图像传感器的具体应用

寂静天花板

图像传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分，更是组成机器视觉系统、智能机器人的重要部件。根据元件的不同，可分为CCD（电荷耦合元件）和CMOS（金属氧化物半导体元件）两大类。
图像传感器在很多地方都得到了广泛的应用，本文主要从以下几个方面进行介绍。
1、红外热像仪在LED产品研发与品质管理中的应用
9 j) `3 ~( m8 I. n* T红外热像仪是一种检测和测量辐射并在辐射与表面温度之间建立相互联系的图像传感器设备。
图1 红外热像仪的工作原理
$ |) |0 j! U- J! J3 u如图1所示，辐射能（电磁波）在没有直接传导媒体的情况下移动时发生热量移动，红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。所有高于绝对零度（-273℃）的物体都会发出红外辐射。
4 b$ g7 C8 I# m3 h5 z热成像仪的构成，包括光学镜头、塑料框、传感器导线和传感器等。经过热成像仪获得的热图像，其上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。通过查看热图像，可以观察到被测目标的整体温度分布状况，研究目标的发热情况，从而进行下一步工作的判断。
3 i# E0 F3 v3 B3 d热成像仪在LED产品研发与品质管理的应用，是基于LED产业的快速发展且传统传感器无法解决相关的问题，比如LED热量检测问题等。
经实践发现，LED的实际寿命与工作温度往往成反比，如LED使用寿命在工作温度为74℃为10000小时、63℃为25000小时，小于50℃时，则可为50000小时。根本原因是LED的光电转换效率极差，大约只有15%至20%左右电能转为光输出，其余均转换成为热能，因此，当大量使用高功率的LED于一块模组，应用于高亮度的操作时，这些极差的转换效率将造成散热处理的大问题。
/ X: Q% k. O: @2 @) m使用红外热像仪既可在研发过程中能够发挥作用，而且也可以应用在产品的品质管理等方面。
4 q; V0 m% k8 \8 Q% H& w（1）对LED模块驱动电路（包括电源）、光源半导体发热分布分析及光衰测试。
; g& Q7 z+ I6 @4 |3 c0 s* Ra）LED模块驱动电路
在LED产品研发中，需要工程师进行一部分驱动电路设计，例如整流器电路模块。利用热像仪，工程师可以迅速而便捷地发现电路上温度异常之处，便于完善电路设计。
b）LED光源半导体芯片发热
8 F4 ~; v, n3 o, j. o/ U  d利用热像仪，工程师可以所得到的光源半导体芯片发热红外热图，分析出其芯片在工作时的温度，以及温度的分布情况，在此基础，达到提高LED产品寿命的目的。
c）光衰试验
LED产品的光衰就是光在传输中的信号减弱，而现阶段全球的LED大厂们做出的LED产品光衰程度都不相同，大功率LED同样存在光衰，这和温度有着直接的关系，主要是由晶片、荧光粉和封装技术决定的。目前，市场上的白光LED其光衰可能是向民用照明进军的首要问题之一。
* K0 y/ ]! _$ I9 Y3 F: G（2）LED制造工艺的品质管理
- z: C. z3 L' d1 _' C' D3 \a）半导体照明：吹制灯泡均匀性
通过热像仪抓拍产线玻璃吹泡的过程，进行参数修正，改善掐口工艺，可以有效提高产品成品率，降低成本。
: \+ U: l/ e; K% Nb） LED检测芯片封装前的温度
LED芯片封装前检测温度可以避免封装后因温度异常，降低废品率。此阶段手不能接触表面，热像仪能够很好的帮助客户发现此处的问题，作为流水线检测工具。
0 z1 o9 [8 i9 E6 X  U在LED检查流水线上通过红外线热像仪检测目标时，不需要断电，操作方便，同时非接触测量使原有的温度场不受干扰；反应速度较快，小于1毫秒。
+ X$ J0 T/ `1 F! O$ p! hc）LED成品显示屏开机测试
LED显示屏完成后，要做最后验收，通过不同颜色的测试来看屏幕是否符合交货的要求，目前大多数企业都没有这个流程。使用热像仪后，能够为厂家完善产品检测标准，提高产品质量。在开机测试中，可以充分利用红外热像仪画中画及热叠加技术，除了可以拍摄红外图像外，还可以同时捕获一幅可见光照片，并将其融合在一起，有助于第一时间识别和定位故障。
2、CMOS图像传感器在机器人视觉系统中的设计
! h% J6 X! B* m6 qCMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文学名为互补金属氧化物半导体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带-电）和P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像，经过加工就可以作为数码摄影中的图像传感器。
