实验十二 利用线阵CCD进行物体外形尺寸的测量

一、实验目的

通过本实验掌握利用线阵CCD进行非接触测量物体尺寸的基本原理和方法，用实例 探讨影响测量范围、测量精度的主要因素，为今后设计提供重要依据。

二、实验准备内容

1. 利用线阵CCD进行非接触测量物体尺寸的基本原理

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显示出十分重要的应用价值。

CCD 输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体震动（振动）等的测量。如图3-1所示为测量物体外形尺寸（例如棒材的直径D）的原理图。将被测物体A置于成像物镜的物方视场中，将线阵CCD 像敏面恰好安装在成像物镜的最佳像面位置上。 当被均匀照明的被测物体A通过成像物镜成像到CCD的像敏面上时，被测物体像黑 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

。根据驱动器将载有尺寸信息的电荷包转换为如图3-1右侧所示的时序电压信号（输出波形）输出波形，可以测得物体A在像方的尺寸D ，再根据成像物镜的物像关系， 找出光学成像系统的放大倍率β，便可以用下面公式计算出物体A的实际尺寸D

D D /

（3-1）

显然，只要求出D ，就不难测出物体A 的实际尺寸D。

线阵CCD的输出信号UO随光强的变化关系为线形的，因此，可用UO模拟光强分布。 采用二值化处理方法将物体边界信息（图3-1 中的N1与N2）检测出来是简单快捷的方法。 有了物体边界信息便可以进行上述测量工作。

2.二值化处理方法

图3-2所示为典型CCD输出信号与二值化处理的时序图。图中FC信号为行同步脉冲，FC的上升沿对应于CCD 的第一个有效像元输出信号，其下降沿为整个输出周期的结束。UG为绿色组分光的输出信号，它为经过反相放大后 的输出电压信号。为了提取图3-2 所示UG的信号所表征的 边缘信息，采用如图3-3 所示的固定阈值二值化处理电路。

该电路中，电压比较器LM393的正输入端接CCD 的输出信号UG，而反相输入端接到由电位器R2的动端，产生的可调的阈值电平，可以通过调节电位器对阈值电平进行设置，构成固定阈值二值化电路。经固定阈值二值化电路输出的信号波形被定义为TH，它为方波脉冲。

再进行逻辑处理，便可以提取出物体边缘的位置信息N1和N2。N1与N2的差值即为被测物体物体A在CCD像面上所成图像占据的像元数目。在像方的尺寸D 为

D N N L

2

1

（3-2）

式中，N1与N2为边界位置的像元序号，L0为 CCD 像敏单元的尺寸。因此，物体的外径D应为

图3-3二值化电

D

（3-3）

3. 二值化处理电路原理方框图

二值化处理原理图如图3-4所示，若与门的输入脉冲CRt为CCD驱动器输出的采样脉冲SP，则计数器所计的数为（N2－N1），锁存器锁存的数为（N2－N1），将其差值送 入（N2－N1）LED数码显示器，则显示出（N2 －N1）值。

同样，该系统适用于检测物体的位置和它的 运动参数，设图3-1 中物体A在物面沿着光轴做 垂直方向运动，根据光强分布的变化，同样可以 计算出物体A的中心位置和它的运动速度、震动（振动）等。

三、实验所需仪器设备

1、LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪一台；

2、装有VC++软件及相关实验软件的PC计算机或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台一台；

四、实验内容及步骤

1．实验内容

（1）建立非接触测量物体外形尺寸的基本结构； （2）观测二值化处理过程中CCD的输出信号；

（3）在进行二值化阈值电平调整的过程中，观察阈值电平的调整对测量值的影响； （4）进行光学系统放大倍率的标定； （5）进行非接触测量被物体外形尺寸的测量；

（6）通过改变有关参数，观察对测量值的影响，分析影响物体尺寸测量的主要因素。

2．实验步骤

（一）实验准备

(1) 将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器的电源和多功能实验仪的电源插头均插入交流220V插座上；

