專利名稱:Ccd圖像傳感器和高精度線性尺寸測量裝置及其測量方法
技術領域:
本發(fā)明與CCD圖像傳感器有關,與利用該傳感器的線性尺寸測量裝置有關,與利用該裝置的測量方法有關。
背景技術:
近年來,CCD圖像傳感器在非接觸式測量及計算機視覺成像中得到廣泛應用。在CCD圖像傳感器測量中,提高其測量的精度是必須要考慮的一個問題。而解決的辦法可以從兩方面來實現(xiàn)一方面可直接從CCD硬件結構上提高其成像的分辯率,另一方面可對測量系統(tǒng)中CCD以外的部分進行改進并采用適當?shù)臄?shù)據(jù)處理方法來提高測量精度。在目前從不同的角度提出提高測量精度的有效方法,都沒能突破CCD像元間距的影響,因而很難使測量精度有質的飛躍。
首先,對CCD圖像傳感器結構進行分析。
圖1是傳統(tǒng)CCD圖像傳感器100A的平面示意圖。
其構成主要有排成一排的多個光電二極管組成的光電二極管行102和與光電二極管行相對應并排成一排的電荷轉移器件101。光電二極管行102中的每個光電二極管通過讀取柵103,向電荷轉移器件101輸出信號電荷。電荷轉移器件101上的電荷再轉移給相關信號處理電路,最終形成CCD圖像傳感器的輸出信號。
圖2是在日本專利申請公開No.11-164087中提出的雙CCD結構的另一傳統(tǒng)CCD圖像傳感器200B的平面示意圖。
該圖像傳感器包括兩行電荷轉移器件201a和201b,及其相對應的光電二極管行202。光電二極管行分成兩組,202a一組向電荷轉移器件201a射出電荷,而202b一組向電荷轉移器件201b射出電荷。在這樣的排列情況下,電荷轉移器件201a和201可以按照與圖1所示的單CCD結構的電荷轉移器件201的間隔等距排列。這樣就可在光電二極管尺寸減半的情況下,使雙CCD圖像傳感器具有數(shù)量上兩倍于單CCD圖像傳感器的光電二極管,而無須制造較小尺寸的電荷轉移器件。
圖3是在日本專利申請公開No.2001-203342中提出的包括以交錯排列來排列兩個光電二極管行的另一CCD圖像傳感器300C的平面示意圖。
圖3所示CCD圖像傳感器300C包括兩個分開的光電二極管行302a和302b,及其對應的第一電荷轉移器件301a和第二電荷轉移器件301b。兩個光電二極管行302a和302b與兩相鄰光電二極管間距的一半交錯地排列。與圖2所示的雙CCD圖像傳感器200B相類似,這種結構允許CCD圖像傳感器300C具有在數(shù)量上兩倍于單CCD型CCD圖像傳感器的光電二極管,而不需要制造較小尺寸的電荷轉移器件。此外,CCD圖像傳感器300C相對于雙CCD圖像傳感器200B還具有一個明顯的優(yōu)點可以制造較大尺寸的光電二極管,確保了該傳感器較高的信噪比和較寬的動態(tài)范圍。
圖4是在中國專利申請公開No.200310119527.8中提出的包括以交錯排列來排列多個光電二極管行的CCD圖像傳感器400D的平面示意圖。
圖4所示CCD圖像傳感器400D包括第一二極管行402,第二二極管行402。而每行二極管又按奇偶順序分為兩部分,分別為402a、402b和402c、402d;第一電荷轉移器件401a,第二電荷轉移器件401b,第三電荷轉移器件401c和第四電荷轉移器件401d。第一二極管行和第二二極管行沿光電二極管排列延伸方向以第一二極管行中光電二極管一半的間隔交錯排列。第一電荷轉移器件,轉移接收第一二極管行中第K個光電二極管的信號電荷,K是奇數(shù);第二電荷轉移器件,轉移接收第一二極管行中第L個光電二極管的信號電荷,L是偶數(shù);第三電荷轉移器件,轉移接收第二二極管行中第K個光電二極管的信號電荷,K是奇數(shù);第四電荷轉移器件,轉移接收第二二極管行中第L個光電二極管的信號電荷,L是偶數(shù);CCD圖像傳感器400D能夠以較高的密度排列光電二極管,而無需制造較小尺寸的電荷轉移器件,并能夠改進由于緊靠在輸出柵下面的冗長的勾道長度而引起的電荷轉移中的失真。
