第八章CCD應(yīng)用舉例

1、二值化數(shù)據(jù)采集主要適用系統(tǒng)：尺寸測量；尺寸測量原理：在得到的二值化方波脈沖中填入與CCD像敏單元尺寸有關(guān)的高頻時鐘脈沖，并對其中的高頻時鐘脈沖計數(shù)，再乘以單個高頻時鐘脈沖對應(yīng)的尺寸(脈沖當(dāng)量)。被測尺寸=計數(shù)值脈沖當(dāng)量例：采用TCD1206進(jìn)行尺寸測量時，計數(shù)值為50，脈沖當(dāng)量為14m，則被測尺寸為5014=700微米。這里，脈沖當(dāng)量就是當(dāng)用當(dāng)用CCD的復(fù)位脈沖作計數(shù)脈沖時的的復(fù)位脈沖作計數(shù)脈沖時的CCD的象元中的象元中心距。心距。兩種計數(shù)值獲取方法：兩種計數(shù)值獲取方法：硬件邏輯電路、邊沿計數(shù)硬件邏輯電路、邊沿計數(shù)第八章第八章 CCDCCD應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例3737 8.1 CCD8.1 CCD

2、用于一維尺寸的測量用于一維尺寸的測量 8.2 CCD8.2 CCD用于軌道振動的非接觸測量用于軌道振動的非接觸測量 8.3 CCD8.3 CCD高精度細(xì)絲直徑測量系統(tǒng)高精度細(xì)絲直徑測量系統(tǒng) 8.4 8.4 線陣線陣CCDCCD在掃描復(fù)印中的應(yīng)用在掃描復(fù)印中的應(yīng)用 8.5 CCD8.5 CCD用于數(shù)碼相機(jī)用于數(shù)碼相機(jī)直徑直徑測量測量條碼條碼識別識別8.68.6 彩色線陣的工程應(yīng)用彩色線陣的工程應(yīng)用總目錄總目錄CCD應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例1.1.焦點與焦面焦點與焦面F/(像方焦點像方焦點)(物方焦點物方焦點) FAA像方焦平面像方焦平面物方焦平面物方焦平面l 像方焦點：無限遠(yuǎn)軸上的物點所對應(yīng)的像點Fl

3、物方焦點：無限遠(yuǎn)軸上的像點所對應(yīng)的物點Fl 物方焦面：過物方焦點的垂軸平面l 像方焦面：過像方焦點的垂軸平面光學(xué)基礎(chǔ)知識光學(xué)基礎(chǔ)知識焦距垂軸放大率公式垂軸放大率公式（橫向放大率）（橫向放大率）ll定義為像高與物高之比。定義為像高與物高之比。光學(xué)基礎(chǔ)知識光學(xué)基礎(chǔ)知識 孔徑光闌孔徑光闌限制限制成像光束成像光束大小的光闌大小的光闌 視場光闌視場光闌限制限制成像范圍成像范圍大小的光闌大小的光闌光學(xué)系統(tǒng)中，對光束起限制作用的光學(xué)元件稱為光闌。如透光學(xué)系統(tǒng)中，對光束起限制作用的光學(xué)元件稱為光闌。如透鏡的邊框、光孔等。鏡的邊框、光孔等。物A .S.L像孔 徑 光 闌Fy視 場 光 闌光學(xué)基礎(chǔ)知識光學(xué)基礎(chǔ)知識

4、v入射光瞳入射光瞳孔徑光闌經(jīng)其前面的光組在光學(xué)系統(tǒng)物空間孔徑光闌經(jīng)其前面的光組在光學(xué)系統(tǒng)物空間所成的像。入射光束的所成的像。入射光束的入口入口。入瞳入瞳v出射光瞳出射光瞳孔徑光闌經(jīng)其后面的光組在光學(xué)系統(tǒng)像空間孔徑光闌經(jīng)其后面的光組在光學(xué)系統(tǒng)像空間所成的像。出射光束的所成的像。出射光束的出口出口。出瞳出瞳v主光線主光線由軸外一物點發(fā)出并通過入瞳中心的光線叫主由軸外一物點發(fā)出并通過入瞳中心的光線叫主光線。光線?？讖焦怅@、入瞳、出瞳三者之間互為共軛關(guān)系?？讖焦怅@、入瞳、出瞳三者之間互為共軛關(guān)系。 對整個光學(xué)系統(tǒng)來說，出射光瞳也是入射光瞳的像，二者對整個光學(xué)系統(tǒng)是共扼的。孔徑光闌的位置對整個光學(xué)系統(tǒng)而

