8第八章CCD应用举例概述

• CCD测出的是被测物体像的尺寸。
• 由于光学成像系统的横向放大倍率为β，所
以被测物体的尺寸
• 式中，D/为被测物的像的尺寸；n为所测的 脉冲数；M为脉冲当量（当用CCD的复位脉 冲作计数脉冲时，脉冲当量M为CCD的象元 中心距）；β为光学成像系统的放大倍数。
玻璃管测量工作波形图
玻璃管外径的值 玻璃管的壁厚
对CCD像面的光强进行采样，以便消除背景光的 不稳定带来的影响
VCCd
峰值保持
Vth
缓冲级 CR
缓冲级 RW
R2
VH
R1
阈值比较器
Vbin
图 3 浮动阈值电路
浮动阈值 固定阈值
正确二值化波形 不正确二值化波形
8.2 CCD用于轨道振动的非接触测量
振动测量与试验一直是工程技术界重视的课题，对于航空 航天、动力机械、交通运输、军械兵器、能源工业、土木建筑、 电子工业、环境保护等尤为重要。
● 孔径光阑
限制成像光束大小的光阑
● 视场光阑
限制成像范围大小的光阑
物
L
A.S.
像
孔径光阑
视场光阑
y'
F
光学基础知识
❖ 入射光瞳——孔径光阑经其前面的光组在光学系统物空间 所成的像。入射光束的入口。 入瞳
❖ 出射光瞳——孔径光阑经其后面的光组在光学系统像空间 所成的像。出射光束的出口。 出瞳
❖ 主光线——由轴外一物点发出并通过入瞳中心的光线叫主 光线。
经过二值化电路进行二值处理，分出外径和壁厚信号。将外径、壁厚信
号送入到计算机数据采集系统，并在软件的支持下计算出玻管外径和壁厚值， 再与公差带值比较，得到偏差量。然后，一方面保存所测得的偏差量，另一 方面根据偏差的情况给出调整玻璃管的拉制速度和吹气量等参数，随时调节 玻璃管，并进行分选，将不合格的玻璃管淘汰。
被测玻璃管的最大外径，为28mm±0.4mm 壁厚的测量精度要求较高，为±0.05mm 因此，系统的测量范围应大于28.4mm
TCD1206UD线阵CCD为光电探测元件 它的像敏单元尺寸为0.014mm×0.014mm 像敏区的总长度为30.24mm 满足测量系统对视场与测量精度的要求
二值化电路
采用浮动阈值二值化
测试系统组成
CCD的选择: TCD1500C 5340像元 7*7um
检测原理： 铁轨外侧贴黑底白条，经光学系统成像（透镜部分） 到CCD光敏元上，振动改变白条在CCD的像移动，
关系式： S=(N-N0)•L/β
其中：S为轨道位移，β为光学系统放大系数，N为白条 像中心对应的值
8.3 CCD高精度细丝直径测量系统
系统组成：线阵CCD. 光学成像系统. 计算机数据采集与处理
特点： ➢高分辨率、高灵敏度 ➢自扫描、非接触 ➢结构紧凑 ➢无需配合复杂的机械运动结构
一维尺寸的测量实例——玻璃管外径、壁厚尺寸测量仪器设计 用于玻璃管生产线，对相关尺寸进行实时监测，控制生产过程.
线阵CCD非接触外径测量仪典型应用：石英玻璃管成品测量仪 精度要求为0.01mm; 直径测量范围:20-50mm; 壁厚测量范围:1.65-9.5mm; 管长测量范围:1000-1600mm;
式中，L0为线阵CCD的像敏单元中心距，β为光学系统放大倍数
照明系统
☆玻璃管能否得到均匀照明对测量结果有 很大影响 ☆成像系统采用了物方远心光路 ☆照明系统需用柯拉照明与之相匹配 ☆光源为12V、100W的白炽钨丝灯，灯丝 尺寸为4mm×3mm
线阵CCD的选择
测量范围和测量精度是选择CCD的主要依据
第八章 CCD应用举例37 总目录
8.1 CCD用于一维尺寸的测量
直径 条码 测量 识别
8.2 CCD用于轨道振动的非接触测量
8.3 CCD高精度细丝直径测量系统
8.4 线阵CCD在扫描复印中的应用 8.5 CCD用于数码相机
8.6 彩色线阵的工程应用
CCD应用举例
光学基础知识
1.焦点与焦面
像方焦点：无限远轴上的物点所对应的像点Fˊ
人眼与照相机
眼睛如同一只自动变焦和自动 改变光圈大小的照相机。从光学角 度看，眼睛中三个最重要的部分是 水晶体、瞳孔和网膜，它们分别对 应与照相机中的镜头、光阑和底片。
