国外CCD检测技术在工业中的应用与发展

2013-07-03 13:40:32来源: 21ic
0 引言

电荷耦合器件(Charge Couple Device,CCD)是一种以电荷为信号载体的微型 图像传感器,具有光电转换和信号电荷存储、转移及读出的功能,其输出信号通常是符合电 视标准的视频信号,可存储于适当的介质或输入计算机,便于进行图像存储、增强、识别等处理[1]。

自CCD于1970年在贝尔实验室诞生以来,CCD技术随着半导体微电子技术的发展而迅速发展,CCD传感器的像素集成度、分辨率、几何精度和灵敏度大大提高,工作频率范围显著增加,可高速成像以满足对高速运动物体的拍摄[2],并以其光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点,在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用,成为现代光电子学和测试技术中最活跃、最富有成果的研究领域之一[1,3]。

1 CCD传感器的检测原理

CCD是由光敏单元、输入结构和输出结构等组成的一体化的光电转换器件,其突出特点是以电荷作为信号载体,其基本工作原理见文献[4,5]。当入射光照射到CC D光敏单元上时,光敏单元中将产生光电荷Q,Q与光子流速率Δn 0、光照时间TC、光敏单元面积A成正比,即:

Q=ηqΔn0ATc(1)

其中η为材料的量子效率;q为电子电荷量。CCD图像传感器的光电转换特性如图1 如示,其中横坐标为照度,lx.s;纵坐标为输出电压,V0在非饱和区满足:

f(s)=d1sτ+d2(2)

式中,f(s)为输出信号电压(V);s为曝光量(lx.s);d1为直线段的斜率(V/lx.s),表示CCD的光响应度;τ为光电转换系数,τ≈1;d2为无光照时CCD的输出电压,称为暗输出电压。特性曲线的拐点 G所对应的曝光量SE称为饱和曝光量,所对应的输出电压VSAT称为饱和输出电压。曝光量高于SE后,CCD输出信号不再增加,可见,CCD图像传感器在非饱和区的光电转换特性接近于线性,因此,应将CCD的工作状态控制在非饱和区。

2 CCD的应用状况

CCD检测技术作为一种能有效实现动态跟踪的非接触检测技术,被广泛应用于尺寸、位移、表面形状检测和温度检测等领域。

2.1尺寸测量

由CCD传感器、光学成像系统、数据采集和处理系统构成的尺寸测量装置,具有测量精度高、速度快、应用方便灵活等特点,是现有机械式、光学式、电磁式测量仪器所无法比拟的。在尺寸测量中,通常采用合适的照明系统使被测物体通过物镜成像在CCD靶面上,通过对CCD输出的信号进行适当处理,提取测量对象的几何信息,结合光学系统的变换特性,可计算出被测尺寸[2]。

2.1.1零件尺寸的精确测量

1997年,J.B.Liao[6]等将CCD摄像系统应用在三维坐标测量机(Coordinate Meas uring Machine,CMM)上,实现了三维坐标的自动测量。他们将一个面阵CCD安装在与CMM的3个轴线都成45°角的固定位置,通过计算机视觉系统与CMM原来的控制系统连接来控制探头和工件的移动,以此探测探头和工件的三维位置。该方法不需要对原CMM系统进行改变,只要将CCD视觉系统连入原有的测量机即可。由于测量系统中只用一个面阵CCD,从而简化了测量系统结构,降低了系统成本,减小了因手工操作引起的误差,提高了测量效率,并能避免单独使用CCD测量时,因光衍射而造成的边缘检测误差,可用于工件三维尺寸的精确测量。但该方法需要对工作环境和工件形状具有一定的先验知识,使其应用范围受到较大限制。为此,V.H.Chan和C.Bradley等人[7]提出了一种利用复合传感器的自动测量方法。该方法将黑白CCD和坐标探头一同安装在CMM的Z轴工作臂的末端,探测前先由C CD在工件的前后左右和上方对工件成像,并通过基于神经网络的立体配对算法确定工件表面位置和面积,从而决定探头的探测路径。该方法的智能程度较高,可高效测量形状复杂工件的三维尺寸,并可根据测量数据构造工件的CAD模型,但计算复杂,需要使用运算速度快、内存容量大的计算机,且算法立体匹配精度有待提高。

以上测量系统虽然因引入CCD技术而得到明显改进,但仍属于接触式测量,无法准确测量某些弹性和软性工件。最近,P.F.Luo等人[8]用CCD摄像头代替CMM的探头,结合激光 测距技术实现了对一维尺寸的非接触精确测量。该方法采用了亚像素精度检测技术,利用激光测距器进行距离校正,有效地提高了检测精度,其精确测量范围为1~300 mm,但这种方法只能测量一维尺寸。P.F.Luo等认为该系统经改进后可实现二维尺寸的精确测量,因工作台滑动引起振动而导致的数据波动也能被有效减小,但尚未见到成功的实例。

2.1.2微小尺寸的测量

为检测BGA(ball grid array,球珊阵列)芯片的管脚高度是否共面,美国RVSI公司研制出一种基于激光三角法的单点离线检测设备[1]。该设备每次只能测量1个管脚,测量速 度慢,无法实现在线测量。1999年,Kim,Pyunghyun[9]等人提出了一种新的立体测 量方法。该方法用激光线源照射到芯片管脚上,被照亮的管脚图像经由互成一定角度的两套CCD摄像系统采集后,输入计算机进行立体匹配,利用透视变换模型和坐标变换关系,计算 出管脚高度和纵向间距,再使被测芯片在步进电机的带动下做单向运动,从而实现三维尺寸测量,并引入电容测微仪实时监测工作台位置变动,进行动态误差补偿,有效减小了因振动造成的误差。2001年,C.J.Tay,X.He[10]等人利用图像识别和数字相关等技术简化了计算过程,使得只需几秒钟便可计算上百个管脚的高度,从而有效地提高了检测系统的实用性。最近,C.J.Tay[11]等根据被倾斜光照射的物体的像与影之间的固有关系,提出了一种基于光学阴影简便测量BGA管脚高度的方法。该方法利用激光对被测芯片的管脚进行倾斜照射以产生管脚阴影,管脚及其阴影由带远焦显微镜的CCD相机采集后,输入计算机,由计算机软件根据影和像的相互关系计算出管脚高度,笔者提出了两种简洁的计 算方法,可避免因光衍射而造成的边缘检测误差,计算简单快速,但要求高精度的机械定位装置,且每次只能检测几个管脚,而且对芯片平整度和检测环境要求很高,还需要进一步改进后才能实用化。

近年来,将CCD技术和莫尔条纹、数字全息、电子斑点干涉等技术相结合以精确测量微小尺寸的技术正成为一种具有很大潜力的研究发展方向[12]。
[1] [2]

关键字:CCD  检测技术  图像传感器

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2013/0703/article_7550.html
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