CCD在尺寸测量方面的应用.doc

0910020626 段昌琪线阵CCD在尺寸测量方面的应用 一、引言电荷耦合器件（CCD）是以电荷为信号载体的传感器，属于集成光电传感器，主要应用于光电图像的传感。自从CCD于1970年首先在美国研制成功，它就一系列与众不同、无可比拟的优势就显示出来：灵敏度高、几何尺寸精确、光谱响应宽、动态范围大、操作容易、维护方便等。一般说来，CCD输出信号有以下几个特点:(1)能够输出与光像位置相对应的时序信号。(2)能够输出各个脉冲彼此独立相间的模拟信号。(3)能够输出反映焦点面信息的信号。我们将光源、光学系统与这三个特点相结合，可以实现尺寸的测量。而尺寸的测量在一些场合时非常有必要的，特别是高精度尺寸测量。在工业生产和科学实验中，经常碰到微小尺寸的检测问题，如细丝、薄板、狭缝等，不仅费时费力，而且精度较低，不便于实时检测、显示和控制，其应用范围也受到一定的限制。近年来，利用线阵CCD进行无接触一维测量已经得到广泛应用。线阵CCD器件具有许多优点：（1）非接触式，避免对所测器件的损伤。（2）高速测量，动态性能好，可以测高速机械运动的物体的尺寸。（3）空间分辨率高，可以实现高精度测量。（4）空间自扫描可以实现量的绝对测量。（5）可靠性高，可以在很恶劣的环境下工作。（6）其线扫描输出的光电信号有利于其后续信号处理，便于同计算机组成高性能测控系统。典型的CCD光电测试系统由光源、光学系统、CCD传感器、信号采集与处理电路以及后续处理系统组成。本文将介绍几种测量不同量级尺寸的方法，可以分为微小尺寸、中尺寸、大尺寸，并且给出了信号处理方法，重点是高性能微分电路的实现和二值化过程的实现。二、测量方法1、CCD尺寸测量系统线阵CCD由一系列等距离光电二极管构成，当目标成像在CCD光敏面上时，相应的像元上将获得一系列的光电脉冲输出。由于光电二极管的尺寸在制作时就已经确定，所以输出脉冲的个数就代表着目标尺寸的大小，为了确定光学系统对测量尺寸的影响，通常用一个已经精确标定过的样品进行校正，也就是将标准样品经过光学系统成像在线阵CCD上，根据所占像元的数目求得该系统每一像元所对应目标尺寸的大小，再用同一系统测量未知目标时，即可根据输出信号像元的数目(脉冲个数)来确定待测目标的尺寸。系统原理如上图所示，被测件经过光源均匀照明后，由光学系统按一定倍率成像在CCD的光敏面上，影像反映了被测件的尺寸，CCD器件把光敏面上工件影像的光学信息转换成与光强成正比的电荷量，用一定频率的时序脉冲驱动CCD，在CCD输出端获得被测件的视频信号。CCD转移脉冲、复位脉冲、视频信号和二值化信号的输出波形如下图所示。视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收光强的强弱，信号输出的时序则对应光敏区位置的顺序。对视频信号进行二值化处理后，得到矩形波的宽度即与被测工件的一维尺寸成正比。再用单片机系统对矩形波进行处理，即可显示被测件的尺寸大小。2、中尺寸的测量下图表示在透镜前方距离a处置有一被测物，其未知长度尺寸为L，透镜后方距离b处置有线阵CCD传感器，该传感器总像素数目为N。首先借助光学成像法将被测物未知长度L成像在线阵CCD传感器上，此时该焦点面的输出信号是最强的。若照明光源由被测物方向从左向右发射，在整个视野范围D内，将有L部分被遮挡，相应地，在线阵CCD传感器上只有N1、和N2两个部分暴光，与其相应的像素数我们也定义成N1、和N2，根据简单的相似三角形的关系， 我 们可以得出：L/D=(N-(N1+N2)/N其中D我们可以在系统调整完毕后由a、b及已知的N求出：D/a=N/b所以，L=(N-(N1+N2)*a/b对不同尺寸的工件，线阵CCD传感器测出不同的N1和N2。3、微小尺寸的测量微小尺寸测量时存在着一个问题，即如果被测件尺寸很小，如被测量尺寸在10一500um之间，当采用激光、LED或者白炽灯对被测件进行照射时，由于尺寸过于微小，经过光学系统成像后，往往会发生衍射现像，使得成像在CCD靶面上的影像不能正确反映被测量的实际尺寸，如果还是按照上述的方法进行数据信号处理则行不通。为此，可以将激光光源经过光学系统照射微小件(以细丝为例)后成像在线阵CCD靶面上，建立被测量尺寸与线阵CCD视频输出信号经过衍射后的函数关系，从而实现对微小尺寸的高精度测量，如下图示在上图中，当满足远场条件L(L为被测细丝到CCD靶面上的距离，d为细丝直径，x为激光波长)时，根据夫琅和费衍射公式可得到: d=K/sin (1)式(1)中:K=士1，2，n。为被测细丝到第K级暗纹的连线与光线主轴的夹角。细丝经过衍射成像在CCD靶面上后，信号输出如图4所示，当B很小时，即L足够大时，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，表示暗纹周期，则细丝直径d的测量转化为用线阵CCD来测量暗纹周期S。