| 0引言
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［1］。
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发展而迅速发展，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［2］，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、坚固耐用、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跃、最富有成果的研究领域之一［1，3］。
1CCD传感器的检测原理
CCD是由光敏单元、输入结构和输出结构等组成的一体化的光电转换器件，其突出特点是以电荷作为信号载体，其基本工作原理见文献［4，5］。当入射光照射到CC D光敏单元上时，光敏单元中将产生光电荷Q，Q与光子流速率Δn 0、光照时间TC、光敏单元面积A成正比，即：
Q＝ηqΔn0ATc (1)
其中η为材料的量子效率；q为电子电荷量。CCD图像传感器的光电转换特性如图1 如示，其中横坐标为照度，lx.s；纵坐标为输出电压，V0在非饱和区满足：
f(s)=d1sτ＋d2 (2)
式中，f(s)为输出信号电压(V)；s为曝光量(lx.s)；d1为直线段的斜率(V／lx.s)，表示CCD的光响应度；τ为光电转换系数，τ≈1；d2为无光照时CCD的输出电压，称为暗输出电压。特性曲线的拐点 G所对应的曝光量SE称为饱和曝光量，所对应的输出电压VSAT称为饱和输出电压。曝光量高于SE后，CCD输出信号不再增加，可见，CCD图像传感器在非饱和区的光电转换特性接近于线性，因此，应将CCD的工作状态控制在非饱和区。
2CCD的应用状况
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、表面形状检测和温度检测等领域。
2.1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拟的。在尺寸测量中，通常采用合适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［2］。
2.1.1零件尺寸的xx测量
1997年，J.B.Liao［6］等将CCD摄像系统应用在三维坐标测量机(Coordinate Meas uring 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，降低了系统成本，减小了因手工操作引起的误差，提高了测量效率，并能避免单独使用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xx测量。但该方法需要对工作环境和工件形状具有一定的先验知识，使其应用范围受到较大限制。为此，V.H.Chan和C.Bradley等人［7］提出了一种利用复合传感器的自动测量方法。该方法将黑白CCD和坐标探头一同安装在CMM的Z轴工作臂的末端，探测前先由C CD在工件的前后左右和上方对工件成像，并通过基于神经网络的立体配对算法确定工件表面位置和面积，从而决定探头的探测路径。该方法的智能程度较高，可高效测量形状复杂工件的三维尺寸，并可根据测量数据构造工件的CAD模型，但计算复杂，需要使用运算速度快、内存容量大的计算机，且算法立体匹配精度有待提高。
以上测量系统虽然因引入CCD技术而得到明显改进，但仍属于接触式测量，无法准确测量某些弹性和软性工件。最近，P.F.Luo等人［8］用CCD摄像头代替CMM的探头，结合激光 测距技术实现了对一维尺寸的非接触xx测量。该方法采用了亚像素精度检测技术，利用激光测距器进行距离校正，有效地提高了检测精度，其xx测量范围为1～300 mm，但这种方法只能测量一维尺寸。P.F.Luo等认为该系统经改进后可实现二维尺寸的xx测量，因工作台滑动引起振动而导致的数据波动也能被有效减小，但尚未见到成功的实例。
2.1.2微小尺寸的测量
为检测BGA(ball grid array，球珊阵列)芯片的管脚高度是否共面，美国RVSI公司研制出一种基于激光三角法的单点离线检测设备［1］。该设备每次只能测量1个管脚，测量速 度慢，无法实现在线测量。1999年，Kim,Pyunghyun［9］等人提出了一种新的立体测 量方法。该方法用激光线源照射到芯片管脚上，被照亮的管脚图像经由互成一定角度的两套CCD摄像系统采集后，输入计算机进行立体匹配，利用xx变换模型和坐标变换关系，计算 出管脚高度和纵向间距，再使被测芯片在步进电机的带动下做单向运动，从而实现三维尺寸测量，并引入电容测微仪实时监测工作台位置变动，进行动态误差补偿，有效减小了因振动造成的误差。2001年，C.J.Tay,X.He［10］等人利用图像识别和数字相关等技术简化了计算过程，使得只需几秒钟便可计算上百个管脚的高度，从而有效地提高了检测系统的实用性。最近，C.J.Tay［11］等根据被倾斜光照射的物体的像与影之间的固有关系，提出了一种基于光学阴影简便测量BGA管脚高度的方法。该方法利用激光对被测芯片的管脚进行倾斜照射以产生管脚阴影，管脚及其阴影由带远焦显微镜的CCD相机采集后，输入计算机，由计算机软件根据影和像的相互关系计算出管脚高度，笔者提出了两种简洁的计 算方法，可避免因光衍射而造成的边缘检测误差，计算简单快速，但要求高精度的机械定位装置，且每次只能检测几个管脚，而且对芯片平整度和检测环境要求很高，还需要进一步改进后才能实用化。
近年来，将CCD技术和莫尔条纹、数字全息、电子斑点干涉等技术相结合以xx测量微小尺寸的技术正成为一种具有很大潜力的研究发展方向［12］。
2.2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［13］开展了采用面阵CCD测量材料形变的研究。在此基础上，Stefan Hart mann等人［14］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。S.Claudinon,P. Lamesle等人［15］采用类似方法研究了淬火钢铁样品在气冷时的形变，解决了高温 样品的尺寸测量问题，并能连续测量不同温度下的形变量，但在低温时，易产生测量误差。J.-M.Siguier等［16］为研究大型科学气球气囊表面材料的性质，利用两个CCD摄像 机摄取被测物体的表面图像，通过立体相关方法获取样品的三维形变。但这种测量方法技术复杂，且在与材料表面垂直的法线方向上获得的数据偏小。
