（精密仪器及机械专业论文）曲面视觉检测的光学系统与轮廓提取的研究.pdf

曲面视觉检测的光学系统与轮廓提取的研究 摘要 本论文所研究的课题来源于安徽省重点科研项目“特殊工况异性曲面在线 检测系统”，本项目主要研究如何应用计算机视觉测量技术来检测火车车轮轮廓 几何参数。 经过长期的研究和探索，车轮轮廓的测量方式从机械量具测量的接触式测 量方式发展到光电测量法，即通过光束照射或激光扫描踏面获得踏面断面曲线， 利用摄像技术和视觉测量技术获取数据。伴随着计算机图形图像处理、光电技 术等相关学科的发展而日益成熟，视觉测量技术在工业测量中得到广泛的应用。 本课题应用视觉测量技术来检测车轮踏面的轮廓几何参数。 测量系统采用线激光投射到车轮踏面轮廓上，通过左、右c c d 摄像机系 统的拍摄和图象采集得到车轮轮廓的激光曲线图。作者主要研究的是光学结构 的设计和光学轮廓的提取。( 研究成果表明了激光准直扩束和扩展的必要性和可 行性。作者独立完成的工作包括： 1 、提出了曲面测量的光学系统的整体方案： 2 、提出了四种激光扩柬的方案，用光学设计软件z e m a x 完成了其中三 种的设计；经过像差分析和追迹，达到了准直扩束的要求： 3 、点光源到线光源的单方向扩展，达到了覆盖轮缘踏面的要求； 4 、通过实验采集图像和图像处理，提取出被测轮缘的轮廓。世 关键词：计算机视觉测量j 准直扩束j 扩居枣廓提取 r e s e a r c ho nt h eo p t i c a ls y s t e mo fv i s i o n i n s p e c t i o na n d p r o f i l ep i c k i n g - u p a b s t r a c t t h i sp a p e ri sf r o mt h e “o n l i n em e a s u r i n gs y s t e mf o rc r a g g e ds u r f a c eo nb a d c o n d i t i o n s ”，s u p p o r t e db yt h e s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yr e s e a r c hf o u n d a t i o no f a n h u ip r o v i n c e t h i sp r o j e c ti s m a i n l yo nt h er e s e a r c h o fm e a s u r i n gg e o m e t r i c p a r a m e t e r s o nt r a i nw h e e l p r o f i l ea p p l y i n gs t e r e o v i s i o nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y m a n yt e c h n i q u e s ，i n c l u d i n gp h o t o e l e c t r i ct e c h n i q u e s ，f o rf l a n g ep r o f i l e m e a s u r i n gh a v eb e e na d v a n c e da n dp r o v e d t ob ep r a c t i c a l w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n ga n dp h o t o e l e c t r i ct e c h n i q u e s ，s t e r e o v i s i o nm e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s h a v e b e e nd e v e l o p e d r a p i d l y i t h a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a l m e a s u r e m e n t t h i sp r o j e c tf o c u s e so nt h es t e r e o v i s i o nm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e so f m e a s u r i n gg e o m e t r i cp a r a m e t e r so n t r a i nw h e e l p r o f i l e t h em a i nt a s ko ft h ea u t h o ri st h ed e s i g no ft h eo p t i c a ls y s t e