CCD圖像傳感器在光柵傳感器中的研究與應用

　　摘要：本文利用長光柵的位移傳感器，借助CCD（電荷耦合器件）圖像傳感器代替傳統的硅光電池檢測莫爾條紋，完成了信號的細分，并實現對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，通過脈沖計數得到度量。

       光柵傳感器的作用是能夠實現精密測量，其測量原理建立在莫爾條紋的基礎上。由于光的干涉效應，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。　　　
　　測量系統結構及工作方式
　　
　　以位移測量為例，通常光柵傳感器是由光路系統、一對光柵副、與指示光柵相對位置固定的光電接收元件、整形細分電路組成。當光柵副中任一光柵沿垂直于刻線方向移動時，莫爾條紋就會沿近似垂直于光柵移動的方向運動。當光柵移動一個柵距時，莫爾條紋就移動一個條紋間隔B。光電接收元件將莫爾條紋的明暗強弱變化轉換為電量輸出。該正弦波經整形為方波，在一個完整的光柵測量系統中，后級電路（往往是以單片機為核心）接收該信號后，根據兩路或多路信號的時序關系判別運動方向，并根據方波個數判斷位移。
　　
　　光柵數字傳感器的測量分辨率等于一個柵距。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現：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）采用細分技術，在莫爾條紋變化一周期時，不只輸出一個脈沖，而是輸出若干個脈沖，以減小脈沖當量，提高分辨力。細分的方法有多種，如直接細分、電橋細分、鎖相細分、調制信號細分和軟件細分等。下面介紹論文采用的4倍直接細分的信號處理過程。
　　
　　根據莫爾條紋的性質，光電元件產生的信號近似為正弦波。A、B為兩個光電元件，使A、B的位置相距1/4B那么A、B輸出的正弦信號相位差π/2，如圖2所示。設莫爾條紋移動方向為從A到B。ABπ/2，A、B兩路信號經整形后變為方波，以1/4個周期為單位時間，則在一個周期內的4個單位時間內，A依次為1、1、0、0，B依次為0、1、1、0，AB代表的二進制數為10，11，01、00，即光柵移動一個柵距內，可以得到4組信號，根據不同的信號值從而將位移確定在1/4個柵距內，實現了4倍細分。同時根據AB代表的系列值可以判斷移動方向。　　
　　圖像傳感器的選用
　　
　　根據以上對光柵傳感器的剖析，可以看出要想提高對莫爾條紋的細分精度，可以采用提高光柵線的密度或放置更多路光敏元件實現對信號更高倍的細分的方法。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1mm50～100線。也不可能地在保證一定的相位差下放置多路光敏元件。所以從以上兩點入手試圖改進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，再配以相應的后續電路完成信號處理。所以考慮采用新的圖像探測器件來取代傳統的光電池是另一種值得考慮的方法。
　　
　　CCD圖像傳感器與互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像傳感器目前已經得到大量而廣泛的應用。CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器都基于硅半導體材料，但由于工作機理和結構的不同，這兩種傳感器在性能上存在著很大的區別，主要體現在集成度、讀出方式、功耗、動態范圍、靈敏度和價格上。雖然CMOS圖像傳感器的生產過程較簡單、成本較低、功耗較小，但其具有信噪比低、寬動態范小、電荷轉換效率低和輸出圖像質量低的缺點，而CCD圖像傳感器的zui大優點是信噪比高、靈敏度和動態范圍大、電荷轉換效率高和輸出圖像質量高。綜合以上特點，對于光柵傳感器的應用來說，CCD更適于對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信號轉變成一維視頻信號或數字信號。從結構上分為線陣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讀出方式，其中雙溝道信號讀出方式的信號轉移效率高。面陣CCD的結構復雜，常見的有幀轉移（FT）CCD、全幀轉移（FFT）CCD、隔列內線轉移（IIT）CCD、幀內線轉移（FIT）CCD、累進掃描內線轉移（PSIT）CCD等。