以上四種類型的CCD圖像傳感器,第一種是基本型,其它三種分別是針對第一種結構進行的修改,其目的是使在有限面積內排列數(shù)量更多的光電二極管。
圖5所示為日本富士公司推出的超級CCD圖像傳感器500E的光電二級管排列平面示意圖。在《傳感器技術》2003年第4期的“超級CCD原理”一文中對其結構原理進行了詳細分析。
超級CCD圖像傳感器500E中,用八角形光電二極管代替普通的矩形二級管,并將光電二極管按45°角排列以形成一個蜂窩狀的的排列結構。超級CCD發(fā)展于1999年,八角形的光電二極管和蜂窩狀的像素排列大大改善了每個像素單元中的光電二極管的空間有效性。這帶來了眾多附加的益處,比如相對于有同樣數(shù)量像素的傳統(tǒng)CCD而言,它有更高的靈敏度、更高的信號噪聲比和更廣泛的動態(tài)范圍。其最大特點是光電二極管按45°角排列,這樣的排列結構與RGB三色模式相配合,剛好能使相鄰光電二極管所獲得的信號得到充分的應用。在數(shù)據(jù)處理時,超級CCD圖像傳感器以每三個R、G、B感光二極管構成一個彩色像素,雖然感光單元只有三個基色,但各單元復用6次,因此,超級CCD圖像傳感器感光二極管數(shù)據(jù)雖然沒有改變,但處理后產(chǎn)生像素數(shù)卻是普通CCD圖像傳感器的2倍。超級CCD圖像傳感器在數(shù)碼彩色成像中有明顯的優(yōu)點,并得到廣泛應用,但在高精度測量應用中并無明顯優(yōu)勢。
下面對通過改變測量系統(tǒng)中除CCD圖像傳感器以外的其它器件,及用數(shù)據(jù)處理算法來提高CCD圖像傳感器測量系統(tǒng)測量精度的方法進行分析。
圖6是一種利用放大光學測量系統(tǒng),將被測對象投影放大來提高測量精度的方法原理示意圖。
圖6所示放大光學測量系統(tǒng),主要包括光源601,光學透鏡組602,被測對象603,CCD圖像傳感器604構成。在該方法中,將被測量對象在發(fā)散光的照射下被放大,放大的影子在CCD圖像傳感器上感光成像,這樣CCD圖像傳感器就測量到了經(jīng)過放大后的被測對象投影。通過這樣的處理,對被測對象投影測量的誤差(單邊)仍然由CCD圖像傳感器的像元間距(相鄰光電二極管間的距離)決定,最大不會超過一個像元間距。對被測的數(shù)據(jù)除以光學放大倍數(shù),可得到被測對象的測量值,基本上可使測量誤差減少相應的光學放大倍數(shù)。如對長度為1.0145mm的對象,用像元間距是10μm的線陣CCD圖像傳感器進行測量,如果光學放大倍數(shù)是10,那么被測對象的投影長度為10.145mm。假定不用其它邊緣處理方法,那么被測對象的投影長度可能為10.14mm或10.15mm,除以光學放大倍數(shù)10,得到被測對象的測量值為1.014mm或1.015mm,最大誤差為0.0005mm。如果直接利用1∶1光學成像系統(tǒng)進行測量,則測量值最大可能為1.02mm,最小可能為1.01mm,最大誤差為0.0055mm??梢姴捎霉鈱W放大成像系統(tǒng),基本上可將測量誤差減小相應的光學放大倍數(shù)。
在《四川大學學報》2001年第5期的“一種提高CCD測量精度的新方法”對介紹了一種模糊成像法。該方法是一種通過增加測量系統(tǒng)元件達到提高CCD測量精度的方法。
模糊成像法的特點是對CCD測量系統(tǒng)的信號獲取部分進行簡單的改進,具體是在透鏡組中加一個大小合適的孔徑光欄,使物體的清晰邊緣經(jīng)CCD成像后模糊化,再利用光欄的尺寸、透鏡的焦距等已知條件對測量結果進行擬合,以獲取被測物體的準確邊緣信息。該方法難以從理論上準確地確定測量精度的提高程度,但從實驗數(shù)據(jù)來看,它在一定的范圍內效果是顯著的,如使用像元間距為14μm的線陣CCD來對一標準樣件的直徑進行測量,其測量誤差基本上可控制在5μm以內。
