CCD圖像傳感器在光柵傳感器中的研究與應(yīng)用

光柵傳感器的作用是能夠?qū)崿F(xiàn)精密測量，其測量原理建立在莫爾條紋的基礎(chǔ)上。由于光的干涉效應(yīng)，將等柵距的兩塊光柵以微小夾角重疊在一起，可以看到在近似垂直柵線方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，稱為莫爾條紋，如圖1所示：B為莫爾條紋間距，W為光柵間距：　 

　　光柵線夾角θ小，莫爾條紋寬帶B越大，相當(dāng)于把W放大了1/θ倍，大大的提高了測量靈敏度，也方便了光電元件的放置。

　　本文利用長光柵的位移傳感器，借助CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅光電池檢測莫爾條紋，完成了信號(hào)的細(xì)分，并實(shí)現(xiàn)對(duì)位移和角度的高精度測量。因此，若利用光柵精密測量位移或角度，可利用光電元件測出莫爾條紋的移動(dòng)，通過脈沖計(jì)數(shù)得到度量。

　　測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作方式

　　以位移測量為例，通常光柵傳感器是由光路系統(tǒng)、一對(duì)光柵副、與指示光柵相對(duì)位置固定的光電接收元件、整形細(xì)分電路組成。當(dāng)光柵副中任一光柵沿垂直于刻線方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋就會(huì)沿近似垂直于光柵移動(dòng)的方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋就移動(dòng)一個(gè)條紋間隔B。光電接收元件將莫爾條紋的明暗強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換為電量輸出。該正弦波經(jīng)整形為方波，在一個(gè)完整的光柵測量系統(tǒng)中，后級(jí)電路(往往是以單片機(jī)為核心)接收該信號(hào)后，根據(jù)兩路或多路信號(hào)的時(shí)序關(guān)系判別運(yùn)動(dòng)方向，并根據(jù)方波個(gè)數(shù)判斷位移。

　　光柵數(shù)字傳感器的測量分辨率等于一個(gè)柵距。但是，在精密檢測中常常需要測量比柵距更小的位移量，為了提高分辨率，可以采用兩種方法實(shí)現(xiàn)：1)增加刻線密度來減小柵距，但是這種方法受光柵刻線工藝的限制。2)采用細(xì)分技術(shù)，在莫爾條紋變化一周期時(shí)，不只輸出一個(gè)脈沖，而是輸出若干個(gè)脈沖，以減小脈沖當(dāng)量，提高分辨力。細(xì)分的方法有多種，如直接細(xì)分、電橋細(xì)分、鎖相細(xì)分、調(diào)制信號(hào)細(xì)分和軟件細(xì)分等。下面介紹論文采用的4倍直接細(xì)分的信號(hào)處理過程。

　　根據(jù)莫爾條紋的性質(zhì)，光電元件產(chǎn)生的信號(hào)近似為正弦波。A、B為兩個(gè)光電元件，使A、B的位置相距1/4B那么A、B輸出的正弦信號(hào)相位差π/2，如圖2所示。設(shè)莫爾條紋移動(dòng)方向?yàn)閺腁到B。A領(lǐng)先Bπ/2，A、B兩路信號(hào)經(jīng)整形后變?yōu)榉讲?，?/4個(gè)周期為單位時(shí)間，則在一個(gè)周期內(nèi)的4個(gè)單位時(shí)間內(nèi)，A依次為1、1、0、0，B依次為0、1、1、0，AB代表的二進(jìn)制數(shù)為10，11，01、00，即光柵移動(dòng)一個(gè)柵距內(nèi)，可以得到4組信號(hào)，根據(jù)不同的信號(hào)值從而將位移確定在1/4個(gè)柵距內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了4倍細(xì)分。同時(shí)根據(jù)AB代表的系列值可以判斷移動(dòng)方向。

　　圖像傳感器的選用

　　根據(jù)以上對(duì)光柵傳感器的剖析，可以看出要想提高對(duì)莫爾條紋的細(xì)分精度，可以采用提高光柵線的密度或放置更多路光敏元件實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)更高倍的細(xì)分的方法。但是由于工藝上的難度成本上的限制，不可能無限制地提高光柵線的密度，目前較普遍的是1mm 50～100線。也不可能精確地在保證一定的相位差下放置多路光敏元件。所以從以上兩點(diǎn)入手試圖改進(jìn)光柵傳感器的精度意義不大。目前的光柵傳感器一般采用硅光電池，再配以相應(yīng)的后續(xù)電路完成信號(hào)處理。所以考慮采用新的圖像探測器件來取代傳統(tǒng)的光電池是另一種值得考慮的方法。

