1、国外 CCD检测技术在 工业中的应 用与发展类别：行业知识 发布时间：2008-1-25 阅读：1023摘要：CDD 图像 传感器以其 光谱响应宽 、动态范围大 、灵敏度和几 何精度高、噪声低、便于进行数 字化处理和 与计算机连 接等优点，在工业测控 中得到广泛 应用。该文简要介 绍了 CCD图像传感器 的检测原理 和它在工业 检测中的应 用现状，分析了现有 CCD检测 技术在应用 中存在的问 题和局限，指出了 CCD传感器在 工业检测应 用中的发展 方向。 关键词：CCD；检测技术；图像传感器The application and development of CCD measurement
2、 technology i n foreign industrial fieldsLIU Zheng,PENG Xiaoqi,DING Jian,TANG Ying(College of Physics Science measu rement technology;image sensor0 引言电荷耦合器 件(Charg e Couple Device，CCD)是一种以电 荷为信号载 体的微型 图像传感器 ，具有光电转 换和信号电 荷存储、转移及读出 的功能，其输出信号 通常是符合 电 视标准的视 频信号，可存储于适 当的介质或 输入计算机 ，便于进行图 像存储、增强、识别等处理1 。自
3、CCD于 1970年 在贝尔实验 室诞生以来 ，CCD 技术 随着半导体 微电子技术 的发展而迅 速发展，CCD 传感 器的像素集 成度、分辨率、几何精度和 灵敏度大大 提高，工作频率范 围显著增加 ，可高速成像 以满足对高 速运动物体 的拍摄2 ，并以其光谱 响应宽、动态范围大 、灵敏度和几 何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰 能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小 、无残像、可以长时间 工作于恶劣 环境、便于进行数 字化处理和 与计算机连 接等优点，在图像采集 、非接触测量 和实时监控 方面得到了 广泛应用，成为现代光 电子学和测 试技术中最 活跃、
4、最富有成果 的研究领域 之一1，3 。1 CCD传感 器的检测原 理CCD是由 光敏单元、输入结构和 输出结构等 组成的一体 化的光电转 换器件，其突出特点是以电荷作 为信号载体 ，其基本工作 原理见文献 4，5 。当入射光照 射到 CC D光敏单元 上时，光敏单元中 将产生光电 荷 Q，Q 与光子流 速率 n 0、光照时间 TC、光敏单元面 积 A成正比 ，即：Qqn0 ATc(1)其中 为材 料的量子效 率；q 为电子电 荷量。CCD 图像 传感器的光 电转换特性 如图1 如示，其中横坐标 为照度，lx.s；纵坐标为输 出电压，V0在非饱 和区满足：f(s)=d1sd2(2)式中，f(s)
5、为输出信号 电压(V)；s 为曝光量 (lx.s)；d1 为直线段 的斜率(Vlx.s)，表示 CCD的光响应度 ； 为光电转 换系数，1；d2为无光 照时 CCD的输出电压 ，称为暗输出 电压。特性曲线的 拐点 G所对应的 曝光量 SE称为饱和曝 光量，所对应的输 出电压 VSAT称为饱 和输出电压 。曝光量高于 SE后，CCD 输出 信号不再增 加，可见，CCD 图像 传感器在非饱和区的光 电转换特性 接近于线性 ，因此，应将 CCD的工作状态 控制在非饱 和区。 2 CCD的应 用状况CCD检测 技术作为一 种能有效实 现动态跟踪 的非接触检 测技术，被广泛应用 于尺寸、位移、表面形状检
6、 测和温度检 测等领域。2.1尺寸测量由 CCD传 感器、光学成像系 统、数据采集和 处理系统构 成的尺寸测 量装置，具有测量精度高、速度快、应用方便灵 活等特点，是现有机械 式、光学式、电磁式测量 仪器所无法 比拟的。在尺寸测量 中，通常采用合 适的照明系 统使被测物 体通过物镜 成像在 CCD靶面上，通过对 CCD输出的信 号进行适当 处理，提取测量对 象的几何信 息，结合光学系 统的变换特 性，可计算出被 测尺寸2 。2.1.1零件尺寸 的精确测量1997年 ，J.B.Liao6等将 CCD摄像系统应 用在三维坐 标测量机(Coord inate Meas uring Machine，C
