（机械设计及理论专业论文）面阵ccd高精度测量应用技术.pdf

太原理工大学硕士研究生毕业论文沧文题目：面阵c c d 高精度测量应用技术导师：李元宗研究生：杨丽风文摘本文介绍厂而阵c c d 在= 业非接触测量中的应用，阐明了向阵c c d 工业非接触测量系统的组成及工业应用中需解决的问题，说明了面阵c c d 基片分类机测量系统的方案选择、系统组成、光学系统设计及测量的软件系统，并针对其生产应用详细分析了它的硬件系统误差及软件算法，比较选择了滤波、边缘榆测、像素细分的算法以控制系统的精度与速度。细分关键词：面阵c c d ，非接触测量，误差分析，滤波，边缘检测a b s t r a c tt h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no fa r e ac c di nu n t o u c h e dm e a s u r e m e n to fi n d u s t r y ，c l a r i f i e ss t r u c t u r eo fu n t o u c h e dm e a s u r i n gs y s t e ma n dp r o b l e mn e e d e dt or e s o l v ei nt h ei n d u s t r ye n v i r o n m e n t ，a n da l s og i v e ss c h e m e ，s t r u c t u r eo fs y s t e m d e s i g no fo p t i c a ls y s t e ma n ds o f t w a r ei na u t o m a t i cs o r ts y s t e m so fs u b s t r a t eb ya r e ac c d ，b yc o m p a r i n gd i f f e r e n ta l g o r i t h m so ff i l t e r ，e d g ed e t e c t i o n ，s u b p i x e l ，a n a l y s i s e se r r o ro fh a r d w a r es y s t e ma n da l g o r i t h m ，t h eb e s to n ew h i c hc a ng e th i g ha c c u r a c ya n ds p e e di np r a c t i c ei so b t a i n e d k e yw o r d s ：a r e ac c df i l t e r e d g ed e t e c t i o n ，s u b p i x e l太原理工太学硕士研究生毕业论文第一章恧阵c c d 在t 业非接触测量中的应用信息时代离不丌语言、文字、图像的实时获取与交流，如果把多媒体、各种网络、信息高速公路比作一个熬体，那么c c d 是他们的蔽戆，是全球实瓣售蠹技术静关键技术之。c c d 雏巍援撅其广泛，涉及科研、教育、医学、商渡、工业、军事及消费诸多领域，是图像采集及数字化处理必不町少的器件，特别是在像感器应用方面取得了令人瞩垦的发展。c c d 像感嚣在测试领域的应餍，产生了一门薪的测量攘术霭像测量援术，灏像测量技零楚缓褒代竞学为基礁，麓光电予学，计算机闵形学，信号处理，计算机视觉等科学技术为一体的现代测量技术。图像测量，怒测量被测对氖时，从图像中提取有用的蓦譬，恕蚕缳毒佟捡溅_ 饔臻递售怠豹手段袋载葵热羧潮羯懿方法。c c d 在工业非接触测量中的应用己成为现代光电及现代测试技术中最活跃、最富有成果的新兴领域。第一节c c d 简奔c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) ，中文译为电荷耦合器件，又称为c c d 摄豫器 孛袋c c d 塑像簧缮器，是七一哥年建耪发鼹越来懿瓤型半导体器件，它是焚国贝尔实验窀的w s b o y l e 和g e s m i t h 于1 9 7 0 年首先提出的。后来很快被a m a l l o 等人的实验所证实。在缀历了几年的磺突除段卮，建立了以一维势辫模型为基戳的菲稳惫c c d 基本理论。c c d 是一种集光电转换、存贮、自扫插转移、输密予一体的半导体豁平衡态功能器件，现己取代摄像管，成为最常见的图像传感器。它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、焚璞亵复凌。嚣霰著特熹是：l 。薅耪小重鬃疑；2 臻耗奎，工佟毫匿低，抗冲击与震动，性能稳定，寿命长：3 灵敏度高，嗓声低，动念范幽太：4 响应遮度快，有自扫描功能，阁像畸变小无残像；5 威用趣大怒模集成彀蹲工艺技术生产，像素集成度裹，尺寸精确。蘸黯太原理工大学颂士研究拳毕业论文化生产成本低。c c d 簸葫畿上可努兔线黪c c d 稳瑟簿c c d 及红舛c c d 等三大类。通常将c c d 内部电极分成数组，每组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。所需拥数由c c d 芯片内部结构决定，结构棚异的c c d 叮浇懋不藏场台甄使瘸要求。