國外CCD檢測技術在工業(yè)中的應用與發(fā)展
電荷耦合器件(Charge Couple Device,CCD)是一種以電荷為信號載體的微型 圖像傳感器,具有光電轉換和信號電荷存儲、轉移及讀出的功能,其輸出信號通常是符合電 視標準的視頻信號,可存儲于適當?shù)慕橘|或輸入計算機,便于進行圖像存儲、增強、識別等處理[1]。
自CCD于1970年在貝爾實驗室誕生以來,CCD技術隨著半導體微電子技術的發(fā)展而迅速發(fā)展,CCD傳感器的像素集成度、分辨率、幾何精度和靈敏度大大提高,工作頻率范圍顯著增加,可高速成像以滿足對高速運動物體的拍攝[2],并以其光譜響應寬、動態(tài)范圍大、靈敏度和幾何精度高、噪聲低、體積小、重量輕、低電壓、低功耗、抗沖擊、耐震動、抗電磁干擾能力強、堅固耐用、壽命長、圖像畸變小、無殘像、可以長時間工作于惡劣環(huán)境、便于進行數(shù)字化處理和與計算機連接等優(yōu)點,在圖像采集、非接觸測量和實時監(jiān)控方面得到了廣泛應用,成為現(xiàn)代光電子學和測試技術中最活躍、最富有成果的研究領域之一[1,3]。
1 CCD傳感器的檢測原理
CCD是由光敏單元、輸入結構和輸出結構等組成的一體化的光電轉換器件,其突出特點是以電荷作為信號載體,其基本工作原理見文獻[4,5]。當入射光照射到CC D光敏單元上時,光敏單元中將產生光電荷Q,Q與光子流速率Δn 0、光照時間TC、光敏單元面積A成正比,即:
Q=ηqΔn0ATc(1)
其中η為材料的量子效率;q為電子電荷量。CCD圖像傳感器的光電轉換特性如圖1 如示,其中橫坐標為照度,lx.s;縱坐標為輸出電壓,V0在非飽和區(qū)滿足:
f(s)=d1sτ+d2(2)
式中,f(s)為輸出信號電壓(V);s為曝光量(lx.s);d1為直線段的斜率(V/lx.s),表示CCD的光響應度;τ為光電轉換系數(shù),τ≈1;d2為無光照時CCD的輸出電壓,稱為暗輸出電壓。特性曲線的拐點 G所對應的曝光量SE稱為飽和曝光量,所對應的輸出電壓VSAT稱為飽和輸出電壓。曝光量高于SE后,CCD輸出信號不再增加,可見,CCD圖像傳感器在非飽和區(qū)的光電轉換特性接近于線性,因此,應將CCD的工作狀態(tài)控制在非飽和區(qū)。 2 CCD的應用狀況
CCD檢測技術作為一種能有效實現(xiàn)動態(tài)跟蹤的非接觸檢測技術,被廣泛應用于尺寸、位移、表面形狀檢測和溫度檢測等領域。
2.1尺寸測量
由CCD傳感器、光學成像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)構成的尺寸測量裝置,具有測量精度高、速度快、應用方便靈活等特點,是現(xiàn)有機械式、光學式、電磁式測量儀器所無法比擬的。在尺寸測量中,通常采用合適的照明系統(tǒng)使被測物體通過物鏡成像在CCD靶面上,通過對CCD輸出的信號進行適當處理,提取測量對象的幾何信息,結合光學系統(tǒng)的變換特性,可計算出被測尺寸[2]。
2.1.1零件尺寸的精確測量
1997年,J.B.Liao[6]等將CCD攝像系統(tǒng)應用在三維坐標測量機(Coordinate Meas uring Machine,CMM)上,實現(xiàn)了三維坐標的自動測量。他們將一個面陣CCD安裝在與CMM的3個軸線都成45°角的固定位置,通過計算機視覺系統(tǒng)與CMM原來的控制系統(tǒng)連接來控制探頭和工件的移動,以此探測探頭和工件的三維位置。該方法不需要對原CMM系統(tǒng)進行改變,只要將CCD視覺系統(tǒng)連入原有的測量機即可。