第三节光电阵列器件在检测中的应用

1、第三节 光电阵列器件在检测中 O的应匸丿 光电阵列器件包括光电二极管阵列、光电 三极管阵列和CCD成像器件。它们都具有 图像传感功能，可能广泛的应用与摄像、 信号检测等领域。如前所述，这些光敏阵 列器件有线列和面列两种，线列能传感一 维的图像，面列则可以传感二维的平面图 像，它们各具有不同的用途。下面介绍它 们在检测中的几种典型应用。一、尺寸检测在自动化生产线上，经常需要进行物体尺 寸的在线检测。例如零件的尺寸检测、轧 钢厂钢板宽度的在线检和控制番。矯用光 电阵列器件，既可以实现物体尺寸的高精 度非接触检测。1 微小尺寸的检测微小尺寸的检测通常用 于对微隙、细丝或小孔的尺寸进行检测。 例如，在

2、游丝轧制的精密机械加工中，要 求对游丝的厚度进行精密的在线检和控制。 而游丝的厚度通常只有1020如 对微小尺寸的检测一般采用激光衍射的方 法。当激光照射细丝或小孔时，会产生衍 射图像，用阵列光电器件对衍射图像进行 接收，测岀暗条纹的间距，既可以计算出 此丝或小孔的尺寸。对于细丝尺寸检测的结构如图523所示。1辽卫一心乂来面3三；刊江敦活佯由于He-Ne激光器具有良好的单色性和方向 性，当激光器照射到细丝时，满足远场条 件，在L«b2/A时，就会得到夫琅和费 衍射图像，由夫琅和费衍射理论及互补定 理和推导岀衍射图像暗条纹的间距d为LA(5-14)式中，L为细丝到接收光敏阵列器件的距离

3、; 为入射激光波长；日为被测细丝直径。用线列光电器件将衍射光强信号转换为脉 冲电信号，根据两个幅值为极小值之间的 脉冲数N和线列光电器件单元的间距，既可 以算岀衍射图像暗条纹之间的间距dd NL(5-15)根据式(5-14)可知，被测细丝的直径a为L2 L2(5-16)a =d Nl 由于各种光电阵列器件都存在噪声，在噪 声影响下，输出的信号在衍射图形暗纹峰 值附近有一定的失真，从而会影响检测精 度。减小噪声影响，提高检测精度的方法 一般有以下几种多次平均。由于噪声具有随机性，因此 可通过多次采样平均的方法来减小噪声的 影响。信号的参索米样和平均可由徹型计 算机方便的完成。曲线拟合法。用微型计

4、算机控制对输出 信号进行同步采样，用最小二乘法对采得 的数据进行多项是曲线拟合，在求得拟合 曲线的峰值点坐标为衍射图形的暗点位置 来计算待测细丝直径。曲线拟合法可大大 减小随机因素的影响，使测量精度有明显 的提高，并且曲线拟合法还有一个明显的 好处就是分辨率不受阵列单元尺寸的限制。多暗点位置拟合法。由于线列光电 器件较长时，一次采样可以接收到几 个暗纹，因此可对测出的多个暗纹峰 值间距值用最先二乘法处理，最后算 得直径。该方法也可以有效地减少随 机噪声的影响。降低器件使用的温度以减小器件本身的 噪声。利用上述同样的原理也可以检测小孔的直 径，所不同的是激光在透过小孔时，得到 的夫琅和费衍射图像

5、为环状条纹。用线列 光电器件检测出衍射图像暗纹的间距，既 可求岀小孔的直径。CCD线列成像器件的 测量范围一般为105000 ,精度可达 到几百纳米量级左右。2.小尺寸的检测 所谓小尺寸的检测是指侍 测体的尺寸可与光电阵列器件的尺寸相比 拟的场合。小尺寸物体检测的系统结构如 图524所示。壬十示區5-24力、尺寸#了佑宽空为拴淀奈统2盈绞透饪3歿丸器件宽度为W的待测物体放在左边，由图示以简 单透镜代表光学系统将物体成像在线列光 电器件上。光电阵列中被物象遮住的部分 和受光照部分的光敏单元输岀应有显著的 区别，可以把它们的输出看成“0” “1” 信号。通过对输出为“ 0 ”的信号进行计 数，既可

6、检测出物象的宽度。假设物体覆盖的光敏单元有N个，光敏单元的间距为/ ,则物象的宽度W'为W'=NI(5-1 7 )如果光学成像系统的放大率为K,则被测 物体的实际宽度为K K （5-18） 当成像比例KV1时，可以剪下由于阵列 器件分辨率带来的误差，但此时，光电阵 列器件能够测量的物体最大尺寸将减小。在实际应用时，信号的检测并没有这样方 便，因为在物象边缘明暗交界处，实际光 强是连续变化的，而不是理想的阶跃跳变。 加上光电阵列器件的调制传递函数在高频（图像的空间频率）处要衰减。因此，阵列器件的输出信号的包络线有一 定的阶梯，而不是一跳跃信号（图5-2 5 b ） o要求出图像的