线簿c c d 东肇沟遂移双滋遂之分，葵匙敏隰是m o sf 融容或光敏一檄管结构，生产工艺相对较简单。它由光敏区阵列与移位寄存器扫描i 乜路组成，特点是处理信息速度快，外围电路篱单，易实现实时控制，瞧获取信息燮小，不能处瑕复杂的图像。瑟洚c c d 静臻构要复杂霉多，它由缀多光敏区撵刊成一个方阵，荠以一定的形式连接成一个器件，获取信息墩大，能处理复杂的图像。常见的面阵c c d 有帧转移型f t - c c d 、全帧转移f f t - c c d 、隔列内线转移i i t - c c d 、枣粪瘫线转移f i t - c c d 、鬃送扫毯内线转移p s i t - c c d等，其型号繁多，并正以各种形式的阵列、尺寸、价格大量上市。羽多元红外探测器阵列代替c c d 的光敏区部分，完成对目标红外辐射鲍必电转换，掇光生电菇注入到c c d 寄存器中，由c c d 完成延时、积分、转输等信号处理，裁构成了红秘c c d 。第二节c c d 非接触测缴的国杰外现状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、信号处瑾秘存储。它之所鞋旋在凰像测量领域孛得剃广泛的应蔺，是因为它其有精度高、转换效率高、功耗低、尺寸小、寿命长、性能稳定等优点。目觚，国外许多大学、科研机构都把c c d 与光学仪器相结台，研翻了许多应磊c c d 寒实瑷毙嗽转换豹瑟鳖澎电测量纹嚣。如瑗蜜泽( h a u s e ) 公司研制的h 6 0 2 型光电测量投影仪就是在普通投影仪的基础上，加上高精度光栅定位系统及计算机处理系统，并以c c d 器件 乍为光电瞄准头，遴行动态睽猴及叁动采捞，捷测量效搴褥到了缀大一2 一太原理工大学硬士研究生毕韭论文的掇高，劳动强度也丈大降低，数据处理方便、准确。美溪释学冢掘瑟蓐c c d 巍悲学显徽镜臻台起来，搬驻徽镜掰残醵像转变为电信号，然后送入计算机进行处理。利用这种鼹微镜对生物染色体结构进行测量，取得了令人满意的效果。规器援鲎与三坐标溅量嘏穰缝合，采雳蕻揍魅搽测遴孬三维测鳖_ 和物体识别是黍性制造系统巾必不可少的鬣爱设备，美翻、英国、f = _ i本、德国、瑞她簿国家研制了这种类型的兰嫩标测量机。如瑞典的j o h a s s o n 公司生产的三坐标测爨极，采用强终e c d 摄像l ! | i 作为光电接浚器件，灞汁舞祝数控进行嚣接艇图像楚蘧，畿实现自动测量和高速图像处理。美国o g p 公司研制的图像测量系统( s m a r ts c o p e2 0 0v i d e om e a s u r i n gs y s t e m ) ，其蠢赣密熬x y z 王痒台，采矮交焦壤头，实现对工件的自动调焦。由于该系统把标凇件安放在了镜头罩，可随时对系统进行标定，因此使用非常方便。该系统单轴测爆精度为( 2 5 + ，l o o 蛔。淹了保证图像铙场能得到均匀的照明，该系统采用了光纡环形灯照明。工作台采用步进电税邋行驱动，傈诞了快速攫索待测要素。该系统的软件采用可视化编程，具有良好的人机界面，嗣时配有各种各样的电子测量煅屋，以适应测晨不同类型工件的需要。爨本三丰公溺醭裁翘三璧拣c n c 鹜豫测量辊q u i c kv i s i o n 霹程鬻其自身复杂的搛测系统来测量形状复杂的工件。该系统采用直流伺服电机控制x 轴、y 轴和z 轴的机械运动。而且每一轴都有内置的商分辨搴黥m i t u t o y o 线性标定器黢定，这释意分辫力酶c c d 像鼹舂3 8 0 0 0 0个像素，能够在c r t 屏幕上显示清新的放大的图像。该系统麓对工件进行自动调焦系统的测量精度为( 4 + 5 l 1 0 0 0 ) u m ，最大驱动速度为2 0 0 m m s 。照明系统采用纤维光学管垂直反射和透射照明，外加一个谈速释觳竞纾繇获毙源。黪镜有l 售、3 嵇、5 售蠢1 0 售霹筷选择。近几年来，阉内许多单位也把c c d 测缀技术应用于光学仪器，研制了许多新型光 乜仪器。天津大学磺铡豹图像鱼动跫瑶显激镜系绫羲是剥麓c c d 器俘遴一3 太原理工大学硕士研究生毕业论文 ，摄像，实现涂片( 或其他试片) 的自动测光、自动曝光及自动筛选。整个系统交豢爨麓懿，使臻方窿可靠。天津大学精密仪器系研制的二维计算机视觉检测系统，采用c c d摄像机瞄准被测件的轮廓，纵横踌个方向利用步进电机j 蛙行驱动，粟鼹毙攘送行蕴移溅羹，霹戳镶方便戆对圜毳零l 孛瓣壹经及藐阉距进移测鬃，测量精度优于2 0 t u n 。天津大学研制的计算机视觉二维刀形梭测装置，采用面阵c c d 摄像桃攥取刀形图像，根据蹶给定的数学模燮积数据处理褥序，给出刀形麴线的参数缓，存入鼗据蓐，并绘翻国刃彤魏线。目前国内利用c c d 进行工业实时在线检测的系统f i 多，而且多用线阵c c d ，精度不高，个别受求高精度的系统多采用多个线阵c c d拱搂翡菝寒，恣蠢逶过多台 蕊分蒺率瑟疼c c d 揍接寒达到毫羲疫要求的。如以线阵c c d 像感器为核心测玻璃管尺寸；面簿c c d 在线梭测f 乜线电缆直径，被测对象盛径小于1 0 r a m ，精度小于o0 5 m m ；武钢轧援厂应鼹多台甄阵c c d 拱接对钢板长度、宽度进行在线自动测量，测鬟误差小于5 m m 。