（信号与信息处理专业论文）基于ccd扫描的缺陷检测数字化技术与边缘提取技术.pdf

哈尔泞理t 欠学t 学硕 + 学付诊仨 基于c c d 扫描的缺陷检测数字化技术 与边缘提取技术 摘要 洁净度是塑料薄膜产品质量的重要指杯之一，如何提高塑料薄膜产品的 洁净度，是众多塑料薄膜生产企业所面临的重要问题。为了解决这一难题， 本文针对塑料薄膜缺陷检测系统及其相关技术进行了研究。通过广泛的阅读 资料和调研，分析了该技术领域存在的问题，采用在测量上广泛使用的光电 转换器件线阵c c d 技术，完成了塑料薄膜缺陷检测系统的总体方案设计。 基于d s o 的塑料薄膜缺陷检测系统在平行光的照射下。通过线阵c c d 控制电路获得塑料薄膜缺陷信号，使用虚拟示波器d s o 2 9 0 2 对一维缺陷信 号进行采集、传输，借助于计算机进行分析处理，从而精准地检测出缺陷。 利用多分辨率分析思想，首先对缺陷进行粗定位。提出了塑料薄膜中缺 陷检测算法，并通过虚拟示波器d s o 2 9 0 2 将线阵c c d 输出信号直接输送 到计算机内指定存储单元，由数据采集软件系统对计算机内的信号数据进行 处理，从而实现对缺陷具体尺寸和所处位置的检测。为了减小测量的误差， 需要对测量系统进行亚像素级别边缘点定位，本文提出了三种边缘检测方 法：直线拟合法、对称点法和曲线拟合法，三种方法均能够有效的实现亚像 素级别的边缘定位。对比实验和定量分析表明，曲线拟合法具有较快的速 度，精度最高，误差最小，重复性最好，故本系统采用曲线拟合法来实现亚 像素级别边缘定位。通过对虚拟示波器d s o 2 9 0 2 的二次丌发，实现了对整 个检测过程的控制，系统能显示和保存计算得到的结果，为用户提供了良好 的人机界面。 本文分别应用直线拟合法、对称点法和曲线拟合法对1 5 0 1 t m 缺陷进行 亚像素级别边缘定位，结果表明三种方法测得的方差分别为3 4 8 2 4 、2 9 5 4 4 和0 6 9 0 6 像素点差分别为5 6 、5 1 和2 2 4 ，可以看出曲线拟合法是最准确 的，该方法测得的2 2 4 个像素点差相当于6 2 7 2 1 t m 的像元误差，转换为实 际测量误差不到9 a m 。 关键词光电检测；虚拟仪器；边缘检测；缺陷检测 竺尘：矍二奎兰：兰竺：茎：= 丝兰 d i g i t a lm e t h o da n de d g ei n f o r m a t i o ne x t r a c t i o ni n c c d s c a n n i n gb a s e dd e f e c t si n s p e c t i o n a b s t r a c t t h ec l e a n l i n e s si so n eo fm o s ti m p o r t a n ti n d e x e sf o rp l a s t i cf i l mp r o d u c t ， w h i c hm u s tb eu n d e rc o n t r 0 1 h o wt oi m p r o v et h ec l e a n l i n e s so fp l a s t i cf i l m p r o d u c ti s a l li m p o r t a n tp r o b l e m w h i c hm a n u f a c t u r e r so fp l a s t i cf i l ma r ef a c e d w i t h t os o l v et h ep r o b l e m ，i nt h et h e s i s ，i n s p e c t i n gs y s t e mo fd e f e c ti np l a s t i c f i l ma n dc o r r e l a t i v et e c h n o l o g i e sw e r es t u d i e d t h ee x i s t i n gp r o b l e m si nt h e t e c h n o l o g yf i e l dw e r ea n a l y z e do nt h eb a s i so fe x t e n s i v er e a d i n gf o rd a t aa n d i n v e s t i g a t i o n t h ew h o l es c h e m ed e s i g nf o ri n s p e c t i n gs y s t e mo fd e f e c t si n p l a s t i cf i l mw a sa c h i e v e d ，i nw h i c ht h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o nd e v i c el i n e a r a r r a yc c dt e c h n o l o g yw a sa d o p t e d t h ei n s p e c t i n gs y s t e mo fd e f e c t si np l a s t i cf i l mb a s e do nd s oo b t a i n