ma n dt h ep i c k u p o ft h ef l a n g e p r o f i l e t h er e s e a r c ha n dr e s u l t sh a v es h o w nt h e f e a s i b i l i t y a n d n e c e s s i t yo fl a s e rc o l l i m a t i o na n de x p a n d i n g t h ea u t h o rh a sa c c o m p l i s h e dt h e f o l l o w i n gt a s k s ： 1 p r e s e n t e dt h eg e n e r a ls c h e m e o f t h e p r o f i l em e a s u r i n gs y s t e m ； 2 p r e s e n t e df o u rm e t h o d so fl a s e rc o l l i m a t i o n ，r e a l i z e d3o ft h e mw i t ht h e s o f t w a r eo f z e m a x ，a n dm e t e dt h er e q u i r e m e n to f t h e s y s t e md e s i g n ； 3 r e a l i z e dt h el a s e rb e a me x p a n d i n gf r o m p o i n t - l a s e r t ol i n e - l a s e rw i d e e n o u g ht oc o v e r t h ef l a n g et r a c k s i d e ； 4 a f t e ri m a g eg r a b b i n ga n dp r o c e s s i n g ，p i c k e d u pt h ep r o f i l eo ft h et r a i n w h e e l k e yw o r d s ：c o m p u t e rv i s i o ni n s p e c t i o n ，c o l l i m a t i o n ，e x p a n d ，p r o f i l ep i c k u p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金肥工业太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 签字日期：踟易年6 月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥工业太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权 金肥王业太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 学位论文作者签名斜毙 签字日期知许5 月s 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位 通讯地址 导师签名 f ， 谚t 1 3 轴弓 l w 一 签字日期：年月日 电话 邮编 致谢 本论文是在导师邓善熙教授的悉心教诲和无微不至的关怀下完成的。从论 文的选题，论文的架构及写作等方面，邓老师都给予了极大的帮助。在研究生 的学习期间，邓老师不仅授业，更是传道、解惑：始终给予我严格的要求、充 分的信任、热情的鼓励和全面锻炼的诸多机会。在学习和学术研究中，我深受 邓老师严谨的治学态度和勤奋的敬业精神的熏陶和激励，从中收益良多；在生 活和为人方面，邓老师更是言传身教，鼓励我们自励上进；在此，谨向邓老师 表示最诚挚的谢意。 此外，在论文的写作过程中，还受到了检测所聂恒敬老师、杨永跃老师、 赵前程老师、洪占勇老师和王训四、任潇潇、杨家桂、丁兴号、余厚云、李了 了、邹锋、杨家强等多位同学的无私帮助，也得益于检测所全体老师与同学创 造的勤奋、友好、互助的气氛。在此，对他们表示最诚挚的感谢。 作者的父母和家人长期以来支持我完成学业，父母的关爱是我能从漫长的 求学道路上坚持下来的重要原因。在论文得以顺利完成之际，我愿与他们分享 其中的甘苦，并感谢亲人们对我的殷切希望和无私帮助。 感谢所有关心和帮助过我的师长、同学、朋友和亲人们! 作者： 2 0 0 3 焦 乞 1 5 日轴一明 1 1 课题来源 第一章前言 本课题来源于安徽省重点科研项目“特殊工况异性曲面在线检测系统”， 此项目研究的目的在于应用视觉测量技术测量火车车轮踏面的轮廓几何参数。 