線陣ccd的應用原理及發展前景

1具有較高的空間分辨力sd是一個完全稱為chargacoup的設備，也被稱為電子束裝置。這是20世紀70年代初發展起來的一種新型半導體器。CCD器件是一種固體化器件(1)體積小、質量輕、功耗低、可靠性高、壽命長;(2)圖像畸變小,尺寸重現性好;(3)具有較高的空間分辨力;(4)光敏元間距的幾何尺寸準確度高,可獲得較高的定位準確度和測量準確度。經過幾十年的不斷更新與發展,到目前為止,其應用范圍已非常廣泛,涉及到航空航天、廣播攝像、工業視覺、尺寸測量等眾多領域。它可以分為線型和面型兩種傳感器。線陣CCD獲取的信息少,不能處理復雜的圖形。但其處理信息的速度快,后續處理電路簡單,易實現實時控制,且價格低廉,因此線陣CCD主要用于產品外部尺寸的非接觸檢測、控制和分類、產品表面質量評定、自動化及機器人視覺中的精確定位等。面陣CCD獲取的信息量大,能處理復雜的圖形,主要用于圖象的記錄、儲存等方面,但其缺點是處理信息的速度慢,且價格高。本文主要對CCD的應用的原理、現狀進行分析及對其發展前景進行展望。2sd-u的應用現狀2.1線陣cd的測量80年代初期,我國已將CCD用于計量儀器,當時最典型的應用是用線陣CCD進行在線測量。CCD可以對工業產品的尺寸、位置、表面缺陷實現非接觸在線檢測及距離測定等。(1)線陣cd的測量原理測試原理:圖1表示在透鏡前方距離a處置有一被測物,其未知長度尺寸為L,透鏡后方距離b處置有線陣CCD傳感器,該傳感器總像素數目為N。首先借助光學成像法將被測物未知長度L成像在線陣CCD傳感器上,此時該焦點面的輸出信號是最強的。若照明光源由被測物方向從左向右發射,在整個視野范圍D內,將有L部分被遮擋,相應地在線陣CCD傳感器上只有N1、和N2兩個部分曝光,與其相應的像素數我們也定義成N1、和N2,根據簡單的相似三角形的關系,我們可以得出對不同尺寸的工件,線陣CCD傳感器測出不同的N1和N2。該方法已廣泛應用于工業領域的管材和線材的測量,如檢測絲帶寬度、鋼絲直徑等。利用1024位的CCD,就可以達到±0.05mm的檢測精度,檢測范圍可達0～60mm。但由于線陣CCD的長度不可能做的很長,一般在14～28mm之間。而每個像素的間距又不可能太小,一般為0.007～0.02mm,因而為了提高測量準確度,必須提高成像系統的放大倍數。這樣就限制了被測尺寸不能很大。為了解決這一矛盾,人們采取了用兩個線陣CCD的方法來測量較大的尺寸,其測試原理如圖2。由兩套光學系統和兩個線陣CCD傳感器組成測試系統,分別對工件兩端進行測量,然后計算出被測的尺寸。在被測物左右邊緣下方設置光源,經過各自的透鏡將邊緣部分成像在各自的CCD器件上,兩器件間的距離是固定的。設兩個CCD的總像素數都是N,由于兩個CCD相距很遠,其間必有某一范圍,L3是兩個CCD都監視不到的盲區。不過,在測試系統安裝完畢后,這個L3就確定了,不再改變,與L3對應的像素數N3也就確定了。我們可以用系統參數計算出L3,在檢測大批量工件時,也可以用已知的首件標定L3。設兩個CCD的視野范圍均為D,當掃描過程結束后,CCD1輸出的脈沖數是N1,CCD2輸出的脈沖數是N2,那么,我們可以由CCD的測量結果得到下式該原理典型的應用于鋼鐵廠初軋廠鋼坯測長和配尺中。在馬鋼初軋廠被測對象為130×130連軋坯,這種坯的總長在30～40m之間,溫度在1000℃左右。要求實時測量出總長,再用計算機實時對此最佳配尺并指導剪切。此外,還要求記錄剪切后的段長結果。針對上述要求,該廠采用圖3所示的測量方案。圖中:k1和k2是兩組光電開關,CCDI用來測量鋼坯的總長,CCD2用來測量鋼坯的段長。當鋼坯切頭后碰到光電開關k1時,用CCD1象機測出鋼坯的尾部長度為x0。假設k1到CCD1象機測量視場的左邊緣為L0,則總長為L1+x0。測出總長后,經過計算機配尺后,由CCD2控制剪切長度。當鋼坯的頭部碰上k2時,CCD2開始測量段長。假設CCD2測出的長度為x1,k2和剪口之間的距離為L1,則段長即為L1+x1,段長是在線實時測量、實時顯示的。