从以上这些戚用实例可以看出，c c d 可用来进行尺寸测量、工件定位以及轮廓瞄准，但应用单个面阵c c d 进彳亍高精度大尺寸测量，耪发达受豫素缀，蕊显授天王渡实际运露静鑫动生产绥，嚣蠹蜀未凳报道，虽有一些瑷论研究，但都4 i 足以解决现有应用面阵c c d 进行大尺寸图像测量舔统所存在的问题。因此，本文所从事的研究以及其应愆基片分类极躲竣产使用对予填补国内璧自，提高系绞靛叁动化爨庭翔智能化程度，有狠高的鹿用价值。第三节面阵c c i ) 工业非接触测量系统的鳃成及工蜇艨籍孛蓑解决魏漆蘧面阵c c d 工业非接触测燃系统主要由光学照明系统、觚阵c c d浅缘系缝、图像袋囊及处理系绫，数据终壤系统鳃成。蠢；同鲍系绫投4 一太原理工大学硕士研究生毕业论文据实际情况需具体分析。有些系统由于组成庞大，待测物尺、j 较大，精度要求低或不需特殊照明的可省去照明系统，但有砦系统对照明有严格的要求。可是在工业生产中，实现一个寿命长、视场大、均匀且平行的光场小易做到，这也限制了c c d 应用中精度的进一步提高。面阵c c d 成像系统可根据需要由单个c c d 或多个c c d 拼接而成，但多个c c dt 卜u 机之i r j 相互关联的精密性和稳定性小易保证。而乖个面阵c c d 相机的价格随分辨率增长成几何级数提高，造成系统成本的急剧增加。这就要求人们存定分辨率下使用特定的算法将检测提高到虹像素级精度，目前这项技术给工业应用带米了机遇和挑战。图像采集主要通过与c c d 相接的硬件电路完成，它通过接受c c d的电荷信号，完成图像的空间离散化过程，同时合成完整的视频信号，输入计算机，由计算机软件完成对数字图像的处理。软件算法在很大程度上决定了测量的精度，也影响着测试速度。因此图像处理算法的研究非常重要，尤其是研究出适于史时检测，对环境要求低，精度高速度快的算法更足有十分重要的意义。数据终端的复杂程度要视各系统具体情况而定，。般包括显示、存储、打印等。5 太原理工大学硕士研究生毕业论文第二章面阵c c d 基，幸分类机测量系统简介基十c c d 的科r 种优点，c c d 尺i j _ 测量技术比现有的机械式、光学式、电磁式量仪优越得多，它可以满足测嚣速度快、精度高、非接触及动态自动测莓的要求。面阵c c d 基1 。分类机即应用了这一技术它实现r 产品零件的快速高精度测量和分选，减少测量过程中所带来的人为误差，对提高经济效益、减轻以至解除工人繁重的检测工作具有重要意义。第一节而阵c c d 基片分类机方案的选定基片是矩形陶瓷薄板，公称边长5 0 - - 8 0 m m ，厚约0 4 r a m ，如图2 1 所示。其生产工艺是先冲压后烧结成型。由于冲压时基体材料较软，冲压时常带有一定的不确定性，因而成品尺寸有一较宽的离散带，影响其应用。基片分类机是要检测基片的基本尺寸，并确定其垂直度和平行度，将基片按尺寸分为公差带为图2 - 1待测基片0 1 0 m m 的l3 类产品，加上超差类( 再榆) 和废品类共1 5 类，检测精度小丁= o o l m m ，每分钟检测3 0 片。为满足基片分类机的尺寸检测功能、判断分类功能及自动卜下料功能，可有以下三乏种设计方案：1 机械式分类机机械式分类机是一种接触测量机，虽然能完成基片分类功能，但出于采用机械定位，基片本身性能较脆，机械测量中易损坏基片，再加之机械部分的误差将直接影响到测量结果，测量精度较低。同时，6 太原理工大学硕士研究生毕业论文由于机械部分较多、机构较复杂，给维修保养造成困难，运行费j j 较高。2 线阵c c d 基片分类机线阵c c d 基片分类机类似r 台高精度的扫拙仪，它将基片的尺寸信息扫描，通过计算机图像处理软件分析，获得基片基本尺寸及偏差，并进行分类。此系统对基片的损坏小，线阵c c d 价格便宜，数据处理量小。在扫描时，线阵c c d 的信息获得要求使用高精度的移动平台来获得匀速运动，这对机械零部件及控制系统提出了很高的要求，同时为了扫描得到两个方向的尺寸信息，需要附加一基片偏置机构。因此，线阵c c d 分类机在降低了图像传感器成本的同时，却大幅提高了机械装置的成本，而且，机械运动速度的一致性对检测精度影响很大，提高检测精度比较困难。3 面阵c c d 基片分类机面阵c c d 作为图像传感器已广泛应用于工业生产领域，其制造成本在不断降低，性能也不断提高。面阵c c d 可同时获取基片两个方向的信息，信息量大，为基片的基本尺寸及偏差分析提供了足够的信息，这就为像素细分以达到要求的检测精度打好了基础。目前计算机技术已经达到很高的程度，高性能的处理器可以使大量数据的图像处理在瞬时完成，这样就可以在短时间内完成规定测量精度的尺寸及误差分析。而阵c c d 采用静态墩像技术，不再需要扫描工作台，图像采集系统与上下料系统之问没有任何机械关联，这样机械制造误差、运动误差及机械震动造成的影响完全隔离在图像采集系统以外，不会影响到c c d 的检测精度，真正实现了非接触测量，其测量精度较高。采用面阵c c d 还可以省去复杂的基片传送过程，只要使用具有橡胶吸盘的气吸式机械手通过排气、抽真空吸附的方法即可完成。通过分析比较，面阵c c d 基片分类机具有技术可行，经济可行的优点，是基片分类机的首选方案。第二节面阵c c d 基片分类机测量系统的组成太原理工大学硕士研究生毕业论文面阵c c d 皋片分类测量系统是一种采用高分辨率c c d 对磬片进行几何尺寸检测的新型检测系统。