國(guó)外CCD檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展
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電荷耦合器件(Charge Couple Device，CCD)是一種以電荷為信號(hào)載體的微型 圖像傳感器，具有光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)電荷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移及讀出的功能，其輸出信號(hào)通常是符合電 視標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)，可存儲(chǔ)于適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)或輸入計(jì)算機(jī)，便于進(jìn)行圖像存儲(chǔ)、增強(qiáng)、識(shí)別等處理［1］。
自CCD于1970年在貝爾實(shí)驗(yàn)室誕生以來，CCD技術(shù)隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)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(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的拍攝［2］，并以其光譜響應(yīng)寬、動(dòng)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(dòng)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、堅(jiān)固耐用、壽命長(zhǎng)、圖像畸變小、無殘像、可以長(zhǎng)時(shí)間工作于惡劣環(huán)境、便于進(jìn)行數(shù)字化處理和與計(jì)算機(jī)連接等優(yōu)點(diǎn)，在圖像采集、非接觸測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)控方面得到了廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代光電子學(xué)和測(cè)試技術(shù)中最活躍、最富有成果的研究領(lǐng)域之一［1，3］。
1 CCD傳感器的檢測(cè)原理
CCD是由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等組成的一體化的光電轉(zhuǎn)換器件，其突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)載體，其基本工作原理見文獻(xiàn)［4，5］。當(dāng)入射光照射到CC D光敏單元上時(shí)，光敏單元中將產(chǎn)生光電荷Q，Q與光子流速率Δn 0、光照時(shí)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(zhuǎn)換特性如圖1 如示，其中橫坐標(biāo)為照度，lx.s；縱坐標(biāo)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(hào)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(yīng)度；τ為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，τ≈1；d2為無光照時(shí)CCD的輸出電壓，稱為暗輸出電壓。特性曲線的拐點(diǎn) G所對(duì)應(yīng)的曝光量SE稱為飽和曝光量，所對(duì)應(yīng)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(hào)不再增加，可見，CCD圖像傳感器在非飽和區(qū)的光電轉(zhuǎn)換特性接近于線性，因此，應(yīng)將CCD的工作狀態(tài)控制在非飽和區(qū)。
CCD檢測(cè)技術(shù)作為一種能有效實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤的非接觸檢測(cè)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于尺寸、位移、表面形狀檢測(cè)和溫度檢測(cè)等領(lǐng)域。
2.1尺寸測(cè)量
由CCD傳感器、光學(xué)成像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)構(gòu)成的尺寸測(cè)量裝置，具有測(cè)量精度高、速度快、應(yīng)用方便靈活等特點(diǎn)，是現(xiàn)有機(jī)械式、光學(xué)式、電磁式測(cè)量?jī)x器所無法比擬的。在尺寸測(cè)量中，通常采用合適的照明系統(tǒng)使被測(cè)物體通過物鏡成像在CCD靶面上，通過對(duì)CCD輸出的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)處理，提取測(cè)量對(duì)象的幾何信息，結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)的變換特性，可計(jì)算出被測(cè)尺寸［2］。
2.1.1零件尺寸的精確測(cè)量
