國(guó)外CCD檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展
劉 征,，彭小奇，丁 劍,，唐 英
摘要： CDD圖像傳感器以其光譜響應(yīng)寬,、動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度和幾何精度高,、噪聲低、便于進(jìn)行數(shù)字化處理和與計(jì)算機(jī)連接等優(yōu)點(diǎn),，在工業(yè)測(cè)控中得到廣泛應(yīng)用,。該文簡(jiǎn)要介紹了CCD圖像傳感器的檢測(cè)原理和它在工業(yè)檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有CCD檢測(cè)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(cè)應(yīng)用中的發(fā)展方向,。
關(guān)鍵詞：
CCD圖像傳感器
Abstract：
Key words :
0引言
電荷耦合器件(Charge Couple Device，CCD)是一種以電荷為信號(hào)載體的微型 圖像傳感器,，具有光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)電荷存儲(chǔ),、轉(zhuǎn)移及讀出的功能，其輸出信號(hào)通常是符合電 視標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào),，可存儲(chǔ)于適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)或輸入計(jì)算機(jī),，便于進(jìn)行圖像存儲(chǔ)、增強(qiáng),、識(shí)別等處理［1］,。
自CCD于1970年在貝爾實(shí)驗(yàn)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(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的拍攝［2］,，并以其光譜響應(yīng)寬、動(dòng)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(dòng)、抗電磁干擾能力強(qiáng),、堅(jiān)固耐用,、壽命長(zhǎng)、圖像畸變小,、無殘像,、可以長(zhǎng)時(shí)間工作于惡劣環(huán)境、便于進(jìn)行數(shù)字化處理和與計(jì)算機(jī)連接等優(yōu)點(diǎn),，在圖像采集,、非接觸測(cè)量和實(shí)時(shí)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(cè)試技術(shù)中最活躍,、最富有成果的研究領(lǐng)域之一［1,，3］。
電荷耦合器件(Charge Couple Device，CCD)是一種以電荷為信號(hào)載體的微型 圖像傳感器,，具有光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)電荷存儲(chǔ),、轉(zhuǎn)移及讀出的功能，其輸出信號(hào)通常是符合電 視標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào),，可存儲(chǔ)于適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)或輸入計(jì)算機(jī),，便于進(jìn)行圖像存儲(chǔ)、增強(qiáng),、識(shí)別等處理［1］,。
自CCD于1970年在貝爾實(shí)驗(yàn)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(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的拍攝［2］,，并以其光譜響應(yīng)寬、動(dòng)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(dòng)、抗電磁干擾能力強(qiáng),、堅(jiān)固耐用,、壽命長(zhǎng)、圖像畸變小,、無殘像,、可以長(zhǎng)時(shí)間工作于惡劣環(huán)境、便于進(jìn)行數(shù)字化處理和與計(jì)算機(jī)連接等優(yōu)點(diǎn),，在圖像采集,、非接觸測(cè)量和實(shí)時(shí)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(cè)試技術(shù)中最活躍,、最富有成果的研究領(lǐng)域之一［1,，3］。
1CCD傳感器的檢測(cè)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(diǎn)是以電荷作為信號(hào)載體，其基本工作原理見文獻(xiàn)［4,，5］,。當(dāng)入射光照射到CC D光敏單元上時(shí)，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(shí)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)=d1sτ＋d2 (2)
式中,，f(s)為輸出信號(hào)電壓(V),；s為曝光量(lx.s)；d1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(shí)CCD的輸出電壓,，稱為暗輸出電壓。特性曲線的拐點(diǎn) G所對(duì)應(yīng)的曝光量SE稱為飽和曝光量,，所對(duì)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(hào)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),。