(2) 打开仪器上盖，旋下旋转滚筒轴上的禁锢螺钉，将旋转滚筒拿下来，使实验仪 的测试台像如图3-5所示的尺寸测量系统，然后将被测干件插入如图3-5所示的安装位置上；

图3-5线阵CCD应用开发实验仪

(3) 打开实验仪电源开关，启动计算机，并进入物体尺寸测量软件，将在屏幕上弹 出如图3-6所示的物体外形尺寸测量实验软件界面；

图3-6所示界面中尽管标写“LCCDAD-Ⅱ”字样，照样适用于“LCCDAD-Ⅱ-A型”实验仪。其中“打开”菜单是为打开原来曾保存过的数据文件进行察看而设，“保存”菜 单为将所测量的数据保存到指定文件夹而设定。实验时点击“连续”菜单，仪器便执行连 续采集线阵CCD的输出信号；其中“单次”是只采集线阵CCD输出一行的信号，并将其显示在计算机界面上；“数据”与“曲线”菜单分别用来以数据方式还是以曲线波形方 式显示所采得的数据信号；“0ms”为曲线波形在计算机界面上停留显示的最短时间，以 便实验者能够快速地观测到信号波形的变化，但是它不可能为“零”，它与计算机的性能 有关。它右边的“三角箭头”是显示时间的选择下拉菜单，点击菜单上的下拉箭头可以选择更长的显示时间便于观察；“积分时间”和“驱动频率”等也都可以通过相应的下拉箭 头进行选择，积分时间为16 档，驱动频率为4 档可调。

（二）光学成像系统放大倍率β的标定

（1）将直径为5mm的“试件”插入安装装置，执行“物体尺寸测量实验”软件，弹出如图3-6所示的测量尺寸软件界面；同时远心照明光源被点亮；

（2）在尺寸软件界面上选中“连续扫描”菜单，计算机显示器出现含有被测“试件”外径尺寸信息的波形如图3-7所示；

（3）在测量界面上设置驱动频率或积分时间，使输出信号的幅度在适宜观测的程度，但是，一定不要使CCD 工作到饱和状态；

（4）调整物镜的焦距使如图3-7所示输出信号曲线的斜率尽量陡；

图3-7尺寸测量软件界面

（5）停止采集后，界面进入到如图3-8所示的光学放大倍率的测量与设定软件界面， 并在界面的底部用文字方式提示实验者应该执行的步骤，如图3-8 中提示的“请将标准棒 插入测试槽中，观察数据曲线。，”实验者应该按着提示将φ5的测试棒插入测试槽中。然 后根据曲线波形调节驱动频率与积分时间使信号波形输出幅度适合测量需要（注意绝对不 能使CCD输出信号波形出现“饱和现象”，否则严重影响测量精度）。如图3-8 中设定积 分时间为“6”档，驱动频率为“0”档时输出信号波形较为理想；

（6）选择适当的阈值，二值化阈值电平的选择原则是能够检测出物体的真正外形尺寸 值。例如，在如图3-8所示输出波形图上可以看出，波形幅度的一半处能够反映物体的外形尺寸信息，此处曲线的变化率也最大，为此可以选定阈值为“127”，再执行“下一步”， 界面弹出下一步操作的提示；

（7）调整光学成像系统的焦距与光圈，注意观察输出信号波形，使信号波形中反映尺 寸信息的变化边缘越陡成像光学系统调整得越佳，测量系统的精度越高。调整好光学系统 后执行下 一步；

图3-8 光学放大倍率测量与设置软件界

（8）在软件界面的提示下进行操作，将用卡尺或千分尺测量的标准被测物尺寸值输入 到如图3-9 所示的“已知值”输入框中，再执行“下一步”，软件自动计算出光学系统的 放大倍率β并显示在新弹出如图3-10 所示的界面上；再点击“下一步”，出现点击“完成”， 便将测得的放大倍率存入计算机内存，为本实验的测量工作使用；

