CCD在尺寸測量方面的應(yīng)用

1、線陣CCD在尺寸測量方面的應(yīng)用 一、引言電荷耦合器件（CCD）是以電荷為信號載體的傳感器，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年首先在美國研制成功，它就一系列與眾不同、無可比擬的優(yōu)勢就顯示出來：靈敏度高、幾何尺寸精確、光譜響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大、操作容易、維護(hù)方便等。一般說來，CCD輸出信號有以下幾個特點(diǎn):(1)能夠輸出與光像位置相對應(yīng)的時序信號。(2)能夠輸出各個脈沖彼此獨(dú)立相間的模擬信號。(3)能夠輸出反映焦點(diǎn)面信息的信號。我們將光源、光學(xué)系統(tǒng)與這三個特點(diǎn)相結(jié)合，可以實現(xiàn)尺寸的測量。而尺寸的測量在一些場合時非常有必要的，特別是高精度尺寸測量。在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實驗中

2、，經(jīng)常碰到微小尺寸的檢測問題，如細(xì)絲、薄板、狹縫等，不僅費(fèi)時費(fèi)力，而且精度較低，不便于實時檢測、顯示和控制，其應(yīng)用范圍也受到一定的限制。近年來，利用線陣CCD進(jìn)行無接觸一維測量已經(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，避免對所測器件的損傷。（2）高速測量，動態(tài)性能好，可以測高速機(jī)械運(yùn)動的物體的尺寸。（3）空間分辨率高，可以實現(xiàn)高精度測量。（4）空間自掃描可以實現(xiàn)量的絕對測量。（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有利于其后續(xù)信號處理，便于同計算機(jī)組成高性能測控系統(tǒng)。典型的CCD光電測試系統(tǒng)由光源、光學(xué)系統(tǒng)、CCD傳感器、信號采集與處理電路以及

3、后續(xù)處理系統(tǒng)組成。本文將介紹幾種測量不同量級尺寸的方法，可以分為微小尺寸、中尺寸、大尺寸，并且給出了信號處理方法，重點(diǎn)是高性能微分電路的實現(xiàn)和二值化過程的實現(xiàn)。二、測量方法1、CCD尺寸測量系統(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，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就已經(jīng)確定，所以輸出脈沖的個數(shù)就代表著目標(biāo)尺寸的大小，為了確定光學(xué)系統(tǒng)對測量尺寸的影響，通常用一個已經(jīng)精確標(biāo)定過的樣品進(jìn)行校正，也就是將標(biāo)準(zhǔn)樣品經(jīng)過光學(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)每一像元所對應(yīng)目標(biāo)尺寸的大小，再用同一系統(tǒng)測量未知目標(biāo)時，即可根

4、據(jù)輸出信號像元的數(shù)目(脈沖個數(shù))來確定待測目標(biāo)的尺寸。系統(tǒng)原理如上圖所示，被測件經(jīng)過光源均勻照明后，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，用一定頻率的時序脈沖驅(qū)動CCD，在CCD輸出端獲得被測件的視頻信號。CCD轉(zhuǎn)移脈沖、復(fù)位脈沖、視頻信號和二值化信號的輸出波形如下圖所示。視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應(yīng)著該光敏元所接收光強(qiáng)的強(qiáng)弱，信號輸出的時序則對應(yīng)光敏區(qū)位置的順序。對視頻信號進(jìn)行二值化處理后，得到矩形波的寬度即與被測工件的一維尺寸成正比。再用單片機(jī)系統(tǒng)對矩形波進(jìn)行處理，即可顯示被測件的尺寸

5、大小。2、中尺寸的測量下圖表示在透鏡前方距離a處置有一被測物，其未知長度尺寸為L，透鏡后方距離b處置有線陣CCD傳感器，該傳感器總像素數(shù)目為N。首先借助光學(xué)成像法將被測物未知長度L成像在線陣CCD傳感器上，此時該焦點(diǎn)面的輸出信號是最強(qiáng)的。若照明光源由被測物方向從左向右發(fā)射，在整個視野范圍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N2兩個部分暴光，與其相應(yīng)的像素數(shù)我們也定義成N1、和N2，根據(jù)簡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對不

6、同尺寸的工件，線陣CCD傳感器測出不同的N1和N2。3、微小尺寸的測量微小尺寸測量時存在著一個問題，即如果被測件尺寸很小，如被測量尺寸在10一500um之間，當(dāng)采用激光、LED或者白熾燈對被測件進(jìn)行照射時，由于尺寸過于微小，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像后，往往會發(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量的實際尺寸，如果還是按照上述的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)信號處理則行不通。為此，可以將激光光源經(jīng)過光學(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，建立被測量尺寸與線陣CCD視頻輸出信號經(jīng)過衍射后的函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)對微小尺寸的高精度測量，如下圖示在上圖中，當(dāng)滿足遠(yuǎn)場條件L(L為被測細(xì)絲到CCD

