【文章內(nèi)容簡介】 用的是聲光調(diào)制器屬于正常聲光效應(yīng)的應(yīng)用。 （ 2）按聲光互作用長度分類 根據(jù)聲光互作用區(qū)域的長度，聲光效應(yīng)可分為布拉格聲光效應(yīng)和喇曼一奈聲光效應(yīng)。布拉格聲光效應(yīng) :當(dāng)超聲波頻率比較高 (一般在 20MHz以上 )時，聲光互作用區(qū)域比較長的情況下，除零級光外，只產(chǎn)生一級衍射光。聲光介質(zhì)相當(dāng)于體光柵，對入射光方向要求嚴(yán)格。對于正常聲光器件只有滿足布拉格方程方向的入射光可通過介質(zhì)產(chǎn)生衍射 。對于反常聲光器件只有滿足狄克遜方程的入聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 10 射光可通過介質(zhì)產(chǎn)生衍射 .聲光介質(zhì)相當(dāng)于體相位光柵，介質(zhì)內(nèi)折射率會產(chǎn)生一定分布。喇曼一奈斯聲光效應(yīng) :在聲光互作用長度比較短時，聲光介質(zhì)對入射光的作用相當(dāng)于一個平面位相光柵，聲光互作用區(qū)域短，對入射光方向要求不嚴(yán)格，能產(chǎn)生多級衍射光 .每級衍射光強(qiáng)度均很低。 （ 3）按聲光器件用途分類 聲光偏轉(zhuǎn)器是 用來控制激光束的偏轉(zhuǎn)方向的?？煞譃閽呙枋狡D(zhuǎn)器和飛點(diǎn)式偏轉(zhuǎn)器兩類。 聲光調(diào)制器是利用一定頻率的振幅來調(diào)制激光強(qiáng)度的。其工作原理是驅(qū)動電信號頻率不變，振幅是隨待傳輸信號變化的 (待傳輸信號可以是視頻，也可以是音頻 )。載頻或射頻是高頻，與聲光器件的工作頻率是一致的，用這樣的信號來驅(qū)動聲光器件，可使衍射光強(qiáng)隨待傳輸信號而變化。聲光調(diào)制器的應(yīng)用非常廣泛，如 :光斬波器、激光打印機(jī)、彩色掃描儀、聲光光開關(guān)以及多元驅(qū)動等等。 聲光濾光器是一種根據(jù)各向異性介質(zhì)中的聲光衍射原理而工作的電調(diào)諧濾 光器?？梢园讶肷浒坠庵兴枰膯?色光的波長濾出來，聲光濾光器的突出特點(diǎn)是光譜分辨力高、角度孔徑大，速度快，比機(jī)械式的濾光器方便得多。其驅(qū)動電信號幅度不變，頻率是跳變的，類似于飛點(diǎn)式偏轉(zhuǎn)器 . 聲光調(diào)制器 聲光調(diào)制器是聲波和光波相互作用的一種調(diào)制方法。當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時，會引起介質(zhì)密度周期性地疏密變化，從而導(dǎo)致介質(zhì)的介電系數(shù)及折射率的周期性變化。而介質(zhì)折射率隨超聲波信號的變化，又會影響光在介質(zhì)中的傳播特性，光的強(qiáng)度、擷率等參數(shù)隨超聲波信號的變化而變化 . 聲光調(diào)制器 A由驅(qū)動源 (產(chǎn)生頻率為 f的超聲波 )、轉(zhuǎn)換器和超聲波介質(zhì) (晶體 )等組成 。其工作原理是利用聲光效應(yīng)，即使超聲波通過轉(zhuǎn)換器在介質(zhì)中傳播引起介質(zhì)折射率的周期性變化而產(chǎn)生類似于運(yùn)動位相光柵的效應(yīng) (這時光柵常數(shù)八等于超聲波波長λ )，因此當(dāng)頻率為 0f 的激光束以布拉格角 bi 入射到聲光調(diào)制器 A上時，此時會產(chǎn)生頻率為 0f 的 0級和頻率為 )( 0 cff ? 的 +1級衍射光，如圖 24所示。 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 11 圖 24 聲光調(diào)制器結(jié)構(gòu)原理 （ 1）驅(qū)動源 （ 2）轉(zhuǎn)換 器 （ 3）超聲波介質(zhì) 由式（ 2— 6） α =2scb vfl ?? （ 2— 9） 式中 bl 為布拉格角， sv 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。 