液位計維修與操作經(jīng)驗

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基于CCD體系的磁翻柱液位計挑選指南

日期：2019-11-21 來源：作者：

基于CCD的儀器為測量顏色和光線提供了許多好處。

正確配置后，CCD成像系統(tǒng)可以成功地識別均勻性和像素缺陷，評估均勻性，評估多個點（LED陣列），快速收集多個數(shù)據(jù)點并記錄數(shù)據(jù)以進行進一步分析。

用幾種選擇CCD，透鏡和濾光器，輻射視覺系統(tǒng)普爾®影像色度計和光度計可供在100構(gòu)造并可用于需要測量的任何應用程序可以容易地優(yōu)化。

注意事項

CCD CCD的選擇是影響整個磁翻柱液位計系統(tǒng)性能的zui關(guān)鍵因素。

該選擇將建立動態(tài)范圍和像素分辨率，并與鏡頭選擇一起確定可達到的視角。在下一節(jié)中概述了在CCD選擇中至關(guān)重要的工程考慮因素。

控制電子。用于操作相機系統(tǒng)的控制電子設(shè)備的設(shè)計與CCD的選擇密切相關(guān)。關(guān)鍵要求是控制電子設(shè)備應降低電子噪聲并協(xié)助光學和電氣校準。

篩選器。濾鏡選擇通常是用于比色或光度操作的標準配置之間的選擇。

根據(jù)測量應用程序，可以提供更多選擇，以優(yōu)化色彩測量性能，視角測量（顯微鏡），輻射度測量和近紅外（NIR）測量。

濾波器技術(shù)有多種選擇，包括外部，內(nèi)部和onCCD濾波器陣列。

鏡片。根據(jù)應用場合的視野要求和工作距離選擇鏡頭。

影響透鏡選擇的光學幾何形狀將受到所采用的特定CCD的限制。如果各個鏡頭功能沒有得到正確的補償，則它們可能會觸發(fā)影響測量精度的光學像差。

綜上所述，在確定磁翻柱液位計的成本和性能時，不同的CCD，濾光片，透鏡和電子設(shè)備的選擇提供了難以置信的靈活性。

權(quán)衡取舍后，可以找到適合任何應用的zui佳配置。

CCD技術(shù)

CCD（電荷耦合器件）是將光轉(zhuǎn)換成電流的單片半導體檢測器陣列。當保持電荷的入射光子被檢測器的材料吸收時，它們會產(chǎn)生電子-空穴對。

電子聚集在檢測器的每個特定元素（稱為像素）中，電子被包含在其中，直到在曝光期間讀出電荷為止。聚集在每個像素中的全部電荷量與入射在其上的光量成線性比例。

CCD體系結(jié)構(gòu)有幾種簡單類型，根據(jù)特定應用會有很多不同。Radiant的ProMetric磁翻柱液位計利用科學級CCD，在低噪聲特性方面提供了特別高的性能，同時還提供了極快的數(shù)據(jù)傳輸速度和高分辨率。

解析度

在考慮磁翻柱液位計的功能時，分辨率是評估的關(guān)鍵指標，但很容易被誤解。

分辨率本質(zhì)上是2D成像系統(tǒng)將收集的像素總數(shù)，包括垂直（N）和水平（M）像素。

對于高精度的標準磁翻柱液位計，通過各種濾鏡拍攝了幾幅圖像，這些濾鏡反映了x條（紅色），y條（綠色）和z條（藍色）三刺激曲線。

然后將這些圖像更改為重疊，并針對該圖像的每個MxN像素創(chuàng)建一個包含X，Y和Z三刺激值的單個圖像。在一些示例中，對拜耳鑲嵌（RGB）系統(tǒng)進行校準以分析顏色。

這些系統(tǒng)不具有基于CIE濾鏡的系統(tǒng)的顏色精度，并且僅限于諸如顏色均勻性之類的應用。

RGB系統(tǒng)可以提供快速的處理速度和成本效益，但與基于CIE濾波器的系統(tǒng)相比，它們提供的分辨率要低得多（基本上是一半）。

高分辨率CCD提供了空間分辨率，可在照明鍵盤，高清顯示器上進行精細測量，并用于檢測微小的表面缺陷。

對于分辨率和精度至關(guān)重要的應用，基于CIE濾波器的系統(tǒng)是zui佳選擇。Pro降噪

噪聲會降低CCD圖像的可重復性和準確性。信噪比（SNR）分析與首選信號相比的背景噪聲量?？紤]輕幀測量中的細微變化時，SNR非常重要。

例如，Radiant Vision Systems mura和缺陷檢測系統(tǒng)非常依賴于此。CCD檢測器中的主要噪聲源是讀取噪聲，熱噪聲，圖案噪聲和散粒噪聲。