该系统使用台像素为1 3 0 0 ( t t ) 1 0 3 0 ( v ) 的高分辨率面阵c c d 摄像机，通过照明系统背光照明形成测量场，以已知尺、j 的基准板的图像为模板，然后捕捉待测基片的图像进行比较，经成像系统在微机的控制下对电工陶瓷基片进行长宽尺寸在线测量、误差分析，实现基片自动分类，实测精度0 0 1 m m 速度达每分钟3 0 片( 包括上下料时阳j ) 。面阵c c d 基片分类机测量系统由光学系统、面阵c c d 图像采集系统、图像处理软件构成。光源的照明使基片产生阴影轮廓，由透镜系统放大或缩小成像于c c d 面阵上，c c d 将图像信号变成电荷信号，完成对图像的空叫离散化过程，同时合成完整的视频信号，输入计算机，由计算机软件完成对数字图像的预处理过程，经边缘提取、自动识别、像素细分后，计算出基片的尺寸及误差，进而完成分类任务，最后对测量数据存储、监示、打印输出。结构示意如图2 2 所示：图2 - 2面阵c c d 基片分类机测量系统组成第三节面阵c c d 图像采集系统面阵c c d 图像采集系统由面阵c c d 、高速图像采集卡、数据线、c c d 电源、计算机组成。一、c c d 的基本工作原理太原理工大学硕士研究生毕业论文c c d 的突出特点是以电荷作为信号，1 i 同丁其它大多数传感元件以电流或电压为信号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 工作基本过程是信号电荷的产生、存储、传输和测量。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。盘屋屯极g氧化层p 型半导体( 时拜尽区反型层( b )扣：图2 - 3单个c c d 栅极电压变化对耗尽区的影响如图2 - 3 ( a ) 所示，在栅极g 施加正偏压战之前，p 型半导体中空穴( 多数载流子) 的分布是均匀的。当栅极施加正偏压u 。( 此时u c 小于p 型半导体的阈值电压u 。) 后，空穴被排斥，产生耗尽层，如图2 - 3 ( b )所示。偏压继续增加，耗尽层将进一步向半导体体内延伸。当u 。 u 、时，半导体与绝缘体界面卜的电势( 常称为表面势) 变得如此之高，以至于将半导体体内的电子( 少数载流子) 吸引到表面，形成一层极薄的但电势浓度很高的反型层，如图23 ( c ) 所不。反型层电荷的存在表明了o l o s 结构存储电荷的功能。然而，当栅极电压由零突变到高于闽值电压时，轻掺杂半导体中的少数载流子很少，不能立即建立反型层。在不存在反型层的情况f ，耗尽区将进步向体内延伸，而且，栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上。如果随后可以获得少数载流子，那么耗尽区将收缩，表面势下降，氧化层上的电压增加。通过观察图2 - 4 中c c d 四个彼此靠得很近的电极，可以理解c c d中势阱及电荷如何从一个位置移到另一个位置。假定开始时有一些电倚存储在偏压为1 0 v 的第个电极下面的深势阱毕其他电极上均加仃人丁闽值的较低电压。设图24 ( a ) 为零时刻。纤过t 时刻后，各电太原理工大学硕士研究生毕业论文极上的电压变为如图24 ( b ) 所示，第一个电极仍保持为1 0 v ，第二个电极上的电压山2 v 变到1 0 v 因这两个电极靠得很紧，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有，如图2 4 ( b ) 和图24 ( c ) 。若此后电极上的电压变为如图2 4 ( d ) 所示，第一个电极电压由1 0 v 变为2 v ，第二个电极电压仍为1 0 v ，则共有的电荷转移到第二：电极下i 面的势阱中，如图2 - 4 ( e ) 。由此可见，深坍阱及电荷包向右移动了一个位置。( 曲新势阱( c )机 丑：卫：二：如 、门r恤f 1 世电葡移动( d )( e )( o图2 - 4 三相c c d 中电荷的转移过程由此原理，如果我们对a 、1 3 、c 三相加以按时序变化的时钟脉冲电压，则电极下面的势阱也会按时序变化，电荷包也会从一端传送到另一端。最后通过一个反偏电压输出二极管收集电荷并送入前置放大器。从上述原理可见，c c i ) 器件就是一个移位寄存器。它需要用光学成像系统将景物图像成在c c d 的像敏面上。像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子密度信号存储于像敏单元( m o s电容) 中。然后，再转移到c c d 的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下顺序的移出器件，成为视频信号。、：、面阵c c d 摄像器件的特性1 分辨率一1 0 一举普太原理工大学硕士研究生毕业论文c c d 摄像器件的每个光敏单元部是分离开的。它属f 空f u j 上分立的光敏单元对光学图像进行抽样。根据奈奎斯特抽样定理，c c d 的极限分辨率是空间抽样频率的半。因此，c c d 的分辨率主要取决于c c d芯片的像素数，其次还受到转移传输效率的影响。高集成度的光敏单元可获得高的分辨率，但光敏单元尺寸的减小导致灵敏度降低。2 灵敏度灵敏度就是单位光功率所产生的信号电流，1 i 以下因素有关：丌口率为感光单元面积与一个像素总面积之比，对灵敏度影响很大；感光单元电极形式和材料对进入c c d 内的光量以及埘c c d 的灵敏度影响较大；c c d 内的噪声也影响灵敏度。