（光学专业论文）基于彩色及近红外双ccd的炉内工件表面温度全视场监视系统.pdf

摘要 摘要 基于彩色及近红外双c c d 的炉内工件表面温度全视场监视系统是一种彩色 c c d 和近红外c c d 双光路相结合的检测系统。彩色c c d 光路用来实时监视， 并可快速确定工件位置：近红外光路采用红外比色测温方法精确测定工件表面 温度。即用一种设备完成了对炉内状况的观察和工件表面温度的测量。这对于 提高产品质量、优化燃烧过程、节约能源、保护环境以及工业生产安全都有重 要意义。本文对系统进行了设计和完整的理论分析，并对测试及计算中的一些 问题进行了深入的研究。 绪论：对国内外辐射测温方法和技术进行了较为系统的论述，对其存在的 问题进行了分析，指出了本系统的创新之处。 第一章：简单介绍了高温测量的常用方法；阐述了辐射测温系统的理论基 础黑体辐射定律，并在此理论基础上介绍了比色测温原理以及比色测温的优点； 最后还给出了系统的工作流程。 第二章：详细讨论了系统构成的硬件系统，对构成系统的主要硬件部分的 原理做了简单介绍。 第三章：按照软件工程的思想，对系统进行了需求分析，并在需求分析的 基础上给出了软件系统的整体框架以及系统软件的流程图。 第四章：分析了系统中由于硬件、噪声、软件引起误差的原因，提出了相 应减小误差的方法，并给出了实验结果。 关键词：比色测温、图像处理、n i c c d 、窄带滤波片 基于彩色及近红外双c c d 的炉内工件表面温度全视场监视系统 a b s t r a c t f u l lv i e wf u r n a c ew o r k p i e c es u r f a c et e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n dd e t e c t i n g s y s t e mb a s e do nc o l o ra n dn e a r - i n f r a r e dd o u b l ec c di st h ee x a m i n a t i o ns y s t e m w h i c hu n i f i e sd o u b l ep a t ho fl i g h t sf r o mc o l o rc c da n dn e a r - i n f r a r e dc c d c o l o r c c dc a nb eu s e dt or e a l t i m em o n i t o r i n ga n dr a p i d l yc o n f i r mt h el o c a t i o no ft h e w o r kp i e c e n e a r - i n f r a r e dc c dc a na c c u r a t e l ym e a s u r et h es u r f a c et e m p e r a t u r eo f t h e w o r kp i e c eb yc o l o r i m e t r i ct e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t i no t h e rw o r d ，w eh a v e f i n i s h e dt h ew o r ko f o b s e r v i n g f u m a c es t a t ea n dm e a s u r i n gt h es u r f a c et e m p e r a t u r e o ft h ew o r kp i e c ew i t hj u s to n ep i e c eo fe q u i p m e n t i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r i m p r o v i n gt h ep r o d u c tq u a l i t y , o p t i m i z i n gb u r n i n gp r o c e s s ，s a v i n ge n e r g y , p r o t e c t i n g e n v i r o n m e n ta n de n s u r i n gi n d u s t r i a ls a f e t y i nt h i sp a p e r , w ed e s i g n e dt h ew h o l e s y s t e ma n dd i de n t i r et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n dw em a d ef u r t h e ri n v e s t i g a t i o nf o rt h e p r o b l e m sa p p e a r e di nm e a s u r e m e n ta n dc a l c u l a t i o n i n t r o d u c t i o n ：t h em e t h o d sa p p l i e dt om e a s u r et h et e m p e r a t u r ea r es u m m a r i z e d ， t h ep r o b l e m s e x i s t i n gi n t h e s em e t h o d sa