圖像傳感器的具體應用

寂靜天花板

圖像傳感器，是組成數字攝像頭的重要組成部分，更是組成機器視覺系統、智能機器人的重要部件。根據元件的不同，可分為CCD（電荷耦合元件）和CMOS（金屬氧化物半導體元件）兩大類。
6 A$ w( A2 G" S! j! g圖像傳感器在很多地方都得到了廣泛的應用，本文主要從以下幾個方面進行介紹。
1、紅外熱像儀在LED產品研發與品質管理中的應用
- o. ^* v( `5 f5 u+ B$ F1 }紅外熱像儀是一種檢測和測量輻射并在輻射與表面溫度之間建立相互聯系的圖像傳感器設備。
3 f4 X$ r# q6 b5 `+ ^圖1 紅外熱像儀的工作原理
: \' F' W5 E- W如圖1所示，輻射能（電磁波）在沒有直接傳導媒體的情況下移動時發生熱量移動，紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應。所有高于絕對零度（-273℃）的物體都會發出紅外輻射。
1 c+ _" A6 |/ c7 \  T熱成像儀的構成，包括光學鏡頭、塑料框、傳感器導線和傳感器等。經過熱成像儀獲得的熱圖像，其上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。通過查看熱圖像，可以觀察到被測目標的整體溫度分布狀況，研究目標的發熱情況，從而進行下一步工作的判斷。
- ]+ c: G) U7 G; `: g! J8 s  K熱成像儀在LED產品研發與品質管理的應用，是基于LED產業的快速發展且傳統傳感器無法解決相關的問題，比如LED熱量檢測問題等。
經實踐發現，LED的實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、63℃為25000小時，小于50℃時，則可為50000小時。根本原因是LED的光電轉換效率極差，大約只有15%至20%左右電能轉為光輸出，其余均轉換成為熱能，因此，當大量使用高功率的LED于一塊模組，應用于高亮度的操作時，這些極差的轉換效率將造成散熱處理的大問題。
使用紅外熱像儀既可在研發過程中能夠發揮作用，而且也可以應用在產品的品質管理等方面。
* C+ m2 f0 }" @/ P; N（1）對LED模塊驅動電路（包括電源）、光源半導體發熱分布分析及光衰測試。
( }$ f4 k. R1 y, X& O9 v$ aa）LED模塊驅動電路
在LED產品研發中，需要工程師進行一部分驅動電路設計，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現電路上溫度異常之處，便于完善電路設計。
b）LED光源半導體芯片發熱
8 E1 z: l5 s1 C; b/ j9 V7 _8 S利用熱像儀，工程師可以所得到的光源半導體芯片發熱紅外熱圖，分析出其芯片在工作時的溫度，以及溫度的分布情況，在此基礎，達到提高LED產品壽命的目的。
8 w) b( ~9 T5 v3 gc）光衰試驗
) L! w7 r: p+ S2 i6 l1 G4 N/ iLED產品的光衰就是光在傳輸中的信號減弱，而現階段全球的LED大廠們做出的LED產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系，主要是由晶片、熒光粉和封裝技術決定的。目前，市場上的白光LED其光衰可能是向民用照明進軍的首要問題之一。
. A6 n! V+ H* m) H9 h9 \2 g) l（2）LED制造工藝的品質管理
3 m" v( u7 k4 }3 ]! wa）半導體照明：吹制燈泡均勻性
$ F8 q; f6 C# o# n通過熱像儀抓拍產線玻璃吹泡的過程，進行參數修正，改善掐口工藝，可以有效提高產品成品率，降低成本。
, F- s" n: r2 i/ t# _* Db） LED檢測芯片封裝前的溫度
LED芯片封裝前檢測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現此處的問題，作為流水線檢測工具。
( ^) H8 Y8 r: t7 |$ k在LED檢查流水線上通過紅外線熱像儀檢測目標時，不需要斷電，操作方便，同時非接觸測量使原有的溫度場不受干擾；反應速度較快，小于1毫秒。
c）LED成品顯示屏開機測試
7 ^  P- t1 `" I0 YLED顯示屏完成后，要做最后驗收，通過不同顏色的測試來看屏幕是否符合交貨的要求，目前大多數企業都沒有這個流程。使用熱像儀后，能夠為廠家完善產品檢測標準，提高產品質量。在開機測試中，可以充分利用紅外熱像儀畫中畫及熱疊加技術，除了可以拍攝紅外圖像外，還可以同時捕獲一幅可見光照片，并將其融合在一起，有助于第一時間識別和定位故障。
) @5 ?2 b6 H* @3 o: j+ b2、CMOS圖像傳感器在機器人視覺系統中的設計