8.1 CCD用于一维尺寸的测量
图像传感器用于尺寸测量的技术是非常有效的非接触检测 技术，广泛地应用于各种工件的在线检测和高精度、高速度的 检测技术领域。
S
t
[N1
(t)
N1(0)] [N2(t)
2N2(t) N1(t)
N2
(0)]
W
利用上式可以得到铁轨在垂直方向上振动的位移S(t)曲线。
检测原理
CCD的位置检测
为标定和检验轨道振动 的测量仪器，将黑白条标 志贴在标准的液压振动台 上。该振动台可以产生已 知振幅和频率的正弦波震 动。
图12-35所示为轨道振动测量仪对标准振动台进行实测所得到 的实测振动波形。根据实测数据分析，该仪器的振幅测量范围 为0.1~200mm，测量精度优于0.lmm。
用线阵CCD光电传感器对铁轨的震动进行非接触的测量方 法，该方法适用于桥梁等构件振动的非接触测量。
运用光学、电子学、CCD光电传感技术与微机数据处理技 术相结合，克服了接触式测量方法的缺点，同时，能进行多点 振动的测量，具有造价低、灵敏度高、安全性好等优点。
8.2 CCD用于轨wk.baidu.com振动的非接触测量
铁轨受到机车的激励会产生受迫振动，当振 动量级过大时会使铁轨产生裂纹、疲劳、断 裂、接触面磨损、紧固件松动，从而提前报 废，严重时甚至会造成车毁人亡的惨痛事故， 因此在机车行车过程中对铁轨的振动状况检 测已成为铁路部门的重要课题。
孔径光阑、入瞳、出瞳三者之间互为共轭关系。
对整个光学系统来说，出射光瞳也是入射光瞳的像，二者 对整个光学系统是共扼的。
孔径光阑的位置对整个光学系统而言， 孔径光阑位于光学系统的最前端，则孔径光阑就是入瞳； 若孔径光阑位于光学系统的最后端，则孔径光阑就是出瞳。
入瞳:它决定了光学系统物方的成像光束的孔经角,可看成成像光束 的公共的入口。 出瞳:它决定了光学系统像方的孔径角，可看成成像光束的公共出 口。
位置N(t)值。
N(t)值与轨道的时间位移量S(t)的关系为 S t [N (t) N 0] l
式中，l为CCD两相邻像元的中心距；
β 为光学成像系统的横向放大倍率。 N 0 N1 0 N2 0
2
β可以通过已知的白条宽度W随时进行标定
l N2 t N1 t
W
从而得到时间位移量S(t)与测量值N1 (t)与N2 (t)的关系
❖ 优点：照度均匀 ❖ 缺点：结构复杂
物方远心光路
➢在光电检测中, 常常在生产线上对工件进行动 态测量。如测量钢丝直径、玻璃管直径等。 ➢对物体(工件)大小的测量,一般是将物体按一 定倍率要求, 经光学系统成像在 CCD 的接收面 上。 ➢光信号转变成电信号后,经微机处理,可数字显 示测量结果。
物方远心光路
二值化数据采集主要适用系统：尺寸测量；
尺寸测量原理：在得到的二值化方波脉冲中填入与CCD像 敏单元尺寸有关的高频时钟脉冲，并对其中的高频时钟脉冲计
数，再乘以单个高频时钟脉冲对应的尺寸(脉冲当量)。
被测尺寸= 计数值×脉冲当量
例：采用TCD1206进行尺寸测量时，计数值为50，脉冲当 量为14μm，则被测尺寸为50×14=700微米。这里，脉冲当 量就是当用CCD的复位脉冲作计数脉冲时的CCD的象元中 心距。 两种计数值获取方法：硬件逻辑电路、边沿计数
氦氖激光器射出的激光束入射到被测细丝上，在距细丝一定距 离处产生衍射图样，CCD接收衍射条纹，产生与之相应的输 出信号，经低通滤波放大，再经A/D变换后送入计算机进行计 算和处理。
① 在物镜L 的像方焦平面F′处设置孔径光阑, 即物镜的出瞳, 其入瞳位于物 方无限远处。
② 物体B1B2上各点发出的光束经物镜L后, 其主光线通过光阑中心所在的 像方焦点F′ , 而其物方主光线均平行于光轴。
③ 如果物体B1B2正确地位于光电器件接受面 M1M2 相共轭的位置A1 处, 则在光电器件上像的长度为M1M2;
玻璃管测量原理框图 2
3 1
玻璃管的外径、壁厚测量控制仪器的原理图
S
L1
CCD L2
F
F’