r ea n a l y z e d ，a n dp o i n to u tt h i s s y s t e m i n n o v a t i o np l a c e c h a p t e r1 ：t h ec o m m o n l yu s e dm e t h o d so fh i g ht e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta r e i n t r o d u c e ds i m p l y t h el a wo fb l a c kb o d yr a d i a t i o nw h i c hr a d i a t i o nt h e r m o m e t r y d e p e n d so ni se l a b o r a t e d b a s e do nt h i st h e o r y , t h em e r i t so fc o l o r i m e t r i ct e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n ta r ei n t r o d u c e d f i n a l l y , r e t u r n e dt og i v eb a c kt ot h es y s t e mw o r kf l o w c h a p t e r2 ：t h eh a r d w a r es y s t e mi sd i s c u s s e di nd e t a i l ，a n dt h ep r i n c i p l e so f m a i n h a r d w a r ea r ei n t r o d u c e ds i m p l y c h a p t e r3 ：a c c o r d i n gt ot h e o r yo fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，t h eo v e r a l lf r a m ea n d t h ef l o wc h a to fs o f t w a r es y s t e mw h i c ha r eb a s e do nd e m a n da n a l y s i st ot h es y s t e m a r ei n t r o d u c e d c h a p t e r4 ：t h es y s t e me r r o r sb e c a u s eo fh a r d w a r e ，n o i s e ，s o f t w a r ea r ea n a l y z e d ， t h ec o r r e s p o n d i n gm e t h o d st or e d u c ee r r o r sa r ep r o p o s e d ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：c o l o r i m e t r i ct e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ；i m a g ep r o c e s s i n g ；n i c c d 2 n a r r o wb a n df i l t e rs l i c e 基于彩色及近红外双c c d 的炉内工件表面温度全视场监视系统 绪论 1 课题背景 温度是反映物质本身固有特征的重要参数之一，是物质中分子运动平均动 能的体现。温度测量是一门应用极广泛的技术，无论在现代工业赖以生存和发 展的能源动力工程中，还是在诸如大规模集成电路、生物技术、航天科技等新 兴技术领域中，或者在与人们日常生活密切相关的石化、冶金、材料、食品等 行业中，都发挥着巨大的作用。它不仅为节约能源、提高设备热效率和发掘新 材料等众多领域带来巨大的经济效益，而且对进一步保护环境、促进和保持一 个国家和地区的可持续发展产生巨大影响。 在石化、冶金等行业中，控制高温加热炉中加热工件的表面温度显的尤为 重要。在冶炼过程中，加热工件的表面温度的高低以及是否均匀直接影响到产 品的质量，特别是由准确控制加热温度，进而优化调整燃烧工艺所带来的节能 降耗和效益提升更是意义重大。 2 国内外研究现状 随着计算机图象处理技术的发展，基于工业电荷藕荷器件c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e s ) 与计算机图象处理相结合的比色测温技术是较为热门的研究 方向之一，在国内外已经有了一定的研究。 日本日立实验室k u r i h a r a 等研制了火焰图像识别系统( f i r e s ，f l a m ei m a g e r e c o g n i t i o ns y s t e m ) ，并在本公司1 9 8 5 年问世的h i a c 一3 0 0 0 系统中应用该技术 获得了火焰温度场的分布，同时进行了燃烧经济性和n o x 的估算等【1 1 。随后， 该公司的m s h i o d a 提出了类似于比色法的图像温度测量方法，并提出了多燃烧 器未燃尽碳生成的预测模型，在日本仙台电站1 7 5 m w 机组上得到实施【2 j 0 日本三菱公司的光学图像火焰扫描系统( o p t i s ，o p t i c a li m a g ef l a m e s c a n n e r ) 采用光学图像传感器提高了系统对火焰的灵敏度和鉴别能力，据称该 系统能够较好地克服炉膛背景热辐射和相邻燃烧器的火焰信号的干扰，系统的 绪论 主要功能是火焰形状识别和火焰稳定性判断等。