s s i g n a l so fd e f e c t si np l a s t i cf i l mw i t hi r r a d i a t i o no fp a r a l l e ll i g h tb yu s i n gl i n e a r a r r a yc c d c o n t r o lc i r c u i t t h el dd e f e c ts i g n a l sw e r ec o l l e c t e da n dt r a n s f e r r e d b yu s i n g v i r t u a lo s c i l l o g r a p hd s o - 2 9 0 2 ，a n dt h e1 - dd e f e c t s i g n a l s w e r e a n a l y z e da n dp r o c e s s e db yu s i n gc o m p u t e r t h e r e b y , t h ed e f e c t sw e r ep r e c i s e l y f i g u r eo u t f i r s td e f e c tw a si n e x a c t l yl o c a t e db yu s i n gm u l t - r e s o l u t i o n t h ea l g o r i t h m f o ri n s p e c t i n go fd e f e c t si np l a s t i cf i l mw a sp u tf o r w a r d ，a n dt h es i g n a l so u t p u t f r o ml i n e a ra r r a yc c dw e r ed i r e c t l yt r a n s f e r r e dt om e m o r yu n i t so fc o m p u t e r a p p o i n t e db yu s i n g v i r t u a l o s c i l l o g r a p h d s o 2 9 0 2 t h ed a t ao fs i g n a l s m e m o r i z e di nc o m p u t e rw e r ep r o c e s s e d b yu s i n gs o f t w a r es y s t e m o fd a t a c o l l e c t i n g t h e r e b y , t h ei n s p e c t i o no fp r e c i s es i z ea n dl o c a t i o no fd e f e c t sw e r e a c h i e v e d i no r d e rt or e d u c em e a s u r e m e n te r r o r , t h es u b p i x e le d g el o c a t i o no f m e a s u r e m e n ts y s t e mn e e d st ob ea c h i e v e d i nt h et h e s i s ，t h r e ee d g ei n s p e c t i n g m e t h o d sw e r ep u tf o r w a r d ：l i n e a rf i t t i n g ，s y m m e t r yf i t t i n ga n dc u r v ef i t t i n g ，a n d t h et h r e em e t h o d sa ua c h i e v e ds u b p i x e le d g el o c a t i o n c o n t r a s te x p e r i m e n t sa n d q u a n t i t ya n a l y s i ss h o wt h ec u r v ef i t t i n gi sq u i c k e r , b e t t e rp r e c i s i o n ，l e a s te r r o r - i i 竺竺薹墨二叁兰三兰竺：兰竺兰耋 a n dt h eb e s tr e p e t i t i o n s oi nt h ei n s p e c t i n gs y s t e m ，t h ec u r v ef i t t i n gm e t h o dw a s u s e dt oa c h i e v es u b p i x e le d g el o c a t i o n a f t e rt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to f v i r t u a lo s c i l l o g r a p hd s o - 2 9 0 2 ，t h ec o n t r o lo fw h o l ei n s p e c t i o ns y s t e mw a s a c h i e v e d ，a n dc