摘要：CDD圖像傳感器以其光譜響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大、靈敏度和幾何精度高、噪聲低、便于進行數(shù)字化處理和與計算機連接等優(yōu)點，在工業(yè)測控中得到廣泛應(yīng)用。該文簡要介紹了CCD圖像傳感器的檢測原理和它在工業(yè)檢測中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有CCD檢測技術(shù)在應(yīng)用中存在的問題和局限，指出了CCD傳感器在工業(yè)檢測應(yīng)用中的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：CCD；檢測技術(shù)；圖像傳感器

The application and development of CCD measurement technology i n foreign industrial fields
LIU Zheng,PENG Xiaoqi,DING Jian,TANG Ying
(College of Physics Science & Technology under Central South Uni versity，Hunan Changsha 410083,China)

Abstract：The CCD image sensors have been wide ly used in industrial process measurement and control systems owing to their wid e spectral response,wide dynamic range,high sensitivity and geometric precision ,low noise and convenience for digital processing and connecting computers.The p aper gives a brief introduction about the measuring principle of the CCD image s ensor and its application status in industrial measurements.Some difficulties an d limitations existing in its application are analysed and the trend of its appl ication is pointed out.
Key words：CCD;measurement technology;image sensor

0 引言

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(zhuǎn)換和信號電荷存儲、轉(zhuǎn)移及讀出的功能，其輸出信號通常是符合電 視標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號，可存儲于適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)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(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高速運動物體的拍攝［2］，并以其光譜響應(yīng)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(yīng)用，成為現(xiàn)代光電子學(xué)和測試技術(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，其突出特點是以電荷作為信號載體，其基本工作原理見文獻［4，5］。當(dāng)入射光照射到CC D光敏單元上時，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)=d1s^τ＋d2(2)

式中，f(s)為輸出信號電壓(V)；s為曝光量(lx.s)；d1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CCD的輸出電壓，稱為暗輸出電壓。特性曲線的拐點 G所對應(yīng)的曝光量SE稱為飽和曝光量，所對應(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)。

2 CCD的應(yīng)用狀況

CCD檢測技術(shù)作為一種能有效實現(xiàn)動態(tài)跟蹤的非接觸檢測技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于尺寸、位移、表面形狀檢測和溫度檢測等領(lǐng)域。

2.1尺寸測量

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)成的尺寸測量裝置，具有測量精度高、速度快、應(yīng)用方便靈活等特點，是現(xiàn)有機械式、光學(xué)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(dāng)處理，提取測量對象的幾何信息，結(jié)合光學(xué)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(yīng)用在三維坐標(biāo)測量機(Coordinate Meas uring Machine，CMM)上，實現(xiàn)了三維坐標(biāo)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(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(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)合傳感器的自動測量方法。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(luò)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(fù)雜工件的三維尺寸，并可根據(jù)測量數(shù)據(jù)構(gòu)造工件的CAD模型，但計算復(fù)雜，需要使用運算速度快、內(nèi)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(shù)而得到明顯改進，但仍屬于接觸式測量，無法準(zhǔn)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(jié)合激光 測距技術(shù)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(shù)，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(rèn)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(dǎo)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(shè)備［1］。該設(shè)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(biāo)變換關(guān)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(guān)等技術(shù)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(guān)系，提出了一種基于光學(xué)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(chǎn)生管腳陰影，管腳及其陰影由帶遠(yuǎn)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(guān)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(shù)和莫爾條紋、數(shù)字全息、電子斑點干涉等技術(shù)相結(jié)合以精確測量微小尺寸的技術(shù)正成為一種具有很大潛力的研究發(fā)展方向［12］。

