CCD侧尺寸

CCD侧尺寸 南 京 工 业 大 学 论文题目:基于线性课程名称:现代测试技术代课老师:程明霄 学生姓名:许松松 学 号: 导师姓名:梅 CCD的尺寸测量 602081101043(代号51) 雪 1 摘要 基于CCD 的尺寸测量一般采用非接触测量方式。由于 CCD 器件具有精度高、 动态性能好、便于同计算机组成高性能测控系统等特点,它被广泛应用于各种加 工件的在线检测和高精度、高速度的检测技术领域。采用CCD 器件进行尺 寸 测量时,被测尺寸大小不同,所采用的检测 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 及相应产生的测量误差也不同。 关键词:CCD 尺寸测量 误差分析 Abstract In size measurement based on CCD, non-contact measurement method is commonly used. CCD is widely used in the measurement of all kinds of mechanical parts and precise detection technology with high speed, because it has high precision, good dynamic performance and is easy to be connected to computers. In the measurement with CCD, detection schemes and corresponding measurement errors vary according to the size of what is measured. In this paper, guided by CCD one-dimensional size measurement principles, measurement schemes and correspondent measurement errors are analyzed and specific formulas are given. Key words: CCD size measurement error analysis 2 第一章 绪 论 ........................................... 4 1.1 CCD简 介 ........................................................................................................................... 4 1.2 CCD功能特性及特 点 ....................................................................................................... 4 1.3 CCD分 类 ........................................................................................................................... 4 1.4 CCD的应用领 域 ............................................................................................................... 5 1.5 CCD图像传感器的发展趋 势 ....................................................................................... 5 第二章 CCD基本工作原理 .................................. 6 2.1 光电转换及电荷的存 储 ............................................................................................... 6 2.2 电荷的耦合及转 移........................................................................................................ 6 2(3 电荷的读 出 ................................................................................................................... 8 CD的尺寸测量 ......................... 10 第三章 基于线性C 3(1 基于线性CCD的尺寸测量原 理 ................................................................................. 10 3(2 测量方案及误差分 析 ................................................................................................... 10 3.2. 