（光学工程专业论文）ps版平面视觉检测系统设计.pdf

摘要 摘要 本课题是与温州科希盟和创信息技术有限公司合作的项目，项目全称为p s 版 自动视觉检查堆垛系统，本课题将完成p s 版自动视觉检查堆垛系统的平面视觉检 测系统部分。成品p s 版上可能会存在坏点和划痕等质量问题，当前国内工厂中一 般采用人工肉眼观察的方法来检测质量问题，目前世界上先进的p s 版生产企业已 经普遍采用在线的自动检测系统。采用c c d 探测头作为图像传感器检测生产线上 匀速运动的p s 版表面瑕疵，应用线阵c c d 拼接扫描、二值化高速数据存储、p c i 高速图像采集卡、计算机控制等技术的综合，可以实现模拟人眼对p s 版表面的计 算机检查系统。本系统的设计目标就是要代替人工验版，提供依据以按照质量问题 的类型实时采取提前裁掉已不合格部份p s 版，按质量情况判定p s 版的质量等级， 并按等级堆放成品p s 版等动作。 本课题主要完成以下工作： 1 、在理论分析的基础上，提出了采用多个线阵c c d 拼接、高速的静态存储器 ( s r a m ) 存储二值化处理后的c c d 视频信号和高速p c i 采集卡处理图像 信号的实时检测生产线的方案。 2 、设计了系统的机械结构，使设备的安装稳定精密、方便调节。 3 、设计了p s 版平面视觉检测系统的线阵c c d t c d l 2 5 1 器件的同步驱动 电路，电路中采用了现场可编程数字逻辑器件，有利于电路板的调试和小 型化。 4 、设计了数字电位器调整c c d 二值化信号的调整板，并开发了调整数字电位 器的软件，可以通过计算机方便、精确的调整二值化阈值。 5 、设计开发了p s 版表面视觉检测系统的应用软件系统。 关键词：线阵c c d ，机械拼接，二值化，数字电位器 a b s t r a c t a b s t r a c t c o o p e r a t i n gw i t ho u ri n d u s t r i a lp a r t n e r ，w e n z h o uc o s i m o nh e c h u a n gi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yl t di nc h i n a ，w eh a v ei n t r o d u c e dan o v e lv i s i o nm e a s u r i n gs y s t e mf o r c h e c k i n gq u a l i t yo fal a r g ea m o u n to fp sp l a t e s w eu s e ds u c has y s t e mt o d e t e c tt h e p o s s i b l ed e f e c t so ft h ep l a t e si n s t e a do f w i t ho u re y e sw h i c hi sac o n v e n t i o n a lw a yi n w o r k s h o p si nc h i n aa tp r e s e n t i ti s ac o m b i n a t i o no fc c ds p l i c i n gt e c h n o l o g y ，d a t a s t o r a g e ，p c i i n t e r f a c eh i 曲一s p e e di m a g ec o l l e c t i n g t e c h n o l o g y a n d c o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y f i n a l l y , w ed i v i d e d t h e p l a t e s i n t od i f f e r e n tc l a s s e sa c c o r d i n gt ot h e i n f o r m a t i o nw eg o tw i t ho u rs y s t e ma n dt h eq u a l i t ys t a n d a r d so f p sp l a t e s t h em a i nt a s k so f t h i st h e s i sa r e1 i s t e da sf o l l o w s ： 1 w ed e s i g n e dav i s i o nm e a s u r i n gs y s t e mc o m p r i s e do fm u l t i c c d sc h i p ，s t a t i c m e m o r i e sa n dp c i i n t e r f a c ei m a g i n ep r o c e s s i n gc a r d 2 d e s i g n e dp r e c i s ea n df l e x i b l em e c h a n i c s 3 c o n t r i v e dt c d l 2 51d r i v e r se m p l o y i n