在《現(xiàn)代計量技術》1997年第3期的“提高CCD分辨率的一種嘗試”一文中介紹了一種CCD成像的邊緣擬合法。
邊緣擬合法的提出基于這樣的一個事實,在實際的測量系統(tǒng)中,由于光的衍射效應,以及成像系統(tǒng)的球差、像差和調焦誤差的存在,以及噪聲的影響,CCD圖像傳感器的輸出是一種混有噪聲的類似斜坡的曲線。而邊緣擬合法就是要通過對CCD圖像傳感器實際輸出的信號曲線進行算法處理,以獲得更精確的邊緣位置。其基本設計思想是首先對原始的灰度圖像進行平滑處理(擬合),再對平滑后的圖像進行求梯度處理,然后,在梯度圖像上找到梯度值最大的點的位置,則將該點的位置就定為邊緣點的位置。同樣,該方法難以從理論上準確地確定其測量精度的提高數(shù)值,但從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看,合理地使用它至少可使測量誤差減小一倍。
無論是用放大光學測量系統(tǒng),還是采用邊緣數(shù)據(jù)處理方法,都可提高CCD圖像傳感器的數(shù)據(jù)測量精度。但所有這些處理方法目前都是在無法突破CCD圖像傳感器像元間距的影響情況下采取的,因而很難使測量精度有質的飛躍。
發(fā)明的內容本發(fā)明的目的是提供一種特別適合于測量沿某一方向精度要求高的線性尺寸的CCD圖像傳感器。
本發(fā)明的又一目的是提供一種含上述CCD圖像傳感器的高精度線性尺寸測量裝置。
本發(fā)明的又一目的是提供一種利用上述裝置的高精度測量方法。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的CCD圖像傳感器,由錯開排列的多個光電二極管行1構成,每個光電二極管行1有對應并排成一行的電荷轉移器件2,光電二極管行1通過讀取柵3與電荷轉移器件2連接,所有電荷轉移器件2的輸出與控制電路4連接,控制電路4的輸出與信號處理電路連接,N個光電二極管行1在行的一個方向上按距離H1等距錯開排列,H1=H/N,H為光電二極管行1的相鄰兩個電二極管中心的距離,N為光電二極管行數(shù)。
信號處理電路由圖像采集裝置和微機構成,圖像采集裝置的放大濾波電路的輸入接控制電路4的輸出,放大濾波電路的輸出接A/D轉換電路,A/D轉換電路分別與微機的存儲器和微處理器連接,微處理器與存儲器、輸出終端連接。
由光源5、光學透鏡組6、被測對象7和CCD圖像傳感器8依次由布置構成,被測對象7的邊緣投影在一個或兩個位于同一平面的CCD圖像傳感器8上,邊緣投影線與CCD圖像傳感器8的光電二極管行軸線垂直或交叉。
本發(fā)明的方法,其步驟如下(一)將被測對象7置于光學透鏡組6與CCD圖像傳感器8之間,被測對象投影線與CCD圖像傳感器8的光電二極管行軸線垂直相交,且其兩邊緣投影都在傳感器8上,(二)確定被測物邊緣落在CCD圖像傳感器8的第一光電二極管行上的第n個和n+1個像素之間,第n個像素無明顯感光,第n+1個像素明顯感光,并測出所有的具備上述條件的光電二極管行數(shù)m1,根據(jù)同樣的方法確定被測物另一側邊緣落在CCD圖像傳感器(8)的所有n個像素無明顯感光,n+1個像素明顯感光的行數(shù)m2,
(三)測定CCD圖像傳感器8上因被測物7的遮擋而無明顯感光的光電二極管間的總長度a,a=H×(n2-n1),n1為第一個不明顯感光的光電二極管對應的數(shù)組元素列數(shù),n2為最后一個不明顯感光的光電二極管所對應的數(shù)組元素列數(shù),H為傳感器沿行方向的像元間距。
(四)計算被測對象長度LL=[a+(H/N)(m1-1)+(H/N)(m2-2)]/MH為CCD圖像傳感器沿行方向的像元間距N為光電二極管的總行數(shù)M為測量系統(tǒng)光學放大倍數(shù)。