7、MM)上，实现了三维 坐标的自动 测量。他们将一个 面阵 CCD安装在与 CMM的3个 轴线都成4 5角的固定位 置，通过计算机 视觉系统与 CMM原来 的控制系统 连接来控制探头和工件 的移动，以此探测探 头和工件的 三维位置。该方法不需 要对原 CMM系统进行 改变，只要将 CCD视觉系统 连入原有的 测量机即可 。由于测量系 统中只用一 个面阵 CCD，从而简化了 测量系统结 构，降低了系统 成本，减小了因手 工操作引起 的误差，提高了测量 效率，并能避免单 独使用 CCD测量时，因光衍射而 造成的边缘 检测误差，可用于工件 三维尺寸的 精确测量。但该方法需 要对工作环 境和工件形 状具
8、有一定 的先验知识 ，使其应用范 围受到较大 限制。为此，V.H.Chan 和 C.Bradley等人7提出了一种 利用复合传 感器的自动 测量方法。该方法将黑 白 CCD和 坐标探头一 同安装在 CMM的 Z轴 工作臂的末 端，探测前先由 C CD在工件 的前后左右 和上方对工 件成像，并通过基于 神经网络的 立体配对算 法确定工件 表面位置和 面积，从而决定探 头的探测路 径。该方法的智 能程度较高 ，可高效测量 形状复杂工 件的三维尺 寸，并可根据测 量数据构造 工件的 CAD模型，但计算复杂 ，需要使用运 算速度快、内存容量大 的计算机，且算法立体 匹配精度有 待提高。以上测量系 统虽
9、然因引 入 CCD技 术而得到明 显改进，但仍属于接 触式测量，无法准确测量某些弹性 和软性工件 。最近，P.F.Luo 等人 8用 CCD摄 像头代替 CMM的探头 ，结合激光 测距技术实 现了对一维 尺寸的非接 触精确测量 。该方法采用 了亚像素精 度检测技术 ，利用激光测 距器进行距 离校正，有效地提高 了检测精度 ，其精确测量 范围为1300 mm，但这种方法 只能测量一 维尺寸。P.F.Luo 等认 为该系统经 改进后可实 现二维尺寸 的精确测量 ，因工作台滑 动引起振动 而导致的数 据波动也能 被有效减小 ，但尚未见到 成功的实例 。2.1.2微小尺寸 的测量为检测 BGA(bal
10、l grid array，球珊阵列)芯片的管脚 高度是否共 面，美国 RVSI公司研制 出一种基于 激光三角法 的单点离线 检测设备1 。该设备每次 只能测量1 个管脚，测量速 度慢，无法实现在 线测量。1999年 ，Kim,Pyung hyun9等人提出了 一种新的立 体测 量方法。该方法用激 光线源照射 到芯片管脚 上，被照亮的管 脚图像经由 互成一定角 度的两套 CCD摄像系 统采集后，输入计算机 进行立体匹 配，利用透视变 换模型和坐 标变换关系 ，计算 出管脚高度 和纵向间距 ，再使被测芯 片在步进电 机的带动下 做单向运动 ，从而实现三 维尺寸测量 ，并引入电容 测微仪实时 监测工
11、作台 位置变动，进行动态误 差补偿，有效减小了 因振动造成 的误差。2001年 ，C.J.Tay,X.He10等人利用图 像识别和数 字相关等技 术简化了计 算过程，使得只需几 秒钟便可计 算上百个管 脚的高度，从而有效地 提高了检测 系统的实用 性。最近，C.J.Tay11等根据被倾 斜光照射的 物体的像与 影之间的固 有关系，提出了一种 基于光学阴 影简便测量 BGA管脚 高度的方法 。该方法利用 激光对被测 芯片的管脚 进行倾斜照 射以产生管 脚阴影，管脚及其阴 影由带远焦 显微镜的 CCD相机采 集后，输入计算机 ，由计算机软件根据影和 像的相互关 系计算出管 脚高度，笔者提出了 两种
12、简洁的 计 算方法，可避免因光衍射而造成 的边缘检测 误差，计算简单快 速，但要求高精 度的机械定 位装置，且每次只能 检测几个管 脚，而且对芯片 平整度和检 测环境要求 很高，还需要进一 步改进后才 能实用化。近年来，将 CCD技 术和莫尔条 纹、数字全息、电子斑点干 涉等技术相 结合以精确 测量微小尺 寸的技术正 成为一种具 有很大潜力 的研究发展 方向12 。2.2形变测量尽管利用线 阵 CCD测 量材料变形 具有非接触 、无磨损、精度高、不引入附加 误差、能测量材 料拉伸的全 过程，特别是测量 材料在断裂 前后的应力 应变曲线，得到材料的 各种极限特 性 参数等优点 ，但只能测量 材料