在导师的指导下，我完成的工作包括： 1 、提出了曲面测量的光学系统的整体方案； 2 、提出了四种激光扩束的方案，用光学设计软件z e m a x 完成了其中三 种的设计：经过像差分析和追迹，达到了准直扩束的要求； 3 、点光源到线光源的单方向扩展，达到了覆盖轮缘踏面的要求； 4 、通过实验采集图像和图像处理，提取出被测轮缘的轮廓。 1 2 国内外研究现状 1 2 i 车轮外形几何参数的测量方法。 车轮外形几何参数的测量方法分为静态检测法和动态检测法。 4 2 1 1 静态检测法 静态检测法是指车轮在检修时进行的测量。 静态检测技术经历了机械量具测量和电子量具测量等阶段。随着微电子技 术和可编程技术的发展，机械量具已逐渐被电子量具所取代。静态检测有接触 测量法和光电测量法。 1 2 1 1 1 接触测量法 接触测量法是通过将探头传感器沿着车轮宽度方向扫描而获得踏面数据 的。如美国研制的：便携式车轮断面测量仪，便携式轮径测量仪，和车轮轮廓 测量仪。芬兰研制的“车轮外形测量仪”可测绘磨耗车轮的外形并存储数据。 日本研制的“便携式轮对主要尺寸及车轮踏面形状自动测定装置”能检测踏面 轮廓、轮径、轮缘高度及厚度。 1 2 1 1 2光电测量法 光电测量法通过光束照射或激光扫描踏面获得踏面断面曲线，利用摄像技 术获取数据。日本铁路于8 0 年代末期研制成功轮对自动检查装置1 2 j 。装置可以 同时检测轮对2 个车轮的外形参数。整套装置主要由平行光源( 2 只) 、c c d 摄像机( 2 台) 、控制处理机构和外部设备等组成。当轮对沿着垂直方向以较低 的速度匀速升高时，c c d 摄像机可拍摄车轮的外形轮廓，经过计算机处理运算 后，将车轮参数和轮廓图像显示在屏幕上并存储在磁盘里。该装置可测量轮廓 厚度、踏面磨耗和车轮内据等数据。 匈牙利于2 0 世纪9 0 年代研制的“走行装置自动化诊断装置”可以同时检 测踏面形状、轮径、轮缘内侧径、车轮垂直载荷及主弹簧装置的几何参数，能 精确测量并记录磨耗量。装置置于地坑中，车轮随回转滚轮滚动，用非接触式 激光传感器或感应位移传感器扫描整个踏面而获得数据口】。 1 2 1 2动态检测法 动态检测法是指车辆在运行时进行的检测。 动态检测法自动化程度高，不占用机车车辆的周转时间，效率高。近1 0 多年来日益收到世界各国的重视。对车轮外形参数旋以动态检测，可采用随车 载式或地面式检测系统。车载式检测就是通过检测车轴振动的加速度来间接获 得踏面外形参数，这需要在每根车轴上安装传感器，不经济也不必要，一般不 采用；地面式检测是在线路上安装车轮外形测量系统，适用于检测运行中的机 车车辆。 俄罗斯于2 0 世纪9 0 年代中期研制的“轮对参数自动化检测装置”能在车 速不大于5k m h 时，遥测传感器组，可测出距离车轮各特征表面的距离，经过 分析处理后得到轮径、轮缘厚度、踏面磨耗量及垂直磨耗量等。 我国对于火车车轮轮廓几何参数检测也由完全的人工测量逐渐发展到半 自动或自动化测量i “。 合肥工业大学仪器仪表学院检测技术研究所于9 4 年研制的火车车轮半成 品尺寸检测线是采用气动测量方法，测头与工件是非接触的，避免了测头的磨 损，而且有对环境条件要求低、可靠性高、维修方便等特点。为了实现大尺寸 范围非接触测量的要求，本系统采用了随动测量装置。这种装置由以下三个主 要部分组成：( 1 ) 气电式位移传感器( 包括反射式气动测头，压力传感器) ：f 2 1 随动装置( 包括机械传动机构，直流力矩电机，控制驱动电路) ；( 3 ) 大位移电 感传感器及其检测电路【5 j o 华中理工大学机械学院研制出一种应用线阵c c d 图像传感器测量火车车 轮踏面磨损量的检测系统引，天津大学精仪学院研究了利用数码相继获取图像 并采用数字图像处理技术实现对火车车轮轮缘踏面磨损进行自动检测的新方法 ( 7 1 。 1 2 2 视觉测量方法 用于三维场景信息获取的机器视觉检测方法，按照其测量过程中所采用照 明方式的不同主要可以分为：主动式方法和被动式方法。 1 2 2 _ 1主动式方法 是指被测物体发射可控制的光束，然后拍摄光束在物体表面上所形成的图 像，通过几何关系计算出被测物体距离的方法。主要分为：结构光方法和激光 自动聚焦法两类。 1 2 2 1 1结构光方法 结构光方法计算简单、测量精度较高。对于平坦的、无明显灰度、纹理和 形状变化的表面区域，用结构光可形成明显的光学纹，便于作图像分析和处理。 结构光方法又可分为： 1 2 2 1 1 1光点式结构光方法。 激光器发出的光束投射到被测物体表面上产生一个光点，光点的部分反射 光通过摄像机镜头成像在位置敏感器件( p s d ) 或电荷耦合器件( c c d ) 的像面 上。例如k a z u h i r oy o s h i d a 研制的功率为imw 、可以在室外对自然景物进行 测量的激光测距系统，在5 m 范围内相对测量误差为2 。激光单光点式单三 角法测头，用于机器人手眼激光测距传感器。 1 2 2 1 1 2光学式结构光方法。 采用线光源代替点光源，这样可以减少对物体表面的扫描时间，而且通过 简单的运算就能够进行图像匹配。