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1、线阵CD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,重要应用于光电图像的传感。自从CCD于170年一方面在美国研制成功,它就一系列与众不同、无可比拟的优势就显示出来:敏捷度高、几何尺寸精确、光谱响应宽、动态范畴大、操作容易、维护以便等。一般说来,CC输出信号有如下几种特点:(1)可以输出与光像位置相相应的时序信号。(2)可以输出各个脉冲彼此独立相间的模拟信号。（3)可以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。而尺寸的测量在某些场合时非常有必要的，特别是高精度尺寸测量。在工业生产和科学实验中，常
2、常遇到微小尺寸的检测问题，如细丝、薄板、狭缝等，不仅费时费力，并且精度较低,不便于实时检测、显示和控制，其应用范畴也受到一定的限制。近年来，运用线阵CD进行无接触一维测量已经得到广泛应用。线阵CCD器件具有许多长处:(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）空间辨别率高，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。()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助于其后续信号解决,便于同计算机构成高性能测控系统。典型的CCD光电测试系统由光源、光学系统、CD传感器、信号采集与解决电路以及后续解决系
3、统构成。本文将简介几种测量不同量级尺寸的措施,可以分为微小尺寸、中尺寸、大尺寸,并且给出了信号解决措施,重点是高性能微分电路的实现和二值化过程的实现。二、测量措施、CD尺寸测量系统线阵CC由一系列等距离光电二极管构成，当目的成像在CD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拟定,因此输出脉冲的个数就代表着目的尺寸的大小,为了拟定光学系统对测量尺寸的影响,一般用一种已经精确标定过的样品进行校正,也就是将原则样品通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相应目的尺寸的大小,再用同一系统测量未知目的时，即可根据输出信号像元的数
4、目(脉冲个数)来拟定待测目的的尺寸。系统原理如上图所示,被测件通过光源均匀照明后,由光学系统按一定倍率成像在CC的光敏面上，影像反映了被测件的尺寸，C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CC，在CCD输出端获得被测件的视频信号。CC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。视频信号中每一种离散电压信号的大小相应着该光敏元所接受光强的强弱,信号输出的时序则相应光敏区位置的顺序。对视频信号进行二值化解决后,得到矩形波的宽度即与被测工件的一维尺寸成正比。再用单片机系统对矩形波进行解决,即可显示被测件的尺寸大小。2、中尺寸的测量下图表
5、达在透镜前方距离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。一方面借助光学成像法将被测物未知长度L成像在线阵CC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，在整个视野范畴内，将有L部分被遮挡,相应地,在线阵CCD传感器上只有1、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,根据简朴的相似三角形的关系,我 们可以得出:L/D=（(N1+2)/N其中D我们可以在系统调节完毕后由a、b及已知的求出：D/aNb因此，L=(N-(N1+N2)*ab对不同尺寸的工件,线阵CD传感器测出不同的1和。3、
6、微小尺寸的测量微小尺寸测量时存在着一种问题,即如果被测件尺寸很小,如被测量尺寸在10一00um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，通过光学系统成像后，往往会发生衍射现像,使得成像在CCD靶面上的影像不能对的反映被测量的实际尺寸,如果还是按照上述的措施进行数据信号解决则行不通。为此,可以将激光光源通过光学系统照射微小件(以细丝为例)后成像在线阵CD靶面上，建立被测量尺寸与线阵CCD视频输出信号通过衍射后的函数关系,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为被测细丝到CCD靶面上的距离，为细丝直径,x为激光波长）时,根据夫琅和费衍射公