4、大尺寸的测量（1）采用CCD拼接技术测量法在显微镜下将线阵CCD首尾拼在一起，实现机械拼接，这种方法工艺简单，易于实现。但是，由于线阵CCD器件的两端各有若干个虚设备单元，而且，商品化的CCD器件除了虚设单元外，还有其他电路、引线和封装结构，使得机械拼接不可能使两个线阵CCD的有效像元首尾完全搭接成一条直线，总是存在的搭接间隙，但其在大尺寸、高精度测量方面仍具有重要意义。如图3所示，成像CCD由CCD1和CCD2经过机械拼接而成。设N1、N2分别为被测件的像遮挡的CCD1、图3CCD2部分插入计数脉冲的脉冲数，H为CCD1、CCD2之间的拼接距离，s为脉冲当量，L为被测尺寸，为透镜放大倍数，则：L=(N1+N2)s+H/（2）当被测工件尺寸足够大，而采用拼接CCD不能实现测量时，可以采用边缘检测原理实现大尺寸测量目的。具体是采用两套CCD测量系统实现大尺寸工件边缘测量，然后将两套CCD测得的边缘位置与两CCD相对位置值综合起来，得出被测工件尺寸。通过改变两CCD之间的距离，来实现可变大尺寸测量。设CCD1和CCD2计数器计数脉冲个数分别为1、N2，脉冲当量为s1、s2;两CCD边缘距离为H，则被测工件尺寸L为:L=H-(N1s1+N2s2)误差分析：由式(12)可得测量误差为:L=H-(s1N1+s1N1+s2N2+s2N2)其中H由移动两CCD的运动部件决定。5、光源解决方案由于CCD本身的感光单元有一定间距，又有光源的变化、衍射和外界干扰等影响，使照在CCD上的物像不能由暗直接转化为亮而是有个缓慢的过渡区。利用上述方法测尺寸是，不可避免地要解决一个问题：平行光的获得。其中，测微小尺寸时，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，需要扩束器扩束后，用光阑去中间光强分布较均匀部分，可以近似为平面光。测中、大尺寸时，需要良好的平行光源，可以由下述方法获得。如下图所示，本照明系统以一个大功率LED为照明光源，发光二极管作为照明光源，由于它具有体积小、重量轻、光源单色性好、发光亮度、发光效率高、亮度便于调整等优点。发光二极管LED发出的光经过一片双胶合透镜Ll会聚到于一点FF点恰好为透镜L2的物方焦点，扩展成为所需要的平行光照射到待测器件上，经成像系统(成像物镜L3和光阑组成)成像于CCD上，形成阴影。6、信号的提取（1）信号提取流程基于照射光强变化时，表示被测件影像的凹部不变的原理，设计出图所示的信号提取电路原理框图，图下为相应的主要波形实现该电路的关键点一是微分电路的实现，二是如何从过零触发输出而得二值化信号。（2）二值化处理二值化处理是将每个脉冲与一个判定值相比，大于该判定值则为1，小于则为0。在该系统中，0信号表示被遮挡的CCD部分，即反应物体尺寸的部分；1表示未被遮挡部分，也即光源直接照射部分。将信号二值化，单片机就可以直接“数”出被遮挡光敏单元，可以依照定标值（方法见CCD尺寸测量系统）算出被测尺寸。一般误差是一个光敏单元，即一个脉冲。固定阈值法是一种最简单的二值化处理，将CCD输出的视频信号送入电压比较器的同相输入端电压比较器的反相端加上可调的电平，构成固定阈值二值化电路。当CCD视频信号的幅值大于阈值电压时比输出的是二值化方波信号。调节阈值电压，方波脉冲前后沿将发生移动脉冲的宽度发生变化。（3）微分电路对于微分电路，输出幅度随输入频率的增加而线性增加，因此电路对高频噪声特别敏感，以致噪声可能完全淹没微分信号。其次，考虑基本微分电路的RC环节对反馈信号具有滞后作用，它和集成运放内部电路的滞后作用合在一起，在RC参数选择不当时，会引起自激振荡。实用的微分电路如下图所示，加一小电阻R1与微分电容C1串联，提高电路抗干扰的能力，Cf与Rf并联，起相位补偿作用。为了提高输入阻抗，微分电路所用运放选为FET型器件。三、结论本文介绍了一些利用线阵CCD图像传感器作为测量元件，用CCD来测量物体尺寸的方法。当我们所需测量的尺寸范围不同时，应该选用不同的测量方法。本文介绍了微小尺寸、中等尺寸、大尺寸物体的测量方法，虽然有差别，但本质都是一样的，都是通过光照，将物体的尺寸信息通过CCD所在面的光场分布蕴含在CCD的光敏单元之中，二值化后，0值代表被遮部分，1值代表未被遮光部分，检测误差在一个像素单元范围内。，通过采用不同像素的CCD或者不同的光学系统可以获得不同的精度等级。随着微机技术的日益普及，采用单片机等数据采集系统，具有对被测信息进行快速采样、存储及数据处理等多项功能。本文还介绍了信号处理过程中的二值化方法和微分电路的实现，以及为获得均匀的平行光而提出的光源解决方案。用CCD测量尺寸的方法具有高精度、高速度、操作简单、稳定可靠等优点，在实际生产检测中具有较大的应用价值。四、