gf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l el o g i cg a t e a r r a y ) 4 i n t r o d u c e dt h em e t h o do fu s i n g d i g i t a l r e s i s t o r st ot u n et h ec o m p a r a b l e t h r e s h o l d sf o rd a t ap r o c e s s i n g 5 d e v e l o p e d t h ea p p l i c a b l es o f t w a r ef o rt h em e a s u r i n gs y s t e m k e yw o r d s ：l i n e a re e d ，m e c h a n i c a ls p l i c e d ，t w o - v a l u ed i g i t a l i z e d ，d i g i t a lr e s i s t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘洼盘翌或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名签字日期：工。工年7 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫生盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在自虽密后适用本授权说明) 学位论文作者躲糨夸 签字目期：趔年月?日 导师签名： 乞 矗咯 签字日期：毒啡月6 ) 日 第一章绪论 1 1p s 版目前发展状况1 1 1 l z l 第一章绪论 本课题是与温卅i 科希盟和创信息技术有限公司合作的项目，项目全称为p s 版 自动视觉检查堆垛系统，该项目为温州科委立项项目。本课题中将完成p s 版自动 视觉检查堆垛系统中的平面视觉检测系统部分的设计。 p s 版，是英文p r e s e n s i t i z e dp l a t e 的缩写p j ，中文全称为预涂感光板。p s 版现 已经成为预涂感光板的代名词，全球普遍采用这一代称。p s 版在2 0 世纪3 0 年代 问世，是德国卡勒( k a l l e ) 公司首先研制成功的。进入7 0 年代，随着p s 版生产 技术和印刷应用技术的进步，p s 版在世界范围得到飞速发展：p s 版是目前普遍 采用的胶版印刷版材，而胶版印刷是当今各种印刷中发展最快并已经占绝对优势的 印刷方式，已普遍应用于印刷报纸、杂志和书籍。到9 0 年代，全球以p s 版为印版 的胶印在各种印刷方式中稳占第一位。当今世界p s 版可以说已经被富士胶片、 a g f a 、柯达等几家大公司所垄断。我国从1 9 7 3 年研制p s 版实验成功、投产以来， 国产p s 版制造业迅猛发展。应该说目前我国p s 版生产能力基本可以满足目前国 内生长的需要，但同发达国家比，差距还是很大，主要问题是生产线速度慢和国内 p s 版生产线还都是手工验版，生产效率低下。 本课题中p s 版生产线使用宽度l m 到1 2 m 的铝板卷材生产p s 版，生产过程 中铝板的运动速度根据不同的生产线和不同的铝板宽度大约在4 m m i n 到1 0 r n m i n 之间，在生产过程中铝板在“验板”部位作直线运动，其线速度是宏观匀速、微观 波动的。铝板在通过碱洗、酸洗、电解、氧化、涂布等工序处理后，经裁板工序得 到成品p s 版，但由于各种原因，成品p s 版上可能会存在污染引起的“脏点”、涂 布时没涂上引起的“白点”，机械损伤引起的“划痕”等质量问题。目前世界上欧 美先进的p s 版生产企业己经普遍采用在线的自动检测系统，但是价格昂贵。美国、 日本、加拿大、英国、瑞士等国家有较深的研究。其中德国b a s l e r 公司、加拿 大d a l s a 公司、美国e u s h s y s 公司、日本松下公司、日本日立公司等生产c c d 摄像头组件，美国o p t i m a 、e u s h s y s 、加拿大d a l s a 、m a t r o x 、c o r e c o 、日 本松下公司、日本日立等公司生产图像卡。英国p r o c e s sl i n e 公司则是目前全球唯 一提供p s 版版面c c d 扫描产品的厂商，其他厂商提供的应用产品大部分都集中在 第一章绪论 电子、医疗等领域。国内近年来有十几个光学机械研究所和大学对c c d 器件及其 应用进行研究，在镜头、c c d 驱动电路、计算机采集卡等方面取得了较大的成果， 现已可以国产化。但是，由于种种原因至今尚无可以作为工业应用基础平台组件的 产品，各单位的产品质量不一，各单位对各个应用案例均按单独项目考虑没有考虑 其系统的产品化，大部分应用案例仍大量采用美、日、加拿大等国的产品进行二次 开发，其应用领域也大多集中在i c 、医疗、机器人等领域。 当前国内工厂中一般采用人工肉眼观察( 没有利用任何辅助性工具) 的方法来 检测以上质量问题。可是人工检测存在主观性，检测结果不统一，而且工作效率低。 该系统主要用于p s 版生产线自动验版、收版( 堆垛) ，代替当前的人工验版、收版。 