线阵CCD尺寸测量原理(衍射法)-后来

使
用
说
明
书
武汉方寸科技有限公司Wuhan CCD Technology Co.Ltd
线阵CCD尺寸原理
（衍射法）
武汉方寸（CCD）科技有限公司
利用线阵CCD进行目标尺寸（含大小、高度、宽度、厚度、直径等技术指标）测量是当前高精度非接触测量以及计量检测领域中广泛应用的技术手段之一。

在工业生产和科学实验中，经常碰到微小几何尺寸的检测问题，如细丝、薄板、狭缝等，不仅费时费力，而且精度不高，不便于实时检测、显示和控制，其应用范围也受到一定的限制。

由线阵CCD传感器、光学系统、信号采集与处理构成的测量系统的使用范围和优越性是现有其它测量方法所无法比拟的。

对利用MCU进行脉冲计数法有详尽描述，可参考。

但有些特殊测量领域，比如被测件尺寸很小，或者被测件要求精度很高（如微米及以下级别等），当采用平行光源对被测件进行照射测量时，由于被测件尺寸过于微小，经过光学系统成像后，往往会发生衍射现象，会出现衍射条纹。

图1 传统线阵CCD脉冲计数法进行尺寸测量
图2 夫琅和费衍射条纹
根据夫琅和费衍射公式，当满足远场条件λ/2d
L>>时，如图2所示，L为被测细丝到CCD靶面上的距离，d为细丝直径，λ为激光波长。

图3 利用线阵CCD进行细丝成像灰度采集与USB传输控制系统根据夫琅和费衍射公式可得到：
θλsin /K d = （1）
式（1）中，n K ,2,1±=，θ为被测细丝到第K 级暗纹的连线与光线主轴的夹角。

细丝经过衍射成像在CCD 靶面上成像如图2所示，当θ很小时，即L 足够大时，L X tg k /sin =≈θθ，代入式（1）得:
S
L K X L X L K d k k λλλ===/ （2） 其中K X S k /=，定义为暗纹周期，则测细丝直径d 转化为用线阵CCD 来测暗纹周期S 。

细丝成像后在CCD 视频信号中所形成的暗纹信号，需要经过高精度的线阵CCD 像元灰度信号采集与USB 传输控制系统，可
暗纹周期信号S 经过USB2.0线阵CCD 数字相机FC-USB-L16采集传输至计算机后，在计算机判断并确定两暗纹之间的像元数s n ，则暗纹周期p n S s
⋅=，其中p 为图像传感器的像元中心距（或者像元大小），代入式（2）后，即可算得细丝的尺寸大小d 。

根据式（2）可以推出，细丝长度直径误差为：
S S
L L S S L d ∆+∆+∆=∆2λλλ （3） 由于激光波长误差λ∆很小可忽略不计，则
S S L
L S d ∆+∆=∆2λλ。

在这里我们以半导体激光器为例来分析其测量精度，半导体激光器的光波长
nm 635=λ, m m m m L 5.01000±=, m d μ500=，则根椐式（2）有：
d = S L λ=323610
1051010635--⨯⨯⨯⨯ =1.27 mm 当CCD 像元选用7m μ，则
ΔS=m μ10)1(1002=±⨯
根据式（3），测量误差
S S L L S d ∆+∆=∆2λλ=）（S S
L L S ∆+∆λ =)27
.1101010005.027.1106353
6--⨯⨯+⨯（ =4.187m μ
由此可知，被测量尺寸越小，测量精度越高（d 越小S 越大），甚至d ∆可达到10-2m μ。