CCD微机测径技术

现代应用物理技术实验实验42CCD微机测径技术CCD(charge-coupleddevice)－电荷耦合器件，是一种新型的固体成像器件，是光电成像领域里非常重要的一种高新技术产品。CCD是用电荷量来表示不同状态的动态移位寄存器，由时钟脉冲电压来产生和控制半导体势阱的变化，实现存储和传递电荷信息的固态电子器件。传统的固态电子器件，信息的存在和表示方式，通常是用电流或电压。而在CCD中，则是用电荷，因此CCD对信息的表达，具有更高的灵敏度。应用背景CCD光电传感器具有灵敏度高，光谱范围宽、动态范围大、性能稳定、工作可靠、几何失真小、抗干扰能力强、便于计算机处理等优点，具有广泛的应用前景。固体成像、信息处理和大容量存储器是CCD的三大主要用途。各种线阵、面阵传感器已成功地用于天文、遥感、传真、摄像等领域；CCD信号处理兼有数字和模拟两种信号处理技术的长处，在中等精度的雷达和通信系统中得到广泛的应用，CCD还可用作大容量串行存储器；随着生产技术的发展，生产自动化程度越来越高，光电检测技术在工业、农业和国民经济各部门的应用将越来越广泛，数控技术和计算机辅助设计进步，促进了光电检测和光电传感器技术的发展，CCD技术与计算机的有机结合，实时地将信息反馈给自动控制系统，促进了生产控制的自动化。实验目的1.学习和掌握线阵CCD器件的几种实时在线、非接触高精度测量方法；2.学习和掌握测量系统参数的标定方法。实验原理1.线阵CCD尺寸测量的基本原理线阵CCD测量系统组成如图42-1所示，整个测量过程包括：成像系统、图像信号输出、二值化处理确定图形轮廓、测定轮廓间的像元数、通过计算或实验确定脉冲当量并按测量公式计算被测尺寸。2.平行光投影法线阵CCD由一系列等距离光敏元构成，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。当一束平行光透过待测目标投射到CCD器件上时，由于目标的存在，目标的阴影将同时投射到CCD器件上，在CCD器件输出信号上形成一个凹陷，如图42-2所示。如果平行光准直度很理想，阴影的尺寸就代表了待测目标尺寸，由于光敏元的尺寸在制作时就已经确定，如果设光敏元尺寸为d，那么只要统计出阴影部分的CCD像元个数N，则像元个数与像元尺寸的乘积就代表了目标的尺寸，即lNd。测量精度取决于平行光的准直程度和驱动电路成像系统线阵CCD视频信号二值化处理单片机系统标准脉冲计算机图41-1线阵CCD测量系统组成图42-1线阵CCD测量系统组成现代应用物理技术实验CCD像元尺寸的大小。3.光学成象法光学成像法测量原理如图42-3所示，输出波形与平行光法类似。被测物经透镜在CCD上成像，像尺寸将与被测物尺寸的关系又透镜成像得，Ll，为光学系统放大倍数。而像的大小lNd，则LNd。实际测量上考虑到受光学系统畸变等的影响，修正为LKl，K表示每个像元所代表的物方尺寸的当量，它与光学系统的放大倍率、CCD像元尺寸等因素有关。对于一个已选定的CCD器件，可以采用不同的光学成像系统来达到测量不同尺寸的目的，如用照相物镜来测较大物体尺寸（像是缩小的）；用显微物镜来测细小物体尺寸（像是放大的）。光学系统担负着传递目标光学信息的作用，对CCD成像质量有着十分重要的意义。4.系统参数标定在高精度测量中，要求光学系统的相对几何畸变小于0.03%，这种大像场、高精度要求是一般工业摄像系统达不到的。所以一个高精度的线阵CCD摄像系统，必须配置一个专用的大像场和小畸变的光学系统。一般测径实验仪使用的是一个普通的显微物镜，存在着一定的几何失真。所以测量时为了确定光学系统对测量尺寸的影响，通常用一个已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。（1）一次标定标定的方法是：先把一个已知尺寸为Lp的标准模块放在被测目标位置，然后通过计数脉冲，得到该模块的像所占有的CCD像元数Np，从K=Lp/Np可以得到系统的脉冲当量值，K值表示一个像元实际所对应的目标空间尺寸的当量。