2.2形變測量

盡管利用線陣CCD測量材料變形具有非接觸、無磨損、精度高、不引入附加誤差、能測量材 料拉伸的全過程，特別是測量材料在斷裂前后的應(yīng)力應(yīng)變曲線，得到材料的各種極限特性 參數(shù)等優(yōu)點，但只能測量材料拉伸時在軸線方向的均一形變。為此，Scheday,Miehe和Cheva lier等人［13］開展了采用面陣CCD測量材料形變的研究。在此基礎(chǔ)上，Stefan Hart mann等人［14］借助面陣CCD研究了橡膠材料在拉伸和壓縮時的形變情況。即在圓柱 形黑色測試樣品的軸線方向等距標(biāo)定幾個白點，用CCD攝取相應(yīng)圖像并送入計算機進行處理，通過檢測白點標(biāo)記間的距離來計算樣品受力時軸向的形變，并通過輪廓檢測算法得到軸對 稱的圓柱型樣品的輪廓尺寸，經(jīng)過數(shù)據(jù)校正，可計算出被測樣品半徑方向上的形變。這種方 法可同時獲得兩個方向上的形變量，并測量出材料被壓縮時的非均一形變。S.Claudinon,P. Lamesle等人［15］采用類似方法研究了淬火鋼鐵樣品在氣冷時的形變，解決了高溫 樣品的尺寸測量問題，并能連續(xù)測量不同溫度下的形變量，但在低溫時，易產(chǎn)生測量誤差。J.-M.Siguier等［16］為研究大型科學(xué)氣球氣囊表面材料的性質(zhì)，利用兩個CCD攝像 機攝取被測物體的表面圖像，通過立體相關(guān)方法獲取樣品的三維形變。但這種測量方法技術(shù)復(fù)雜，且在與材料表面垂直的法線方向上獲得的數(shù)據(jù)偏小。

2.3機械磨損度測量

雖然以上方法可以測量各種工件的尺寸或形變，但在測量某些特殊工件時卻受到許多限制。例如，在檢測高速切割機上的刀具磨損度時，需要將刀具卸下才能測量。為此，一些研究人 員致力于用機器視覺檢測刀具磨損程度的研究。2000年，T.Pfeifer和L.Wiegers［17］通過比較各種測量方法，指出基于機器視覺的檢測系統(tǒng)最具優(yōu)勢和潛力，并構(gòu)建了一套由CCD攝像頭、照明設(shè)備和夾具等組成的非接觸檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在適當(dāng)位置對刀口側(cè)面成像 ，將采集的刀具圖像信號輸入計算機，計算出刀具磨損輪廓，以此判斷刀具磨損級別，確定刀具更換時間。但該系統(tǒng)的圖像處理過程復(fù)雜，適應(yīng)范圍窄，檢測精度和效率也有待提高。2002年，JeonHa Kim等人［18］在此基礎(chǔ)上，對誤差因素逐一進行了實驗分析，確定了最佳光線照射強度、角度、拍攝角度等，并將光源通過光纖插入鏡頭周圍以減小因陰影 產(chǎn)生的誤差，使夾具自由轉(zhuǎn)動角度增大，成像設(shè)備尺寸縮小，提高了系統(tǒng)的使用范圍。同時，通過采用磨損前后刀具橫向尺寸差來計算磨損度，大大簡化了圖像處理過程。對4種不同刀具的實驗測量表明，該系統(tǒng)的測量信噪比可達(dá)到46 dB，測量精度和速度顯著提高，并可實現(xiàn)實時在線測量，但不適合測量幾何形狀太復(fù)雜的刀具。

2.4三維表面測量

由于CCD傳感器能同時獲取被測表面的亮度和相位信息，因此，將CCD和計算機圖像處理技術(shù) 與傳統(tǒng)的三維表面非接觸光學(xué)測量方法相結(jié)合，可實時測量物體形變、振動和外形。上世紀(jì) 90年代初，Yamaguchi等人［19］在斑點干涉測量中使用線陣CCD測量不同材料的帕森比，但線陣CCD只能記錄一維正交相關(guān)性信息。隨著CCD工藝水平的提高，面陣CCD被廣泛應(yīng) 用于三維表面測量［19］。1996年，B.Skarman等［20］提出了相變數(shù)字全息 測量法。此后，F(xiàn).Chesn［21］、C.Quan［22］、P.S.Huang［23］、G.Pedrini等人［24］分別在有關(guān)測量方法中應(yīng)用了CCD技術(shù)，從CCD圖像中獲取相位圖的新方法［24，26，27］也相繼出現(xiàn)。在條紋圖樣投影法中采用相變技術(shù)時，只能檢 測靜物表面輪廓，不適用于實時檢測振動和變化的表面形狀。為此，C.J.Tay等人［28］建立了對低頻振動的物體表面進行三維檢測的系統(tǒng)，該系統(tǒng)由振蕩發(fā)生系統(tǒng)、液晶顯示 條紋發(fā)射器、特殊遠(yuǎn)心鏡頭、高速CCD、圖像采集卡和計算機組成。系統(tǒng)所用的遠(yuǎn)心鏡頭可 以保持放大倍率為常數(shù)，使測量結(jié)果與被測物體和CCD之間的距離無關(guān)，從而減小了測量中 物體振動時因為景深改變而產(chǎn)生的測量誤差。同時，采用相掃描方法逐點計算條紋圖樣相位，可以實時獲取被測對象的振動頻率和振幅，即時重建物體的表面輪廓，其測量精度可達(dá)振幅值的1／500。但該系統(tǒng)只能測量陽紋平面，且要求有高質(zhì)量的正弦發(fā)射條紋和CCD的圖像采集頻率大于被測物體的振動頻率。隨后，他們又在陰影莫爾條紋干涉法中應(yīng)用類似方法 測量振動物體的三維表面，取得較好效果［29］。盡管該方法比數(shù)字全息法［30］簡單實用，且對測量環(huán)境的要求相對較低，但測量范圍受到CCD采集速度的限制，對高速振動和無規(guī)則形變的物體表面測量并不實用。