7、正确边沿位置，必 须对输岀信号作适当的处理。处理方法如 图5 2 5 a所示。参老电宁B>22 525 比软鉉形法测公原理> ) 竺站殆沟.b >倍号谨珍 现将输出的脉冲调幅信号经低通滤波器输 出送入比较器与适当的参考点平相比较， 使输岀为标准的“ 0 ” “ 1 ”信号，在低 电平期间对计数脉冲进行计数，便可由计 数脉冲当量和所计数值计算出被测体象的 宽度W' o这种测量方法的信号处理可全 部用硬件实现。信号处理的另一种方法是采用微分法，其原理如图5 26所不。:萍列： 適泄汝； r 汁妝昱示!' 因为在被测对象的真实边沿处，器件输出 脉冲的幅度具有最大的变

8、化斜率，因此， 若对低通滤波器的输出进行微分处理，则 得到的微分脉冲峰值点坐标极为物体的边 沿点，如图5 - 2 6 b所示。用这两个微 分脉冲作为计数器的控制信号，在两个脉 冲峰值期间对计数脉冲进行计数，既可测 出物体的宽度。冬5-25 放rr左刊泄净淫a) H藩结沟 K =碍反壬以上处理过程可以由硬件模拟电路完成， 也可以用数字信号处理的方法完成。将阵 列的输岀经采样保持后，由微型计算机控 制A/D转换器进行同步采样，将采得的 数据由计算机处理后得出结果。采用数字 处理的方法可以省去滤波、微分等模拟环 节，使检测精度和可靠性得到提高，并且 还可以方便的实现控制功能。但采用数字 处理后，实时

9、性要受到一些影响。3 大尺寸的检测 所谓大尺寸的检 测是指被测宽度比阵列器件长度大得多的 情况。对于大尺寸物体的检测可采用两个 线列光电器件，其结构见图5-2 7O田427丈尺申林的題检觴统1_安渕庐Y逢3线列吒软裁件图5-28犬尺寸龙翹训系统两个光电线列器件以固定的距离分开放置, 被测体通过两个透镜代表的光学系统分别 成像在两个线列内侧，线列的外侧将有一 部分光敏单元被物象遮住。根据两个线列 中被遮住的光敏单元的总数、两个线列的 尺寸及放置距离、光学系统的放大倍数既 可求得被测体的尺寸。采用两个线列器件进行检测还有一个优点, 即被测体的位置在垂直方向上有所变化时 不会影响测量精度。因为只要光

10、边缘未达 到阵列末端时，物体遮住的光敏单元总数 是不变的。图5-2 8示出了基本测量系统框图。测 量时同时对两个线列光电器件进行扫描， 将输岀信号进行滤波整形后，控制计数器 在比较器输岀为低电平时对脉冲计数，根 据两个计数器的计数之和便可确定出被错 物体的尺寸。该系统可广泛的应用于许多场合，例如轧 钢厂钢板的宽度、锯木厂原木的长度或直 径、钢铁厂钢管的直径等地在线检测其他 构件的定位等。4 物体轮廓尺寸的检测阵列器件除 了可以测量物体在一维尺寸外，还可以用 于检测物体的形状、面积等参数，以实现 对物体的形状识别或轮廓尺寸校验。轮廓 尺寸的检测方法有两种：一种是投影法， 如图5 2 9 a所示。

11、4光源发岀的平行光经透明的传送带照射所 测物体，将物体轮廓投影在光电阵列器件 上，对阵列器件的输出信号进行处理后即 可得到被测物体的形状和尺寸。另一种检 测方法是成像法，如图5-29 b所示。通过成像系统将被测工件成像在光电阵列 上同样可以测岀物体的尺寸和形状。投影法的特点是图像清晰，信噪比高，但 是需要设计一个产生平行光的光源。成像 法不需要专门的光源但被测体要有一定的 辉度，并且需要设计成像光学系统。用于轮廓尺寸检测的光电阵列器件可以是 线列，也可以是面列。在用线列器件时， 传送带必须以恒定白6速度橋逹工作，弄向 阵列器件提供同步检测信号，由线列器件 一彳亍一彳亍的右描，知物彳牛完全经过后

12、得知 一幅完整的图像输岀。采用面列器件时， 只需要进行一次“曝光”。并且，只要物象不超出面列的边缘，则检 测精度不少物体与阵列器件之间的相对位 置的影响。因此，采用面列器件时不仅可 以提高检测速度，且检测精度也比用线列 器件高很多。、表面缺陷检测在自动化生产线上，经常需要对产品的表 面质量进行检测，以作为产品质量检测的 一个方面，或者作为控制的反馈信号。采 用光电阵列器件进行物体表面检测时，根 据不同的检测对象，可采用不同的方法。1 透射法透明体的缺陷检测常用于 透明胶带、玻璃等拉制生产线中。检测方 法可用透射法，如图5 3 0所示。LS3-30 违明片的訣陷检测1 纹丸先电希件 2圧爼总锂3