由于透射率和光在不同形状介质中的 折射的不同使得通过玻璃管的像在上下 边缘处形成两条暗带，中间部分的透射 光相对较强，形成亮带，两条暗带的最 外边的边界距离为玻璃管外径所成的像， 中间亮带的宽度反映了玻璃管内径像的 大小，而暗带宽则是玻璃管的管壁所成 的像。
照明系统
照明系统主要由光源和聚光镜组成。 照明系统的作用是为了使目标物得到充分地照明，以保证像平 面有足够的照度。 光源经过聚光镜后，成像于物平面上的照明方法，称为临界照明。
优点：亮度高，结构简单（若忽略光能的损失，则光源像的亮度与
光源本身相同，因此，这种方法相当于在物平面上放置光源）
缺点：照度不均匀（如果光源表面亮度不均匀，或明显地表现出细小的
2012.02加拿大安大略省南部伯灵顿市一列火车脱轨 2013.07西班牙首都马德里开往加利西亚自治区的客车脱轨 2010.05上海南开往桂林的K859次列车在江西境内发生脱轨 2014.04黑河开往哈尔滨的K7034次旅客列车脱轨
火车轨道
工作原理
黑底白条图案
图示为采用线阵CCD测量铁轨振动的原理图。将粘贴在铁
④ 如果物体B1B2 沿光轴方向有所移动,不在位置A1处, 而在位置A2处时, 那么它的像面B1′ B2′ 将与光电器件接受面不重合，在光电器件上得到 的是B1′ B2′ 点的投影像。
⑤ 由于 B1′ B2′ 与M1M2 二者不重合, 使像点B1′ 、B2′ 在M1M2上形成弥 散斑。其中心仍为M1和M2点，按此投影像读出的长度仍为M2M1。这 就是说，上述物距改变并不影响测量精度。
轨外侧的黑底白条图案经光学成像物镜成像到线阵CCD的光敏 面上，线阵CCD的输出端将得到如图所示的输出信号U0。
线阵CCD输出的U0信号经二值化电路处理后得到图所示的二 值化方波脉冲，脉冲的前沿对应于黑白边N1，而后沿对应于白黑 边N2。任一时刻白条中心值N应为
N t N1 t N2 t
2
设轨道在没有受到机车的冲击时的初始(t＝0时)位置为 N(t)=N(0)，当轨道受激振动时（t≥0），轨道上的白条图像在线 阵CCD的像敏单元阵列上做上、下的振动。线阵CCD不断地输 出白条像在像面上不同位置的视频信号U0。经二值化处理电路 得到每个积分时间内的二值化方波，经数据采集电路得到轨道
另外还完成石英玻璃管的 截面积、椭圆度、偏壁度、 弯曲度、管重等参数的测 量
一维尺寸的测量实例——玻璃管外径、壁厚尺寸测量仪器设计
（一） 玻璃管内、外径尺寸测量控制仪器的技术要求
(1) 被测的玻璃管外径尺寸分为Φ20mm，Φ28mm两种， 整 个测量仪器的测量范围应大于28mm； (2) 仪器测量精度的要求分别为外径Φ20土0.3mm, Φ28土 0.4mm，壁厚1.2土0.05mm，2土0.07mm； (3) 仪器显示内容分别为实测玻璃管的直径、玻璃管的壁厚 值、上下偏差值及超差报警； (4) 仪器执行的过程控制为：玻璃管拉制速度、吹气量及玻 璃管产品的质量的筛选等控制。
结构，如灯丝等，则会使物体表面照度不均匀，从而使接受器上的光能量分布 不均匀，而影响成像质量和测量精度 ）
照明系统
为了克服临界照明中物面光照度不均匀的缺点，采用柯拉照明。 柯拉照明：将光源成像在物镜的入射光瞳处。
柯拉镜
光源经柯拉镜成像在视场光阑处；柯拉镜经聚光镜成像于物 平面上；聚光镜把它焦点处的视场光阑成像于无限远，与成 像物镜的入瞳重合（设物镜的入瞳位于无限远）。
物方焦点：无限远轴上的像点所对应的物点F
物方焦面：过物方焦点的垂轴平面 像方焦面：过像方焦点的垂轴平面
焦距
A
A
(物方焦点) F
F/(像方焦点)
物方焦平面
垂轴放大率公式 （横向放大率）
β l l
像方焦平面 定义为像高与物高之比。
光学基础知识
光学系统中，对光束起限制作用的光学元件称为光阑。如透 镜的边框、光孔等。
1. 概念： 为了消除像平面位置的放置误差而引起的测量误差，在物镜的 像方焦平面上加入一个光阑作为孔径光阑，入瞳则位于物方无 穷远，称为“物方远心光路”。
2. 应用：（放大率一定，求被测物长度）
优点：物体不论处于何位置，发出的主光线都不随物体位置的移动而变化； 读出刻尺面上光斑的中心示值，即可求出准确的象高。