Ccd測溫範圍擴增技術的製作方法

2023-05-24 19:58:36 2

專利名稱：Ccd測溫範圍擴增技術的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種CCD圖像傳感器應用於高溫溫度檢測時的測溫範圍擴增技術。
背景技術：
由CCD的光譜響應特性和光電轉換特性可知，彩色CCD圖像傳感器的R、 G、 B三基色輸出值反映了被測對象表面輻射光的亮度和色度信息，而物體的輻 射光與物體溫度有著特定的關係。根據熱輻射理論，當CCD工作在線性工作狀 態時，輻射體單色輻射亮度與CCD三色通道輸出信號有一一對應關係，可以利 用CCD輸出的圖像信號計算輻射體的表面溫度場，即可進行溫度測量。因工業 用CCD並非專為輻射測溫研製，其動態範圍較窄，不能滿足高溫測量對測溫範 圍的要求，使基於CCD的輻射測溫技術的應用受到嚴重限制。有人提出在CCD 鏡頭前加高衰減率的中性濾光片來防止CCD出現飽和失真，以此擴大CCD的 測溫範圍。研究表明，該方法雖能擴大測溫範圍，但其效果有限，仍難以滿足 高溫測量的應用要求。工程中常用的自動調節光圈或者快門的技術在CCD高溫 檢測中也並不適用，這是因為CCD圖像傳感器在進行溫度測量時必須先進行標 定，以校正CCD光譜響應特性非理想引入的測量誤差，而CCD的校正係數與 光圈和快門有關，所以測溫時選擇的光圈快門組合和標定時的光圈快門組合必 須一致，才能夠利用校正係數實現誤差補償。在常用的自動調節光圈或快門的 技術中，光圈和快門往往是連續變化且難以控制的，這就導致無法保證標定和 測溫時採用的是同一種光圈快門組合，因此難以保證對測溫誤差進行正確校正。目前尚沒有實用的CCD圖像傳感器應用於高溫檢測時的測溫範圍擴增技術。

