自二十世紀80年代開始，攝影技術出現了革命性的突破，即電荷耦合器件CCD(Charged Coupled Device)的廣泛應用。目前，CCD技術已發展成一項具有廣泛應用前景的新技術，成為現代光電子學與測試技術中最受關注的研究熱點之一。例如，在國防軍事領域，CCD成像技術在微光、夜視、遙感應用中發揮著巨大的作用，適應了現代高技術戰爭的需求，成為軍事微電子學的研究熱門；在科研領域，由于其靈敏度高、噪聲低，成為研究宏觀(如天體)和微觀(如生物細胞)現象不可缺少的工具；CCD具有成本低、小而輕的特點，在圖像通信領域也獲得了廣泛的用途；在工程測量領域，CCD在工件尺寸測量、工件表面質量檢測、物體熱膨脹系數測量、光強分布測量等方面都有很好的應用。
　　在生產實際中，許多場合需要對一維尺寸進行測量，例如對帶、管、條等的測量。采取傳統的先加工后測量的方法，勞動強度大，信息反饋慢，直接影響了線材的質量和生產效益。因此，必須有一套高精度的實時在線檢測系統，一方面可使生產人員及時了解線徑的大小及偏差，一方面給生產機構伺服系統提供正比于偏差的反饋量，實現反饋控制。
　　本課題研制了一套用線陣CCD對線材直徑進行非接觸實時測量的系統，可應用于工業生產中。
1 CCD電荷的產生、轉移原理
　　CCD是由一系列排得很緊密的MOS電容器組成，每一個光敏像元就是一個MOS電容器。它的突出特點是以電荷作為信號，實現電荷的存儲和電荷的轉移。
1.1 CCD光電轉換
　　當在MOS電容器的柵極上加上一個小的正電壓時，半導體中的自由空穴被排斥到遠離柵極的一邊，在SiO2的表面下形成一層電子的耗盡區，當柵壓繼續增加，耗盡層將進一步向半導體內延伸，這一耗盡層對于帶負電荷的電子而言是一個勢能特別低的區域，因此也叫做勢阱^[1]。正柵壓進一步增加，在界面上的電子層形成反型層。
　　當光入射到耗盡區時，因內光電效應將產生電子-空穴對(硅吸收能量釋放價電子，形成電子-空穴對)，在耗盡區電場作用下，空穴流入襯底底部，電子則積存于半導體表面，這樣勢阱中就積存了一定量的電荷，且勢阱中積存的電荷量與入射光強度成正比(CCD飽和的情況除外)。
1.2 CCD像素輸出
　　CCD 信號電荷的傳輸是通過控制各個像素上的電極電壓，電荷就會從電壓低的電極轉移到電壓高的電極下，使信號電荷隨著電極電壓的周期性變化在半導體表面或者體內做定向運動。
　　線陣CCD電荷包只單方向傳遞，每一個掃描周期，所有像素都沿著電極相繼傳遞，進行像素的水平移動，直到所有像素全部輸出。
2 線陣CCD測徑系統硬件設計
　　本測徑系統具有以下特點：
　　(1)采用的CCD為EG&G RETICON公司的RL512EC/17線陣傳感器芯片；
　　(2) 采用高集成度的XC9572PC44芯片產生系統所需的驅動和控制時序邏輯；
　　(3) 由外部PC機編程實現對CCD積分、時間、大小和數據采集工作過程的控制；
　　(4) 應用了內帶采樣保持的8位高速并行輸出A/D芯片TLC5510進行模數轉換；
　　(5) 通過計算機串口實現對數據信息的傳輸。
　　系統結構原理框圖如圖1所示。

　　系統具體的工作過程：由CPLD產生CCD傳感器所需的工作時序，再經時鐘驅動電路產生時序和偏置都滿足CCD要求的信號，驅動CCD輸出模擬視頻信號；該信號經放大、A/D轉換得到8位數字信號存儲于CPLD中，再經芯片NS16C552和MAX202轉換為串行數據，輸入計算機進行顯示。
　　CPLD芯片內部分為兩部分：一部分是視頻信號處理控制時序發生器，它提供CCD視頻信號處理(如A/D轉換、數字信號存取等)所需的各種同步控制時序；另一部分是CCD驅動時序發生器。
2.1 時序信號發生電路
　　本文采用的CCD傳感器為EG&G RETICON公司的RL512EC/17線性傳感器， 具有512個有效像素，像素信號輸出方式為串行視頻輸出。該傳感器具有高分辨率、高靈敏度、低噪聲、低功耗的特點，最大掃描頻率10MHz。
　　RL512EC/17各驅動信號" title="驅動信號">驅動信號及輸出信號時序如圖2所示。