我国上海宝山钢铁公司自备电 厂的锅炉机组采用了该系统的第一代产品( o p t i s 1 ) ，检测整个炉膛火焰状况， 该系统图像效果清晰。 c a s h d o l l a r l 3 4 1 于1 9 7 9 年研制成功了3 波长高温计，在0 8 、0 9 、1 0 “m3 种 工作波长下测量火焰及爆炸粉尘的温度，测量上限可至2 0 0 0 k ，同时可用换滤光 片方法形成4 波长及6 波长高温计。 欧盟b a b e l o t 及美国o h s e 等人研究多波长高温计【4 1 ，并制成6 波长高温计， 采用光导纤维束分光，硅光电二极管作为探测器，用于材料热物性的快速动态 测量，在5 0 0 0 k 时分辨率为5 k 。 芬兰i v o 公司的燃烧监测与数字分析系统( d i m a c ，d i g i t a lm o n i t o r i n ga n d a n a l y s i so fc o m b u s t i o n ) 【6 j ，于1 9 8 8 年首先用于芬兰r u a h a l a h t i 一台8 0 m w 的 泥煤和煤混烧的电厂锅炉，它采用光学系统将图像传送给炉外的图像传感器， 通过专门开发的图像分析卡转换成数字信号进行分析处理，据称该系统具有降 低炉膛出口氧浓度，提高燃烧效率，减少辅助燃油量等功能。 在国内比色测温领域中，清华大学吴占松1 6 j 进行了小型发光火焰温度分布测 量的研究，他详细推导了图像亮度信号与火焰温度之间的关系，经黑体炉标定 获得了多项式回归模型，开创了国内火焰图像处理的先河。随后开展了非对称 火焰三维温度分布重建的研究，通过在计算中加入内部火焰分布平滑的先验假 设，给出了给对称火焰的三维温度分布测量的重构算法。 上海交通大学的徐伟勇【7 】等采用传像光纤和数字图像处理技术开展了电站 锅炉燃烧火焰检测的研究，将火焰亮度及其变化历史趋势作为判断燃烧稳定性 的依据，并致力于通过火焰图像处理实现燃烧过程闭环控制的研究。其研究成 果已应用到电站锅炉的运行中，图像监测产生的“o n o f f ”信号并入到锅炉燃 烧控制系统( f s s s ) 中。 原电力部门南京自动化研究所的许柯夫，提出在6 0 0 7 0 0 n m 波段内，避开 炉壁面辐射的影响，使用中心波长不同的干涉滤波片同时摄取图像，利用比色 测温的原理，消去中心介质吸收的影响，不需进行黑体标定，以进行辐射温度 的测量。研究者在电厂中利用现有的内窥式光学系统采集火焰图像进行了试验， 之后根据试验结果提出了专门使用于比色测温法的比色摄像机，以及使用传像 基于彩色及近红外双c c d 的炉内工件表面温度全视场监视系统 光纤装置代替现有的潜望镜式光学装置等建议。 上海理工大学蔡小舒等【8 】利用以c c d 阵列作为光谱测量元件的微型光纤光 谱仪，研制了试验用火焰检测系统，通过测量火焰的发射光谱来进行火焰的检 测和诊断技术的研究。该系统不但i i l 4 i 量火焰辐射的强度和闪烁频率，而且能 测量火焰视场平均温度及火焰在某一波段内的黑度、色度等。进一步研究火焰 发射光谱曲线形状在不同燃烧状态下的差异，还可以对燃烧的状况进行诊断。 华中理工大学周怀春等 9 1 提出基于参考测温的单色法图像温度检测法。其基 本原理是，在炉膛火焰电视监视装置的摄像机前加装一个滤色片，以获取单波 长下的火焰辐射图像，同时，利用热电偶或双色高温计实测炉内一个摄像方向 的燃烧温度作为参考温度，进而计算出火焰二维温度场，再根据所测得的温度 场进行燃烧工况诊断。在此基础上建立了二维辐射图像和三维辐射能量分布的 数学关系，并以比色法为基础确定辐射能和图像灰度的定量关系，将才图像转 化为灰度图像，由各象素灰度之间的比值等于各象素之间的温度的4 次方之间 的比值关系，利用参考温度计算出火焰温度图像。 东南大学王式民等【lo 】研制的全炉膛火焰监测及图像处理系统已应用到多家 电厂中。系统对火焰图像数据进行动态处理，进而获得火焰的亮度均值、面积 和形心坐标等参数，可预报炉内燃烧程度和发展趋势，以便提前报警。 浙江大学热能工程研究所【l l 】在对比色测温原理进行理论研究和误差分析的 基础上，提出一种直接利用原始的火焰图像中r 、g 、b 三色信息的测温方法。 即由彩色c c d 获取的火焰图像包含的r 、g 、b 三色亮度值，通过试验和理论 的分析，利用修正后的比色公式直接计算温度场。该方法不需参考点，设备简 单。在此基础上，他们在工业锅炉的不同位置设置多套c c d 检测系统，在多家 电厂进行了现场试验，并已有两套系统用于工业现场。 武汉光学技术研究所于1 9 8 4 成功研制了3 波长h d w l 型红外测温仪， 北京联大于1 9 8 8 年提出了多光谱温度自动检测法，1 9 8 9 年王瑞才研制成功了 4 波长高温计并应用于电弧加热下烧蚀材料的温度测量【l4 1 。 哈尔滨工业大学的戴景民与罗马大学r u f f i n o 教授合作研制成功棱镜分光式 3 5 波长高温计，并成功地用于烧蚀材料真温及发射率地测量【1 5 】。1 9 9 9 年又研制 成功6 目标8 波长高温计并成功用于固体火箭发动机羽焰温度和发射率的测量。 