基于固體光電成像器件的異性工件幾何尺寸測(cè)量方法研究

1、理學(xué)院光電成像器件原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)學(xué) 號(hào)：專 業(yè)： 學(xué)生姓名： 任課教師： 2015年10月基于固體光電成像器件的異性工件幾何尺寸測(cè)量方法研究摘 要： 本文對(duì)固體成像器件進(jìn)行了介紹及分類，歸納了一些最新的研究成果，并且對(duì)于CCD的原理進(jìn)行了描述，討論利用線陣CCD圖象測(cè)量方法。配備Z、Y二維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)及繞Z軸回轉(zhuǎn)數(shù)顯工作臺(tái),對(duì)異形回轉(zhuǎn)體工件進(jìn)行尺寸測(cè)量 ,并給出了試驗(yàn)結(jié)果。最后對(duì)固體成像器件的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。關(guān)鍵詞：固體成像；線陣CCD；原理；異形工件測(cè)量Geometrical dimensions of the workpiece based on solid optical

2、 imaging deviceMeasurement method researchSUN Xu-guangCollege of science,HEUAbstract: In this paper, the solid imaging device are introduced and classified, summed up some of the latest research results, and on the principle of CCD is described, using linear CCD image measurement method. Equipped wi

3、th Z, Y two-dimensional motion workbench and around the Z axis rotation digital display table, the abnormity of rotors workpiece size measurement, and gives the test results. Finally, the solid imaging device application prospect and development trend is forecasted.Keywords：Solid imaging ; Linear CC

4、D；Principle ; Special-shaped workpiece measurement1. 固體成像器件及CCD簡(jiǎn)介1.1 固體成像器件的基本介紹固體成像器件不需要在真空玻璃殼內(nèi)用靶來完成光學(xué)圖像的轉(zhuǎn)換，再用電子束按順序進(jìn)行掃描獲得視頻信號(hào)；與真空成像器件不同，固體成像器件本身就能完成光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換、信息儲(chǔ)存和按順序輸出視頻信號(hào)的全過程。固體成像器件總共分為兩大類，分別為電荷耦合器件簡(jiǎn)稱CCD和自掃描光電二極管列陣，簡(jiǎn)稱SSPD，又稱MOS圖像傳感器。隨著超大規(guī)模集成電路工藝的進(jìn)展，CCD不僅研究水平不斷提高，陣列元素不斷增多，其性能越來越好，而且更重要的是CCD芯片的成品率不斷提

5、高，其價(jià)格大幅度下降，從而使CCD的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。現(xiàn)已取代攝像管，成為最常見的圖像傳感器。它可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是:1.體積小重量輕;2.功耗小，工作電壓低，抗沖擊與震動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng);3.靈敏度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大;4.響應(yīng)速度快，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像;5.應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。CCD今后的發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)一步微型化、高速、高靈敏度、多功能化。隨著CCD性能的進(jìn)一步提高，價(jià)格進(jìn)一步降低，應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來越大，將CCD用于測(cè)量、控制、攝影等方面的研究也會(huì)不斷擴(kuò)大

6、。1.2 CCD的基本工作原理CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，不同于其它大多數(shù)傳感元件以電流或電壓為信號(hào)，CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD工作基本過程是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和測(cè)量。構(gòu)成CCD的基本單元是SOS(金屬一氧化物一半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)。 圖1.單個(gè)CCD柵極電壓變化對(duì)耗盡區(qū)的影響如圖1所示，在柵極G施加正偏壓Uc之前，P型半導(dǎo)體中空穴(多數(shù)載流子)的分布是均勻的。當(dāng)柵極施加正偏壓Uc(此時(shí)U。小于P型半導(dǎo)體的閡值電壓U,h)后，空穴被排斥，產(chǎn)生耗盡層，如圖2-8 (b)所示。偏壓繼續(xù)增加，耗盡層將進(jìn)一步向半導(dǎo)體體內(nèi)延伸。當(dāng)Uc>Ucn時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面

