發布日期：2022-04-27 點擊率：67
摘要：CDD圖像傳感器以其光譜響應寬、動態范圍大、靈敏度和幾何精度高、噪聲低、便于進行數字化處理和與計算機連接等優點，在工業測控中得到廣泛應用。該文簡要介紹了CCD圖像傳感器的檢測原理和它在工業檢測中的應用現狀，分析了現有CCD檢測技術在應用中存在的問題和局限，指出了CCD傳感器在工業檢測應用中的發展方向。
關鍵詞：CCD；檢測技術；圖像傳感器
The application and development of CCD measurement technology i n foreign industrial fields
LIU Zheng,PENG Xiaoqi,DING Jian,TANG Ying
(College of Physics Science & Technology under Central South Uni versity，Hunan Changsha 410083,China)
Abstract：The CCD image sensors have been wide ly used in industrial process measurement and control systems owing to their wid e spectral response,wide dynamic range,high sensitivity and geometric precision ,low noise and convenience for digital processing and connecting computers.The p aper gives a brief introduction about the measuring principle of the CCD image s ensor and its application status in industrial measurements.Some difficulties an d limitations existing in its application are analysed and the trend of its appl ication is pointed out.
Key words：CCD;measurement technology;image sensor
0 引言
電荷耦合器件(Charge Couple Device，CCD)是一種以電荷為信號載體的微型 圖像傳感器，具有光電轉換和信號電荷存儲、轉移及讀出的功能，其輸出信號通常是符合電 視標準的視頻信號，可存儲于適當的介質或輸入計算機，便于進行圖像存儲、增強、識別等處理［1］。
自CCD于1970年在貝爾實驗室誕生以來，CCD技術隨著半導體微電子技術的發展而迅速發展，CCD傳感器的像素集成度、分辨率、幾何精度和靈敏度大大提高，工作頻率范圍顯著增加，可高速成像以滿足對高速運動物體的拍攝［2］，并以其光譜響應寬、動態范圍大、靈敏度和幾何精度高、噪聲低、體積小、重量輕、低電壓、低功耗、抗沖擊、耐震動、抗電磁干擾能力強、堅固耐用、壽命長、圖像畸變小、無殘像、可以長時間工作于惡劣環境、便于進行數字化處理和與計算機連接等優點，在圖像采集、非接觸測量和實時監控方面得到了廣泛應用，成為現代光電子學和測試技術中最活躍、最富有成果的研究領域之一［1，3］。
1 CCD傳感器的檢測原理
CCD是由光敏單元、輸入結構和輸出結構等組成的一體化的光電轉換器件，其突出特點是以電荷作為信號載體，其基本工作原理見文獻［4，5］。當入射光照射到CC D光敏單元上時，光敏單元中將產生光電荷Q，Q與光子流速率Δn 0、光照時間TC、光敏單元面積A成正比，即：
Q＝ηqΔn0ATc(1)
其中η為材料的量子效率；q為電子電荷量。CCD圖像傳感器的光電轉換特性如圖1 如示，其中橫坐標為照度，lx.s；縱坐標為輸出電壓，V0在非飽和區滿足：
f(s)=d1sτ＋d2(2)