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(diǎn)是以電荷作為信號(hào)載體，其基本工作原理見文獻(xiàn)［4,，5］,。當(dāng)入射光照射到CC D光敏單元上時(shí)，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(shí)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)=d1sτ＋d2 (2)
式中,，f(s)為輸出信號(hào)電壓(V),；s為曝光量(lx.s)；d1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(shí)CCD的輸出電壓,，稱為暗輸出電壓。特性曲線的拐點(diǎn) G所對(duì)應(yīng)的曝光量SE稱為飽和曝光量,，所對(duì)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(hào)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),。
2CCD的應(yīng)用狀況
CCD檢測(cè)技術(shù)作為一種能有效實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤的非接觸檢測(cè)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于尺寸,、位移,、表面形狀檢測(cè)和溫度檢測(cè)等領(lǐng)域。
2.1尺寸測(cè)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(cè)量裝置，具有測(cè)量精度高,、速度快、應(yīng)用方便靈活等特點(diǎn),，是現(xiàn)有機(jī)械式,、光學(xué)式、電磁式測(cè)量?jī)x器所無法比擬的,。在尺寸測(cè)量中,，通常采用合適的照明系統(tǒng)使被測(cè)物體通過物鏡成像在CCD靶面上，通過對(duì)CCD輸出的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)處理,，提取測(cè)量對(duì)象的幾何信息,，結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)的變換特性，可計(jì)算出被測(cè)尺寸［2］,。
2.1.1零件尺寸的精確測(cè)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(cè)量機(jī)(Coordinate Meas uring Machine，CMM)上，實(shí)現(xiàn)了三維坐標(biāo)的自動(dòng)測(cè)量,。他們將一個(gè)面陣CCD安裝在與CMM的3個(gè)軸線都成45°角的固定位置,，通過計(jì)算機(jī)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(dòng)，以此探測(cè)探頭和工件的三維位置,。該方法不需要對(duì)原CMM系統(tǒng)進(jìn)行改變,，只要將CCD視覺系統(tǒng)連入原有的測(cè)量機(jī)即可。由于測(cè)量系統(tǒng)中只用一個(gè)面陣CCD,，從而簡(jiǎn)化了測(cè)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(cè)量效率,，并能避免單獨(dú)使用CCD測(cè)量時(shí)，因光衍射而造成的邊緣檢測(cè)誤差,，可用于工件三維尺寸的精確測(cè)量,。但該方法需要對(duì)工作環(huán)境和工件形狀具有一定的先驗(yàn)知識(shí)，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(dòng)測(cè)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(cè)前先由C CD在工件的前后左右和上方對(duì)工件成像,，并通過基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的立體配對(duì)算法確定工件表面位置和面積，從而決定探頭的探測(cè)路徑,。該方法的智能程度較高,，可高效測(cè)量形狀復(fù)雜工件的三維尺寸，并可根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)造工件的CAD模型,，但計(jì)算復(fù)雜,，需要使用運(yùn)算速度快、內(nèi)存容量大的計(jì)算機(jī),，且算法立體匹配精度有待提高,。
以上測(cè)量系統(tǒng)雖然因引入CCD技術(shù)而得到明顯改進(jìn)，但仍屬于接觸式測(cè)量,，無法準(zhǔn)確測(cè)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(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)一維尺寸的非接觸精確測(cè)量,。該方法采用了亞像素精度檢測(cè)技術(shù)，利用激光測(cè)距器進(jìn)行距離校正,，有效地提高了檢測(cè)精度,，其精確測(cè)量范圍為1～300 mm，但這種方法只能測(cè)量一維尺寸。P.F.Luo等認(rèn)為該系統(tǒng)經(jīng)改進(jìn)后可實(shí)現(xiàn)二維尺寸的精確測(cè)量,，因工作臺(tái)滑動(dòng)引起振動(dòng)而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)波動(dòng)也能被有效減小,，但尚未見到成功的實(shí)例。