1 微小尺寸测量 ................................................................................................... 11 3. 2. 2 一般尺寸测 量 ................................................................................................... 12 3. 2. 3 较大尺寸测 量 ..................................................................................................... 12 3.2.4大尺寸测 量 ............................................................................................................ 14 3.3 结 论 ............................................................................................................................... 15 参考文献 ................................................ 16 3 第一章 绪 论 1.1 CCD简介 CCD，英文全称:Charge-coupled Device，中文全称:电荷耦合元件。可以称 为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素(Pixel)。一块CCD上包含的像素数越多， 其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素 转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变 成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的 电容。 1.2 CCD功能特性及特点 CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，实现图像的获取、存储、 传输、处理和复现。 其显著特点是: (1)体积小重量轻; (2)功耗小，工作电压低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长; (3)灵敏度高，噪声低，动态范围大; (4)响应速度快，有自扫描功能，图像畸变小，无残像; (5)应用超大规模集成电路工艺技术生产，像素集成度高，尺寸精确，商品 化生产成本低。因此，许多采用光学方法测量外径的仪器，把CCD器件作为光电接收器。 1.3 CCD分类 CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需相数由CCD芯片内部结构决定，结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。线阵CCD有单沟道和双沟道之分，其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，特点是处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制，但获取信息量小，不能处理复杂的图像。面阵CCD的结构要复杂得多，它由很多光敏区排列成一个方阵，并以一定的形式连 4 接成一个器件，获取信息量大，能处理复杂的图像。 1.4 CCD的应用领域 (1) 小型化黑白、彩色TV摄像机。 (2) 传真通讯系统。 (3) 光学字符识别。 (4) 工业检测与自动控制。 (5) 医学标本分析与检测(如血细胞分析仪)。 (6) 天文观测。 (7) 军事上应用。 1.5 CCD图像传感器的发展趋势 CCD图像传感器经过30多年的发展,从最初简单的8像元移位寄存器发展至今,已具有数百万至上千万像元。由于CCD图像传感器具有很大的潜在市场和广阔的应用前景,因此,近年来国际上在这方面的研究工作进行得相当活跃,很多国家均投入了大量的人力、物力和财力,在CCD图像传感器的研究和应用方面取得了瞩目的成果。 从目前CCD技术的发展趋势来看,主要有以下几个方向: (1)高分辨率。 (2)高速度。 (3)微型、超小型化。 (4)新型器件结构。 (5)微光CCD。 (6)多光谱CCD器件。 5 第二章 CCD基本工作原理 和其它大多数电子器件不同的是，电荷耦合器件CCD是以电荷作为信号，而不是以电流或者电压作为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和读出。 2.1 光电转换及电荷的存储 CCD是由许多光敏像元组成的。每一个像元就是一个MOS(金属,氧化物,半导体)电容器，参看图2.1。在P型硅衬底上通过氧化形成一层SiO2，再 图2.1 CCD基本结构示意图 在SiO2表面蒸镀一金属层(多晶硅)作为电极。P型硅中的多数载流子是带正电荷的空穴，少数载流子是带负电荷的电子。当电极上施加正电压时，其电场能够透过SiO2绝缘层对这些载流子进行排斥或吸引。于是，带正电荷的空穴被排斥到远离电极处，带负电荷的电子被吸引到紧靠SiO2层的表面上来。这种现象便形成了对电子而言的陷阱，电子一旦进入就不能复出，故又称为电子势阱。 