5、言， 孔徑光闌位于光學(xué)系統(tǒng)的最前端，則孔徑光闌就是入瞳； 若孔徑光闌位于光學(xué)系統(tǒng)的最后端，則孔徑光闌就是出瞳。 入瞳:它決定了光學(xué)系統(tǒng)物方的成像光束的孔經(jīng)角,可看成成像光束的公共的入口。出瞳:它決定了光學(xué)系統(tǒng)像方的孔徑角，可看成成像光束的公共出口。照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)優(yōu)點：亮度高，結(jié)構(gòu)簡單優(yōu)點：亮度高，結(jié)構(gòu)簡單（若忽略光能的損失，則光源像的亮度與光源本身相同，因此，這種方法相當(dāng)于在物平面上放置光源）缺點：照度不均勻缺點：照度不均勻（如果光源表面亮度不均勻，或明顯地表現(xiàn)出細(xì)小的結(jié)構(gòu)，如燈絲等，則會使物體表面照度不均勻，從而使接受器上的光能量分布不均勻，而影響成像質(zhì)量和測量精度 ） 光源經(jīng)過聚光鏡后，

6、成像于物平面上的照明方法，稱為光源經(jīng)過聚光鏡后，成像于物平面上的照明方法，稱為臨界照明臨界照明。照明系統(tǒng)主要由光源和聚光鏡組成。照明系統(tǒng)主要由光源和聚光鏡組成。照明系統(tǒng)的作用是為了使目標(biāo)物得到充分地照明，以保證像平照明系統(tǒng)的作用是為了使目標(biāo)物得到充分地照明，以保證像平面有足夠的照度。面有足夠的照度。v優(yōu)點：照度均勻優(yōu)點：照度均勻v缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)為了克服臨界照明中物面光照度不均勻的缺點，采用柯拉照明。為了克服臨界照明中物面光照度不均勻的缺點，采用柯拉照明?？吕彰骺吕彰鳎簩⒐庠闯上裨谖镧R的入射光瞳處。：將光源成像在物鏡的入射光瞳處。光源經(jīng)柯拉鏡成像在視場光闌處；柯

7、拉鏡經(jīng)聚光鏡成像于物光源經(jīng)柯拉鏡成像在視場光闌處；柯拉鏡經(jīng)聚光鏡成像于物平面上；聚光鏡把它焦點處的視場光闌成像于無限遠(yuǎn)，與成平面上；聚光鏡把它焦點處的視場光闌成像于無限遠(yuǎn)，與成像物鏡的入瞳重合（設(shè)物鏡的入瞳位于無限遠(yuǎn)）。像物鏡的入瞳重合（設(shè)物鏡的入瞳位于無限遠(yuǎn)）。柯拉鏡在光電檢測中在光電檢測中, 常常在生產(chǎn)線上對工件進(jìn)行動常常在生產(chǎn)線上對工件進(jìn)行動態(tài)測量。如測量鋼絲直徑、玻璃管直徑等。態(tài)測量。如測量鋼絲直徑、玻璃管直徑等。對物體對物體(工件工件)大小的測量大小的測量,一般是將物體一般是將物體按一按一定倍率定倍率要求要求, 經(jīng)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像光學(xué)系統(tǒng)成像在在 CCD 的的接收接收面面上。上。光信號

8、轉(zhuǎn)變成電信號后光信號轉(zhuǎn)變成電信號后,經(jīng)微機(jī)處理經(jīng)微機(jī)處理,可數(shù)字顯可數(shù)字顯示測量結(jié)果。示測量結(jié)果。物方遠(yuǎn)心光路物方遠(yuǎn)心光路 1.概念：概念： 為了消除像平面位置的放置誤差而引起的測量誤差，為了消除像平面位置的放置誤差而引起的測量誤差，在物鏡的在物鏡的像方焦平面上加入一個光闌作為孔徑光闌，入瞳則位于物方無像方焦平面上加入一個光闌作為孔徑光闌，入瞳則位于物方無窮遠(yuǎn)，稱為窮遠(yuǎn)，稱為“物方遠(yuǎn)心光路物方遠(yuǎn)心光路”。2. 應(yīng)用：（放大率一定，求被測物長度）應(yīng)用：（放大率一定，求被測物長度） 優(yōu)點：物體不論處于何位置，發(fā)出的主光線都不隨物體位置的移動而變化；優(yōu)點：物體不論處于何位置，發(fā)出的主光線都不隨物體位