本课题的设计目标就是要代替人工验版，并根据质量问题的类型实时提供p s 版质 量问题的报告，为后期裁版和堆跺工作提供数据依据：提前裁掉己不合格部份p s 版，按质量情况判定p s 版的质量等级，并按等级堆放成品p s 版等动作。 1 2 本课题的意义 从1 9 7 0 年美国贝尔实验室第一只电荷耦合器件( c c d ) 以来，依靠成熟的 m o s 集成电路工艺，c c d 技术得到了迅速发展。线阵c c d 用于物体尺寸精密测 量是一种非常有效的非接触型的精密检测技术，由于它具有非接触无磨损、测量精 度高、速度块、实时性强并易与计算机进行数据交换等特点，因此被广泛应用于各 种物体外形尺寸的在线自动测量、物体位置的自动测量、物体旋转角度的自动测量 等。因此采用c c d 探测头作为图像传感器检测p s 版表面的瑕疵，应用高速c c d 扫描、二值化高速数据存储、p c i 高速图像采集卡、计算机控制等技术的综合，可 以实现模拟人眼对p s 版表面的计算机检查系统，本课题的综合意义如下： 1 、p s 版表面视觉检测系统检测版材表面瑕疵的同时可以提供坏点信息以控制 裁刀的信号，及时对“问题版面”提前裁掉，以减少废版率，最后实现控 制堆垛机自动分级堆垛；还可以及时通知涂布工序处理涂布故障，解决了 p s 版生产厂商在生产线后部工艺自动化上长期存在的难题。 2 、它可以实现高速、连续实时的自动检测，将人为主观因素的影响也降至最 低，从而提高了工厂的自动化程度和工人的劳动效率，减少了工人接触有 毒产品的机会，更好的保护工人的身体健康。 3 、生产车间这套方案的研制成功对于实际的工厂检测是一个创新，它必将取 代类似行业的视觉检查方面的计算机应用提供了新的低成本的可承受的解 决方案。 第一章绪论 4 、可以为p s 版生产厂商每条生产线节约8 0 万元年，本系统的可扩展性和可 变通性很强，可以衍生出很多其他的应用系统应用于不同的生产行业，市 场潜力巨大，国外类似的视觉检测系统价格昂贵，是限制国内厂商发展的 瓶颈。 5 、本系统安装调试方便、见效快、易于使用及维护，采用线阵c c d 作为探头， 对于光电探头也不存在磨损的问题，不必要定期更换检测探头，只要定期 为光电探头除尘即可。具备一定的防尘，抗震，抗电磁干扰能力，可以适 应恶劣的工业现场环境。 1 3 本课题的主要工作内容 1 、在理论分析的基础上，创新的提出了采用多个线阵c c d 拼接、高速的静态 存储器( s r a m ) 存储二值化处理后的c c d 视频信号和高速p c i 采集卡 处理图像信号的实时检测生产线的方案。 2 、设计了系统的支架和调整部分的机械结构，使设备的安装稳定精密、方便 调节。 3 、设计了p s 版平面视觉检测系统的线阵c c d _ t c d l 2 5 1 器件的同步驱动 电路，电路中采用了现场可编程数字逻辑器件，有利于电路板的调试和小 型化。 4 、设计了数字电位器调整c c d 二值化信号的电路调整板，并开发了调整数字 电位器的软件，可以通过计算机方便、精确的调整二值化阈值。 5 、设计开发了p s 版表面视觉检测系统的应用软件系统。软件包括标定程序和 测量程序，可实现对生产线运动p s 版实时检测、数据采集、图形显示、自 动分析、报告坏点坐标等功能，从而获得p s 版材表面情况，为裁版和堆跺 提供数据依据。 筇二章p s 版平面视觉检测系统设i i 原理分析 第二章p s 版平面视觉检测系统设计原理分析 2 1 课题所要求达到的技术测量指标及要求 2 1 1 测量精度要求 p s 版平面视觉检测系统主要用于p s 版生产线上自动验版，代替当前 生产线上的手工验版。现被检测的p s 版牛产线使用宽度l m 到1 2 m 的铝 板卷材生产p s 版，生产过程中铝板的运动速度根据不同的生产线和不同 的铝板宽度大约在4 m m i n 到1 0 m r a i n 之间。由于对p s 版的生产质量要 求的原因，本系统要求必须能够分辨直径在o 1 m i l l 以上的瑕疵点。 2 1 2 摄像头部分要求 线阵c c d 摄像头组件作为光电转换器件要求照明光源的亮度满足测 量的要求，且必须回避p s 版灵敏波长的光( 波长不能短于黄光) 。摄像头 安装机架是整个摄像头部分的支撑部件，考虑到系统运行和安装调整的实 际要求，摄像头安装机架必须具备精密的线阵c c d 摄像头组件可调整装 置，以及坚固、稳定的固定方式。 2 1 3 安装环境和运行要求 本系统安装于p s 版生产线的验版车问：空气为微酸环境、并含有微 量苯、芬、乙醚，空气温度在4 0 摄氏度左右，光照度较低，且只能允许比 黄光( 含黄光) 波长长的光线存在。该系统的土要使用人员为p s 版生产 线的原质检工人，平均高中文化水平，少有接触自动化仪器，平时主要工 作是用肉眼观看p s 版进行质量检验。本系统投入使用后将和企业现有p s 生产线一起运行，运行方式为全天二十四小时不问断运行，除非换装铝卷 或生产线检修否则不能停机。检测准确率：9 9 9 以p 。 或生产线检修否则不能停机。检测准确率：9 9 9 以上。 第二章 p s 版平面视觉检测系统设计原理分析 2 2p s 版平面视觉检测系统设计原理 根据该系统提出的测量精度要求和生产线运行速度要求采用了二值化 数据采集的方法来设计该视觉检测系统。