式中，f(s)為輸出信號電壓(V)；s為曝光量(lx.s)；d1為直線段的斜率(V／lx.s)，表示CCD的光響應度；τ為光電轉換系數，τ≈1；d2為無光照時CCD的輸出電壓，稱為暗輸出電壓。特性曲線的拐點 G所對應的曝光量SE稱為飽和曝光量，所對應的輸出電壓VSAT稱為飽和輸出電壓。曝光量高于SE后，CCD輸出信號不再增加，可見，CCD圖像傳感器在非飽和區的光電轉換特性接近于線性，因此，應將CCD的工作狀態控制在非飽和區。
2 CCD的應用狀況
CCD檢測技術作為一種能有效實現動態跟蹤的非接觸檢測技術，被廣泛應用于尺寸、位移、表面形狀檢測和溫度檢測等領域。
2.1尺寸測量
由CCD傳感器、光學成像系統、數據采集和處理系統構成的尺寸測量裝置，具有測量精度高、速度快、應用方便靈活等特點，是現有機械式、光學式、電磁式測量儀器所無法比擬的。在尺寸測量中，通常采用合適的照明系統使被測物體通過物鏡成像在CCD靶面上，通過對CCD輸出的信號進行適當處理，提取測量對象的幾何信息，結合光學系統的變換特性，可計算出被測尺寸［2］。
2.1.1零件尺寸的精確測量
1997年，J.B.Liao［6］等將CCD攝像系統應用在三維坐標測量機(Coordinate Meas uring Machine，CMM)上，實現了三維坐標的自動測量。他們將一個面陣CCD安裝在與CMM的3個軸線都成45°角的固定位置，通過計算機視覺系統與CMM原來的控制系統連接來控制探頭和工件的移動，以此探測探頭和工件的三維位置。該方法不需要對原CMM系統進行改變，只要將CCD視覺系統連入原有的測量機即可。由于測量系統中只用一個面陣CCD，從而簡化了測量系統結構，降低了系統成本，減小了因手工操作引起的誤差，提高了測量效率，并能避免單獨使用CCD測量時，因光衍射而造成的邊緣檢測誤差，可用于工件三維尺寸的精確測量。但該方法需要對工作環境和工件形狀具有一定的先驗知識，使其應用范圍受到較大限制。為此，V.H.Chan和C.Bradley等人［7］提出了一種利用復合傳感器的自動測量方法。該方法將黑白CCD和坐標探頭一同安裝在CMM的Z軸工作臂的末端，探測前先由C CD在工件的前后左右和上方對工件成像，并通過基于神經網絡的立體配對算法確定工件表面位置和面積，從而決定探頭的探測路徑。該方法的智能程度較高，可高效測量形狀復雜工件的三維尺寸，并可根據測量數據構造工件的CAD模型，但計算復雜，需要使用運算速度快、內存容量大的計算機，且算法立體匹配精度有待提高。
以上測量系統雖然因引入CCD技術而得到明顯改進，但仍屬于接觸式測量，無法準確測量某些彈性和軟性工件。最近，P.F.Luo等人［8］用CCD攝像頭代替CMM的探頭，結合激光 測距技術實現了對一維尺寸的非接觸精確測量。該方法采用了亞像素精度檢測技術，利用激光測距器進行距離校正，有效地提高了檢測精度，其精確測量范圍為1～300 mm，但這種方法只能測量一維尺寸。P.F.Luo等認為該系統經改進后可實現二維尺寸的精確測量，因工作臺滑動引起振動而導致的數據波動也能被有效減小，但尚未見到成功的實例。
2.1.2微小尺寸的測量
為檢測BGA(ball grid array，球珊陣列)芯片的管腳高度是否共面，美國RVSI公司研制出一種基于激光三角法的單點離線檢測設備［1］。該設備每次只能測量1個管腳，測量速 度慢，無法實現在線測量。1999年，Kim,Pyunghyun［9］等人提出了一種新的立體測 量方法。該方法用激光線源照射到芯片管腳上，被照亮的管腳圖像經由互成一定角度的兩套CCD攝像系統采集后，輸入計算機進行立體匹配，利用透視變換模型和坐標變換關系，計算 出管腳高度和縱向間距，再使被測芯片在步進電機的帶動下做單向運動，從而實現三維尺寸測量，并引入電容測微儀實時監測工作臺位置變動，進行動態誤差補償，有效減小了因振動造成的誤差。2001年，C.J.Tay,X.He［10］等人利用圖像識別和數字相關等技術簡化了計算過程，使得只需幾秒鐘便可計算上百個管腳的高度，從而有效地提高了檢測系統的實用性。最近，C.J.Tay［11］等根據被傾斜光照射的物體的像與影之間的固有關系，提出了一種基于光學陰影簡便測量BGA管腳高度的方法。該方法利用激光對被測芯片的管腳進行傾斜照射以產生管腳陰影，管腳及其陰影由帶遠焦顯微鏡的CCD相機采集后，輸入計算機，由計算機軟件根據影和像的相互關系計算出管腳高度，筆者提出了兩種簡潔的計 算方法，可避免因光衍射而造成的邊緣檢測誤差，計算簡單快速，但要求高精度的機械定位裝置，且每次只能檢測幾個管腳，而且對芯片平整度和檢測環境要求很高，還需要進一步改進后才能實用化。