13、拉伸时 在轴线方向 的均一形变 。为此，Sched ay,Miehe和 Cheva lier等 人13开展了采用 面阵 CCD测量材料形 变的研究。在此基础上 ，Stefa n Hart mann等 人14借助面阵 CCD研究了 橡胶材料在 拉伸和压缩 时的形变情 况。即在圆柱 形黑色测试 样品的轴线 方向等距标 定几个白点 ，用 CCD摄 取相应图像 并送入计算 机进行处理 ，通过检测白 点标记间的 距离来计算 样品受力时 轴向的形变 ，并通过轮廓 检测算法得 到轴对 称的圆柱型 样品的轮廓 尺寸，经过数据校 正，可计算出被 测样品半径 方向上的形 变。这种方 法可同时获 得两个方向 上的形
14、变量 ，并测量出材 料被压缩时 的非均一形 变。S.Claud inon,P. Lamesle等人15采用类似方 法研究了淬 火钢铁样品 在气冷时的 形变，解决了高温 样品的尺寸 测量问题，并能连续测 量不同温度 下的形变量 ，但在低温时 ，易产生测量 误差。J.-M.Siguier等16为研究大型 科学气球气 囊表面材料 的性质，利用两个 CCD摄像 机摄取被测 物体的表面 图像，通过立体相 关方法获取 样品的三维 形变。但这种测量 方法技术复 杂，且在与材料 表面垂直的 法线方向上 获得的数据 偏小。2.3机械磨损 度测量虽然以上方 法可以测量 各种工件的 尺寸或形变 ，但在测量某 些特殊
15、工件 时却受到许 多限制。例如，在检测高速 切割机上的 刀具磨损度 时，需要将刀具 卸下才能测 量。为此，一些研究人 员致力于用 机器视觉检 测刀具磨损 程度的研究 。2000年 ，T.Pfeif er和L.Wiegers17通过比较各 种测量方法 ，指出基于机 器视觉的检 测系统最具 优势和潜力 ，并构建了一 套由 CCD摄像头、照明设备和 夹具等组成 的非接触检 测系统，该系统在适 当位置对刀 口侧面成像 ，将采集的刀 具图像信号 输入计算机 ，计算出刀具 磨损轮廓，以此判断刀具磨损级别 ，确定刀具更 换时间。但该系统的 图像处理过 程复杂，适应范围窄 ，检测精度和效率也有待 提高。200
16、2年 ，JeonHa Kim等人 18在此基础上 ，对误差因素 逐一进行了实验分析，确定了最佳 光线照射强 度、角度、拍摄角度等 ，并将光源通 过光纤插入 镜头周围以 减小因阴影 产生的误差 ，使夹具自由 转动角度增 大，成像设备尺 寸缩小，提高了系统 的使用范围 。同时，通过采用磨 损前后刀具 横向尺寸差 来计算磨损 度，大大简化了 图像处理过程。对4种不同 刀具的实验 测量表明，该系统的测 量信噪比可 达到46 dB，测量精度和 速度显著提 高，并可实现实 时在线测量 ，但不适合测 量几何形状 太复杂的刀 具。2.4三维表面 测量由于 CCD传感器能同 时获取被测 表面的亮度 和相位信息
17、，因此，将 CCD和 计算机图像 处理技术 与传统的三 维表面非接 触光学测量 方法相结合 ，可实时测量 物体形变、振动和外形 。上世纪 90年代初 ，Yamag uchi 等 人19在斑点干涉 测量中使用 线阵 CCD测量不同材 料的帕森比 ，但线阵 CCD只能记录 一维正交相 关性信息。随着 CCD工艺水平的 提高，面阵 CCD被广泛应 用于三维表 面测量19 。1996年 ，B.Skarm an等20提出了相变 数字全息 测量法。此后，F.Chesn 21 、C.Quan22 、P.S.Huang 23 、G.Pedri ni等人24分别在有关测量方法中 应用了 CCD技术，从 CCD图
18、 像中获取相 位图的新方 法24，26，27也相继出现 。在条纹图样 投影法中采 用相变技术 时，只能检 测静物表面 轮廓，不适用于实 时检测振动 和变化的表 面形状。为此，C.J.Tay 等人 28建立了对低 频振动的物 体表面进行 三维检测的系统，该系统由振 荡发生系统 、液晶显示 条纹发射器 、特殊远心镜 头、高速 CCD、图像采集卡 和计算机组 成。系统所用的 远心镜头可 以保持放大 倍率为常数 ，使测量结果 与被测物体 和 CCD之 间的距离无 关，从而减小了 测量中 物体振动时 因为景深改 变而产生的 测量误差。同时，采用相扫描 方法逐点计 算条纹图样 相位，可以实时获 取被测对象
