第一章 绪论
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展。
1.3国内外研究现状及发展趋势
自从1969年，美国贝尔实验室Boyle和Smith利用当时已发展得很好的硅技术
研制成第一个CCD以来，依靠业已成熟的MOS集成电路工艺，CCD技术得以迅 产线上大量应用于产品外形尺寸非接触测量、分类、表面质量评定和精确定位等。线阵CCD器件是由阵列光敏元曝光一定时间后在相应驱动脉冲作用下，信号电荷转移至移位寄存器，由移位寄存器一位一位地将其输出，从而得到所需的线阵信息。线阵CCD灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作与维护方便、成本低廉，在工业生产线上，已广泛用于产品外部尺寸非接触检测、控制和分类、自动化及机器人视觉中的精确定位等技术领域。
近10年来，CCD的用量以每年20%的速度递增。从1989年日本出版的《技术市场》杂志获悉，世界上己把CCD列为未来10年可能增益100倍的高技术产品。据国外专家统计，1987年CCD世界市场规划为16亿美元，而实际上1997年为50亿美元，1998年为65亿美元。CCD传感器正沿着提高自身综合性能的方法发展。CCD伴随着计算机技术地迅速发展，在国防及民用工业等部门引起了人们的极大关注，尤其是CCD所具有的体积小、重量轻、结构简单、功耗低、便于数字化等一系列优点，更使其在检测方面的应用越来越广泛。线阵传感器技术是未来探测技术的发展方向。
综上所述，本论文课题的理论研究应用研究具有一定科学前沿性，同时，也具有重要和广泛的实际应用前景。
1.4 本设计的目的及内容
本研究课题结合学科发展趋势和实际应用需求，在参考大量文献和剖析实际应用领域的CCD数据采集系统的基础上，着眼于基于线阵CCD扫描技术的声光效应测试仪器的研究。
主要研究内容：研究线阵检测技术，在深入了解CCD、特别是线阵CCD及其传感器的基本工作原理，驱动方式和特点的基础上，对其在线性线阵扫描技术中的应用及与其他应用技术的结合方法进行研究。研究声光效应的基本原理，并
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利用线阵CCD测量物体的振动实验
对声光效应进行初步了解和探讨。通过分析选择合适的与CCD相匹配的组成器件。深入研究线阵CCD智能检测方法。依据欲选用的线阵CCD,提出在CCD信号采集、二值化及结果显示等方面的思路和方法，实现初步的图像检测。设计制作出线阵CCD扫描装置，并开发设计出一套线阵CCD图像检测系统，为线阵的CCD图像扫描技术与其他测试系统结合提供一个平台。
第二章 测试系统的设计
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第二章 测试系统的设计
2.1测试系统总体描述
2.1.1测试系统基本原理
本设计研究的主要是基于声光效应线阵CCD测试仪的测试系统，其基本原理如图2.1所示。
超声波发生器激光发生器声光晶体器件数据采集数据总线计算机处理软件及显示
图2.1 测试系统基本原理示意图
该测试系统利用光通过某一受超声波扰动的介质发生的衍射现象，用线CCD图像传感器将激光的衍射条纹转换成电信号，再通过低通滤波处理、信号放大、A/D数据采集后，送入计算计进行相应数据处理和分析。 2.1.2声光效应线阵CCD测试仪
声光效应线阵CCD测试仪主要有以下几个部分组成：激光发生器、超声波发生器、声光器件，线阵CCD，如图2.2所示。
接计算机 USB采集光强分布测量 声光功率信号源 转角平台 频率计 激光器
图2.2 声光效应线阵CCD测试仪示意图
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利用线阵CCD测量物体的振动实验
2.2光源的选择
通常情况下，使用激光作为传感器的光源，主要是因为激光具有如下的 特性：
(1) 高定向性：激光光束发散角小，可以集中在狭窄的范围内，向特定方向发射。
(2) 高单色性：激光光束的单色性好，谱线频带窄，因此，在测试系统中使用时，可以通过滤色等手段，有效滤除和减少测量过程中环境杂散光对于系统的影响。
(3) 高辐射密度：激光光束能量集中，即使功率很小的激光发射器，其光强也足够用于测量，保证了测量系统的安全性。
激光器基本上是由激光工作物质、激励（泵浦）系统和光学共振腔组成。激光工作物质是激光器的核心，可以为固体（如红宝石）、气体（如He-Ne 气体、CO2）、半导体（如砷化镓）等，它在外能作用下，具有粒子数反转的特性。激励系统是将能量输入工作物质，使其实现粒子数反转，常用的有光泵、气体放电激励、化学反应激励、热激励等。光学共振腔的作用是提供光学反馈能力，以形成受激发射的持续振荡，并对振荡光束的方向和频率进行限制，保证输出激光的高定向性和高单色性。激光器的种类很多，迄今为止已有好几百种，在线阵检测技术中，He-Ne 气体激光器和半导体激光器用的最多，因此下面对这两种激光器做一下简要介绍。 1、 He-Ne 气体激光器
He-Ne 激光器具有连续输出激光的能力，输出幅度和频率较稳定，激光波长有632.8nm、1.15μm 和3.39μm 三种[12]。工作电源一般可以采用稳定的直流，工频或射频交流，在精密测量中，采用直流稳压电源，以获得稳定的激光。它输出的激光光束的相干性和方向性很强，居各类激光器之首。但是，He-Ne 激光器发光效率低，与其他光源相比，需要的电压较高，电源较复杂，体积也较大。 2、 半导体激光器
半导体激光器是一种注入式电致发光器件，不但单色性好、方向性强、发散角小、能量高度集中，而且体积小、重量轻、结构简单、抗震性强、发光效率高，并可通过选择不同材料获得不同频率的激光。但是，半导体激光器对电流要求比
第二章 测试系统的设计
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较高，受电源波动影响较大。
综上所述，虽然He-Ne 激光器准直性好，发散角小，光斑受距离影响小，可以保证长距离测量时光斑不受距离影响，保证了测量精度。但是He-Ne 激光器体积大，且预热时间长，发光效率差，操作不便，可供选择激光波长少，不能根据CCD 的响应灵敏度进行选择。半导体激光器同样具有准直性好，发散角小的优点，而且体积小、结构简单、抗震性强、发光效率高，激光波长多，所以比He-Ne 激光器更适合作为激光三角测距传感器的光源。我们所选用的激光器为半导体激光器。
2.3声光效应与声光调制
2.3.1声光效应原理
光通过某一受到超声波扰动的介质发生的衍射现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果。当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。有超声波传播的介质如同一个位相光栅。
用正弦高频功率信号源驱动一声光晶体，在晶体中往返传输的超声波相互叠加形成驻波。激光通过这个晶体时将会发生衍射现象。通过观察和测量,由声光相互作用的机理可推算出晶体中的声速、也可研究驱动电压功率与衍射效率的关系、光的偏振特性、调制频率与驱动频率的关系与及空气中的光速。
设声光介质中的超声波是沿Y方向传播的平面纵波，其角频率为?s ，波长为?s，波矢为k。入射光为沿x方向传播的平面波，其角频率为w，波长为波矢为k。介质内的弹性应变也以行波形式随声波一起传播。由于光速大约是声波的105倍，在光波通过的时间介质在空间上的周期变化可看成是固定的。由于应变而引起的介质折射率的变化由下式决定：
?(1)?PS (2-1) n2