2.3机械磨损度测量
虽然以上方法可以测量各种工件的尺寸或形变，但在测量某些特殊工件时却受到许多限制。例如，在检测高速切割机上的刀具磨损度时，需要将刀具卸下才能测量。为此，一些研究人 员致力于用机器视觉检测刀具磨损程度的研究。2000年，T.Pfeifer和L.Wiegers［17］通过比较各种测量方法，指出基于机器视觉的检测系统{zj1}优势和潜力，并构建了一套由CCD摄像头、照明设备和夹具等组成的非接触检测系统，该系统在适当位置对刀口侧面成像 ，将采集的刀具图像信号输入计算机，计算出刀具磨损轮廓，以此判断刀具磨损级别，确定刀具更换时间。但该系统的图像处理过程复杂，适应范围窄，检测精度和效率也有待提高。2002年，JeonHa Kim等人［18］在此基础上，对误差因素逐一进行了实验分析，确定了{zj0}光线照射强度、角度、拍摄角度等，并将光源通过光纤插入镜头周围以减小因阴影 产生的误差，使夹具自由转动角度增大，成像设备尺寸缩小，提高了系统的使用范围。同时，通过采用磨损前后刀具横向尺寸差来计算磨损度，大大简化了图像处理过程。对4种不同刀具的实验测量表明，该系统的测量信噪比可达到46 dB，测量精度和速度显著提高，并可实现实时在线测量，但不适合测量几何形状太复杂的刀具。
2.4三维表面测量
由于CCD传感器能同时获取被测表面的亮度和相位信息，因此，将CCD和计算机图像处理技术 与传统的三维表面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。上世纪 90年代初，Yamaguchi等人［19］在斑点干涉测量中使用线阵CCD测量不同材料的帕森比，但线阵CCD只能记录一维正交相关性信息。随着CCD工艺水平的提高，面阵CCD被广泛应 用于三维表面测量［19］。1996年，B.Skarman等［20］提出了相变数字全息 测量法。此后，F.Chesn［21］、C.Quan［22］、P.S.Huang［23］、G. Pedrini等人［24］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［24，26，27］也相继出现。在条纹图样投影法中采用相变技术时，只能检 测静物表面轮廓，不适用于实时检测振动和变化的表面形状。为此，C.J.Tay等人［28］建立了对低频振动的物体表面进行三维检测的系统，该系统由振荡发生系统、液晶显示 条纹发射器、特殊远心镜头、高速CCD、图像采集卡和计算机组成。系统所用的远心镜头可 以保持放大倍率为常数，使测量结果与被测物体和CCD之间的距离无关，从而减小了测量中 物体振动时因为景深改变而产生的测量误差。同时，采用相扫描方法逐点计算条纹图样相位，可以实时获取被测对象的振动频率和振幅，即时重建物体的表面轮廓，其测量精度可达振幅值的1／500。但该系统只能测量阳纹平面，且要求有高质量的正弦发射条纹和CCD的图像采集频率大于被测物体的振动频率。随后，他们又在阴影莫尔条纹干涉法中应用类似方法 测量振动物体的三维表面，取得较好效果［29］。尽管该方法比数字全息法［30］简单实用，且对测量环境的要求相对较低，但测量范围受到CCD采集速度的限制，对高速振动和无规则形变的物体表面测量并不实用。
2.5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［31］采用CCD间接测量溶液表面温度；1995年，K.Y.Hsu和L.D.Chen［32］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，但其测量误差达到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［33］利用CCD的亮度波动信息来研究 熔融硅桥表面的热流状况，获得了较好的结果。2002年，D.Manca等人［34］提出了一种利用红外CCD测控燃烧室火焰温度场的实用方法。2003年，G.Sutter［35］等人利用加强型CCD测量近似黑体的物体表面发出的某一波长的单色光，以此得到物体的辐射温度，所得测量结果与物体的真实温度之间的差别几乎可以忽略不计，并将其用于测量直角高 速切割机的刀具温度场，但作者未具体说明图像处理和温度计算方法，也未进行误差分析， 其实验误差达16 ℃。这种方法测量不同范围的温度时，需要寻找不同的{zj0}波长，使用频带很窄的滤波片获取单一波长的光辐射信号。B.Skarman等人［36，37］于1996年提出 用CCD拍摄流体的全息图，通过图像处理技术重建流体的三维温度场，由于当时的CCD采集速度、图像处理速度和储存速度都比较低，激光干涉质量也不高，使该方法缺乏实用性；到19 98年，该方法进入实用阶段，能测量稳定透明液体的三维温度，并得到流速和流体密度等数 据。2002年，C.Hhmann等［38］利用高分辨率温度传感液晶颜色随温度变化的特性 对被测区域感温，然后用彩色CCD摄取液晶表面的颜色图像来间接测量液体蒸发时弯月面的 温度。此方法可实现小面积的温度测量，但需要进行xx的校正。还有学者提出利用CCD配 合激光感应磷光器测量温度［39］。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表面图像中的亮度和色度信息，并根据比色测温原理 计算出物体的表面温度场。虽然有人提出了基于CCD测温系统的三维温度场构建算法［4 0］，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测温技术有很大的发展潜力和应用前景。
3结论
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发展，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。
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