使用线阵型CCD 实现高精度二维位置测量的方法

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

目录
第一章电荷耦合元件......................................................................................................... - 1 - 1.1电荷耦合元件简介.. (1)
1.1.1 CCD的基本原理 .................................................................................................. - 1 -
1.1.2线阵CCD .............................................................................................................. - 2 -1.2CCD功能特性 (3)
1.3CCD的应用 (3)
第二章使用线阵型CCD 实现高精度二维位置测量的方法.......................................... - 6 - 2.1二维位置测量系统设计实例. (6)
2.1.1 球面镜—柱面镜组合的特性............................................................................... - 6 -
2.1.2 二维位置测量光学系统....................................................................................... - 6 -
2.1.3 高精度二维位置测量系统................................................................................... - 7 -2.2光学系统设计. (9)
2.2.1 二维位置测量的应用........................................................................................... - 9 -
2.2.2 光学系统设计....................................................................................................... - 9 -结论..................................................................................................................................... - 11 - 参考文献............................................................................................................................. - 12 -
第一章 电荷耦合元件
1.1 电荷耦合元件简介
电荷耦合元件(CCD ),英文全称Charge-coupled Device 。

可以称为CCD 图像传感器。

CCD 是一种半导体器件,能够把光学影像转化为数字信号。

CCD 上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel )。

一块CCD 上包含的像素数越多,其提供的画面分辨率也就越高。

CCD 的作用就像胶片一样,但它是把图像像素转换成数字信号。

CCD 上有许多排列整齐的电容,能感应光线,并将影像转变成数字信号。

经由外部电路的控制,每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。

1.1.1 CCD 的基本原理
1、CCD 的基本结构
转移电极结构、转移沟道结构、信号输入结构、信号输出结构、信号检测结构。

构成CCD 的基本单元是MOS 电容。

一系列彼此非常接近的MOS 电容用同一半导体衬底制成,衬底可以是P 型或N 型材料,上面生长均匀、连续的氧化层,在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极(栅极)。

2、电荷存储
以衬底为P 型硅构成的MOS 电容为为例。

当在金属电极加上一个正阶梯电压时,在2iO i S S -界面处的电势发生变化,附近的P 型硅中的多数载流子-空穴被排斥,形成耗尽层。

如果栅极电压超过MOS 晶体管的开启电压,则在2iO i S S -界面处形成深度尽状态,电子在那里势能较低-形成了一个势阱。

如有信号电子,将聚集在表面,实现电荷的存储。

此时耗尽层变薄。

势阱的深浅决定存储电荷能力的大小。

3、电荷转移
CCD 的转移电极相数有二相、三相、四相等。

对于单层金属化电极结构,为了保证电荷的定向转移,至少需要三相。

这里以三相表面沟道CCD 为例。

表面沟道器件,即SCCD(Surface Channel CCD)——转移沟道在界面的CCD器件。

4、光信号注入
CCD的电荷注入方式有电信号注入和光信号注入两种,在光纤系统中,CCD接收的信号是由光纤传来的光信号,即采用光注入CCD。

当光照到CCD时,在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对,在栅极电压的作用下,多数载流子(空穴)流入衬底,少数载流子(电子)被收集在势阱中,存储起来。

这样能量高于半导体禁带的光子,可以用来建立正比于光强的存储电荷。

5、电荷检测(输出)
CCD输出结构是将CCD传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出。

电荷输出结构有多种形式,如电流输出结构、浮置扩散输出结构、浮置栅输出结构等。

浮置栅输出结构应用最广。

1.1.2线阵CCD
结构简单,成本较低。

可以同时储存一行电视信号.由于其单排感光单元的数目可以做得很多,在同等测量精度的前提下,其测量范围可以做的较大,并且由于线阵CCD实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高,能够实现动态测量,并能在低照度下工作,所以线阵CCD广泛地应用在产品尺寸测量和分类、非接触尺寸测量、条形码等许多领域。