3 噪声和动态范围c c d 摄像器件的噪声主要是半导体的热噪声，还有c c d 芯片上的放大器噪声。它的动态范围取决于势阱能收集的最人电荷量与受噪声限制的最小电荷量之差。4 暗电流c c d 的暗电流是由热激励产生的电子一空穴对形成的。c c d 内的暗电流是不均匀的，在半导体中有缺陷的地方出现暗电流峰值，因而在图像上产生固定干扰图形。精心选择半导体内参杂物、减小光敏单元内特殊部分的电场以及改进c c d 内部结构，可有效地减少固定图形噪声。5 c c d 的光谱灵敏度c c d 的红色响应较强，蓝色响应稍低。应用红外滤光片截止近红外光进入c c d 光敏面上。但总的看来，在可见光谱内，只通过调节增益就可以在各种不同色温下调好白平衡。因而有的摄像机不用色温校正片就可以减少光的损失。6 高亮度特性c c d 摄像器件 二有高亮点时会产生垂直拖道，现代c c d 采用溢出漏将高亮度点的丌花和拖彗尾现象基本消除了，即高亮度图像静止时没有丌花现象，活动时没有拖彗尾现象。太原理工大学硕士研究生毕业论文7 拖影在帧转移型c c d 中，由光敏区向存储区转移电荷时，光积分电荷或光生载流子扩散，致使图像模糊，这种现象称为拖影。拖影使像对比度卜降。在行转移型c c d 中，图像经寄存器以水平速率移位时所形成的拖影也会使图像模糊。拖影现象在摄取黑色背景中的明亮目标时最明显。三、面阳二c c d 图像采集系统工作原理面阵c c d 是。系列排列成面阵的小光敏元件组成的探测器阵列，相邻光敏元的中，山距d 和问隙a 决定了c c d 的分辨率。如图2 - 5 所示，d 和a 的典型尺寸是几个微米，而一些低分辨率的面阵c c d 则达到了十儿微米。图2 - 6 为c c d 尺寸测量系统的基本原理，物体经透镜成像于c c b 的光敏面上，成为景物图像，而c c d 光敏元的分布是离敞的，相当于对景物图像进行了抽样，抽样频率为1 d 。另外，由于像元f b j 距的存在，c c d 探测到的不是整个图像的信息，而足其中被光敏元覆盖的部分，幽2 - 5 c c d 结构简图c c d 阵列口口口口口景物雌光学系统h 蝴幽2 - 6 测量系统原理图这相当于对景物图像进行了积分。这样，c c d 在完成对图像的空问离散过程后，将光学信号变成电信号，最后合成完整的视频信号输入计算机进行后续处理。本测量系统选用德国产b a s l e ra l1 3 p 面阵c c d 摄像机，像素为1 3 0 0 ( h ) 1 0 3 0 ( v ) ，分辨率即每个像元所表示的水平宽度和垂直宽度为6 7 i am ( h ) 6 7pm ( v ) ，实际使用时由于图像采集卡的限制，c c d成像面上有效像素为1 2 8 0 ( h ) 1 0 2 4 ( v ) 。因为我们所检测的基片最大尺寸为8 0 m m 8 0 m m 选定c c d 视场为1 0 0 r a m 1 0 0 m m ，整像素对应尺寸约为0 1 m m ，不能达到0 o l m m 的检测精度，为此我们采用了像素细分技术。c c d 器件的驱动电路足采用加拿大m a t r o x 公司牛产的1 2 n 性印d太原理工大学硕士研究生毕业论文m e t e o r 2d i g l t a l2 0 型高速图像采集p ，直接使川t 2 , 成型的产品可以缩短系统的丌发周期，减少程序设计的工作量。改图像采集忙直接与计算机接l j ，完成数据的采集与处理过程。另外驱动c c d 器件需要一个2 4 v 的直流稳压电源。第四节光学系统设计在面阵c c d 图像传感尺寸检测系统中，光学系统足其重要的组成部分。对于小| 一j 的应用场所，1 ；同要求的物像大小，一i | 一j 的物距和像距及小同的分辨率等，在一定程度上是依靠成像物镜来实现的。而光学系统是由成像系统和照明系统两部分组成的。一、成像系统山于我们需要利用业像素技术来弥补c c d 硬件分辨率不足的缺点，而亚像素技术的实质是利用灰度信息来恢复和补充图像的空问位置信息，因此必须对成像系统和成像条件提出要求，以保证待处理图像具有较小的几何畸变和一定的狄度分辨率。考虑到实际工作现场环境复杂，成像受诸多条件影响，我们采用以下成像系统，其示意图如图2 7 所示：剧2 7 面阵c c d 成像系统示意l 芏|日景光我们通过c c d 自h 端的光学镜头来使基片成像在c c d 光敏面上，合理选择并安装光学镜头是保证清晰成像的关键，光学镜头的卡要参数有：焦距f7 ，f 数，景深等。三三一太原理工大学硕士研究生毕业论文1 焦距f 焦距是c c d 光学镜头的首要参数，通常用f 束表示。焦距直接关系到视场角的大小。根据c c d 位置到基片的距离束计算镜头的焦距。公式为厂刮古靳卸寺( 2 - 1 )其中v ，h 为物体在c c d 光敏面上成像的长与宽，v ，i i 为物体的长与宽，l 为物距。在本系统l 】：c c d 光敏面为7 6 0 m m ( h ) 6 2 0 m m ( v )视场尺寸1 0 00 0 m m ( h ) 1 0 0 0 0m m ( v )基片距镜头距离l = 7 0 0 m mf = 6 2 0 7 0 0 1 0 0 = 4 3 4 m m或f = 7 6 0 x7 0 0 1 0 0 = 5 3 2 m m根据市场上现有的产。