2.1.2微小尺寸的測(cè)量
為檢測(cè)BGA(ball grid array,，球珊陣列)芯片的管腳高度是否共面,，美國(guó)RVSI公司研制出一種基于激光三角法的單點(diǎn)離線檢測(cè)設(shè)備［1］。該設(shè)備每次只能測(cè)量1個(gè)管腳,，測(cè)量速 度慢,，無法實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。1999年,，Kim,Pyunghyun［9］等人提出了一種新的立體測(cè) 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(jì)算機(jī)進(jìn)行立體匹配,，利用透視變換模型和坐標(biāo)變換關(guān)系，計(jì)算 出管腳高度和縱向間距,，再使被測(cè)芯片在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下做單向運(yùn)動(dòng),，從而實(shí)現(xiàn)三維尺寸測(cè)量，并引入電容測(cè)微儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作臺(tái)位置變動(dòng),，進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償,，有效減小了因振動(dòng)造成的誤差。2001年,，C.J.Tay,X.He［10］等人利用圖像識(shí)別和數(shù)字相關(guān)等技術(shù)簡(jiǎn)化了計(jì)算過程,，使得只需幾秒鐘便可計(jì)算上百個(gè)管腳的高度，從而有效地提高了檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)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(jiǎn)便測(cè)量BGA管腳高度的方法,。該方法利用激光對(duì)被測(cè)芯片的管腳進(jìn)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(jī)采集后，輸入計(jì)算機(jī),，由計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)影和像的相互關(guān)系計(jì)算出管腳高度，筆者提出了兩種簡(jiǎn)潔的計(jì) 算方法,，可避免因光衍射而造成的邊緣檢測(cè)誤差,，計(jì)算簡(jiǎn)單快速，但要求高精度的機(jī)械定位裝置,，且每次只能檢測(cè)幾個(gè)管腳,，而且對(duì)芯片平整度和檢測(cè)環(huán)境要求很高，還需要進(jìn)一步改進(jìn)后才能實(shí)用化。
近年來,，將CCD技術(shù)和莫爾條紋,、數(shù)字全息、電子斑點(diǎn)干涉等技術(shù)相結(jié)合以精確測(cè)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(cè)量
盡管利用線陣CCD測(cè)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(cè)量材 料拉伸的全過程，特別是測(cè)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(diǎn),，但只能測(cè)量材料拉伸時(shí)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(cè)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(shí)的形變情況,。即在圓柱 形黑色測(cè)試樣品的軸線方向等距標(biāo)定幾個(gè)白點(diǎn),，用CCD攝取相應(yīng)圖像并送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，通過檢測(cè)白點(diǎn)標(biāo)記間的距離來計(jì)算樣品受力時(shí)軸向的形變,，并通過輪廓檢測(cè)算法得到軸對(duì) 稱的圓柱型樣品的輪廓尺寸,，經(jīng)過數(shù)據(jù)校正，可計(jì)算出被測(cè)樣品半徑方向上的形變,。這種方 法可同時(shí)獲得兩個(gè)方向上的形變量,，并測(cè)量出材料被壓縮時(shí)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(shí)的形變,，解決了高溫 樣品的尺寸測(cè)量問題,，并能連續(xù)測(cè)量不同溫度下的形變量，但在低溫時(shí),，易產(chǎn)生測(cè)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(gè)CCD攝像 機(jī)攝取被測(cè)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(cè)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(jī)械磨損度測(cè)量
