国外CCD检测技术在工业中的应用与发展.doc

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1、国外CCD检测技术在工业中的应用与发展刘　征，彭小奇，丁　剑，唐　英时间:2010年02月26日字体:大中小关键词:CCD图像传感器0引言　　电荷耦合器件(ChargeCoupleDevice，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20/20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

2、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、最富有成果的研究领域之一［1，3］。1CCD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

3、，5］。当入射光照射到CCD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Δn0、光照时间TC、光敏单元面积A成正比，即：　　Q＝ηqΔn0ATc　　　　　(1)　　其中η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)=d1sτ＋d2　　　　(2)式中，f(s)为输出信号电压(V)；s为曝光量(lx.s)；d1为直线段的斜率(V／lx.s)，表示CCD的光响应度；τ为光电转换系数，τ≈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

4、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SE20/20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。2CCD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

5、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］。20/202.1.1零件尺寸的精确测量　　1997年，J.B.Liao［6］等将CCD摄像系统应用在三维坐标测量机(CoordinateMeasuringMachine，CMM)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45°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

6、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C20/20CD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

7、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1～300mm，但

8、这种方法只能测量一维尺寸