绪论 3 论文的创新之处 从文献查新的结果来看，国内文献中有关高温炉膛内的电视系统，多数为 工况监视系统，也有一些涉及到测温，但多数是单一彩色c c d 比色原理检测炉 膛火焰分布的方法，而有关采用双光路c c d 图像的目标温度监测，并将高温炉 膛内的工况实时监视和近红外比色测温原理相结合，对工件表面温度进行实时 全视场检测的系统，在所查文献中未见报道。 9 基于彩色及近红外双c c d 的炉内工件表面温度全视场监视系统 第一章比色测温法 1 1 高温测温综述 温度是表征物体冷热程度的物理量。根据分子运动理论，温度是分子平均 动能的量度，反映的是物体质点移动的速度。温度作为一个状态参数，它的变 化必然引起气体压力及容积等状态变化。温度测量是利用某些物质的物理性能 ( 如线膨胀率、体积膨胀率、电阻率、热噪声、热辐射等) 与温度的关系做成 各式各样的感温器件一温度传感器，并通过温度传感器物理特性的变化获得温 度值。高温测量一般指锑凝固点( 9 0 3 8 9 k ) 以上的温度测量，常用的高温测量 方法如图1 _ 1 所示，主要分为接触式测温和非接触式测温，以下分别加以简单介 绍。 1 1 1 接触式测温方法 图1 1 ：常用的高温测量方法 第1 章比色测温法 接触式测温方法的感温元件直接置于被测温度场或介质中，不受火焰的黑 度、热物性参数等因数影响，具有测温精度高，使用方便的优点。但是当被测 物质具有腐蚀性时，高温条件下测温元件的测量准确性也相应降低。对于具有 瞬态脉动特性的测量对象，接触式测温法难以作为实用的温度场测量手段，这 主要是由于接触法得到的是某个局部位置的温度信号。如果要得到整个物体的 表面温度场，必须在测温面上进行合理布点，并通过适当的计算方法获得被测 温度场的近似分布。此外，大多数接触式测温装置的动态特性不够理想，难以 反映温度的快速变化和脉动。热电偶测温法是最常见的接触式测温法【l “，用两 种不同导体( 或半导体) 组成的回路，两断接点分别处于不同温度环境中与当 地达成热平衡时会产生热电势，标定后可用来测量温度。黑体腔式热辐射高温 计，是近年来随着光纤技术发展起来的一种新型的接触测温方式。它是以高耐 温材料深入高温火焰中和火焰达成局部热平衡，依据黑体腔内产生自发热辐射， 并经普通石英光纤将辐射能传送到检测系统，利用双色测温法测量出当地温度。 它结合了接触测温和非接触测温的优点，与热电偶测温方法相比，具有测温上 限高、精度高、动态响应快的优势，具有良好的应用前景。 1 1 2 非接触式测温方法 非接触式测温方法分为两大类：一类是通过测量燃烧介质的热力学性质参 数来求解温度：另一类是利用高温火焰的辐射特性通过光学法来测量温度场。 非接触式测温方法由于测温元件不与被测介质接触，不会破坏被测介质的温度 场和流场，同时感受热惯性很小，因此可用于测温不稳定热力过程的温度，其 测量上限不受材料性质的影响，可测诸如炉内工件等高温对象。但对于现场高 温工件温度测量，非接触式测量方法需开设光学窗口，窗口的透过率经常由于 局部污染而造成不均匀的减弱，这增加了高温工件温度测量的困难。 1 2 辐射测温原理 1 2 1 基础理论 只要是温度在绝对零度以上的物体都会或多或少的发射出电磁波，这就是 热辐射。物体在向周围放出辐射能的同时，也会吸收来自周围的物体所放出的 基于彩色及近红外双c c d 的炉内工件表面温度全视场监视系统 辐射能【3 1 l 。热辐射电磁波具有以光速传播、反射、折射、散射、干涉和吸收等 的特性。它是由波长相差很远的红外线、可见光及紫外线所组成的，它们的波 长范围从1 0 - 3 m 到1 0 4 m 不等而可见光只是其中的- d , 部分，约为o 3 8 o 7 8 p m ， 比0 3 8 “r n 更短的电磁波称纬紫外线，比0 7 8 9 m 更长的称为红外线。在低温时， 物体辐射能量8 t o l , ，主要发射的时红外线。随着温度的升高，辐射能量急剧增 加，辐射光谱也向短的方向移动，在5 0 0 ( 2 左右时，辐射光谱包括部分可见光； 在8 0 0 c 时可见光部分大大增加，即呈现“红热”；如果温度到了3 0 0 0 c 时，辐 射光谱则包含更多的短波成分，使得物体呈现“白热”。有经验的人员从观察灼 热物体表面的“颜色”来大致判断物体的温度，这就是辐射测温的基本原理。 但这种判断时相当粗糙的，精确的判定物体的热辐射及其温度之间的定量关系 时辐射测温的重要研究内容。 1 2 2 热辐射的基本概念 1 辐射能q 【1 7 】u 8 1 【1 9 】 辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波( 主要指紫外、可见光和红外辐射) 能量。辐射能一般用符号q 表示，其单位是焦耳( j ) 。 2 辐射通量m 辐射通量m 又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射能量，即 o ：塑( 1 - 1 ) 击 辐射通量的单位是瓦特( w ) 或焦耳秒( j s ) 。 3 辐射出射度m 辐射出射度m 是用来反映物体辐射能力的物理量。定义为辐射体单位面积 向半空间发射的辐射通量，即 m ：塑( 1 2 ) 删 4 辐射强度i 辐射强度i 定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通 量，用i 表示，即 第1 章比色测温法 ，：塑( 1 - 3 ) ，= 一 d r 2 辐射强度的单位是瓦特球面度。1 ( w s r 。1 ) 。 