线阵CCD可分为双沟道传输与单沟道传输两种结构。

下图(a)为单沟道,(b)为双沟道。

特点:由于CCD像元是有间隔的,不论面阵还是线阵CCD获取的图像外观虽然是致密的,但实质上都是离散图像,但面阵CCD像元在纵横两个方向间隔一致,其图像的离散度是一致的,而线阵CCD图像由于存在像元间距和扫描行距,像素点在两个坐标方向上的距离分别是像元间距和扫描行距,一般来说扫描行距受机械传动部分的限制,远大于像元间距。

线阵CCD获取二维图像,必须配以扫描运动,在此过程中,线阵CCD在电机驱动下水平前移,按照固定的时间间隔采集一行图像。

从理论上讲,电机运动速度应该是匀速的;CCD采集图像的时间间隔主要取决于光积分时间,也应该是相等的,因此行距应该是相等的,但由于电机运动产生的振动、启停过程中速度的变化,特别是机械传部分的误差都会影响采集行距的一致性,同时,线阵CCD 自身光积分时间也会影响采集行距。

1.2 CCD功能特性
CCD图像传感器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。

因此,许多采用光学方法测量外径的仪器,把CCD 器件作为光电接收器。

CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。

线阵CCD 通常将CCD内部电极分成数组,每组称为一相,并施加同样的时钟脉冲。

所需相数由CCD芯片内部结构决定,结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。

线阵CCD有单沟道和双沟道之分,其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构,生产工艺相对较简单。

它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成,特点是处理信息速度快,外围电路简单,易实现实时控制,但获取信息量小,不能处理复杂的图像(线阵CCD如右图所示)。

面阵CCD的结构要复杂得多,它由很多光敏区排列成一个方阵,并以一定的形式连接成一个器件,获取信息量大,能处理复杂的图像。

1.3 CCD的应用
四十年来,CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展,特别是在图像传感
和非接触测量领域的发展更为迅速。

随着CCD技术和理论的不断发展,CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。

CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成,它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号,在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号,这种数字信号经过压缩和程序排列后,可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号,可对被侧物体进行准确的测量、分析。

含格状排列像素的CCD应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光元件。

其光效率可达70%(能捕捉到70%的入射光),优于传统菲林(底片)的2%,因此CCD迅速获得天文学家的大量采用。

传真机所用的线性CCD影像经透镜成像于电容阵列表面后,依其亮度的强弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。

传真机或扫瞄仪用的线性CCD每次捕捉一细长条的光影,而数码相机或摄影机所用的平面式CCD则一次捕捉一整张影像,或从中撷取一块方形的区域。

一旦完成曝光的动作,控制电路会使电容单元上的电荷传到相邻的下一个单元,到达边缘最后一个单元时,电荷讯号传入放大器,转变成电位。

如此周著复始,直到整个影像都转成电位,取样并数位化之后存入内存。

储存的影像可以传送到打印机、储存设备或显示器。

在数码相机领域,CCD的应用更是异彩纷呈。

一般的彩色数码相机是将拜尔滤镜(Bayer filter )加装在CCD上。

每四个像素形成一个单元,一个负责过滤红色、一个过滤蓝色,两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。

结果每个像素都接收到感光讯号,但色彩分辨率不如感光分辨率。

用三片CCD和分光棱镜组成的CCD系统能将颜色分得更好,分光棱镜能把入射光分析成红、蓝、绿三种色光,由三片CCD各自负责其中一种色光的呈像。

所有的专业级数位摄影机,和一部份的半专业级数位摄影机采用CCD技术。

目前,超高分辨率的CCD 芯片仍相当昂贵,配备CCD的高解析静态照相机,其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。

因此有些高档相机使用旋转式色彩滤镜,兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现。

这类多次成像的照相机只能用于拍摄静态物品。

CCD在天文学方面有一种奇妙的应用方式,能使固定式的望远镜发挥有如带追踪望远镜的功能。

方法是让CCD上电荷读取和移动的方向与天体运行方向一致,速度也同步,以CCD导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差,还能使望远镜记录到比原来更大的视场。

一般的CCD大多能感应红外线,所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照度(或趋近零照度)摄影机/照相机等。

为了减低红外线干扰,天文用CCD常以液态氮或
半导体冷却,因室温下的物体会有红外线的黑体辐射效应。

CCD对红外线的敏感度造成另一种效应,各种配备CCD的数码相机或录影机若没加装红外线滤镜,很容易拍到遥控器发出的红外线。

降低温度可减少电容阵列上的暗电流,增进CCD在低照度的敏感度,甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升(信噪比提高)。