雖然以上方法可以測(cè)量各種工件的尺寸或形變,，但在測(cè)量某些特殊工件時(shí)卻受到許多限制。例如,，在檢測(cè)高速切割機(jī)上的刀具磨損度時(shí),，需要將刀具卸下才能測(cè)量,。為此，一些研究人 員致力于用機(jī)器視覺檢測(cè)刀具磨損程度的研究,。2000年,，T.Pfeifer和L.Wiegers［17］通過比較各種測(cè)量方法，指出基于機(jī)器視覺的檢測(cè)系統(tǒng)最具優(yōu)勢(shì)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(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在適當(dāng)位置對(duì)刀口側(cè)面成像 ,，將采集的刀具圖像信號(hào)輸入計(jì)算機(jī),，計(jì)算出刀具磨損輪廓，以此判斷刀具磨損級(jí)別,，確定刀具更換時(shí)間,。但該系統(tǒng)的圖像處理過程復(fù)雜，適應(yīng)范圍窄,，檢測(cè)精度和效率也有待提高,。2002年，JeonHa Kim等人［18］在此基礎(chǔ)上,，對(duì)誤差因素逐一進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析,，確定了最佳光線照射強(qiáng)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(dòng)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(shí),，通過采用磨損前后刀具橫向尺寸差來計(jì)算磨損度,，大大簡(jiǎn)化了圖像處理過程。對(duì)4種不同刀具的實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明,，該系統(tǒng)的測(cè)量信噪比可達(dá)到46 dB,，測(cè)量精度和速度顯著提高，并可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量,，但不適合測(cè)量幾何形狀太復(fù)雜的刀具,。
2.4三維表面測(cè)量
由于CCD傳感器能同時(shí)獲取被測(cè)表面的亮度和相位信息，因此,，將CCD和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù) 與傳統(tǒng)的三維表面非接觸光學(xué)測(cè)量方法相結(jié)合,，可實(shí)時(shí)測(cè)量物體形變、振動(dòng)和外形,。上世紀(jì) 90年代初,，Yamaguchi等人［19］在斑點(diǎn)干涉測(cè)量中使用線陣CCD測(cè)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(cè)量［19］。1996年,，B.Skarman等［20］提出了相變數(shù)字全息 測(cè)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(cè)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(shí),，只能檢 測(cè)靜物表面輪廓，不適用于實(shí)時(shí)檢測(cè)振動(dòng)和變化的表面形狀,。為此,，C.J.Tay等人［28］建立了對(duì)低頻振動(dòng)的物體表面進(jìn)行三維檢測(cè)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(jì)算機(jī)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(cè)量結(jié)果與被測(cè)物體和CCD之間的距離無關(guān),，從而減小了測(cè)量中 物體振動(dòng)時(shí)因?yàn)榫吧罡淖兌a(chǎn)生的測(cè)量誤差,。同時(shí)，采用相掃描方法逐點(diǎn)計(jì)算條紋圖樣相位,，可以實(shí)時(shí)獲取被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)頻率和振幅,，即時(shí)重建物體的表面輪廓，其測(cè)量精度可達(dá)振幅值的1／500,。但該系統(tǒng)只能測(cè)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(cè)物體的振動(dòng)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(cè)量振動(dòng)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(jiǎn)單實(shí)用,，且對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求相對(duì)較低,，但測(cè)量范圍受到CCD采集速度的限制,，對(duì)高速振動(dòng)和無規(guī)則形變的物體表面測(cè)量并不實(shí)用。
2.5高溫測(cè)量
物體的輻射光波長(zhǎng)和強(qiáng)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(cè)量。1993年,，Tenchov等人［31］采用CCD間接測(cè)量溶液表面溫度,；1995年，K.Y.Hsu和L.D.Chen［32］用可測(cè)量紅外波段的加強(qiáng)型CCD測(cè)量液態(tài)金屬的燃燒火焰溫度,，但其測(cè)量誤差達(dá)到400～200K,，缺乏實(shí)用性。此后,，利用紅外CCD測(cè)量溫度場(chǎng)成為CCD測(cè)溫研究的主流,。2001年，Takeshi Azami等人［33］利用CCD的亮度波動(dòng)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(cè)控燃燒室火焰溫度場(chǎng)的實(shí)用方法,。2003年,，G.Sutter［35］等人利用加強(qiáng)型CCD測(cè)量近似黑體的物體表面發(fā)出的某一波長(zhǎng)的單色光，以此得到物體的輻射溫度,，所得測(cè)量結(jié)果與物體的真實(shí)溫度之間的差別幾乎可以忽略不計(jì),，并將其用于測(cè)量直角高 速切割機(jī)的刀具溫度場(chǎng)，但作者未具體說明圖像處理和溫度計(jì)算方法,，也未進(jìn)行誤差分析,， 其實(shí)驗(yàn)誤差達(dá)16 ℃。