熱噪聲

除了入射光子產(chǎn)生的自由電子（稱為光電子）外，熱影響也會產(chǎn)生自由電子。來自熱產(chǎn)生的電荷的圖像噪聲在高溫下或長時間曝光后尤其具有挑戰(zhàn)性。

由于熱噪聲高度依賴于溫度（溫度每降低6°C，溫度噪聲就會降低大約兩倍），因此CCD的冷卻會顯著降低本底噪聲。

這允許更長的圖像積分時間，這有助于測量低亮度水平，例如顯示暗狀態(tài)。在高動態(tài)范圍或低強度應用中經(jīng)常使用冷卻。

商業(yè)CCD成像器zui常用的冷卻技術(shù)是熱電冷卻（TEC或Peltier冷卻器）。

根據(jù)所需的本底噪聲，可以分多個階段實現(xiàn)。例如，zui初的TEC冷卻CCD本身，而下一個TEC用于冷卻第一個TEC的散熱器，依此類推。

權(quán)衡： RGB系統(tǒng)以較低的成本提供成像速度，但是分辨率比基于CIE濾光片的色度計低得多，并且限制了應用程序的使用。

讀取噪音

讀取噪聲是在整個像素讀取過程中信號中存在的不確定性。

這種不確定性是由多個問題引起的，但取決于讀數(shù)速度和電子設(shè)備的質(zhì)量：讀數(shù)越快，噪音越大。磁翻柱液位計的設(shè)計折衷是在電氣系統(tǒng)成本與測量速度和精度之間。

散粒噪聲

光的量子性質(zhì)導致從“恒定”輸出光源收集的光子數(shù)量逐漸顯示出統(tǒng)計上的差異。這種信號水平的不確定性（稱為散粒噪聲）與每個像素中包含的光子數(shù)的平方根相同。

如果收集的光電子數(shù)量更多，則信噪比更好。

每個CCD像素可以收集的zui大光電子數(shù)量（其阱深度）直接與像素的物理尺寸有關(guān)。

較大的像素可以包含更多的電子，并生成較低噪聲的圖像。各種CCD具有替代的像素區(qū)域，傳統(tǒng)上具有較大像素區(qū)域的CCD成本更高，但性能也有所提高。

例如，對于弱光應用，與具有小像素的CMOS系統(tǒng)相比，需要基于CCD的系統(tǒng)更大的像素大小。

圖案噪音

圖案噪聲是像素缺陷（每個像素的特定亮度的細微變化）的結(jié)果，這種缺陷在較長的曝光鏡頭中會變得明顯，從而在圖像上形成圖案。

如果可重復，則圖案噪聲可以稱為“固定圖案噪聲”（FPN）。通常，可以使用平場或其他校準方法從CCD校準由非均勻像素產(chǎn)生的FPN。

Radiant尚未在其磁翻柱液位計范圍內(nèi)增加CMOS傳感器的原因之一是CMOS的瞬時噪聲和FPN都較高，從而降低了當前的性能。

權(quán)衡：電氣系統(tǒng)成本和測量速度與測量精度之間的關(guān)系。

權(quán)衡：性能和速度（較大的像素面積）與成本的關(guān)系。

亮度校正

為了分析亮度，磁翻柱液位計利用內(nèi)部濾光片制造，以確保完整的光譜響應與人眼的光譜響應緊密匹配。

在Prometric的I系列色度計和它提供的任何鏡頭都是工廠所有潛在的距離和兩個不同的光圈設(shè)置進行校準。

出廠校準意味著可以使用這些孔在任意距離進行測量，并確信測量已正確校準。

比色計可以在指定的工作距離上立即提供適當?shù)钠綀鲂蕯?shù)據(jù)，從而提供更高的準確性和靈活性。為了獲得被測設(shè)備（DUT）的zui精確的亮度測量，可以在特定的照明條件下對其進行重新校準。