然后再把被测目标Lx置于该位置，测出对应的脉冲计数Nx，由Lx=KNx可以算出Lx值。这就是一次标定。通常可以把K值存入计算机中，在对目标进行连续测量时，可以通过软件计算出目标的实际尺寸。这种标定方法简单，但测量精度不高，因为还存在着系统误差的影响。二值化l时钟驱动器计数显示像素检测LmLfDlm像高CCD口径物高视场宽度CCD图42-3光学成像法测量原理像素检测计数显示驱动器时钟CCDl二值化①②③④⑤N光敏元数OOO0O①②③④⑤图42-2平行光投影法及输出信号波形现代应用物理技术实验（2）二次标定为了在实测值中去掉系统误差，可以采用二次标定法来确定系统的当量值K。实验表明，被测物体的实际尺寸和Lx对应像元脉冲数Nx之间有Lx=KNx+b，b就是测量值中的系统误差，通过两次标定就可以确定K和b值。其方法是，先在被测位置上放置一已知尺寸为L1的标准块，通过计数电路得到相应的脉冲数N1，然后再换上另一个已知尺寸为L2的标准块，再得到对应的计数脉冲N2，将L1、L2、N1、N2代入Lx=KNx+b可以算得：2121()/()KLLNN（42-1）11bLKN（42-2）显然，b值代表实际值与测量值之差，这是由系统产生的测量误差。采用二次标定法所得到的K值和b值，消除了系统误差对测量精度的影响，因而普遍适用于一般工业测量系统。对于在线动态尺寸测量，还需要根据实际状态采用计算机校正方法来提高测量精度。在实际应用中，往往采用分段二次标定方法，将一个测量范围分成若干段，对每一个小段用标准块进行标定，分段越多，标定越精确。用标定值对测量值进行修正，大大提高了测量精度，同时也降低了对光学系统的要求。5.物体边界提取（1）幅度切割法在光电图象测量中，为了实现被测目标尺寸量的精确测量，首先应解决的问题是物体边界信号的提取和处理。从图象信号中提取边界信号最常用的方法是二值化电平切割法，利用目标和背景的亮度差别，用电压比较器对图象信号限幅切割，加大信号电压与背景电压的“反差”，使对应于目标和背景的信号具有“0”、“1”特征的信号，将每个像元信号先经过A/D转换成数字化的灰度等级，确定一个数字化的阈值，高于阈值部分输出高电平，低于阈值部分输出低电平，达到了物体边界提取的目的。二值化处理的重要问题是阈值如何确定，由于衍射、噪声、环境杂光等影响，CCD输出的边界信号存在一个过渡区，如何选取阈值是影响测量精度的重要因素，并且，阈值的选取应随环境光和光源的变化而变化。因此，这种方法对环境和光源的稳定性有较高的要求，实际使用上有一定的局限性。（2）梯度法CCD输出的目标边界信号是一种混有噪声的类似斜坡的曲线，由于边缘和噪声在空间域上都表现为灰度较大的起落，即在频率域中都为高频分量，给实际边缘的定位带来了困难。利用计算机的强大运算能力，先对CCD输出的经A/D转换后的数字化的灰度信号进行搜索，找出斜坡段，然后对斜坡段数据作平滑处理，再对处理后的数据求梯度，找出图象斜坡上梯度值最大点的位置，该点的位置就定为边缘点的位置。利用该方法可以将边缘精确地定位在CCD的一个像元上，并有较强的抗干扰能力。另外，还有像元细分法，通过在CCD后加一个“像元细分”（线性内插）电路，以提高测径仪的分辨率，采用像元细分技术，可以达到若干分之一的像元分辨率。实验仪器DM99CCD测径实验仪，微型计算机实验内容1.测量前的调整（1）将仪器与计算机相连，启动软件；（2）光强调节，将平行光源盒上的电源打开，调节旋钮，使光强适中。在屏幕上看到的波形最高点在屏的顶部，并留有较多的起伏毛剌为较合适；如波形顶部很整齐则表示平行光源太强，需调小一些；（3）光路调节，松开显微镜侧面的一颗锁紧螺丝，将CCD采集盒和连接筒一并拔出；在原现代应用物理技术实验CCD采集盒处放置一张白纸，松开平行光源底部的一颗锁紧螺丝，缓缓升降平行光源，观察白纸上的被测物的像，应基本处于光斑中部，然后重新锁紧螺丝，但不要锁死。