這種方法測(cè)量不同范圍的溫度時(shí),，需要尋找不同的最佳波長(zhǎng),，使用頻帶很窄的濾波片獲取單一波長(zhǎng)的光輻射信號(hào)。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(chǎng)，由于當(dāng)時(shí)的CCD采集速度,、圖像處理速度和儲(chǔ)存速度都比較低,，激光干涉質(zhì)量也不高，使該方法缺乏實(shí)用性,；到19 98年,，該方法進(jìn)入實(shí)用階段，能測(cè)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.Hhmann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(duì)被測(cè)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(cè)量液體蒸發(fā)時(shí)彎月面的 溫度,。此方法可實(shí)現(xiàn)小面積的溫度測(cè)量,，但需要進(jìn)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(cè)量溫度［39］,。事實(shí)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(cè)物體表面圖像中的亮度和色度信息，并根據(jù)比色測(cè)溫原理 計(jì)算出物體的表面溫度場(chǎng),。雖然有人提出了基于CCD測(cè)溫系統(tǒng)的三維溫度場(chǎng)構(gòu)建算法［4 0］,，但直接利用彩色CCD測(cè)量溫度的儀器還處在實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段。盡管如此,，由于CCD技術(shù)能測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度,，給出二維或三維溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)非接觸高溫測(cè)量,，因此,，CCD測(cè)溫技術(shù)有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。
CCD檢測(cè)技術(shù)作為一種能有效實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤的非接觸檢測(cè)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于尺寸,、位移,、表面形狀檢測(cè)和溫度檢測(cè)等領(lǐng)域。
2.1尺寸測(cè)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(cè)量裝置，具有測(cè)量精度高,、速度快、應(yīng)用方便靈活等特點(diǎn),，是現(xiàn)有機(jī)械式,、光學(xué)式、電磁式測(cè)量?jī)x器所無法比擬的,。在尺寸測(cè)量中,，通常采用合適的照明系統(tǒng)使被測(cè)物體通過物鏡成像在CCD靶面上，通過對(duì)CCD輸出的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)處理,，提取測(cè)量對(duì)象的幾何信息,，結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)的變換特性，可計(jì)算出被測(cè)尺寸［2］,。
2.1.1零件尺寸的精確測(cè)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(cè)量機(jī)(Coordinate Meas uring Machine，CMM)上，實(shí)現(xiàn)了三維坐標(biāo)的自動(dòng)測(cè)量,。他們將一個(gè)面陣CCD安裝在與CMM的3個(gè)軸線都成45°角的固定位置,，通過計(jì)算機(jī)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(dòng)，以此探測(cè)探頭和工件的三維位置,。該方法不需要對(duì)原CMM系統(tǒng)進(jìn)行改變,，只要將CCD視覺系統(tǒng)連入原有的測(cè)量機(jī)即可。由于測(cè)量系統(tǒng)中只用一個(gè)面陣CCD,，從而簡(jiǎn)化了測(cè)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(cè)量效率,，并能避免單獨(dú)使用CCD測(cè)量時(shí)，因光衍射而造成的邊緣檢測(cè)誤差,，可用于工件三維尺寸的精確測(cè)量,。但該方法需要對(duì)工作環(huán)境和工件形狀具有一定的先驗(yàn)知識(shí)，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(dòng)測(cè)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(cè)前先由C CD在工件的前后左右和上方對(duì)工件成像,，并通過基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的立體配對(duì)算法確定工件表面位置和面積，從而決定探頭的探測(cè)路徑,。該方法的智能程度較高,，可高效測(cè)量形狀復(fù)雜工件的三維尺寸，并可根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)造工件的CAD模型,，但計(jì)算復(fù)雜,，需要使用運(yùn)算速度快、內(nèi)存容量大的計(jì)算機(jī),，且算法立體匹配精度有待提高,。
