和装有待测溶液的矩形容器, 测量上述两种情况下出射点的位移, 便可测出待测溶液的折射率 (浓度) 。鉴于平面对称, 我们作如图处理。计算公式推导如下:
当容器装有定标溶液时, 设n0是定标溶液的折射率, θ1为折射角。而根据折射定律我们可以有如下公式:
式中NA指的式光纤的数值孔径, 另外根据几何知识有:x1=2stan (θ1) (2)
有 (1) 、 (2) 可得:
(式中R1为折射光斑的半径;S为容器的高度)
当容器装有待测溶液时, 设n为待测溶液人折射率, 同理可得:
有 (3) 、 (4) 变形得:
式中N A、n1、S已知, 只要给出便可求出n。如果也知线阵C C D光敏元中心间距L及光敏元数目可从如下公式求得:
二、硬件系统及其实现
1. 硬件的组成
本系统基本硬件由电源电路、激光器、光纤、容器槽、CCD系统、计算机等6部分组成, 如图2所示。而其运行模式为有220V交流电经过一个电源转换电路提供激光器的启动电压, 激光器发出的光束通过光纤垂直射入到液体中去, 经过反射后, 由再由计算机通过CCD接收光的光强信号。
2. 硬件的连接
实验开始将各个光学仪器固定在光学实验平台上, 随后如图1所示进行连接和光路的调节, 在其过程中需注意以下几点:
首先, 由于光纤端口的平整度对实验效果影响极大, 因此在裁剪光纤时必须使用光纤刀, 若没有光纤刀, 可以用打火机外焰烧去光纤的保护膜, 然后对光纤灼烧数秒后, 沿光纤的轴方向拉断光纤。其次, 对于外部杂散光, 只有对光路系统进行密封, 实验中, 我们对长方形样品池四周进行了挡光处理。最后还要注意, 一旦光路固定, 切勿移动, 因为这样会使接受到的光斑发生偏移, 造成计算的误差。
三、系统软件的设计及使用
1. Visual Basic高级语言编程
软件选用Visual Basic作为开发环境。然而VB在与计算机I/O通信方便有些不足, 不能与底层的端口直接进行通信, 但是只要引入VC或Buider C++预先编译好的动态链接库, 然后直接调用其中的函数, 我们就可以轻松的实现VB直接读写I/O端端口。本实验软件中就引入了WIN95IO.dll和DirectIO.dll两个动态链接库来实现计算机的并口与CCD通信, 且实例中的DirectIOVB.dll里就集成了所需要的设备驱动, 当调用openDirectIOVB () 这个函数时, 程序自动会安装设备驱动。
本软件主要处理从CCD上采集的数据, 用它来描绘曲线图和计算相关数据。CCD的驱动电路和计算机的并口相连, 向地址0x37写0x00时, 对CCD初始化;写0x01时, 发数据采集命令;写0x02和0x03时, 分别从0x379读出RAM低四位与高四位。软件根据读得的数据组描出图象, 并跟踪边缘点的移动计算机出光斑偏移量, 并实时报告于窗口中。
2. 利用CCD判断光斑偏移量的方法
判断的关键是正确判断光斑的边缘点, 我们可以利用最大值法记录扫描到的光强, 再利用最小值法记录扫描到的光强, 然后从两者之间找出其边缘点, 其定注的点大约为最大值的1.2倍, 从而通过比较有无液体时, CCD元件上光点的位移便可计算出该液体的折射率。由于光点位移对应着CCD元件的像素数目, 偏移量=像素数目*像素间的距离。
在实验过程中, 由于接收到的噪声干扰信号比较大, 数据抖动比较厉害。为了尽量避免干扰信号, 本文用九点平滑处理法对获得的数据做了圆滑处理, 结果发现除了开始位置还存在一定噪声干扰外, 其他位置的曲线已经接近平滑。
具体语句如下:
3. 介绍实验总界面和实验原理及操作步骤介绍窗体
(1) 介绍实验总界面
主界面上的图片框展示了整个系统的装置、布局以及实验的流程;“实验功能区”中有4个按钮选项, 分别是:“实验预习”、“测量系统”、“完成实验报告”、“完成实验报告”及“退出”。选择后就可以进入相应的界面完成相应的功能, 除以上两个区域外, 单击主界面上任意区域都将出现系统的“关于”信息。
(2) 折射率测量窗体的使用
折射率测量的主界面它大体分为三个部分:实验现象显示部分、数据报告部分和实验控制部分。点击“手动测量”按钮, 计算机将每隔1s在实验显示部分实时显示利用CCD的检测到的“光强分布图”同时会在左下方的数据报告部分显示“光斑边缘点”。实验者可以通过观看屏幕上的图像来适当调节光路及CCD积分时间。当看到的图像满意的时候, 在实验控制部分输入相关参数, 计算机将会计算出所测液体的折射率, 如果一旦参数没输入或不完整计算机将会跳出个提示框, 提醒用于输入或输入完整参数。
(3) 实验报告
实验报告是学生实验的必要组成部分, 该软件中同样设计了学生完成实验报告界在主界面种选择“做实验报告”按钮时出现实验报告的界面。该界面的菜单是借用了office2003菜单形式, 比VB中的菜单更加美观, 学生操作更加熟练。界面左侧的实验目的、实验仪器、实验简要原理、实验简要步骤及实验日期等在测定完毕后系统将自动提供。
4. 实验的数据及其分析
(1) 实验结果简述
在实验中, 在确定好CCD的位置后, 往容器中加入某中溶液后, 根据实验得到其光强与位置的关系, 如图3所示。横坐标为像素的位置, 纵坐标为光强值。
(2) 实验数据如下:
这里我们利用MATLAB软件把偏移量和测量率进行拟合后, 可得图4。从图4中, 不难看出液体的折射率和光斑的边缘的偏移量之间存在着一个一次函数关系。随着液体的折射率的增加, 光斑的边缘的偏移量也随之增加。
(3) 实验精度分析
实验中, 误差按其表现特性可分为系统误差, 随机误差。在此实验中误差主要有如下几方面:
(1) 在测量中, 光斑边缘的清晰度时引起测量误差人主要原因。
(2) 外界环境的温度也是影响液体折射率的一个因素。因此我们应将实验尽量一次性测定, 使得计算有可比性。
(3) 光斑的形状。如果光斑是椭圆形的, 表明光纤并没有垂直液体入射, 其结果可能导致采集图像失败。因此, 一定要保证光路的准确性。
(4) 有可能是光源光强分布不均, 波动等。但此实验发现光源的要求并不是很高, 此激光光源比较优良, 其对系统误差的影响不超过一个像素, 是系统的理想光源。
四、总结与反思
但由于光束的强度等因素的影响, 在测量某些有色液体的时候, 光束透射比较困难, 所以就必须减小容器的宽度, 而这样使得测量容器的宽度的误差增大, 减少了光斑偏移量, 进而使得实验的测量误差增大。为了尽可能的减小此方面的误差, 使有色液体的测量更加准确, 我们可以使用功率更强的光源和更粗的光纤, 这样透射的程度也更加强, 就使得不用比较小的容器也能精确的测量出有色液体的折射率。
另外, 虽然现在只用这个CCD测量仪测定液体的折射率, 但如果把某些颜色不是很深, 即不会完全吸收光的固体做成上面装液体的容器的形状, 也像上述方法那样测量, 应该也可以测出此固体的折射率, 所以CCD折射率测量仪不仅适合液体的测量, 还适合于某些固体的测量。
参考文献
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