2.5高溫測量

物體的輻射光波長和強度與物體溫度有著特定的關(guān)系，因此CCD作為一種光電轉(zhuǎn)換器件，可用于溫度測量。1993年，Tenchov等人［31］采用CCD間接測量溶液表面溫度；1995年，K.Y.Hsu和L.D.Chen［32］用可測量紅外波段的加強型CCD測量液態(tài)金屬的燃燒火焰溫度，但其測量誤差達(dá)到400～200K，缺乏實用性。此后，利用紅外CCD測量溫度場成為CCD測溫研究的主流。2001年，Takeshi Azami等人［33］利用CCD的亮度波動信息來研究 熔融硅橋表面的熱流狀況，獲得了較好的結(jié)果。2002年，D.Manca等人［34］提出了一種利用紅外CCD測控燃燒室火焰溫度場的實用方法。2003年，G.Sutter［35］等人利用加強型CCD測量近似黑體的物體表面發(fā)出的某一波長的單色光，以此得到物體的輻射溫度，所得測量結(jié)果與物體的真實溫度之間的差別幾乎可以忽略不計，并將其用于測量直角高 速切割機的刀具溫度場，但作者未具體說明圖像處理和溫度計算方法，也未進行誤差分析， 其實驗誤差達(dá)16 ℃。這種方法測量不同范圍的溫度時，需要尋找不同的最佳波長，使用頻帶很窄的濾波片獲取單一波長的光輻射信號。B.Skarman等人［36，37］于1996年提出 用CCD拍攝流體的全息圖，通過圖像處理技術(shù)重建流體的三維溫度場，由于當(dāng)時的CCD采集速度、圖像處理速度和儲存速度都比較低，激光干涉質(zhì)量也不高，使該方法缺乏實用性；到19 98年，該方法進入實用階段，能測量穩(wěn)定透明液體的三維溫度，并得到流速和流體密度等數(shù) 據(jù)。2002年，C.Hhmann等［38］利用高分辨率溫度傳感液晶顏色隨溫度變化的特性 對被測區(qū)域感溫，然后用彩色CCD攝取液晶表面的顏色圖像來間接測量液體蒸發(fā)時彎月面的 溫度。此方法可實現(xiàn)小面積的溫度測量，但需要進行精確的校正。還有學(xué)者提出利用CCD配 合激光感應(yīng)磷光器測量溫度［39］。事實上，由CCD的光譜響應(yīng)特性、光電轉(zhuǎn)換特性可知，利用RGB輸出值可得到被測物體表面圖像中的亮度和色度信息，并根據(jù)比色測溫原理計算出物體的表面溫度場。雖然有人提出了基于CCD測溫系統(tǒng)的三維溫度場構(gòu)建算法［4 0］，但直接利用彩色CCD測量溫度的儀器還處在實驗研發(fā)階段。盡管如此，由于CCD技術(shù)能測量運動物體的溫度，給出二維或三維溫度場，實現(xiàn)非接觸高溫測量，因此，CCD測溫技術(shù)有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

3 結(jié)論

綜上所述，CCD應(yīng)用技術(shù)已成為集光學(xué)、電子學(xué)、精密機械與計算機技術(shù)為一體的綜合性技術(shù)，并被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代光學(xué)和光電測試技術(shù)領(lǐng)域。事實上，凡可用膠卷和光電檢測技術(shù)的地方幾乎都可以應(yīng)用CCD。隨著半導(dǎo)體材料與技術(shù)的發(fā)展，特別是超大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷進步，CCD圖像傳感器的性能也在迅速提高，將CCD技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)與傳統(tǒng)測量方法相結(jié)合，能獲取被測對象的更多信息，實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的無接觸測量，顯著提高測量技術(shù)水平和智能化水平，因此，CCD技術(shù)必將以其突出的優(yōu)點而在工業(yè)測控、機器視覺、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其他許多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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