近年來，將CCD技術和莫爾條紋、數字全息、電子斑點干涉等技術相結合以精確測量微小尺寸的技術正成為一種具有很大潛力的研究發展方向［12］。
2.2形變測量
盡管利用線陣CCD測量材料變形具有非接觸、無磨損、精度高、不引入附加誤差、能測量材 料拉伸的全過程，特別是測量材料在斷裂前后的應力應變曲線，得到材料的各種極限特性 參數等優點，但只能測量材料拉伸時在軸線方向的均一形變。為此，Scheday,Miehe和Cheva lier等人［13］開展了采用面陣CCD測量材料形變的研究。在此基礎上，Stefan Hart mann等人［14］借助面陣CCD研究了橡膠材料在拉伸和壓縮時的形變情況。即在圓柱 形黑色測試樣品的軸線方向等距標定幾個白點，用CCD攝取相應圖像并送入計算機進行處理，通過檢測白點標記間的距離來計算樣品受力時軸向的形變，并通過輪廓檢測算法得到軸對 稱的圓柱型樣品的輪廓尺寸，經過數據校正，可計算出被測樣品半徑方向上的形變。這種方 法可同時獲得兩個方向上的形變量，并測量出材料被壓縮時的非均一形變。S.Claudinon,P. Lamesle等人［15］采用類似方法研究了淬火鋼鐵樣品在氣冷時的形變，解決了高溫 樣品的尺寸測量問題，并能連續測量不同溫度下的形變量，但在低溫時，易產生測量誤差。J.-M.Siguier等［16］為研究大型科學氣球氣囊表面材料的性質，利用兩個CCD攝像 機攝取被測物體的表面圖像，通過立體相關方法獲取樣品的三維形變。但這種測量方法技術復雜，且在與材料表面垂直的法線方向上獲得的數據偏小。
2.3機械磨損度測量
雖然以上方法可以測量各種工件的尺寸或形變，但在測量某些特殊工件時卻受到許多限制。例如，在檢測高速切割機上的刀具磨損度時，需要將刀具卸下才能測量。為此，一些研究人 員致力于用機器視覺檢測刀具磨損程度的研究。2000年，T.Pfeifer和L.Wiegers［17］通過比較各種測量方法，指出基于機器視覺的檢測系統最具優勢和潛力，并構建了一套由CCD攝像頭、照明設備和夾具等組成的非接觸檢測系統，該系統在適當位置對刀口側面成像 ，將采集的刀具圖像信號輸入計算機，計算出刀具磨損輪廓，以此判斷刀具磨損級別，確定刀具更換時間。但該系統的圖像處理過程復雜，適應范圍窄，檢測精度和效率也有待提高。2002年，JeonHa Kim等人［18］在此基礎上，對誤差因素逐一進行了實驗分析，確定了最佳光線照射強度、角度、拍攝角度等，并將光源通過光纖插入鏡頭周圍以減小因陰影 產生的誤差，使夾具自由轉動角度增大，成像設備尺寸縮小，提高了系統的使用范圍。同時，通過采用磨損前后刀具橫向尺寸差來計算磨損度，大大簡化了圖像處理過程。對4種不同刀具的實驗測量表明，該系統的測量信噪比可達到46 dB，測量精度和速度顯著提高，并可實現實時在線測量，但不適合測量幾何形狀太復雜的刀具。
2.4三維表面測量
由于CCD傳感器能同時獲取被測表面的亮度和相位信息，因此，將CCD和計算機圖像處理技術 與傳統的三維表面非接觸光學測量方法相結合，可實時測量物體形變、振動和外形。上世紀 90年代初，Yamaguchi等人［19］在斑點干涉測量中使用線陣CCD測量不同材料的帕森比，但線陣CCD只能記錄一維正交相關性信息。隨著CCD工藝水平的提高，面陣CCD被廣泛應 用于三維表面測量［19］。1996年，B.Skarman等［20］提出了相變數字全息 測量法。此后，F.Chesn［21］、C.Quan［22］、P.S.Huang［23］、G.Pedrini等人［24］分別在有關測量方法中應用了CCD技術，從CCD圖像中獲取相位圖的新方法［24，26，27］也相繼出現。在條紋圖樣投影法中采用相變技術時，只能檢 測靜物表面輪廓，不適用于實時檢測振動和變化的表面形狀。