由于測量系統(tǒng)中只用一個面陣CCD,從而簡化了測量系統(tǒng)結構,降低了系統(tǒng)成本,減小了因手工操作引起的誤差,提高了測量效率,并能避免單獨使用CCD測量時,因光衍射而造成的邊緣檢測誤差,可用于工件三維尺寸的精確測量。但該方法需要對工作環(huán)境和工件形狀具有一定的先驗知識,使其應用范圍受到較大限制。為此,V.H.Chan和C.Bradley等人[7]提出了一種利用復合傳感器的自動測量方法。該方法將黑白CCD和坐標探頭一同安裝在CMM的Z軸工作臂的末端,探測前先由C CD在工件的前后左右和上方對工件成像,并通過基于神經(jīng)網(wǎng)絡的立體配對算法確定工件表面位置和面積,從而決定探頭的探測路徑。該方法的智能程度較高,可高效測量形狀復雜工件的三維尺寸,并可根據(jù)測量數(shù)據(jù)構造工件的CAD模型,但計算復雜,需要使用運算速度快、內存容量大的計算機,且算法立體匹配精度有待提高。
以上測量系統(tǒng)雖然因引入CCD技術而得到明顯改進,但仍屬于接觸式測量,無法準確測量某些彈性和軟性工件。最近,P.F.Luo等人[8]用CCD攝像頭代替CMM的探頭,結合激光 測距技術實現(xiàn)了對一維尺寸的非接觸精確測量。該方法采用了亞像素精度檢測技術,利用激光測距器進行距離校正,有效地提高了檢測精度,其精確測量范圍為1~300 mm,但這種方法只能測量一維尺寸。P.F.Luo等認為該系統(tǒng)經(jīng)改進后可實現(xiàn)二維尺寸的精確測量,因工作臺滑動引起振動而導致的數(shù)據(jù)波動也能被有效減小,但尚未見到成功的實例。
2.1.2微小尺寸的測量
為檢測BGA(ball grid array,球珊陣列)芯片的管腳高度是否共面,美國RVSI公司研制出一種基于激光三角法的單點離線檢測設備[1]。該設備每次只能測量1個管腳,測量速 度慢,無法實現(xiàn)在線測量。1999年,Kim,Pyunghyun[9]等人提出了一種新的立體測 量方法。該方法用激光線源照射到芯片管腳上,被照亮的管腳圖像經(jīng)由互成一定角度的兩套CCD攝像系統(tǒng)采集后,輸入計算機進行立體匹配,利用透視變換模型和坐標變換關系,計算 出管腳高度和縱向間距,再使被測芯片在步進電機的帶動下做單向運動,從而實現(xiàn)三維尺寸測量,并引入電容測微儀實時監(jiān)測工作臺位置變動,進行動態(tài)誤差補償,有效減小了因振動造成的誤差。2001年,C.J.Tay,X.He[10]等人利用圖像識別和數(shù)字相關等技術簡化了計算過程,使得只需幾秒鐘便可計算上百個管腳的高度,從而有效地提高了檢測系統(tǒng)的實用性。最近,C.J.Tay[11]等根據(jù)被傾斜光照射的物體的像與影之間的固有關系,提出了一種基于光學陰影簡便測量BGA管腳高度的方法。該方法利用激光對被測芯片的管腳進行傾斜照射以產生管腳陰影,管腳及其陰影由帶遠焦顯微鏡的CCD相機采集后,輸入計算機,由計算機軟件根據(jù)影和像的相互關系計算出管腳高度,筆者提出了兩種簡潔的計 算方法,可避免因光衍射而造成的邊緣檢測誤差,計算簡單快速,但要求高精度的機械定位裝置,且每次只能檢測幾個管腳,而且對芯片平整度和檢測環(huán)境要求很高,還需要進一步改進后才能實用化。
近年來,將CCD技術和莫爾條紋、數(shù)字全息、電子斑點干涉等技術相結合以精確測量微小尺寸的技術正成為一種具有很大潛力的研究發(fā)展方向[12]。 電荷放大器相關文章:電荷放大器原理
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