如以幀轉移（FT）CCD面陣，CCD由成像區（光敏區）、暫存區和水平讀出寄存器三部分構成。每個成像單元稱為一個像素。假定有M個轉移溝道，每個溝道有N個成像單元，那么整個成像區共有M×N個像素。暫存區的結構和單元數與成像區相同，暫存區與水平讀出寄存器均作遮光處理。工作時，圖像經物鏡成像到光敏區，光敏區上面的電極加有適當的偏壓時，光生電荷被收集到電極下方的勢阱里，這樣就將光學圖像變成了電荷包圖像。當光積分周期結束時，加到成像區和暫存區電極上的時鐘脈沖使所有收集到的信號電荷迅速轉移到暫存區中，然后經由水平讀出寄存器，在時鐘脈沖控制下，經輸出級逐行輸出一幀信息。在*幀讀出的同時，第二幀信息通過光積分又收集到勢阱中。這樣可以一幀一幀連續地讀出。
　　
　　系統設計
　　
　　下面采用CCD圖像傳感器FTF4052M芯片實現對莫爾條紋的檢測。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，內部功能結構如圖3所示。
　　
　　圖3中，芯片在結構上分為3部分：⒈中間zui大的區域為光敏區，即光積分區域。每個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信號進行校正。特別是對于處于莫爾條紋光強波谷處的像敏單元，其信號是微弱的，此時該校正是很必要的。⒉上下兩部分為兩個輸出寄存器。將光積分生成的電荷水平轉移到4個角的輸出放大器，輸出放大器將光生電荷形成的電壓信號放大并轉移出CCD。C1、C2、C3為水平像素轉移寄存器的時鐘信號。A1、A2、A3、A4為垂直行驅動時鐘信號。⒊TG是光敏區與輸出寄存器之間的隔柵;OG是輸出柵;SG是輸出柵之前的zui后一個柵;RG是輸出放大器。該芯片的zui大特點是將光敏區生成的圖像分成W、X、Y、Z四個對稱的象限，每個象限的電荷可以以不同的方向轉移，通過四個輸出端同時輸出，有效地提高了幀速率，單端輸出的幀速率為1FPS，而四端同時輸出就可以達到3.6FPSs。工作時，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，產生明顯的莫爾條紋光強分布。　　
　　由于CCD圖像傳感器的同一列像元從上至下的光強分布是一致的，莫爾條紋的光強分布只是體現在行方向上，所以無需進行逐行掃描，只需考察一行上的像元信號即可分析莫爾條紋的移動情況，這樣大大降低了信號處理任務。圖4代表莫爾條紋在一行像敏單元上的光強分布，X軸為莫爾條紋移動方向，Y軸表示光強的大小。莫爾條紋在各行分布一致的情況僅僅是理想的情況，實際上由于光柵線質量，光柵間隙等工藝因素的影響，各行情況會略有差別，所以可以考慮選擇不同位置的幾行，考察其光強分布情況，避免信號質量差時過大的單行誤差，達到降低誤差的目的。
　　
　　FTF4052M和光柵傳感器、DSP、MCU和PC組成測量系統時，系統工作原理框圖如圖5。
　　
　　系統上電后，CCD圖像傳感器初始化，根據相關寄存器值控制有關參數，確定采集圖像的窗口位置、大小和工作模式;MCU通過對FTF4052M芯片發出時鐘信號指令、以及對FTF4052M芯片進行時序控制，來完成參數的配置;系統配置完后，FTF4052M芯片開始對莫爾條紋信號進行采集，并輸出同步信號給MCU，其包括垂直同步信號、水平同步信號、數據同步信號，判別一幀圖像數據的開始和結束;DSP發出讀信號請求后，MCU根據同步信號決定是否開始數據采集;采集的數據被送至RAM;DSP接收到READY信號后開始采集數據并處理;數據zui終被送往PC進行處理，得出測量結果。
　　
　　結論
　　
　　從信號處理的角度來說，zui簡單的方法就是通過調整光柵夾角，使莫爾條紋間隔B和CCD圖像傳感器zui大感知圖像的行方向長度一致，設其為L。該方向有n個像素，將L分為n份，即細分倍數達到n倍，對位移的分辨精度達到了W/n（以FTF4052M為例，其分辨率為1312×1036）。設光柵線密度為100線/mm，W=0.01mm，故位移分辨精度為：W/n=0.01/13127nm。考慮到光柵線質量問題等，該理論值并不代表整個傳感器在實際測量中能達到的精度。但經過實測，采用CCD圖像傳感器對莫爾條紋的分辨精度遠遠高于采用傳統的硅光電池和整形細分電路等對莫爾條紋的分辨精度。并且，隨著集成電路技術的提高，CCD圖像傳感器的性能指標也在不斷的改善，對莫爾條紋的分辨率將不斷提高，滿足光柵傳感器現在和未來的高精度、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質量足夠高，則可以實現納米級的測量精度。