國外CCD檢測技術(shù)在工業(yè)中的應用與發(fā)展
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電荷耦合器件(Charge Couple Device，CCD)是一種以電荷為信號載體的微型 圖像傳感器，具有光電轉換和信號電荷存儲、轉移及讀出的功能，其輸出信號通常是符合電 視標準的視頻信號，可存儲于適當的介質(zhì)或輸入計算機，便于進(jìn)行圖像存儲、增強、識別等處理［1］。
自CCD于1970年在貝爾實(shí)驗室誕生以來(lái)，CCD技術(shù)隨著(zhù)半導體微電子技術(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(zhù)增加，可高速成像以滿(mǎn)足對高速運動(dòng)物體的拍攝［2］，并以其光譜響應寬、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、堅固耐用、壽命長(cháng)、圖像畸變小、無(wú)殘像、可以長(cháng)時(shí)間工作于惡劣環(huán)境、便于進(jìn)行數字化處理和與計算機連接等優(yōu)點(diǎn)，在圖像采集、非接觸測量和實(shí)時(shí)監控方面得到了廣泛應用，成為現代光電子學(xué)和測試技術(shù)中最活躍、最富有成果的研究領(lǐng)域之一［1，3］。
1 CCD傳感器的檢測原理
CCD是由光敏單元、輸入結構和輸出結構等組成的一體化的光電轉換器件，其突出特點(diǎn)是以電荷作為信號載體，其基本工作原理見(jiàn)文獻［4，5］。當入射光照射到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換特性如圖1 如示，其中橫坐標為照度，lx.s；縱坐標為輸出電壓，V0在非飽和區滿(mǎn)足：
f(s)=d1sτ＋d2(2)
式中，f(s)為輸出信號電壓(V)；s為曝光量(lx.s)；d1為直線(xiàn)段的斜率(V／lx.s)，表示CCD的光響應度；τ為光電轉換系數，τ≈1；d2為無(wú)光照時(shí)CCD的輸出電壓，稱(chēng)為暗輸出電壓。特性曲線(xiàn)的拐點(diǎn) G所對應的曝光量SE稱(chēng)為飽和曝光量，所對應的輸出電壓VSAT稱(chēng)為飽和輸出電壓。曝光量高于SE后，CCD輸出信號不再增加，可見(jiàn)，CCD圖像傳感器在非飽和區的光電轉換特性接近于線(xiàn)性，因此，應將CCD的工作狀態(tài)控制在非飽和區。
CCD檢測技術(shù)作為一種能有效實(shí)現動(dòng)態(tài)跟蹤的非接觸檢測技術(shù)，被廣泛應用于尺寸、位移、表面形狀檢測和溫度檢測等領(lǐng)域。
2.1尺寸測量
由CCD傳感器、光學(xué)成像系統、數據采集和處理系統構成的尺寸測量裝置，具有測量精度高、速度快、應用方便靈活等特點(diǎn)，是現有機械式、光學(xué)式、電磁式測量?jì)x器所無(wú)法比擬的。在尺寸測量中，通常采用合適的照明系統使被測物體通過(guò)物鏡成像在CCD靶面上，通過(guò)對CCD輸出的信號進(jìn)行適當處理，提取測量對象的幾何信息，結合光學(xué)系統的變換特性，可計算出被測尺寸［2］。
2.1.1零件尺寸的精確測量
1997年，J.B.Liao［6］等將CCD攝像系統應用在三維坐標測量機(Coordinate Meas uring Machine，CMM)上，實(shí)現了三維坐標的自動(dòng)測量。他們將一個(gè)面陣CCD安裝在與CMM的3個(gè)軸線(xiàn)都成45°角的固定位置，通過(guò)計算機視覺(jué)系統與CMM原來(lái)的控制系統連接來(lái)控制探頭和工件的移動(dòng)，以此探測探頭和工件的三維位置。該方法不需要對原CMM系統進(jìn)行改變，只要將CCD視覺(jué)系統連入原有的測量機即可。由于測量系統中只用一個(gè)面陣CCD，從而簡(jiǎn)化了測量系統結構，降低了系統成本，減小了因手工操作引起的誤差，提高了測量效率，并能避免單獨使用CCD測量時(shí)，因光衍射而造成的邊緣檢測誤差，可用于工件三維尺寸的精確測量。