9、置的移動而變化； 讀出刻尺面上光斑的中心示值，即可求出準(zhǔn)確的象高。讀出刻尺面上光斑的中心示值，即可求出準(zhǔn)確的象高。物方遠(yuǎn)心光路物方遠(yuǎn)心光路 在物鏡在物鏡L 的像方焦平面的像方焦平面F處設(shè)置孔徑光闌處設(shè)置孔徑光闌, 即物鏡的出瞳即物鏡的出瞳, 其入瞳位于物其入瞳位于物方無限遠(yuǎn)處。方無限遠(yuǎn)處。 物體物體B1B2上各點發(fā)出的光束經(jīng)物鏡上各點發(fā)出的光束經(jīng)物鏡L后后, 其主光線通過光闌中心所在的其主光線通過光闌中心所在的像方焦點像方焦點F , 而其物方主光線均平行于光軸。而其物方主光線均平行于光軸。 如果物體如果物體B1B2正確地位于光電器件接受面正確地位于光電器件接受面 M1M2 相共軛的位置相共軛的

10、位置A1 處處, 則在光電器件上像的長度為則在光電器件上像的長度為M1M2; 如果物體如果物體B1B2 沿光軸方向有所移動沿光軸方向有所移動,不在位置不在位置A1處處, 而在位置而在位置A2處時處時, 那么它的像面那么它的像面B1 B2 將與光電器件接受面不重合，在光電器件上得到將與光電器件接受面不重合，在光電器件上得到的是的是B1 B2 點的投影像。點的投影像。 由于由于 B1 B2 與與M1M2 二者不重合二者不重合, 使像點使像點B1 、B2 在在M1M2上形成彌上形成彌散斑。其中心仍為散斑。其中心仍為M1和和M2點，按此投影像讀出的長度仍為點，按此投影像讀出的長度仍為M2M1。這。這就

11、是說，上述物距改變并不影響測量精度。就是說，上述物距改變并不影響測量精度。人眼與照相機(jī)人眼與照相機(jī) 眼睛如同一只自動變焦和自動眼睛如同一只自動變焦和自動改變光圈大小的照相機(jī)。從光學(xué)角改變光圈大小的照相機(jī)。從光學(xué)角度看，眼睛中三個最重要的部分是度看，眼睛中三個最重要的部分是水晶體、瞳孔和網(wǎng)膜水晶體、瞳孔和網(wǎng)膜，它們分別對，它們分別對應(yīng)與照相機(jī)中的應(yīng)與照相機(jī)中的鏡頭、光闌和底片鏡頭、光闌和底片。系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成：線陣線陣CCD. 光學(xué)成像系統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng). 計算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理計算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理特點：特點：高分辨率、高靈敏度高分辨率、高靈敏度自掃描、非接觸自掃描、非接觸結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)構(gòu)緊湊無需配合

12、復(fù)雜的機(jī)械運動結(jié)構(gòu)無需配合復(fù)雜的機(jī)械運動結(jié)構(gòu)圖像傳感器用于尺寸測量的技術(shù)是非常有效的圖像傳感器用于尺寸測量的技術(shù)是非常有效的非接觸非接觸檢測檢測技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于各種工件的技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于各種工件的在線檢測在線檢測和高精度、高速度的和高精度、高速度的檢測技術(shù)領(lǐng)域。檢測技術(shù)領(lǐng)域。 8.1 CCD 8.1 CCD用于一維尺寸的測量用于一維尺寸的測量一維尺寸的測量實例玻璃管外徑、壁厚尺寸測量儀器設(shè)計用于玻璃管生產(chǎn)線，對相關(guān)尺寸進(jìn)行實時監(jiān)測，控制生產(chǎn)過程用于玻璃管生產(chǎn)線，對相關(guān)尺寸進(jìn)行實時監(jiān)測，控制生產(chǎn)過程.線陣CCD非接觸外徑測量儀典型應(yīng)用：石英玻璃管成品測量儀 另外還完成石英玻璃管的截面積、橢圓

