CCD在尺寸測(cè)量方面的應(yīng)用.doc

0910020626 段昌琪線陣CCD在尺寸測(cè)量方面的應(yīng)用 一、引言電荷耦合器件（CCD）是以電荷為信號(hào)載體的傳感器，屬于集成光電傳感器，主要應(yīng)用于光電圖像的傳感。自從CCD于1970年首先在美國(guó)研制成功，它就一系列與眾不同、無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)就顯示出來(lái)：靈敏度高、幾何尺寸精確、光譜響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、操作容易、維護(hù)方便等。一般說(shuō)來(lái)，CCD輸出信號(hào)有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)能夠輸出與光像位置相對(duì)應(yīng)的時(shí)序信號(hào)。(2)能夠輸出各個(gè)脈沖彼此獨(dú)立相間的模擬信號(hào)。(3)能夠輸出反映焦點(diǎn)面信息的信號(hào)。我們將光源、光學(xué)系統(tǒng)與這三個(gè)特點(diǎn)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)尺寸的測(cè)量。而尺寸的測(cè)量在一些場(chǎng)合時(shí)非常有必要的，特別是高精度尺寸測(cè)量。在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)常碰到微小尺寸的檢測(cè)問(wèn)題，如細(xì)絲、薄板、狹縫等，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精度較低，不便于實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示和控制，其應(yīng)用范圍也受到一定的限制。近年來(lái)，利用線陣CCD進(jìn)行無(wú)接觸一維測(cè)量已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。線陣CCD器件具有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）非接觸式，避免對(duì)所測(cè)器件的損傷。（2）高速測(cè)量，動(dòng)態(tài)性能好，可以測(cè)高速機(jī)械運(yùn)動(dòng)的物體的尺寸。（3）空間分辨率高，可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。（4）空間自掃描可以實(shí)現(xiàn)量的絕對(duì)測(cè)量。（5）可靠性高，可以在很惡劣的環(huán)境下工作。（6）其線掃描輸出的光電信號(hào)有利于其后續(xù)信號(hào)處理，便于同計(jì)算機(jī)組成高性能測(cè)控系統(tǒng)。典型的CCD光電測(cè)試系統(tǒng)由光源、光學(xué)系統(tǒng)、CCD傳感器、信號(hào)采集與處理電路以及后續(xù)處理系統(tǒng)組成。本文將介紹幾種測(cè)量不同量級(jí)尺寸的方法，可以分為微小尺寸、中尺寸、大尺寸，并且給出了信號(hào)處理方法，重點(diǎn)是高性能微分電路的實(shí)現(xiàn)和二值化過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。二、測(cè)量方法1、CCD尺寸測(cè)量系統(tǒng)線陣CCD由一系列等距離光電二極管構(gòu)成，當(dāng)目標(biāo)成像在CCD光敏面上時(shí)，相應(yīng)的像元上將獲得一系列的光電脈沖輸出。由于光電二極管的尺寸在制作時(shí)就已經(jīng)確定，所以輸出脈沖的個(gè)數(shù)就代表著目標(biāo)尺寸的大小，為了確定光學(xué)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量尺寸的影響，通常用一個(gè)已經(jīng)精確標(biāo)定過(guò)的樣品進(jìn)行校正，也就是將標(biāo)準(zhǔn)樣品經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像在線陣CCD上，根據(jù)所占像元的數(shù)目求得該系統(tǒng)每一像元所對(duì)應(yīng)目標(biāo)尺寸的大小，再用同一系統(tǒng)測(cè)量未知目標(biāo)時(shí)，即可根據(jù)輸出信號(hào)像元的數(shù)目(脈沖個(gè)數(shù))來(lái)確定待測(cè)目標(biāo)的尺寸。系統(tǒng)原理如上圖所示，被測(cè)件經(jīng)過(guò)光源均勻照明后，由光學(xué)系統(tǒng)按一定倍率成像在CCD的光敏面上，影像反映了被測(cè)件的尺寸，CCD器件把光敏面上工件影像的光學(xué)信息轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成正比的電荷量，用一定頻率的時(shí)序脈沖驅(qū)動(dòng)CCD，在CCD輸出端獲得被測(cè)件的視頻信號(hào)。CCD轉(zhuǎn)移脈沖、復(fù)位脈沖、視頻信號(hào)和二值化信號(hào)的輸出波形如下圖所示。視頻信號(hào)中每一個(gè)離散電壓信號(hào)的大小對(duì)應(yīng)著該光敏元所接收光強(qiáng)的強(qiáng)弱，信號(hào)輸出的時(shí)序則對(duì)應(yīng)光敏區(qū)位置的順序。