以上測(cè)量系統(tǒng)雖然因引入CCD技術(shù)而得到明顯改進(jìn)，但仍屬于接觸式測(cè)量,，無法準(zhǔn)確測(cè)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(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)一維尺寸的非接觸精確測(cè)量,。該方法采用了亞像素精度檢測(cè)技術(shù)，利用激光測(cè)距器進(jìn)行距離校正,，有效地提高了檢測(cè)精度,，其精確測(cè)量范圍為1～300 mm，但這種方法只能測(cè)量一維尺寸。P.F.Luo等認(rèn)為該系統(tǒng)經(jīng)改進(jìn)后可實(shí)現(xiàn)二維尺寸的精確測(cè)量,，因工作臺(tái)滑動(dòng)引起振動(dòng)而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)波動(dòng)也能被有效減小,，但尚未見到成功的實(shí)例。
2.1.2微小尺寸的測(cè)量
為檢測(cè)BGA(ball grid array,，球珊陣列)芯片的管腳高度是否共面,，美國(guó)RVSI公司研制出一種基于激光三角法的單點(diǎn)離線檢測(cè)設(shè)備［1］。該設(shè)備每次只能測(cè)量1個(gè)管腳,，測(cè)量速 度慢,，無法實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。1999年,，Kim,Pyunghyun［9］等人提出了一種新的立體測(cè) 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(jì)算機(jī)進(jìn)行立體匹配,，利用透視變換模型和坐標(biāo)變換關(guān)系，計(jì)算 出管腳高度和縱向間距,，再使被測(cè)芯片在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下做單向運(yùn)動(dòng),，從而實(shí)現(xiàn)三維尺寸測(cè)量，并引入電容測(cè)微儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作臺(tái)位置變動(dòng),，進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償,，有效減小了因振動(dòng)造成的誤差。2001年,，C.J.Tay,X.He［10］等人利用圖像識(shí)別和數(shù)字相關(guān)等技術(shù)簡(jiǎn)化了計(jì)算過程,，使得只需幾秒鐘便可計(jì)算上百個(gè)管腳的高度，從而有效地提高了檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)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(jiǎn)便測(cè)量BGA管腳高度的方法,。該方法利用激光對(duì)被測(cè)芯片的管腳進(jìn)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(jī)采集后，輸入計(jì)算機(jī),，由計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)影和像的相互關(guān)系計(jì)算出管腳高度，筆者提出了兩種簡(jiǎn)潔的計(jì) 算方法,，可避免因光衍射而造成的邊緣檢測(cè)誤差,，計(jì)算簡(jiǎn)單快速，但要求高精度的機(jī)械定位裝置,，且每次只能檢測(cè)幾個(gè)管腳,，而且對(duì)芯片平整度和檢測(cè)環(huán)境要求很高，還需要進(jìn)一步改進(jìn)后才能實(shí)用化。
近年來,，將CCD技術(shù)和莫爾條紋,、數(shù)字全息、電子斑點(diǎn)干涉等技術(shù)相結(jié)合以精確測(cè)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(cè)量
盡管利用線陣CCD測(cè)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(cè)量材 料拉伸的全過程，特別是測(cè)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(diǎn),，但只能測(cè)量材料拉伸時(shí)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(cè)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(shí)的形變情況,。即在圓柱 形黑色測(cè)試樣品的軸線方向等距標(biāo)定幾個(gè)白點(diǎn),，用CCD攝取相應(yīng)圖像并送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，通過檢測(cè)白點(diǎn)標(biāo)記間的距離來計(jì)算樣品受力時(shí)軸向的形變,，并通過輪廓檢測(cè)算法得到軸對(duì) 稱的圓柱型樣品的輪廓尺寸,，經(jīng)過數(shù)據(jù)校正，可計(jì)算出被測(cè)樣品半徑方向上的形變,。這種方 法可同時(shí)獲得兩個(gè)方向上的形變量,，并測(cè)量出材料被壓縮時(shí)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(shí)的形變,，解決了高溫 樣品的尺寸測(cè)量問題,，并能連續(xù)測(cè)量不同溫度下的形變量，但在低溫時(shí),，易產(chǎn)生測(cè)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(gè)CCD攝像 機(jī)攝取被測(cè)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(cè)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(jī)械磨損度測(cè)量