7、靶面上的距離，d為細(xì)絲直徑，x為激光波長)時，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。為被測細(xì)絲到第K級暗紋的連線與光線主軸的夾角。細(xì)絲經(jīng)過衍射成像在CCD靶面上后，信號輸出如圖4所示，當(dāng)B很小時，即L足夠大時，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的測量轉(zhuǎn)化為用線陣CCD來測量暗紋周期S。4、大尺寸的測量（1）采用CCD拼接技術(shù)測量法在顯微鏡下將線陣CCD首尾拼在一起，實現(xiàn)機(jī)械拼接，這種方法工藝簡單，易于實現(xiàn)。但是，由于線陣CCD器件的兩端各有若干個

8、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)過機(jī)械拼接而成。設(shè)N1、N2分別為被測件的像遮擋的CCD1、圖3CCD2部分插入計數(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為被測尺寸，為透鏡放大倍數(shù)，則：L=(N1+N2)s+H/（2）當(dāng)被測工件尺寸足夠大，而采用拼接CCD不能實現(xiàn)測量時，可以采用邊緣檢測原理實現(xiàn)大尺寸測量目的。具體是采用兩套CCD測量系統(tǒng)實現(xiàn)

9、大尺寸工件邊緣測量，然后將兩套CCD測得的邊緣位置與兩CCD相對位置值綜合起來，得出被測工件尺寸。通過改變兩CCD之間的距離，來實現(xiàn)可變大尺寸測量。設(shè)CCD1和CCD2計數(shù)器計數(shù)脈沖個數(shù)分別為1、N2，脈沖當(dāng)量為s1、s2;兩CCD邊緣距離為H，則被測工件尺寸L為:L=H-(N1s1+N2s2)誤差分析：由式(12)可得測量誤差為:L=H-(s1N1+s1N1+s2N2+s2N2)其中H由移動兩CCD的運(yùn)動部件決定。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)化為亮而是有個緩慢的過渡區(qū)。利用上述方法測尺寸是，不可避

10、免地要解決一個問題：平行光的獲得。其中，測微小尺寸時，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。測中、大尺寸時，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)過一片雙膠合透鏡Ll會聚到于一點(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

11、號的提?。?）信號提取流程基于照射光強(qiáng)變化時，表示被測件影像的凹部不變的原理，設(shè)計出圖所示的信號提取電路原理框圖，圖下為相應(yīng)的主要波形實現(xiàn)該電路的關(guān)鍵點(diǎn)一是微分電路的實現(xiàn)，二是如何從過零觸發(fā)輸出而得二值化信號。（2）二值化處理二值化處理是將每個脈沖與一個判定值相比，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CCD尺寸測量系統(tǒng)）算出被測尺寸。一般誤差是一個光敏單元，即一個脈沖。固定閾值法是一種最簡單的二值化處理，將CCD輸出的

12、視頻信號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視頻信號的幅值大于閾值電壓時比輸出的是二值化方波信號。調(diào)節(jié)閾值電壓，方波脈沖前后沿將發(fā)生移動脈沖的寬度發(fā)生變化。（3）微分電路對于微分電路，輸出幅度隨輸入頻率的增加而線性增加，因此電路對高頻噪聲特別敏感，以致噪聲可能完全淹沒微分信號。其次，考慮基本微分電路的RC環(huán)節(jié)對反饋信號具有滯后作用，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，會引起自激振蕩。實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，

13、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圖像傳感器作為測量元件，用CCD來測量物體尺寸的方法。當(dāng)我們所需測量的尺寸范圍不同時，應(yīng)該選用不同的測量方法。本文介紹了微小尺寸、中等尺寸、大尺寸物體的測量方法，雖然有差別，但本質(zhì)都是一樣的，都是通過光照，將物體的尺寸信息通過CCD所在面的光場分布蘊(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，檢測誤差在一個像素單元范圍內(nèi)。，通過采用不同像素的CCD或者不同的光學(xué)系統(tǒng)可以獲得不同的精度等級。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)，具有對被測信息進(jìn)行快速采樣、存儲及數(shù)據(jù)處理等多項功能。本文還介紹了信號處理過程中的二值化方法和微分電路的實現(xiàn)，以及為獲得均勻的平行光而提出的光源解決方案。用CCD測量尺寸的方法具有高精度、高速度、操作簡單、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在實際生產(chǎn)檢測中具有較大的應(yīng)用價值。四、參