2024年3月7日发(作者：hitachi投影仪)

CCD检测技术的应用与开展

CCD检测技术的应用与开展

摘要：CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，并被广泛应用于现代光学和光电测试技术领域。本文主要介绍了CCD技术国内外研究的有关情况，探讨了CCD技术的开展趋势。

关键字：CCD;尺寸检测

中图分类号： V448.15+1 文献标识码： A

Abstract: CCD technology has become a set of applied optics, electronics, precision machinery

and computer technology for the integrated technologies, and is widely used in modern optical

and optoelectronic measurement technology. This paper describes research on CCD technology

at home and abroad, and to explore the CCD technology trends. Keywords:CCD ; Size detection

一．概述

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。

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开展而迅速开展，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，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、巩固耐用、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泼、最富有成果的研究领域之一。

二．国内外研究状况

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、外表形状检测和温度检测等领域。

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较的。在尺寸测量中，通常采用适宜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。

1997年，等将CCD摄像系统应用在三维坐标测量机(Coordinate Measuring 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，降低了系统本钱，减小了因手工操作引起的误差，提高了测量效率，并能防止单

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。

2形变测量

尽管利用线阵CCD测量材料变形具有非接触、无磨损、精度高、不引入附加误差、能测量材 料拉伸的全过程，特别是测量材料在断裂前后的应力应变曲线，得到材料的各种极限特性 参数等优点，但只能测量材料拉伸时在轴线方向的均一形变。为此Scheday, Miehe和Cheva lier等人开展了采用面阵CCD测量材料形变的研究。在此根底上，Stefan Hart mann等人借助面阵CCD研究了橡胶材料在拉伸和压缩时的形变情况。即在圆柱 形黑色测试样品的轴线方向等距标定几个白点，用CCD摄取相应图像并送入计算机进行处理，通过检测白点标记间的距离来计算样品受力时轴向的形变，并通过轮廓检测算法得到轴对 称的圆柱型样品的轮廓尺寸，经过数据校正，可计算出被测样品半径方向上的形变。这种方法可同时获得两个方向上的形变量，并测量出材料被压缩时的非均一形变。

3三维外表测量

由于CCD传感器能同时获取被测外表的亮度和相位信息，因此，将CCD和计算机图像处理技术 与传统的三维外表非接触光学测量方法相结合，可实时测量物体形变、振动和外形。随着CCD工艺水平的提高，面阵CCD被广泛应 用于三维外表测量。1996年，n等提出了相变数字全息 测量法。此后，、、、G. Pedrini等人分别在有关测量方法中应用了CCD技术，从CCD图像中获取相位图的新方法也相继出现。在条纹图样投影法中采用相变技术时，只能检 测静物外表轮廓，不适用于实时检测振动和变化的外表形状。

4高温测量

物体的辐射光波长和强度与物体温度有着特定的关系，因此CCD作为一种光电转换器件，可用于温度测量。1993年，Tenchov等人采用CCD间接测量溶液外表温度；1995年，和用可测量红外波段的加强型CCD测量液态金属的燃烧火焰温度，但其测量误差到达400～200K，缺乏实用性。此后，利用红外CCD测量温度场成为CCD测温研究的主流。2001年，Takeshi Azami等人利用CCD的亮度波动信息来研究 熔融硅桥外表的热流状况，获得了较好的结果。事实上，由CCD的光谱响应特性、光电转换特性可知，利用RGB输出值可得到被测物体外表图像中的亮度和色度信息，并根据比色测温原理 计算出物体的外表温度场。虽然有人提出了基于CCD测温系统的三维温度场构建算法，但直接利用彩色CCD测量温度的仪器还处在实验研发阶段。尽管如此，由于CCD技术能测量运动物体的温度，给出二维或三维温度场，实现非接触高温测量，因此，CCD测温技术有很大的开展潜力和应用前景

三．开展趋势及应用前景

1数字化测量技术

数字化测量技术是数字化制造技术的一个重要的、不可或缺的组成局部；数字化测量仪器、数字化量具产品的不断丰富和开展，适合并满足了生产现场不断提高的使用要求。

2测量技术与制造系统的集成

将现代测量技术及仪器融合、集成于先进制造系统，从而构建成完备的先进闭环制造系统。

3激光测量技术的应用

随着激光测量技术的开展，将与CCD检测技术更紧密的结合在一起。

4传感器的微、纳米化

传感器向小型化、微、纳米级精度开展，生产现场适应性更强，精度更高。

5系统的集成化

随着微电子技术的不断开展，整个测量系统正向着系统化、集成化方向开展。

综上所述，CCD应用技术已成为集光学、电子学、精密机械与计算机技术为一体的综合性技术，并被广泛应用于现代光学和光电测试技术领域。事实上，凡可用胶卷和光电检测技术的地方几乎都可以应用CCD。随着半导体材料与技术的开展，特别是超大规模集成电路技术的不断进步，CCD图像传感器的性能也在迅速提高，将CCD技术、计算机图像处理技术与传统测量方法相结合，能获取被测对象的更多信息，实现快速、准确的无接触测量，显著提高测量技术水平和智能化水平，因此，CCD技术必将以其突出的优点而在工业测控、机器视觉、多媒体技术、虚拟现实技术及其他许多领域得到越来越广泛的应用。

参考文献：

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