13、 桜活立住 4光定它类似于物体轮廓尺寸的检测，用以平行 光照射被测物体，透射光有带成像系统的 线列光电器件接收，当被测物体以一定的 速度经过时，线列进行连续的扫描。若被 测物体中存在气泡、针孔或杂物时，线列 的输岀将数据进行适当的处理即可进行质 量校验或发出控制信号。该方法还可应用 于非透明体入磁带上的针孔检测。羸构躋L畀常行表面缺陷检测光源发岀的光照射被测体表面，反射光经 成像系统成像到线列光敏器件上。被测体 表面若存在划痕或疵点将由阵列器件检出。 若检测环境有足够的亮度，则可以不用光 源照明，直接用成像系统将被测物体表面 成像在光电阵列上。图5-3 2示出了用成像法检验零件表面 质量的系统

14、结构，用两个线列器件同时监 视一对零件。假设在两个零件表面的相同位置不可能出 现相同的疵点，则可以将两个阵列的输出 进行比较，若两个阵列的输出岀现明显的 不同，则说明两个零件中至少有一个零件 表面存在疵点。实际应用中可将两个阵列 的输出用比较起比较，若比较器的输出超 过某一阀值，则说明被检测的一对零件中 至少有一个表面质量不符合要求。在需要照明的检测场合，理想的光源是发 光均匀的直流光源，但是直流光源需要大 功率的直流电源。因此，也可采用交流供 电的磚光源来代替直流光源，此时，应在 阵列的输岀信号后面加上滤波器，以滤掉 5 0 Hz的光强变化。表面缺陷检测系统的分辨率取决于缺陷与 背景之间的反

15、差及成像系统的分辨率和阵列象元的间距。假设缺陷周围图像间有明 显的反差，则一般要求缺陷图像应至少覆 面的划痕或疤痕，能否检出取决于划痕与 周围金属的镜面反射特性的差异程度。如 果要检出的最小缺陷宽度为04mm,成像 系统放大率为2倍，则要求阵列器件的光敏 单元间距应该小于0. 1 mmo盖两个光敏单元。假如,要检测出铝带上三、光电阵列器件的其他应用1.干涉图形的检测 激光干涉现象已广泛 的应用于检测领域。在激光干涉测量中， 必须对干涉图形进行精确的测量。例如干 涉条纹的移动计数，条纹间距的测量，干 涉光强的相位变化等。传统的手工测量的 方法不仅结构复杂、读数慢，而且还会引 入读数误差。利用阵列

16、光电器件，可以方 便的实现干涉图像的高速精密检测，配以 微型计算机对信号进行处理，可获得干涉 图形中的各种信息。利用光敏阵列器件对干涉图形检测的系统结构如图533所示。 条纹移动计数是干涉测长中的常用的技术。 对于单纯的条纹计数，利用单个光电器件 即可完成。但采用了阵列器件后，可以方 便的实现电子细分，使系统分辨率得以提 高。并且，根据干涉图像上各点的强的变 化，还可以计算出干涉系统的相位变化大 小和极性。绅产生 扫益电路涉图彩A/D饕按同步采A/D饕按同步采耶由疚 « «*<*»<图5 - 3 3涉图形检测系统结构示意图透垃z萍列上电希件某些干涉系统

17、需要检测干涉条纹的间距， 例如在全息干涉测量和角度干涉测量等场 合。此时，只要对阵列的输出信号进行处 理，计算岀相邻两个峰值电平之间的间距, 即可得岀条纹的间距。对于输出信号有较 大噪声的情况下，可以采用与前面所述的 微小尺寸检测中相类似的数据处理的方墓 来提高检测精度。2.光学字符识别和图像传真 光电阵列 器件的另一大应用时字符识别和图像传真o 将线列光电器件配上光学镜头后即可构成 阵列摄像头。摄像头可以将需要识别的字 符在垂直方向成像在光电线列器件上，如 图5-34所示，至"3：亡吒敏并列鬆件为戒笊 光学字後识别系统 配合摄像头在水平方向上的移动，便可以 实现字符的扫描输入。将阵

18、列的输出送到 识别逻辑电路，将信号转变成计算机能识 别的代码。计算机将接收到的代码与禹存 的字库相比较，就可以完成标准字体铅字 的识别。该系统可以成功的应用于邮政编 码的识别等应用场合。图5-35为邮政编码识别系统框图。 臣迂电略 二A號掠该这亡识空糸统耗門2 计兴士二一佟辽：:？3.74弐头 5巧兀站件写有邮政编码的信封放在传送带上，光电 阵列器件中光敏元的排列方向与信封运动 方向相垂直，光学镜头把编码的数字聚焦 在光敏单元上。当信封运动时，成象器即 以逐行扫描的方式把数字依次读出。读出 的数字经过细化处理，然后于计算机中存 储的个数字特征进行比较，最后识别岀数 字。根据识别岀的数字，利用计算机去控制一 个分类机构，把信件送入相应的分类箱中。 类似的系统可以用于货币的识别、分类以 及商品编码牌的识别。此外，还可用于汉 字输入系统和传真等。为了保证图像的清 晰度，必要时可以外加光源，对被扫描的 图像进行照明。3 安全防盗