13、度、偏壁度、彎曲度、管重等參數(shù)的測量精度要求為0.01mm;直徑測量范圍:20-50mm;壁厚測量范圍:1.65-9.5mm;管長測量范圍:1000-1600mm;一維尺寸的測量實例玻璃管外徑、壁厚尺寸測量儀器設(shè)計（一）（一） 玻璃管內(nèi)、外徑尺寸測量控制儀器的技術(shù)要求玻璃管內(nèi)、外徑尺寸測量控制儀器的技術(shù)要求 (1) 被測的玻璃管外徑尺寸分為被測的玻璃管外徑尺寸分為20mm，28mm兩種，兩種， 整整個測量儀器的個測量儀器的測量范圍應(yīng)大于測量范圍應(yīng)大于28mm； (2) 儀器測量精度的要求分別為外徑儀器測量精度的要求分別為外徑20土土0.3mm, 28土土0.4mm，壁厚，壁厚1.2土土0.05

14、mm，2土土0.07mm； (3) 儀器顯示內(nèi)容分別為實測玻璃管的儀器顯示內(nèi)容分別為實測玻璃管的直徑直徑、玻璃管的、玻璃管的壁厚壁厚值、上下偏差值及超差報警；值、上下偏差值及超差報警； (4) 儀器執(zhí)行的過程控制為：玻璃管拉制速度、吹氣量及玻儀器執(zhí)行的過程控制為：玻璃管拉制速度、吹氣量及玻璃管產(chǎn)品的質(zhì)量的篩選等控制。璃管產(chǎn)品的質(zhì)量的篩選等控制。玻璃管測量原理框圖玻璃管測量原理框圖123玻璃管的外徑、壁厚測量控制儀器的原理圖玻璃管的外徑、壁厚測量控制儀器的原理圖 由于透射率和光在不同形狀介質(zhì)中的折射的不同使得通過玻璃管的像在上下邊緣處形成兩條暗帶，中間部分的透射中間部分的透射光相對較強(qiáng)，形成亮帶

15、，兩條暗帶的最光相對較強(qiáng)，形成亮帶，兩條暗帶的最外邊的邊界距離為玻璃管外徑所成的像外邊的邊界距離為玻璃管外徑所成的像，中間亮帶的寬度反映了玻璃管內(nèi)徑像的中間亮帶的寬度反映了玻璃管內(nèi)徑像的大小，而暗帶寬則是玻璃管的管壁所成大小，而暗帶寬則是玻璃管的管壁所成的像。的像。SLLCCDFF12 經(jīng)過二值化電路進(jìn)行二值處理，分出外徑和壁厚信號。將外徑、壁厚信號送入到計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并在軟件的支持下計算出玻管外徑和壁厚值，再與公差帶值比較，得到偏差量。然后，一方面保存所測得的偏差量，另一方面根據(jù)偏差的情況給出調(diào)整玻璃管的拉制速度和吹氣量等參數(shù)，隨時調(diào)節(jié)玻璃管，并進(jìn)行分選，將不合格的玻璃管淘汰。 CCD

16、測出的是測出的是被測物體像的尺寸被測物體像的尺寸。 由于光學(xué)成像系統(tǒng)的橫向放大倍率為由于光學(xué)成像系統(tǒng)的橫向放大倍率為，所，所以以被測物體的尺寸被測物體的尺寸 式中，式中，D/為被測物的像的尺寸；為被測物的像的尺寸；n為所測的為所測的脈沖數(shù)；脈沖數(shù)；M為脈沖當(dāng)量（當(dāng)用為脈沖當(dāng)量（當(dāng)用CCD的復(fù)位脈的復(fù)位脈沖作計數(shù)脈沖時，脈沖當(dāng)量沖作計數(shù)脈沖時，脈沖當(dāng)量M為為CCD的象元的象元中心距）；中心距）；為光學(xué)成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)。為光學(xué)成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)。玻璃管測量工作波形圖玻璃管測量工作波形圖玻璃管外徑的值玻璃管外徑的值玻璃管的壁厚玻璃管的壁厚式中，式中，L0為線陣為線陣CCD的像敏單元中心距，的像敏單