a l c u l a t i o nr e s u l t sc a l lb es a v e da n dd i s p l a y e do nc o m p u t e r t h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp r o v i d e sb e t t e r h u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c ef o r t h e i n s p e c t i o ns y s t e m i nt h et h e s i s t h es u b p i x e le d g el o c a t i o nf o rd e f e c t so f1 5 0 0 ma ts i z ew e r e b e e nd o n eb yu s i n gl i n e a rf i t t i n gm e t h o d ，s y m m e t r yf i t t i n gm e t h o da n dc u r v e f i t t i n gm e t h o d ，r e s p e c t i v e ly t h er e s u l t ss h o wt h ec o v a r i a n c em e a s u r e db yu s i n g t h et h r e em e t h o d sa r e4 8 2 4 ，2 9 5 4 4a n do 6 9 0 6 ，r e s p e c t i v e l y ，a n dt h ep i x e l - d i f f e r e n c ea r e5 6 ，5 1a n d2 2 4 ，r e s p e c t i v e l y i tc a l lb es e e nt h a tc u r v ef i t t i n gi s t h em o s tp r e c i s ea m o n gt h et h r e em e t h o d s t h ep i x e l - d i f f e r e n c eo f2 2 4i se q u a l t 06 2 7 2 i t mi ne l e m e n te r r o r a c t u a le r r o rc h a n g e df o r mt h ep i x e l - d i f f e r e n c ei s l e s st h a n9 l l m k e y w o r d sp h o t o e l e c t r o n i ci n s p e c t i o n ：v i r t u a lo s c i l l o g r a p h ：e d g ei n s p e c t i o n ： d e f e c t si n s p e c t i o n i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于c c d 扫描的缺陷检测 数字化技术与边缘提取技术，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明 部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者躲镑阂觅吼驯月f v 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于c c d 扫描的缺陷检测数字化技术与边缘提取技术系本人在哈尔 滨理工大学攻读硕士学位期蚓在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研 究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发 表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 本学位论文属于 保密厂 ，在年解密后适用授权书。 不保密叼。 ( 请在以上相应方框内打，) 作者签名：彳私司罄日期：洲年。钥( 导师签名： 日期：a 咿以年d ；月f 、伺 哈尔泞理t 大学t 学砀卜学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 塑料是以高聚物为基础原料，加入各种助剂、增强材料和填料，在一定温 度、压力下加工塑制或固化成型而得到的固体制品和材料。它是一种人工合成 的高分子化合物，具备许多优越性能，已被广泛的应用于人们的日常生活，并 成为工农业生产和科学技术领域中不可缺少的重要材料。 塑料作为一种新的材料，由于具有原料多、易生产、成本低等优势以及质 量轻、强度大、防水、耐腐蚀等优良性能，不断地扩展应用范围，取代金属、 木材、纸张、建材的势头至今不衰，成为世界上的三大合成材料当中发展速度 最快的高分子材料。近几年我国塑料薄膜的生产能力、花色品种、技术装备、 产品质量等方面都有了明显的提高，大大缩小了我国与国外先进水平的差距。 然而，就行业总体水平而占，档次低、技术水平不高。