利用线阵c c d 测量p s 版的表面 视觉检测基本原理框图如图2 1 所示，测量系统由标准单色光源、被测 p s 版、成像系统、多个线阵c c d 拼接、二值化电路、数据存储采集系统 及计算机数据交换电路等构成。图中由稳流源控制的标准光源发出均匀单 色光线照射到被测p s 版表面，p s 版表面信息通过成像系统成像在线阵 c c d 的像敏面上，在驱动电路产生的脉冲信号驱动下，线阵c c d 完成光 电转换，p s 版表面瑕疵的视频信号将进行二值化处理，二值化数据由静态 存储器( s r a m ) 进行数据缓存，将信息传送计算机系统，通过专用分析软件 对二值化数据进行判定，根据光学成像公式可以判断p s 版表面的瑕疵状 况。 i 石磊翮l 照明系统h 被测r s 版r 。叶壁竺至竺 兰兰銎苎竺h | 纛磊磊 医石赢 数据判别 线阵c c d 多个拼接 计算机数据采集按1 ：3 卜p 一s r a m 存储卜- 一- - f f 化电路 2 - - 1p s 版表面视觉检测的基本原理框图 2 3 设计原理可行性分析 2 3 1 表面视觉检测方案的分析 对于p s 版、钢板、玻璃等板材类表面视觉检测通常可以采用面阵c c d 图像传感器和线阵c c d 图像传感器两种方法，其中线阵c c d 图像传感器又 可以分为单个器件测量和多个器件并行拼接测量两种。下面分别介绍和比 较这两种方法的特点： 一、面阵c c d 图像传感器方案 对于板材表面检测可以利用面阵c c d 图像传感器来完成，也就是用面 阵c c d 相机直接对被测物体进行成像。采用面阵c c d 相机成像经过处理可 第二章p s 版平面视觉检测系统设计原理分析 以直接得到二维的图像，对板面质量情况的直观性很强，而且面阵c c d 相 机在使用和安装上调整很方便，在图像处理上也可以直接利用现有的数字 图像处理工具。但是面阵c c d 相机处理速度慢，当遇到运动物体时会出现 运动模糊的情况。面阵c c d 相机的测量范围也是有限的，不适合宽幅的检 测，而且价钱昂贵。 二、线阵c o d 图像传感器方案 利用线阵c c d 图像传感器对运动的板材进行扫描，线阵c c d 扫描成像， 处理速度快，对于运动快的物体也不会出现模糊的情况，线阵c c d 和面阵 c c d 相机比起来价格要低的多。但是线阵c c d 图像传感器不像面阵c c d 相 机可以直接产生二维图像，反映的质量问题不是很直观，要自行编写图像 处理的软件。对于利用线阵c c d 图像传感器还有两种方案选择： 1 、单个大像元的线阵c c d 器件，特点是结构简单，但是对于大像元且 扫描速度快的单线阵c c d 选择范围很小，价格也很昂贵。 2 、将多个线阵c c d 器件进行并行拼接测量，特点是结构和调节起来比 较复杂，但是扫描速度快，价格也比较低。 本系统中测量的精度要求能够分辩直径在0 i m m 以上的点，被测量的 p s 版宽度最大为1 2 0 0 m m 。由于测量范围大、精度高，根据测量的要求和综 合上述方法的优缺点选择采用多个线阵c c d 进行拼接测量，p s 版表面检测 的结构如图2 2 所示。课题选用东芝公司的线阵c o dt c d l 2 5 1 d 共8 个进 行镜头拼接，t c d l 2 5 1 d 像敏单元的尺寸为1 l g m 1 1 u m ，像敏单元中心距也 为l l h m ，有效像敏单元为2 7 0 0 个，不考虑拼接中重叠部分损失的总共有 效像敏单元个数为2 7 0 0 8 = 2 1 6 0 0 ，理论测量精度可达到 2 2p s 版表面检测结构原理图 6 一 第二章p s 版平面视觉检测系统设计原理分析 1 2 0 0 m m 2 16 0 0 = 0 0 5 5 6 m m ，满足了系统的精度要求，考虑到在拼接时重叠 部分的有效像敏单元的损失情况也可以高于0 1 m m 的分辨率。 2 3 2c c d 视频信号处理方法的分析 p s 版上的瑕疵相当于图像信息，通过c c d 完成光电转换得到视频信号， 对于视频信号的处理常采用的有： 一、a d 转换的方式 将线阵c c d 输出代表光强信息的模拟信号通过a d 转换器件，形成n 位 ( 如8 b i t 、1 2 b i t 等) 的数字信 号输出，如图2 3 所示。经过 a d 处理可以直接得到灰度图 像，对于质量要求较低的图像 可以在后期进行相应的图像处 理。a d 处理后每个数据对应 2 3a d d 转换方式原理图 的都是n 位，数据量比较大，存储数据占存储空间很大，a d 转换存储数 据如图2 4 所示，处理和传输速度慢，并且需要后期处理，影响在线实时 检测速度。a d 转换处理量大，处理同样采集速度要求的a d 转换速度更 高，成本也高。 像元1 像元2 像元3 像元4 像元5 像元6 ， 址1 址2 址3 蝴 址5 址6 2 - - 4a d 转换存储数据方式原理 二、二值化处理方式 二值化处理方式就是将线阵c c d 输出的代表光强的信号通过比较器得 到0 或1 的二值化信号输出，如图2 5 所示。数据采用用二值化处理的方 2 5 二值化处理方式原理图 第二章p s 版平面视觉检测系统设计原理分析 法可以将图像和背景分离成二值化电平。二值化处理c c d 输出的模拟信号 得到的数据量小，每个信号只有1 位数据表示为0 或1 ，存储数据所占的 空间小，处理和传输速度快，这样可以实现实时检测生产线上运动的p s 版。