t s u g i t om a r u y a m a 等将多光学方法和单光学 方法结合起来，减d , t 多光学方法的匹配难度。该方法用于电子组件生产线上 机器人的手跟在线猫拨乐统，任1 0 0 m m 1 0 0 m m 范围内，测量精度优于0 2 m m ，在5 0 0m m 深度范围内，测量精度优于l m m ，测量2 0 个位置所用时间为 1 2 秒n k a r a k i 等采用位置敏感器件p s d 作为图像传感器，用转镜实现光学在被 测物体上的扫描，在6 0 c m 距离处相对测量误差为0 3 ，每幅图像获取与处 理的时间为1 3 2 秒。 1 2 2 1 1 3光面式结构光方法。 将编码结构光( 光栅式、网格式等) 投射到被测物体表面上则无须进行连续 扫描测量。根据标定出的摄像机和光投射器的内部几何参数以及外部方向、位 置参数和结构光的编码方式，利用三角法即可测量出被测物体表面各点的三维 坐标1 2 】 z c h e n 等应用相互垂直网格的编码结构光测量半径3 5 r a m 、高度1 2 5 r a m 的圆柱体，半径平均相对测量误差为4 16 ，高度平均相对测量误差3 5 l ”j 。 文献”4 1 中用于a u d i 100 轿车白车身检测的在线视觉检测系统，采用光 学结构光法和网格结构光法分别构成轮廓传感器和表面传感器完成对车身侧围 的测量，取得了令人满意的结果。 1 2 2 1 2激光自动聚焦法 t a k u t a 等研制了新的采用自动调焦控制原理的三维形状测量系统，该系 统由激光光点投射器、快速响应的z 轴伺服控制工作台以及安装在其上的高灵 敏度位置敏感器件( p s d ) 聚焦探测装置所组成。测量时用p s d 聚焦探测装置 拍摄光点图像并使之相对于光点始终处于聚焦位置，即保持p s d 聚焦探测装置 到光点的距离为常量，并通过z 轴伺服控制工作台的位移量反映到被测物体表 面的高度变化。在与量块的比对测量中，该系统在5 0 m i l l 高度范围内测量精度 为4 u m ，标准偏差( o ) 为2 u m ，测量2 0 ，0 0 0 个点所需时间为2 0 m i n 1 5 】。 1 2 2 2 被动式方法 被动式方法是指不向被测物体发射可控制的光束，而根据直接拍摄的物体 的图像进行距离测量的方法。主要可以分为双目视觉、三目视觉、单目视觉等 方法。 1 2 2 2 1双目视觉方法 双目视觉方法是人类获取距离信息的主要方式，属于被动式的视觉方法。 该方法根据立体视差进行测距，所谓立体视差就是被测点在左、右摄像机c c d 像面上成像点位置的差异。设j p 和王p 月分别是被测点在左、右摄像机c c d 像面坐标系中的x 轴坐标( 坐标原点取为c c d 像面中心) ， i p l + 曼p r 相当 予p 点在左、右摄像机c c d 像面坐标系中x 方向的视差( 设哥p 和曼脉均为 标量) ，b 表示左、右摄像机镜头中心之间的距离，v 表示像距，则物距u 可 由下式得到1 1 6 1 b v x p l + x p r 双目视觉方法的测量过程可以分为如下几步： 1 ) 从左( 或右) 图像中选出某些特征点： 2 ) 找出它在右( 或左) 图像中的匹配点，这个过程一般称为立体匹配： 3 ) 根据以上点对匹配关系，就可以计算出匹配点在摄像机坐标系中的空间 三维坐标； 4 ) 由于在第三步中只能计算出匹配点的三维坐标，于其它点则需要用插值 的方法来获得。 立体匹配问题始终是双目视觉测量的一个主要难点所在，国内外众多学者 对此进行深入而持久的研究，提出了大量的匹配算法并进行了实验验证。例如 利用外极线约束、兼容性约束、唯一性约束、连续性约束、形状连续性约束、 偏差梯度约束等约束条件减小匹配搜索范围和确定正确对应关系的原则，以及 很有影响和代表性的m p g 匹配方法和多信道结构匹配方法【 】。 1 2 2 2 2三目视觉方法 引入三目视觉方法的主要目的是为了增加几何约束条件，减小双目视觉中 立体匹配的困难，但结构上的复杂性也引入了测量误差，降低了测量效率，所 以在实际测量中应用较少 1 8 - 1 9 。 1 , 2 2 2 3 单目视觉方法 单目视觉方法只采用一个摄像机，所以结构简单，相应的对摄像机的标定 也较为简单，同时避免丁双目视觉中立体匹配的困难。单目视觉方法又可以分 为聚焦法和离焦法： 1 2 2 2 3 1聚焦法 就是使摄像机相对于被测点处于聚焦位置，然后根据透镜成像公式可求得 被测点相对于摄像机的距离。摄像机偏离聚焦位置会带来测量误差，寻求精确 的聚焦位置是关键所在p o l 。 1 2 2 2 。3 2离焦法 这种方法不要求摄像机相对于被测点处于聚焦位置，而是根据标定出的离 焦模型计算被测点相对于摄像机距离。这就避免了由于寻求精确的聚焦位置而 降低测量效率的问题，但离焦模型的准确标定是该方法的主要难点【2 1 i 。 