随着我国加入w t o 以及市场开放时间表的逐步实施，我国塑料薄膜生产企业在激烈的市场竞争 中，正面l 临着新的挑战。如何提高产品质量“1 ，与国际接轨，走向国际市场， 已是摆在企业面前的重要课题。 针对我国塑料薄膜缺陷检测领域总体空白的现状，面对广大塑料薄膜生产 企业的实际需求，塑料薄膜制品缺陷在线检测系统的研制是十分必要的，对其 进行研究具有重大的现实意义与广阔的市场前景。 在实际生产中，人们希望塑料薄膜缺陷的检测是高速度、高分辨率的，即 能在较有限时白j 内高分辨率的检查尽可能大的塑料薄膜体积，最希望能对原材 料进行1 0 0 的检测。自7 0 年代起国际上对原材料的检测方法是将塑料薄膜用 小型挤压机挤成带状式样，在2 0 倍显微镜的帮助下观测缺陷颗粒，一般最小 可以看到1 2 0 斗m 的缺陷，但是由于人眼极易疲劳，检查是极不可靠的”“”。随 着光学和电子技术的进步，使应用更为先进的激光扫描和电子扫描对材料的观 测成为可能。 到目前为止，在国际范围内，无论是激光扫描或者是电子摄像式的塑料薄 膜中缺陷检测都尚未解决缺陷种类自动识别的问题。近年来，世乔各国耗费巨 大的人力、财力来研究塑料薄膜中缺陷控制的生产方法，目前缺陷测量技术及 装置是美、日、英、德、瑞等少数发达国家少数专业公司掌握的技术。尚无相 哈尔滨理t 大学t 学够卜学位论文 关论文报道技术细节内容。随着国内塑料薄膜需求的急速发展，质量控制问题 日显重要。在塑料薄膜制造业中其质量控制问题己成为当务之急，数十万美元 的国外设备又使国内工业望而却步，因此，研制用于检测塑料薄膜中缺陷颗粒 的装置是十分有意义的。 1 2 塑料薄膜缺陷检测技术发展综述 中国的塑料产业正处于高速发展阶段，提高加工能力，提升生产水平及提 高产品的技术含量，将是目前中国塑料工业发展重点，从而在中国进入w 1 d 后，加强其在国际间的市场竞争力，使我国成为塑料制品大国。目前，国内部 分企业和研究单位已经积极展开了对塑料薄膜自动检测系统的研究，并取得了 一定的成果，但这些设备主要检测的目标是薄膜的总体特性，例如：透湿性、 透气性、表面张力等等。薄膜缺陷检测领域在国内仍是一项空白，我国一些大 型的石化、塑料企业中的塑料薄膜缺陷检测设备都是购自国外，这些设备精度 高、速度快、可在线实时测量，具有极大的优越性，但是设备结构复杂，维修 维护不便，而且售价昂贵，难以在我国全面推广”“”。广大中小型塑料企业急 需一种体积小、精度高、速度快、价格适中的薄膜缺陷在线检测系统。 塑料薄膜制品的产量、品种、规格的发展是与机械装备的发展紧密相连 的，只有提高塑料薄膜机械的装备水平，尤其是提高生产线的自动化程度，才 能从根本上提高塑料薄膜质量，提升产品竞争力。国内的塑料薄膜制备机械这 几年发展迅猛，所用的生产线和生产设备从原来的完全进口发展到到今天的进 口与国产并存。然而，自动化检测设备的发展仍然是刚刚起步，大部分企业的 品质检测环节仍停留在手工操作水平，检测的效果和效率主要依靠检测人员的 经验，这样不但是花费在测量上的时间和人员数量相当大，而且传统的离线静 态测量技术根本无法满足现代薄膜生产中主动测量的要求，对产品质量的提高 形成了极大的障碍，这已经成为塑料薄膜行业中急需解决的技术问题。 c c d 应用技术是一项具有广泛应用前景的新技术。二十多年来，c c d 技 术取得的惊人进展足以说明这一点。c c d 已经在三大领域得到广泛应用：摄 像、信号处理和存储。c c d 用于尺寸测量是非常有效的非接触式检测技术，被 广泛应用于在线检测和高精度、高速度的检测技术领域。由c c d 光电传感 器、光学系统、单片机数据采集和处理系统构成的c c d 光电尺寸检测仪器的 使用范围和优越性，不仅是人工检测所无法比拟的，也是现有机械式、光学 式、电磁式损0 量仪器都无法比拟的。近年来，利用c c d 进行非接触检测在国 哈尔演理t 大学t 学硕十学位论文 外已经得到广泛应用，但国内在这方面的应用还处在研制和试用阶段。如果用 c c d 来对塑料薄膜进行非接触实时在线检测，不但可以克服人工检测的缺 点，而且还可以克服激光扫描法的缺点。 现阶段，对塑料薄膜的缺陷检测方法主要有无损检测法、激光式缺陷检测 法和光电式缺陷检测法。 1 无损检测法缺陷测试到目前，对塑料薄膜缺陷的大体积抽样甚至无损 检测方法的研究一直在进行。人们想象中最理想的是现代的无损检测 ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ) 技术用于此目的，而n d t 在现代的最具代表性的方法 即为c t ( c o m p u t e r e dt o m o g r a p h y ) 和b 型超声测量仪。1 9 9 6 年j e a n - m a r i e 报道 了应用n d t 方法测量塑料薄膜缺陷的试验及结果。应用c t 方法对塑料薄膜 进行分析，最小能分辨出0 4 m m 的在塑料薄膜缺陷中钻的圆柱形孔，这个分 辨率非常低，应用c t 测量塑料薄膜中缺陷显然是不合适的。超声检测的方法 极限分辨率也是0 4 m m 的柱形孔，这些方法的分辨能力都远远达不到所要求 的分辨率。光学测量的方法才是分辨率最高的方法，理论上所用光的波长是分 辨率的极限量级“。 2 激光式缺陷测试光学和电子技术的进步，使应用激光扫描对材料的挤 带测量成为可能。