本發(fā)明的方法,其步驟如下(一)將被測對象7置于光學透鏡組6與CCD圖像傳感器8之間,被測對象的投影線與CCD圖像傳感器8的光電二極管行軸線垂直,且其一邊緣投影在傳感器8上,(二)確定被測對象7邊緣投影在傳感器8的第一光電二極管行上的第n個像素和第n+1個像素之間,第n個像素無明顯感光,第n+1個像素明顯感光,并測出具備上述條件的光電二極管行數(shù)m,(三)測定CCD圖像傳感器8上因被測物7的遮擋而無明顯感光的光電二極管間的總長度a,測定被測對象遠離傳感器8的一端與傳感器8靠近被測對象一端的距離b,b用分辨率小1μm千分螺桿校準器標定,a=H×(n2-n1),H為傳感器沿行方向的像元間距,n1為第一個不明顯感光的光電二極管對應的數(shù)組元素列數(shù),n2為最后一個不明顯感光的光電二極管對應的數(shù)組元素列數(shù),(四)計算被測對象長度LL=[a+b+(H/N)(m-1)]/M或L=[a+b+(H/N)(m-2)]/MN為光電二極管的總行數(shù),M為光學放大倍數(shù)。
本發(fā)明的方法,其步驟如下(一)將被測對象置于光學透鏡組6與CCD圖像傳感器8之間,被測對象投影線與位于同一平面上的兩個傳感器8的光電二極管行軸線垂直相交,且其兩邊緣投影在不同的傳感器8上,(二)確定被測對象一側邊緣落在第一傳感器8的第一光電二極管行上的第n和第n+1個像素之間,n像素無明顯感光,n+1像素明顯感光,測出第一傳感器具備上述條件的光電二極管行數(shù)m1,根據(jù)同一方法,測出被測對象的另一側邊緣在第二傳感器(8)上投影使第二傳感器8具備上述條件的光電二極管所數(shù)m2,(三)測定兩傳感器8相互靠近端的距離b,第一、第二傳感器8上因被測物的遮擋而無明顯感光的光電二極管長度b1,b2,b用千分螺桿校準器標定,b1,b2等于H×(n2-n1)的值,H為傳感器沿行方向像元間距,n1為第一個不明顯感光的光電二極管對應的數(shù)組元素列數(shù),n2為最后一個不明顯感光的光電二極管對應的數(shù)組元素列數(shù),(四)計算被測對象長度LL=[b+b1+b2+(H/N)(m1-1)+(H/N)(m2-2)]/MN=為兩個傳感器(8)的總光電二極管行數(shù)。
M為光學放大倍數(shù)。
圖1是傳統(tǒng)CCD圖像傳感器的平面示意圖。
圖2傳統(tǒng)雙CCD型CCD圖像傳感器的平面示意圖。
圖3是包括以交錯排列來排列兩個光電二極管行的CCD圖像傳感器的平面示意圖。
圖4是包括以交錯排列來排列多個光電二極管行的CCD圖像傳感器的平面示意圖。
圖5是超級CCD圖像傳感器的光電二級管排列平面示意圖。
圖6是放大光學測量裝置示意圖。
圖7是將三列二極管等距錯開排列的CCD圖像傳感器平面示意圖。
圖8是將七列二極管等距錯開排列的CCD圖像傳感器平面示意圖。
圖9是等距錯開排列的CCD圖像傳感器在測量過程中如何判斷被測物邊緣輪廓的流程圖。
圖10是本發(fā)明第一實施例的CCD圖像傳感器光學成像測量裝置示意圖。
圖11是本發(fā)明第二實施例的CCD圖像傳感器光學成像測量裝置示意圖。
圖12是本發(fā)明第三實施例的CCD圖像傳感器光學成像測量裝置示意圖。
圖13是將多個傳統(tǒng)線陣CCD圖像傳感器沿其長度方向等距錯開排列結構示意圖。
圖14為控制電路原理圖。
具體實施例方式實施例1如圖10所示,是本發(fā)明第一實施例的CCD圖像傳感器光學成像測量裝置示意圖。本發(fā)明第一實施例主要包括光電二極管等距錯排CCD圖像傳感器8,光學透鏡組6,光源5,信號處理電路4及被測對象7構成。CCD圖像傳感器各光電二極管行等距錯開排列,光電二極管的行數(shù),由測量精度及沿行方向相鄰兩個光電二極管間距決定。光學成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)可以是1倍,也可以是任何大于1的倍數(shù)。本發(fā)明第一實施例的特點是CCD圖像傳感器中光電二極管各行等距錯開排列,對被測物進行雙邊測量,即被測物兩端完全成像在CCD圖像傳感器上。可將被測物中心放在CCD圖像傳感器的中心剖面上,也可將被測物放在其它適當?shù)牡胤剑灰苁贡粶y物在CCD圖像傳感器上能完整成像就可以。測量數(shù)據(jù)可直接由對CCD圖像傳感器上被遮擋光電二極管的個數(shù)來獲得。