实验3-9 尺寸测量实验光学系统放大比率的标定

标定好光学系统放大倍率后测量系统就可以对如何安装在指定位置上的任何物体的外形尺寸进行测量实验，例如对仪器提供的3mm、8mm棒材的外径尺寸进行测量实验。

实际的物体外形尺寸的测量仪器都需要上述的标定过程，只有经过上述标定才能够应用于 实际工程中。

图3-10尺寸测量系统光学放大倍率标定

（9）也可以用最原始的数据测量光学系统放大倍率，当调整好光学成像系统的焦距后，停止采集，选择“数据结果”菜单，察看线阵CCD 所有单元的数据，观察相邻两个像元数据的变化率，将发生由大变小变化率最大处的像元序列值（位置值）记为“N1”， 将由小变大过程中变化率最大处的像元序列值记为“N2”，将所观察到的N1与N2值填入 表3-1，重复上述过程，进行多次测量后，再将测量值代入公式（3-1），便可以获得光学 系统的横向放大倍率β。

7

（Ni2 Ni1）

7D

（3-1）

式中D为校正所用物体的直径，测量次数根据统计理论应该是奇数次，这里取7 次。

表3-1光学放大倍率β的测量

（三）、非接触测量物体的外形尺寸

（1）保持上述设置不变，取下测量光学系统放大倍率标准件，装上其他尺寸的被测件， 盖

上盖。连续记下10组数据，填入表3-2，计算出被测件的实际尺寸。

改变积分实间和二值化阈值电平继续测量物体尺寸，观察、分析测量条件对测量结果

的影响，为此先调出二值化实验软件 （2）将阈值电平的二进制数值设为98，测量出物体直径的一组相关数据，填入表3-2， 计算出被测杆件的直径D。

（3）再调整阈值至127，测量一组数据，填入表3-2，计算出被测杆件的直径，观察阈值电平改变前、后被测杆件直径值的变化。

（4）若调整阈值调至150，再测量一组数据，计算出被测杆件的直径，观察阈值电平改变前、后被测杆件直径值的变化。

（5）改变积分时间后，再重复上述实验，观察CCD输出信号波形的变化，同时纪录测量值的变化。

（6）当线阵CCD开始出现饱和状态后，再观测被测物尺寸的变化情况，进入深度饱和后测量结果有何变化？

表3-2被测件外径的测量

上述实验完成，并达到实验目的，便可结束实验。 （1）将软件程序退出，再关闭计算机系统； （2）关闭实验仪的电源； （3）将总电源关闭；

（4）将实验仪器及其用具收拾好，工具放到指定位置；

（5） 将所做实验数据交于实验指导老师审查，合格后方可离开实验室。 四、实验总结

1、写出实验总结报告，解释为何两种阈值下测量结果有差异，造成这种差异的原因 有几点。

2、 固定阈值二值化测量方法有什么优点？其缺点又是什么？为什么在野外测量时一定要采用浮动阈值二值化测量方法？

3、 你能设计硬件浮动阈值二值化测量的具体电路吗？ 4、 积分时间的变化是否对测量值有影响？在什么时候会有影响？为什么进行尺寸测量时必须使CCD 脱离饱和区？

5、如果线阵CCD的工作已经进入饱和工作状态，试问上述实验测得的结果会如何变化？

附录一 TCD2252D手册

TCD2252D是一种高灵敏度、低暗电流、2700像元的内置采样保持电路的彩色线阵CCD图像传感器。该传感器可用于彩色传真、彩色图像扫描和OCR。它内部包含3列2700 像元的光敏二极管。该器件工作在5V驱动（脉冲）、12V电源条件下。