1 3 本课题研究内容及科学意义 根据企业生产线的具体情况，确定在线检测系统的整体配置方案。系统主 要硬件设备包括：激光器，光学准直扩束系统，两台面阵c c d 摄像机，p c 机， 图像采集卡。软件系统包括m a t r o x 图像处理软件。通过本课题的研究，得 到一种将点激光转换为线激光的方法和画线激光经过图像出来后提取出的轮 廓。测量系统采用线激光投射到车轮踏面轮廓上，通过左、右c c d 摄像机系 统的拍摄和图像采集得到车轮轮廓的激光曲线图。然后经过图像处理、图像坐 标到实际坐标的变换、曲线的拼接，最终得到完整的踏面轮廓曲线，并计算出 了轮缘厚度这一反映车轮磨损程度的重要参数。 - 6 - 第二章测量系统的总体设计 2 1 测量原理设计方案 本系统采用激光三角结构光学法。测量原理如下： 激光器1 发出的光线，经会聚透镜2 聚焦后入射到被测物体表面3 上，物 钵移动或表面变化导致入射光点沿入射光轴移动。接受透镜4 接收来自入射光 点处的散射光，并将其成像在光电位置探测器5 ( 如p s d 、c c d ) 敏感面上。若 光点在成像面上的位移是，按下式可求出被测面的位移： 以x z 。瓦i f 丽 2 _ i i ) 式中，口为激光束光轴和接受透镜光轴的交点到接受透镜前主面的距离；6 为 接受透镜后主面到成像面中心点的距离；护为激光束光轴与接收透镜光轴之间 的夹角1 2 2 1 。测量原理图如图2 1 。 2 2 系统硬件构成 图2 1 激光三角法测量原理图 测量系统的硬件包括：激光发生器、光学准直扩束系统、面阵c c d 摄像 机、图像采集卡、计算机等。系统结构如图2 - 2 所示： 、。、。l 。 激光发生光学准直扩柬车轮踏面 面阵c c d 器及扩展系统轮廓 轮廓几何参 图像处理与三维 卜一 计算机 卜一 卜一 数 物体重建图像采集卡 2 2 1 光学装置 图2 - 2 测量系统结构如图 该部分由激光器、准直扩束系统、单方向扩展系统、摄像机( 面阵c c d ) 构成。激光器及其准直扩束系统将在本论文的后面几章详细讨论。 2 2 1 1面阵c g d 的选择 2 2 1 1 1c c d 概述 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 即电荷耦合器件，是一种新型的固体成像 器件，它是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电子芯片，它 既具有光电转换的功能，又具有信号电荷的存储、转移和读出的功能。 构成c c d 的基本单元是m o s ( 金属一氧化物一半导体) 结构。在金属一 氧化物一半导体( m o s ) 技术上，通过存储和控制电荷运动而起作用的一种半 导体器件，其基本结构包括半导体材料( 如硅) ，氧化物( 如s i 0 2 ) 金属电极 三层。实用固体摄象器件都是在一块硅片上同时制作出光电二极管阵列和c c d 移位寄存器两部分。光电二极管阵列专门用来完成光电变换和光积分，c c d 移位寄存器专门用来完成光生电荷转移。因为这种转移不是借助于外来的扫描， 而是依靠驱动脉冲来完成的，故也称为自扫描。 c c d 的突出特点是以电荷作为信号，而不同与其它大多数器件是以电流或 者电压为信号。c c d 具有光电转换、信息存储等功能，因而在图像传感、信号 处理、数字存储三大领域内得到广泛的应用，尤其在图像传感领域应用发展最 迅速。在计算机视觉测量技术中，c c d 几乎是不可缺少的图像传感器。被测对 象的光信息通过光学成像系统成像于c c d 的光敏面上，c c d 的光敏象元将其 上的光强度转换成电荷量，c c d 在一定频率的时钟脉冲的驱动下，在c c d 的 输出端可以获得被测对象的视频信号。视频信号中的每一个离散的电压信号的 大小对应于该光敏象元上图像的光强，信号输出的时序对应于该光敏象元在 c c d 上的空间位置，从而c c d 用自身电子扫描方式完成信息的从空间域到时 间域的变换。 c c d 器件本身具有许多独特的优点： ( 1 ) c c d 器件是一种固体化的器件，体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、 寿命长； ( 2 ) 图像畸变小，尺寸重现性好； ( 3 ) 具有较高的空间分辩率，光敏元间距的几何尺寸精度高，可以获得较高 的定位精度； ( 4 ) 具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围。 根据光敏象索的排列方式，c c d 摄象器件可分为面阵c c d 和线阵c c d 两 大类。光敏元排成一行的称为线阵c c d ，面阵c c d 器件的光敏元排列为一个 平面，它包含若干行和列的结合。两种类型的c c d 器件的相同点在于：都需 要用光学成像系统将景物图像成像在c c d 的像敏面上。