Линейные и угловые измерения с использованием CCD-камер

Современное устройство формирования видеосигнала - ССD матрица – является с точки зрения метрологии совершенно уникальным прибором, который одновременно формирует информационный сигнал и является измерительной шкалой.

Матрица светочувствительных элементов современных цифровых фотоаппаратов и CCD камер является продуктом микроэлектронных технологий и представляет собой двумерную решетку элементов, размеры которых выполнены с погрешностью, не превышающей сотые доли микрометра. Количество светочувствительных элементов может составлять несколько миллионов при размерах каждого элемента и периода решетки порядка единиц микрометров. Учитывая ортогональную топологию и высокие точности таких структур, целесообразно использовать их для решения прецизионных измерительных задач.

Многокадровый режим работы CCD-камеры позволяет также существенно сократить величину случайной погрешности за счет учета большого числа измерительных экспериментов. Так при частоте 30 кадров в сек. и при накоплении в течении 30 секунд получается 900 отсчетов измеряемой величины, что позволяет уменьшить случайную погрешность в = 30 раз.

Выполнен цикл предварительных исследований, показывающий возможности использования аппаратно-программных комплексов на базе ПЗС-камер для широкого класса измерительных задач, в том числе

• бесконтактное измерение линейных и угловых координат при перемещении объектов,
• измерение 2 и 3-х мерных координат крупногабаритных объектов и их элементов,
• измерение траекторий перемещения объектов и реперных точек,
• измерение ориентации объектов в пространстве по их фрагментам,
• измерение геометрических размеров фотошаблонов в микрофотолитографии.

Исследования выполнены с различными CCD-камерами от специальных с термостатированием матрицы до простых Web-камер. Важнейшей частью исследований является анализ минимально достижимой погрешности определения координат изображения объекта на CCD-матрице, которая составляет тысячные доли микрона.

Проанализирована возможность использования CCD-камеры в линейных измерениях в качестве нониуса. Это решение на длинных базах может быть альтернативой инкрементальным датчикам, метрологическая аттестация которых связана с определенными трудностями.