圖像傳感器的具體應(yīng)用

寂靜天花板

圖像傳感器，是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分,，更是組成機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、智能機(jī)器人的重要部件,。根據(jù)元件的不同,，可分為CCD（電荷耦合元件）和CMOS（金屬氧化物半導(dǎo)體元件）兩大類。
- W. w& V% ^" U* @) @% L6 @圖像傳感器在很多地方都得到了廣泛的應(yīng)用,，本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行介紹,。
: A1 B  V5 b2 i# `- \1 Y1、紅外熱像儀在LED產(chǎn)品研發(fā)與品質(zhì)管理中的應(yīng)用
紅外熱像儀是一種檢測(cè)和測(cè)量輻射并在輻射與表面溫度之間建立相互聯(lián)系的圖像傳感器設(shè)備,。
圖1 紅外熱像儀的工作原理
如圖1所示,，輻射能（電磁波）在沒(méi)有直接傳導(dǎo)媒體的情況下移動(dòng)時(shí)發(fā)生熱量移動(dòng)，紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上,，從而獲得紅外熱像圖,，這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。所有高于絕對(duì)零度（-273℃）的物體都會(huì)發(fā)出紅外輻射,。
熱成像儀的構(gòu)成,，包括光學(xué)鏡頭、塑料框,、傳感器導(dǎo)線和傳感器等,。經(jīng)過(guò)熱成像儀獲得的熱圖像，其上面的不同顏色代表被測(cè)物體的不同溫度,。通過(guò)查看熱圖像,，可以觀察到被測(cè)目標(biāo)的整體溫度分布狀況，研究目標(biāo)的發(fā)熱情況,，從而進(jìn)行下一步工作的判斷,。
熱成像儀在LED產(chǎn)品研發(fā)與品質(zhì)管理的應(yīng)用，是基于LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展且傳統(tǒng)傳感器無(wú)法解決相關(guān)的問(wèn)題,，比如LED熱量檢測(cè)問(wèn)題等,。
經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，LED的實(shí)際壽命與工作溫度往往成反比,，如LED使用壽命在工作溫度為74℃為10000小時(shí),、63℃為25000小時(shí)，小于50℃時(shí),，則可為50000小時(shí),。根本原因是LED的光電轉(zhuǎn)換效率極差，大約只有15%至20%左右電能轉(zhuǎn)為光輸出,，其余均轉(zhuǎn)換成為熱能,，因此，當(dāng)大量使用高功率的LED于一塊模組,，應(yīng)用于高亮度的操作時(shí),，這些極差的轉(zhuǎn)換效率將造成散熱處理的大問(wèn)題。
使用紅外熱像儀既可在研發(fā)過(guò)程中能夠發(fā)揮作用,，而且也可以應(yīng)用在產(chǎn)品的品質(zhì)管理等方面,。
0 {2 O' F% S9 G$ E+ l- J# C（1）對(duì)LED模塊驅(qū)動(dòng)電路（包括電源）、光源半導(dǎo)體發(fā)熱分布分析及光衰測(cè)試,。
a）LED模塊驅(qū)動(dòng)電路
在LED產(chǎn)品研發(fā)中,，需要工程師進(jìn)行一部分驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，例如整流器電路模塊,。利用熱像儀,，工程師可以迅速而便捷地發(fā)現(xiàn)電路上溫度異常之處，便于完善電路設(shè)計(jì),。
b）LED光源半導(dǎo)體芯片發(fā)熱
% U# m% N' d: e4 `+ n+ v利用熱像儀,，工程師可以所得到的光源半導(dǎo)體芯片發(fā)熱紅外熱圖，分析出其芯片在工作時(shí)的溫度,，以及溫度的分布情況,，在此基礎(chǔ)，達(dá)到提高LED產(chǎn)品壽命的目的,。
c）光衰試驗(yàn)
4 E4 _) n0 \4 O# Z+ z1 a) mLED產(chǎn)品的光衰就是光在傳輸中的信號(hào)減弱,，而現(xiàn)階段全球的LED大廠們做出的LED產(chǎn)品光衰程度都不相同，大功率LED同樣存在光衰,，這和溫度有著直接的關(guān)系,，主要是由晶片、熒光粉和封裝技術(shù)決定的,。目前,，市場(chǎng)上的白光LED其光衰可能是向民用照明進(jìn)軍的首要問(wèn)題之一。
; k* F& q# G  \7 d: f（2）LED制造工藝的品質(zhì)管理