像敏面将照在每个像 敏单元的图像照度信号转变为少数载流予密度信号存储于像敏单元中。然后再 转移到c c d 的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视 频信号。不同点是：对于线阵c c d ，它直接接收一维光信息，不能直接将二维 图像转换为视频信号输出。为了得到整个二维图像的视频信号，就必须应用扫 描的方法实现。而面阵c c d 的就能够直接将二维图像转换为视频信号输出。 线阵c c d 主要用于产品外部尺寸的非接触检测、控制和分类、产品表面质量 评定、自动化及机器人视觉中的精确定位等。面阵c c d 主机用于图像记录、 储存、计算机视觉测量等方面。 在本测量系统中，激光器发出的绿色线激光投射到车轮踏面轮廓上，形成 一亮带，该亮带是与踏面形状相对应的一条平面曲线( 如图2 3 ) 。由由左、右 面阵c c d 摄像机摄取图像，通过图像采集、处理、和坐标变换，最终获得轮 廓曲线的几何参数吲1 2 “。 2 2 1 1 2c c d 的结构及工作原理 构成c c d 的基本单元是m o s ( 金属一氧化物一半导体) 结构。图2 3 分 别显示了c c d 的基本单元，面阵c c d 和线阵c c d 的结构图1 2 5 】1 2 6 1 。 图2 - 3c c d 单元与c c d 线阵列结构图 图2 4 线阵c c d 结构图 图2 - 5 面阵c c d 结构图 - 1 0 - 2 2 1 1 2 1 电荷存储 当在金属电极( 栅极) 加一正向电压时，由于带正电的空穴受排斥，s i 衬 底形成一个较深的耗尽区( 势阱) ，势阱深度与栅极电压以及势阱内是否存储电 荷有关。当光入射到耗尽区，因内光电效应将产生光生电子一空穴对，在耗尽 区电场作用下，空穴流入衬底底部，电子则积存于半导体表面。这样，势阱中 就积存了一定量的电荷，且势阱中积存的电荷与入射光强度成正比。 2 2 1 1 2 2 电荷转移原理 半导体表面势阱的大小随栅极电压变化而变化。调整相邻两个电极间的电 压，就可以使得一个电极下的势阱比另一个深，则电荷就会发生转移。 c c d 中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦合引起的。将 线阵列各极板分为三组，然后分i i i i 以相位不同的时钟脉冲驱动，这即是所谓 的三相c c d 。这时，由于同一时刻三相脉冲的电平不同，各极板下面所造成的 势阱深度也就不同。从而电荷包就要沿着表面从电势能高的地方向电势能低的 地方流动。 三相c c d 的时钟波形刚好互相错开t 3 周期，因此时钟电压波形每变化 t 3 周期，电荷包就要转移过一个极板，每变化一个周期，即转移过三个极板。 同理，除了有三相c c d 外，还有二相的、四相的c c d 。 二相c c d 的时钟波形对称，但氧化层( s i 0 2 ) 厚度不均匀，从而极板下面 的势阱也不均匀。因此电荷包也会沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地 方流动。对于二相c c d ，时钟电压波形每变化t 2 ，电荷包将转移过一个极板， 每变化一个周期，则转移过二个极板。由此可见，c c d 具有移位寄存器的功能。 2 2 1 1 2 3 电荷输出 电荷输出部分的功能是把每个电荷包的电荷顺序转换成电信号输出。c c d 电荷输出主要有三种方式：( 1 ) 电流输出；( 2 ) 浮置扩散放大器输出；( 3 ) 浮 置栅放大器输出。c c d 的输出结构由末极电极l 后加的一个控制栅极c 及紧 跟其后的输出二极管组成。当控制栅极加低压时，末极电极下的电荷包转移至 控制栅极下的s i 衬底中，因为其后是一个加反向偏置的二极管，所以电荷包立 即由二极管转移至外电路，得到输出电压。 2 2 1 1 2 4 c c d 视频信号量化处理 c c d 传感器在测量光强信息时需要把对应c c d 空间光敏元所感受光强转 换成输出电压幅值再转换成数字编码送入计算机处理。c c d 信号的量化处理过 程如图2 - 6 所示。首先将c c d 视频输出的脉冲调制信号经过低通滤波器滤波后 变成在时间上连续的模拟信号。 按照对图像分辨率的要求，用采样保持电路 对连续的视频信号在时间上进行间隔采样，把c c d 视频信号变成离散的模拟 信号，l ha i d 转换器再将模拟信号转变成数字量。 图2 - 6c c d 信号的量化处理过程 2 2 1 1 2 4 1 采样，保持电路 采样保持电路主要由电子模拟开关、存储介质( 电容器) 、和输入、输出 放大器构成，该电路在采样期间，由外部输入的逻辑电平使电子模拟开关闭合， 输入的c c d 视频信号通过开关对电容器快速充放电。该电路的输出电路一射 极跟随器的输出将随输入信号而变化。当电路处在保持期间，外部输入的逻辑 电平使电子模拟开关断开，电容器充电电荷保持在开关断开时的终值，使该电 路的输出保持在开关断开时的终值电平。