17、元中心距，為光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)為光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)玻璃管玻璃管能否得到均勻照明能否得到均勻照明對測量結(jié)果有對測量結(jié)果有很大影響很大影響成像系統(tǒng)采用了成像系統(tǒng)采用了物方遠(yuǎn)心光路物方遠(yuǎn)心光路照明系統(tǒng)需用照明系統(tǒng)需用柯拉照明柯拉照明與之相匹配與之相匹配光源為光源為12V、100W的白熾鎢絲燈，燈絲的白熾鎢絲燈，燈絲尺寸為尺寸為4mm3mm照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)TCD1206UD線陣線陣CCD為光電探測元件為光電探測元件它的像敏單元尺寸為它的像敏單元尺寸為0.014mm0.014mm像敏區(qū)的總長度為像敏區(qū)的總長度為30.24mm滿足測量系統(tǒng)對視場與測量精度的要求滿足測量系統(tǒng)對視場與測量精度的要求線陣線陣CCD的

18、選擇的選擇測量范圍測量范圍和和測量精度測量精度是選擇是選擇CCD的主要依據(jù)的主要依據(jù)被測玻璃管的最大外徑，為被測玻璃管的最大外徑，為28mm0.4mm壁厚的測量精度要求較高，為壁厚的測量精度要求較高，為0.05mm因此，系統(tǒng)的測量范圍應(yīng)大于因此，系統(tǒng)的測量范圍應(yīng)大于28.4mm 二值化電路二值化電路 采用浮動閾值二值化采用浮動閾值二值化 對對CCD像面的光強(qiáng)進(jìn)行采樣，以便消除背景光的像面的光強(qiáng)進(jìn)行采樣，以便消除背景光的不穩(wěn)定帶來的影響不穩(wěn)定帶來的影響峰值保持緩沖級緩沖級RCR1R2RWVHVCCdVbinVth閾值比較器圖 3 浮動閾值電路浮動閾值浮動閾值固定閾值固定閾值正確二值化波形正確二值

19、化波形不正確二值化波形不正確二值化波形 振動測量與試驗一直是工程技術(shù)界重視的課題，對于航空振動測量與試驗一直是工程技術(shù)界重視的課題，對于航空航天、動力機(jī)械、交通運輸、軍械兵器、能源工業(yè)、土木建筑、航天、動力機(jī)械、交通運輸、軍械兵器、能源工業(yè)、土木建筑、電子工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等尤為重要。電子工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等尤為重要。 用線陣用線陣CCD光電傳感器對光電傳感器對鐵軌的震動鐵軌的震動進(jìn)行非接觸的測量方進(jìn)行非接觸的測量方法，該方法適用于橋梁等構(gòu)件振動的非接觸測量。法，該方法適用于橋梁等構(gòu)件振動的非接觸測量。 運用光學(xué)、電子學(xué)、運用光學(xué)、電子學(xué)、CCD光電傳感技術(shù)與微機(jī)數(shù)據(jù)處理技光電傳感技術(shù)與微機(jī)數(shù)據(jù)處理技

20、術(shù)相結(jié)合，克服了接觸式測量方法的缺點，同時，能進(jìn)行多點術(shù)相結(jié)合，克服了接觸式測量方法的缺點，同時，能進(jìn)行多點振動的測量，具有造價低、靈敏度高、安全性好等優(yōu)點。振動的測量，具有造價低、靈敏度高、安全性好等優(yōu)點。 8.2 CCD用于軌道振動的非接觸測量用于軌道振動的非接觸測量8.2 CCD用于軌道振動的非接觸測量用于軌道振動的非接觸測量鐵軌受到機(jī)車的激勵會產(chǎn)生鐵軌受到機(jī)車的激勵會產(chǎn)生受迫振動受迫振動，當(dāng)振，當(dāng)振動量級過大時會使鐵軌產(chǎn)生動量級過大時會使鐵軌產(chǎn)生裂紋、疲勞、斷裂紋、疲勞、斷裂、接觸面磨損、緊固件松動裂、接觸面磨損、緊固件松動，從而提前報，從而提前報廢，嚴(yán)重時甚至?xí)斐绍嚉送龅膽K痛事故

21、，廢，嚴(yán)重時甚至?xí)斐绍嚉送龅膽K痛事故，因此在機(jī)車行車過程中因此在機(jī)車行車過程中對鐵軌的振動狀況檢對鐵軌的振動狀況檢測測已成為鐵路部門的重要課題。已成為鐵路部門的重要課題。2012.02加拿大安大略省南部伯靈頓市一列火車脫軌2014.04黑河開往哈爾濱的K7034次旅客列車脫軌2010.05上海南開往桂林的K859次列車在江西境內(nèi)發(fā)生脫軌2013.07西班牙首都馬德里開往加利西亞自治區(qū)的客車脫軌火車軌道火車軌道工作原理工作原理 圖示為采用線陣圖示為采用線陣CCD測量鐵軌振動的原理圖。將測量鐵軌振動的原理圖。將粘貼在鐵粘貼在鐵軌外側(cè)的軌外側(cè)的黑底白條圖案黑底白條圖案經(jīng)光學(xué)成像物鏡成像到線陣經(jīng)光