由辐射强度的定义可知，如果一个置于各向同性、均匀介质中的点辐射体 向所有方向发射的总辐射通量是m ，则该点辐射体在各个方向的辐射强度i 是常 量，有 ，：里( 1 - 4 ) 4 万 5 辐射亮度l 辐射亮度l 定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量，如图1 2 所示。 三：坐：垡：竺( 1 - 5 ) d s c o s 口以狮c o s o 式中0 是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。辐射亮度的单位是瓦特球面 度米2 ( w s r m 2 ) 。 图1 - 2 ：辐射亮度示意图 显然一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有些辐射体的辐射强度 在空间方向上的分布满足 d l = 刃oc o s o ( 1 - 6 ) 式中1 0 是面元d s 沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为余弦辐 射体或朗伯体。将( 1 - 6 ) 式代入( 1 5 ) 式，得到余弦辐射体的辐射亮度为 三= 等吐 ( 1 - 7 ) 基于彩色及近红外双c c d 的炉内工件表面温度全视场监视系统 可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角0 无关。将( 1 - 7 ) 式代入( 1 5 ) 式，得到余弦辐射体的面元d s 向半空间的辐射通量为 抛= l o d s l c o s 国n = l o z z s ( 1 - 8 ) 计算上式积分时应用了立体角的定义地=粤=_(rsinod6p)(rdo)=sinodod妒。余 弦辐射体的辐射出射度为 m = 等咆石 ( 1 9 ) 6 辐射照度e 在辐射接收面上的辐射照度e 定义为照射在面元上的辐射通量d m 与该面元 的面积d a 之比。即 e ：塑( 1 - l o ) 洲 单位是w m 2 。 由辐射通量和辐射强度之间的关系式( 1 4 ) 我们知道，一个辐射强度为 1 w s r 1 的点光源，总辐射通量等于4 n w 。现在假如有一个以这个点光源为球 心，半径为1 m 的球面包围这个点光源，则该球面上的辐射照度恰好等于1 w m 2 。 用这样的假想球面不难求得辐射强度为i 在距离r 处的辐射照度为e = - 2 1 7 。这 k 。 r 一结果表明，一个均匀点光源在空间一点的辐射照度与该光源的辐射强度成正 比，与距离平方成反比。 7 单色辐射量度 对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定义为单位波 长间隔内对应的辐射度量，其名称及单位见表1 1 。并且对所有辐射量x 来说单 色辐射度量与辐射度量之间均满足 x = l x 。枞 ( 1 1 1 ) 第1 章比色测温法 表i - 1 ：单色光辐射的名称、符号及单位 量度名称 符号定义式单位名称单位符号 单色辐射通量m l d m d 九 瓦特微米w p m 单色辐射出射度m x d m d 九 瓦特( 米2 微米) w ( m 2 “m ) 单色辐射强度i i d i d 九 瓦特( 球面度微米)w ( s r r t m ) 单色辐射亮度h d l d 九 瓦特( 米2 球面度微米)w ( m 2 s r p m ) 单色辐射照度b d e d l 瓦特( 米2 微米)w ( m 2 岬) 1 2 3 热辐射的基本定律 1 绝对黑体 任何温度下，能全部吸收入射到其表面上的任意波长的辐射能的物体称为绝 对黑体。在相同温度下，黑体的辐射出射度最大，实际物体的辐射出射度总是 低于黑体。 2 实际物体的全发射率( t ) 设m ( t ) 表示实际物体在某一温度t 下全波长范围的积分辐射出射度，m o ( t ) 表示黑体在某一温度t 下全波长范围的积分辐射出射度，则定义两者之比为实 际物体的全发射率，记为( t ) ；定义热辐射体的光谱辐射出射度m ( l ，t ) 与黑体 在相同温度及波长下的光谱辐射出射度m o ( l , t ) 之比为光谱( 单色) 发射率： 砸，丁) = 器 ( 1 _ 1 2 ) e ( z ，t ) 与物体的物理特性及辐射波长有关。光谱发射率小于1 且不随波长而改变 的物体称为灰体。各种物体的发射率随波长的变化如图1 3 所示。 基于彩色及近红外双c c 3 的炉内工件表面温度全视场监视系统 图1 3 ：特定辐射中的不同辐射率 3 普朗克公式 黑体处于温度t 时，在波长x 处的单色辐射出射度由普朗克公式给出 w 埘) = 熹 ( 1 - 1 3 ) 式中h 为普朗克常数，c 为真空中的光速，k 为波尔兹曼常数。令，c = 2 砌c2 ， c ，= h c k ，则( 1 1 3 ) 式可改写为 州 ) = 志( w c m 忡) ( 1 - 1 4 ) 式中，c l = 3 7 4 1 8 3 2 x 1 0 “2 w c m2 称为第一辐射常数；c 2 = 1 4 3 8 7 8 6 x 1 0 4 a n k 称为第二辐射常数。由于黑体是余弦漫射体，应用( 1 - 9 ) 式可求得黑体的单色 辐射亮度为 州妒) = 磊考巧w c m 2 v m ( 1 - 1 5 ) 图1 - 4 给出了不同温度条件下黑体的单色辐射出射度( 辐射亮度) 随波长的 变化曲线。由图1 4 可见： ( 1 ) 对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值；对应 不同温度的曲线不相交。