　CCD圖像傳感器與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器目前已經(jīng)得到大量而廣泛的應(yīng)用。CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器都基于硅半導(dǎo)體材料，但由于工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)的不同，這兩種傳感器在性能上存在著很大的區(qū)別，主要體現(xiàn)在集成度、讀出方式、功耗、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度和價(jià)格上。雖然CMOS圖像傳感器的生產(chǎn)過程較簡單、成本較低、功耗較小，但其具有信噪比低、寬動(dòng)態(tài)范小、電荷轉(zhuǎn)換效率低和輸出圖像質(zhì)量低的缺點(diǎn)，而CCD圖像傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是信噪比高、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍大、電荷轉(zhuǎn)換效率高和輸出圖像質(zhì)量高。綜合以上特點(diǎn)，對(duì)于光柵傳感器的應(yīng)用來說，CCD更適于對(duì)精度和靈敏度要求較高的莫爾條紋的檢測。

　　CCD圖像傳感器的功能是把二維圖像光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成一維視頻信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。從結(jié)構(gòu)上分為線陣CCD和面陣CCD兩大類，從受光方式分為正面光照和背面光照兩種。線陣CCD有單溝道和雙溝道兩種信號(hào)讀出方式，其中雙溝道信號(hào)讀出方式的信號(hào)轉(zhuǎn)移效率高。面陣CCD的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常見的有幀轉(zhuǎn)移(FT) CCD、全幀轉(zhuǎn)移(FFT)CCD、隔列內(nèi)線轉(zhuǎn)移(IIT)CCD、幀內(nèi)線轉(zhuǎn)移(FIT) CCD、累進(jìn)掃描內(nèi)線轉(zhuǎn)移(PSIT) CCD等。如以幀轉(zhuǎn)移(FT) CCD 面陣，CCD由成像區(qū)(光敏區(qū))、暫存區(qū)和水平讀出寄存器三部分構(gòu)成。每個(gè)成像單元稱為一個(gè)像素。假定有M個(gè)轉(zhuǎn)移溝道，每個(gè)溝道有N個(gè)成像單元，那么整個(gè)成像區(qū)共有M×N個(gè)像素。暫存區(qū)的結(jié)構(gòu)和單元數(shù)與成像區(qū)相同，暫存區(qū)與水平讀出寄存器均作遮光處理。工作時(shí)，圖像經(jīng)物鏡成像到光敏區(qū)，光敏區(qū)上面的電極加有適當(dāng)?shù)钠珘簳r(shí)，光生電荷被收集到電極下方的勢(shì)阱里，這樣就將光學(xué)圖像變成了電荷包圖像。當(dāng)光積分周期結(jié)束時(shí)，加到成像區(qū)和暫存區(qū)電極上的時(shí)鐘脈沖使所有收集到的信號(hào)電荷迅速轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)中，然后經(jīng)由水平讀出寄存器，在時(shí)鐘脈沖控制下，經(jīng)輸出級(jí)逐行輸出一幀信息。在第一幀讀出的同時(shí)，第二幀信息通過光積分又收集到勢(shì)阱中。這樣可以一幀一幀連續(xù)地讀出。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　下面采用CCD圖像傳感器FTF4052M芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)莫爾條紋的檢測。DALSA公司的FTF4052M型CCD是一款全幀型CCD圖像傳感器，具有22M像素(4008×5334)的超大分辨率全幀CCD圖像傳感器，內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3中，芯片在結(jié)構(gòu)上分為3部分：⒈中間最大的區(qū)域?yàn)楣饷魠^(qū)，即光積分區(qū)域。每個(gè)光敏單元都有在行列方向上的地址，行選通邏輯和列選通邏輯共同選定某光敏單元，考慮到各像敏單元的偏置電壓不均勻，使用增益控制和平衡控制等輔助電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行校正。特別是對(duì)于處于莫爾條紋光強(qiáng)波谷處的像敏單元，其信號(hào)是微弱的，此時(shí)該校正是很必要的。⒉上下兩部分為兩個(gè)輸出寄存器。將光積分生成的電荷水平轉(zhuǎn)移到4個(gè)角的輸出放大器，輸出放大器將光生電荷形成的電壓信號(hào)放大并轉(zhuǎn)移出CCD。C1、C2、C3為水平像素轉(zhuǎn)移寄存器的時(shí)鐘信號(hào)。A1、A2、A3、A4為垂直行驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)。⒊TG是光敏區(qū)與輸出寄存器之間的隔柵;OG是輸出柵;SG是輸出柵之前的最后一個(gè)柵;RG是輸出放大器。該芯片的最大特點(diǎn)是將光敏區(qū)生成的圖像分成W、X、Y、Z四個(gè)對(duì)稱的象限，每個(gè)象限的電荷可以以不同的方向轉(zhuǎn)移，通過四個(gè)輸出端同時(shí)輸出，有效地提高了幀速率，單端輸出的幀速率為1FPS，而四端同時(shí)輸出就可以達(dá)到3.6FPSs。工作時(shí)，莫爾條紋投射在CCD圖像傳感器表面，莫爾條紋沿X軸向左或向右平移，產(chǎn)生明顯的莫爾條紋光強(qiáng)分布。