　　驅動CCD所需的信號由CPLD編程產生，本系統采用一片XC9572PC44芯片實現時序發生器的功能。該系列芯片是Xilinx公司典型的可通過JTAG在線編程的CPLD器件^[3]。
　　首先由CPLD產生符合時序要求的初始驅動信號TTL clk和TTL start，這兩路信號必須經后面的偏置電路處理后才能得到最終的驅動信號s、Φ₁、Φ₂。因為TTL clk和TTL start均為TTL電平，低電平0V，高電平" title="高電平">高電平+5V，而CCD要求的驅動信號為低電平-7V，高電平+5V，必須進行電平轉換：TTL start信號驅動三極管，該三極管發射極和集電極分別接+5V和-8V,得到CCD所需的高電平+5V，低電平-7V的開始信號s；同時TTL clk經74LS74觸發的兩路反相" title="反相">反相時鐘通過DS0026芯片變換為高電平+5V、低電平-7V的兩路時鐘信號Φ₁、Φ₂。DS0026為專用電平轉換芯片，輸出電平與外接電壓電平一致，高低壓差最大20V^[4]。
　　直接驅動RL512EC/17的信號共有三個：開始信號s，互為反相的兩路時鐘信號Φ₁、Φ₂。開始信號s為低電平的時間就是傳感器的曝光時間，由軟件編程控制。s為高電平時進行電荷轉移，此時每一個Φ₁、Φ₂周期CCD就向外電路輸出一個像素，該像素值就是圖2中的VIDEO信號。所有像素移出后，EOS信號輸出一個低脈沖，該信號用于測試。
　　s脈沖用來初始化每一次掃描，兩次s負脈沖之間的間隔就是一次掃描的時間T_L，該時間必須滿足(N+2)/f_s≤T_L≤40ms，其中f_s為掃描頻率，N為像素數512。不大于40ms是為了保證積累的暗泄漏電荷不超過輸出信號飽和值的1%(CCD輸出電荷的飽和值為4pC，泄漏電荷在室溫下為1pA，經40ms積累得到0.04pC的泄漏電荷)。本文采用f_s=2.5MHz，T_L=40μs。
2.2 視頻信號放大、采樣電路
　　CCD輸出的視頻模擬信號比較微弱，必需經過放大后才能進行A/D轉換。由于CCD輸出的信號電壓為負值，在放大的同時要將其轉換為正值，因此筆者將運算放大電路設計為反相放大的形式。另外，該CCD為電流輸出，運放反相端的接地電阻必須較大，否則CCD輸出的微弱電流將不會引起電壓的明顯變化。本系統采用的CCD要求運算放大器在掃描頻率(本文為2.5MHz)時的閉環增益至少為40dB。在電路設計中，選用了AD8009運算放大器^[5]。
　　放大后的模擬信號必須進行模/數轉換才能進行下一步的存儲、顯示。在該系統的設計中，選用8位高速并行的A/D芯片TLC5510完成A/D轉換工作^[6]，其內部自帶采樣保持電路，這在一定程度上簡化了外圍電路的設計。TLC5510的轉換速率(20MHz)完全可以滿足CCD(2.5MHz)的工作要求。A/D轉換的時鐘信號和使能信號由CPLD產生。采樣后的數據存儲于CPLD中。
2.3 I/O電路
　　考慮到本文使用的線陣CCD數據量較小、速率較低，采用串口與計算機進行通信能夠滿足CCD與計算機間的數據通信需要。NS16C552和MAX202芯片組成的串口電路與CPLD連接，將CPLD送出的并行數據轉換為串行輸出，像素信息便可傳送至計算機進行處理、顯示。
3 測試結果
　　在對該系統軟硬件設計和測試成功后，將采集到的數據傳入計算機，根據這些數據恢復出CCD傳感器表面不同位置的亮度。光源分別在CCD遮蓋半邊、遮蓋中間以及從CCD的一側斜射的情況下照射，將采集的數據進行亮度仿真，具體的仿真結果如圖3所示。

　　仿真結論：
　　(1)仿真結果顯示的明暗變化能夠準確反映CCD表面的光照情況。
　　(2)在(a)、(b)兩圖中，遮蓋部分與光照部分之間存在亮度過渡區。這是由于CCD本身的感光單元有一定間距，加上照明光源在視場內光強分布的不均勻性，CCD本身的光敏不均勻性(PRUN)、轉移損失，以及光源在通過待測目標邊緣時的衍射現象等原因，使得CCD輸出包絡的邊緣必然帶有明顯的梯度。或者說，目標尺寸的兩個邊緣在CCD上成像的具體位置不可能十分確定，導致CCD輸出信號波形在輪廓邊緣處有一漸緩的過渡區，而且這一過渡區隨著輪廓在視場中位置的變化而變化。
　　(3)證明了熱噪聲對CCD性能的影響十分明顯。在系統剛通電和長時間通電后分別采集數據，發現長時間通電之后的仿真圖像明顯疊加了大量黑點，圖像較模糊。這是由于CCD的絕大多數噪聲來源于熱噪聲，隨著通電時間加長，溫度升高，噪聲急劇增加。
　　本系統沒有涉及到光學設備，另外CCD的噪聲問題本文也沒有詳細討論，如熱噪聲和復位噪聲等對系統的性能有很大影響，這些問題的解決是筆者下一步要進行的工作。