如圖14所示為測量裝置中,CCD圖像信號的處理過程原理圖。
因被測物對光線的遮擋,而在CCD圖像傳感器的各感光二極管上產(chǎn)生不同的感光信號,該信號作為CCD的輸出,經(jīng)放大濾波、A/D轉換,可直接送入CPU進行計算處理,也可先送入存儲器,稍后再進行處理。處理的結果可通過顯示器、打印機等方式輸出。
CCD輸出信號放大濾波與A/D轉換這部分電路,目前有較成熟的數(shù)據(jù)采集卡可完成這方面的處理工作,如CA-MPE-1000型圖像采集卡。而CPU、存儲器與輸出部分則完全可以一臺PC機來完成。因此對CCD輸出信號的處理,可采用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集卡與PC機來進行。只須按相應流程來編制處理程序即可。
在數(shù)據(jù)的處理過程中,將CCD圖像傳感器中的第一行上各感光二極管輸出的電信號,依次分別存入存儲器數(shù)組的第一行中,按此方式分別將CCD圖像傳感器上其它各行感光二極管的感光信號依次分別存入數(shù)組的對應位置。假定該數(shù)組為D(i,j),為一個二維數(shù)組,數(shù)組的行數(shù)和列數(shù),分別與CCD圖像傳感器的行數(shù)和列數(shù)相同。并且其中的元素與CCD圖像傳感器上的感光二極管一一對應。所以在數(shù)據(jù)處理時,該數(shù)組中的各元素就分別對應CCD圖像傳感器上的各感光二極管。
測量結果分析過程可簡單描述如下首先讀取數(shù)組D中第一行元素,先從第一行第一個元素讀取,直到第一行最后一個元素,找到其中第n個元素明顯感光(不明顯感光),而第n+1個元素不明顯感光(明顯感光)的那兩個感光二極管位置,并標定它。則被測邊緣就落在該光電二極管行上與數(shù)組的第n個和第n+1個元素對應的像元之間。然后,讀取數(shù)組D中第二行,尋找與第一行中已經(jīng)標定的光電二極管列數(shù)相同的數(shù)組元素,判斷它們的感光情況,如與第一行相同,則繼續(xù)讀取下一行數(shù)據(jù),否則標定m1(m2),如當前行號為i,則m1(m2)=i-1。最后通過數(shù)據(jù)處理來計算被測量的邊緣位置。
具體判斷某一像素是否明顯感光,可采用最簡單的二值法來進行。即設置一個閥值,當該像素的感光信號電壓高于該閥值,則認為該像素明顯感光,否則,則認為該像素不明顯感光。舉例來說,如對CCD輸出電信號通過處理,轉換成0~12V的標準電壓,可設定閥值為5V,當某像素的感光電信號高于5V,則謚為該像素明顯感光,否則,認為該項像素不明顯感光。具體在使用過程中,閥值的確定可通過多次試測,反復調整得到一個較合理的值。
對于實施例1中a的確定在數(shù)組D第一行元素中,假如第一個不明顯感光的光電二極管所對應的數(shù)組元素列數(shù)為n1,而最后一個不明顯感光的光電二極管所對應的數(shù)組元素列數(shù)為n2,H為光電二極管行的相鄰兩個光電二極管中心間的距離,則a=H×(n2-n1)L=[a+(H/N)(m1-1)+(H/N)(m2-2)]/MH為CCD圖像傳感器沿行方向的像元間距。
N為光電二極管的總行數(shù),M為光學放大倍數(shù)。
