一種用LCCDAD-Ⅱ型線陣CCD測量物體尺寸的實驗數據處理方案

黃振永 王利利 裴雪丹 薛竣文 蘇秉華

北京理工大學珠海學院 廣東珠海 519088

《光電綜合實驗》我院開設超過十年的課程之一。用線陣CCD測量物體的尺寸是該課程重要的實驗項目之一。該實驗使用的是天津市耀輝光電技術有限公司的產品——線陣CCD應用開發實驗儀（LCCDAD-Ⅱ型），選用的實驗指導書是王慶友教授編寫的配套書。因為利用該實驗儀做的實驗項目都與線陣CCD的數據采集和處理有關，且它屬于儀器內部的東西，好似“暗箱處理”，學生做實驗時并不明白線陣CCD的數據采集和處理方案，所以本文旨在闡述一種用LCCDAD-Ⅱ型線陣CCD測量物體尺寸的數據處理算法，并提供一套用C語言編寫的數據處理程序。

1 實驗原理簡介

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

圖1 測量原理圖

將被測物體A 置于成像物鏡的物方視場中，將線陣CCD的像敏面恰好調節在成像物鏡的最佳像面位置上。用平行光照亮被測物體A時，其像黑白分明的光強分布使得相應像敏單元上存儲載荷了被測物尺寸信息的電荷包，通過 CCD及其驅動器將載有尺寸信息的電荷包轉換為如圖1右側所示的時序電壓信號（理想化時輸出矩形波）[1]。根據輸出波形可以測得物體 A 在像方的尺寸再根據成像物鏡的物像關系，可找出光學成像系統的放大倍率，便可以用下面公式計算出物體 A 的實際尺寸

2 數據處理

參考物A的尺寸標定：

把A放在物空間，把CCD的像敏面調節到清晰像的位置，此時鏡頭的物距和像距是確定的數，即鏡頭的放大倍率β（=像距/物距）是確定值。在做實驗前，用游標卡尺或螺旋測微器測量出A

被測物B的尺寸測量：

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

實驗得到的測量圖形通常如圖2所示。在軟件界面中先點擊【單次】再點擊【數據】就可以得到瞬時測量數據。從波形和測量數據可以看出，的值與閾值有關，但只要測量A和B時選用相同的閾值則閾值的選取不會影響外徑的測量準確度。實驗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），從而得到一個標準的矩形波。矩形波的下降（上升）沿位置對于圖2中中央直線與曲線的左（右）交點位置。由于實驗儀的暗箱性，所以學生看不到二值化的過程。現在用【數據】中的信息求物體外徑的邊界像元序號N的值。在圖3中，設A的坐標為（a，b）、設B的坐標為（a，c）、設C的坐標為（d，c）、設D的坐標為（e，f），橫坐標表示像元序號，縱坐標表示輸出電壓值。現在求F坐標（e，c）中的e值（即指定電壓閾值對應的像元序號）。

圖2 CCD像敏面上輸出電壓波形圖

3 結語

用線陣CCD測量物體尺寸是電子科學與技術專業重要的實驗項目之一，實驗儀的暗箱性不利于學生理解實驗數據的處理方案。本文采用的方法避免了高低電壓的取值不確定性帶來的測量誤差，結合MATLAB或C語言編程可以快速地處理實驗數據。