【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 大信號(hào)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(shí)鐘驅(qū)動(dòng)方式及驅(qū)動(dòng)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(shí)由電荷量的起伏引起的噪聲；電荷在轉(zhuǎn)移過(guò)程中電荷量的變化引起的噪聲；檢測(cè)電荷時(shí)常常需要對(duì)檢測(cè)二極管進(jìn)行復(fù)位操作，因此復(fù)位脈沖將導(dǎo)致信號(hào)的檢測(cè)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(shí)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(méi)有光照或其他方式對(duì)器件進(jìn)行電荷注入的情況下，也會(huì)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(gè)攝像器件好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)，尤其是暗電流在整個(gè)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(diǎn)：耗盡的硅襯底中電子自?xún)r(jià)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(jì)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(guò)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(chǎng)，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(lái)評(píng)價(jià)。對(duì)于二維面陣CCD的輸出信號(hào)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(píng)價(jià)面陣CCD的分辨率時(shí)，只評(píng)價(jià)它的水平分辨率，且利用電視系統(tǒng)對(duì)圖像分辨率的評(píng)價(jià)方法——電視線評(píng)價(jià)方法。電視線評(píng)價(jià)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?，F(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(lái)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(duì)民用級(jí)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(dòng)態(tài)范圍越窄。因此這種方法不能無(wú)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(huì)引起圖象質(zhì)量的惡化。但如果在增加CCD像素的同時(shí)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(lái)。F 驅(qū)動(dòng)頻率驅(qū)動(dòng)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(dòng)脈沖的下限越高。該驅(qū)動(dòng)頻率的上限往往受限于電荷自身的轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)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(jiàn)光、微光、紅外線圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槌煞碾娦盘?hào)，但是那些成像技術(shù)都各有其難以解決的問(wèn)題。然而從70年代才發(fā)展起來(lái)的CCD器件（電荷耦合器件），以其獨(dú)特的有點(diǎn)引人注目，在遙感圖像處理、模擬延遲信號(hào)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(diǎn)、行電信號(hào)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(dòng)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(jī)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(gè)N元線陣CCD并排）和存儲(chǔ)區(qū)（M個(gè)N元線陣CCD并排）一水平區(qū)（一個(gè)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(dòng)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(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓（0～3V）VRD——位場(chǎng)效應(yīng)管漏極電壓（1～15V）VDS——輸出場(chǎng)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(dòng)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(chǔ)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(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)，常把由ΦP1控制的場(chǎng)叫奇數(shù)場(chǎng)，而把ΦPΦP3控制的場(chǎng)叫偶數(shù)場(chǎng)。該器件的詳細(xì)工作過(guò)程分以下四步：——ΦP慢態(tài)的作用當(dāng)ΦP1為高電位時(shí)，ΦPΦP3為低電位時(shí)，奇數(shù)場(chǎng)以光積分的方式積累電荷。當(dāng)ΦP1為低電位，ΦPΦP3為高電位時(shí)，偶數(shù)場(chǎng)以光積分的方式積累電荷，而積累電荷的多少與光積分時(shí)間成正比，為了捕獲更多的電荷，通常把光積分的時(shí)間取的很長(zhǎng)，這就是通常所說(shuō)的ΦP慢態(tài)的作用?！礟、ΦV快態(tài)的作用。