實施例2如圖11所示,是本發(fā)明第二實施例的CCD圖像傳感器光學成像測量裝置示意圖。本發(fā)明第二實施例主要包括光電二極管等距錯排CCD圖像傳感器8,光學透鏡組6,光源5,信號處理電路4及被測對象7構成。其中b代表測量過程中,被測物遠離CCD圖像傳感器一端與CCD圖像傳感器靠近被測物一端的距離,在測量裝置中,被測物遠離CCD圖像傳感器一端放在一基準面上,所以b恒定不變。本發(fā)明第二實施例中CCD圖像傳感器各光電二極管行等距錯開排列,光電二極管的行數(shù),由測量精度及沿行方向相鄰兩個光電二極管間距決定。光學成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)可以是1倍,也可以是任何大于1的倍數(shù)。本發(fā)明第二實施例的特點是CCD圖像傳感器中光電二極管各行等距錯開排列,對被測物進行單邊測量,即被測物只有部分(一端)成像在CCD圖像傳感器上,可對較大尺寸被測對象進行高精度測量。測量數(shù)據(jù)由圖11中b值與CCD圖像傳感器上被遮擋光電二極管的個數(shù)來獲得,而CCD圖像傳感器上被測物投影長度。
對于實施例2的單邊測量中m、a及b的確定在實施例2中,首先使用分辨率小于1μm的千分螺桿校準器來對b進行標定,并校準。
先讀取數(shù)組D中第一行元素,先從第一行第一個元素讀取,直到第一行最后一個元素,找到其中第n個元素不明顯感光,而第n+1個元素明顯感光的那兩個感光二極管位置,并標定它。然后,讀取組D中第二行,尋找與第一行中已標定的光電二極管列數(shù)相同的數(shù)組元素,判斷它們的感光情況,如與第一行相同,則繼續(xù)讀取下一行數(shù)據(jù),否則標定m,如當前行號為i,則m=i-1在數(shù)組D第一第行元素中,假如第一個不明顯感光的光電二極管所對應的數(shù)組元素列數(shù)為n1,而最后一個不明顯感光的光電二極管所對應的數(shù)組元素列數(shù)為n2,H為光電二極管行的相鄰兩個光電二極管中心間的距離,則a=H×(n2-n1)L=[a+b+(H/N)(m-1)]/M實施例3如圖12所示,是本發(fā)明第三實施例的CCD圖像傳感器光學成像測量裝置示意圖。本發(fā)明第三實施例主要包括兩個光電二極管等距錯排CCD圖像傳感器8,光學透鏡組6,光源5,信號處理電路4及被測對象7構成。其中b代表測量過程中,CCD圖像傳感器8a和CCD圖像傳感器8b相互靠近的兩端間的距離,為一定值。在測量裝置中CCD圖像傳感器81a和CCD圖像傳感器81b沿同一根直線方向擺放。本發(fā)明第三實施例中CCD圖像傳感器各光電二極管行等距錯開排列,光電二極管的行數(shù),由測量精度及沿行方向相鄰兩個光電二極管間距決定。光學成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)可以是1倍,也可以是任何大于1的倍數(shù)。本發(fā)明第三實施例的特點是CCD圖像傳感器中光電二極管各行等距錯開排列,對被測物進行雙邊測量,可對較大尺寸被測對象進行高精度測量。測量數(shù)據(jù)由圖12中b值與CCD圖像傳感器上被遮擋光電二極管的個數(shù)來獲得,而CCD圖像傳感器上被測物投影長度具體判斷。
對于實施例3的單邊測量中m1(m2)、b、b1、b2的確定在實施例3中,首先使用分辨率小于1μm的千分螺桿校準器來對b進行標定,交校準。
CCD圖像傳感器1201a的光電二極管感光數(shù)據(jù)存入數(shù)組D1,CCD圖像傳感1201b的光電二極管感光數(shù)據(jù)存入數(shù)組D2。