第二章 使用线阵型CCD 实现高精度二维位置测量的方

2.1 二维位置测量系统设计实例
2.1.1 球面镜—柱面镜组合的特性
在介绍高精度二维位置测量系统之前, 先介绍球面镜—柱面镜组合的特性, 它构成本CCD 光学成像系统的基础。

如图1所示, 球面镜焦距为1f ,柱面镜焦距为2f , 它们共轴且距离l 分别小于1f 和2f 。

o 是球面镜的焦点, 平面xoy 是球面镜的焦平面,M 是焦平面上x 轴上一点, 通过球面镜后为一束平行光, 平行光经柱面镜汇聚成一条直线。

这样通过球透镜—柱面镜组合M 点成像为一条直线a , 直线a 位于柱面镜的焦平面上且与柱面镜的圆柱轴线方向平行。

同理, 过M 点平行于y 轴的直线上的任意一点成的像都是直线a 。

这样, a 到z 轴的距离对应M 点的x 坐标。

设a 到z 轴的距离为b , 由透镜像公式得出
1
2f OM f b (1) 若取f 1= f 2, 则a 到z 轴的距离为b = OM
图1 球面镜—柱面镜组合成像图
2.1.2 二维位置测量光学系统
该光学系统由一组光学仪器组成, 包括主球面镜、球面镜、分光棱镜、两个柱面镜
和两个线阵型CCD 。

主球面镜、球面镜及分光棱镜共轴, 分光棱镜分出两条相互垂直的光路, 在两条光路轴上分别加上柱面镜, 柱面镜的圆柱轴线方向相互垂直。

这样, 分光棱镜的引入构成了两组球面镜—柱面镜组合, 它们分别测定x 轴和y 轴方向的位置。

为方便设计, 我们选取具有相同焦距1f 的球面镜和柱面镜。

如图2 所示, 主球面镜的焦距是f ,m 为平面上任意一点, 其坐标为(x , y ) , 物距do 。

m 点通过主球面镜成像n 点, n 点在平面x 1o 1y 1 上,像距1d 。

n 点的坐标(x ′, y ′) 由下面公式得出
1
0111d d f += (2) '0'010y
y x x d d == (3) 主球面镜与球面镜之间的距离为1d +1f ,这样像点n 位于球面镜的焦平面上。

由1 可知,n 点通过球面镜、分光棱镜和两个柱面镜成像为两条直线a 和b , 直线a 位于柱面镜的焦平面上且与z 轴的距离为1x , 直线b 位于柱面镜的焦平面上且与1z 轴的距离为1y 。

分别在柱面镜的焦平面上过z 和1z 轴与柱面镜圆柱轴线方向垂直放置线阵型CCD 。

这样, 像线a 和b 分别与CCD 垂直且相交, CCD 测出直线a 和b 的位置1x 和1y , 通过公式(3) 可以求出M 点的坐标(x , y )。

图2 二维位置测量系统光路图
2.1.3 高精度二维位置测量系统
本节通过实例设计实例, 给出选择和确定CCD 和透镜参数的方法。

系统装置图如图
3 所示。

图3 高精度二维位置测量系统装置图
设计任务:M 点为一点光源, 它在靶面上做随机运动, 靶面范围是边长1m 的正方形。

要求精确测量M 点的位置, 测量距离为3m , 测量精度为011mm 。

参数选取: 为满足测量精度, CCD 像元数应大于10000 (靶面尺寸/测量精度)。

选取英国EV 公司的12288像元的线阵型CCD, 光敏区总长l = 9813mm 。

工作视场L = 1100mm (大于靶面尺寸) , 主球面镜焦距f 、物距do 、放大倍数Mo , 通过下面一组公式可以确定主球面镜参数。

1
0111d d f += (4) l
L d d M ==100 (5) M
d f +=10 (6) 将物距0d = 3000mm 代入上式, 求得焦距f = 24611mm , 像距d 1= 26811mm 。