. y2 M7 G7 c- W' {& y  j" M) n; ACMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文學名為互補金屬氧化物半導體，它本是計算機系統內一種重要的芯片，保存了系統引導最基本的資料。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N（帶-電）和P（帶+電）級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像，經過加工就可以作為數碼攝影中的圖像傳感器。
/ o# j$ k4 u  {* w) n. aCMOS圖像傳感器也可細分為被動式像素傳感器(Passive Pixel Sensor CMOS)與主動式像素傳感器(Act ive Pixel Sensor CMOS)。它們都可以被應用在機器視覺系統中，以代替人類的視覺從事檢驗、目標跟蹤、機器人導向等方面的工作，特別是在那些需要重復、迅速的從圖象中獲取精確信息的場合。
4 `1 A+ x+ F! W" ?該機器視覺系統包含5個主要芯片：圖像采集芯片OV7620，高速微處理器SH4，大規?？删幊剃嚵蠪PGA和串口通訊控制芯片MAX232。FPGA內部編程設立兩個雙口RAM，產生圖像傳感器所需的點頻，行場同步等信號，以及控制雙口RAM的存儲時序。SH4負責對OV7620通過I2C進行配置，讀取雙口RAM的圖像數據，進行處理，并通過串口實現圖像資料的上傳或控制步進電機等其他設備。
這個系統模塊以CMOS圖像傳感器OV7620為核心，還包括一個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。
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原始數據16 bit/8 bit；4)CCIR601/CCIR656格式。其功能包括有對比度、亮度、飽和度、白平衡及自動曝光、同步信號位置及極性輸出，幀速率和輸出格式等都可以通過I2C總線進行編程配置片內寄存器控制。
聚光鏡頭選用桑來斯公司生產的DSL103鏡頭。此鏡頭體積小，適合嵌入式視覺傳感器的應用場合。
FPGA采用Xilinx公司的xc2s100，這款芯片內部集成了10000個邏輯門。接口程序采用VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)書寫。為了提高數據的傳輸速率，在xc2s100內部分配了2個雙口RAM緩沖區，其大小為127KB，每個雙口RAM存儲1行的圖像數據。兩組雙口RAM進行奇偶行計數器進行切換。當一行存儲完畢后，立即向SH4傳生一個讀取該行數據的中斷的申請信號。
: K8 L+ v& D6 i& b6 e' s另外，本系統采用SH4芯片作為處理器：SH4單片機是日立公司推出的一款低功耗、高性能，RISC(精簡指令集計算機)結構的全32位單片機。其處理速度可高達60M IPS一100MIPS，能在2.25v電壓下工作，功耗僅400MW片內集成有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鐘電路等。日立公司為SH4系列單片機提供了c及c++語言集成編譯工具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機器碼。
3、線陣CCD圖像傳感器實現零件二維尺寸的高精度測量
線陣CCD掃描測量系統主要由線陣CCD相機、運動工作臺、控制電路及線光源等組成。
; U' m2 Q( h2 u4 m0 d被測零件放置于運動工作臺上，隨工作臺一起以速度v向右方行進，零件未進入相機視場AB時，線光源所發射光線直接通過光學成像系統成為一幀灰度值較高的背景圖像，當零件進入相機視場時，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系進行拼接，即可得到完整的高分辨率零件圖像，通過圖像處理得到零件的二維幾何尺寸。
/ V5 y5 D2 a( O圖2 線陣CCD相機掃描圖像
掃描同步控制是線陣CCD掃描測量零件二維幾何尺寸的關鍵技術，也是影響系統測量精度的最主要因素。所謂掃描同步是指：單位時間內線陣CCD相機所采集圖像總和對應的物方實際尺寸與零件的行進速度相同。當掃描同步時，獲取的零件圖像與實際零件相比沒有發生變形，如圖2(a)所示，對其進行處理的結果最接近零件尺寸的真實值；當相機采集速度大于零件行進速度時，零件圖像被拉長，如圖2(b)所示，對其進行處理的結果將大于零件尺寸的真實值；當相機采集速度小于零件行進速度時，零件圖像被壓縮，如圖2(c)所示。對其進行處理的結果小于零件尺寸的真實值。需要注意的是，為保證對零件尺寸測量的準確性，需要進行同步控制。

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