發明內容
在實際的高溫測量中發現，CCD採集的圖像中紅色分量容易飽和，綠、藍色 分量容易因曝光不足而導致輸出信號過低。當紅色輸出飽和時，輻射體紅色輻 射亮度與CCD紅色通道輸出信號的線性對應關係被破壞；當綠色輸出過低時， 綠色信號受熱噪聲、暗電流等幹擾影響很大，兩者均會導致測量結果失真。而 CCD應用於輻射測溫時通常要求有較寬的測溫範圍，因此，必須擴大CCD的測 溫範圍以達到高溫測量領域的應用要求。
本發明的技術方案是在進行高溫檢測時，採用動態改變光圈快門組合的方 法來控制CCD的進光量，從而保證CCD工作於線性工作狀態。在標定時，先 調節快門時間，當快門時間已經調到最小但CCD仍然曝光過度時再改變光圈， 從而保證CCD始終工作於線性工作狀態。利用標定公式計算出CCD的器件響 應特性校正係數，記錄下每一係數所對應的光圈和快門組合。在測溫時，首先 由測溫系統自動選擇一組在標定時記錄下的光圈快門組合，以保證CCD工作於 線性工作狀態，然後讀取與該組光圈快門組合相對應的器件響應特性校正係數， 最後利用該係數對測溫中由CCD光譜響應特性非理想造成的誤差進行校正，從 而得到準確的測溫結果。
本發明提出的CCD測溫範圍擴增技術標定步驟簡單實用，能夠有效地擴大 CCD的測溫範圍，使其能夠滿足高溫檢測領域的應用要求，從而顯著提高了基 於CCD圖像傳感器的高溫溫度檢測技術的實用性。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。圖1是本發明提出的測溫範圍擴增技術的標定步驟。
圖2是本發明提出的測溫範圍擴增技術的測溫步驟。
具體實施例方式
CCD輸出信號的大小與入射光瞳孔徑(光圈)和曝光時間(快門)有關。當 CCD曝光過度導致勢阱中的電荷飽和並出現電荷"溢出"現象時，減小曝光時間 或者減小光圈均可降低進光量；當CCD曝光不足導致成像過暗時，增加曝光時 間或者增大光圈均可增加進光量。因此，可以通過調節光圈或者快門來控制CCD 的進光量，從而保證CCD工作於線性工作狀態。
圖1所示為測溫範圍擴增技術的標定步驟，具體流程如下
(1) 調節黑體爐溫度到測溫下限，將快門調到最大，調節光圈到所採集的 高溫輻射體圖像中的綠色值G剛好大於綠色閾值，將標定用測溫儀表檢測到的 實際溫度值與高溫輻射體圖像中紅、綠色值R、 G代入標定公式，計算出CCD 器件響應特性校正係數，記錄下此時的光圈快門組合。
標定公式如下
—5.7925 x103
ln^+〖+1.2414 G
式中，及、G為CCD輸出的紅、綠基色值，K為CCD光譜響應特性校正系 數，K為輻射體溫度。
(2) 固定光圈快門組合不變，按照設定步長升高爐溫，首先檢測.CCD採集 到的高溫輻射體圖像中紅色值R，如果R值小於設定閾值，則重複上述步驟， 計算出CCD器件響應特性校正係數。
(3) 當溫度升高到紅色值R大於設定閾值時，先減小快門時間直至綠色值 G剛好大於設定閾值，固定並記錄這一光圈快門組合，再按照步驟(1) ~ (2)繼續進行標定。如果快門時間已經減至最小，則將快門調到最大，然後減小光
圈到綠色值G剛好大於設定閾值，再按照步驟(1) (2)繼續進行標定。
(4)重複步驟(1) ~ (3)，直至黑體爐的溫度升高到測溫上限即完成標定。
標定結束後，對標定實驗得到的各組光圈快門組合下的校正係數與溫度值進 行曲線擬合，從而得到CCD器件響應特性校正係數曲線。 '
圖2所示為測溫範圍擴增技術的測溫步驟，具體流程為
(1)將標定中所有的光圈快門組合按照大小編號。開始測溫時，首先選擇 最小的一個光圈快門組合，如果該光圈快門組合可以保證進光量滿足設定條件， 就利用此光圈快門組合對應的響應特性校正係數曲線來校正測溫結果；如果不 能使進光量滿足設定條件，則逐步選擇更大的光圈快門組合，直至進光量滿足 測溫條件時，再利用此時的光圈快門組合所對應的響應特性校正係數曲線來校 正測溫結果。在測量過程中，被測輻射體的溫度是不斷變化的，因此在每次測 量前必須先自動檢測圖像的曝光情況，如果出現曝光過度或者曝光不足，就由 系統自動選擇適當的光圈快門組合。如果所有的光圈快門組合都無法保證進光 量滿足測量條件，就說明此時輻射體溫度不在CCD高溫溫度場測量儀的測溫範 圍內，測溫軟體自動報警。
權利要求
1.利用動態選擇光圈快門組合的方式來擴增CCD測溫範圍的方法。其特徵是通過標定實驗確定不同光圈快門組合下的CCD器件響應特性校正係數曲線。標定時通過調節光圈快門時間來保證CCD始終工作於線性工作狀態，記錄下每一組光圈快門組合和該組合下CCD的器件響應特性校正係數。測溫時系統自動選擇合適的光圈快門組合，利用與該組光圈快門組合相對應的器件響應特性校正係數對由CCD光譜響應特性非理想造成的誤差進行校正，從而得到準確的測溫結果。
全文摘要
本發明涉及一種CCD圖像傳感器應用於高溫溫度檢測時的測溫範圍擴增技術。當CCD工作在線性工作狀態時，輻射體單色輻射亮度與CCD三色通道輸出信號有一一對應關係，可以利用CCD輸出的圖像信號計算輻射體的表面溫度場，從而實現高溫測量。本發明方案在進行高溫檢測時，通過自動檢測CCD傳感器的進光量來實時動態選擇光圈快門組合，從而保證CCD始終工作於線性工作狀態。為保證測溫結果的準確性，通過標定實驗確定不同光圈快門組合下的CCD器件響應特性校正係數曲線，並利用校正係數曲線對測溫結果進行誤差補償。
文檔編號G01J5/10GK101620010SQ20091004366
公開日2010年1月6日 申請日期2009年6月10日 優先權日2009年6月10日
發明者軍 嚴, 元 孫, 彭小奇 申請人:彭小奇;孫 元;嚴 軍