二值化电路阈值的调整用数字电位器进行软件的数字调整。 c c d 放大输出信号经过二值化处理后得到二值化信号，送到静态存储 器中的数据端进行存储。s r a m 中主要有地址线：a o a n ，可以访问2 ”1 个 存储单元，当n 1 1 就可以满足存储2 7 0 0 像元的需要；数据线：d 1 d m ， 每个存储单元有m 位数据线1 4 1 。当采用用八片t c d l 2 5 l d 时，二值化处理后 的八路数据分别送到静态存储器数据线d 1 d 8 端。 数据经计算机总线数据线送到计算机内存，内存中存储单元相对地址 代表对应c c d 像元数，存储单元的每一位都代表每一个c c d 对应的二值化 值。通过软件判别经计算可以得到被测p s 版上的瑕疵信息。为满足大量实 时数据的采集要求，数据传输卡必须有较高的传输速率，需采用p c i 局部 总线进行传输。在实际工作中利用p c i 总线将采集数据直接传到系统内存， 有效解决了数据的实时传输和存储，为信号的实时处理提供了方便。 8 第三章 c c dt 作原理与拼接技术 第三章c c d 工作原理与拼接技术 3 1c c d 的基本工作原理1 5 i 1 6 11 7 l 电荷耦合摄像器件( c c d c h a r g e dc o u p l e dd e v i c e ) 的突出特点是 以电荷为信号的载体，而不同于其他大多数器件是以电流或者电压为信号 的载体。c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，c c d 的基 本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测。以下将分别从这 几个方面讨论c c d 器件的基本工作原理。 3 1 1 电荷存储 构成c c d 的基本单元是m o s ( 金属一氧化物一半导体) 结构。如图 3 1 ( a ) 所示，在栅极g 施加电压u g 之前p 型半导体中空穴( 多数载流子) 的分布是均匀的。当栅极施加正电压u o ( 此时u o 小于等于p 型半导体的 阈值电压u t h ) 时，p 型半导体中的空穴将开始被排斥，并在半导体中产生 如图3 1 ( b ) 所示耗尽区。电压继续增加，耗尽区将继续向半导体体内延伸， 如图3 1 ( c ) 所示。u g 大于矾h 后，耗尽区的深度与成正比。若将半导 体与绝缘体界面上的电势记为表面势，且用驴s 表示，表面势毋s 将随栅极 电压的增加而增加，他们的关系曲线如图3 2 所示。图3 2 描述了 在掺杂为1 0 ”c n l 一，氧化层厚度为0 1um 、0 3um 、0 4 um 和0 6um 情 况下，不存在反型层电荷时，表面势西。与栅极电压的关系曲线。从 表面势曲s 与栅极电压的关系曲线可以看出氧化层的厚度越薄曲线的直 靴：甫囊枣 第三章c c d 工作原理与拼接技术 线性越好；在同样的栅极电压作用下，不同厚度的氧化层有着不同的 表面势。表面势西s 表征了耗尽区的深度。 图3 3 为栅极电压不变的情况下，表面势函s 与反型层电荷密度 q j 。，之间的关系。由图3 3 可以看出，表面势函s 随反型层电荷密度q i 。， 的增加而线性减小。依据图3 2 与图3 3 的关系曲线，很容易用半导体 物理中的“势阱”概念来描述。电子所以被加有栅极电压的m o s 结构吸 弓1 到半导体与氧化层的交界面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层 图3 2 表面势中s 与栅极电压u o 的关系( p 型 硅杂质浓度n = 1 0 2 1 m m ，反型层电荷 q i n v ；o 、 口m ( i a 砰) 图3 3 表面势口s 与反型层电荷 密度q h 的关系 电荷时，势阱的“深度”与栅极电压的关系恰如函s 与的关系，即 如图3 - - 4 ( a ) 空势阱的情况。图3 4 ( b ) 为反型层电荷填充1 3 势阱时表面 势收缩的情况，表面势函s 与反型层电荷密度q | n v 的关系如图3 3 所示。 当反型层电荷继续增加，表面势函s 将逐渐减少，反型层电荷足够多时， 0 4 8 1 2 1 6 u 6 = 5 。 ii兰-_-_-_一=。-i。石：。j u 毛= i o v r ：1 w( b )( c ) ( a ) 空势阱；( b ) 填充l 3 的势阱：( c ) 全满势阱 图3 4 势阱 第三章c c d 工作原理与拼接技术 表面势o s 减少到最低值2 函r ，如图3 4 ( c ) 所示。此时，表面势不再 束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象。这样，表面势便可作为势阱 深度的量度。 3 1 2 电荷耦合 为了理解c c d 中势阱及电荷如何从一个位置转移到另一个位置，可观 察图3 5 所示的四个彼此靠得很近的电极在加上不同电压的情况下，势阱 与电荷的运动规律。假定开始时有一些电荷存储在栅极电压为1 0 v 的第1 个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有大于阈值的低电压( 例如2 v ) 。 