1 9 8 5 年b pc h e m i c a l 公司研制了高速激光扫描装置检测挤带 试样中缺陷颗粒，系统分辨率为7 0 1 t i n “小”1 。激光束由h e - n e 激光器发出。透 射光含试片中缺陷信息。该系统的主要优点是测试速度高，光束扫描频率达 2 4 0 0 次，秒，幅度1 0 0 m m ，试片厚度o 5 m m 。缺点是系统过于复杂，尤其是光 接收系统造价很高。且系统对缺陷的测量是不分种类的，只要是异物即被记录 下来。1 9 8 2 年p k c h e o 报道应用远红外激光束透射扫描在生产线上行进的塑 料薄膜。该装置样机研制完成后一直未能推广应用”。1 9 9 1 年z h a o ，t u 和 l i u 应用全息照明的方式对5 0 r a m 长一段塑料薄膜进行全息照相，记录其中的 缺陷信息，这种方式仅解决了不切片或少切片的问胚“”。 3 光电式缺陷测试摄像方式可能是塑料薄膜缺陷高速高分辨率检测的另 一选择，1 9 8 9 年在北欧化工公司应用了商品名为u n i d o t 、基于电子摄像器件 扫描的挤带试样中缺陷颗粒的测量装置，分辨率为2 0 p m 。并将其作为北欧化 工塑料薄膜超净化生产能力的标志，再后来u c c 等材料制造商纷纷将缺陷电子 检查字样写入塑料薄膜料的商品化说明和广告。该系统没有颗粒种类识别能 力，为了区别缺陷种类，在测到异物颗粒时，在试片上打有印记，然后由一名 工程师在印记处找到被测得的异物，在光学显微镜下观察其形态并确定种类。 根据报告，装置应用c c d 器件能在测量幅宽2 0 m m 时有2 0 p m 分辨率，说明 哈尔滨理t 大学t 学面 学位论文 其分辨率是像元级别的，显然是含有关键技术的。为满足塑料薄膜制造材料及 工艺的超净化要求，s i k o l a 公司于1 9 9 5 年推出了加在挤出机上的缺陷检测装 置，该公司仅在刊物上报告了它的简单工作原理，它是利用塑料薄膜在挤出机 中热熔状态透明的特点，在挤出机和机头之间加装了个有透明口的适配接 口，用摄像机高速的测量塑料薄膜材料中的缺陷，其分辨率为2 0 t a m ，材料流 速2 0 0 k g h 。国内1 9 9 4 年研制成了电子摄象式检测系统。并在上海化工厂等 l o 个单位使用。目前c d i i 型电子摄像式缺陷颗粒测量仪虽已经具备了批量生 产能力，但该仪器由于其人机交互功能不强，数据处理与保存能力有限，并不 能直接生成试验报表，及系统各状态表示不明显等缺点“”“”。因此，充分利用 计算机的资源，结合虚拟仪器技术的方法，对电子摄像式缺陷颗粒测量仪进行 了进一步的开发是很有必要的n 一“。 一般的图像检测系统主要由照明系统、被测物体、光学成像系统、信号处 理电路和计算机组成，因此，影响系统精度的因素主要有：照明系统、光学成 像系统、c c d 摄像器件、信号处理电路、软件算法。要想提高系统精度，通 常可以选择高像元的线阵c c d 器件、采样频率高的图像采集卡等硬件设施， 但是这些方面还是有一定的局限性的1 。而利用软件来提高测量的精度，具有 方法灵活、简便、有效等优点，因此，软件算法越来越受到人们的重视。在图 像处理中，被测件有关边缘点的定位精度往往直接影响到整个测量的精度，因 此，研究边缘点的精确定位算法是很有实际意义的”“1 。普通的边缘检测算法 的边缘定位精度只能达到一个像素，这往往是不能满足测量的需求的，于是就 产生了亚像素细分技术。细分技术是近年来才兴起的一项新的图像处理技术， 尽管目前已经提出了很多种细分的方法。但这些大都不太成熟，往往仅对某种 类型的图像有较好的效果。线阵c c d 器件获得的图像边缘简单且有很高的对 比度，进行边缘检测时不需要复杂的图像处理方法，但是对精度和处理速度要 求很高。从2 0 世纪8 0 年代起，有不少专家提出了一些有效的亚像素边缘定位 的方法，如插值法、灰度矩法和一些组合的算法等，这些方法虽然定位精度高 了，但是运行速度很慢，难以得到应用。1 。 本文在原有的阂值电平法的基础上，又提出了三种亚像素级别的边缘定位 方法，分别是直线拟合法、对称点法和曲线拟合法，其中曲线拟合法是一种新 型的图像测量快速亚像素边缘检测方法，应用二阶曲线拟合法和最小二乘原理 来实现亚像素级别的边缘定位。实践证明，其用在处理一维c c d 信号中是非 常的有效的。 呛尔泞理t 大学t 学够卜学位论文 1 3 本文的研究内容 本课题针对塑料薄膜中的缺陷，采用精度1 4 i m a ，像元为1 0 2 4 个的 t c d l 3 2 d 型线阵c c d ，虚拟示波器d s o 2 9 0 2 及其控制电路，来设计一种用 于对塑料薄膜中的缺陷进行检测的仪器。所做的工作主要有以下几个方面： 首先，设计塑料薄膜缺陷检测装置，使外界的干扰减至最小，最小可以检 测到2 0 1 a m 的缺陷。 其次，对缺陷信号进行分析时，建立了采样点数与缺陷尺寸关系模型和实 验杯定曲线，提出了塑料薄膜缺陷检测算法，使缺陷的大小与所在的位置能够 通过计算得到具体值。 再次。提出直线拟合法、对称点法和曲线拟合法三种边缘检测方法，实现 亚像素级别边缘定位，使测量误差减到最小。 最后，设计了塑料薄膜缺陷检测系统虚拟仪器的软面板界面，实现对虚拟 示波器d s o 2 9 0 2 的二次开发，完成对全程检测的采集与传输，计算得到并保 存结果。 