當段長滿足配尺長度時,控制剪切進行剪切,并記錄剪切下來段長的長度。(2)光束偏移量的測量光學測量原理如圖4所示。當光線通過厚度為d,折射率為n的材料時,會產生兩次折射,折射的結果,光線行進的方向沒有改變,但側移了一段距離。光束側移距離x的大小與物體的厚度和折射率及光束入射角有關,而當光束入射角與玻璃折射率一定時,光束偏移量只與物體厚度有關,因此利用這個平移量便可計算出底片判讀儀透射屏的厚度。如果令光束入射角為θ,底片判讀儀透射屏折射率為n,光束偏移量為x,則據圖中各三角形及入射角及折射角關系,計算得到厚度d的公式為因此測出光束偏移量,便可以測得物體的厚度。測物厚系統見圖5。由于線陣CCD具有自掃描能力,能將一維空間的光強分布信號轉換為時間序列的電信號,電信號經后續電路處理后獲得與光束偏移量相對應的脈寬,測量出脈寬,即可得到光束偏移量其中,s為CCD單元尺寸;u計數時鐘頻率;k計數器計數值;v驅動時鐘頻率。于是便可得到被測物體的厚度。y’為預設的標定值。該方法在測量相機的平板玻璃或底片判讀儀中的投射屏厚度中得到應用。(3)傳統的cd成像檢測方法CCD物位測量方法可分為主動式方法和被動式方法。結構光方法屬于主動式方法,是指向被測目標發射可控光源(光束、光柵等),然后獲取目標圖像,通過測量模型進行物位測量的方法。對于特征不明顯的物面,可用結構光方法來形成特征點。以下介紹最常用的光束式結構光方法,這種方法的可控光源是激光光束,其結構簡單,計算方便,適應性強。圖6為在傳統的CCD物位測量方法上改進的方法圖。設激光光線與CCD中線在物面1相交,能夠得到安裝條件所允許的能達到的最大夾角θ。其中,L為CCD鏡頭中心到激光光線間的水平距離,d1、d2為物面1、物面2上的光點圖像到CCD像面中心的距離。由成像原理可得:若激光器和CCD的參數和位置確定,則參數H和Lf/H也確定。在實際工作中,由于安裝條件等的限制,常常要避免激光器、CCD的精確定位和CCD鏡頭的精確聚焦;為了簡化測量裝置以降低成本,在有些條件下(例如測量范圍較小時)可使用定焦鏡頭。因此,參數H、Lf/H的值一般通過標定方法估計出,以得到離焦模型。目前還有一些新的基于CCD的物位檢測方法。其光路系統都與傳統的方法一致。比如基于多普勒效應的CCD檢測方法,其光路系統都與傳統的方法一致。CCD物位測量方法已應用于部分化工生產線的實時測控系統,主要用于檢測反應釜內的物料位置。還可對生產現場粉狀物料進行水分檢測。2.2光學數據處理利用CCD可以進行文字識別OCR,標識識別OMR,圖像識別OPR,光譜能量檢測。(1)多通道光譜檢測CCD與可以提供二維光譜且分辨率很高的中階梯光柵結合,能夠同時采集到分布在空間的多個信號,大大地提高了全光譜的檢測效率。將CCD與計算機相結合,把同時獲得的各波長點的數據串行輸入給計算機進行處理,幾乎實時地得到全部光譜的光強分布圖。CCD多通道光譜儀已經成為光譜儀的一個重要的發展方向。基本光譜檢測原理如圖7所示。S為光源,L1、L2、L3是三透鏡系統,使入射光能量集中在狹縫D上,P是光柵,它將狹縫出射的光按波長的大小由第零級開始,從短波向長波散開,并由透鏡L4成像在后焦面上。這樣,當含有許多波長的復合光入射在光柵上時,則在其后焦面上將得到該復合光所有組分的、按波長次序排列的主最大的細亮線,即形成了衍射光譜。衍射級次k越大,色散效果越明顯,但能量也隨之下降。還有一種基于CCD的光譜儀利用棱鏡代替光柵產生色散.其光譜數據采集光路圖略。(2)存在的應用技術面陣CCD在這方面有廣泛的應用。根據不同要求,利用CCD圖像傳感器可以設計出不同的識別系統。以下介紹兩個目前成熟應用的實例。實例一:對汽車牌照進行自動識別,一般都采用計算機視覺技術與模式識別相結合,通過CCD攝像機捕獲汽車牌照圖像,其視頻信號經過A/D后進入計算機,再利用圖像處理技術和模式分類技術完成對牌照的搜索、分割和識別。該技術可廣泛應用于公安交通、存車場警衛監控、高速公路自動收費等(圖8)。目前北京市采用該方法對主干道車輛進行車牌識別,通過數據處理找出交納養路費的車輛。