确定焦距后, 还要确定镜头的孔径。

孔径越大, 收集的光能量越多, 像场的照度也就越高。

CCD 像面照度E 由下式计算
L f D E γπ2
4⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛= (7) 式中γ—透过率;
L —物面亮度(物为激光光斑, 亮度很大)。

取γ= 1, E /L = 0. 008, 则D = 25mm 。

选取相同焦距的球面镜和两个柱面镜, 由1 可知:这样的球面镜—柱面镜组不改变像的大小。

取焦距1f = 150mm , 则主球面镜与球面镜
距离为1d +1f = 41811mm 。

加入分光镜, 组成图2 光学系统, 线阵型CCD 放置在柱面镜的焦平面上过光轴分别与柱面镜的圆柱轴线方向垂直。

CCD 片子还需外加外部电路和信号处理电路, 外部电路驱动CCD 工作, 信号处理电路做视频处理并转换成数字信号传给计算机, 计算机将信号变换成M 点的位置(x , y )。

它的原理框图如图4 所示。

·
图4 线阵型CCD 原理框图
2.2 光学系统设计
2.2.1 二维位置测量的应用
在不同的应用场合对光学系统的设计以及CCD 器件的确定有不同要求。

本章通过实例设计,给出本文二维位置测量装置在电子白板系统中的一个典型应用。

交互式电子白板是一种国际上崛起的高层次的教学培训及会议演示设备。

2.2.2 光学系统设计
针对电子白板系统在大屏幕投影显示中的应用,对光学系统的设计要求为:光学系统如图5所示,M 为电子笔端生产的点光源,它在版面上随机运动,板面可以是目前大屏幕显示中比较常见的64寸屏幕,测量距离d o 投影距离一致,为1000mm 左右,测量精度为1mm ,该距离即可将相邻两个像素区分开,为了满足测量精度,CCD 器件的像素数应大于1000。

设主透镜的焦距为f ,放大倍数为β,像距为d ,可以通过以下式确定主透镜的参数
()
l L d f /1/0=+=ββ (8)
选取像素数为2592的线阵CCD 器件,光敏区长l=36.3mm ,工作现场L=1200mm 大于投影面视场,将上述参数代入公式8可以算得主透镜的孔径。

该CCD 的最低照度E 为0.75lx ,
光笔头在屏幕上的光斑照度L为30lx,则可由以下式计算镜头孔径
4
/=(9)
/
f
L
E
Dπγ
式中:r为系统透过率,将参数代入式9可算得D=6mm。

之后的球面镜和柱面镜如果取相同焦距不会改变像的大小,这样可以充分利用CCD的光感区域,因此可以根据光束大小和总体长度来确定焦距,可以取
f=70mm。

加入道威掕镜组成光学系统,CCD器件放
2
置在柱面镜的焦平面上,过光轴与圆柱轴线垂直。

CCD器件需加外加驱动电路和信号处理电路,分别负责驱动CCD工作以及对CCD 输出信号的计数处理,从而获得待测光点的二维坐标值,并通过串口线馈入上位机进行处理。

图5 测量系统光路图
结论
本文的两个测量方法存在一定的问题,如:1.整个系统采用时间比较短,信号处理电路中需要的芯片都必须是高速芯片,一面出现非意料的瓶颈,从而影响测量精度。

2.道威棱镜的制作与安装直接影响测量精度,道威棱镜的转轴必须与光轴重合。

定位系统在各种场合都起到关键作用,运用本文技术可以研制样机,并通过实验进行一步改进技术和系统,投入生产有望产生良好的经济效益。

参考文献
[1]王庆友.光电传感器应用技术.机械工业出版社.2009.1
[2]郝沛明等.新型CCD显微镜光学系统设计.1997
[3]林逢春等.基于线阵列CCD的带转像棱镜的位置测量.2006
[4]兰丽艳等.星载大视场多光谱高分辨率CCD相机光学系统的设计.2002.4
[5]董斌等.使用线阵型CCD 实现高精度
二维位置测量的方法.1998.9
[6]何树荣等.采用单线阵CCD测量工作台二维位移的研究。

2003.11
[7]王丰等.光点位置测量系统摄像镜头设计.2008.10。

相关文档
最新文档