略尔淳理t 大学t 学够卜学p 论文 第2 章光电检测及其相关技术 2 1 光电检测技术 检测技术在国民经济的各个行业中，起着举足轻重的作用，无论科学研究、 产品质量及自动控制都需要检测，利用现代光电子技术作为检测手段，具有无接 触、无损、远距离、抗干扰能力强、受环境影响小、检测速度快、测量精度高 等优越性，是当今检测技术发展的主要方向。 光电检测是利用光电传感器实现各种检测，即将被测量转换成光通量，再 将光通量转换成电量，并综合利用信息传送技术和信息处理技术，最后完成对 各种物理量的在线和自动测量”。 光电检测为非接触测量，在生产过程的在线检测、安全运行保护等方面起 到重要作用。特别是近年来，各种新型光电探测器件的出现，以及电子技术和 微电脑技术的发展，使光电检测系统的内容愈加丰富，应用越来越广，目前已 经渗透到几乎所有的工业和科研部门，是当今检测技术发展的主要方向。 现代检测技术所用的电子原件及电路向集成化方向发展，检测结果向数字 化发展，检测系统向“智能”化发展。所有这些发展方向也正是光电检测的发 展方向。光电检测技术完全满足现代技术的需要，有着广阔的发展前景。 光电检测技术的主要特点是非接触性、高灵敏度、高精度、三维性、快速 性和实时性。光电传感器是利用光电效应探测光信息，并将其转变成电信息的 器件。按照工作效应不同可划分为：光电子发射器件、光电导器件、光生伏特 器件、电荷祸合器件等，下面分别作简单介绍。 光电子发射器件主要有光电管和光电倍增管，其主要特点是灵敏度高，稳 定性好，响应快和噪音小。光电管由光电阴极、阳极和真空管组成，当入射光 照射到阴极上时，光电子从阴极发射到真空或惰性气体中，在极间电场的作用 下，光电子加速运动到阳极，在阳极中被吸收并测出。光电倍增管采用类似原 理工作，并在阴、阳极间增加倍增极来提高灵敏度。 光电导器件利用半导体材料吸收入射光子后产生载流子，使导电率发生变 化的光电导效应制成，又称光敏电阻。按照光生载流子的激发过程不同，光电 导器件可分为本征和非本征两种。不同类型的光电导器件可工作在近红外，中 红外和远红外等波段n 。 哈尔滨理下大学t 学够卜学竹论文 光生伏特器件利用光作用在半导体材料上产生电压的光生伏特原理制成， 其特点是噪声低、受温度影响较小。光生伏特器件主要有硅光电池、光电二极 管等。 电荷祸合器件( c c d ) 是指照射在某种光电导材料的p n 结上时，若光能大 于禁带宽度，价带中电子迁到导带，产生电子空穴对：在p n 结内部电场 的作用下，电子向n 侧迁移，而空穴对则向p 侧迁移；且光强越大，光电导 材料内激发的光电子数目就越多。其突出特点是以电荷为信号，同时体积小， 重量轻，且是全固体器件携带方便。 2 1 i 电荷耦合器件工作原理 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 是一种集光电转换、电荷存储、电荷转移为 体的传感器件。它的主要功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感 器光敏面上按空间分布的光强信息，转换为按时序串行输出的电信号视频 信号，能再现入射的光辐射信号。 c c d 器件作为七十年代发展起来的传感器，利用材料的光电物理效应， 减少了转换环节，使敏感元件与转换元件合为一体，实现了固体化。具有结构 牢固、体积小、重量轻、寿命长、响应速度快、可靠性高等优点。c c d 器件 具有固定的像元结构，像元的几何尺寸固定，几何位置精度高，因此c c d 用 于测量或定位时可以获得很高的精度。c c d 器件具有很高的光电灵敏度和大 的动态范围，比较好的c c d 器件在特定的条件下与微光图像增强器的输出端 相耦合，甚至可以测得一个光电子。此外，c c d 器件的工作电压和功耗都很 低；输出信号易于传输和计算机处理：由c c d 构成的测量系统操作容易，维 护简便，成本低廉：军事上，出现了红外焦平面阵列，可用作侦察、警戒或作 为导弹导向等。作为光电传感器可用于对人体有害的、危险的地方，且易于实 现非接触测量”w 。 ( 1 ) c c d 的m o s 结构寄存储电荷原理。形成c c d 的基本单元是m o s 光 敏元，是一种金属氧化物半导体硅结构元形成的电容器。c c d 的特 点是以电荷为信号，不同于其它器件那样以电流或电压为信号。图2 1 中m o s 光敏元示意图为在一个s i 基片上氧化生成氧化层( s i 0 2 ) ，再在氧化层上沉积一 层金属电极构成一个孤立的m o s 电容器。所有电容器都能存贮电荷。当在栅 极上施加正阶跃电压，衬底接地时，在电场作用下，靠近氧化层的p 型硅区的 带正电荷的空穴被排斥，形成了一个耗尽区。相对带负电的电子而占是一个势 哈尔滨理t 大学t 学顾卜学位论文 能很低的区域，这部分称为“势阱”。这种状态是瞬时的。如果此时有光照射 在硅片上，在光子作用下。半导体硅产生了电子空穴对，由此产生的光生 电子就被附近的势阱所吸收，而同时产生的空穴则被电场排斥出耗尽区，这种 状态是稳定的。图2 1 中光生电子的形象示意图中电荷存在于s i o r - s i 界面 处。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。