a）半導(dǎo)體照明：吹制燈泡均勻性
通過(guò)熱像儀抓拍產(chǎn)線玻璃吹泡的過(guò)程,，進(jìn)行參數(shù)修正,，改善掐口工藝，可以有效提高產(chǎn)品成品率,，降低成本,。
+ ]: U2 d8 C5 d: `3 o8 zb） LED檢測(cè)芯片封裝前的溫度
3 g& _* @+ u. \1 ?+ r3 v' }4 KLED芯片封裝前檢測(cè)溫度可以避免封裝后因溫度異常，降低廢品率。此階段手不能接觸表面,，熱像儀能夠很好的幫助客戶發(fā)現(xiàn)此處的問(wèn)題,，作為流水線檢測(cè)工具。
在LED檢查流水線上通過(guò)紅外線熱像儀檢測(cè)目標(biāo)時(shí),，不需要斷電,，操作方便，同時(shí)非接觸測(cè)量使原有的溫度場(chǎng)不受干擾,；反應(yīng)速度較快,，小于1毫秒。
c）LED成品顯示屏開(kāi)機(jī)測(cè)試
: ], h, g8 c$ C, \) x4 O& {LED顯示屏完成后,，要做最后驗(yàn)收,，通過(guò)不同顏色的測(cè)試來(lái)看屏幕是否符合交貨的要求，目前大多數(shù)企業(yè)都沒(méi)有這個(gè)流程,。使用熱像儀后,，能夠?yàn)閺S家完善產(chǎn)品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量,。在開(kāi)機(jī)測(cè)試中,，可以充分利用紅外熱像儀畫中畫及熱疊加技術(shù)，除了可以拍攝紅外圖像外,，還可以同時(shí)捕獲一幅可見(jiàn)光照片,，并將其融合在一起，有助于第一時(shí)間識(shí)別和定位故障,。
2,、CMOS圖像傳感器在機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)
CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文學(xué)名為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體,，它本是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片,，保存了系統(tǒng)引導(dǎo)最基本的資料。CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒(méi)什么差別,，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體,，使其在CMOS上共存著帶N（帶-電）和P（帶+電）級(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像,，經(jīng)過(guò)加工就可以作為數(shù)碼攝影中的圖像傳感器,。
CMOS圖像傳感器也可細(xì)分為被動(dòng)式像素傳感器(Passive Pixel Sensor CMOS)與主動(dòng)式像素傳感器(Act ive Pixel Sensor CMOS)。它們都可以被應(yīng)用在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中,，以代替人類的視覺(jué)從事檢驗(yàn),、目標(biāo)跟蹤、機(jī)器人導(dǎo)向等方面的工作,，特別是在那些需要重復(fù),、迅速的從圖象中獲取精確信息的場(chǎng)合,。
+ ?1 i& ]+ ^$ F: m; j$ [& Y該機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包含5個(gè)主要芯片：圖像采集芯片OV7620，高速微處理器SH4,，大規(guī)�,？删幊剃嚵蠪PGA和串口通訊控制芯片MAX232。FPGA內(nèi)部編程設(shè)立兩個(gè)雙口RAM,，產(chǎn)生圖像傳感器所需的點(diǎn)頻,，行場(chǎng)同步等信號(hào),，以及控制雙口RAM的存儲(chǔ)時(shí)序,。SH4負(fù)責(zé)對(duì)OV7620通過(guò)I2C進(jìn)行配置，讀取雙口RAM的圖像數(shù)據(jù),，進(jìn)行處理,，并通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)圖像資料的上傳或控制步進(jìn)電機(jī)等其他設(shè)備。
, v" `5 N$ o# n# L這個(gè)系統(tǒng)模塊以CMOS圖像傳感器OV7620為核心,，還包括一個(gè)聚光鏡頭和其他一些輔助元器件比如27MHZ的晶振,，電阻電容等。OV7620分辨率為640x480,，能工作在逐行掃描方式下,，也能工作在隔行掃描方式下。它不僅能輸出彩色圖像,，也可用作黑白圖像傳感器,。