先讀取數(shù)組D1中第一行元素,先從第一行第一個元素讀取,直到第一行最后一個元素,找到其中第n個元素不明顯感光,而第n+1個元素明顯感光的那兩個感光二極管位置,并標定它。然后,讀取組D1中第二行,尋找與第一行中已標定的光電二極管列數(shù)相同的數(shù)組元素,判斷它們的感光情況,如與第一行相同,則繼續(xù)讀取下一行數(shù)據(jù),否則標定m1,如當前行號為i,則m1=i-1再讀取數(shù)組D2中第一行元素,先從第一行第一個元素讀取,直到第一行最后一個元素,找到中第n個元素不明顯感光,而第n+1個元素明顯感光的那兩個感光二極管位置,并標定它。然后,讀取數(shù)組D2中第二行,尋找與第一行中已經(jīng)標定的光電二極管列數(shù)相同的數(shù)組元素,判斷它們的感光情況,如與第一行相同,則繼續(xù)讀取下一行數(shù)據(jù),否則標定m2,如當前行號為j,則m2=j-1在數(shù)組D1第一行元素中,假如不明顯感光的光電二極管所對應的數(shù)組元素總個數(shù)為n1,則b1=H×n1。
在數(shù)組D2第一行元素中,假如不明顯感光的光電二極管所對應的數(shù)組元素總個數(shù)為n2,則b2=H×n2。
L=[b+b1+b2+(H/N)(m1-1)+(H/N)(m2-2)]/M實施例4如圖13所示,是將多個傳統(tǒng)線陣CCD圖像傳感器沿其長度方向等距錯開排列結構示意圖。沿行方向各線陣CCD圖像傳感器之間錯開的距離由測量精度及沿行方向相鄰兩個光電二極管間距決定,將這樣的多個等距錯排的線陣CCD圖像傳感器稱為線陣CCD圖像傳感器組。在圖13中,線陣CCD圖像傳感器組8由線陣CCD圖像傳感器8、8、8c、8d組成,根據(jù)需要組成線陣CCD圖像傳感器組8的線陣CCD圖像傳感器數(shù)量可為任何大于1的整數(shù)。將本發(fā)明第一實施例、第二實施例、第三實施例中CCD圖像傳感器部分分別用此線陣CCD圖像傳感器組代替,以形成沿行方向類似本發(fā)明第一實施例、第二實施例、第三實施例中光電二極管列等距錯開排列的結構。光學成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)可以是1倍,也可以是任何大于1的倍數(shù)。本發(fā)明第四實施例的特點是線陣CCD圖像傳感器組中相鄰CCD圖像傳感器等距錯開排列??捎杀景l(fā)明第四實施例中的等距錯排線陣CCD圖像傳感器組分別代替本發(fā)明第三實施例中的CCD圖像傳感器,而獲得相應的測量裝置。
權利要求
1.一種CCD圖像傳感器,由錯開排列的多個光電二極管行(1)構成,每個光電二極管行(1)有對應并排成一行的電荷轉移器件(2),光電二極管行(1)通過讀取柵(3)與電荷轉移器件(2)連接,所有電荷轉移器件(2)的輸出與控制電路(4)連接,控制電路(4)的輸出與信號處理電路連接,其特征在于N個光電二極管行(1)在行的一個方向上按距離H1等距錯開排列,H1=H/N,H為光電二極管行(1)的相鄰兩個電二極管中心的距離,N為光電二極管行數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的CCD圖像傳感器,其特征在于所說的信號處理電路由圖像采集裝置和微機構成,圖像采集裝置的放大濾波電路的輸入接控制電路(4)的輸出,放大濾波電路的輸出接A/D轉換電路,A/D轉換電路分別與微機的存儲器和微處理器連接,微處理器與存儲器、輸出終端連接。
3.一種包括權利要求1或2所述的CCD圖像傳感器的高精度線性尺寸測量裝置,其特征在于由光源(5)、光學透鏡組(6)、被測對象(7)和CCD圖像傳感器(8)依次由布置構成,被測對象(7)的邊緣投影在一個或兩個位于同一平面的CCD圖像傳感器(8)上,邊緣投影線與CCD圖像傳感器(8)的光電二極管行軸線垂直或交叉。