為此，C.J.Tay等人［28］建立了對低頻振動的物體表面進行三維檢測的系統，該系統由振蕩發生系統、液晶顯示 條紋發射器、特殊遠心鏡頭、高速CCD、圖像采集卡和計算機組成。系統所用的遠心鏡頭可 以保持放大倍率為常數，使測量結果與被測物體和CCD之間的距離無關，從而減小了測量中 物體振動時因為景深改變而產生的測量誤差。同時，采用相掃描方法逐點計算條紋圖樣相位，可以實時獲取被測對象的振動頻率和振幅，即時重建物體的表面輪廓，其測量精度可達振幅值的1／500。但該系統只能測量陽紋平面，且要求有高質量的正弦發射條紋和CCD的圖像采集頻率大于被測物體的振動頻率。隨后，他們又在陰影莫爾條紋干涉法中應用類似方法 測量振動物體的三維表面，取得較好效果［29］。盡管該方法比數字全息法［30］簡單實用，且對測量環境的要求相對較低，但測量范圍受到CCD采集速度的限制，對高速振動和無規則形變的物體表面測量并不實用。
2.5高溫測量
物體的輻射光波長和強度與物體溫度有著特定的關系，因此CCD作為一種光電轉換器件，可用于溫度測量。1993年，Tenchov等人［31］采用CCD間接測量溶液表面溫度；1995年，K.Y.Hsu和L.D.Chen［32］用可測量紅外波段的加強型CCD測量液態金屬的燃燒火焰溫度，但其測量誤差達到400～200K，缺乏實用性。此后，利用紅外CCD測量溫度場成為CCD測溫研究的主流。2001年，Takeshi Azami等人［33］利用CCD的亮度波動信息來研究 熔融硅橋表面的熱流狀況，獲得了較好的結果。2002年，D.Manca等人［34］提出了一種利用紅外CCD測控燃燒室火焰溫度場的實用方法。2003年，G.Sutter［35］等人利用加強型CCD測量近似黑體的物體表面發出的某一波長的單色光，以此得到物體的輻射溫度，所得測量結果與物體的真實溫度之間的差別幾乎可以忽略不計，并將其用于測量直角高 速切割機的刀具溫度場，但作者未具體說明圖像處理和溫度計算方法，也未進行誤差分析， 其實驗誤差達16 ℃。這種方法測量不同范圍的溫度時，需要尋找不同的最佳波長，使用頻帶很窄的濾波片獲取單一波長的光輻射信號。B.Skarman等人［36，37］于1996年提出 用CCD拍攝流體的全息圖，通過圖像處理技術重建流體的三維溫度場，由于當時的CCD采集速度、圖像處理速度和儲存速度都比較低，激光干涉質量也不高，使該方法缺乏實用性；到19 98年，該方法進入實用階段，能測量穩定透明液體的三維溫度，并得到流速和流體密度等數 據。2002年，C.Hhmann等［38］利用高分辨率溫度傳感液晶顏色隨溫度變化的特性 對被測區域感溫，然后用彩色CCD攝取液晶表面的顏色圖像來間接測量液體蒸發時彎月面的 溫度。此方法可實現小面積的溫度測量，但需要進行精確的校正。還有學者提出利用CCD配 合激光感應磷光器測量溫度［39］。事實上，由CCD的光譜響應特性、光電轉換特性可知，利用RGB輸出值可得到被測物體表面圖像中的亮度和色度信息，并根據比色測溫原理計算出物體的表面溫度場。雖然有人提出了基于CCD測溫系統的三維溫度場構建算法［4 0］，但直接利用彩色CCD測量溫度的儀器還處在實驗研發階段。盡管如此，由于CCD技術能測量運動物體的溫度，給出二維或三維溫度場，實現非接觸高溫測量，因此，CCD測溫技術有很大的發展潛力和應用前景。
3 結論
綜上所述，CCD應用技術已成為集光學、電子學、精密機械與計算機技術為一體的綜合性技術，并被廣泛應用于現代光學和光電測試技術領域。事實上，凡可用膠卷和光電檢測技術的地方幾乎都可以應用CCD。隨著半導體材料與技術的發展，特別是超大規模集成電路技術的不斷進步，CCD圖像傳感器的性能也在迅速提高，將CCD技術、計算機圖像處理技術與傳統測量方法相結合，能獲取被測對象的更多信息，實現快速、準確的無接觸測量，顯著提高測量技術水平和智能化水平，因此，CCD技術必將以其突出的優點而在工業測控、機器視覺、多媒體技術、虛擬現實技術及其他許多領域得到越來越廣泛的應用。
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