22、學(xué)成像物鏡成像到線陣CCD的光敏的光敏面上，線陣面上，線陣CCD的輸出端將得到如圖所示的的輸出端將得到如圖所示的輸出信號輸出信號U0。 黑底白條圖案黑底白條圖案 線陣線陣CCD輸出的輸出的U0信號經(jīng)二值化電路處理后得到圖所示的二信號經(jīng)二值化電路處理后得到圖所示的二值化方波脈沖，脈沖的前沿對應(yīng)于值化方波脈沖，脈沖的前沿對應(yīng)于黑白邊黑白邊N1，而后沿對應(yīng)于，而后沿對應(yīng)于白黑白黑邊邊N2。任一時刻。任一時刻白條中心值白條中心值N應(yīng)為應(yīng)為 122N tNtN t 設(shè)軌道在沒有受到機(jī)車的沖擊時的初始設(shè)軌道在沒有受到機(jī)車的沖擊時的初始(t0時時)位置為位置為N(t)=N(0)，當(dāng)軌道受激振動時（，當(dāng)軌道受

23、激振動時（t0），軌道上的白條圖像在線），軌道上的白條圖像在線陣陣CCD的像敏單元陣列上做上、下的振動。線陣的像敏單元陣列上做上、下的振動。線陣CCD不斷地輸不斷地輸出白條像在像面上不同位置的視頻信號出白條像在像面上不同位置的視頻信號U0。經(jīng)二值化處理電路。經(jīng)二值化處理電路得到每個積分時間內(nèi)的二值化方波，經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路得到軌道得到每個積分時間內(nèi)的二值化方波，經(jīng)數(shù)據(jù)采集電路得到軌道位置位置N(t)值值。 ( )0 tN tNlS式中，式中，l為為CCD兩相鄰像元的中心距；兩相鄰像元的中心距； 為光學(xué)成像系統(tǒng)的橫向放大倍率。為光學(xué)成像系統(tǒng)的橫向放大倍率。 21l NtNtW從而得到時間位移量從而得

24、到時間位移量S(t)與測量值與測量值N1 (t)與與N2 (t)的關(guān)系的關(guān)系 112221(t)(0) (t)(0)t2(t)(t)NNNNSWNN利用上式可以得到利用上式可以得到鐵軌在垂直方向上振動的位移鐵軌在垂直方向上振動的位移S(t)曲線曲線。 N(t)值與軌道的時間位移量值與軌道的時間位移量S(t)的關(guān)系為的關(guān)系為 可以通過可以通過已知的白條寬度已知的白條寬度W隨時進(jìn)行標(biāo)定隨時進(jìn)行標(biāo)定 120002NNN檢測原理檢測原理CCD的位置檢測的位置檢測 為為標(biāo)定和檢驗軌道振動標(biāo)定和檢驗軌道振動的測量儀器的測量儀器，將黑白條標(biāo)，將黑白條標(biāo)志貼在志貼在標(biāo)準(zhǔn)的液壓振動臺標(biāo)準(zhǔn)的液壓振動臺上。該振動臺

25、可以產(chǎn)生已上。該振動臺可以產(chǎn)生已知振幅和頻率的正弦波震知振幅和頻率的正弦波震動。動。 圖圖12-35所示為軌道振動測量儀對標(biāo)準(zhǔn)振動臺進(jìn)行實測所得到所示為軌道振動測量儀對標(biāo)準(zhǔn)振動臺進(jìn)行實測所得到的實測振動波形。根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析，該儀器的振幅測量范圍的實測振動波形。根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析，該儀器的振幅測量范圍為為0.1200mm，測量精度優(yōu)于，測量精度優(yōu)于0.lmm。CCD的選擇的選擇: TCD1500C 5340像元像元 7*7um測試系統(tǒng)組成測試系統(tǒng)組成檢測原理：檢測原理： 鐵軌外側(cè)貼黑底白條，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像（透鏡部分）鐵軌外側(cè)貼黑底白條，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像（透鏡部分）到到CCDCCD光敏元上，振動改變