對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行二值化處理后，得到矩形波的寬度即與被測(cè)工件的一維尺寸成正比。再用單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)矩形波進(jìn)行處理，即可顯示被測(cè)件的尺寸大小。2、中尺寸的測(cè)量下圖表示在透鏡前方距離a處置有一被測(cè)物，其未知長(zhǎng)度尺寸為L(zhǎng)，透鏡后方距離b處置有線陣CCD傳感器，該傳感器總像素?cái)?shù)目為N。首先借助光學(xué)成像法將被測(cè)物未知長(zhǎng)度L成像在線陣CCD傳感器上，此時(shí)該焦點(diǎn)面的輸出信號(hào)是最強(qiáng)的。若照明光源由被測(cè)物方向從左向右發(fā)射，在整個(gè)視野范圍D內(nèi)，將有L部分被遮擋，相應(yīng)地，在線陣CCD傳感器上只有N1、和N2兩個(gè)部分暴光，與其相應(yīng)的像素?cái)?shù)我們也定義成N1、和N2，根據(jù)簡(jiǎn)單的相似三角形的關(guān)系， 我 們可以得出：L/D=(N-(N1+N2)/N其中D我們可以在系統(tǒng)調(diào)整完畢后由a、b及已知的N求出：D/a=N/b所以，L=(N-(N1+N2)*a/b對(duì)不同尺寸的工件，線陣CCD傳感器測(cè)出不同的N1和N2。3、微小尺寸的測(cè)量微小尺寸測(cè)量時(shí)存在著一個(gè)問(wèn)題，即如果被測(cè)件尺寸很小，如被測(cè)量尺寸在10一500um之間，當(dāng)采用激光、LED或者白熾燈對(duì)被測(cè)件進(jìn)行照射時(shí)，由于尺寸過(guò)于微小，經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像后，往往會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)像，使得成像在CCD靶面上的影像不能正確反映被測(cè)量的實(shí)際尺寸，如果還是按照上述的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)處理則行不通。為此，可以將激光光源經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)照射微小件(以細(xì)絲為例)后成像在線陣CCD靶面上，建立被測(cè)量尺寸與線陣CCD視頻輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)衍射后的函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微小尺寸的高精度測(cè)量，如下圖示在上圖中，當(dāng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件L(L為被測(cè)細(xì)絲到CCD靶面上的距離，d為細(xì)絲直徑，x為激光波長(zhǎng))時(shí)，根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射公式可得到: d=K/sin (1)式(1)中:K=士1，2，n。為被測(cè)細(xì)絲到第K級(jí)暗紋的連線與光線主軸的夾角。細(xì)絲經(jīng)過(guò)衍射成像在CCD靶面上后，信號(hào)輸出如圖4所示，當(dāng)B很小時(shí)，即L足夠大時(shí)，近似有sin=tg=Xk/L，代人式(1)得: d=KL/Xk=L/(Xk/K)=L/S (2)其中S=Xk/K，表示暗紋周期，則細(xì)絲直徑d的測(cè)量轉(zhuǎn)化為用線陣CCD來(lái)測(cè)量暗紋周期S。4、大尺寸的測(cè)量（1）采用CCD拼接技術(shù)測(cè)量法在顯微鏡下將線陣CCD首尾拼在一起，實(shí)現(xiàn)機(jī)械拼接，這種方法工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但是，由于線陣CCD器件的兩端各有若干個(gè)虛設(shè)備單元，而且，商品化的CCD器件除了虛設(shè)單元外，還有其他電路、引線和封裝結(jié)構(gòu)，使得機(jī)械拼接不可能使兩個(gè)線陣CCD的有效像元首尾完全搭接成一條直線，總是存在的搭接間隙，但其在大尺寸、高精度測(cè)量方面仍具有重要意義。如圖3所示，成像CCD由CCD1和CCD2經(jīng)過(guò)機(jī)械拼接而成。設(shè)N1、N2分別為被測(cè)件的像遮擋的CCD1、圖3CCD2部分插入計(jì)數(shù)脈沖的脈沖數(shù)，H為CCD1、CCD2之間的拼接距離，s為脈沖當(dāng)量，L為被測(cè)尺寸，為透鏡放大倍數(shù)，則：L=(N1+N2)s+H/（2）當(dāng)被測(cè)工件尺寸足夠大，而采用拼接CCD不能實(shí)現(xiàn)測(cè)量時(shí)，可以采用邊緣檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)大尺寸測(cè)量目的。具體是采用兩套CCD測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大尺寸工件邊緣測(cè)量，然后將兩套CCD測(cè)得的邊緣位置與兩CCD相對(duì)位置值綜合起來(lái)，得出被測(cè)工件尺寸。通過(guò)改變兩CCD之間的距離，來(lái)實(shí)現(xiàn)可變大尺寸測(cè)量。