因而温度能惟一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐 射出射度( 即曲线下的面积) 。 第1 章比色测温法 图1 - 4 ：黑体的辐射曲线 ( 2 ) 单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。 ( 3 ) 单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。 4 瑞利一琼斯公式 由( 1 - 1 4 ) 式可以看出，当九t 很大时，p 。2 “7z 1 + 导，则可得到适合于长 a i 波长区的瑞利一琼斯公式 m b ( 五，r ) = c 导t 2 - 4 ( 1 1 6 ) 在2 t 7 7 1 05 删k 时，瑞利一琼斯公式与普朗克公式的误差小于1 。 4 维恩公式 当u 很小时，ec 2 ，”一1ze 。“7 ，则可得到适合于短波长区的维恩公式 a ，6 ( 五，r ) = c 1 2 - 5 e g “7 ( 1 - 1 7 ) 在2 t 五时，占( a 1 ，t ) s ( 兄2 ，t ) 那么式( 1 - 2 1 ) 中l n e ( a 。，r ) s ( 五，丁) 】 0 ，这 类物体的比色温度大于真实温度，即t c t 。 若实际物体的光谱发射率随波长的增加而增大( 大多数非金属材料均如 此) ，即当a 2 时，s ( 五l ，t ) 占( a 2 ，t ) 那么式( 1 - 2 1 ) 中l n e ( 2 , ，丁) s ( 五2 ，丁) 孤而盎蒜 其中r 为c c d 摄像机的最小照度。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 基于彩色及近红外双c c d 的炉内工件表面温度金视场监视系统 2 3c c d 工作原理 电荷耦合器件【2 3 i ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 的突出特点是以电荷作为信号， 而不同于其他大多数器件是以电流或电压为信号。c c d 的基本功能是电荷的存 储和电荷的转移。因此，其工作过程中的主要问题是信号电荷产生存储传输和 检测。c c d 有两种基本类型：一是电荷包存储在半导体与绝缘层之间的界面， 并沿界面传输，这类器件称为表面沟道c c d ( 简称s c c d ) ；二是电荷包存储在 离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称 为体沟道或埋沟道器件( 简称b c c d ) 。下面我们以s c c d 为例来说明c c d 工 作原理。 2 3 1 电荷的存储与耦合 l 电荷存储 c c d 的基本构成单元是m o s ( 金属一氧化物一半导体) 结构。如图2 8 ( a ) 所示，在栅极施加正偏压u g 之前，p 型半导体中空穴多数载流子的分布是均匀 的。当栅极施加正偏压u g ( 此时u g 小于p 型半导体的阈值电压u t l l ) 后，空穴 被排斥，产生耗尽区，如图2 - 8 ( b ) 所示。偏压u g 继续增加，耗尽区将进一步向 半导体内延伸。当u g u l h 时，半导体与绝缘体界面上的电势( 常称为表面势， 用巾s 表示) 变得如此之高，以至于将半导体内的电子( 少数载流子) 吸引到表 面形成一层极薄的( 约1 0 - 2 m m ) 但电荷浓度很高的反型层，如图2 8 ( c ) 所示。 反型层电荷的存在表明了m o s 结构存储电荷的功能。但是，当栅极电压由零突 变到高于闽值电压u 。h 时，轻掺杂半导体中的少数载流子很少，不能立即建立反 型层。在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸，而且栅极和衬 底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上，如果随后可以获得少数载流子，那么 耗尽区将收缩，表面势下降，氧化层上的电压增加。 表面势巾s 随着反型层电荷浓度q i n v 和栅极电压u o 的变化而变化，如果表 面势m s 与反型电荷浓度q 惝的对应曲线直线性好，说明这两者之间有着良好的 反比例线性关系。这种线性关系很容易用半导体物理中的“势阱”概念来描述。 电子所以被加有栅极电压u g 的m o s 结构吸引到氧化层与半导体的交界面处， 是因为那里的势能最低。在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压u 。 第2 章系统硬件 的关系恰如中s 与u o 的线性关系，如图2 - 9 ( a ) 空势阱的情况。图2 - 9 ( b ) 为反型层 电荷填充1 3 势阱时，表面势收缩。当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，m s 降到2 0 r 。此时表面势不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象这样表面 势可作为势阱深度的量度，而表面势又与栅极电压u g 、氧化层的厚度d o x 有关。 势阱的横截面积取决于栅极电极的面积a 。