一、 结构特点：

TCD2252D具有以下一些结构特点：

1、像敏单元数目：具有3 行三原色R、G、B并行的像元阵列，每行均为2700 像元； 2、像敏单元尺寸为：8 m 8 m 8 m（相邻像元中心距亦为8 m） ；

3、光敏区域：每像敏单元均采用高灵敏度、低暗电流的PN结工艺制造而成； 4、相邻两光敏阵列之间距：64 m；

5、驱动脉冲：0~5V的二相脉冲，内部具有采样保持电路、箝位电路和电平转移电路； 6、封装形式：22脚WDIP22-G-400-2.54A 封装； 二、特性参数：

如表FB1-1所示为TCD2252D器件的各项特性参数，其测试条件为：环境温度为室温Ta 25℃，电源电压VOD 12V，驱动脉冲高电平为VCR VRS VSH 5V，驱动频率为

fCR 0.5MHZ，复位脉冲频率为fRS 1MHZ，积分时间为tINT 10ms，输入阻抗 100KΩ，光源为A光源+CM500S滤光片的情况下测得的各项参数。

表FB1-1TCD2252D的特性参数

三、电路原理图

TCD2252D的原理结构如图Ft1-1所示。

每路线阵CCD 都为双沟道型线阵列结构，分别经SH1、SH2和SH3进行转移。它有三个信号输出端，分别为OS1、OS2 与OS3，OS1输出经绿色滤光片过滤后生成的

信号；OS2输出经蓝色滤光片过滤后生成的信号；OS3输出经红色色滤光片过滤后生成的信号；

（1）管脚分布顶视图

彩色线阵CCD 器件TCD2252D的顶视图如图Ft1-2 所示，将3条线阵CCD的基本 结构制造在同一片硅片上，其上覆盖三原色 滤色片构成如图Ft1-2所示器件。

（2）管脚定义：

如表FB1-2所示为TCD2252D 的管脚定义与功能介绍。

表FB1-2TCD2252D管脚定义

（3）驱动脉冲波形图

TCD2252D的各路驱动脉冲波形与输出信号波形如图Ft1-3所示，其中转移脉冲SH与其他驱动脉冲如CR、SP、RS、CP 等的相位关系如图Ft1-4 所示。它反映了行转移过程 的时序和相位关系。而反映串行输出过程的驱动脉冲CR1与CR2的相位关系如图Ft1-5所示。驱动脉冲与输出信号之间的相位关系如图Ft1-6所示。

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四、CCD驱动波形与同步脉冲的关系：

由于TCD2252D 器件本身的驱动脉冲较多，为了便于实验，本实验仪器只提取了部分信号供实验测量，对应关系如下：

1、实验仪上CR1信号对应于该器件管角定义的CR1A1、CR1A2和CR1B信号。 2、实验仪上CR2信号对应于该器件管角定义的CR2A1、CR2A2和CR2B信号。 3、实验仪上RS信号对应于该器件管角定义的信号。 4、实验仪上CP信号对应于该器件管角定义的5、实验仪上SP信号对应于该器件管角定义的 CCD第一有效输出信号（如图FT1-7 所示）。

信号。

信号。

6、实验仪FC信号定义如下：FC信号周期与SH信号周期相同，FC信号上升沿对应于

TCD2252D器件的光谱响应如图Ft1-8 所示。分别在420nm短波段（蓝色）、550nm 的中波段（绿色）和650nm的中波段（红色色）响应交强。

附录二 TCD1251UD

TCD1251UD是一种高灵敏度、低暗电流、2700像元的线阵CCD图像传感器。该传感器可用于传真、图像扫描和OCR。该器件包含一列 2700像元的光敏二极管，当扫描一张A3 的图纸时，可 达到8线/毫米（200DPI）的精度；或者当扫描一张A4 的图纸时，可达到12 线/毫米（300DPI）的精度。其外形如图Ft2-1所示，为WDIP22-G-400-2.54A封装的器件。

一、结构特点：

TCD1251UD具有以下一些结构特点： 1、像敏单元数目：单行，2700像元；

2、像敏单元尺寸为：11 m 11 m（相邻像元中心距亦为11 m）；

3、光敏区域：每像敏单元均采用高灵敏度、低暗电流的PN结工艺制造而成； 4、驱动脉冲：0~5V的二相脉冲，内部具有采样保持电路、箝位电路和电平转移电路； 5、封装形式：22脚WDIP22-G-400-2.54A封装；

