计算机辅助光学测量研究

目录

摘要 (1)

第1章引言 (2)

第2章系统测量原理 (3)

第2.1节硬件系统 (3)

第2.2节线性CCD器件的工作原理 (3)

第2.3节数模转换（A/D） (4)

第2.4节数据采集软件 (4)

第3章基本实验原理 (5)

第3.1节光线的反射定律和折射定律 (5)

第3.2节单缝衍射原理 (6)

第3.3节细丝衍射原理 (8)

第3.4节光栅衍射原理 (8)

第3.5节不同溶液中的超声波传播速度的测定 (9)

第4章实验研究 (9)

第4.1节单缝宽度测量 (9)

第4.2节细丝直径测量 (11)

第4.3节光栅衍射 (11)

第4.4节不同溶液中的超声波传播速度的测定 (14)

结论 (18)

参考文献 (19)

致谢 (20)

计算机辅助光学测量研究

06测控陈年明

摘要

本文根据单缝夫琅和费衍射原理和计算机辅助光学测量的光学原理，使用一种新型半导体光电器件CCD（charge couple device）和PC机实现了一个图像采集处理系统。该系统由CCD采集系统输入的光点位置信号，通过通信接口将所得结果传至计算机中并由苏州大学物理实验科学与技术学院自主开发设计的软件进行处理。实现测试数据自动采集和实验结果自动输出。该检测手段成本相对较低，具有自动、连续在线检测，非接触，精度高的特点。本文简述了实验原理并给出了应用实例以及实测数据

关键词：计算机；CCD；图像处理技术；数字相关检测技术；夫琅和费衍射

Abstract

This paper is based on the principle of Fraunhoffer diffraction and computer-aided optical metrology, consisting an image gathering and processing system by using a new type of semiconductor photoelectric device-CCD and PC. This system using CCD to receive the single beam of light and acquisitioning, processing the data by microcomputer which with the software developed by SuZhou University. The data can be acquired automatically and the result can be also put out. The automatic real time measurement is non contact and of high precision, and the coasting is comparative lower than other ways. In addition, the principle of experiments, examples and their measurements data are given out. Keywords:Computer, CCD, Image processing technique, Digital correlation measuring technique, Fraunhoffer diffraction

第一章引言

计算机技术的发展特别是高性能，低价格的微型计算机的迅速发展及其广阔的应用已使计算机辅助一词变成一个常用的术语。计算机的应用使得计算机代替了常规的控制器，成为测量设备控制系统的核心部件，为测量设备的实用性、小型化、模式识别技术等在测量系统中得以实现。CCD测量技术是近年来发展迅速的一种非接触式测量技术，主要用于飞行物的瞬时空间位置的测量，其系统由于结构简单，使用方便、测量精度高、实用性强和自动化程度高等诸多优点，已成为现代测量应用的研究热点。计算机图像处理系统在80年代初都由小型计算机构成。近年来，微型计算机的快速发展已使其代替小型机成为图像系统的主机，它得到高性能，低价格，小体积，便携式已收到普遍欢迎。随着光电子技术的发展，涌现出很多特种光电器件，CCD即为新问世的一种新型光电器件，由于它具有尺寸小、重量轻、功耗小，噪声低、动态范围大、线性好、光谱响应范围宽、几何结构稳定、工作可靠等优点，因而在物体外形测量、表面检测、图像传感等方面得到了广泛的应用。为了加深对光的波动性的理解，得到由光的反射或衍射产生的直观的光强分布曲线，近些年来，CCD器件正越来越多地被应用于光学测量。

本文提出一种新的数字散斑照相计量方法，分别在激光衍射及自然光照明下对被测量物体进行研究，通过一种快捷的图像处理技术，直接提取物体所含的信息。该方法将CCD和计算机相结合，利用计算机技术进行实时数据采集，直接测量光强的分布，运用CCD作为光电转换器件，以图形显示作为结果输出。突破传统光测得激光照明及傅里叶变换模式，实现光测量技术真正自动化。这种先进的光学实验方法为传统的实验增加了新的科技内容。

第2章系统测量原理

2.1 硬件系统

基本测量系统由光路部分，CCD及驱动电路系统，A/D转换（模数转换），微机处理系统等组成。

衍射图样直接成在CCD的光敏阵列面上，可满足CCD所要求的成像清晰、透光强、杂散光少、像面照度均匀等特点，而且可减少测量误差。CCD通过一组时序脉冲的驱动控制实现对图样的实时光电转换与信号读出。

测量的实现主要靠CCD驱动电路，其驱动电路由晶体振荡器和频率发生电路分频两个部分组成，用来产生CCD过程所需要的驱动始终频率和+12V电压。由晶体振荡器的脉冲信号源产生主时钟脉冲，此脉冲经可编程逻辑器件产生四路驱动脉冲，在这四路驱动脉冲的作用下，TCD1206输出二路信号，将此输出信号再送到放大器进行差分放大，用控制脉冲作为行同步，得到CCD输出信号。

2.2 线阵CCD器件的工作原理

图2.1 MOS光敏元

线阵CCD器件是由MOS光敏元列阵，读出位移寄存器等部分组成，MOS光敏元（见图2.1）是在半导体基片上生长一个具有介质作用的氧化物，又在其上沉积一层金属电极。根据半导体原理，当在金属电极上施加一正电压时，在电场作用下电极下的半导体基片区域里有空穴被赶尽，从而形成一个势能很低的区域——势阱，当一定波长的入射光照射