4.一種基于權利要求3所述的裝置的測量被測對象線性尺寸的方法,其步驟如下(一)將被測對象(7)置于光學透鏡組(6)與CCD圖像傳感器(8)之間,被測對象投影線與CCD圖像傳感器(8)的光電二極管行軸線垂直相交,且其兩邊緣投影都在傳感器(8)上,(二)確定被測物邊緣落在CCD圖像傳感器(8)的第一光電二極管行上的第n個和n+1個像素之間,第n個像素無明顯感光,第n+1個像素明顯感光,并測出所有的具備上述條件的光電二極管行數(shù)m1,根據(jù)同樣的方法確定被測物另一側邊緣落在CCD圖像傳感器(8)的所有n個像素無明顯感光,n+1個像素明顯感光的行數(shù)m2,(三)測定CCD圖像傳感器(8)上因被測物(7)的遮擋而無明顯感光的光電二極管間的總長度a,a=H×(n2-n1),n1為第一個不明顯感光的光電二極管對應的數(shù)組元素列數(shù),n2為最后一個不明顯感光的光電二極管所對應的數(shù)組元素列數(shù),H為傳感器沿行方向的像元間距。(四)計算被測對象長度LL=[a+(H/N)(m1-1)+(H/N)(m2-2)]/MH為CCD圖像傳感器沿行方向的像元間距N為光電二極管的總行數(shù)M為測量系統(tǒng)光學放大倍數(shù)。
5.一種基于權利要求3所述裝置的測量被測物對象的線性尺寸的方法,其步驟如下(一)將被測對象(7)置于光學透鏡組(6)與CCD圖像傳感器(8)之間,被測對象的投影線與CCD圖像傳感器(8)的光電二極管行軸線垂直,且其一邊緣投影在傳感器(8)上,(二)確定被測對象(7)邊緣投影在傳感器(8)的第一光電二極管行上的第n個像素和第n+1個像素之間,第n個像素無明顯感光,第n+1個像素明顯感光,并測出具備上述條件的光電二極管行數(shù)m,(三)測定CCD圖像傳感器(8)上因被測物(7)的遮擋而無明顯感光的光電二極管間的總長度a,測定被測對象遠離傳感器(8)的一端與傳感器(8)靠近被測對象一端的距離b,b用分辨率小1μm千分螺桿校準器標定,a=H×(n2-n1),H為傳感器沿行方向的像元間距,n1為第一個不明顯感光的光電二極管對應的數(shù)組元素列數(shù),n2為最后一個不明顯感光的光電二極管對應的數(shù)組元素列數(shù),(四)計算被測對象長度LL=[a+b+(H/N)(m-1)]/M或L=[a+b+(H/N)(m-2)]/MN為光電二極管的總行數(shù),M為光學放大倍數(shù)。
6.一種基于權利要求3所述的裝置的測量被測對象線性尺寸的方法,其步驟如下(一)將被測對象置于光學透鏡組(6)與CCD圖像傳感器(8)之間,被測對象投影線與位于同一平面上的兩個傳感器(8)的光電二極管行軸線垂直相交,且其兩邊緣投影在不同的傳感器(8)上,(二)確定被測對象一側邊緣落在第一傳感器(8)的第一光電二極管行上的第n和第n+1個像素之間,n像素無明顯感光,n+1像素明顯感光,測出第一傳感器具備上述條件的光電二極管行數(shù)m1,根據(jù)同一方法,測出被測對象的另一側邊緣在第二傳感器(8)上投影使第二傳感器(8)具備上述條件的光電二極管所數(shù)m2,(三)測定兩傳感器(8)相互靠近端的距離b,第一、第二傳感器(8)上因被測物的遮擋而無明顯感光的光電二極管長度b1,b2,b用千分螺桿校準器標定,b1,b2等于H×(n2-n1)的值,H為傳感器沿行方向像元間距,n1為第一個不明顯感光的光電二極管對應的數(shù)組元素列數(shù),n2為最后一個不明顯感光的光電二極管對應的數(shù)組元素列數(shù),(四)計算被測對象長度LL=[b+b1+b2+(H/N)(m1-1)+(H/N)(m2-2)]/MN=為兩個傳感器(8)的總光電二極管行數(shù)。M為光學放大倍數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明為一種CCD圖像傳感器,用該傳感器的測量裝置及測量方法,傳感器由錯開排列的多個光電二極管行(1)構成,每個光電二極管行(1)有對應并排成一行的電荷轉移器件(2),光電二極管行(1)通過讀取柵(3)與電荷轉移器件(2)連接,所有電荷轉移器件(2)的輸出與同一個控制電路(4)連接,N個光電二極管行(1)在行的一個方向上按距離H
文檔編號H01L27/148GK1604335SQ200410081238
公開日2005年4月6日 申請日期2004年11月15日 優(yōu)先權日2004年11月15日
發(fā)明者王和順, 黃惟公 申請人:西華大學