CCD在尺寸测量方面的应用

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1、0910020626段昌琪线阵CCD在尺寸测量方面的应用一、引言电荷耦合器件（CCD）是以电荷为信号载体的传感器，属于集成光电传感器，主要应用于光电图像的传感。自从CCD于1970年首先在美国研制成功，它就一系列与众不同、无可比拟的优势就显示出来：灵敏度高、几何尺寸精确、光谱响应宽、动态范围大、操作容易、维护方便等。一般说来，CCD输出信号有以下几个特点:(1)能够输出与光像位置相对应的时序信号。(2)能够输出各个脉冲彼此独立相间的模拟信号。(3)能够输出反映焦点面信息的信号。我们将光源、光学系统与这三个特点相结合，可以实现尺寸的测量。而尺寸的测量在一些场合时非常有必要的，特别是高精度尺寸测量

2、。在工业生产和科学实验中，经常碰到微小尺寸的检测问题，如细丝、薄板、狭缝等，不仅费时费力，而且精度较低，不便于实时检测、显示和控制，其应用范围也受到一定的限制⋯。近年来，利用线阵CCD进行无接触一维测量已经得到广泛应用。线阵CCD器件具有许多优点：（1）非接触式，避免对所测器件的损伤。（2）高速测量，动态性能好，可以测高速机械运动的物体的尺寸。（3）空间分辨率高，可以实现高精度测量。（4）空间自扫描可以实现量的绝对测量。（5）可靠性高，可以在很恶劣的环境下工作。（6）其线扫描输出的光电信号有利于其后续信号处理，便于同计算机组成高性能测控系统。典型的CCD光电测试系统由光源、光学系统、CCD传感

3、器、信号采集与处理电路以及后续处理系统组成0910020626段昌琪。本文将介绍几种测量不同量级尺寸的方法，可以分为微小尺寸、中尺寸、大尺寸，并且给出了信号处理方法，重点是高性能微分电路的实现和二值化过程的实现。二、测量方法1、CCD尺寸测量系统线阵CCD由一系列等距离光电二极管构成，当目标成像在CCD光敏面上时，相应的像元上将获得一系列的光电脉冲输出。由于光电二极管的尺寸在制作时就已经确定，所以输出脉冲的个数就代表着目标尺寸的大小，为了确定光学系统对测量尺寸的影响，通常用一个已经精确标定过的样品进行校正，也就是将标准样品经过光学系统成像在线阵CCD上，根据所占像元的数目求得该系统每一像元所对

4、应目标尺寸的大小，再用同一系统测量未知目标时，即可根据输出信号像元的数目(脉冲个数)来确定待测目标的尺寸。系统原理如上图所示，被测件经过光源均匀照明后，由光学系统按一定倍率成像在CCD的光敏面上，影像反映了被测件的尺寸，CCD器件把光敏面上工件影像的光学信息转换成与光强成正比的电荷量，用一定频率的时序脉冲驱动CCD，在CCD输出端获得被测件的视频信号。CCD转移脉冲、复位脉冲、视频信号和二值化信号的输出波形如下图所示。视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收光强的强弱，信号输出的时序则对应光敏区位置的顺序。对视频信号进行二值化处理后，得到矩形波的宽度即与被测工件的一维尺寸成正比。

5、再用单片机系统对矩形波进行处理，即可显示被测件的尺寸大小。0910020626段昌琪2、中尺寸的测量下图表示在透镜前方距离a处置有一被测物，其未知长度尺寸为L，透镜后方距离b处置有线阵CCD传感器，该传感器总像素数目为N。首先借助光学成像法将被测物未知长度L成像在线阵CCD传感器上，此时该焦点面的输出信号是最强的。若照明光源由被测物方向从左向右发射，在整个视野范围D内，将有L部分被遮挡，相应地，在线阵CCD传感器上只有N1、和N2两个部分暴光，与其相应的像素数我们也定义成N1、和N2，根据简单的相似三角形的关系，我们可以得出：L/D=(N-(N1+N2))/N其中D我们可以在系统调整完毕后由a

6、、b及已知的N求出：D/a=N/b所以，L=(N-(N1+N2))*a/b对不同尺寸的工件，线阵CCD传感器测出不同的N1和N2。0910020626段昌琪3、微小尺寸的测量微小尺寸测量时存在着一个问题，即如果被测件尺寸很小，如被测量尺寸在10一500um之间，当采用激光、LED或者白炽灯对被测件进行照射时，由于尺寸过于微小，经过光学系统成像后，往往会发生衍射现像，使得成像在CCD靶面上的影像不能正确反映被测量的实际尺寸，如果还是按照上述的方法进行数据信号处理则行不通。为此，可以将激光光源经过光学系统照射微小件(以细丝为例)后成像在线阵CCD靶面上，建立被测量尺寸与线阵CCD视频输出信号经过衍

7、射后的函数关系，从而实现对微小尺寸的高精度测量，如下图示在上图中，当满足远场条件L>>λ(L为被测细丝到CCD靶面上的距离，d为细丝直径，x为激光波长)时，根据夫琅和费衍射公式可得到:d=Kλ/sinθ(1)式(1)中:K=士1，2，……，n。θ为被测细丝到第K级暗纹的连线与光线主轴的夹角。细丝经过衍射成像在CCD靶面上后，信号输出如图4所示，当B很小时，即L足够大时，近似有sinθ=tgθ=Xk