品规格选择f = 5 0m m 的镜头。2 f 数镜头通常有f 数和孔径d 两个参数，即f = f d 。当镜头光圈开到最大时，也就是孔径开到最大，这是f 数是最小的。在镜头光圈刚要完全关闭前，f 数最大。f 数一般为1 4 ，2 ，2 _ 8 ，4 ，5 6 8 ，1 1 ，1 6 ，2 2 等档。f 数会影响最终的成像数值。一个低档的f 数是指在很暗的条件卜，镜头能通过更多的光通量到达c c d 光敏面上。当有一个高亮度或高反射的目标物时，必须有高档数或最大f 数的镜头，只有这样c c d 才会产生一个较好的图像。本系统待测物为乳白色半透明陶瓷片，所选镜头为手动，f 数为1 4 ，2 ，2 8 ，5 6 ，8 ，l1 ，c ，由上述原则，根据照明背景及环境选择较大f 数，即光圈较小。3 景深景深是指在能够聚焦的情况下可观察清晰图像的视场区域。大景深足指在聚焦状态下，从h 标接近镜头到无限远观察清晰图像所占有的较大的百分比。在聚焦的情况下，小景深仅仅是一个很小的观察区1 4 太原理工大学硕士研究生毕业论文域。景深受多个参数的影响：光圈大景深小，光圈小景深大；焦距长景深小，焦距短景深大：物距远景深大，物距近景深小；当对图像清晰度要求高景深小，对图像清晰度要求低时景深人。山于生产及成像条件的限制，本系统要求物距为7 0 0 m m ，成像要求尽可能的清晰，视场区域为巾1 0 0 r a m 的圆，因此选用小景深，大光圈，但这与上述f 数的选择矛盾，且光圈大时图像清晰度下降光圈小时几何畸变易显现冈此根据实验选区较合适的光圈，即f 数为5 6 。二、光学照明系统光学照明系统主要是为c c d 成像系统提供一个均匀的、视场相当的背光照明光场。在c c d 测量系统中，可采用的光源有热辐射光源、气体放电光源、激光等。热辐射光源具有结构简单、光通亮稳定、价格便宜、光谱连续等特点，对于通过测量被检测物体的像来测量被检测物体的某些特征参数，只要选择白炽灯或卤钨灯即可。卤钨灯具有发光效率高、形体小、成本低、寿命长的特点，所以本系统中选用了热辐射光源中的卤钨灯。通过对卤钨灯泡强制通风散热，降低其工作电压，使灯泡的连续工作寿命大于2 5 0 0 小时，使用寿命的极大提高保证了照明系统使用于工业生产中能够长时间无故障连续使用。测量系统的照明方法。般有两种，临界照明法和柯拉照明法。临界照明法相当于在物平面上放置光源，光能损失小，结构简单，但光源表面的亮度不均匀：柯拉照明法采用多组透镜，可以克服光源照明的不均匀性能改善成像质量，使测量精度得到提高，但实验表明柯拉照明法中空j 训成像距离远，光能损失大，光源的照明区域小。本系统的待测物体是电工陶瓷基片，它的测量面积有多种，最大的测量面积为8 0 m m x8 0 m m ，敬光源的均匀照明范围应不小于1 0 0 m m x1 0 0 m m 。根据实际需要，我们吸取以上两种照明方式的优点，设计了一种新的照明系统，该照明系统结构简单，光能损失小且设备体积小，便于安装。我们采用小功率卤钨灯，组成环形阵面，将其放置于封闭的灯箱中，灯箱底部放置一平面反射镜，顶部开一中1 5 0 m m 的孔。内1 5 太原理工大学硕士研究生毕业论文胃平面反射镜、毛玻璃及光学平面玻璃，使光在灯箱中经过允分漫反射后能够均匀透射。该光场内光强度变化幅度小于7 ，光强在5 0 0 1 u x 1 0 0 0 1 u x 内可调，满足了本检测系统的光场大，光强均匀的要求。第五节测量软件系统软件部分由多个模块组成，是该系统的核心部分，它基 二w i n d o w sn t4 0 ，采用v i s u a lc + 十6 0 和m a t r o x m i l 函数库开发。山前处理部分、图像采集部分、图像处理部分、几何尺寸获得部分、标定部分组成。前处理部分用于图像预览，以观察基片位置是否摆放正确。这部分连续显示最高帧数为1 5 帧秒。该部分主要用于校j 下和调试机器时使用。图像采集部分主要用于采集基片的图像。系统在采集完成后将图像存储在内存中，为后续处理做准备。数据是以灰度的形式存储的，共2 5 6 级。几何尺寸获得部分主要是在捕捉到边缘之后，对基片的尺寸进行计算。抽取边缘修正之后找到的长宽方向上等间距的若干边缘点进行细分，得到以c c d 像素边长为单位的一个相对值。然后用这些点计算出要测长宽的相对值( 以像素为单位，通常取1 ) 及各边的平行度、垂直度。标定部分采用一片己知各尺寸精确值的标准片，通过对它的图像分析，计算出单个像素代表的尺寸，获得转换系数，然后用系数与测得各片的相对值相乘，从而得到每一基片的几何尺寸值。需要注意的是，测量时基片的情况应与标定时的工作情况完全相同，这包括光源照明、视场光强、基片摆放位置、各工件的工作位置等。标定原理如f ：一1 6 一太原理工大学硕士研究生毕业论文al il 、j口4b3 斟d一d一幽2 - 8 向阵c c d 测量系统 ，j 、定原理如图2 - 8 所示：物体a b ，物长l ，g e 透镜d ，成像于c c d 阶列面上为a b ，像长1 ，c c d 阵列面距透镜d 。标定时：已知标准基片尺i j i ，可测出像长1 ，此时像长应以像素为单位，可计算出标定系数s 。因为：z i = 昙，= 五d 上( 2 - 2 )三dd所飙拈争2 嘉2 詈陋3 ，测量时：可测出像长i ，己知标定系数，可求出物长。