但該方法需要對工作環(huán)境和工件形狀具有一定的先驗知識，使其應用范圍受到較大限制。為此，V.H.Chan和C.Bradley等人［7］提出了一種利用復合傳感器的自動(dòng)測量方法。該方法將黑白CCD和坐標探頭一同安裝在CMM的Z軸工作臂的末端，探測前先由C CD在工件的前后左右和上方對工件成像，并通過(guò)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的立體配對算法確定工件表面位置和面積，從而決定探頭的探測路徑。該方法的智能程度較高，可高效測量形狀復雜工件的三維尺寸，并可根據測量數據構造工件的CAD模型，但計算復雜，需要使用運算速度快、內存容量大的計算機，且算法立體匹配精度有待提高。
以上測量系統雖然因引入CCD技術(shù)而得到明顯改進(jìn)，但仍屬于接觸式測量，無(wú)法準確測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，結合激光 測距技術(shù)實(shí)現了對一維尺寸的非接觸精確測量。該方法采用了亞像素精度檢測技術(shù)，利用激光測距器進(jìn)行距離校正，有效地提高了檢測精度，其精確測量范圍為1～300 mm，但這種方法只能測量一維尺寸。P.F.Luo等認為該系統經(jīng)改進(jìn)后可實(shí)現二維尺寸的精確測量，因工作臺滑動(dòng)引起振動(dòng)而導致的數據波動(dòng)也能被有效減小，但尚未見(jiàn)到成功的實(shí)例。
2.1.2微小尺寸的測量
為檢測BGA(ball grid array，球珊陣列)芯片的管腳高度是否共面，美國RVSI公司研制出一種基于激光三角法的單點(diǎn)離線(xiàn)檢測設備［1］。該設備每次只能測量1個(gè)管腳，測量速 度慢，無(wú)法實(shí)現在線(xiàn)測量。1999年，Kim,Pyunghyun［9］等人提出了一種新的立體測 量方法。該方法用激光線(xiàn)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攝像系統采集后，輸入計算機進(jìn)行立體匹配，利用透視變換模型和坐標變換關(guān)系，計算 出管腳高度和縱向間距，再使被測芯片在步進(jìn)電機的帶動(dòng)下做單向運動(dòng)，從而實(shí)現三維尺寸測量，并引入電容測微儀實(shí)時(shí)監測工作臺位置變動(dòng)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差補償，有效減小了因振動(dòng)造成的誤差。2001年，C.J.Tay,X.He［10］等人利用圖像識別和數字相關(guān)等技術(shù)簡(jiǎn)化了計算過(guò)程，使得只需幾秒鐘便可計算上百個(gè)管腳的高度，從而有效地提高了檢測系統的實(shí)用性。最近，C.J.Tay［11］等根據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)便測量BGA管腳高度的方法。該方法利用激光對被測芯片的管腳進(jìn)行傾斜照射以產(chǎn)生管腳陰影，管腳及其陰影由帶遠焦顯微鏡的CCD相機采集后，輸入計算機，由計算機軟件根據影和像的相互關(guān)系計算出管腳高度，筆者提出了兩種簡(jiǎn)潔的計 算方法，可避免因光衍射而造成的邊緣檢測誤差，計算簡(jiǎn)單快速，但要求高精度的機械定位裝置，且每次只能檢測幾個(gè)管腳，而且對芯片平整度和檢測環(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(lái)，將CCD技術(shù)和莫爾條紋、數字全息、電子斑點(diǎn)干涉等技術(shù)相結合以精確測量微小尺寸的技術(shù)正成為一種具有很大潛力的研究發(fā)展方向［12］。 電荷放大器相關(guān)文章:電荷放大器原理
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