實例二:圖文傳真,用CCD作傳真機。圖文傳送速度較快,如用東芝公司的線陣CCD-TCD160C,可以在不到一秒鐘的內完成A4稿件的掃描(圖9)。2.3生產過程的自動化CCD應用于自動工作機械,自動售貨機,監視等裝置。本節對CCD在焊接自動化領域的應用進行詳述。(1)光路結構的設計在焊接自動化系統中,使焊槍同步跟蹤焊縫是系統設計的中心問題,其難點是電弧位置的精確測控。CCD跟蹤對象可以是輔助圖象、電弧及熔池熱場。普通CCD攝像頭的分辨可以達到0.05mm,動態跟蹤檢測精度可達0.06mm,均比采用其他方法檢測精度高出一個數量級。圖10是埋弧焊自動跟蹤系統的傳感器結構圖。傳感器由光發射和接收兩部分組成。系統中采用的線陣CCD器件被置于工件正上方,在垂直方向只接收散射光信號的光路結構。激光從激光二級管發出,經柱面透鏡,在工件表面匯聚成寬度很窄的光帶。適當選取柱面透鏡的焦距,使該光帶形成結構光。由于該光平面以一定角度入射到工件上,隨著坡口處位置高低的變化,該光帶在工件表面和坡口內部將形成一條空間曲線ABCDE。激光在工件上產生反射和散射,線陣CCD器件在垂直方向上只接收散射光。根據瑞利定律可知散射光的強度隨觀察方向變化。選擇最佳入射角,使得在垂直方向上的散射光最為理想,故確定該值為傳感器發射與接收光路間的夾角。工件表面上的散射光帶作為光源,經過圓透鏡成像。該像也為一空間曲線。當圓透鏡的焦距足夠大時,該光學系統的景深也相應較長。可認為像曲線為一平面曲線abcde。將線陣CCD放置在像平面上,使其感光部分與像曲線的直線部分ab和de重合。這樣來自工件表面的光能落在CCD上并使其感光,而坡口內的光帶所成的像bc和cd落在CCD的感光部分之外,不能使CCD對應的位置感光,由此可以提取焊縫坡口位置信息。焊縫坡口內的部分與工件表面高度差別越大的點,所成的像離CCD相應的感光部分越遠。CCD所能接收到的光也就越少,甚至接收不到光。光路中的濾光片用以增強系統抗雜光干擾的能力。采集到信號后對焊縫坡口信號進行計算機處理:圖像處理,跟蹤控制算法,焊矩高度的自適應控制等等,最終達到埋弧焊的自動跟蹤控制。(2)敏感器傳感技術機器人視覺涉及三個方面的問題,即視覺敏感器、照明、視覺信息處理的硬件和軟件。其原理比較復雜,可參見參考書1。目前用于激光掃描三角測量的視覺敏感器主要有二維面型PSD、線型PSD和CCD。高性能的CCD器件同其他類型的傳感器相比,CCD傳感器具有很多優點:a)獲取的信息量大,精度高(最高精度可以達到μm級)。可以獲得精確的幾何形狀和空間位置信息;b)檢測空間范圍大,誤差容限大(光譜響應范圍可達到380～1100nm,檢測誤差為μm級);c)具有智能化特點,可以自動檢測和選定所要檢測位置的起點和終點;d)通用性好,適合于多種機器人視覺系統;e)實時性能好。2.4跟蹤偵查動態分析CCD傳感器在軍事領域也發揮了很大作用,目前主要用于導航、自動跟蹤、偵查等。航空遙感:把高密度線陣CCD掃描系統安裝在飛機、衛星上,由飛機、衛星完成對地面的一維掃描,由CCD傳感器在飛行的垂直方向上自掃描,即可實現高分辨率的高空攝影(圖11)。3cd測量檢測。在現代技術中已出現目前,隨著大規模微細加工技術的發展,CCD像素高密度集成技術取得了突破性的進展。器件像素的中心距已做到0.004～0.007mm,線陣CCD可達5000個像素,這就為計量領域應用CCD打下了良好的基礎。CCD作為一種易于與計算機連接的傳感器,在位移檢測、運動速度測量、熱加工溫度場模擬、激光加工研究、光譜分析、無損探傷等方面都有廣泛的應用前景,尤其是數字CCD傳感器的開發,CCD傳感器與信號采集電路的大規模集成,新型快速圖象處理軟件的開發,使得CCD傳感器在工業檢測與自動控制應用中將發揮更重要的作用。CCD傳感器在焊縫跟蹤自動化系統中,已成功地應用于平面的焊縫跟蹤,在未來的發展趨勢中,運用CCD傳感器在進行船體、儲汽罐等復雜幾何形狀、三維幾何形狀的焊接跟蹤實時控制中,更易于實現焊接實時控制,而且可以實現任意形狀的焊縫實時跟蹤,將起到更重要的作用。它在三維測量系統的開發和應用,CA