專利名稱：Ccd測(cè)溫范圍擴(kuò)增技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CCD圖像傳感器應(yīng)用于高溫溫度檢測(cè)時(shí)的測(cè)溫范圍擴(kuò)增技術(shù)。
背景技術(shù)：
由CCD的光譜響應(yīng)特性和光電轉(zhuǎn)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(cè)對(duì)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(guān)系。根據(jù)熱輻射理論，當(dāng)CCD工作在線性工作狀 態(tài)時(shí)，輻射體單色輻射亮度與CCD三色通道輸出信號(hào)有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以利 用CCD輸出的圖像信號(hào)計(jì)算輻射體的表面溫度場(chǎng)，即可進(jìn)行溫度測(cè)量。因工業(yè) 用CCD并非專為輻射測(cè)溫研制，其動(dòng)態(tài)范圍較窄，不能滿足高溫測(cè)量對(duì)測(cè)溫范 圍的要求，使基于CCD的輻射測(cè)溫技術(shù)的應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。有人提出在CCD 鏡頭前加高衰減率的中性濾光片來(lái)防止CCD出現(xiàn)飽和失真，以此擴(kuò)大CCD的 測(cè)溫范圍。研究表明，該方法雖能擴(kuò)大測(cè)溫范圍，但其效果有限，仍難以滿足 高溫測(cè)量的應(yīng)用要求。工程中常用的自動(dòng)調(diào)節(jié)光圈或者快門的技術(shù)在CCD高溫 檢測(cè)中也并不適用，這是因?yàn)镃CD圖像傳感器在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)必須先進(jìn)行標(biāo) 定，以校正CCD光譜響應(yīng)特性非理想引入的測(cè)量誤差，而CCD的校正系數(shù)與 光圈和快門有關(guān)，所以測(cè)溫時(shí)選擇的光圈快門組合和標(biāo)定時(shí)的光圈快門組合必 須一致，才能夠利用校正系數(shù)實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償。在常用的自動(dòng)調(diào)節(jié)光圈或快門的 技術(shù)中，光圈和快門往往是連續(xù)變化且難以控制的，這就導(dǎo)致無(wú)法保證標(biāo)定和 測(cè)溫時(shí)采用的是同一種光圈快門組合，因此難以保證對(duì)測(cè)溫誤差進(jìn)行正確校正。目前尚沒(méi)有實(shí)用的CCD圖像傳感器應(yīng)用于高溫檢測(cè)時(shí)的測(cè)溫范圍擴(kuò)增技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
在實(shí)際的高溫測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，CCD采集的圖像中紅色分量容易飽和，綠、藍(lán)色 分量容易因曝光不足而導(dǎo)致輸出信號(hào)過(guò)低。當(dāng)紅色輸出飽和時(shí)，輻射體紅色輻 射亮度與CCD紅色通道輸出信號(hào)的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系被破壞；當(dāng)綠色輸出過(guò)低時(shí)， 綠色信號(hào)受熱噪聲、暗電流等干擾影響很大，兩者均會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真。而 CCD應(yīng)用于輻射測(cè)溫時(shí)通常要求有較寬的測(cè)溫范圍，因此，必須擴(kuò)大CCD的測(cè) 溫范圍以達(dá)到高溫測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用要求。
本發(fā)明的技術(shù)方案是在進(jìn)行高溫檢測(cè)時(shí)，采用動(dòng)態(tài)改變光圈快門組合的方 法來(lái)控制CCD的進(jìn)光量，從而保證CCD工作于線性工作狀態(tài)。在標(biāo)定時(shí)，先 調(diào)節(jié)快門時(shí)間，當(dāng)快門時(shí)間已經(jīng)調(diào)到最小但CCD仍然曝光過(guò)度時(shí)再改變光圈， 從而保證CCD始終工作于線性工作狀態(tài)。利用標(biāo)定公式計(jì)算出CCD的器件響 應(yīng)特性校正系數(shù)，記錄下每一系數(shù)所對(duì)應(yīng)的光圈和快門組合。在測(cè)溫時(shí)，首先 由測(cè)溫系統(tǒng)自動(dòng)選擇一組在標(biāo)定時(shí)記錄下的光圈快門組合，以保證CCD工作于 線性工作狀態(tài)，然后讀取與該組光圈快門組合相對(duì)應(yīng)的器件響應(yīng)特性校正系數(shù)， 最后利用該系數(shù)對(duì)測(cè)溫中由CCD光譜響應(yīng)特性非理想造成的誤差進(jìn)行校正，從 而得到準(zhǔn)確的測(cè)溫結(jié)果。
本發(fā)明提出的CCD測(cè)溫范圍擴(kuò)增技術(shù)標(biāo)定步驟簡(jiǎn)單實(shí)用，能夠有效地?cái)U(kuò)大 CCD的測(cè)溫范圍，使其能夠滿足高溫檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用要求，從而顯著提高了基 于CCD圖像傳感器的高溫溫度檢測(cè)技術(shù)的實(shí)用性。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。圖1是本發(fā)明提出的測(cè)溫范圍擴(kuò)增技術(shù)的標(biāo)定步驟。
圖2是本發(fā)明提出的測(cè)溫范圍擴(kuò)增技術(shù)的測(cè)溫步驟。
具體實(shí)施例方式
CCD輸出信號(hào)的大小與入射光瞳孔徑(光圈)和曝光時(shí)間(快門)有關(guān)。當(dāng) CCD曝光過(guò)度導(dǎo)致勢(shì)阱中的電荷飽和并出現(xiàn)電荷"溢出"現(xiàn)象時(shí)，減小曝光時(shí)間 或者減小光圈均可降低進(jìn)光量；當(dāng)CCD曝光不足導(dǎo)致成像過(guò)暗時(shí)，增加曝光時(shí) 間或者增大光圈均可增加進(jìn)光量。因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)光圈或者快門來(lái)控制CCD 的進(jìn)光量，從而保證CCD工作于線性工作狀態(tài)。