m o s 电容存储信号电荷的容量 q = u g 爿 ( 2 9 ) 氧碣酋翥 t y o = s vl 一一一一j c = = = 7 - j u o = l o v ib l l b j ( a ) 空势阱( b ) 填充1 3 的势阱( c ) 全满势阱 图2 - 9 ：势阱 2 电荷耦合 下面以图2 1 0 为例，讲解c c d 中势阱及电荷如何从一个位置移到另一个位 置。如图2 1 0 所示，图中为c c d 中四个彼此靠得很近得电极。假定开始时有一 些电荷存储在偏压为1 0 v 的第一个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大 于阈值的较低电压( 例如2 v ) 。设图2 - 1 0 ( a ) 为零时刻( 初始时刻) 。经过t 1 时刻 后各电极上的电压变为图2 - 1 0 ( b ) 所示，第一个电极仍保持为1 0 v ，第二个电极 基 0 4 8 2 6 基于彩色及近红外双c c d 的炉内工件表面温度全视场监视系统 上的电压由2 v 变为1 0 v ，因为这两个电极靠得很紧( 间隔只有几微米) ，它们 各自的对应势阱将合并在一起，原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下 势阱所共有，如图2 1 0 ( b ) 和( c ) 所示。若此后电极上的电压变为图2 - 1 0 ( d ) 所示， 第一个电极电压由1 0 v 变为2 v ，第二个电极电压仍为1 0 v ，则共有的电荷转移 到第二个电极下面的势阱中，如图2 - 1 0 ( e ) 所示。由此可见，深势阱及电荷包向 右移动了一个位置。 o0oo o ooo 二名勰二力杰必曼甥扔 杰k = 丁一 ：= = r 作肯电崎 0 皇毋辨 ( ) oq ) oo ( d )：c ) ( f ) ( a ) 初始状态( b ) 电荷由电极向电极转移( c ) 电荷在、电极下均匀分布 ( d ) l h 荷继续由电极向。电极转移( e ) 电荷完全转移到电极( d 三相交叠脉冲 图2 1 0 ：三相c c d 中电荷的转移过程 通过将一定规则变化的电压加到c c d 各电极上，电极下的电荷包就能沿半 导体表面按一定方向移动。通常把c c d 电极分为几组，每一组称为一相，并施 加同样的时钟脉冲。c c d 的内部结构决定了使其正常工作所需要的相数。图2 1 0 所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图2 1 0 ( f ) 所示，这样的c c d 称为三 相c c d 。三相c c d 的电荷耦合( 传输) 方式必须在三相交叠脉冲的作用下，才 能以一定的方向逐单元地转移。另外必须强调指出，c c d 电极间隙必须很小， 电荷才能不受阻碍地从一个电极下转移到相邻电极下。这对图2 1 0 所示的电极 结构是一个关键问题。如果电极间隙比较大，两相邻电极问的势阱将被势垒隔 开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移，c c d 便不能在 外部脉冲作用下正常工作。 能够产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构、表面态密度等因 第2 章系统硬件 素决定。理论计算和实验证实为了不使电极间隙下方界面处出现阻碍电荷转移 的势垒，间隙的长度应小于3 k t m 。这大致是同样条件下半导体表面深耗尽区宽 度的尺寸。当然如果氧化层厚度、表面态密度不同结果也会不同。但对绝大多 数c c d ，1k t m 的间隙长度是足够小的。 以电子为信号的c c d 称为n 型沟道c c d ，简称为n 型c c d ；而以空穴为 信号电荷的c c d 称为p 型沟道c c d ，简称为p 型c c d 。由于电子的迁移率单 位场强下的运动速度远大于空穴的迁移率，因此n 型c c d 比p 型c c d 的工作 频率高得多。 2 1 3 2 电荷的注入和检测 1 电荷的注入( 输入方式) c c d 的电荷注入方式可归纳为光注入和电注入两种。在炉内板带纠偏电视 检测系统中，我们所使用的d m k 3 0 0 2 i r 面阵n i c c d 是光注入方式。 当光( 包括红外光) 照射到c c d 硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生 电子一空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中 形成信号电荷。光注入方式又分为正面照射式和背面照射式两种。光注入电荷 鳓= r q a n 。a 疋 ( 2 - 1 0 ) 式中，”为材料的量子效率；q 为电子电荷量；a n 。为入射光的光子流速率；4 为光敏单元的受光面积；为光注入时间。 由上式可以看出，当c c d 确定以后，叩、g 以及a 均为常数，注入到势阱中 的信号电荷qz p 与入射光子流速率抽。及注入时间t c 成正比。注入时间t c 由 c c d 驱动器的转移脉冲的周期t s h 决定。当所设计的驱动器能够保证其注入时 间稳定不变时，注入到c c d 势阱中的信号电荷只与入射辐射光子流速率血。成 正比。在单色入射辐射时，入射光的光子流速率与入射光谱辐通量的关系为 a n 。：挈，其中h 、v 为常数。因此在这种情况下，光注入的电荷量与入射的 仃v 光谱辐量度巾，成线性关系。 2 电荷的检测( 输出方式) 在c c d 中，有效地收集和检测电荷是一个重要问题。