7、上的電勢(shì)(常稱為表面勢(shì))變得如此之高，以至于將半導(dǎo)體體內(nèi)的電子(少數(shù)載流子)吸引到表面，形成一層極薄的但電勢(shì)濃度很高的反型層，如圖1-(c)所示。反型層電荷的存表明了hOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。然而，當(dāng)柵極電壓由零突變到高于闌值電壓時(shí)，輕摻雜半導(dǎo)體中的少數(shù)載流子很少，不能立即建立反型層。在不存在反型層的情況下，耗盡區(qū)將進(jìn)一步向體內(nèi)延伸，而且，柵極和襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)上。如果隨后可以獲得少數(shù)載流子，那么耗盡區(qū)將收縮，表面勢(shì)下降，氧化層上的電壓增加。通過觀察圖2中CCD四個(gè)彼此靠得很近的電極，可以理解CCD中勢(shì)阱及電荷如何從一個(gè)位置移到另一個(gè)位置。假定開始時(shí)有一些電荷存儲(chǔ)在偏壓為lO

8、V的第一個(gè)電極下面的深勢(shì)阱里，其他電極上均力GI有大于I=值的較低電壓。設(shè)圖2(a)為零時(shí)刻。經(jīng)過t，時(shí)刻后，各電極上的電壓變?yōu)槿鐖D2(b)所示，第一個(gè)電極仍保持為IOV,第二個(gè)電極上的電壓由2V變到 lOV，因這兩個(gè)電極靠得很緊，它們各自的對(duì)應(yīng)勢(shì)阱將合并在一起，原來在第一個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢(shì)阱所共有，如圖2(b)和圖2(c)。若此后電極上的電壓變?yōu)槿鐖D2(d)所示，第一個(gè)電極電壓由lOV變?yōu)?V，第二個(gè)電極電壓仍為lOV，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二電極下面的勢(shì)阱中，如圖2(e)。由此可見，深勢(shì)阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。圖2由此原理，如果我們對(duì)A, B, C三相加以按時(shí)序變化的時(shí)鐘

9、脈沖電壓，則電極下面的勢(shì)阱也會(huì)按時(shí)序變化，電荷包也會(huì)從一端傳送到另一端。最后通過一個(gè)反偏電壓輸出二極管收集電荷并送入一前置放大器。從上述原理可見，CCD器件就是一個(gè)移位寄存器。它需要用光學(xué)成像系統(tǒng)將景物圖像成在CCD的像敏面上。像敏面將照在每一像敏單元上的圖像照度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)載流子密度信號(hào)存儲(chǔ)于像敏單元(SOS電容)中。然后，再轉(zhuǎn)移到CCD的移位寄存器中，在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下順序的移出器件，成為視頻信號(hào)。2. CCD測(cè)量工件2.1測(cè)量方法本文針對(duì)異型回轉(zhuǎn)體零件輪廓尺寸的檢測(cè)進(jìn)行研究, 工件尺寸為 R =100 mm 到 R =120 mm 的變化范圍的異形回轉(zhuǎn)體零件?？紤]零件尺寸較大 ,如采用

10、全視場(chǎng)的接收工件圖象,CCD 采集到的是一個(gè)縮小倍率很大的像 ,這將引入較大誤差。圖 3所示的一種測(cè)量方案,利用對(duì)工件輪廓邊緣進(jìn)行局部檢測(cè)，將提高圖象測(cè)量系統(tǒng)的分辨率和精度, 有效的滿足了測(cè)量精度的要求, 圖象檢測(cè)裝置如圖3所示：圖3 異形回轉(zhuǎn)體外輪廓圖象測(cè)量系統(tǒng)這套測(cè)量系統(tǒng)包括: 高精度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、光電軸角編碼器、二維機(jī)械傳動(dòng)裝置、兩坐標(biāo)直線位移傳感器、PC 計(jì)算機(jī) 、線陣 CCD( 5000 線)、圖象采集卡 、接口卡 、 He-Ne 激光器 。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)工作如下: 設(shè)置一個(gè)沿 Z 、Y 方向二維運(yùn)動(dòng)數(shù)顯工作臺(tái), 其位移分辨率為0 . 5 m , 由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使其完成沿水平方向和垂直方

11、向的運(yùn)動(dòng), 二維工作臺(tái)上安裝一回轉(zhuǎn)精度為 0 . 02 ( ) 的高精度氣浮回轉(zhuǎn)臺(tái) ,可繞 Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng), 工件安裝在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上 ,這樣就可完成工件沿 Z 、Y 方向的運(yùn)動(dòng)及繞 Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng), He-Ne 激光器及 CCD 分別置于工作臺(tái)兩側(cè),使激光光斑成象于 CCD 器件的中央象元區(qū)間, 此時(shí)的 CCD 輸出信號(hào)如圖 4(a) 所示, 當(dāng)移動(dòng)工件輪廓邊緣 A 點(diǎn)于激光光斑處,使其邊緣輪廓成象在 CCD 上時(shí), 其輸出信號(hào)將改變?yōu)槿鐖D 4(b) 所示 ,圖中橫坐標(biāo) pix 為 CCD 像元數(shù), 縱坐標(biāo)為 CCD圖4.CCD 輸出信號(hào)由計(jì)算機(jī)記錄光柵位移傳感器當(dāng)前點(diǎn) A(x , y) 的位移量以