19、 的振动频率 和振幅，即时重建物 体的表面轮 廓，其测量精度 可达振幅值 的1500。但该系统只 能测量阳纹 平面，且要求有高 质量的正弦 发射条纹和 CCD的图 像采集频率 大于被测物 体的振动频 率。随后，他们又在阴 影莫尔条纹 干涉法中应 用类似方法 测量振动物 体的三维表 面，取得较好效 果29 。尽管该方法 比数字全息 法30简单实用，且对测量环 境的要求相 对较低，但测量范围 受到CCD采集速度的 限制，对高速振动 和无规则形 变的物体表 面测量并不 实用。2.5高温测量物体的辐射 光波长和强 度与物体温 度有着特定 的关系，因此 CCD作为一种光 电转换器件 ，可用于温度 测量。
20、1993年 ，Tench ov等人31采用 CCD间接测量溶 液表面温度 ；1995年 ，K.Y.Hsu和 L.D.Chen32用可测量红 外波段的加 强型 CCD测量液态金 属的燃烧火 焰温度，但其测量误 差达到40 0200K，缺乏实用性 。此后，利用红外 CCD测量温 度场成为 CCD测温研 究的主流。2001年 ，Takes hi Azami等人33利用 CCD的亮度波动 信息来研究 熔融硅桥表 面的热流状 况，获得了较好 的结果。2002年 ，D.Manca 等人34提出了一种 利用红外CCD测控燃 烧室火焰温 度场的实用 方法。2003年 ，G.Sutte r35等人利用加 强型
21、CCD测量近似黑 体的物体表 面发出的某 一波长的单 色光，以此得到物 体的辐射温 度，所得测量结 果与物体的 真实温度之 间的差别几 乎可以忽略 不计，并将其用于 测量直角高 速切割机的 刀具温度场 ，但作者未具 体说明图像 处理和温度 计算方法，也未进行误 差分析， 其实验误差 达16 。这种方法测 量不同范围 的温度时，需要寻找不 同的最佳波 长，使用频带很 窄的滤波片 获取单一波 长的光辐射 信号。B.Skarm an等人36，37于1996 年提出 用 CCD拍 摄流体的全息图，通过图像处 理技术重建 流体的三维 温度场，由于当时的 CCD采集 速度、图像处理速 度和储存速 度都比较
22、低 ，激光干涉质 量也不高，使该方法缺 乏实用性；到19 98年，该方法进入 实用阶段，能测量稳定 透明液体的 三维温度，并得到流速 和流体密度 等数 据。2002年 ，C.Hhmann 等38利用高分辨 率温度传感 液晶颜色随 温度变化的 特性 对被测区域 感温，然后用彩色 CCD摄取 液晶表面的 颜色图像来 间接测量液 体蒸发时弯 月面的 温度。此方法可实 现小面积的 温度测量，但需要进行 精确的校正 。还有学者提 出利用 CCD配 合激光感应 磷光器测量 温度39 。事实上，由 CCD的 光谱响应特 性、光电转换特 性可知，利用 RGB输出值可得 到被测物体 表面图像中 的亮度和色 度信
23、息，并根据比色 测温原理计 算出物体的 表面温度场 。虽然有人提 出了基于 CCD测温系 统的三维温 度场构建算 法4 0 ，但直接利用 彩色CCD测量温度的 仪器还处在 实验研发阶 段。尽管如此，由于 CCD技术能测量 运动物体的 温度，给出二维或 三维温度场 ，实现非接触 高温测量，因此，CCD 测温 技术有很大 的发展潜力 和应用前景 。3 结论综上所述，CCD 应用 技术已成为 集光学、电子学、精密机械与 计算机技术 为一体的综 合性技术，并被广泛应 用于现代光 学和光电测 试技术领域 。事实上，凡可用胶卷 和光电检测 技术的地方 几乎都可以 应用 CCD。随着半导体 材料与技术 的发
24、展，特别是超大 规模集成电 路技术的不 断进步，CCD 图像 传感器的性 能也在迅速 提高，将 CCD技 术、计算机图像 处理技术与传统测量方 法相结合，能获取被测 对象的更多 信息，实现快速、准确的无接 触测量，显著提高测 量技术水平 和智能化水 平，因此，CCD 技术 必将以其突 出的优点而 在工业测控 、机器视觉、多媒体技术 、虚拟现实技 术及其他许 多领域得到 越来越广泛 的应用。参考文献1王庆有.CCD 应用 技术M.天津：天津大学出 版社，20002王跃科，杨华勇.CCD 图像 传感技术的 现状与应用 前景J.光学仪器，199 6，18(5)：32363科学 CCD的过去、现状和未
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