把CCD采集盒重新装入显微镜座上，观察屏幕上波形曲线凹陷处（被测物的像）的底部应平整，不能有大的起伏。可缓缓左右转动平行光源，使曲线最好，然后锁死平行光源底部的螺丝。（4）聚焦调节，在测量架上放置一个待测物，前后调节显微物镜与测量物间的距离（即调焦），在屏幕上观察调焦效果。把主视窗上的一个蓝色选择框拖到曲线的边缘处，局部视窗显示出曲线边缘的精细结构。边缘越陡直，像元点越少即调焦越正确，调焦完成后就可以开始测量。2.一次标定法测量物体直径（1）选取合适的标准物，用千分尺测出准确的直径；（2）执行“系统校准”命令，在软件窗口的对话框中输入标准物的尺寸，并选择明纹或暗纹；（3）在仪器测量架上放上直径为L1标准物，选用幅度切割法或梯度法，执行“开始采集”命令，得到正确的图形后，用“停止采集”命令冻结图形，得到它的阴影所对应的CCD像元数N1；（4）执行“平滑处理”命令以消除毛刺，突变等，执行“校准”命令，得到像元的分辨率，数值显示在结果区和状态条里；（5）换上待测物，重复步骤(4)、(5)，得到测径的结果，显示在结果区里，或者启动动态连续测径，可得到连续的，随时更新的测量结果,逐次测量数个物体直径。3.二次标定法测量物体直径（1）选择第二个直径为L2的标准物，对它进行一次标定，得到它的阴影所对应的CCD像元数N2；（2）将一次标定得到的L1，N1和L2，N2代入（42-1）和（42-2）式，解出K与b；（3）换上待测物体，参照一次标定法得到它所覆盖的CCD像元数Nx（软件得出的直径是未修正的，即一次标定法的测量值），代入Lx=KNx+b，得到修正后的直径Lx测量结果；（4）重复步骤（3）5次，分别得到5次Lx值，取平均，即为二次标定法的最后测量结果。4.分段二次标定法测量物体直径（1）将本实验的直径测量范围分为三个区间(可自行确定)：0.8mm~1.2mm，1.2mm~1.6mm，1.6mm~2.0mm，在每一个区间内，用二次标定法求出每段的K与b；（2）换上待测物体，参照一次标定法得到它所覆盖的CCD像元数Nx.和软件得出的直径（未修正的），根据此直径所落入的区间的K，b对Lx进行修正处理，即Lx=KNx+b；（3）重复5次，取平均为最后测量结果。5.分段非线性修正(选做)在各个分段区间内不是简单的求取线性方程修正式,而是考虑高次曲线方程修正式Lx=43212345xxxxaNaNaNaNa。在每一分段里,得到多个标准物的直径与所覆盖的CCD像元数，用这些值进行高次曲线拟合，求出1a，2a，3a，4a和5a，从而得到高次曲线方程，取代原线性方程完成修正处理。数据处理1.采用一次标定像元当量，测量数个物体直径，并与千分尺测得直径作比较；2.采用二次标定像元当量，求出系统误差，逐次测量数个物体直径，将直接测得值与修正值作比较，作出误差分布曲线；3.采用分段二次标定像元当量，求出各段的修正系数，结果记入表42-1，逐次测量数个物体直径，作出误差分布曲线。现代应用物理技术实验表42-1分段二次标定数据记录值＼区间0.8mm~1.2mm1.2mm~1.6mm1.6mm~2.0mmKb注意事项1.测量过程要防止桌面振动而造成光点抖动；2.激光器光强要调节适中；3.成像镜头要轻拿轻放，切忌用手触摸镜头。参考文献1.王庆有.《CCD应用技术》，天津大学出版社，2000(11).2.CCD微机测径实验仪说明书/实验指导书，南京浪博科教仪器研究所3.贺永方，齐龙.线阵CCD一维尺寸测量的实验，实验室科学，2006(6).4.杨博雄，刘海波，路杰，等.线阵CCD微小尺寸测量的应用及误差分析，大地测量与地球动力学，2007(2).附录——DM99CCD测径实验仪一、外形结构二、主要技术指标1.测量范围：0.25~2.5mm2.分辩率：0.2μm（显微放大幅度切割法）2μm(显微放大梯度法)