【文章內(nèi)容簡介】 大信號電荷量取決于CCD的電極面積及器件結(jié)構(gòu)（表面溝道SCCD或體溝道BCCD），時鐘驅(qū)動方式及驅(qū)動脈沖電壓的幅度等因素。在CCD圖像傳感器中主要的噪聲有以下幾種：電荷注入器件時由電荷量的起伏引起的噪聲；電荷在轉(zhuǎn)移過程中電荷量的變化引起的噪聲；檢測電荷時常常需要對檢測二極管進(jìn)行復(fù)位操作，因此復(fù)位脈沖將導(dǎo)致信號的檢測噪聲、光子噪聲、電流噪聲、俘獲噪聲以及輸出噪聲等。D 暗電流在正常工作的情況下，MOS電容處于未飽和的非平衡態(tài)。隨著時間的推移，由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子使系統(tǒng)區(qū)域平衡。因此，即使在沒有光照或其他方式對器件進(jìn)行電荷注入的情況下，也會存在不希望的暗電流。暗電流是大多數(shù)攝像器件所共有的特性，是判斷一個攝像器件好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，尤其是暗電流在整個攝像區(qū)域不均勻的情況更是如此。產(chǎn)生暗電流的主要原因有以下幾點：耗盡的硅襯底中電子自價帶至導(dǎo)帶的本征躍遷；少數(shù)載流子在中性體內(nèi)的擴(kuò)散；SiSiO2界面引起的暗電流。其中在大多數(shù)情況下，以第三種原因產(chǎn)生的暗電流為主。另外，暗電流還與溫度有關(guān)。溫度越高，熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子越多，暗電流就越大。據(jù)計算，溫度每降低10℃，暗電流可降低一半。CCD內(nèi)暗電流不是均勻的，在半導(dǎo)體中有缺陷的地方常出現(xiàn)暗電流峰值，在圖像上產(chǎn)生一固定干擾圖形。通過精心選擇半導(dǎo)體內(nèi)的摻雜物，減小光敏單元內(nèi)特殊部分的電場，以及改進(jìn)CCD內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以有效地減少固定圖形噪聲，使在一般亮度的圖像上看不到固定圖像噪聲。E 分辨率分辨率是圖像傳感器的重要特性，常用調(diào)制模傳遞函數(shù)MTF來評價。對于二維面陣CCD的輸出信號一般遵守電視系統(tǒng)的掃描制式，它的水平方向和垂直方向上的分辨率是不同的，水平分辨率要高于垂直分辨率。在評價面陣CCD的分辨率時，只評價它的水平分辨率，且利用電視系統(tǒng)對圖像分辨率的評價方法——電視線評價方法。電視線評價方法表明，在一副圖像上，在水平方向能夠分辨出黑白條數(shù)為其分辨率。水平分辨率與水平方向上CCD像敏的數(shù)量有關(guān)，像敏單元越多，分辨率越高。現(xiàn)有的面陣CCD的像數(shù)已發(fā)展到512512，795596，10241024，20482048，40964096，50005000等多種，分辨率越來越高。另外，在傳統(tǒng)CCD上，為了增加分辨率，大多數(shù)生產(chǎn)廠商對民用級產(chǎn)品采取的辦法是不增大CCD尺寸，而是降低單位像素面積，增加像素密度[6]。我們知道單位像素的面積越小，其感光性能越低，信噪比越低，動態(tài)范圍越窄。因此這種方法不能無限制地增大分辨率。如果不增加CCD面積而一味地提高分辨率，只會引起圖象質(zhì)量的惡化。但如果在增加CCD像素的同時想維持現(xiàn)有的圖象質(zhì)量，就必須在至少維持單位像素面積不減小的基礎(chǔ)上增大CCD的總面積。但目前更大尺寸CCD加工制造比較困難，成品率也比較低，因此成本也一直降不下來。F 驅(qū)動頻率驅(qū)動脈沖一般泛指加在轉(zhuǎn)移柵上的轉(zhuǎn)移脈沖的頻率。其中該頻率的上限與少數(shù)載流子的平均壽命有關(guān)，而載流子的壽命與器件的工作溫度有關(guān)，工作溫度越高，熱激發(fā)少數(shù)載流子的平均壽命越短，驅(qū)動脈沖的下限越高。該驅(qū)動頻率的上限往往受限于電荷自身的轉(zhuǎn)移時間對驅(qū)動脈沖上限的限制，由于電荷轉(zhuǎn)移的快慢與載流子遷移率、電極長度、襯底雜質(zhì)的濃度和溫度等因素有關(guān)。3）面陣CCD及其成像原理在應(yīng)用CCD成像以前，還有許多技術(shù)能夠使可見光、微光、紅外線圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槌煞碾娦盘?