若图3 5 ( a ) 所示为零时刻( 初始时刻) ，经过时间t 1 时刻后，各电极上的 电压变为如图3 5 ( b ) 所示，第1 个电极仍保持为1 0 v ，第2 个电极上的电 压由2 v 变到1 0 v 。因这两个电极靠得很近( 间隔不大于3u m ) ，他们各 自的势阱将合并在一起，原来第1 个电极下的电荷变为这两个电极下联合 势阱所共有，如图3 5 ( b ) 和图3 5 ( c ) 。若此后各电极上的电压变为如图 3 5 ( d ) 所示，第1 个电极上的电压由1 0 v 变为2 v ，第2 个电极上的电压 仍为1 0 v ，则共有的电荷转移到第2 电极下面的势阱中，如图3 5 ( e ) 所示。 由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。 o 2 71 0 7 押2 v 2 7l o v2 1 0 v2 v2 v1 0 7 1 0 72 7 上堪上监超 吾i 氢焉订 一的势阱+ 一 10-8卜2727 2 71 0 7 2 72 72 1 。1 k 0 7 2 711 土盛丑 r 百 ( e ) 图3 5 三相c c d 中电荷的转移过程 通过将一定规律变化的电压加到c c d 各电极上，电极下的电荷包就 能沿半导体表面按一定方向移动。通常把c c d 的电极分为几组，每一组 称为一相，并施加同样的时钟驱动脉冲。c c d 正常工作所需要的相数由其 内部结构决定。图3 5 所示的结构需要三相时钟脉冲，其驱动脉冲的波形 如图3 5 ( f ) 所示，这样的c c d 称为三相c c d 。三相c c d 的电荷耦合( 传 军 第三章c c d 工作原理与拼接技术 输) 方式必须在三相交叠驱动脉冲的作用下，才能以一定的方向逐单元地 转移。另外，必须强调指出，c c d 电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍 地从一个电极下转移到相邻电极下。这对于图3 5 所示的电极结构是一个 关键问题。如果电极问隙比较大，两电极间的势阱将被势垒隔开，不能合 并，电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移，c c d 便不能在外部驱 动脉冲作用下进行转移。能够产生完全转移的最大间隙一般由具体电极结 构、表面态密度等因素决定。 3 1 3 电荷的注入和检测 在c c d 中，电荷注入的方法有很多，归纳起来，可分为光注入和电 注入两类。当光照射到c c d 硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电 子一空穴对，其多数载流子被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱 中形成信号电荷。在此仅讨论与本课题有关的光注入法。 c c d 利用光电转换功能将投射到c c d 上面的光学图像转换为电信号 “图像”，即电荷量与当地照度大致成正比的大小不等的电荷包空间分布， 然后利用移位寄存功能将这些电荷包“自扫描”到同一个输出端，形成幅 度不等的实时脉冲序列。其中光电转换功能的物理基础是半导体的光吸收。 当电磁辐射投射到半导体上面时，电磁辐射一部分被反射，一部分透射， 其余部分被半导体吸收。所谓半导体光吸收，就是电子吸收光子并从一个 能态跃迁到另一个较高能级的过程。我们这里将要涉及到的是价带电子越 过禁带到导带的跃迁，和局域杂质或缺陷周围的束缚电子( 或空穴) 到导 带( 获价带) 的跃迁。他们分别称为本征吸收和非本征吸收。c c d 利用处 于表面深耗尽状态的一系列m o s 电容器( 称为感光单元或光敏单元) 收 集光产生的少数载流子。这些收集势阱是相互隔离的。可见，光转换成电 的过程实际上还包括对空间连续的光强分布进行空间上分离的采样过程。 另外，衬底每吸收一个光子，反型区中就多一个电子，这种光子数目 与存储电荷的定量关系正是c c d 检测器用于对光信号作定量分析的依据。 转移到c c d 输出端的信号电荷在输出电路上实现电荷，电压( 电流) 的线性变换，称之为电荷检测。从应用角度对电荷检测提出的要求是检测 的线性、检测的增益和检测引起的噪声。目前c c d 的主要输出方式有电 流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出。 1 2 第三章c c d 工作原理与拼接技术 3 2c c d 的特性参数1 5 i 3 2 1 电荷转移效率1 i 电荷转移效率是表征c c d 性能好坏的重要参数。把一次转移之后，到 达下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为电荷转移效率。影响 电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获。为此，常采用“胖零” 工作模式，即让“零”信号也有一定的电荷。好的c c d 具有极高的电荷 转移效率，一般可达o 9 9 9 9 9 5 ，所以电荷在多次转移过程中的损失可以忽 略不计。 3 2 2 驱动频率 c c d 器件必须在驱动脉冲的作用下完成信号电荷的转移，输出信号电 荷。驱动频率一般泛指加在转移栅上的脉冲巾1 或巾2 的频率。 