放大器和采样保持器具有高的输入阻 抗，能提供大的电流，使采样期间保持电容器的充放电过程加快，能够迅速跟 上输入信号。 2 2 1 1 2 4 2a d 转换器及其特性 a d 转换器是实现模拟量转换为数字量的电子器件。它完成的传递函数可 以表示成： e 2 号+ 了a 2 + + 歹a n ) ( 2 - 2 - 1 ) 式中：u 。为参考电源电压，a 。为系数( 1 或o ) ；月为数字量的位数；e 为 数字信号的电压。 2 2 2 图像采集系统 面阵c c d 的输出信号是视频信号，需要将模拟的视频信号转换成为离 散的数字量，才能被计算机所采集和显示。所以系统中需要图像采集卡来完 成这种转换。图像采集卡，又称视频捕捉卡( v i d e oc a p t u r ec a r d ) ，是视频 卡的一种类型。其它的视频卡还有视频迭加卡( v i d e oo v e r l a yc a r d ) 、电视 编码卡、m p e g 卡和t vt u n e r 卡等类型。图像采集卡完成的主要功能是把摄 像机的模拟的视频信号转换成为离散的数字量。数字化过程由采样和量化组 成，采样是坐标空间的离散，量化是性质空间的离散。 2 2 2 1图像采集卡的工作原理 图2 7 是图像采集卡的硬件原理图1 2 。图中的视频信号源一般为面阵c c d 输出的视频信号。该信号进入图像采集卡后分为两路，一路经同部分离器分离 出行、场同步信号送给鉴相器，使之与卡内时序发生器产生的行、场同步信号 保持同相关系，并通过控制电路使卡上的各单元按视频信号的行、场电视制式 的要求同步工作。另一路视频信号经过预处理电路，将视频的灰度信号由峰值 为1 v 的标准电视信号放大到a d 转换器所需要的幅度。预处理电路输出的信 号送a d 转换器转换成数字信号。时序控制器将数字信号存于帧存储器。同时， 卡上设置了为监视器提供的全电视信号输出单元。它由查找表、d a 转换器和 同步合成电路构成。查找表在微机接口电路的控制下，将a d 转换器输出的数 字图像中相同灰度值的地址放到指定的空间。这些数据经d a 转换成模拟电压 值，使d a 转换器的输出在查找表指定的行列的灰度，便可以快速的还原图像 于视频监示器上。 图2 7 图像采集卡的硬件原理图 图像采集卡通常需要占用p c 机总线的一个插槽，并带有外接的c c d 摄像 头、图像监视器、视频信号接口。图像采集卡与摄像机、监视器、p c 机一起就 构成了一个典型微机图像处理系统。图像采集卡的工作过程就是：对摄像机输 出的景物的视频信号进行实时采集，经a d 转换后将数字图像存放在图像存储 单元的一个或多个信道中，通过计算机发出指令，将某一帧图像静止在图像存 储信道中，即采集或捕获了一帧图像，计算机对采集的图像进行处理。图像采 集卡上的d a 转换电路自动将图像实时显示在图像监视器上。 2 2 2 2图像采集卡的选择 我们可以针对特定的测量的要求根据卡的功能和性能参数进行选择。例如 是采用静态图像采集卡还是动态图像采集卡，是选择彩色卡还是单色卡及采用 多少位数的彩色卡，根据测量速度和前端c c d 摄像机的性能来决定选择具有 多高采样频率的卡，等等。在实际的选择过程中，有一点十分重要，那就是看 卡的软件支持。是否具有一个优秀的开发平台对系统开发来说是一件十分重要 的事，例如在本测量系统中，选用的加拿大m a t r o x 公司的图像采集卡。m a t r o x 公司的图像采集卡都有一个平台支持：i n s p e c t o r + m i l ( m a t r o xi m a g el i b r a r y ) 。 2 2 2 3 系统的图像处理软件 一般情况下，在视觉测量系统中，摄像机所获取的图像由于受到种种条件 的限制和随机干扰，往往不能在视觉系统中直接使用，而需要对所采集的图像 进行处理。通过图像处理可以消除噪声的影响，对于视觉测量来说，需要将图 像中感兴趣的特征有选择的突出，衰减不需要的特征。测量系统中采用加拿大 m a t r o x 公司的i n s p e c t o r 图像处理软件。它是基于w i n d o w s 的软件，提供交互 式的丰富图像运算。 3 1 激光原理 3 1 1 激光产生原理 第三章光学设计的理论基础 本节( 3 1 ) 所引用的原理及公式主要来自参考文献 2 7 】。 要形成激光，首先必须利用激励能源，即泵浦。泵浦可激活介质内部的一 种粒子，使其在某些能级间实现粒子数反转分布，这是形成激光的前提条件。 同时，还必须有使光产生放大作用的增益介质和使光产生共振作用的谐振腔。 泵浦、增益介质和谐振腔是产生激光的三要素；但这还不够，还必须满足阈值 条件，即光在谐振腔内来回一次所获得的增益必须等于或大于它所遭受的各种 损耗之和。这是形成激光的决定性条件。 