，但是那些成像技術(shù)都各有其難以解決的問題。然而從70年代才發(fā)展起來的CCD器件（電荷耦合器件），以其獨特的有點引人注目，在遙感圖像處理、模擬延遲信號處理等領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應(yīng)用。CCD成像系統(tǒng)使用CCD座位光電轉(zhuǎn)化器件制成的電子攝像系統(tǒng)，他把接收到的平面圖像分解成點、行電信號進(jìn)行傳送、放大、然后按原圖像的規(guī)律進(jìn)行圖像顯示。圖36給出了CCD成像系統(tǒng)的方框圖，它由光學(xué)系統(tǒng)、CCD器件及其相應(yīng)的驅(qū)動電路、視頻放大器和圖像顯示系統(tǒng)五大部分組成。圖36 CCD系統(tǒng)成像方塊圖面陣CCD的機構(gòu)可以看成是由若干線陣CCD按一定方式排列的二維攝像器件，圖37就是面陣CCD的典型結(jié)構(gòu)，它由光敏區(qū)（M個N元線陣CCD并排）和存儲區(qū)（M個N元線陣CCD并排）一水平區(qū)（一個N元線陣CCD）三大部分組成。圖37 面陣三相CCD基本結(jié)構(gòu)為使器件正常工作，不但需要加合適的偏置電壓，更重要的還需要各種形式的驅(qū)動脈沖。（1）直流偏置電壓VHD——CCD頂部二極管偏壓VHG——CCD頂部柵極電壓VID——CCD輸入二極管偏壓（0～10V）VIG——CCD輸入柵極電壓（2～10V）VOG——CCD輸出柵極電壓（5～8V）VK ——復(fù)位場效應(yīng)管柵極電壓（0～3V）VRD——位場效應(yīng)管漏極電壓（1～15V）VDS——輸出場效應(yīng)管源極電壓（5～15V）VB ——CCD襯底偏壓（—1～5V）以上直流電壓可有直流電源提供。（2）驅(qū)動脈沖電壓：ΦP——光積分兼光轉(zhuǎn)移三相脈沖ΦV——光轉(zhuǎn)移兼存儲轉(zhuǎn)移三相脈沖ΦH——水平轉(zhuǎn)移三相脈沖脈沖幅度 在0～15伏內(nèi)可調(diào)ΦT——底部柵脈沖ΦR——復(fù)位柵脈沖ΦM——電注入脈沖，用以檢查水平區(qū)的工作面陣CCD成像的顯示都是采用隔行掃描制，即它的光積分分為奇數(shù)場和偶數(shù)場，常把由ΦP1控制的場叫奇數(shù)場，而把ΦPΦP3控制的場叫偶數(shù)場。該器件的詳細(xì)工作過程分以下四步：——ΦP慢態(tài)的作用當(dāng)ΦP1為高電位時，ΦPΦP3為低電位時，奇數(shù)場以光積分的方式積累電荷。當(dāng)ΦP1為低電位，ΦPΦP3為高電位時，偶數(shù)場以光積分的方式積累電荷，而積累電荷的多少與光積分時間成正比，為了捕獲更多的電荷，通常把光積分的時間取的很長，這就是通常所說的ΦP慢態(tài)的作用?！礟、ΦV快態(tài)的作用。當(dāng)奇數(shù)場的光積分結(jié)束之后，在ΦP、ΦV第一組快態(tài)三相脈沖的作用下：ΦP2↑，ΦP1↓，電荷由ΦP1→ΦP2ΦP3↑，ΦP2↓，電荷由ΦP2→ΦP3ΦP1↑，ΦP3↓，電荷由ΦP3→ΦP1于是完成一行的轉(zhuǎn)移，即：ΦP1控制下的第一行轉(zhuǎn)移到ΦP1控制下的第二行；ΦP1控制下的第二行轉(zhuǎn)移到控制下的第三行，如此等等，直到光敏區(qū)在ΦP1控制下的倒數(shù)第一行，轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)ΦV1控制下的第一行為止。當(dāng)ΦP、ΦV第二組快態(tài)三相脈沖到來時，作為光敏區(qū)的第一行已經(jīng)沒有電荷了，因此它空轉(zhuǎn)一次，而第2行的電荷卻轉(zhuǎn)移到第3行，第3行又轉(zhuǎn)移到第4行，以此類推，直到光敏區(qū)原倒數(shù)第一行經(jīng)過這兩組脈沖的作用轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)的第2行為止?？梢韵胂?，當(dāng)ΦP、ΦV經(jīng)過了N/2組后，全部圖像電荷也就轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)去了。這項工作由于是安排在光積分之后很短的場回歸期完成的，所以工作頻率較高，我們稱這時的ΦP、ΦV為快態(tài)?！