物长：l = s ，( 2 4 )图像处理部分是整个软件的核心内容，它在很大程度l ：决定j 测量的精度。它通过滤波、边缘检测、细分等技术滤掉图像噪卢，捕捉边缘，利用空间矩细分方法，计算以每个像素中心为原点的5 x5 细分窗l l 的各阶矩，然后以这些矩为基础计算出有关参数，并根据实际测量进行了修j 卜。通过细分，测量精度可达到整像素的l 2 0 ，理论精度不低于0 0 0 5 m m 以保证在实际应用中系统可以达到0 0 i m m 的精度。1 7 太原理工大学硕士研究生毕业论文第三章硬件系统的误差分析任何测量总是不可避免的存在误差，面阵c c d 测量系统在非接触尺寸自动测量应用时，由于受一些外界和内在因素的干扰和影响，也同样存在着误差。为了提高测量精度，必须尽可能地消除或减小误差，因此研究分析各种误差的性质、出现规律、产生原因以及消除或减小它们的方法有重要意义。下面即针对本测量系统中的误差做进+ 一步的分析及控制，本章主要论述测量的硬件系统，主要是机械结构、光学系统及c c d 所引入的误差，软件算法将于下一章重点讨论。第一节机械结构误差机械结构误差指基片分类机在工作过程中由其执行机构引入的误差。这部分误差主要由各传动部件引入的误差与机械手引入的位置摆放误差组成，这部分误差较小，可通过精密的调节机械结构尽量减小，机械震动及各工件相对距离改变也会引入误差。一、传动部件引入的误差这部分误差极小，这主要是由于在测量系统中用面阵c c d 代替线阵c c d ，省去了要求很高的匀速运动平台只用具有橡胶吸盘的气吸式机械手，通过排气、抽真空吸附的方法来运送基片，省去了运动过程中的各项传动误差。只是生产过程中，要保证气源的清洁与稳定。气吸式机械手靠步进电机带动，由于精密控制，累计误差小，所以这部分误差可忽略不计。二、机械手引入的位置摆放误差从原理上讲：当物平面与c c d 阵列面平行时，不论机械手将基片摆放在视场的哪一个位置，均不会影响测量精度。如图3 1 ，物体a b 不在视场中心，c 为a b 与视场中心的交点，物距d ，像距d ，成像在c c d 阵列面e 为a b ，c 。1 8太原理工大学硬士研究生毕业论文ab途c c漶b7d一一d 7幽3 1理想情况f 基片摆放位置不影响测蛙精耽筹= 鲁( 3 _ 1 )所以：丽= 吾万( 3 - 2 )在系统固定时，a b 与a b 在视场中的位置无关，只与a b 的长度有关。因此，理论j = ，当物平面与c c d 阵列面平行时，不论机械手将基片摆放在视场的哪一个位置，均不会影响测量精度。但是由于机械手不可能每次都把基片运送到同一被测位置上，根据标定原理，存在位置摆放误差。当8 0 m m 8 0 m m 的基片定位在1 0 0 r a m x1 0 0 m m 的物面位置，角度精确为0 度时：基片占位为：l = 8 0 s i n 0 + 8 0 c o s 0 = 8 0 m m物像余留：( 1 0 0 - 8 0 ) 2 ：1 0 m m当实际放位有角度n 时：基片占 蕾为：l = 8 0 ( s i ne t + c o s ) = 1 4 1 4 8 0 s i n ( 4 5 。+a ) ，l 是。的增函数，当a 增大时l 增大。如下表：表3 - 1 ：基片摆放误差表偏差a ( 度)012345基片_ 】位t ( m m )8 08 1 3 7 28 2 7 3 l8 4 0 6 58 5 3 7 38 6 6 5 5成像空t ：7 = ( m n l )l o9 3 1 48 6 3 57 9 6 873 1 46 6 7 3中心允许偏筹( r a m )546 5 743 1 73 9 8 43 6 5 73 3 3 4由此可见，在空问位置上，面阵c c d 系统对基片的定位要求较一1 9 太原理工大学硕士研_ 宽生毕业论文低，而气吸式吸盘能够较好的保证基片的摆放精度。因此设计时允许角度偏差2 度，中心偏差2 5 m m 。另外，i l ij 二奉测量系统中细分筲算法的要求，角度不能偏差太大，这会引起耿度绂别较大的跨越，导敛误差增大，所以基片位置摆放误差。定要精密控制。三、振动引入的误差在生产过程中由于执行机构运动、生产房地面震动等会引起皋片和c c d 传感器的微小运动，而这个微小运动即会造成图像的变形。由于c c d 的像元非常小c c d 震动很容易引起大的测量误差。术系统是非接触静态取像，在取像过程中保证基片与c c d 的相对位置保持不变是至关重要的。为了减小震动的影响，我们把机床分为- 三组，上料机构和分类执行机构分别位于成像系统机构两侧，相互间并不接触，这样执行机构的运动震动就不会影响到c c d 的静态取像。另外为了减小生产厂房地面震动对成像系统的影响，成像系统机构底部安装橡胶支架来隔震。四、c c d 阵列面与基片平面距离改变引入的误差由于本系统的测量精度为亚像素级，各项误差均要严格控制c c d阵列面与基片甲面距离要保证与系统标定时，“格相同，因为成像光路并非严格意义上的物方远心光路( 物方远心光路可使c c d 上弥散斑中心的像长等丁实际的像长) 。c c d 阵列面与基片平面距离改变引入的误差可通过标定来消除，只要保证生产时的设备条件与标定时完全相同生产过程中。般数天标定一次，以保证测量的精度。