国外CCD检测技术在工业中的应用与发展

国外CCD检测技术在工业中的应用与发展刘征，彭小奇，丁剑，唐英时间:2010年02月26日字体:关键词:CCD图像传感器0引言电荷耦合器件(Charge Couple Device，CCD)是一种以电荷为信号载体的微型图像传感器，具有光电转换和信号电荷存储、转移及读出的功能，其输出信号通常是符合电视标准的视频信号，可存储于适当的介质或输入计算机，便于进行图像存储、增强、识别等处理［1］。

自CCD于1970年在贝尔实验室诞生以来，CCD技术随着半导体微电子技术的发展而迅速发展，CCD传感器的像素集成度、分辨率、几何精度和灵敏度大大提高，工作频率范围显着增加，可高速成像以满足对高速运动物体的拍摄［2］，并以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点，在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用，成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一［1，3］。

1CCD传感器的检测原理CCD是由光敏单元、输入结构和输出结构等组成的一体化的光电转换器件，其突出特点是以电荷作为信号载体，其基本工作原理见文献［4，5］。

当入射光照射到CC D光敏单元上时，光敏单元中将产生光电荷Q，Q与光子流速率Δn 0、光照时间TC、光敏单元面积A成正比，即：Q＝ηqΔn0AT c (1)其中η为材料的量子效率；q为电子电荷量。

CCD图像传感器的光电转换特性如图1 如示，其中横坐标为照度，；纵坐标为输出电压，V0在非饱和区满足：f(s)=d1sτ＋d2(2)式中，f(s)为输出信号电压(V)；s为曝光量；d1为直线段的斜率(V／，表示CCD的光响应度；τ为光电转换系数，τ≈1；d2为无光照时CCD的输出电压，称为暗输出电压。

特性曲线的拐点 G所对应的曝光量S E称为饱和曝光量，所对应的输出电压V SAT称为饱和输出电压。

曝光量高于S E后，CCD输出信号不再增加，可见，CCD图像传感器在非饱和区的光电转换特性接近于线性，因此，应将CCD的工作状态控制在非饱和区。

2CCD的应用状况CCD检测技术作为一种能有效实现动态跟踪的非接触检测技术，被广泛应用于尺寸、位移、表面形状检测和温度检测等领域。

尺寸测量由CCD传感器、光学成像系统、数据采集和处理系统构成的尺寸测量装置，具有测量精度高、速度快、应用方便灵活等特点，是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器所无法比拟的。

在尺寸测量中，通常采用合适的照明系统使被测物体通过物镜成像在CCD靶面上，通过对CCD输出的信号进行适当处理，提取测量对象的几何信息，结合光学系统的变换特性，可计算出被测尺寸［2］。

2.1.1°形变测量尽管利用线阵CCD测量材料变形具有非接触、无磨损、精度高、不引入附加误差、能测量材料拉伸的全过程，特别是测量材料在断裂前后的应力应变曲线，得到材料的各种极限特性参数等优点，但只能测量材料拉伸时在轴线方向的均一形变。

为此，Scheday,Miehe和Cheva lier等人［13］开展了采用面阵CCD测量材料形变的研究。

在此基础上，Stefan Hart mann等人［14］借助面阵CCD研究了橡胶材料在拉伸和压缩时的形变情况。

即在圆柱形黑色测试样品的轴线方向等距标定几个白点，用CCD摄取相应图像并送入计算机进行处理，通过检测白点标记间的距离来计算样品受力时轴向的形变，并通过轮廓检测算法得到轴对称的圆柱型样品的轮廓尺寸，经过数据校正，可计算出被测样品半径方向上的形变。

这种方法可同时获得两个方向上的形变量，并测量出材料被压缩时的非均一形变。

,P. Lamesle等人［15］采用类似方法研究了淬火钢铁样品在气冷时的形变，解决了高温样品的尺寸测量问题，并能连续测量不同温度下的形变量，但在低温时，易产生测量误差。