3 1 2激光器的分类 按照工作物质，激光器可以分为：固体激光器、气体激光器、半导体激光 器、液体激光器、化学激光器和其它激光器。 其中，气体激光器有原子( 如h e n e ) 、分子( 如c 0 2 ) 、离子( 如a r + ) 激光器。其特点是种类多，波长分布区域宽，应用广，频率稳定性好，是很好 z 的相干光源，可以实现最大功率连续输出，结构简单，造价低，转换效率高， 可以广泛应用在计量及测试领域，特别是h e n e 激光器( 0 = 0 6 3 2 8 um ， v v = 1 0 9 1 0 1 2 ) 得到了广泛应用。 3 i 3激光的方向性 激光的方向性对于其聚焦能力有重要的影响。激光的方向性用发散角来描 述。发散角定义为：光源发光面所发出的光线中，两光线之间的最大夹角，一 般用2o 表示。激光器的发光面是端面上的一个圆光斑，发出光束的发散角2 o 可小于1 0 一r a d 。发散角也可以用光束所占用的空间立体角q = o2 来描 述。一般来说，激光器的发散角都接近该激光器的出射孔径所决定的衍射极限， 即2om d ，式中 是激光波长，d 是出射孑l 径。对一个氨氖激光器，若 = o 6 3 2 um ，d = 3 m m ，则发射角20 2 】o - 4 r a d 。 我们选用的西安超凡光电设备有限公司出品的t h c 一1 0 氦镉激光器，其主 要的技术参数如下 激光管长度( m m ) 5 0 0 输出波长( n m ) 4 4 2 输出功率( r o w )t e m o o 5 ，t e m m m 8 光束直径( 1 e 2 ) ( r a m )1 2 稳定性( h ) 0 的情况 当z = z o 0 时，电矢量e 表达为： 砸删= 焉e x p 【鼍；竽 e x p 【删( 础x 2 + ( 硝y 2 ) 圳悱0 ) ( 3 - 1 - 6 ) ( 1 ) 相位部分表示高斯光束在z = z o 0 处的波阵面是一球面，其曲率 半径为r ( z o ) 。由式3 - 1 3 知： r ( z o ) = 加+ ( 单) 2 1 - 7 0 ( 3 1 7 ) l 如 即波阵面的曲率半径r ( z o ) 大于z o ，且r 随z 而异，即作为波阵面的球面的曲 率中心在原点，而且随中心不断变化，如图3 - 3 所示 芰、 菇扩丁弋飞 - 过迭乩2 ， 图3 3 高斯光束电矢量分布曲线图 ( 2 )振幅部分与z = 0 处相仿，但仍中心最强，同时按高斯函数形式向 外逐渐减弱( 见图3 2 ( b ) ) 。但此时光斑尺寸 酬刮+ 舞r 2 ( 3 - 1 - 8 ) ( 3 ) 光束的发散角从式( 3 - 1 8 ) 可知，在z = 0 处的光斑尺寸最小，该 点的光斑尺寸u0 为束腰，而u ( z ) 随z 增大，表示光束逐渐发散。通常以20 来 描述光束的发散角，表达为： 2 8 ：2 d c _ o ，( z ) ：2 2 2 z 万4 + z 2 五2 】一 ( 3 1 9 ) 6 z 刀弛 当z = o 时，2o ：o ；当f 型堕 l 2 。；亟；当：喝2 。；3 _ l ， 高斯光束的远场发散角20 为兰生 撇 舭； 6 0 0 而在z = o 附近发散角很小，随z 逐渐 增大，到z _ 弓孚时，才达到远场发散角1 互。通常称f 。到z = 弓手的范围为 准直距离，在此区间发散角最小。 3 1 5 1 3 z = 一z o 的情况 与z = 一z o 相似，它的振幅分布与z = z o 处完全一样，只是r ( 一z o ) = 一r ( 一 z o ) ，在z o 处为一z 方向传播的发散球面波，而在一z o 处，则是向z 方向传播的 汇聚球面波，两者曲率半径的绝对值相等。 综上所述，式( 3 - 1 - 1 ) 表达的高斯光束在z o f 1 ，如有一高斯光束从左方入射倒置望远镜系统，那么，当透镜l 为短 焦距的薄透镜时，则根据式( 3 1 1 2 ) 有： ：熹_：三一(3-0)20 1 - 1 2 ) 2 2 ，l = i ， 1 一1 ) 刀功2删l 同样，就透镜l 2 而言 所以 图3 - 5 高斯光束准直图 吐。= 石 1 鸭= 辱q j - 2 i ( 3 1 1 3 ) ( 3 1 1 4 ) ( 3 1 1 5 ) 疋 土 铲 惰 孓入代 孓式将 而在透镜l 2 处入射光束的曲率半径为r 3 ，r 3 z f 2 。从透镜l 2 出射的高斯光束曲 率半径r 4 由下式求得： 上：上一一1 。0 ( 3 1 1 6 ) 一 、l r 4f zr 、 即尼c o 由此可见，一个高斯光束经过一个倒置望远镜准直系统后，从透镜l 2 出射光束 的曲率半径为无穷大，即出射光在透镜l 2 处为一平面波，出射光的束腰位于透 镜l 2 处，束腰尺寸： ， 蛾o 0 3 4c 0 3c o i 粤 ( 3 - 1 - i7 ) ，1 所以，出射光的发散角： 2 0 , ：2 土：2 土垂 ( 3 1 - 1 8 ) 石0