光电成像器件原理与应用课程设计

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2015年10月

基于固体光电成像器件的异性工件几何尺寸

测量方法研究

摘要：本文对固体成像器件进行了介绍及分类，归纳了一些最新的研究成果，并且对于CCD的原理进行了描述，讨论利用线阵CCD图象测量方法。配备Z、Y二维运动工作台及绕Z轴回转数显工作台,对异形回转体工件进行尺寸测量 ,并给出了试验结果。最后对固体成像器件的应用前景和发展趋势进行了预测。

关键词：固体成像；线阵CCD；原理；异形工件测量

Geometrical dimensions of the workpiece based on solid optical imaging device

Measurement method research

SUNXu-guang

College of science,HEU

Abstract:In this paper, the solid imaging device are introduced and classified, summed up some of the latest research results, and on the principle of CCD is described, using linear CCD image measurement method. Equipped with Z, Y two-dimensional motion workbench and around the Z axis rotation digital display table, the abnormity of rotors workpiece size measurement, and gives the test results. Finally, the solid imaging device application prospect and development trend is forecasted..

Keywords：Solid imaging; Linear CCD；Principle;Special-shaped workpiece measurement

1. 固体成像器件及CCD简介

1.1 固体成像器件的基本介绍

固体成像器件不需要在真空玻璃壳内用靶来完成光学图像的转换，再用电子束按顺序进行扫描获得视频信号；与真空成像器件不同，固体成像器件本身就能完成光学图像转换、信息储存和按顺序输出视频信号的全过程。固体成像器件总共分为两大类，分别为电荷耦合器件简称CCD和自扫描光电二极管列阵，简称SSPD，又称MOS图像传感器。

随着超大规模集成电路工艺的进展，CCD不仅研究水平不断提高，阵列元素不断增多，其性能越来越好，而且更重要的是CCD芯片的成品率不断提高，其价格大幅度下降，从而使CCD的应用领域不断扩大。现已取代摄像管，成为最常见的图像传感器。它可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。其显著特点是:1.体积小重量轻;2.功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长;3.灵敏度高，噪声低，动态范围大;4.响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像;5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品化生产成本低。

CCD今后的发展趋势是进一步微型化、高速、高灵敏度、多功能化。随着CCD性

能的进一步提高，价格进一步降低，应用领域会越来越大，将CCD用于测量、控制、摄影等方面的研究也会不断扩大。

1.2 CCD的基本工作原理

CCD的突出特点是以电荷作为信号，不同于其它大多数传感元件以电流或电压为信号，CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作基本过程是信号电荷的产生、存储、传输和测量。构成CCD的基本单元是SOS(金属一氧化物一半导体)结构。

图1.单个CCD栅极电压变化对耗尽区的影响

如图1所示，在栅极G施加正偏压Uc之前，P型半导体中空穴(多数载流子)的分布是均匀的。当栅极施加正偏压Uc(此时U。小于P型半导体的阂值电压U,h)后，空穴被排斥，产生耗尽层，如图2-8 (b)所示。偏压继续增加，耗尽层将进一步向半导体体内延伸。当Uc>Ucn时，半导体与绝缘体界面上的电势(常称为表面势)变得如此之高，以至于将半导体体内的电子(少数载流子)吸引到表面，形成一层极薄的但电势浓度很高的反型层，如图1-(c)所示。反型层电荷的存表明了hOS结构存储电荷的功能。然而，当栅极电压由零突变到高于阑值电压时，轻掺杂半导体中的少数载流子很少，不能立即建立反型层。在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸，而且，栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上。如果随后可以获得少数载流子，那么耗尽区将收缩，表面势下降，氧化层上的电压增加。

通过观察图2中CCD四个彼此靠得很近的电极，可以理解CCD中势阱及电荷如何从一个位置移到另一个位置。假定开始时有一些电荷存储在偏压为lOV的第一个电极下面的深势阱里，其他电极上均力[GI有大于I=}}值的较低电压。设图2(a)为零时刻。经过t，时刻后，各电极上的电压变为如图2(b)所示，第一个电极仍保持为IOV,第二个电极上的电压由2V变到 lOV，因这两个电极靠得很紧，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有，如图2(b)和图2(c)。若此后电极上的电压变为如图2(d)所示，第一个电极电压由lOV变为2V，第二个电极电压仍为lOV，则共有的电荷转移到第二电极下面的势阱中，如图2(e)。由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。

