一種用LCCDAD-Ⅱ型線陣CCD測量物體尺寸的實驗數(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

《光電綜合實驗》我院開設(shè)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(shù)有限公司的產(chǎn)品——線陣CCD應(yīng)用開發(fā)實驗儀（LCCDAD-Ⅱ型），選用的實驗指導(dǎo)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(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)生做實驗時并不明白線陣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測量物體尺寸的數(shù)據(jù)處理算法，并提供一套用C語言編寫的數(shù)據(jù)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(yīng)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(diào)節(jié)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(yīng)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(qū)動器將載有尺寸信息的電荷包轉(zhuǎn)換為如圖1右側(cè)所示的時序電壓信號（理想化時輸出矩形波）[1]。根據(jù)輸出波形可以測得物體 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算出物體 A 的實際尺寸

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。在做實驗前，用游標(biāo)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(biāo)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(shù)據(jù)】就可以得到瞬時測量數(shù)據(jù)。從波形和測量數(shù)據(jù)可以看出，的值與閾值有關(guān)，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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)生看不到二值化的過程?，F(xiàn)在用【數(shù)據(jù)】中的信息求物體外徑的邊界像元序號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，縱坐標(biāo)表示輸出電壓值?，F(xiàn)在求F坐標(biāo)（e，c）中的e值（即指定電壓閾值對應(yīng)的像元序號）。

圖2 CCD像敏面上輸出電壓波形圖

3 結(jié)語

用線陣CCD測量物體尺寸是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)重要的實驗項目之一，實驗儀的暗箱性不利于學(xué)生理解實驗數(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的測量誤差，結(jié)合MATLAB或C語言編程可以快速地處理實驗數(shù)據(jù)。