一、驱动频率的下限 在信号电荷的转移过程中为了避免由于热激发少数载流子对注入信号 电荷的干扰，注入信号电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间必须 小于少数载流予的平均寿命。可见，c c d 的驱动脉冲频率的下限与少数载 流子的寿命有关，而载流子的平均寿命与其件的工作温度有关，工作温度 越高，热激发少数载流子的平均寿命越短，驱动脉冲频率的下限越高。 二、驱动频率的上限 当驱动频率升高时，驱动脉冲驱使电荷从一个电极转移到另一个电极 的时间应大于电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间，才能保证电 荷的完全转移，否则，信号电荷跟不上驱动脉冲的变化，将会使转移效率 大大下降。这就是电荷自身的转移时间对驱动脉冲频率上限的限制。由于 电荷转移的快慢与裁流子迁移率、电极长度、衬底杂质的浓度和温度等因 素有关。因此，对于相同的结构设计的n 沟道c c d 比p 沟道c c d 的工作 频率高。 3 2 - 3 暗电流 在正常工作的情况下，m o s 电容处于未饱和的非平衡态。然而随着时 第三章c c d 工作原理与拼接技术 问的推移，由于热激发而产生的少数载流子使系统趋向平衡。因此，即使 在没有光照或其他方式对器件进行电荷注入的情况下，也会存在不希望有 的暗电流。暗电流是大多数摄像器件所共有的特性，是判断一个摄像器件 好坏的重要标准，尤其是暗电流在整个摄像区域不均匀时更是如此。产生 暗电流的主要原因有：耗尽的硅衬底中电子白价带至导带的本征跃迁；少 数载流子在中性体内的扩散；s i s i 0 2 界面引起的暗电流。 3 2 4 动态范围 动态范围d r 的定义为： t d r = 皿 f 3 1 1 v d 其中r 为饱和输出电压，r k 为有效像元的平均暗电流输出电压。 在正常工作条件下，c c d 检测器的所有像元经历同时曝光，式( 2 一1 ) 表示 的是单个检测像元的动态范围，即简单动态范围。c c d 的简单动态范围非 常大，宽达1 0 个数量级。以7 5 0 0 a 的红光光子为例，c c d 可在1 毫秒积 分时间内对光强达每秒5 1 0 9 个光子的光束响应。可以对每秒7 l o 。2 个 光子的光源响应。而且在整个动态范围响应内，都能保持线性响应。 3 2 s 分辨率 分辨率是图像传感器的重要特性。线阵c c d 摄像器件向更多位光敏 单元发展，现在已有2 5 6 1 、1 0 2 4 1 、2 0 4 8 1 、2 1 6 0 1 、27 0 0 1 、5 0 0 0 1 、5 3 4 0 1 、7 5 0 0 1 、2 7 0 0 3 、5 3 4 0 3 、1 05 5 0 3 等多种。像元位 数越高的器件具有更高的分辨率。尤其是用于物体尺寸测量中，采用高位 数光敏单元的线阵c c d 器件可以获得更高的测量精度。另外，当采用机 械扫描装置时，亦可以用线阵c c d 摄像器件得到二维图像的视频信号。 扫描所获得的第二维信号的分辨率取决于扫描速度与c c d 光敏单元的高 度等因素。 3 3 线阵c c l ) 拼接技术 采用单片线阵c c d 作为光电接收器的光学成像尺寸测量法是国内外 广泛应用的方法。然而测量精度以及测量范围受到c c d 器件像素大小和 数目的限制，因此有必要把两片乃至多片c c d 拼接起来用到测量仪器中。 1 4 。 箱三章c c d - e 作原理与拼接技术 线阵c c d 拼接方法很多，例如机械拼接法、光学拼接法和芯片拼接法等， 不同的拼接方法可以获得不同的效果。 3 3 1 光学拼接 一、光学拼接原理 线阵c c d 器件焦平面的光学拼接是以分光的方法把光学系统接收的光 线均匀地分成两路，形成两个成像效果相同的焦平面，如图3 6 。在每个 图3 6 光学拼接原理 平面对应的不同半视场位置各放置c c d 器件，并使两器件的头尾有效像 素搭接。这样成像镜头的像方线视场由搭接起来的两个线阵c c d 有效像 素所充满，达到了焦平面的光学拼接目的。 由于用分光的方法，c c d 器件的焦平面光学拼接不仅可以根据需要在 c c d 任意始末像素位置处搭接，而且拼接后所有像素照度均匀，无渐晕现 象。 二、光学拼接的技术要求 光学拼接的技术要求主要是对两个c c d 器件相对位置的要求。取 c c d l 为基准。这个基准c c d 对分光棱镜有一定的平行性要求。这时，对 c c d 2 相对于c c d l 的位置要求共有三点： l 、拼接要求 c c d 2 的第一个有效像素与c c d l 最后一个有效像素在x 方向的距离 必须等于c c d 像素的间距常数，误差为缸，如图3 7 。 2 、线性要求 c c d 2 的所有像素必须与c c d l 的像素在同一直线上，这项误差是z ， 第三章c c d 工作原理与拼接技术 如图3 7 。 3 、共面性要求 从棱镜前方看，两个c c d 器件必须在同一平面上，保证它们都在光 学系统的焦面上。误差是a y ( 垂直于图3 7 所示的平面) 。 当然，对c c d 拼接部件只提出拼接要求是不够的。因为很多c c d 器 件要在温度变化剧烈、有冲击与震动的环境下使用。所以要求c c d 拼接 之后必须在一定的环境条件下保持原有的精度。 