CCD在尺寸测量方面的应用

段长发线阵CCD在尺寸测量中的应用一、导言电荷耦合器件(CCD)是一种以电荷为信号载体的传感器，属于集成光电传感器，主要用于光电图像传感。自1970年美国首次研制出CCD以来，它已经显示出一系列独特而无与伦比的优点：灵敏度高、几何尺寸精确、光谱响应宽、动态范围大、操作简单、维护方便等。一般而言，电荷耦合器件输出信号具有以下特性：(1)可以输出对应于光学图像位置的定时信号。(2)可以输出每个脉冲彼此分离的模拟信号。(3)它可以输出反映焦平面信息的信号。我们可以结合光源和光学系统这三个特性来测量尺寸。然而，尺寸测量在某些场合是非常必要的，尤其是高精度的尺寸测量。在工业生产和科学实验中，我们经常会遇到小尺寸的检测问题，如细丝、薄板、狭缝等。不仅费时费力，而且精度低，不利于实时检测、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进行非接触一维测量得到了广泛的应用。线性电荷耦合器件有许多优点：(1)非接触式，以避免损坏被测设备。(2)高速测量，良好的动态性能，能测量物体高速机械运动的大小。(3)高空间分辨率和高精度测量。(4)空间自扫描可以实现绝对量的测量。(5)可靠性高，能在非常恶劣的环境下工作。(6)线扫描输出的光电信号有利于后续的信号处理，便于与计算机组成高性能的测控系统。典型的CCD光电测试系统由光源、光学系统、CCD传感器、信号采集处理电路和后续处理系统组成。本文将介绍几种测量不同尺寸的方法，可分为小尺寸、中尺寸和大尺寸，并给出信号处理方法，重点介绍高性能差分电路的实现和二值化过程。二。测量方法1.电荷耦合器件尺寸测量系统线阵CCD由一系列等距光电二极管组成。当目标被成像在CCD的光敏面上时，一系列的光电脉冲将被输出到相应的像素上。由于光电二极管的尺寸已经在制造时确定，输出脉冲的数量代表目标尺寸的大小。为了确定光学系统对测量尺寸的影响，通常使用一种方法对精确标定的样品进行校正，即通过光学系统将标准样品成像在线性阵列电荷耦合器件上，根据所占的像素数获得系统每个像素对应的目标尺寸，当同一系统测量未知目标时，根据输出信号像素数(脉冲数)确定待测目标的尺寸。该系统的原理如上图所示。被测件被光源均匀照射后，由光学系统按照一定的放大率成像在CCD的光敏面上。该图像反映了测试件的尺寸。CCD装置将工件在感光面上的图像的光学信息转换成与光强成正比的电荷，以一定的频率序列脉冲驱动CCD，在CCD输出端获得被测工件的视频信号。CCD传输脉冲、复位脉冲、视频信号和二进制信号的输出波形如下图所示。视频信号中每个离散电压信号的大小对应于光敏元件接收的光的强度，并且信号输出的定时对应于光敏感区域位置的序列。在二值化视频信号之后，获得的矩形波的宽度与待测量工件的一维尺寸成正比。单片机系统对矩形波进行处理，显示被测工件的尺寸。2.中等尺寸的测量下图显示，待测物体位于镜头前距离a处，其未知长度尺寸为L，镜头后距离b处为线阵CCD传感器，传感器总像素数为n。首先，待测物体的未知长度L通过光学成像方法成像在线阵CCD传感器上，然后焦平面输出信号最强。如果照明光源从被测物体的方向从左到右发射，则L部分将被阻挡在整个视场D内。因此，只有N1和N2部分被曝光在线性阵列电荷耦合器件传感器上，相应的像素数也被定义为N1和N2。根据相似三角形的简单关系，我们可以得到：信用证=(北-(N1 N2)/北其中d可以在系统调整完成后从a、b和已知n中找到：d/a=不适用所以，L=(北-(N1 N2)*a/b对于不同尺寸的工件，线阵CCD传感器测量不同的N1和N2。3.小尺寸测量微小尺寸的测量存在一个问题，即如果被测件的尺寸很小，例如，被测件的尺寸在10 m到500um之间，当被测件被激光、发光二极管或白炽灯照射时，在光学系统成像后往往会出现衍射图像，这使得成像在电荷耦合器件目标表面上的图像不能正确地反映被测件的实际尺寸。如果根据上述方法进行数据信号处理，这是不可行的。因此，激光光源通过光学系统照射微小的一片(以灯丝为例)后，可以成像在线阵CCD靶面上，可以建立被测尺寸与衍射线阵CCD视频输出信号之间的函数关系，从而实现微小尺寸的高精度测量，如下图所示在上图中，当满足远场条件L(L是被测灯丝与电荷耦合器件目标表面之间的距离，D是灯丝直径，X是激光波长)时，根据夫琅和费衍射公式可以得到：d=K/sin (1)在公式(1)中，K=1，2，n. 是连接被测灯丝到第k个暗颗粒的线和光轴之间的夹角。灯丝在CCD目标表面衍射成像后，信号输出如图4所示。当b非常小时，即L足够大时，sin=tg=Xk/L是近似值，即：而不是公式(1)d=KL/Xk=L/(Xk/K)=L/S (2)其中，S=Xk/K，表示暗图案周期，灯丝直径d的测量值通过线阵电荷耦合器件转换为暗图案周期S的测量值。