这样一 个m o s 光敏元叫做一个像素：这些m o s 敏元是用同一半导体衬底，上面均 匀连续生成氧化层；在氧化层上沉积的金属电极互相绝缘，相邻仅极小日j 距， 保证相邻势阱耦合及电荷转移。相互独立的m o s 光敏元有几百至几千个，若 在金属电极上施加一正阶跃电压，就形成几百至几千个相互独立的势阱。如果 照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图像，那么就生成一幅与光强成正比的 电荷图像m 。 沟一攀 匝互兰至基! 麴 盏一k 劂 努t j 锵 l 唧光敏元示意图 光生电子的形象示意田 图2 - 1m o s 光敏元示意图和光生电子的示意图 f i g 2 - 2t h e s c h e m a t i cd i a g r a mo f m o sp h o t o s e n s i t i v ee l e m e n ta n d # o 协i m u c e de l e c t r o n ( 2 ) 电荷移位过程。多个m o s 光敏元依次相邻排列，相邻间距极小，耗尽 区可以交迭，即发生势阱“耦合”。势阱中的电子将在互相耦合的势阱h j 流 动；流动的方向决定于势阱的深浅。这样就可以将电荷有控制的从一个金属电 极下转移到另一个金属电极之下。图2 - 2 是c c d 的结构原理图。其中间部 分三个相邻金属电极分别加以时钟脉冲p ，、仍、钆形状完全相同，彼此 间有一定的相位差。三相时钟脉冲时序波形见图2 - 3 ，移位过程见图2 - 4 。 图2 - 2 c c d 的结构原理图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r a lp r i n c i p l ef o rc c d 圣1 也 s 晚 雪3 图2 - 3 三相时钟脉冲时序波形 f i g 2 - 3t h es e q u e n t i a l w a v e f o r mf o r t r i p h a s et i m e p i e c ep u l s e ：尘薹! ：奎耋：兰竺圭兰堡篁三 时序波形的正阶跃脉冲的低电平为2 v ，大于开启电压，相当于场效应器件 中形成沟道条件；高电平为1 0 v ，在t = t 。时刻，伊，处于高电平，9 ：和妒，于低 电平，如图2 - 4 ( a ) 所示，在妒，电极下s i o r _ s i 界面处出现势阱，陷入电子，在 t = t 2 时刻，由9 7 处于高电平，伊，和妒：电极下s i o r s i 界面处均有势阱，由于 极间距极小，势阱“耦合”互相连通，如图2 4 ( b ) 所示，矿，下电子向妒，势阱转 移。在f = t ，时刻，9 ，电压下降，势阱变浅，更多的电子向矿，的势阱内转移， 如图2 4 ( c ) 所示。在t = t 。时刻，妒，电压下降到低电平，势阱消失，原9 ，电极下 的电子全部转移到仍电极下，如图2 - 4 ( d ) 所示。至此，完成相邻电极下电荷有 控制的转移一步t = ，。时刻同时又是电极下电子转移到妒，电极下的开始。重 复下去，信息电荷不断右移，直到最后位依次不断的向外输出。多个顺序排列 的m o s 光敏元，在三相时钟脉冲作用下，以三个电极伊，妒，和伊，为一组，每 组可容纳一束信息电荷1 各组中的信息电荷同时定向传送，在信息电荷的 传送过程中，各组中的信息电荷是互不干扰，上述就是电荷的移位过程”1 。 逖毯趁毯笾邀二盥。燃施工盥 硇厂飞厂艇! 日一 耐t = f lb ) t = t 2c ) t = t 3e 1 ) t , q 4 图2 4 电荷移位过程 f i g 2 - 4t h ep r o c e s so f e l e c t r i cc h a r g er e p l a c c m e m ( 3 ) c c d 的输入与输出。电荷输入是在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。在两类注入法中，光注入在非接触测 量中应用最为广泛。光注入是当光照射到c c d 硅片上时，在栅极附近的半导 体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收 集在势阱中形成信号电荷。光注入又可分为正面照射式与背面照射式。c c d 摄像器件的光敏单元为光注入方式。所谓电注入就是c c d 通过输入结构对信 号电压或电流进行采样，然后将信号电压或电流转换为信号电荷。常用的电注 入有电流注入法和电压注入法。 在c c d 中有效的收集和检测电荷是一个重要问题。c c d 的重要特性之一 就是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，而在输出端则不可 避免。因此，选择适当的输出电路可以尽可能地减少时钟脉冲容性的馈入输出 电路的程度。目前c c d 的输出方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和 浮置栅放大器输出 a s l a 呛尔汐理t 大学丁学蜘 。学慢论文 2 2 线阵电荷耦合器件t c d l 3 2 d 及驱动电路 2 2 1 线阵电荷耦合器件t c d l 3 2 d 各种线阵c c d 器件均可以用作尺寸测量，不同类型的线阵具有不同的特 点，适用不同的应用。