c c d l 末像素 c c d 2 首像素 图3 7 光学拼接的搭接误差和直线性误差 三、光学机械结构的考虑 c c d 器件的焦平面光学拼接，采用立方棱镜分光和机械微调c c d 的 技术方案。在具体设计时，必须有充分周密的考虑。 1 、分光棱镜 如前所述，分光棱镜是实现拼接的关键零件。因此，对分光棱镜的光 学材料、角度误差、投射和反射光波段、分光的比例均有一定的要求。尤 其是，分光棱镜的投射光和反射光光程应尽可能相等，初步保证两个c c d 器件的共面性。 2 、微调机械 拼接时，采用c c d l 作为基准，调整c c d 2 的方法，以达到拼接所需 的搭接、直线性、共面性登技术要求。 c c d l 本身相对于分光棱镜的位置应有一定的要求，主要是它到棱镜 的距离以及与棱镜的平行性要求等。 c c d 2 的调整要有5 个自由度。如果这5 个自由度全部用微调机构实 现，装调固然方便，但结构将十分复杂，随之而来的是结构稳定性差，不 容易满足环境试验的条件。为此，采用修研和微调机构结合的措施，满足 第三章c c d 工作原理与拼接技术 了微米量级的调整灵敏度要求，同时又有较高的稳定性。 3 、防冲击与振动 c c d 拼接部件要在室外恶劣的环境下使用，故必须具有防冲击与振动 的能力。一种常用的方法是减振，使部件本身的自振频率很低，这就需要 加入一个刚度很低的弹性环节。其结果是使部件的位置精度大大降低，显 然是很不合适的。 实际使用的办法是尽可能提高部件本身刚度，让部件的自振频率远高 于外界可能的振动源的频率。在设计的c c d 拼接部件中，刚度较差的环 节是c c d 器件和分光棱镜的压紧弹簧。弹簧弹力不足，会使部件刚度差， 自振频率低；弹簧弹力太大，又会压坏c c d 器件与棱镜。所以合理的设 计、精巧的装调是成功的关键。 4 、克服温度变化的影响 室外使用的c c d 拼接部件的工作温度分为从- - 4 0 到+ 5 0 。c c d 拼接部件中的三个主要零件( c c d 器件、分光棱镜和金属框架) 的膨胀系 数有较大的差别。在设计中应注意下面问题：这两个零件应有自由伸缩的 余地，以便分光棱镜和c c d 器件固定后，在温度变化时不会产生较大的 应力，从而保证棱镜的光学成像质量，也不使c c d 器件的封装被破坏。 但自由伸缩量又不能太大，以保证原来调整好的c c d 器件的拼接精度。 3 3 2 机械拼接5 l 【6 】 一、机械拼接原理及误差 将两片或多片线阵c c d 在测量显微镜下将其首尾相拼在一起，叫做 c c d 的机械拼接，单光学系统的线阵c c d 拼接如图3 8 所示。这种方法 图3 8 单光学系统线阵c c d 拼接示意图 1 7 第三章c c d 工作原理与拼接技术 工艺简单，容易实现。但是，由于线阵 虚设单元，所以c c d 器件的有效像 素单元比它的实际像素要少，而且商 品化的线阵c c d 器件除虚设单元外， 还有其他电路、引线和封装结构，这 样机械拼接就不可能使两片线阵 c c d 有效像元首尾完全搭接成一条 直线，总是分开一定的距离。尽管这 种机械拼接有这方面的不足，但它在 c c d 器件的两端各有若干个 大尺寸、高精度物体尺寸的自动测量 中仍具有重要的意义，并被广泛应用。 图3 9 机械拼接误差示意图 要将两个线阵c c d 的像敏单元阵列拼接在同一平面内的同一条直线 上是很不容易的事情，需要四维的调整机构，只有在工具显微镜下才能在 一定的公差范围内将二者装成。图3 9 为机械拼接的误差示意图。从图中 可以看出，两线阵c c d 的不共面引起的蜘误差引起两个线阵c c d 像敏面 接收图像的清晰度和横行放大倍率1 3 的误差，两个线阵c c d 在两个方向上 的偏夹角c c 与y 将引起投影误差，血偏差将引起直径测量不一致性。所以， 对这些都要调整。 二、机械拼接概念的扩展p 1 单光学系统的线阵c c d 拼接只限于两片线阵c c d 的拼接，如果再多 的线阵c c d 拼接会受到物镜镜头视场的限制，而且在调整的难度和减小 误差上都难以实现。在测量尺寸时，在一些尺寸较大但尺寸变化并不太大 的情况下，可以采用两个线阵c c d 分别置于被测物体的两个测量边，即 用两个已知距离的线阵c c d 测量被测物体两个边缘图像位置的尺寸，再 计算被测物体尺寸的方法。这样，由于两个线阵c c d 可以分开更大的距 离，也可以采用两套独立的线阵c c d 成像测量系统，线阵c c d 分段测量 物体尺寸的示意图如图3 一1 0 所示，以扩大测量范围，提高测量精度。这 时两个c c d 位置的调整要求有所变化，对图3 9 中的每可以放宽，a 和y 仍要对测量结构产生误差。此时拼接后的尺寸计算公式为 d = 1 0 n l 崩+ k _ v 2 屈+ ( 3 2 ) 式中：l o 为c c d 像敏单元尺寸；n l 和n 2 分别是被测物体的像在两片c c d 上所遮挡的像元数，计算时它们是以c c d 的中心像元为原点取值的；b 】和 第三章c c d ! 作原理与拼接技术 图3 1 0 线阵c c d 分段测量物体尺寸不恿图 b 2 分别是c c d l 和c c d 2 的光学成像物镜的横向放大倍率；l 为两个c c d 中心像元的距离。这种用两片线阵c c d 分离开来并分别用两个物镜成像 来测量