12、及 CCD 象元輸出量,得到該點(diǎn)的位置 ,工件繞 Z 軸旋轉(zhuǎn) ,由光電編碼器控制按等間隔采樣 ,這樣工件同一剖面的實(shí)際輪廓尺寸誤差值將直接反映到 CCD 象元上, 通過 CCD 象元的輸出量及物距、象距等關(guān)系便可計(jì)算出該工件 A 點(diǎn)剖面的二維實(shí)際尺寸, 當(dāng)移動(dòng)工件 B 點(diǎn)于 CCD 視場(chǎng)內(nèi) ,再由位移傳感器記錄下 B(x , y) 點(diǎn)的位置量,旋轉(zhuǎn)工件一周, 計(jì)算出 B 點(diǎn)剖面的實(shí)際輪廓尺寸 。重復(fù)以此,便可測(cè)量出工件三維輪廓的實(shí)際尺寸。試驗(yàn)過程中應(yīng)用標(biāo)定 CCD 尺寸當(dāng)量的方法,可消除部分系統(tǒng)誤差。2.2輪廓邊緣檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理在機(jī)器視覺 、文字識(shí)別、圖象測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)圖象分析等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中

13、,圖象可視為具有不同灰度級(jí)的兩類區(qū)域 ,所謂邊緣是指周圍象素灰度有階躍變化的那些象素的集合,從灰度級(jí)圖象出發(fā), 選取一個(gè)合適的閾值,以確定每一圖象點(diǎn)應(yīng)屬于目標(biāo)還是背景, 閾值的選取對(duì)邊緣檢測(cè)和圖象的二值化非常重要。邊緣檢測(cè)的最終目的是根據(jù)引起強(qiáng)度變化的物理過程來表示一個(gè)圖象的強(qiáng)度變化,強(qiáng)度變化是通過強(qiáng)度函數(shù)的微分來檢測(cè)的 ,一次強(qiáng)度微分的局部最大值和二次強(qiáng)度微分的零交叉點(diǎn)是兩個(gè)通常使用的特征, 這些微分運(yùn)算的結(jié)果描述了一幅圖象強(qiáng)度變化的邊緣特性。被測(cè)對(duì)象經(jīng)過 CCD 獲得的原始測(cè)量數(shù)據(jù)往往帶有高頻噪聲,微分的作用相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器 ,因此對(duì)原始數(shù)據(jù)直接進(jìn)行微分通常是不適用的 ,在邊緣檢測(cè)的數(shù)

14、據(jù)處理中 ,我們采用 Marr邊緣檢測(cè)算子對(duì)圖象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。G 代表二維 Gauss 分布函數(shù):強(qiáng)度變化是通過強(qiáng)度函數(shù)的微分來檢測(cè)的,一次強(qiáng)度微分的局部最大值和二次強(qiáng)度微分的零交叉點(diǎn)是兩個(gè)通常使用的特征, 這些微分運(yùn)算的結(jié)果描述了一幅圖象強(qiáng)度變化的邊緣特性。Marr 算子的方法是首先對(duì)原始圖象作最佳平滑, 濾除高頻噪聲 ,然后再用Laplacian 算子對(duì)平滑的結(jié)果用提取零交叉點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)邊緣提取, 零交叉點(diǎn)是利用圖象的二階導(dǎo)數(shù)特性的邊緣檢測(cè)算法, 對(duì)階躍邊緣二階導(dǎo)數(shù)在邊緣點(diǎn)出現(xiàn)零交叉, 即邊緣點(diǎn)的兩旁導(dǎo)函數(shù)取異號(hào), 確定零交叉點(diǎn)的位置,即可實(shí)現(xiàn)邊緣定位,如圖5所示 。圖5圖中橫坐標(biāo) pix