CMOS图像传感器也可细分为被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor CMOS)与主动式像素传感器(Act ive Pixel Sensor CMOS)。它们都可以被应用在机器视觉系统中，以代替人类的视觉从事检验、目标跟踪、机器人导向等方面的工作，特别是在那些需要重复、迅速的从图象中获取精确信息的场合。
! ?9 D* l% x$ g. M" h+ j6 m9 P该机器视觉系统包含5个主要芯片：图像采集芯片OV7620，高速微处理器SH4，大规模可编程阵列FPGA和串口通讯控制芯片MAX232。FPGA内部编程设立两个双口RAM，产生图像传感器所需的点频，行场同步等信号，以及控制双口RAM的存储时序。SH4负责对OV7620通过I2C进行配置，读取双口RAM的图像数据，进行处理，并通过串口实现图像资料的上传或控制步进电机等其他设备。
0 o1 _4 c/ ]2 z* G* x6 K这个系统模块以CMOS图像传感器OV7620为核心，还包括一个聚光镜头和其他一些辅助元器件比如27MHZ的晶振，电阻电容等。OV7620分辨率为640x480，能工作在逐行扫描方式下，也能工作在隔行扫描方式下。它不仅能输出彩色图像，也可用作黑白图像传感器。
这块芯片支持的图像输出格式有很多种：1)YCrCb4:2:2 16 bit/8 bit格式；2)ZV端口输出格式；3)RGB原始数据16 bit/8 bit；4)CCIR601/CCIR656格式。其功能包括有对比度、亮度、饱和度、白平衡及自动曝光、同步信号位置及极性输出，帧速率和输出格式等都可以通过I2C总线进行编程配置片内寄存器控制。
$ g: f& \& H% G+ `* h" w$ D& E聚光镜头选用桑来斯公司生产的DSL103镜头。此镜头体积小，适合嵌入式视觉传感器的应用场合。
5 M6 [0 [/ v2 e% G0 R$ fFPGA采用Xilinx公司的xc2s100，这款芯片内部集成了10000个逻辑门。接口程序采用VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)书写。为了提高数据的传输速率，在xc2s100内部分配了2个双口RAM缓冲区，其大小为127KB，每个双口RAM存储1行的图像数据。两组双口RAM进行奇偶行计数器进行切换。当一行存储完毕后，立即向SH4传生一个读取该行数据的中断的申请信号。
另外，本系统采用SH4芯片作为处理器：SH4单片机是日立公司推出的一款低功耗、高性能，RISC(精简指令集计算机)结构的全32位单片机。其处理速度可高达60M IPS一100MIPS，能在2.25v电压下工作，功耗仅400MW片内集成有32位乘法器、4路5KB CACHE、存取器管理单元MMU和其它一些通用接口及时钟电路等。日立公司为SH4系列单片机提供了c及c++语言集成编译工具HIM(Hitachi IntegrationManag)。利用它可以将日立C、C++格式的源程序编译链接为汇编程序或目标机器码。
3、线阵CCD图像传感器实现零件二维尺寸的高精度测量
线阵CCD扫描测量系统主要由线阵CCD相机、运动工作台、控制电路及线光源等组成。
  f7 B- t3 _2 g+ O$ ^/ r+ ?被测零件放置于运动工作台上，随工作台一起以速度v向右方行进，零件未进入相机视场AB时，线光源所发射光线直接通过光学成像系统成为一帧灰度值较高的背景图像，当零件进入相机视场时，零件遮挡光线使得采集图像含有零件轮廓信息，将所有输出图像按采集的先后关系进行拼接，即可得到完整的高分辨率零件图像，通过图像处理得到零件的二维几何尺寸。
图2 线阵CCD相机扫描图像
4 V1 ]4 c* }! t9 A# j/ Z扫描同步控制是线阵CCD扫描测量零件二维几何尺寸的关键技术，也是影响系统测量精度的最主要因素。所谓扫描同步是指：单位时间内线阵CCD相机所采集图像总和对应的物方实际尺寸与零件的行进速度相同。当扫描同步时，获取的零件图像与实际零件相比没有发生变形，如图2(a)所示，对其进行处理的结果最接近零件尺寸的真实值；当相机采集速度大于零件行进速度时，零件图像被拉长，如图2(b)所示，对其进行处理的结果将大于零件尺寸的真实值；当相机采集速度小于零件行进速度时，零件图像被压缩，如图2(c)所示。对其进行处理的结果小于零件尺寸的真实值。需要注意的是，为保证对零件尺寸测量的准确性，需要进行同步控制。
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