　　由于CCD圖像傳感器的同一列像元從上至下的光強(qiáng)分布是一致的，莫爾條紋的光強(qiáng)分布只是體現(xiàn)在行方向上，所以無需進(jìn)行逐行掃描，只需考察一行上的像元信號(hào)即可分析莫爾條紋的移動(dòng)情況，這樣大大降低了信號(hào)處理任務(wù)。圖4代表莫爾條紋在一行像敏單元上的光強(qiáng)分布，X軸為莫爾條紋移動(dòng)方向，Y軸表示光強(qiáng)的大小。莫爾條紋在各行分布一致的情況僅僅是理想的情況，實(shí)際上由于光柵線質(zhì)量，光柵間隙等工藝因素的影響，各行情況會(huì)略有差別，所以可以考慮選擇不同位置的幾行，考察其光強(qiáng)分布情況，避免信號(hào)質(zhì)量差時(shí)過大的單行誤差，達(dá)到降低誤差的目的。

　　FTF4052M和光柵傳感器、DSP、MCU和PC組成測量系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)工作原理框圖如圖5。

　　系統(tǒng)上電后，CCD圖像傳感器初始化，根據(jù)相關(guān)寄存器值控制有關(guān)參數(shù)，確定采集圖像的窗口位置、大小和工作模式;MCU通過對(duì)FTF4052M 芯片發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)指令、以及對(duì)FTF4052M 芯片進(jìn)行時(shí)序控制，來完成參數(shù)的配置;系統(tǒng)配置完后，F(xiàn)TF4052M 芯片開始對(duì)莫爾條紋信號(hào)進(jìn)行采集，并輸出同步信號(hào)給MCU，其包括垂直同步信號(hào)、水平同步信號(hào)、數(shù)據(jù)同步信號(hào)，判別一幀圖像數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束;DSP發(fā)出讀信號(hào)請(qǐng)求后，MCU根據(jù)同步信號(hào)決定是否開始數(shù)據(jù)采集;采集的數(shù)據(jù)被送至RAM;DSP接收到READY信號(hào)后開始采集數(shù)據(jù)并處理;數(shù)據(jù)最終被送往PC進(jìn)行處理，得出測量結(jié)果。

　　結(jié)論

　　從信號(hào)處理的角度來說，最簡單的方法就是通過調(diào)整光柵夾角，使莫爾條紋間隔B和CCD圖像傳感器最大感知圖像的行方向長度一致，設(shè)其為L。該方向有n個(gè)像素，將L分為n份， 即細(xì)分倍數(shù)達(dá)到n倍，對(duì)位移的分辨精度達(dá)到了W/n(以FTF4052M為例，其分辨率為1312 ×1036)。設(shè)光柵線密度為100線/mm，W=0.01mm，故位移分辨精度為：W/n=0.01/13127nm?？紤]到光柵線質(zhì)量問題等，該理論值并不代表整個(gè)傳感器在實(shí)際測量中能達(dá)到的精度。但經(jīng)過實(shí)測，采用CCD圖像傳感器對(duì)莫爾條紋的分辨精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用傳統(tǒng)的硅光電池和整形細(xì)分電路等對(duì)莫爾條紋的分辨精度。并且，隨著集成電路技術(shù)的提高，CCD圖像傳感器的性能指標(biāo)也在不斷的改善，對(duì)莫爾條紋的分辨率將不斷提高，滿足光柵傳感器現(xiàn)在和未來的高精度、高分辨率等測量需求將綽綽有余，理論上，若提供的莫爾條紋信號(hào)質(zhì)量足夠高，則可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的測量精度。