在这次设计中，使用了只本东芝产1 0 2 4 像元c c d 线阵 t c d l 3 2 d ，其内部结构如图2 5 所示。与其它线阵c c d 相比，内部增设采样 保持电路、脉冲发生器和驱动器，故易于驱动，而且信号处理简单，应用方 便。内部增设采样保持电路的优点是信号的输出不是一个个的脉冲，而是每个 脉冲的幅值，因而不必再另设采样保持器对信号进行处理。脉冲发生器为应用 带来了很大的方便，使用t c d l 3 2 d 时，只需要三路脉冲即可。在外界光源的 照明下，光电二极管阵列( 每个像元s i 尺寸为1 4 9 m x l 4 9 m ) 产生光生电荷，光 生电荷正比于照射在像元上的光强。在完成一个光积分时日j 后，转移栅l 和2 在位移脉冲s h 作用下，连通光敏像元阵列与c c d 模拟移位寄存器，将光生电 荷对应的隔位注入到c c d 寄存器l 和2 中，在复位脉冲9 。和时钟脉冲伊。作 用下，光生电荷在两列c c d 中逐位的转移最终合并成一列形成时间序列的模 拟电压脉冲信号，电压脉冲幅值j 下比于对应像元的光生电荷，经一内部比较电 路，在端子2 0 输出经峰值保持的信号1 。 图2 - 5t c d l 3 2 d 结构原理图 f i g 2 5s t r u c t u r a lp r i n c i p l ef o rt c d l 3 2 d 1 0 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 t c d l 3 2 d 主要性能技术指数如下： 1 像元数：1 0 2 4 位 2 像元尺寸：1 4 x1 4 p m 2 3 光谱响应：4 0 0 1 1 0 0 n m 4 芯片饱和输出电压：3 v 5 饱和曝光量：0 2 5 l x s e c 6 工作温度：- 2 0 c - - , + 6 0 c 7 供电直流电压：1 2 v 2 2 2 驱动电路 驱动电路的作用是给c c d 提供正常的工作所需要的逻辑时序脉冲和偏置 工作电压，并在c c d 的输出端把光电转换得到的电荷量转变成电压量输出。 驱动脉冲信号的波形、相位、前后沿时间等，对器件工作的好坏影响很大。为 了保证工作稳定可靠，必须设计出符合c c d 正常工作要求的时序脉冲和驱动 控制电路，驱动控制脉冲必须与c c d 良好配合，才能充分发挥c c d 的光电转 换、电荷存储和电荷转移等功能。不同型号的c c d 要求不同的工作参数，难 以设计出一种驱动控制电路同时满足多种c c d 工作需要，所以，即使是相同 像元的c c d 器件，若型号不同亦不具有互换性。 图2 - 6 为t c d l 3 2 d 工作波形图，三个驱动信号的时序关系为：c c d 时钟 9 c c d 脉冲周期是主时钟9 。脉冲周期的四倍，转移脉冲s h 并没有宽度要求，只 是s h 脉冲上升边沿必须和 a c c o 上升沿对齐，s h 脉冲下降边沿必须与g c c o 脉 冲下降沿对齐，但是为了能够测得信号，要求尹。的周期必须大于2 1 8 2 个 的周期。由图可见，它由1 0 9 1 个光电二极管构成光敏元件阵列，其中前6 4 个 是用作暗电流检测而被遮蔽的，中间1 0 2 4 个光电二极管是曝光像敏单元，每 个光敏单元的尺寸为1 4 9 i n 长，中心距亦为1 4 p m ，光敏元阵列总长为 1 4 3 3 6 m m 。 为保证c c d 器件工作，需提供3 路脉冲妒“、纯和伊，其原理图如图 2 7 所示。环形振荡器产生8 m h z 脉冲，经二分频形成妒“为4 m h z ，再经4 分频形成。为i m h z ，经3 只同步计数器产生脉冲，高电平脉宽与q j c c o 相同，妒。周期为光积分时间，可由同步计数器预置端设定，c c d 信号输出经 一射极输出器隔离。 竺尘堡矍三耋兰三兰竺：兰竺丝圣 图2 - 6t c d l 3 2 工作波形图 f i g 2 - 6t h eo p e r a t i n gw a v e f o r mf o rt c d l 3 2 2 3 本章小结 图2 7t c d l 3 2 d 驱动电路 f i g 2 - 7t h ed r i v i n gc i r c u i tf o rt c d l 3 2 d g l 本章详细地介绍了光电检测技术，利用光电传感器实现各种检测，即将被 - 1 2 哈尔滨理t 丈学t 学碜卜学位论文 测量转换成光通量，再将光通量转换成电量，并综合利用信息传送技术和信息 处理技术，最后完成对各种物理量的在线和自动测量。并介绍了光电检测技术 的特点及检测的基本方法。在此基础上，本章着重的说明了光电传感器件 电祸合器件。它是一种集光电转换、电荷存储、电荷转移为一体的传感器件。 它的主要功能足把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间 分布的光强信息，转换为按时序串行输出的电信号视频信号，能再现入射 的光辐射信号。介绍了电祸合器件的工作原理并详细的说明了线阵电耦合器件 t c d l 3 2 d ，设计了线阵电耦合器件t c d l 3 2 d 的驱动电路，以保证c c d 器件 在缺陷检测中正常工作。 哈尔泞理t 大学t 学碜卜学位论文 3 1 引言 第3 章塑