4.大规模测量(1)采用CCD拼接技术测量方法线阵CCD在显微镜下首尾相接拼接，实现机械拼接。该方法过程简单，易于实现。然而，由于线阵CCD器件的两端都有多个虚拟设备单元，而且除了虚拟单元外，商用CCD器件还具有其他电路、引线和封装结构，机械拼接无法将两个线阵CCD器件的有效像元首尾完全搭接成一条直线，始终存在搭接间隙，但在大尺寸、高精度测量中仍然具有重要意义。如图3所示，成像CCD通过机械接合CCD1和CCD2形成。如果N1和N2分别是插入到被测量物体的图像覆盖的图3Cd2的CCD1和CD2部分的计数脉冲中的脉冲数，h是CCD1和CCD2之间的拼接距离，s是脉冲当量，l是被测量的尺寸，是透镜放大率，那么：l=(N1N2)sH/(2)当被测工件尺寸足够大，无法通过拼接CCD实现测量时，可以采用边缘检测的原理来实现大尺寸测量的目的。具体来说，采用两套CCD测量系统实现大尺寸工件的边缘测量，然后将两套CCD测量的边缘位置和两个CCD的相对位置值相结合，得到被测工件尺寸。通过改变两个CCD之间的距离，可以实现可变的大尺寸测量。让CCD1和CCD2计数器分别用1和N2计数脉冲，脉冲当量为s1和S2；当两个CCD边缘之间的距离为h时，测量的工件尺寸l为：L=H-(N1s1 N2s2)误差分析：由公式(12)得到的测量误差为：L=H-(S1N1S1 n1 S2N2S2 N2)其中H由移动两个电荷耦合器件的移动部件决定。5.由于CCD感光单元之间的一定距离以及光源变化、衍射和外部干涉的影响，CCD上的物体图像不能直接由暗变亮，而是有一个缓慢的过渡区。使用上述方法测量尺寸不可避免地要解决一个问题：获得平行光。其中，当测量小尺寸时，通常使用具有良好相干性的激光光源，其具有良好的方向性。然而，由于它是高斯光束，它需要一个扩束器来扩展光束。光束扩展后，使用光阑去除中间光强分布相对均匀的部分，可以近似为平面光。中型和大型测量需要良好的平行光源，可通过以下方法获得。如下图所示，照明系统使用大功率发光二极管作为照明源，使用发光二极管作为照明源。由于其体积小、重量轻、光源单色性好、发光亮度高、发光效率高、亮度调节方便等优点。发光二极管发光二极管发出的光通过双合透镜L1会聚到点f. f，即透镜L2的物焦点，并扩展成所需的平行光。光照射在待测器件上，并通过成像系统(由成像物镜L3和光阑组成)成像在电荷耦合器件上，形成阴影。6.信号提取(1)信号提取过程根据被测物体图像的凹面部分不随光照强度变化的原理，设计了如图所示的信号提取电路原理框图。图中相应主波形电路的实现要点是差分电路的实现以及如何从过零触发输出以获得二进制信号。(2)二值化二值化过程是将每个脉冲与大于1且小于0的判定值进行比较。在该系统中，0信号代表被遮挡的CCD部分，即反映物体尺寸的部分。1表示未覆盖的部分，即直接被光源照射的部分。通过对信号进行二值化，单片机可以直接“计数”被遮挡的感光单元，并根据校准值计算出测量尺寸(方法见CCD尺寸测量系统)。一般的误差是光敏单元，即脉冲。固定阈值法是最简单的二值化过程。CCD输出的视频信号被送到电压比较器的非反相输入端。电压比较器的反相端加上一个可调电平，形成一个固定阈值二值化电路。当电荷耦合器件视频信号的幅度大于阈值电压时，比值输出为二进制方波信号。当调整阈值电压时，方波脉冲的前边缘和后边缘将移动。脉冲的宽度会改变。(3)差动电路对于差分电路，输出幅度随着输入频率的增加而线性增加，因此该电路对高频噪声特别敏感，高频噪声可能会完全淹没差分信号。其次，认为基本差分电路的阻容环节对反馈信号有滞后效应，与集成运算放大器内部电路的滞后效应相结合，当阻容参数选择不当时，会引起自激振荡。下图显示了一个实用的差分电路。为了提高电路的抗干扰能力，在差分电容C1上串联了一个小电阻R1。Cf与Rf并联，起到相位补偿的作用。为了提高输入阻抗，差动电路中使用的运算放大器被选为场效应晶体管型器件。三。结论本文介绍了用线阵CCD图像传感器作为测量元件和CCD测量物体尺寸的几种方法。当我们需要测量的尺寸范围不同时，我们应该选择不同的测量方法。本文介绍了小型、中型和大型物体的测量方法。虽然有差异，但本质上都是一样的。物体的尺寸信息通过电荷耦合器件所在表面的光场分布包含在电荷耦合器件的光敏单元中。在二值化之后，0表示屏蔽部分，1表示非屏蔽部分，并且检测误差在一个像素单元的范围内。不同像素或不同光学系统的CCD可以获得不同的精度等级。随着微机技术的日益普及，使用了单片机等数据采集系统，这些系统具有对被测信息进行快速采样、存储和数据处理等功能。本文还介绍了信号处理过程中的二值化方法和差分电路的实现，以及获得均匀平行光的光源解决方案。CCD尺寸测量方法具有精度高、速度快、操作简单、稳定可靠等优点，在实际生产和检测中具有很大的应用价值。四