圖1所示為測(cè)溫范圍擴(kuò)增技術(shù)的標(biāo)定步驟，具體流程如下
(1) 調(diào)節(jié)黑體爐溫度到測(cè)溫下限，將快門調(diào)到最大，調(diào)節(jié)光圈到所采集的 高溫輻射體圖像中的綠色值G剛好大于綠色閾值，將標(biāo)定用測(cè)溫儀表檢測(cè)到的 實(shí)際溫度值與高溫輻射體圖像中紅、綠色值R、 G代入標(biāo)定公式，計(jì)算出CCD 器件響應(yīng)特性校正系數(shù)，記錄下此時(shí)的光圈快門組合。
標(biāo)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(yīng)特性校正系 數(shù)，K為輻射體溫度。
(2) 固定光圈快門組合不變，按照設(shè)定步長(zhǎng)升高爐溫，首先檢測(cè).CCD采集 到的高溫輻射體圖像中紅色值R，如果R值小于設(shè)定閾值，則重復(fù)上述步驟， 計(jì)算出CCD器件響應(yīng)特性校正系數(shù)。
(3) 當(dāng)溫度升高到紅色值R大于設(shè)定閾值時(shí)，先減小快門時(shí)間直至綠色值 G剛好大于設(shè)定閾值，固定并記錄這一光圈快門組合，再按照步驟(1) ~ (2)繼續(xù)進(jìn)行標(biāo)定。如果快門時(shí)間已經(jīng)減至最小，則將快門調(diào)到最大，然后減小光
圈到綠色值G剛好大于設(shè)定閾值，再按照步驟(1) (2)繼續(xù)進(jìn)行標(biāo)定。
(4)重復(fù)步驟(1) ~ (3)，直至黑體爐的溫度升高到測(cè)溫上限即完成標(biāo)定。
標(biāo)定結(jié)束后，對(duì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的各組光圈快門組合下的校正系數(shù)與溫度值進(jìn) 行曲線擬合，從而得到CCD器件響應(yīng)特性校正系數(shù)曲線。 '
圖2所示為測(cè)溫范圍擴(kuò)增技術(shù)的測(cè)溫步驟，具體流程為
(1)將標(biāo)定中所有的光圈快門組合按照大小編號(hào)。開(kāi)始測(cè)溫時(shí)，首先選擇 最小的一個(gè)光圈快門組合，如果該光圈快門組合可以保證進(jìn)光量滿足設(shè)定條件， 就利用此光圈快門組合對(duì)應(yīng)的響應(yīng)特性校正系數(shù)曲線來(lái)校正測(cè)溫結(jié)果；如果不 能使進(jìn)光量滿足設(shè)定條件，則逐步選擇更大的光圈快門組合，直至進(jìn)光量滿足 測(cè)溫條件時(shí)，再利用此時(shí)的光圈快門組合所對(duì)應(yīng)的響應(yīng)特性校正系數(shù)曲線來(lái)校 正測(cè)溫結(jié)果。在測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)輻射體的溫度是不斷變化的，因此在每次測(cè) 量前必須先自動(dòng)檢測(cè)圖像的曝光情況，如果出現(xiàn)曝光過(guò)度或者曝光不足，就由 系統(tǒng)自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)墓馊扉T組合。如果所有的光圈快門組合都無(wú)法保證進(jìn)光 量滿足測(cè)量條件，就說(shuō)明此時(shí)輻射體溫度不在CCD高溫溫度場(chǎng)測(cè)量?jī)x的測(cè)溫范 圍內(nèi)，測(cè)溫軟件自動(dòng)報(bào)警。
權(quán)利要求
1.利用動(dòng)態(tài)選擇光圈快門組合的方式來(lái)擴(kuò)增CCD測(cè)溫范圍的方法。其特征是通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定不同光圈快門組合下的CCD器件響應(yīng)特性校正系數(shù)曲線。標(biāo)定時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)光圈快門時(shí)間來(lái)保證CCD始終工作于線性工作狀態(tài)，記錄下每一組光圈快門組合和該組合下CCD的器件響應(yīng)特性校正系數(shù)。測(cè)溫時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)選擇合適的光圈快門組合，利用與該組光圈快門組合相對(duì)應(yīng)的器件響應(yīng)特性校正系數(shù)對(duì)由CCD光譜響應(yīng)特性非理想造成的誤差進(jìn)行校正，從而得到準(zhǔn)確的測(cè)溫結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種CCD圖像傳感器應(yīng)用于高溫溫度檢測(cè)時(shí)的測(cè)溫范圍擴(kuò)增技術(shù)。當(dāng)CCD工作在線性工作狀態(tài)時(shí)，輻射體單色輻射亮度與CCD三色通道輸出信號(hào)有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以利用CCD輸出的圖像信號(hào)計(jì)算輻射體的表面溫度場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)高溫測(cè)量。本發(fā)明方案在進(jìn)行高溫檢測(cè)時(shí)，通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)CCD傳感器的進(jìn)光量來(lái)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)選擇光圈快門組合，從而保證CCD始終工作于線性工作狀態(tài)。為保證測(cè)溫結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定不同光圈快門組合下的CCD器件響應(yīng)特性校正系數(shù)曲線，并利用校正系數(shù)曲線對(duì)測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行誤差補(bǔ)償。
文檔編號(hào)G01J5/10GK101620010SQ20091004366
公開(kāi)日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
發(fā)明者軍 嚴(yán), 元 孫, 彭小奇 申請(qǐng)人:彭小奇;孫 元;嚴(yán) 軍