色彩準確度

CCD對300 nm至1080 nm范圍內(nèi)的電磁輻射敏感。彩色圖像的采集需要對入射光進行過濾，以便只有所需的波長才能到達CCD表面，并且分量圖像也必須聚合為整個彩色圖像。

有多種方法可以機械地完成此操作，每種方法實質(zhì)上都需要捕獲單個紅色（x線），綠色（y線）和藍色（z線）過濾的圖像。

為了獲得有效的色彩精度，濾鏡必須與CIE響應曲線非常匹配。僅使用綠色濾光片，明視測量是顏色測量的子集。

Metric系統(tǒng)的高分辨率使他們能夠執(zhí)行像素級檢測。檢測器過濾器另一種流行的方法是將紅色，綠色和藍色濾色器的矩形陣列直接放在行間轉(zhuǎn)移CCD的表面上，稱為拜耳圖案。這與消費類數(shù)碼相機中使用的技術(shù)高度相似。

該技術(shù)的優(yōu)點是價格便宜，無需購買其他硬件，并且不需要活動部件。對于大多數(shù)成像比色法應用而言，這些好處被多個限制所抵消。

由于彩色濾光片位于CCD上，因此針對每種特定顏色收集信息的像素數(shù)量僅是CCD所有像素的一小部分。這會降低圖像的有效分辨率，使記錄精細細節(jié)變得更加困難。

通常在該技術(shù)中使用的行間傳輸CCD具有較小的像素，這限制了檢測器的動態(tài)范圍并降低了信噪比。

由于可用的濾光技術(shù)無法提供與CIE光譜響應曲線的精確匹配，因此顏色的準確性也會受到影響。

移動濾鏡輪

另一種方法是使用電動濾輪。通過依次將不同的彩色濾光片旋轉(zhuǎn)到CCD的前面，可以記錄必要的一系列分量圖像，以提供整個彩色圖像。

在該系統(tǒng)中，需要機械或電子快門來阻止光在兩次曝光之間到達檢測器。

取舍：使用濾鏡輪會增加復雜性，但會提供更高的穩(wěn)定性和精度，并且可以選擇使用NIR和其他專用濾鏡。

與高性能CCD搭配使用時，使用濾光輪可以提供非常高的動態(tài)范圍，低噪聲，高空間分辨率和高填充系數(shù)的彩色圖像。

此方法對紅色，綠色和藍色使用不同的濾鏡，從而有可能與各個CIE顏色曲線非常匹配。

當光以不同的入射角行進通過濾鏡時，至關(guān)重要的是，濾鏡在入射角范圍內(nèi)的性能變化應zui小。

因此，吸收性濾光片比薄膜濾光片具有更高的精度。與替代技術(shù)相比，使用濾光輪有多個好處。首先，它是負擔得起的成本中zui穩(wěn)定，zui精確的過濾技術(shù)。

其次，該方法可以輕松地調(diào)整以用于其他專門的波長濾鏡，例如NIR濾鏡。實現(xiàn)這些優(yōu)勢取決于精確的機械校準和設(shè)計，給磁翻柱液位計帶來一些成本和復雜性。

動態(tài)范圍

動態(tài)范圍是色度儀性能的另一個關(guān)鍵方面。動態(tài)范圍需要成像系統(tǒng)可以識別的從zui亮到zui暗（灰色陰影數(shù)量）的值范圍。

高動態(tài)范圍（HDR）測量在不同的曝光時間組合了幾幅圖像，以為測量中的低光度區(qū)域提供信息，而不會由于CCD飽和而丟失高光度區(qū)域的信息。

Radiant ProMetric比色計的動態(tài)范圍使它們能夠滿足人眼的視覺感知，從而實現(xiàn)zui精確的測量。

所有這些設(shè)計選擇如何集成到zui佳磁翻柱液位計中？

下表概述了磁翻柱液位計的測量誤差來源。這詳細介紹了先前提出的所有挑戰(zhàn)，并增加了一些其他深奧但關(guān)鍵的因素。

Radiant Vision Systems磁翻柱液位計是專門為解決所列錯誤提供解決方案的。例如，它們具有較大的像素尺寸以幫助消除雜點噪聲，工廠校準以減少圖案噪聲（不均勻性），ND濾光輪和CIE匹配的彩色濾光輪。

這些設(shè)計規(guī)范意味著ProMetric系列是磁翻柱液位計的zui佳范圍，適用于需要高精確度和準確性以匹配人類視覺感知的應用。

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