雖然以上方法可以測(cè)量各種工件的尺寸或形變,，但在測(cè)量某些特殊工件時(shí)卻受到許多限制。例如,，在檢測(cè)高速切割機(jī)上的刀具磨損度時(shí),，需要將刀具卸下才能測(cè)量,。為此，一些研究人 員致力于用機(jī)器視覺檢測(cè)刀具磨損程度的研究,。2000年,，T.Pfeifer和L.Wiegers［17］通過比較各種測(cè)量方法，指出基于機(jī)器視覺的檢測(cè)系統(tǒng)最具優(yōu)勢(shì)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(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在適當(dāng)位置對(duì)刀口側(cè)面成像 ,，將采集的刀具圖像信號(hào)輸入計(jì)算機(jī),，計(jì)算出刀具磨損輪廓，以此判斷刀具磨損級(jí)別,，確定刀具更換時(shí)間,。但該系統(tǒng)的圖像處理過程復(fù)雜，適應(yīng)范圍窄,，檢測(cè)精度和效率也有待提高,。2002年，JeonHa Kim等人［18］在此基礎(chǔ)上,，對(duì)誤差因素逐一進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析,，確定了最佳光線照射強(qiáng)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(dòng)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(shí),，通過采用磨損前后刀具橫向尺寸差來計(jì)算磨損度,，大大簡(jiǎn)化了圖像處理過程。對(duì)4種不同刀具的實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明,，該系統(tǒng)的測(cè)量信噪比可達(dá)到46 dB,，測(cè)量精度和速度顯著提高，并可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量,，但不適合測(cè)量幾何形狀太復(fù)雜的刀具,。
2.4三維表面測(cè)量
由于CCD傳感器能同時(shí)獲取被測(cè)表面的亮度和相位信息，因此,，將CCD和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù) 與傳統(tǒng)的三維表面非接觸光學(xué)測(cè)量方法相結(jié)合,，可實(shí)時(shí)測(cè)量物體形變、振動(dòng)和外形,。上世紀(jì) 90年代初,，Yamaguchi等人［19］在斑點(diǎn)干涉測(cè)量中使用線陣CCD測(cè)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(cè)量［19］。1996年,，B.Skarman等［20］提出了相變數(shù)字全息 測(cè)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(cè)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(shí),，只能檢 測(cè)靜物表面輪廓，不適用于實(shí)時(shí)檢測(cè)振動(dòng)和變化的表面形狀,。為此,，C.J.Tay等人［28］建立了對(duì)低頻振動(dòng)的物體表面進(jìn)行三維檢測(cè)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(jì)算機(jī)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(cè)量結(jié)果與被測(cè)物體和CCD之間的距離無關(guān),，從而減小了測(cè)量中 物體振動(dòng)時(shí)因?yàn)榫吧罡淖兌a(chǎn)生的測(cè)量誤差,。同時(shí)，采用相掃描方法逐點(diǎn)計(jì)算條紋圖樣相位,，可以實(shí)時(shí)獲取被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)頻率和振幅,，即時(shí)重建物體的表面輪廓，其測(cè)量精度可達(dá)振幅值的1／500,。但該系統(tǒng)只能測(cè)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(cè)物體的振動(dòng)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(cè)量振動(dòng)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(jiǎn)單實(shí)用,，且對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求相對(duì)較低,，但測(cè)量范圍受到CCD采集速度的限制,，對(duì)高速振動(dòng)和無規(guī)則形變的物體表面測(cè)量并不實(shí)用。
2.5高溫測(cè)量