图2

由此原理，如果我们对A, B, C三相加以按时序变化的时钟脉冲电压，则电极下面的势阱也会按时序变化，电荷包也会从一端传送到另一端。最后通过一个反偏电压输出二极管收集电荷并送入一前置放大器。从上述原理可见，CCD器件就是一个移位寄存器。它需要用光学成像系统将景物图像成在CCD的像敏面上。像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子密度信号存储于像敏单元(SOS电容)中。然后，再转移到CCD的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下顺序的移出器件，成为视频信号。

2. CCD测量工件

2.1测量方法

本文针对异型回转体零件轮廓尺寸的检测进行研究, 工件尺寸为 R =100 mm 到 R =120 mm 的变化范围的异形回转体零件。考虑零件尺寸较大 ,如采用全视场的接收工件图象,CCD 采集到的是一个缩小倍率很大的像 ,这将引入较大误差。图 3所示的一种测量方案,利用对工件轮廓边缘进行局部检测，将提高图象测量系统的分辨率和精度, 有效的满足了测量精度的要求, 图象检测装置如图3所示：

图3 异形回转体外轮廓图象测量系统

这套测量系统包括: 高精度回转工作台、光电轴角编码器、二维机械传动装置、两坐标直线位移传感器、PC 计算机 、线阵 CCD( 5000 线)、图象采集卡 、接口卡 、 He-Ne 激光器 。整个测量系统工作如下: 设置一个沿 Z 、Y 方向二维运动数显工作台, 其位移分辨率为0 . 5 μ m , 由步进电机驱动使其完成沿水平方向和垂直方向的运动, 二维工作台上安装一回转精度为 0 . 02 ( ″ ) 的高精度气浮回转台,可绕 Z 轴转动, 工件安装在回转工作台上 ,这样就可完成工件沿 Z 、Y 方向的运动及绕 Z 轴的转动, He-Ne 激光器及 CCD 分别置于工作台两侧,使激光光斑成象于 CCD 器件的象元区间, 此时的 CCD 输出信号如图 4(a) 所示, 当移动工件轮廓边缘 A 点于激光光斑处,使其边缘轮廓成象在 CCD 上时, 其输出信号将改变为如图 4(b) 所示 ,图中横坐标 pix 为 CCD 像元数, 纵坐标为 CCD

图4.CCD 输出信号

由计算机记录光栅位移传感器当前点 A(x , y) 的位移量以及 CCD 象元输出量,得到该点的位置 ,工件绕 Z 轴旋转 ,由光电编码器控制按等间隔采样 ,这样工件同一剖面的实际轮廓尺寸误差值将直接反映到 CCD 象元上, 通过 CCD 象元的输出量及物距、象距等关系便可计算出该工件 A 点剖面的二维实际尺寸, 当移动工件 B 点于 CCD 视场内 ,再由位移传感器记录下 B(x , y) 点的位置量,旋转工件一周, 计算出 B 点剖面的实际轮廓尺寸 。重复以此,便可测量出工件三维轮廓的实际尺寸。试验过程中应用标定 CCD 尺寸当量的方法,可消除部分系统误差。

2.2轮廓边缘检测及数据处理

在机器视觉 、文字识别、图象测量、生物医学图象分析等实际应用领域中,图象可视为具有不同灰度级的两类区域 ,所谓边缘是指周围象素灰度有阶跃变化的那些象素的集合,从灰度级图象出发, 选取一个合适的阈值,以确定每一图象点应属于目标还是背景, 阈值的选取对边缘检测和图象的二值化非常重要。边缘检测的最终目的是根据引起强度变化的物理过程来表示一个图象的强度变化,强度变化是通过强度函数的微分来检测的 ,一次强度微分的局部最大值和二次强度微分的零交叉点是两个通常使用的特征, 这些微分运算的结果描述了一幅图象强度变化的边缘特性。被测对象经过 CCD 获得的原始测量数据往往带有高频噪声,微分的作用相当于一个高通滤波器 ,因此对原始数据直接进行微分通常是不适用的 ,在边缘检测的数据处理中 ,我们采用 Marr边缘检测算子对图象数据进行处理。G 代表二维 Gauss 分布函数:

强度变化是通过强度函数的微分来检测的,一次强度微分的局部最大值和二次强度微分的零交叉点是两个通常使用的特征, 这些微分运算的结果描述了一幅图象强度变化的边缘特性。Marr 算子的方法是首先对原始图象作最佳平滑, 滤除高频噪声 ,然后再用Laplacian算子对平滑的结果用提取零交叉点的方法实现边缘提取, 零交叉点是利用图象的二阶导数特性的边缘检测算法, 对阶跃边缘二阶导数在边缘点出现零交叉, 即边缘点的两旁导函数取异号, 确定零交叉点的位置,即可实现边缘定位,如图5所示 。

图5

图中横坐标 pix 为 CCD 像元数, 纵坐标 F(x)为CCD 采集到的信号灰度值 。f(x)表示为光强函数,

从 M( x)可求得了零交叉点的位置, 利用最小二乘拟合方法, 拟合以零交叉点为中心的邻域内的 M( n)曲线方程, 并由此解出使M(x)=0的确定位置。

当物体足够大时, M(x)可以看作两个 单独的高斯分布函数的导数之和 ,将第一项在 x 0 点按泰勒级数展开:

当时, M(x)可以看作直线, 可用一阶多项式近似表示 ,方程( 4)可写为: α 0 +α 1 x =0

设: [ (x -j , M -j), ( x -j+ 1 , M-j+ 1), …, ( x 0 , M 0), …, ( x j- 1 , Mj- 1), ( x j , M) ] 是初步判断所得的零交叉点为中心的 2i +1 组点,由最小二乘法解得系数 α 0 、α 1 ,代入方程( 8),解得零交

叉点位置 :

式中 :

直接由离散的 CCD 数据求出的零交叉点只能以象元作为最小分辨率 , M arr方法采用算子滤波图象后 ,用最小二乘拟合估计定位算法能获得亚象元的定位精度 。

2.3实验结果

运用图3所示测量系统, 当工件在 Y 方向上移动 10 μ m 位移时, CCD 象元对应输出变化三个象元素的分辨率情况下 ,对工件绕 Z 轴每30° 间隔采样一次, 完成一周 12 次的采样;

图6.横截面 A 、B 误差曲线

图7.横截面 A 、B 的公差带、理论轮廓及测量误差曲线

再由从 A点至 B 点到C 点的 90° 方向每 15° 采样一次 。总计 72 次采样即可得到该零件三维尺寸的测量全部数据 ,建立其三维曲线图 。图 6所示为分别在 A 点、B 点所在截面采样得到的二维误差曲线图 。图7(a)、7(b) 所示则为横截面 A 、B 的公差带、理论轮廓及测量所得误差曲线 。

3.CCD的发展现状及未来趋势

CCD技术是集光学、电子学、精密机械学及微计算机技术于一体的综合的新兴技术, 应用领域相当广泛。

发展现状:(1)计量检测: 对工业产品的尺寸、位置、表面缺陷实现非接触在线检测,距离测定等;(2)光学信息处理: 光学文字识别OCR ,标识识别OMR, 图形识别OPR ,光 谱能量检测;(3) 生产过程自动化: 自动工 作机械,自动售货机,监视装置等;(4)军事:导航,自动跟踪,侦察等。

未来发展趋势：(1)像面尺寸向集成化、轻量化方向发展 由于光刻机的进步,在仍保持具有很高灵敏度的特性下,CCD传感器的尺寸向1󰃗2英寸、1󰃗3英寸、1󰃗4英寸、1󰃗5英寸的方向发展。(2)向高像素数、多制式发展 各种CCD传感器的像面尺寸在减少,但其像素数在增加,甚至出现超过百万像素的CCD传感器。为提高水平和垂直方向的分辨能力,已从通常的隔行扫描向逐行扫描格式发展。(3)降低CCD传感器的工作电压、减少功耗 初期研制的CCD摄像机有+24V、+22V、+17V和+5V等,目前通用的为+12V。为配合PC摄像机和网络图像传输的应用,逐步以+12V和+5V为主。(4)提高CCD摄像机的制造效率 为了降低CCD摄像机的制造成本,实现高速自动化生产,制造厂家追求紧密性结构,致力于CCD摄像机的小型化。到目前为止,已实现多层板的MultiChip Module(MCM)多芯片集成模组化制造技术。(5)CCD摄像机的数字化在制造CCD摄像机时,从以往的Analog模拟系统逐步实现DSP数位化处理,可以借助电子计算机和专门软件系统实现对CCD摄像机,特别是对彩色CCD摄像机的各种参数的量化调整,可以确保CCD摄像机性能指标的优化一致性以及在特殊使用条件下的参数量化修改。

参考文献

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