二、光学与电气特性参数：

（1）极限工作值：TCD1251UD的极限参数如表Fb2-1 所示，工作时千万不能超过极 限值，否则将损坏器件（详见注释1）。

表Fb2-1TCD1251UD的极限参数

（2）管脚定义：

TCD1251UD的管脚定义如表Fb2-2所示。

（3）电路原理图：

（4）光学╱电子特性参数：

表FB2-3所示为TCD1251UD的光学/电子特性参数其测试条件为：环境温度为室温 Ta 25℃，电源电压VOD 12V，驱动脉冲高电平为VCR VRS VSH 5V，驱动频率为fCR

0.5MHZ，复位脉冲频率为fRS 1MHZ，积分时间为tINT 10ms，输入阻抗 100KΩ，光源为A光源+CM500S滤光片的情况下测得的。

表FB2-3TCD1251UD的参数

采用LED光源（λ=567nm）测量值为：22.7V╱lx.s;（注释3）此为50% SE饱和曝光量（典型值）下测定。

PRUN 定义为： PRNU

x x

（ ）

式中为均匀照度下全部输出信号的平均值， x为输出信号与的最大偏差值。

（注释4）此为SE50%饱和曝光量（典型值）下测定。RI

定义如下：

2699

RI

n 1

x x

n

n 1

2699 x

100（ ）

其中xn与xn 1 为相邻两个像敏单元的输出信号，x为所有输出信号的平均值。

（注释5）VSAT为所有有效像敏单元的最小饱和输出电压。 （注释6）SE定义如下：

SE

VSAT

（lx·s） R

（注释7）VDRK为所有有效像敏单元的暗信号电压平均值。DSNU 定义为在VMDK 为最大暗信号电压条件下VDRK与 VMDK 的差值。如图FT2-4所示。

（注释8）DR 定义为：DR

VSAT

VDRK

因VDRK与tINT（积分时间）成比例，所以tINT越短则 DR值越大。

（注释9）直流信号输出电压与直流补偿输出电压 定义如图FT2-5所示：

（注释10）PRNU(3)在5% SE饱和曝光量（典型值）下测定，定义为相邻两个像元的最大电压值。

（注释11）随机噪声定义为在无光照条件下相邻的有效像元的标准输出的偏差值σ。标准输出的偏差值σ的定义如图FT2-6所示，随机噪 声可以通过下面的过程公式进行计算：

1) 在一次读出过程中，像元n和 n+1的位置相对固定。

2) 在视频输出周期内的200ns区间内采样，得到Vn和Vn+1。

3) ΔV =Vn–Vn+1

4) 重复步骤2)、3)30次，得到：

1 Vi30j 1

30

5) 重复步骤2)、3)、4)30次，得到：

6) 随机噪声=

1 j

10j 1

1 2

10

（5）驱动脉冲电平:

驱动脉冲工作电平如表FB2-4所示。

（6

）驱动脉冲时间相应特性：（Ta 25℃）

反映线阵CCD器件时间相应特性的具体指标为时钟脉冲频率与复位脉冲的频率和各驱动脉冲电极的电容特性。表FB2-5描述它的时间相应特性。

表FB2-5TCD1251UD时间相应特性

如表FB2-6 所示为TCD1251UD驱动脉冲之间的相位关系（时间间隔特性）。这些时

间关系特性在设计线阵CCD驱动器时是选择器件、电路的重要依据。

表FB2-6驱动脉冲相位关系

RS（7）器件的光谱响应特性

TCD1251UD的光谱响应特性如图Ft2-8所示；如图Ft2-9所示为线阵CCD输出电压与积分时间的关系特性；如图Ft2-10 所示为线 阵CCD在X与Y方向的光学调制函数特性。