物體的輻射光波長(zhǎng)和強(qiáng)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(cè)量。1993年,，Tenchov等人［31］采用CCD間接測(cè)量溶液表面溫度,；1995年，K.Y.Hsu和L.D.Chen［32］用可測(cè)量紅外波段的加強(qiáng)型CCD測(cè)量液態(tài)金屬的燃燒火焰溫度,，但其測(cè)量誤差達(dá)到400～200K,，缺乏實(shí)用性。此后,，利用紅外CCD測(cè)量溫度場(chǎng)成為CCD測(cè)溫研究的主流,。2001年，Takeshi Azami等人［33］利用CCD的亮度波動(dòng)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(cè)控燃燒室火焰溫度場(chǎng)的實(shí)用方法,。2003年,，G.Sutter［35］等人利用加強(qiáng)型CCD測(cè)量近似黑體的物體表面發(fā)出的某一波長(zhǎng)的單色光，以此得到物體的輻射溫度,，所得測(cè)量結(jié)果與物體的真實(shí)溫度之間的差別幾乎可以忽略不計(jì),，并將其用于測(cè)量直角高 速切割機(jī)的刀具溫度場(chǎng)，但作者未具體說明圖像處理和溫度計(jì)算方法,，也未進(jìn)行誤差分析,， 其實(shí)驗(yàn)誤差達(dá)16 ℃。這種方法測(cè)量不同范圍的溫度時(shí),，需要尋找不同的最佳波長(zhǎng),，使用頻帶很窄的濾波片獲取單一波長(zhǎng)的光輻射信號(hào)。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(chǎng)，由于當(dāng)時(shí)的CCD采集速度,、圖像處理速度和儲(chǔ)存速度都比較低,，激光干涉質(zhì)量也不高，使該方法缺乏實(shí)用性,；到19 98年,，該方法進(jìn)入實(shí)用階段，能測(cè)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.Hhmann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(duì)被測(cè)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(cè)量液體蒸發(fā)時(shí)彎月面的 溫度,。此方法可實(shí)現(xiàn)小面積的溫度測(cè)量,，但需要進(jìn)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(cè)量溫度［39］,。事實(shí)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(cè)物體表面圖像中的亮度和色度信息，并根據(jù)比色測(cè)溫原理 計(jì)算出物體的表面溫度場(chǎng),。雖然有人提出了基于CCD測(cè)溫系統(tǒng)的三維溫度場(chǎng)構(gòu)建算法［4 0］,，但直接利用彩色CCD測(cè)量溫度的儀器還處在實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段。盡管如此,，由于CCD技術(shù)能測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度,，給出二維或三維溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)非接觸高溫測(cè)量,，因此,，CCD測(cè)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(jī)械與計(jì)算機(jī)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(cè)試技術(shù)領(lǐng)域,。事實(shí)上，凡可用膠卷和光電檢測(cè)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(jìn)步，CCD圖像傳感器的性能也在迅速提高,，將CCD技術(shù),、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量方法相結(jié)合，能獲取被測(cè)對(duì)象的更多信息,，實(shí)現(xiàn)快速,、準(zhǔn)確的無接觸測(cè)量，顯著提高測(cè)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(diǎn)而在工業(yè)測(cè)控、機(jī)器視覺,、多媒體技術(shù),、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其他許多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用,。
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(jī)械與計(jì)算機(jī)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(cè)試技術(shù)領(lǐng)域,。事實(shí)上，凡可用膠卷和光電檢測(cè)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(jìn)步，CCD圖像傳感器的性能也在迅速提高,，將CCD技術(shù),、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量方法相結(jié)合，能獲取被測(cè)對(duì)象的更多信息,，實(shí)現(xiàn)快速,、準(zhǔn)確的無接觸測(cè)量，顯著提高測(cè)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(diǎn)而在工業(yè)測(cè)控、機(jī)器視覺,、多媒體技術(shù),、虛擬現(xiàn)實(shí)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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