7、式可得到: d=/sin (1)式（1)中：K=士1,2,，。为被测细丝到第K级暗纹的连线与光线主轴的夹角。细丝通过衍射成像在C靶面上后,信号输出如图所示，当B很小时,即足够大时,近似有sintg=k/L,代人式(1)得： KXk=L/(Xk/K）=/S ()其中=Xk,表达暗纹周期,则细丝直径d的测量转化为用线阵CCD来测量暗纹周期S。4、大尺寸的测量(1）采用CC拼接技术测量法在显微镜下将线阵CCD首尾拼在一起，实现机械拼接,这种措施工艺简朴，易于实现。但是，由于线阵CC器件的两端各有若干个虚设备单元，并且，商品化的CC器件除了虚设单元外，尚有其她电路、引线和封装构造，使得机械拼接不也许使
8、两个线阵CCD的有效像元首尾完全搭接成一条直线,总是存在的搭接间隙,但其在大尺寸、高精度测量方面仍具有重要意义。如图所示，成像CD由CD1和CD2通过机械拼接而成。设N1、分别为被测件的像遮挡的D1、图CCD2部分插入计数脉冲的脉冲数，H为CD1、CCD之间的拼接距离，为脉冲当量,L为被测尺寸,为透镜放大倍数,则：L(N1+)sH(2)当被测工件尺寸足够大，而采用拼接CCD不能实现测量时,可以采用边沿检测原理实现大尺寸测量目的。具体是采用两套CCD测量系统实现大尺寸工件边沿测量，然后将两套CCD测得的边沿位置与两C相对位置值综合起来,得出被测工件尺寸。通过变化两CCD之间的距离，来实现可变大尺
9、寸测量。设CCD1和CCD2计数器计数脉冲个数分别为1、N2，脉冲当量为s1、s2;两CD边沿距离为H，则被测工件尺寸L为:L=H-（11+Ns2)误差分析:由式(12)可得测量误差为:L=H-(sN1+s1N1+s2N2+N)其中由移动两CD的运动部件决定。5、光源解决方案由于CCD自身的感光单元有一定间距，又有光源的变化、衍射和外界干扰等影响,使照在CD上的物像不能由暗直接转化为亮.而是有个缓慢的过渡区。运用上述措施测尺寸是，不可避免地要解决一种问题：平行光的获得。其中，测微小尺寸时,一般用相干性良好的激光光源,具有良好的方向性,然而由于是高斯光束,需要扩束器扩束后，用光阑去中间光强分布较
10、均匀部分,可以近似为平面光。测中、大尺寸时，需要良好的平行光源,可以由下述措施获得。如下图所示，本照明系统以一种大功率LE为照明光源,发光二极管作为照明光源,由于它具有体积小、重量轻、光源单色性好、发光亮度、发光效率高、亮度便于调节等长处。发光二极管LED发出的光通过一片双胶合透镜Ll会聚到于一点FF点正好为透镜2的物方焦点,扩展成为所需要的平行光.照射到待测器件上，经成像系统（成像物镜L和光阑构成)成像于CC上,形成阴影。6、信号的提取（)信号提取流程基于照射光强变化时，表达被测件影像的凹部不变的原理，设计出图所示的信号提取电路原理框图,图下为相应的重要波形实现该电路的核心点一是微分电路的实
11、现,二是如何从过零触发输出而得二值化信号。（2）二值化解决二值化解决是将每个脉冲与一种鉴定值相比,不小于该鉴定值则为1，不不小于则为。在该系统中,0信号表达被遮挡的CD部分,即反映物体尺寸的部分；1表达未被遮挡部分，也即光源直接照射部分。将信号二值化,单片机就可以直接“数”出被遮挡光敏单元,可以根据定标值（措施见CCD尺寸测量系统）算出被测尺寸。一般误差是一种光敏单元,即一种脉冲。固定阈值法是一种最简朴的二值化解决，将CC输出的视频信号送入电压比较器的同相输入端.电压比较器的反相端加上可调的电平，构成固定阈值二值化电路。当CCD视频信号的幅值不小于阈值电压时比输出的是二值化方波信号。调节阈值电
12、压,方波脉冲前后沿将发生移动脉冲的宽度发生变化。（3)微分电路对于微分电路,输出幅度随输入频率的增长而线性增长,因此电路对高频噪声特别敏感,以致噪声也许完全沉没微分信号。另一方面,考虑基本微分电路的R环节对反馈信号具有滞后作用，它和集成运放内部电路的滞后作用合在一起，在R参数选择不当时，会引起自激振荡。实用的微分电路如下图所示,加一小电阻1与微分电容1串联，提高电路抗干扰的能力，Cf与Rf并联，起相位补偿作用。为了提高输入阻抗，微分电路所用运放选为FET型器件。三、结论本文简介了某些运用线阵CCD图像传感器作为测量元件，用CCD来测量物体尺寸的措施。当我们所需测量的尺寸范畴不同步，应当选用不同
13、的测量措施。本文简介了微小尺寸、中档尺寸、大尺寸物体的测量措施,虽然有差别,但本质都是同样的,都是通过光照，将物体的尺寸信息通过CCD所在面的光场分布蕴含在CC的光敏单元之中,二值化后,值代表被遮部分，1值代表未被遮光部分，检测误差在一种像素单元范畴内。，通过采用不同像素的CCD或者不同的光学系统可以获得不同的精度级别。随着微机技术的日益普及,采用单片机等数据采集系统,具有对被测信息进行迅速采样、存储及数据解决等多项功能。本文还简介了信号解决过程中的二值化措施和微分电路的实现，以及为获得均匀的平行光而提出的光源解决方案。用CCD测量尺寸的措施具有高精度、高速度、操作简朴、稳定可靠等长处，在实际生产检测中具有较大的应用价值。四、参照文献1、段志姣。用线阵CCD传感器测量工件外轮廓尺寸。计量技术。2、杨博雄。线阵CCD微小尺寸测量的应用及误差。大地测量与地球动力学。3、达争尚。线阵C尺寸测量信号的提取。西安工业学院学报。4、倪小芳。运用线阵CCD对物体尺寸测量的研究。光学仪器。、余震。基于线阵C的尺寸测量研究及误差。测量与设备。6、张俊明敏。基于线阵CCD的尺寸测量研究。电子设计工程。