等［16］为研究大型科学气球气囊表面材料的性质，利用两个CCD摄像机摄取被测物体的表面图像，通过立体相关方法获取样品的三维形变。

但这种测量方法技术复杂，且在与材料表面垂直的法线方向上获得的数据偏小。

机械磨损度测量虽然以上方法可以测量各种工件的尺寸或形变，但在测量某些特殊工件时却受到许多限制。

例如，在检测高速切割机上的刀具磨损度时，需要将刀具卸下才能测量。

为此，一些研究人员致力于用机器视觉检测刀具磨损程度的研究。

2000年，和［17］通过比较各种测量方法，指出基于机器视觉的检测系统最具优势和潜力，并构建了一套由CCD摄像头、照明设备和夹具等组成的非接触检测系统，该系统在适当位置对刀口侧面成像，将采集的刀具图像信号输入计算机，计算出刀具磨损轮廓，以此判断刀具磨损级别，确定刀具更换时间。

但该系统的图像处理过程复杂，适应范围窄，检测精度和效率也有待提高。

2002年，Jeon Ha Kim等人［18］在此基础上，对误差因素逐一进行了实验分析，确定了最佳光线照射强度、角度、拍摄角度等，并将光源通过光纤插入镜头周围以减小因阴影产生的误差，使夹具自由转动角度增大，成像设备尺寸缩小，提高了系统的使用范围。

同时，通过采用磨损前后刀具横向尺寸差来计算磨损度，大大简化了图像处理过程。

对4种不同刀具的实验测量表明，该系统的测量信噪比可达到46 dB，测量精度和速度显着提高，并可实现实时在线测量，但不适合测量几何形状太复杂的刀具。

三维表面测量由于CCD传感器能同时获取被测表面的亮度和相位信息，因此，将CCD和计算机图像处理技术与传统的三维表面非接触光学测量方法相结合，可实时测量物体形变、振动和外形。

上世纪 90年代初，Yamaguchi等人［19］在斑点干涉测量中使用线阵CCD测量不同材料的帕森比，但线阵CCD只能记录一维正交相关性信息。

随着CCD工艺水平的提高，面阵CCD被广泛应用于三维表面测量［19］。

1996年，等［20］提出了相变数字全息测量法。

此后，［21］、［22］高温测量℃。

这种方法测量不同范围的温度时，需要寻找不同的最佳波长，使用频带很窄的滤波片获取单一波长的光辐射信号。

等人［36，37］于1996年提出用CCD拍摄流体的全息图，通过图像处理技术重建流体的三维温度场，由于当时的CCD采集速度、图像处理速度和储存速度都比较低，激光干涉质量也不高，使该方法缺乏实用性；到19 98年，该方法进入实用阶段，能测量稳定透明液体的三维温度，并得到流速和流体密度等数据。

2002年，hmann等［38］利用高分辨率温度传感液晶颜色随温度变化的特性对被测区域感温，然后用彩色CCD摄取液晶表面的颜色图像来间接测量液体蒸发时弯月面的温度。

此方法可实现小面积的温度测量，但需要进行精确的校正。

还有学者提出利用CCD配合激光感应磷光器测量温度［39］。

事实上，由CCD的光谱响应特性、光电转换特性可知，利用RGB输出值可得到被测物体表面图像中的亮度和色度信息，并根据比色测温原理计算出物体的表面温度场。

虽然有人提出了基于CCD测温系统的三维温度场构建算法［4 0］，但直接利用彩色CCD测量温度的仪器还处在实验研发阶段。

尽管如此，由于CCD技术能测量运动物体的温度，给出二维或三维温度场，实现非接触高温测量，因此，CCD测温技术有很大的发展潜力和应用前景。

3结论综上所述，CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，并被广泛应用于现代光学和光电测试技术领域。

事实上，凡可用胶卷和光电检测技术的地方几乎都可以应用CCD。

随着半导体材料与技术的发展，特别是超大规模集成电路技术的不断进步，CCD图像传感器的性能也在迅速提高，将CCD技术、计算机图像处理技术与传统测量方法相结合，能获取被测对象的更多信息，实现快速、准确的无接触测量，显着提高测量技术水平和智能化水平，因此，CCD技术必将以其突出的优点而在工业测控、机器视觉、多媒体技术、虚拟现实技术及其他许多领域得到越来越广泛的应用。

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