当一束光线投射到MOS电容上时，光子穿过多晶硅电极及SiO2层，进入P型硅衬底，光子的能量被半导体吸收，产生电子,空穴对，这时出现的电子被吸引并储存在势阱中。射入的光线越强，势阱中收集的电子就越多，从而实现了光和电的转换。而势阱中的电子处于被储存状态，即使停止光照，一定时间内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。 2.2 电荷的耦合及转移 CCD除了能储存电荷之外，还具有转换图像信息电荷的能力，故又称为动 6 态移位寄存器。为了实现信号电荷的转移，首先必须使MOS电容阵列的排列足够的紧密(间隔小于)，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。其次，根据加在MOS电容上的电压越高，产生的势阱越深的原理，通过控制相邻MOS电容栅极电压的高低来调节势阱的深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深的地方。此外还必须指出，在CCD中，电荷的转移必须按照确定的方向进行。为此，在MOS阵列上所加的各路电压脉冲(即时钟脉冲)必须严格满足相位的要求，使得任何时刻势阱的变化总是朝着一个方向。例如，电荷是向右转移，则任何时刻当存有信号的势阱抬起时，在它右边的势阱总比左边的深，这样就保证了电荷始终向右转移。 为了实现这种定向转移，在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位。将每一位中的电容栅极分别接到各自共同电极上，此共同电极称为相线。例如，把MOS线阵电容划分成相邻三个为一单元，其中第1，等电容的栅极连接到同一根相线上，第2，连接到第二根共同相线上，第3，连接到第三根共同相线上。如图2.2(b)所示。显然，一位CCD中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。二相脉冲的两种脉冲相位差为 ;三相脉冲及四相脉冲的相位差分别为和。当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。 图2.2所示为三相CCD中的两位。如果在每一位的三个电极上都加上图2.2(a)所示的脉冲电压，则可实现电荷的转移。具体工作过程如图2.2(b)所示。图中取表面势增加的方向向下。在t = t1时，φ1处于高电平，而φ2、φ3处于低电平。由于φ1电极上的栅压大于开启电压，故在φ1电极下形成势阱。假设此时有外来的电荷注入，则电荷将积聚到φ1电极下;当t = t2时，φ1、φ2同时处于高电 平，φ3处于低电平。故在φ1、φ2电极下都形成势阱。由于这两个电极靠得很近，电荷就从φ1电极下耦合到φ2电极下;当t = t3时，φ1上的栅压小于φ ，电荷更多地流向φ2电极下;当2上的栅压。故φ1电极下的势阱变“浅”t = t4 时，φ1、φ3都处于低电平，只有φ2处于高电平。故电荷全部聚集到φ2的电极下，实现了电荷从电极φ1到φ2下的转换;经过同样的过程，当t = t5时，电荷 7 包又耦合到φ3电极下;依次类推。因此，CCD在时钟脉冲的控制下，势阱的位置可以定向移动，信号电荷也就随之转移。 图2.2(a) 三相转移电压 图2.2(b) 电荷转移过程 2(3 电荷的读出 通常CCD信号电荷的读出采用选通电荷积分器结构。以三相CCD为例，其电荷读出原理如图2.3所示。 信号电荷包在外加驱动脉冲的作用下，在CCD移位寄存器中按顺序传送到输出级。当电荷包进入最后一个势阱(φ3下面)中时，复位脉冲φR为正，场效应管T1导通，输出二极管D处于很强的反向偏置之下，其结电容CS被充电到一 8 个固定的直流电平上，于是源极跟随器T2的输出电平被复位到一个固定的且略 低于VCC的电平上，此电平称为复位电平。当φR正脉冲结束后，T1截止，由于T1存在一定的漏电流，这漏电流在T1上产生一个小的管压降，使输出电压有一个 下跳，其下跳值称为馈通电压。当φR为正时，φ3也处于高电位，信号电荷被转 移到φ3势阱中，由于输出栅压VOG是一个比φ3低的正电位，因此信号电荷仍被 保存在φ3势阱中，但随着φR正脉冲结束，并变得低于VOG时，这时信号电荷进 入CS后，立即使A点电位下降到一个于信号电荷量成正比的电位上，即信号电 荷越多，A点电位下降越多。与此响应，T2输出电平Vo也跟随下降，其下降 幅度 才是真正的信号电压，CCD输出信号波形如图2.3(b)所示。 图2.3 CCD的工作原理 9 第三章 基于线性CCD的尺寸测量 3(1 基于线性CCD的尺寸测量原理 基于CCD 器件的尺寸测量采用的是光成像法,其测量原理如图3.1所示: 该系统包括光源,CCD 传感器、CCD 视频信号处理模块、单片机控制与被测工件尺寸显示模块等。 图3.1 原理图 其工作原理为:光照射在被测工件上,将被测工件成像于CCD 器件光敏面上,CCD 器件被光照射部位将产生光生电荷,通过后置电路对光生电荷进行采集,将采集的CCD 信号输出到模拟信号处理模块;模拟信号处理模块对信号进行滤波、箝位、二值化等处理后得到反映被测工件尺寸大小的数字信号;经计算机对数字信号进行前后边沿提取,把数字信号转化为反映尺寸大小的脉冲计数值,并通过软件处理后,进行被测尺寸显示,从而完成对被测工件尺寸的测量。 3(2 测量方案及误差分析 采用CCD 器件进行尺寸测量时,随着被测尺寸大小的不同,测量方案也有所有不同,相应的,对测量误差分析也不一样。 (1) 微小尺寸测量: L?1 mm ; (2) 一般尺寸测量: 1 mm<L? b ; 10 (3) 较大尺寸测量: b<L< 2b ; (4) 大尺寸测量: 2b< L 。 3.2. 1 微小尺寸测量 当被测尺寸L< 1mm 时,如果采用通过光照,直接读出反映被测尺寸大小的电荷信号的测量方法,则产生很大的测量误差。最好的测量方案是:用线阵CCD 测量光对微小尺寸工件的衍射条纹,再经过低通滤波、高速数据采集后送入计算机，通过软件计算获得被测工件的尺寸。 (1) 测量原理 图3.2 为微小尺寸激光衍射测量原理图。它由氦氖激光器射出的激光束入射到被测微小工件上,在距工件一定距离处产生如图3.2所示衍射条纹,CCD接受衍射条纹,产生与之相应的输出信号,经计算机后置处理达到测量目的。 图3.2 微小尺寸测量原理图 根据Fraunhofer衍射公式可得 : (1) 式中: L 为被测工件尺寸;k 为暗纹级数;λ为激光波长;X 为被测工件到CCD 的距离; 为第k级暗纹到中央亮纹中心的距离;α为被测工件到第k级 ,即可根据公式(1)计算出被测暗纹的连线与光线主轴的夹角。通过CCD 测量 11 工件尺寸。 (2) 误差分析 当α很小时,sinα= tanα= / X ,则L = kλ X/ ，全微分可得误差为: (2) 由于λ的测量精度很高,所以Δλ项可以忽略,则 (3) 故工件尺寸测量差主要由X 和 可以实现微小尺寸的精确测量。 两项决定,通过提高X 和 测量精度, 3. 2. 2 一般尺寸测量 (1)测量原理 当被测工件尺寸L 满足1mm < L < b 时,可以采用平行光成像法进行测量, 该测量方案相对比较简单,只需要通过计数器检测出被工件挡光部分CCD光敏元长度,即可测出被测工件尺寸。 设工件被测尺寸为L，CCD 挡光部分所插入的计数器脉冲数为N ,脉冲当量为s ,则 (4) 式中,θ为平行光线与CCD光敏面法线之间的夹角。 (2)误差分析: 由式(4)可知,测量误差ΔL 为 : (5) Δs 与CCD 的像敏元尺寸及像敏元件中心距精度相关,一般可以达到μm 级;ΔN 与所选用的计数器有关,也可以达到很高精度, 所以, 该方案能够实现高精度尺寸测量。 3. 2. 3 较大尺寸测量 当被测尺寸大于CCD 感光面尺寸时,有两种测量方案: (1) 缩小成像直接测量法 测量原理与一般尺寸测量相同,这时在CCD 与被测工件之间放置一面透镜, 12 实现被测尺寸缩小成像在CCD光敏面上,达到测量目的。 式中,β为透镜放大倍数。 其测量误差为 : (6) (7) 一般地, 透镜放大倍数误差很小, 可以忽略,θ?0;则 : (8) (2)采用CCD 拼接技术测量法 采用市场上的线阵CCD在显微镜下将其首尾拼在一起,实现机械拼接, 这种方法工艺简单,易于实现。但是,由于线阵CCD器件的两端各有若干个虚设备单元,而且,商品化的CCD器件除了虚设单元外,还有其他电路、引线和封装结构, 使得机械拼接不可能使两个线阵CCD的有效像元首尾完全搭接成一条直线, 总是存在的搭接间隙,但其在大尺寸、高精度测量方面仍具有重要意义。 1)测量原理 采用拼接方案实现大尺寸测量其原理如图3.3所示,只是成像CCD由CCD1和CCD2 经过机械拼接而成。 图3.3 拼接方法测量大尺寸原理图 设N1、N2分别为被测件的像遮挡的CCD1、CCD2部分插入计数脉冲的脉冲数, H 为CCD1、CCD2之间的拼接距离,s为脉冲当量, L为被测尺寸,β为透镜放大倍数: 13 则 2)误差分析 采用机械拼接CCD进行较大尺寸测量时,其误差分析相对比较复杂,如图3.4 所示:CCD2相对于CCD1来说,存在5个自由度,下面以CCD1为基准,分析采用机械拼接测量所产生的拼接测量误差ΔL。由于拼接误差的存在,所测量的尺寸L不能采用式(9)进行简单计算,在不考虑计数器计数误差、透镜放大倍数误差及脉冲当量误差的前提下,测量值L由图4可得 : (9) 图3.4 误差分析 式(9)-式(10)得: (11) 式(11)为采用机械拼接CCD测量较大尺寸时所产生的拼接误差计算式,由式 (11)可见:ΔL?ΔH。实际测量中,还必须对计数器的计数误差、计数脉冲当量误差,以及透镜放大倍数测量误差进行综合分析。当采用两片以上CCD进行拼接测量时,其误差分析更加复杂,这里不做讨论。 3.2.4大尺寸测量 当被测工件尺寸足够大,而采用拼接CCD不能实现测量时,可以采用边缘检测原理实现大尺寸测量目的。 (1)测量原理 14 边缘检测原理是采用两套CCD测量系统实现大尺寸工件边缘测量,然后将两套CCD测得的边缘位置与两CCD相对位置值综合起来,得出被测工件尺寸。通过改变两CCD之间的距离,来实现可变大尺寸测量。 设CCD1和CCD2计数器计数脉冲个数分别为N1、N2,脉冲当量为s1、s2;两 : CCD 边缘距离为H ,则被测工件尺寸L为 L = H - (N1s1 + N2s2) (12) (2)误差分析 由式(12)可得测量误差为: ΔL = ΔH - ( s1ΔN1 +Δs1N1 + s2ΔN2 +Δs2N2) (13) 其中ΔH 由移动两CCD 的运动部件决定。 3.3 结 论 15 参考文献 [1] 王庆有，CCD 应用技术[M]，天津大学出版社,2000 [2] 余震,曾晓雁，薄板激光拼焊间隙CCD检测系统研究[J]， 2003,4, Vol.33，No.4:24,27 [3]马附洲,CCD衍射成象在线精密测量细丝直径技术[J],西安科技学院学报，2001,3，Vol.21,No.1:70,77 [4]余震，基于线阵CCD 的尺寸测量研究及误差分析[J]，12-14 [5]王庆有，图像传感器应用技术[M]，电子工业出版社，2003 16