其标定原理如下：如图3 2 所示：物体a b ，物长l ，理想成像位置距透镜d ，实际成像位置距透镜d ，c c d 阵列面距透镜d 理想成像情况卜像长l ，实际情况下像长l 。标定时，基片胃于距透镜d 处，已知物长l 可测出像长l ，标定系数s 。因为：一d，：旦lr 3 3 12 0 太原理工大学硕士研究生毕业论文aqr、a bn ，c id 。一d矧3 2c c d 阵列面与基片平面距离改变的标定原理枞s = 軎2 彘2 等p 。，测量时，待侧基片位于距透镜d7 处，与标定基片处于同一位置，此时，已知标定系数s ，可测出像长17 ，求物长l ：因为在理想情况下：手= i d= 等，( 3 - 5 )有眠卜a d ，l ( 3 - 6 )所= 吾争昙，( 3 - 7 )可得待测基片的长度l 汹f r = 导詈，= 号，( 3 - 8 )由此可见，待测基片的尺寸经过标定后与c c d 阵列面与基片平面距离的改变量d d7 无关。标定可以消除c c d 阵列面与基片平面距离曲蛮引恕的误荠。第二节光学系统中的误差光学系统中的误差主要是照明视场噪声及光学光路中镜头等光学器件引起的误差，是面阵c c d 测量系统中的一项较大误差。、照明视场噪声照明视场噪声有两类：一类是随时问而变化的随机起伏噪声，它由供电电源波动以及光源本身发光的不稳定而产生。另类则是随卒2 i 一太原理工大学硕士研究生毕业论文问的起伏而变化，这种变化主要周为照明系统光源本身4 i 是真i f 的点光源，而足一个具有小f _ 司发光强度的线或面光源，以及照i j 光学系统的彳i 完善( 像差或调整不好) 而引起的，即使采用柯拉照明方式，也不可能使整个视场达到，格的均匀照明，特别是在测量大工件时尤其明显。如果测量系统的像面照度分粕不均匀，最大和最小照度之差远远超过c c d 器件的响应范围，那么将造成c c d 传感器饱和或曝光不足，从而使图像失真产生测量误差。固体图像传感器有一个缺陷为光晕，它足指物像中存稃：亮点，而在重现图像时亮点有明显增大的现象。对c c d 来说，某光敏元在积分期i b j 累计的光生载流子超过定程度日、，会出现饱和现象。过量的光生电荷能够通过体内扩散到邻近势阱，在显示器上出现个白色区域向周围扩散。因此这种情况又称为“过荷开花”。抑制光晕的方法是当过量载流子从势阱溢出时，便将其吸收掉，以阻止其扩散到邻近的势阱；或者调节成像系统的照明，防止饱和现象的发生。因此我们在设计照明系统时采用了环状光源，即采用面光源照明，通过充分漫反射后，使其通过两层毛玻璃透射，照明视场只取其中间巾l5 0 m m 处，滤去其它不均匀的地方，光源采用稳压电源供电，尽量减小电压波动，使光源的强度相对稳定并且分布均匀。通过调节成像镜头的光圈，台理的布置光源来改变照度，使之适应c c d 器件的响应范围，防止饱和，达到精确测量的目的。幽3 3 ! 明系统l 璺| 像的灰度分布直方幽5 j 外，我们将整个光源光路部分胃r 爆量封闭的系统中，以减一2 2 太原理工大学硕士研究生毕业论文小外界杂散光对照明成像系统的干扰。其次，这部分误差的，3 一部分解决采j 玎软件方法，在软件标定中综合了这部分误差。在试验中可以通过图像的狄度直方图束确定照度是否合理，如图3 3 所示：由r 灰度直方图表达了图像狄度分向的统计情况，如果扶度值大的像素数量大，则整幅图像就比较亮，反之，就比较暗，同时也能反映饱和与曝光不足的情况。二、透镜衍射造成的误筹透镜衍刺造成的误差来自于照明视场不均匀、非平行光照射对基片边缘造成的影响。根据文献【1 4 ，任何平面物分布u o ( x o y o ) 均可看作是无数个小面元u ( x o y o ) d x o d y o 组合而成，而每个面元可视为一个加权的6 点函数。计算出被测物边缘点函数在c c d 接收面上的分布函数，即可得知透镜衍射造成的误差。alj卫l心a7i d一一d 7 。a7 7幽3 - 4 透镜衍射光学系统如图3 - 4 所示的光学系统中：透镜焦距为f ，a b 为一对共轭物物面、光瞳面、像面的坐标分别为( ，y 。) ，( x ，y ) ，( x 。，y ，) ，所以满足：了1 一万l = 三f( 3 ，9 )dd、点扩展函数 ( j 。，y 。：，y ，) 町表达为式3 - 1 0 ，其中：k 振幅系数：p ( x 光瞳函数：九光源波长一2 3 太原理工大学硕士研窥生毕业论文 ( 警，訾哪mb e x p t 一，嚣盼一胁。h + 协。) 】 出咖删= 托雩i 姜p 即m 川叫宰。：，一2 ( 警，訾) =砌v 雩露。1 3 r ：0 6 1 旦九f 3 1 4 、在小系统中，取f7 = 5 0 r a m ；r = 2 0 r n m ：d = 7 0 r a m ：光源为卤钨灯，波长为0 4 0 7 1 a m 。所以有衍射斑点半径：r = 。6 1 2 7 u 0x ( 0 a - - 0 7 ) = 2 1 3 5x ( 。4 。7 )即行t 射造成的斑点半径为1i t m 左右，c c d 像儿_ 人小为6 7 l a mx 6 7p m ，影响较小。这项误差的修正要使照明视场尽量均匀。2 4 太原理工大学硕士研究生毕业论文平面不平行时，会造成一定的误差，要注意测量与枷i 定时基片应置于同一此项误差可通过标定来消除，1 _ = 位置。如图3 5 所示：j誊j 一= 予二3 7斛fddf71i 冬| 3 5c c d 阵列面偏离理