7 ~" d% C% P6 \  a: g, X# V  m! s- B這塊芯片支持的圖像輸出格式有很多種：1)YCrCb4:2:2 16 bit/8 bit格式；2)ZV端口輸出格式,；3)RGB原始數(shù)據(jù)16 bit/8 bit,；4)CCIR601/CCIR656格式。其功能包括有對(duì)比度,、亮度,、飽和度、白平衡及自動(dòng)曝光,、同步信號(hào)位置及極性輸出,，幀速率和輸出格式等都可以通過(guò)I2C總線進(jìn)行編程配置片內(nèi)寄存器控制。
4 p# m- ~/ ?* H5 a3 f* Z. b聚光鏡頭選用桑來(lái)斯公司生產(chǎn)的DSL103鏡頭,。此鏡頭體積小,，適合嵌入式視覺(jué)傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合。
FPGA采用Xilinx公司的xc2s100,，這款芯片內(nèi)部集成了10000個(gè)邏輯門,。接口程序采用VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)書寫。為了提高數(shù)據(jù)的傳輸速率,，在xc2s100內(nèi)部分配了2個(gè)雙口RAM緩沖區(qū),，其大小為127KB,，每個(gè)雙口RAM存儲(chǔ)1行的圖像數(shù)據(jù)。兩組雙口RAM進(jìn)行奇偶行計(jì)數(shù)器進(jìn)行切換,。當(dāng)一行存儲(chǔ)完畢后,，立即向SH4傳生一個(gè)讀取該行數(shù)據(jù)的中斷的申請(qǐng)信號(hào)。
另外,，本系統(tǒng)采用SH4芯片作為處理器：SH4單片機(jī)是日立公司推出的一款低功耗,、高性能，RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))結(jié)構(gòu)的全32位單片機(jī),。其處理速度可高達(dá)60M IPS一100MIPS,，能在2.25v電壓下工作，功耗僅400MW片內(nèi)集成有32位乘法器,、4路5KB CACHE,、存取器管理單元MMU和其它一些通用接口及時(shí)鐘電路等。日立公司為SH4系列單片機(jī)提供了c及c++語(yǔ)言集成編譯工具HIM(Hitachi IntegrationManag),。利用它可以將日立C,、C++格式的源程序編譯鏈接為匯編程序或目標(biāo)機(jī)器碼。
3,、線陣CCD圖像傳感器實(shí)現(xiàn)零件二維尺寸的高精度測(cè)量
線陣CCD掃描測(cè)量系統(tǒng)主要由線陣CCD相機(jī),、運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)、控制電路及線光源等組成,。
被測(cè)零件放置于運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)上,，隨工作臺(tái)一起以速度v向右方行進(jìn)，零件未進(jìn)入相機(jī)視場(chǎng)AB時(shí),，線光源所發(fā)射光線直接通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)成為一幀灰度值較高的背景圖像,，當(dāng)零件進(jìn)入相機(jī)視場(chǎng)時(shí)，零件遮擋光線使得采集圖像含有零件輪廓信息,，將所有輸出圖像按采集的先后關(guān)系進(jìn)行拼接,，即可得到完整的高分辨率零件圖像，通過(guò)圖像處理得到零件的二維幾何尺寸,。
0 O1 s! a, f5 E圖2 線陣CCD相機(jī)掃描圖像
掃描同步控制是線陣CCD掃描測(cè)量零件二維幾何尺寸的關(guān)鍵技術(shù),，也是影響系統(tǒng)測(cè)量精度的最主要因素。所謂掃描同步是指：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)線陣CCD相機(jī)所采集圖像總和對(duì)應(yīng)的物方實(shí)際尺寸與零件的行進(jìn)速度相同,。當(dāng)掃描同步時(shí),，獲取的零件圖像與實(shí)際零件相比沒(méi)有發(fā)生變形，如圖2(a)所示,，對(duì)其進(jìn)行處理的結(jié)果最接近零件尺寸的真實(shí)值,；當(dāng)相機(jī)采集速度大于零件行進(jìn)速度時(shí)，零件圖像被拉長(zhǎng),，如圖2(b)所示,，對(duì)其進(jìn)行處理的結(jié)果將大于零件尺寸的真實(shí)值,；當(dāng)相機(jī)采集速度小于零件行進(jìn)速度時(shí)，零件圖像被壓縮,，如圖2(c)所示,。對(duì)其進(jìn)行處理的結(jié)果小于零件尺寸的真實(shí)值。需要注意的是,，為保證對(duì)零件尺寸測(cè)量的準(zhǔn)確性,，需要進(jìn)行同步控制。