15、 為 CCD 像元數(shù), 縱坐標(biāo) F(x)為CCD 采集到的信號(hào)灰度值 。f(x)表示為光強(qiáng)函數(shù),從 M( x)可求得了零交叉點(diǎn)的位置, 利用最小二乘擬合方法, 擬合以零交叉點(diǎn)為中心的鄰域內(nèi)的 M( n)曲線方程, 并由此解出使M(x)=0的確定位置。當(dāng)物體足夠大時(shí), M(x)可以看作兩個(gè) 單獨(dú)的高斯分布函數(shù)的導(dǎo)數(shù)之和 ,將第一項(xiàng)在 x 0 點(diǎn)按泰勒級(jí)數(shù)展開: 當(dāng)時(shí), M(x)可以看作直線, 可用一階多項(xiàng)式近似表示 ,方程( 4)可寫為: 0 + 1 x =0設(shè): (x -j , M -j), ( x -j+ 1 , M-j+ 1), , ( x 0 , M 0), , ( x j- 1 , M

16、j- 1), ( x j , M) 是初步判斷所得的零交叉點(diǎn)為中心的 2i +1 組點(diǎn),由最小二乘法解得系數(shù) 0 、 1 ,代入方程( 8),解得零交叉點(diǎn)位置 : 式中 : 直接由離散的 CCD 數(shù)據(jù)求出的零交叉點(diǎn)只能以象元作為最小分辨率 , M arr 方法采用算子濾波圖象后 ,用最小二乘擬合估計(jì)定位算法能獲得亞象元的定位精度 。2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用圖3所示測(cè)量系統(tǒng), 當(dāng)工件在 Y 方向上移動(dòng) 10 m 位移時(shí), CCD 象元對(duì)應(yīng)輸出變化三個(gè)象元素的分辨率情況下 ,對(duì)工件繞 Z 軸每 30° 間隔采樣一次, 完成一周 12 次的采樣;圖6.橫截面 A 、B 誤差曲線圖7.橫截面 A

17、、B 的公差帶、理論輪廓及測(cè)量誤差曲線再由從 A點(diǎn)至 B 點(diǎn)到C 點(diǎn)的 90° 方向每 15° 采樣一次 。總計(jì) 72 次采樣即可得到該零件三維尺寸的測(cè)量全部數(shù)據(jù) ,建立其三維曲線圖 。圖 6 所示為分別在 A 點(diǎn)、B 點(diǎn)所在截面采樣得到的二維誤差曲線圖 。圖7(a)、7(b) 所示則為橫截面 A 、B 的公差帶、理論輪廓及測(cè)量所得誤差曲線 。3.CCD的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)CCD技術(shù)是集光學(xué)、電子學(xué)、精密機(jī)械學(xué)及微計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的綜合的新興技術(shù), 應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。發(fā)展現(xiàn)狀:(1)計(jì)量檢測(cè): 對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的尺寸、位置、表面缺陷實(shí)現(xiàn)非接觸在線檢測(cè),距離測(cè)定等;(2)光學(xué)信息處

18、理: 光學(xué)文字識(shí)別OCR ,標(biāo)識(shí)識(shí)別OMR, 圖形識(shí)別OPR ,光 譜能量檢測(cè);(3) 生產(chǎn)過程自動(dòng)化: 自動(dòng)工 作機(jī)械,自動(dòng)售貨機(jī),監(jiān)視裝置等;(4)軍事:導(dǎo)航,自動(dòng)跟蹤,偵察等。未來發(fā)展趨勢(shì)：(1)像面尺寸向集成化、輕量化方向發(fā)展 由于光刻機(jī)的進(jìn)步,在仍保持具有很高靈敏度的特性下,CCD傳感器的尺寸向1󰃗2英寸、1󰃗3英寸、1󰃗4英寸、1󰃗5英寸的方向發(fā)展。(2)向高像素?cái)?shù)、多制式發(fā)展 各種CCD傳感器的像面尺寸在減少,但其像素?cái)?shù)在增加,甚至出現(xiàn)超過百萬像素的CCD傳感器。為提高水平和垂直方向的分辨能力,已從通常的隔行掃描向逐行掃描格式發(fā)展。(3)降低CCD傳感器的工作電壓、減少功耗 初期研制的CCD攝像機(jī)有+24V、+22V、+17V和+5V等,目前通用的為+12V。為配合PC攝像機(jī)和網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸?shù)膽?yīng)用,逐步以+12V和+5V為主。(4)提高CCD攝像機(jī)的制造效率 為了降低CCD攝像機(jī)的制造成本,實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化生產(chǎn),制造廠家追求緊密性結(jié)構(gòu),致力于CCD攝像機(jī)的小型化。到目前為止,已實(shí)現(xiàn)多層板的MultiChip Module(MCM)多芯片集成模組化制造技術(shù)。(5)CCD攝像機(jī)的數(shù)字化在