一种用LCCDAD-Ⅱ型线阵CCD测量物体尺寸的实验数据处理方案

黄振永 王利利 裴雪丹 薛竣文 苏秉华

北京理工大学珠海学院 广东珠海 519088

《光电综合实验》我院开设超过十年的课程之一。用线阵CCD测量物体的尺寸是该课程重要的实验项目之一。该实验使用的是天津市耀辉光电技术有限公司的产品——线阵CCD应用开发实验仪（LCCDAD-Ⅱ型），选用的实验指导书是王庆友教授编写的配套书。因为利用该实验仪做的实验项目都与线阵CCD的数据采集和处理有关，且它属于仪器内部的东西，好似“暗箱处理”，学生做实验时并不明白线阵CCD的数据采集和处理方案，所以本文旨在阐述一种用LCCDAD-Ⅱ型线阵CCD测量物体尺寸的数据处理算法，并提供一套用C语言编写的数据处理程序。

1 实验原理简介

线阵CCD的输出信号包含了CCD各个像元所接收光强度的分布和像元位置的信息，使它在物体尺寸和位置检测中有重要的应用价值。如图1所示为测量物体外形尺寸（如棒材的直径D）的原理图。

图1 测量原理图

将被测物体A 置于成像物镜的物方视场中，将线阵CCD的像敏面恰好调节在成像物镜的最佳像面位置上。用平行光照亮被测物体A时，其像黑白分明的光强分布使得相应像敏单元上存储载荷了被测物尺寸信息的电荷包，通过 CCD及其驱动器将载有尺寸信息的电荷包转换为如图1右侧所示的时序电压信号（理想化时输出矩形波）[1]。根据输出波形可以测得物体 A 在像方的尺寸再根据成像物镜的物像关系，可找出光学成像系统的放大倍率，便可以用下面公式计算出物体 A 的实际尺寸

2 数据处理

参考物A的尺寸标定：

把A放在物空间，把CCD的像敏面调节到清晰像的位置，此时镜头的物距和像距是确定的数，即镜头的放大倍率β（=像距/物距）是确定值。在做实验前，用游标卡尺或螺旋测微器测量出A

被测物B的尺寸测量：

把参考物A拿走，换上待测物体B。在做实验前，用游标卡尺或螺旋测微器测量出B的实际值。实验仪的测量值为：。这意味着：在测量待测物体的外径尺寸之前，如果我们先测量出参考物体A的测量值：，再得到待测物，就可以得出待测物体B的测量值。物体B的测量误差是：由上可知，的值直接影响测量的精度。

实验得到的测量图形通常如图2所示。在软件界面中先点击【单次】再点击【数据】就可以得到瞬时测量数据。从波形和测量数据可以看出，的值与阈值有关，但只要测量A和B时选用相同的阈值则阈值的选取不会影响外径的测量准确度。实验仪采用的二值化的方法：高于阈值的电压取值为 （新的高电平），低于阈值的电压取值为 （新的低电平），从而得到一个标准的矩形波。矩形波的下降（上升）沿位置对于图2中中央直线与曲线的左（右）交点位置。由于实验仪的暗箱性，所以学生看不到二值化的过程。现在用【数据】中的信息求物体外径的边界像元序号N的值。在图3中，设A的坐标为（a，b）、设B的坐标为（a，c）、设C的坐标为（d，c）、设D的坐标为（e，f），横坐标表示像元序号，纵坐标表示输出电压值。现在求F坐标（e，c）中的e值（即指定电压阈值对应的像元序号）。

图2 CCD像敏面上输出电压波形图

3 结语

用线阵CCD测量物体尺寸是电子科学与技术专业重要的实验项目之一，实验仪的暗箱性不利于学生理解实验数据的处理方案。本文采用的方法避免了高低电压的取值不确定性带来的测量误差，结合MATLAB或C语言编程可以快速地处理实验数据。