c c d 的重要特性之一 基于彩色及近红外双c c d 的炉内工件表面温度全视场监视系统 是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可避 免。因此，通过选择适当的输出电路可以尽可能地减小时钟脉冲容性地馈入输 出电路的程度。目前c c d 的输出主要方式有电流输出、浮置扩散放大器输出和 浮置栅放大器输出。本系统采用的d m k 3 0 0 2 一i r 面阵n i c c d 其电荷检测为电流 输出方式。 r dt r 幽2 - 1 1 ：电荷输出电路 如图2 - 1 1 所示，当信号电荷在转移脉冲的驱动下向右转移到末极电极( 图 中m 2 电极) 下的势阱后，巾2 电极上的电压由高变低时，由于势阱提高，信号电 荷将通过输出栅( 加有恒定的电压) 下的势阱进入反向偏置的二极管( 图中n + 区) 。由u d 、电阻r 、衬底p 、和n + 区构成的反向偏置二极管相当于无限深的势 阱。进入到反向偏置的二极管中的电荷将产生输出电流i d ，且i d 的大小与注入 n - 极管中的信号电荷量成正比，而与电阻r 成反比。电阻r 是制作在c c d 内 的电阻，阻值是常数。所以输出电流i d 与注入n - 极管中的电荷量成线性关系， 且 q = ，d d t ( 2 1 1 ) 由于i d 的存在，使得a 点的电位发生变化，i o 增大，a 点电位降低。所以 可以用a 点的电位来检测二极管的输出电流i d ，用隔直电容将a 点的电位变化， 取出后再通过放大器输出。图2 - 1 1 中的场效应管t r 为复位管。它的主要作用是 将一个读出周期内输出二极管没有来得及输出的信号电荷通过复位场效应输 出。因为在复位场效应管复位栅为正脉冲时复位场效应管导通，它的动态电阻 远远小于偏置电阻r ，使二极管中的剩余电荷被迅速抽走，使a 点的电位恢复 到起始的高电平。 2 3 3c c d 的特性参数 第2 章系统硬件 1 转移效率”和转移损失率 电荷转移效率是表征c c d 性能好坏的重要参数。转移效率定义为：一次转 移后到达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比。如在t = o 时，注入到某 电极下的电荷为q ( 0 ) ；在时间t 时，大多数电荷在电场作用下向下一个电极转移， 但总有- 4 , 部分电荷由于某种原因留在该电极下。若被留下来的电荷为q ( t ) ，则 转移效率为 ，7 ：q ( o ) - q ( t ) ：1 一盟( 2 1 2 ) 。 q ( o )q ( o ) 如果转移损失率定义为 s ：皇盟( 2 1 3 ) q ( o ) 则转移效率与损失率的关系为 ，7 = 1 一占 ( 2 1 4 ) 理想情况下”应等于l ，但实际上电荷在转移中有所损失，所以_ 总是小于1 的。 所以，提高转移效率”是电荷耦合器件能否使用的关键。 2 工作频率f ( 1 ) 工作频率的下限 为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰，注入电荷从一个电 极转移到另一个电极所用的时间t 必须小于少数载流子的平均寿命t ，即f j f ( 2 1 5 ) 可见，工作频率的下限与载流子的寿命有关。 ( 2 ) 工作频率的上限 当工作频率升高时，若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的时 个 间t 大于驱动脉冲使其转移的时间，那么，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化， j 甲 将会使转移效率大大下降。为此，要求f ：1 ，即 基于彩色及近红外双c c d 的炉内工件表面温度全视场监视系统 ，五1 ( 2 - 1 6 ) 这就是电荷自身的转移时间对驱动脉冲频率上限的限制。 2 3 4 面阵c c d 摄像器件的特性 1 分辨率 c c d 摄像器件的每个光敏单元都是分开的。它属于空间上分立的光敏单元 对光学图像进行抽样。假设要摄取的光学图像沿着水平方向的亮度分布为正弦 条状图案，经c c d 的光敏单元进行转换后，得到以时间轴方向的正弦信号。根 据奈奎斯抽样定理，c c d 的极限分辨率是空间抽样频率的一半。因此，c c d 的 分辨率主要取决于c c d 芯片的像素数，其次还受到转移传输效率的影响。分辨 率通常用电视线( t v l ) 来表示。高集成度的光敏单元可获得高的分辨率，但光 敏单元尺寸的减少导致灵敏度的降低。所以必须采用一些新的工艺结构，例如 双层结构，将光电转换层和电荷转移层分开，从而提高灵敏度和饱和信号的电 荷量。 从频谱分析角度看，c c d 摄像器件在垂直和水平两个方向都是离散取样方 式。根据奈奎斯抽样定理，c c d 输出信号的频谱如图2 一1 2 所示。取样后的信号 频谱幅度如下： s i n 即万等) 砌丌等- 8 i n ( ”矾t ) 砌矾t ( 2 - 1 7 ) 式中：f 。为取样脉冲宽度，即一个感光单元的宽度，瓦为取样周期，即一个像 素的宽度( 含两侧的不感光部分) 。 夕 一。 弋型土2 i 琥( 乃 图2 1 2 ：取样脉冲宽度对取样信号频谱的影响 第2 章系统硬件 当月= f r 。时，谱线包络达到第一零点，这也是孔径光阑限制了高频信号， 使之幅度下降的结果。适当选择r o ，使近f j 2 处的频谱幅度下降不多，但又使频 谱混叠( 见图2 1 2 中的阴影部分) 部分减小。可见，在c c d 中感光单元的宽度