CCD 檢測技術(shù) 近年來，光電耦合器件 CCD(Charge Coupled Device)在光學(xué)圖像測量系統(tǒng)中的運(yùn)用相當(dāng)普遍，當(dāng)被測對象的光信息通過光學(xué)系統(tǒng)，在 CCD的光敏面上形成光學(xué)圖像后， CCD器件把光敏元上的光信息轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成比例的電荷量，用一定頻率的時鐘脈沖對 CCD進(jìn)行驅(qū)動，在 CCD的輸出端可獲得被測對象的視頻信號。CCD攝像機(jī)具有體積小、重量輕、功耗低、噪聲小、可靠性高、無燒傷現(xiàn)象、不怕振動、光譜響應(yīng)寬、輸出線性好等一系列顯著的優(yōu)點(diǎn)。由于上述優(yōu)點(diǎn)，利用圖像測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)幾何量測量，不僅可能而且在一定場合下具有優(yōu)勢。如何在現(xiàn)有條件下提高檢測精度與速度成幾何量測量領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。 CCD 的組成部分 CCD是在 MOS晶體管電荷存貯器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，故有人把它說成是“排列起 來的 MOS電容器陣列” ?；蛘吒苯拥匕阉f成是“一種在源極與漏極之間密布著許多柵極、溝道極長的 MOS晶體管，即多柵 MOS晶體管，即多柵 MOS晶體管，如圖 25所示 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 12 圖 25 CCD 結(jié)構(gòu)示意圖 CCD 的典型結(jié)構(gòu)及其各部分的命名如圖 23所示。 CCD 由三部分組成 : (1)主體部分，即信號電荷轉(zhuǎn)移部分，實(shí)際上是一串緊密排布的 MOS電容器，它的作用是存貯和轉(zhuǎn)移信號電荷。 (2)輸入部分，包括一個輸入二極管和一個輸入 柵，它的作用是將信號電荷引入CCD 的第一個轉(zhuǎn)移柵的勢阱中。 (3)輸出部分，包括一個輸出二極管和一個輸出柵，它的作用是將信號電荷引出CCD 的轉(zhuǎn)移柵的到二極管，然后由引線輸出。 CCD 的單元結(jié)構(gòu)如下圖所示 圖 26 CCD 單元與線陣列結(jié)構(gòu)的示意圖 a) CCD 單元 b) CCD 線陣列 CCD 的工作原理 CCD（ Charge Coupled Device）電荷耦合器件，自 1970 年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Willard Boyle 和 Gee Smith 提出后，隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)的發(fā)展也得到了驚人的發(fā)展。 CCD 技術(shù)之所以能如此迅速發(fā)展，是因?yàn)?CCD 器件具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： ① CCD 器件是一種固體化器件，體積小，重量輕，功耗低，可靠性高，壽命聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 13 長； ② 圖像畸變小，尺寸重現(xiàn)性好； ③ 具有較高的空間分辨率，光敏元間距的幾何尺寸精度高，可獲得較高的定位精度； ④ 具有較高的光電靈敏度和較大的動態(tài)范圍。 典型的 CCD 圖像傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 27 所示，是由一列光敏元陣列和與之平行的位移寄存器構(gòu)成的。在光敏元陣列與位移寄存器之間， 有一列轉(zhuǎn)移柵，控制電荷由光敏元轉(zhuǎn)移到位移寄存器。圖 27a 圖所示的是單列位移寄存器結(jié)構(gòu)， 27b 是雙列寄存器結(jié)構(gòu)。采用兩列移位寄存器，可以提高電荷的轉(zhuǎn)移速度，進(jìn)一步減小圖像信息的失真。 (a) 單行結(jié)構(gòu) (b) 雙行結(jié)構(gòu) 圖 27 線陣型 CCD 圖像傳感器 CCD 是一種 MOS 結(jié)構(gòu)的新型器件，由金屬（ M） — 氧化物（ O） — 半導(dǎo)體（ S）三層組成一個 MOS 電容。將這些 MOS 電容以一定間隔排列后，如圖 28 所示，為三個相鄰的 MOS 結(jié)構(gòu)。