礦慢態(tài)與ΦH快態(tài)的作用在光敏區(qū)向存儲區(qū)完成圖像轉(zhuǎn)移之后，ΦPΦP3為高電位，ΦP1為低電位，于是偶數(shù)場進(jìn)行光積分，在此期間存儲區(qū)還要把原奇數(shù)場存儲的電荷一次又一次的輸出，具體的過程是：ΦV2↑，ΦV1↓，電荷有ΦV1→ΦV2ΦV3↑，ΦV2↓，電荷有ΦV2→ΦV3ΦV1↑，ΦV3↓，電荷有ΦV3→ΦV1，與此同時的是ΦT↑，ΦV3↓，電荷有ΦV3→ΦTΦV2↑，ΦV1↓，電荷有ΦV1→ΦV2，與此同時的是ΦH2↑，ΦT↓，電荷有ΦT→ΦH2則存儲區(qū)倒數(shù)第一行的電荷轉(zhuǎn)移到了水平區(qū)，以后ΦVΦVΦV3維持不變，只是水平轉(zhuǎn)移三相脈沖ΦH的快態(tài)工作，即ΦH3↑，ΦH2↓，電荷有ΦH2→ΦH3ΦH1↑，ΦH3↓，電荷有ΦH3→ΦH1ΦH2↑，ΦH1↓，電荷有ΦH1→ΦH2如此下去，直到這一行的M個電荷全部轉(zhuǎn)移到期間的輸出端行程視頻信號為止。由此可見，當(dāng)經(jīng)過N/2組ΦV慢態(tài)三相脈沖作用后，存儲區(qū)的全部圖像電荷都會以上述方式轉(zhuǎn)移至期間的輸出端，并顯示出一場圖像。從此以后，將以相同的方式開始偶數(shù)場的傳輸工作。兩場結(jié)束后，便獲得一幅圖像。很顯然，在兩個慢態(tài)ΦV之間，ΦH快態(tài)要把M個電荷全部輸出，因此ΦV慢態(tài)的周期相對于前面提到的ΦV快態(tài)要長，故稱它為的慢態(tài)。最后需要補充一句，ΦT和ΦR實質(zhì)上是起到一個開關(guān)的作用，所不同的只是前者控制一行，后者控制一元。通過對面陣CCD成像過程的概述，使我們想到實現(xiàn)CCD成像的驅(qū)動波形應(yīng)遵循的這么幾個原則。(1)奇數(shù)場進(jìn)行光積分時，偶數(shù)場應(yīng)封閉，反之亦然。(2)無論是奇數(shù)場還是偶數(shù)場，在光積分完后，都應(yīng)有一個光圖像向存儲區(qū)的轉(zhuǎn)移過程。所以在此期間ΦP、ΦV必須配合動作，即頻率、相位相同（ΦPΦV1同相；ΦPΦV2同相；ΦPΦV3同相）脈沖個數(shù)相等（都等于或大于N/2）。(3)只有等存儲區(qū)的電荷全部轉(zhuǎn)移完后，光敏區(qū)的電荷才能再次進(jìn)入存儲區(qū)，即在一場光積分的時間里應(yīng)有等于或大于N/2個的ΦV慢態(tài)脈沖。(4)只有等水平區(qū)的電荷全部轉(zhuǎn)移完后，存儲區(qū)的電荷才能再次進(jìn)入水平區(qū)，即在一行的時間里（兩個的ΦV慢態(tài)之間）應(yīng)有等于或大于M個ΦH的快態(tài)脈沖。根據(jù)以上四條可以畫出ΦP、ΦV、ΦH的波形，如圖38所示圖38 ΦP、ΦV、ΦH的波形(5)ΦP、ΦV、ΦH各三相之間的相位關(guān)系上圖只畫出了ΦP、ΦV、ΦH的大致情況，而各自的三相安排還得考慮以下問題：a) ΦP1積分時，ΦPΦP3不應(yīng)積分，因此ΦP1慢態(tài)應(yīng)與ΦPΦP3慢態(tài)反相（ΦPΦP3同相）b) ΦV的慢態(tài)不能同時安排為正，否則再輪到他們都同時為負(fù)時，就會把存儲區(qū)的電荷“抹掉”。為此我們安排ΦV2慢態(tài)與ΦVΦV3慢態(tài)反相（ΦVΦV3同相），即當(dāng)ΦVΦV3為負(fù)時，還有ΦV2為正，以便保留儲存電荷。c) 當(dāng)ΦT關(guān)閉的時候，原來存儲在ΦT之下的電荷就會進(jìn)入水平區(qū)，但存儲區(qū)的一個列元對應(yīng)于水平區(qū)ΦH的三個相位。為了使從ΦT送來的電荷只能落入ΦH慢態(tài)三相的某一相內(nèi)（否則電荷分散會引起失真），則ΦT只能與ΦH的一相接壤傳輸，因此一般都把ΦH2設(shè)計成高電位，即ΦH2慢態(tài)與ΦHΦH3慢態(tài)反相（ΦHΦH3同相）。綜上所述，ΦP、ΦV、ΦH的波形及個相之間的關(guān)系如圖39所示圖39 ΦP、ΦV、ΦH三相之間的關(guān)系 機械手概述機械手一般分為三類：A 不需要人工操作的通用機械手：它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。B 需要人工才做的，稱為操作機：它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。C 用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為“MechanicalHand”，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。另外機械手按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制