1997年，J.B.Liao［6］等將CCD攝像系統(tǒng)應(yīng)用在三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(Coordinate Meas uring Machine，CMM)上，實(shí)現(xiàn)了三維坐標(biāo)的自動(dòng)測(cè)量。他們將一個(gè)面陣CCD安裝在與CMM的3個(gè)軸線都成45°角的固定位置，通過計(jì)算機(jī)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(dòng)，以此探測(cè)探頭和工件的三維位置。該方法不需要對(duì)原CMM系統(tǒng)進(jìn)行改變，只要將CCD視覺系統(tǒng)連入原有的測(cè)量機(jī)即可。由于測(cè)量系統(tǒng)中只用一個(gè)面陣CCD，從而簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(cè)量效率，并能避免單獨(dú)使用CCD測(cè)量時(shí)，因光衍射而造成的邊緣檢測(cè)誤差，可用于工件三維尺寸的精確測(cè)量。但該方法需要對(duì)工作環(huán)境和工件形狀具有一定的先驗(yàn)知識(shí)，使其應(yīng)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(fù)合傳感器的自動(dòng)測(cè)量方法。該方法將黑白CCD和坐標(biāo)探頭一同安裝在CMM的Z軸工作臂的末端，探測(cè)前先由C CD在工件的前后左右和上方對(duì)工件成像，并通過基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的立體配對(duì)算法確定工件表面位置和面積，從而決定探頭的探測(cè)路徑。該方法的智能程度較高，可高效測(cè)量形狀復(fù)雜工件的三維尺寸，并可根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)造工件的CAD模型，但計(jì)算復(fù)雜，需要使用運(yùn)算速度快、內(nèi)存容量大的計(jì)算機(jī)，且算法立體匹配精度有待提高。
以上測(cè)量系統(tǒng)雖然因引入CCD技術(shù)而得到明顯改進(jìn)，但仍屬于接觸式測(cè)量，無法準(zhǔn)確測(cè)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(jié)合激光 測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)一維尺寸的非接觸精確測(cè)量。該方法采用了亞像素精度檢測(cè)技術(shù)，利用激光測(cè)距器進(jìn)行距離校正，有效地提高了檢測(cè)精度，其精確測(cè)量范圍為1～300 mm，但這種方法只能測(cè)量一維尺寸。P.F.Luo等認(rèn)為該系統(tǒng)經(jīng)改進(jìn)后可實(shí)現(xiàn)二維尺寸的精確測(cè)量，因工作臺(tái)滑動(dòng)引起振動(dòng)而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)波動(dòng)也能被有效減小，但尚未見到成功的實(shí)例。
2.1.2微小尺寸的測(cè)量
為檢測(cè)BGA(ball grid array，球珊陣列)芯片的管腳高度是否共面，美國(guó)RVSI公司研制出一種基于激光三角法的單點(diǎn)離線檢測(cè)設(shè)備［1］。該設(shè)備每次只能測(cè)量1個(gè)管腳，測(cè)量速 度慢，無法實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。1999年，Kim,Pyunghyun［9］等人提出了一種新的立體測(cè) 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(jì)算機(jī)進(jìn)行立體匹配，利用透視變換模型和坐標(biāo)變換關(guān)系，計(jì)算 出管腳高度和縱向間距，再使被測(cè)芯片在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下做單向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)三維尺寸測(cè)量，并引入電容測(cè)微儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作臺(tái)位置變動(dòng)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償，有效減小了因振動(dòng)造成的誤差。2001年，C.J.Tay,X.He［10］等人利用圖像識(shí)別和數(shù)字相關(guān)等技術(shù)簡(jiǎn)化了計(jì)算過程，使得只需幾秒鐘便可計(jì)算上百個(gè)管腳的高度，從而有效地提高了檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)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(guān)系，提出了一種基于光學(xué)陰影簡(jiǎn)便測(cè)量BGA管腳高度的方法。該方法利用激光對(duì)被測(cè)芯片的管腳進(jìn)行傾斜照射以產(chǎn)生管腳陰影，管腳及其陰影由帶遠(yuǎn)焦顯微鏡的CCD相機(jī)采集后，輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)影和像的相互關(guān)系計(jì)算出管腳高度，筆者提出了兩種簡(jiǎn)潔的計(jì) 算方法，可避免因光衍射而造成的邊緣檢測(cè)誤差，計(jì)算簡(jiǎn)單快速，但要求高精度的機(jī)械定位裝置，且每次只能檢測(cè)幾個(gè)管腳，而且對(duì)芯片平整度和檢測(cè)環(huán)境要求很高，還需要進(jìn)一步改進(jìn)后才能實(shí)用化。
近年來，將CCD技術(shù)和莫爾條紋、數(shù)字全息、電子斑點(diǎn)干涉等技術(shù)相結(jié)合以精確測(cè)量微小尺寸的技術(shù)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(guān)文章:電荷放大器原理
評(píng)論