當(dāng)奇數(shù)場(chǎng)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(chǔ)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(lái)時(shí)，作為光敏區(qū)的第一行已經(jīng)沒(méi)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(lèi)推，直到光敏區(qū)原倒數(shù)第一行經(jīng)過(guò)這兩組脈沖的作用轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)的第2行為止?？梢韵胂?，當(dāng)ΦP、ΦV經(jīng)過(guò)了N/2組后，全部圖像電荷也就轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)去了。這項(xiàng)工作由于是安排在光積分之后很短的場(chǎng)回歸期完成的，所以工作頻率較高，我們稱(chēng)這時(shí)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(chǔ)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(chǎng)進(jìn)行光積分，在此期間存儲(chǔ)區(qū)還要把原奇數(shù)場(chǎng)存儲(chǔ)的電荷一次又一次的輸出，具體的過(guò)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(shí)的是ΦT↑，ΦV3↓，電荷有ΦV3→ΦTΦV2↑，ΦV1↓，電荷有ΦV1→ΦV2，與此同時(shí)的是ΦH2↑，ΦT↓，電荷有ΦT→ΦH2則存儲(chǔ)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(gè)電荷全部轉(zhuǎn)移到期間的輸出端行程視頻信號(hào)為止。由此可見(jiàn)，當(dāng)經(jīng)過(guò)N/2組ΦV慢態(tài)三相脈沖作用后，存儲(chǔ)區(qū)的全部圖像電荷都會(huì)以上述方式轉(zhuǎn)移至期間的輸出端，并顯示出一場(chǎng)圖像。從此以后，將以相同的方式開(kāi)始偶數(shù)場(chǎng)的傳輸工作。兩場(chǎng)結(jié)束后，便獲得一幅圖像。很顯然，在兩個(gè)慢態(tài)ΦV之間，ΦH快態(tài)要把M個(gè)電荷全部輸出，因此ΦV慢態(tài)的周期相對(duì)于前面提到的ΦV快態(tài)要長(zhǎng)，故稱(chēng)它為的慢態(tài)。最后需要補(bǔ)充一句，ΦT和ΦR實(shí)質(zhì)上是起到一個(gè)開(kāi)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(guò)對(duì)面陣CCD成像過(guò)程的概述，使我們想到實(shí)現(xiàn)CCD成像的驅(qū)動(dòng)波形應(yīng)遵循的這么幾個(gè)原則。(1)奇數(shù)場(chǎng)進(jìn)行光積分時(shí)，偶數(shù)場(chǎng)應(yīng)封閉，反之亦然。(2)無(wú)論是奇數(shù)場(chǎng)還是偶數(shù)場(chǎng)，在光積分完后，都應(yīng)有一個(gè)光圖像向存儲(chǔ)區(qū)的轉(zhuǎn)移過(guò)程。所以在此期間ΦP、ΦV必須配合動(dòng)作，即頻率、相位相同（ΦPΦV1同相；ΦPΦV2同相；ΦPΦV3同相）脈沖個(gè)數(shù)相等（都等于或大于N/2）。(3)只有等存儲(chǔ)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(chǔ)區(qū)，即在一場(chǎng)光積分的時(shí)間里應(yīng)有等于或大于N/2個(gè)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(chǔ)區(qū)的電荷才能再次進(jìn)入水平區(qū)，即在一行的時(shí)間里（兩個(gè)的ΦV慢態(tài)之間）應(yīng)有等于或大于M個(gè)ΦH的快態(tài)脈沖。根據(jù)以上四條可以畫(huà)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(huà)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(wèn)題：a) ΦP1積分時(shí)，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(shí)安排為正，否則再輪到他們都同時(shí)為負(fù)時(shí)，就會(huì)把存儲(chǔ)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(shí)，還有ΦV2為正，以便保留儲(chǔ)存電荷。c) 當(dāng)ΦT關(guān)閉的時(shí)候，原來(lái)存儲(chǔ)在ΦT之下的電荷就會(huì)進(jìn)入水平區(qū)，但存儲(chǔ)區(qū)的一個(gè)列元對(duì)應(yīng)于水平區(qū)ΦH的三個(gè)相位。為了使從ΦT送來(lái)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(huì)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(jì)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(gè)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(jī)械手概述機(jī)械手一般分為三類(lèi)：A 不需要人工操作的通用機(jī)械手：它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。B 需要人工才做的，稱(chēng)為操作機(jī)：它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。C 用專(zhuān)用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱(chēng)為“MechanicalHand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專(zhuān)用的。另外機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專(zhuān)用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制