當(dāng)半導(dǎo)體材料為 P 型硅時，如在 3 兩個金屬電極上施加適當(dāng)?shù)恼妷?V，在電極 2 上加上正電壓 V’，少數(shù)載流子 — 電子被吸收到電極下的區(qū)域內(nèi)。當(dāng) V’V，則在電極 2 下面形成較深的耗盡區(qū)，從而形成電荷包。電壓維持時，電荷也保持不變。把電極連成三組，構(gòu)成三相 CCD。當(dāng)加驅(qū)動脈沖，則以使電極下存儲的電荷朝一定方向移動，實(shí)現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移。由上述 CCD 的構(gòu)造，可以歸納出 P 型硅襯底 CCD 的工作過程分為以下三步： ① 電荷存儲 當(dāng)在金屬電極加一正向電壓時，在硅襯底中形成耗盡區(qū)，稱為勢阱。勢阱的深度與柵極 電壓以及勢阱內(nèi)是否存有電荷有關(guān)。當(dāng)光入射到耗盡區(qū)時，因內(nèi)光電效應(yīng)將產(chǎn)生光生電子 — 空穴對，在耗盡區(qū)電場作用下，空穴流入襯底底部，電子則積存于半導(dǎo)體表面。這樣，勢阱中有一定量的電荷，且勢阱中積存的電荷量與入射光強(qiáng)度成正比（ CCD 飽和情況除外） 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 14 圖 28 電荷存儲示意圖 ② 電荷轉(zhuǎn)移 如圖 29 所示，左圖為電荷轉(zhuǎn)移的過程，右圖為驅(qū)動脈沖時序。半導(dǎo)體表面勢阱的大小隨柵極電壓變化而變化。調(diào)整相鄰電極間的電壓，可以使得一個電極下的勢阱比另一個深，則電荷會流向勢阱深的電極下，則實(shí)現(xiàn)了電荷按照驅(qū)動脈沖的順序進(jìn)行轉(zhuǎn) 移。 圖 29 三相 CCD 電荷轉(zhuǎn)移原理示意圖 ③ 電荷輸出 電荷的輸出主要有三種方式：電流輸出；浮置擴(kuò)散放大器輸出；浮置柵放大器輸出。這三種方法可以將電荷信號轉(zhuǎn)換為可以方便檢測出的電流或電壓信號，且電流、電壓與電荷之間滿足一定的函數(shù)關(guān)系。 線陣 CCD 器件的像元數(shù)越多，器件的分辨率也越高，對于尺寸的測量，采用高 位數(shù)光敏元件的線陣 CCD 器件，可以得到較高的測量精度。 聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 15 CCD 的基本特性參數(shù) (1) 電荷轉(zhuǎn)移效率 電荷轉(zhuǎn)移效率是表征 CCD性能好壞的重要參數(shù)。一次轉(zhuǎn)移后到達(dá)下一個勢阱中的電荷與原來勢阱中的電荷之比稱為轉(zhuǎn)移效率。影響電荷轉(zhuǎn)移效率的主要原因是界面態(tài)對電荷的俘獲常采用胖零工作模式來提高電荷轉(zhuǎn)移效率即讓零信號也有一定的電荷。 (2) 工作頻率 f 決定工作頻率下限，為了避免由于熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子對注入信號的干擾，注入電荷從一電極到另一個電極所用的時間 t必須小于少數(shù)載流子的平均壽命 T 即 t T。 工作頻率的上限，當(dāng)工作頻率升高時，若電荷本身從一個電極轉(zhuǎn)移到另一個電極所需要的時間 t大于驅(qū)動脈沖使其轉(zhuǎn)移的時間 T/3 ， 那么信號電荷跟不上驅(qū) 動脈沖的變化，將會使轉(zhuǎn)移效率大大下降，因此要求 t=T/3。 (3) 光譜響應(yīng) CCD接受光的方式有正面光照和背面光照兩種。由于 CCD的正面布置著很多電極，電極的反射和散射作用使得正面照射光譜靈敏度比背面照射時低。即使是透明的多晶硅電極也會因?yàn)殡姌O的吸收以及在整個硅即二氧化硅界面上的多次反射引起某些波長的光產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，出現(xiàn)若干個明暗條紋使光譜響應(yīng)曲線，為此用于攝像或像敏的 CCD(簡稱為 ICCD)常采用背面光照射的方法。 (4) 動態(tài)范圍 動態(tài)范圍由勢阱中可存儲的最大電荷量和噪聲決定的最小電荷量之比。CCD勢阱中可容納的最大信號電荷量取決于 CCD的電極面積及器件結(jié)構(gòu) (SCCD還是 BCCD) ， 時鐘驅(qū)動方式及驅(qū)動脈沖電壓的幅度等因素。 (5) 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)，然而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)趨向平衡。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，也會存在不希望有的電流。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)域不均勻時更是如此。 (6) 分辨率 分辨率是圖像傳感器的重要特性。常用調(diào)制傳 遞函數(shù) MTF來評價線陣 CCD。聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 16 現(xiàn)在 256x1,1024x1,2048x1,5000x1,10550x1等多種。像位數(shù)高的器件具有更高的分辨率，尤其是用于物體尺寸測量中采用高位數(shù)光敏單元的線陣 CCD器件可以得到更高的測量精度。 CCD 器件的選擇 CCD電荷耦合器件的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號而不同于其它大多數(shù)器件是 以電流或者電壓為信號 CCD，其 功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移因此 CCD工作程的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生存儲傳輸和檢測 CCD有兩種基本型。一是電荷包存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面并沿界面?zhèn)鬏?這類器稱為表面溝道 CCD(簡稱 SCCD) 二是電荷包存儲在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)并在半導(dǎo)體內(nèi)沿一定向傳輸這類器件稱為體溝道或者埋溝道器件 (簡稱 BCCD) 。 在本設(shè)計(jì)中，我們采用 TCD1252AP器件。 (1) TCD1252AP器件的基本結(jié)構(gòu) CCD是一種光電轉(zhuǎn)換器件，采用集成電路工藝制成。它以電荷包的形式存儲和傳送信息，主要由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等部分組成。下面以線陣CCD為例說明： TCD1252AP器件為 2700像敏單元的長陣列器件，采用雙溝道結(jié)構(gòu)形式。TCD1252AP的結(jié)構(gòu)如圖 210所示。從結(jié)構(gòu)圖可以看出， TCD1252AP是有兩個轉(zhuǎn)移柵和兩個模擬移位寄存器的雙溝道型線陣器件。 圖 210 TCD1252AP 的原理結(jié)構(gòu)圖 模擬移位寄存器轉(zhuǎn) 移 柵光電二 極管補(bǔ)償輸出單元轉(zhuǎn) 移 柵模擬移位寄存器信號輸出單元聲光效應(yīng)線陣 ccd 測試儀畢業(yè)論文 17 TCD1252AP的光敏陣列共有 2738個光電二極管，其中有 38個光電二極管被遮蔽（前邊 13D ～ 39D 的和后邊的 40D ～ 50D ），中間的 2700個光電二極管為有效的光敏單元。 (2) TCD1252AP 的外形尺寸 圖 211 TCD1252AP外形尺寸 TCD1252AP 為 DIP22 封裝形式的雙列直插型器件，外形尺寸如圖 211 所示。器件的外形尺寸總長為 ,寬 ，高 ；器件的光敏單元總長為；光敏單元（像敏面）距離器件表面玻璃的距離為 ，表面玻璃的厚度為（ ? ） mm。這些參數(shù)對于實(shí)際應(yīng)用都是很重要的。而且，器件的外形尺寸與封裝尺寸等對于同系列器件基本相同。 (3) TCD1252AP 的基本工作原理 在圖 212中， TCD1252AP 的驅(qū)動器應(yīng)產(chǎn)生 SH、φ l、φ RS 等 4 路脈沖，其中轉(zhuǎn)移脈沖的周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他 4 路脈沖的周期。φ l、φ 2 為像素脈沖，兩者互為反相， RS 為復(fù)位脈沖． SH 為光積分脈沖， OS 為像元輸出， DOS 為像元補(bǔ)償輸出。當(dāng) SH 為低電平時，在φ