26、白條在光敏元上，振動改變白條在CCDCCD的像移動，的像移動，關(guān)系式：關(guān)系式： S=(N-NS=(N-N0 0) )L/L/其中：其中：S S為軌道位移，為軌道位移，為光學(xué)系統(tǒng)放大系數(shù)，為光學(xué)系統(tǒng)放大系數(shù)，N N為白條為白條像中心對應(yīng)的值像中心對應(yīng)的值8.3 CCD高精度細(xì)絲直徑測量系統(tǒng)高精度細(xì)絲直徑測量系統(tǒng)氦氖激光器射出的激光束入射到被測細(xì)絲上，在距細(xì)絲一定距氦氖激光器射出的激光束入射到被測細(xì)絲上，在距細(xì)絲一定距離處產(chǎn)生衍射圖樣，離處產(chǎn)生衍射圖樣，CCD接收接收衍射條紋衍射條紋，產(chǎn)生與之相應(yīng)的輸出，產(chǎn)生與之相應(yīng)的輸出信號，經(jīng)低通濾波放大，再經(jīng)信號，經(jīng)低通濾波放大，再經(jīng)A/D變換后送入計算機(jī)進(jìn)

27、行計算變換后送入計算機(jī)進(jìn)行計算和處理。和處理。 激光衍射測量原理激光衍射測量原理衍射衍射/繞射繞射:波能夠繞過障礙物而波能夠繞過障礙物而彎曲地向它后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象，彎曲地向它后面?zhèn)鞑サ默F(xiàn)象，稱為波的衍射現(xiàn)象稱為波的衍射現(xiàn)象波波: 聲、光、電磁、機(jī)械波聲、光、電磁、機(jī)械波障礙物障礙物：大小、形狀對現(xiàn)象均有：大小、形狀對現(xiàn)象均有影響影響現(xiàn)象現(xiàn)象：與波的波長、障礙物的大：與波的波長、障礙物的大小、光源小、光源/觀察的位置有關(guān)觀察的位置有關(guān)衍射測量的特點衍射測量的特點：全場，非接觸，穩(wěn)定性好，自動化全場，非接觸，穩(wěn)定性好，自動化程度高，精度高程度高，精度高單縫衍射的單縫衍射的 特點特點：1）中央明紋最亮

28、、最寬中央明紋最亮、最寬，它，它的寬度為的寬度為其他各級明紋寬度其他各級明紋寬度的兩倍的兩倍2）次級明紋的光強(qiáng)隨級次的）次級明紋的光強(qiáng)隨級次的增加而逐漸減小增加而逐漸減小3）若光程差不等于）若光程差不等于 /2 的的整數(shù)倍，亮度介于最明與最整數(shù)倍，亮度介于最明與最暗之間。暗之間。4）條紋的方向平行于縫的方）條紋的方向平行于縫的方向向5）暗條紋）暗條紋=k 即即b sin = k 式中：式中：d為被測絲徑，為被測絲徑，k為暗條紋級數(shù)，為暗條紋級數(shù)，為激光波長為激光波長632.8nm為被測細(xì)絲到第為被測細(xì)絲到第k級暗條紋的連線與光線主軸的夾角級暗條紋的連線與光線主軸的夾角根據(jù)根據(jù)夫瑯禾費衍射夫瑯禾

29、費衍射公式，可得公式，可得細(xì)絲激光衍射原理細(xì)絲激光衍射原理L為被測細(xì)絲到為被測細(xì)絲到CCD圖像傳感器的距離圖像傳感器的距離Xk為第為第k級暗條紋到中央亮條紋中心的距離級暗條紋到中央亮條紋中心的距離采用線陣采用線陣CCD(TCD1206)作為光電傳感器作為光電傳感器T為工作臺移動的距離；為工作臺移動的距離；N1k和和N2k分別分別為為兩次讀得的左右第兩次讀得的左右第k級暗紋在級暗紋在CCD器器件上的位置件上的位置；l0為為CCD的像單元間距。的像單元間距。檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)由于線陣由于線陣CCD器件的有效長度不足以將衍射條紋覆蓋，將線器件的有效長度不足以將衍射條紋覆蓋，將線陣陣CCD安裝在工作臺上