設(shè)CCD1和CCD2計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)分別為1、N2，脈沖當(dāng)量為s1、s2;兩CCD邊緣距離為H，則被測(cè)工件尺寸L為:L=H-(N1s1+N2s2)誤差分析：由式(12)可得測(cè)量誤差為:L=H-(s1N1+s1N1+s2N2+s2N2)其中H由移動(dòng)兩CCD的運(yùn)動(dòng)部件決定。5、光源解決方案由于CCD本身的感光單元有一定間距，又有光源的變化、衍射和外界干擾等影響，使照在CCD上的物像不能由暗直接轉(zhuǎn)化為亮而是有個(gè)緩慢的過(guò)渡區(qū)。利用上述方法測(cè)尺寸是，不可避免地要解決一個(gè)問(wèn)題：平行光的獲得。其中，測(cè)微小尺寸時(shí)，一般用相干性良好的激光光源，具有良好的方向性，然而由于是高斯光束，需要擴(kuò)束器擴(kuò)束后，用光闌去中間光強(qiáng)分布較均勻部分，可以近似為平面光。測(cè)中、大尺寸時(shí)，需要良好的平行光源，可以由下述方法獲得。如下圖所示，本照明系統(tǒng)以一個(gè)大功率LED為照明光源，發(fā)光二極管作為照明光源，由于它具有體積小、重量輕、光源單色性好、發(fā)光亮度、發(fā)光效率高、亮度便于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)光二極管LED發(fā)出的光經(jīng)過(guò)一片雙膠合透鏡Ll會(huì)聚到于一點(diǎn)FF點(diǎn)恰好為透鏡L2的物方焦點(diǎn)，擴(kuò)展成為所需要的平行光照射到待測(cè)器件上，經(jīng)成像系統(tǒng)(成像物鏡L3和光闌組成)成像于CCD上，形成陰影。6、信號(hào)的提取（1）信號(hào)提取流程基于照射光強(qiáng)變化時(shí)，表示被測(cè)件影像的凹部不變的原理，設(shè)計(jì)出圖所示的信號(hào)提取電路原理框圖，圖下為相應(yīng)的主要波形實(shí)現(xiàn)該電路的關(guān)鍵點(diǎn)一是微分電路的實(shí)現(xiàn)，二是如何從過(guò)零觸發(fā)輸出而得二值化信號(hào)。（2）二值化處理二值化處理是將每個(gè)脈沖與一個(gè)判定值相比，大于該判定值則為1，小于則為0。在該系統(tǒng)中，0信號(hào)表示被遮擋的CCD部分，即反應(yīng)物體尺寸的部分；1表示未被遮擋部分，也即光源直接照射部分。將信號(hào)二值化，單片機(jī)就可以直接“數(shù)”出被遮擋光敏單元，可以依照定標(biāo)值（方法見(jiàn)CCD尺寸測(cè)量系統(tǒng)）算出被測(cè)尺寸。一般誤差是一個(gè)光敏單元，即一個(gè)脈沖。固定閾值法是一種最簡(jiǎn)單的二值化處理，將CCD輸出的視頻信號(hào)送入電壓比較器的同相輸入端電壓比較器的反相端加上可調(diào)的電平，構(gòu)成固定閾值二值化電路。當(dāng)CCD視頻信號(hào)的幅值大于閾值電壓時(shí)比輸出的是二值化方波信號(hào)。調(diào)節(jié)閾值電壓，方波脈沖前后沿將發(fā)生移動(dòng)脈沖的寬度發(fā)生變化。（3）微分電路對(duì)于微分電路，輸出幅度隨輸入頻率的增加而線性增加，因此電路對(duì)高頻噪聲特別敏感，以致噪聲可能完全淹沒(méi)微分信號(hào)。其次，考慮基本微分電路的RC環(huán)節(jié)對(duì)反饋信號(hào)具有滯后作用，它和集成運(yùn)放內(nèi)部電路的滯后作用合在一起，在RC參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，會(huì)引起自激振蕩。實(shí)用的微分電路如下圖所示，加一小電阻R1與微分電容C1串聯(lián)，提高電路抗干擾的能力，Cf與Rf并聯(lián)，起相位補(bǔ)償作用。為了提高輸入阻抗，微分電路所用運(yùn)放選為FET型器件。三、結(jié)論本文介紹了一些利用線陣CCD圖像傳感器作為測(cè)量元件，用CCD來(lái)測(cè)量物體尺寸的方法。當(dāng)我們所需測(cè)量的尺寸范圍不同時(shí)，應(yīng)該選用不同的測(cè)量方法。本文介紹了微小尺寸、中等尺寸、大尺寸物體的測(cè)量方法，雖然有差別，但本質(zhì)都是一樣的，都是通過(guò)光照，將物體的尺寸信息通過(guò)CCD所在面的光場(chǎng)分布蘊(yùn)含在CCD的光敏單元之中，二值化后，0值代表被遮部分，1值代表未被遮光部分，檢測(cè)誤差在一個(gè)像素單元范圍內(nèi)。，通過(guò)采用不同像素的CCD或者不同的光學(xué)系統(tǒng)可以獲得不同的精度等級(jí)。隨著微機(jī)技術(shù)的日益普及，采用單片機(jī)等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有對(duì)被測(cè)信息進(jìn)行快速采樣、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理等多項(xiàng)功能。本文還介紹了信號(hào)處理過(guò)程中的二值化方法和微分電路的實(shí)現(xiàn)，以及為獲得均勻的平行光而提出的光源解決方案。用CCD測(cè)量尺寸的方法具有高精度、高速度、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)中具有較大的應(yīng)用價(jià)值。四、