一種用LCCDAD-Ⅱ型線陣CCD測(cè)量物體尺寸的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方案

黃振永 王利利 裴雪丹 薛竣文 蘇秉華

北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 廣東珠海 519088

《光電綜合實(shí)驗(yàn)》我院開設(shè)超過(guò)十年的課程之一。用線陣CCD測(cè)量物體的尺寸是該課程重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一。該實(shí)驗(yàn)使用的是天津市耀輝光電技術(shù)有限公司的產(chǎn)品——線陣CCD應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀（LCCDAD-Ⅱ型），選用的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書是王慶友教授編寫的配套書。因?yàn)槔迷搶?shí)驗(yàn)儀做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都與線陣CCD的數(shù)據(jù)采集和處理有關(guān)，且它屬于儀器內(nèi)部的東西，好似“暗箱處理”，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)并不明白線陣CCD的數(shù)據(jù)采集和處理方案，所以本文旨在闡述一種用LCCDAD-Ⅱ型線陣CCD測(cè)量物體尺寸的數(shù)據(jù)處理算法，并提供一套用C語(yǔ)言編寫的數(shù)據(jù)處理程序。

1 實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)介

線陣CCD的輸出信號(hào)包含了CCD各個(gè)像元所接收光強(qiáng)度的分布和像元位置的信息，使它在物體尺寸和位置檢測(cè)中有重要的應(yīng)用價(jià)值。如圖1所示為測(cè)量物體外形尺寸（如棒材的直徑D）的原理圖。

圖1 測(cè)量原理圖

將被測(cè)物體A 置于成像物鏡的物方視場(chǎng)中，將線陣CCD的像敏面恰好調(diào)節(jié)在成像物鏡的最佳像面位置上。用平行光照亮被測(cè)物體A時(shí)，其像黑白分明的光強(qiáng)分布使得相應(yīng)像敏單元上存儲(chǔ)載荷了被測(cè)物尺寸信息的電荷包，通過(guò) CCD及其驅(qū)動(dòng)器將載有尺寸信息的電荷包轉(zhuǎn)換為如圖1右側(cè)所示的時(shí)序電壓信號(hào)（理想化時(shí)輸出矩形波）[1]。根據(jù)輸出波形可以測(cè)得物體 A 在像方的尺寸再根據(jù)成像物鏡的物像關(guān)系，可找出光學(xué)成像系統(tǒng)的放大倍率，便可以用下面公式計(jì)算出物體 A 的實(shí)際尺寸

2 數(shù)據(jù)處理

參考物A的尺寸標(biāo)定：

把A放在物空間，把CCD的像敏面調(diào)節(jié)到清晰像的位置，此時(shí)鏡頭的物距和像距是確定的數(shù)，即鏡頭的放大倍率β（=像距/物距）是確定值。在做實(shí)驗(yàn)前，用游標(biāo)卡尺或螺旋測(cè)微器測(cè)量出A

被測(cè)物B的尺寸測(cè)量：

把參考物A拿走，換上待測(cè)物體B。在做實(shí)驗(yàn)前，用游標(biāo)卡尺或螺旋測(cè)微器測(cè)量出B的實(shí)際值。實(shí)驗(yàn)儀的測(cè)量值為：。這意味著：在測(cè)量待測(cè)物體的外徑尺寸之前，如果我們先測(cè)量出參考物體A的測(cè)量值：，再得到待測(cè)物，就可以得出待測(cè)物體B的測(cè)量值。物體B的測(cè)量誤差是：由上可知，的值直接影響測(cè)量的精度。

實(shí)驗(yàn)得到的測(cè)量圖形通常如圖2所示。在軟件界面中先點(diǎn)擊【單次】再點(diǎn)擊【數(shù)據(jù)】就可以得到瞬時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。從波形和測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，的值與閾值有關(guān)，但只要測(cè)量A和B時(shí)選用相同的閾值則閾值的選取不會(huì)影響外徑的測(cè)量準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)儀采用的二值化的方法：高于閾值的電壓取值為 （新的高電平），低于閾值的電壓取值為 （新的低電平），從而得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的矩形波。矩形波的下降（上升）沿位置對(duì)于圖2中中央直線與曲線的左（右）交點(diǎn)位置。由于實(shí)驗(yàn)儀的暗箱性，所以學(xué)生看不到二值化的過(guò)程。現(xiàn)在用【數(shù)據(jù)】中的信息求物體外徑的邊界像元序號(hào)N的值。在圖3中，設(shè)A的坐標(biāo)為（a，b）、設(shè)B的坐標(biāo)為（a，c）、設(shè)C的坐標(biāo)為（d，c）、設(shè)D的坐標(biāo)為（e，f），橫坐標(biāo)表示像元序號(hào)，縱坐標(biāo)表示輸出電壓值。現(xiàn)在求F坐標(biāo)（e，c）中的e值（即指定電壓閾值對(duì)應(yīng)的像元序號(hào)）。

圖2 CCD像敏面上輸出電壓波形圖

3 結(jié)語(yǔ)

用線陣CCD測(cè)量物體尺寸是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)重要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一，實(shí)驗(yàn)儀的暗箱性不利于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方案。本文采用的方法避免了高低電壓的取值不確定性帶來(lái)的測(cè)量誤差，結(jié)合MATLAB或C語(yǔ)言編程可以快速地處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。