30、用移動工作臺的方式移動安裝在工作臺上用移動工作臺的方式移動CCD，獲得，獲得如圖如圖12-37中的第中的第k條暗紋的間距條暗紋的間距Sk激光衍射方法測量細(xì)絲的精度在激光衍射方法測量細(xì)絲的精度在于提高于提高L和和Xk的測量精度的測量精度激光測徑儀激光測徑儀8.4 線陣線陣CCD在掃描復(fù)印中的應(yīng)用在掃描復(fù)印中的應(yīng)用1.掃描系統(tǒng)組成掃描系統(tǒng)組成:光學(xué)成像部分光學(xué)成像部分鏡組部分鏡組部分機(jī)械轉(zhuǎn)動部分機(jī)械轉(zhuǎn)動部分轉(zhuǎn)換電路部分轉(zhuǎn)換電路部分(是掃描儀的核心是掃描儀的核心)鏡組現(xiàn)在中高檔的靜電復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)和圖像掃描儀等掃描方現(xiàn)在中高檔的靜電復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)和圖像掃描儀等掃描方式輸入的儀器中基本都式輸入的儀器中

31、基本都采用線陣采用線陣CCD作為光電傳感器作為光電傳感器掃描儀工作原理框圖稿件光源CCD濾色鏡8K3 Color CCDBlueGreenRed圖像傳感器CCD結(jié)構(gòu)2、掃描儀的性能指標(biāo)、掃描儀的性能指標(biāo)光學(xué)分辨率光學(xué)分辨率：反映掃描圖像的清晰程度：反映掃描圖像的清晰程度. . PPI= PPI=光電元件所捕獲的象素點數(shù)光電元件所捕獲的象素點數(shù)/ /掃描掃描 儀最大可掃描的尺寸儀最大可掃描的尺寸色彩位數(shù)色彩位數(shù)：顏色數(shù)量：顏色數(shù)量= 2= 2n n色彩色彩 反映對掃描圖像色彩的區(qū)分能力反映對掃描圖像色彩的區(qū)分能力3232位位4242位位 大于大于30bit30bit色彩位數(shù)才能實現(xiàn)掃描儀色彩校色

32、彩位數(shù)才能實現(xiàn)掃描儀色彩校正正, ,準(zhǔn)確還原本色準(zhǔn)確還原本色.42bit.42bit昂貴昂貴. .掃描寬度掃描寬度A A4 4、 A A4 4加長、加長、 A A3 3 、 A A2 2 、 A A1 1等規(guī)格等規(guī)格灰度等級灰度等級：常見掃描儀：常見掃描儀2020級級掃描速度掃描速度：低速：低速20206060頁頁/ /分鐘分鐘, ,中速中速6060100100頁頁/ /分鐘分鐘 (85(85頁頁/ /分鐘應(yīng)用廣泛分鐘應(yīng)用廣泛) )，高速，高速100100頁頁/ /分鐘分鐘 接口方式接口方式：USB口最有前景口最有前景鏡組部分鏡組部分機(jī)械轉(zhuǎn)動部分：機(jī)械轉(zhuǎn)動部分： 包括步進(jìn)電機(jī)，掃描頭包括步進(jìn)電

33、機(jī)，掃描頭 導(dǎo)軌沿掃描方向有機(jī)械移動導(dǎo)軌沿掃描方向有機(jī)械移動,裝置與裝置與CCD構(gòu)成二維掃描構(gòu)成二維掃描.轉(zhuǎn)換電路部分：轉(zhuǎn)換電路部分： 機(jī)器主板，負(fù)責(zé)機(jī)器主板，負(fù)責(zé)電路的伺服工作。如電路的伺服工作。如A/D轉(zhuǎn)換、伺服驅(qū)動、轉(zhuǎn)換、伺服驅(qū)動、數(shù)字信號處理數(shù)字信號處理采用三個條形反射鏡，使成像采用三個條形反射鏡，使成像物鏡的物距加長而不增大掃描物鏡的物距加長而不增大掃描成像系統(tǒng)的體積成像系統(tǒng)的體積1、數(shù)碼相機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理、數(shù)碼相機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理2、數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)3、數(shù)碼相機(jī)的成像技術(shù)、數(shù)碼相機(jī)的成像技術(shù)4、圖像處理器、圖像處理器5、液晶顯示器、液晶顯示器6、數(shù)碼相機(jī)的影

34、像存儲媒體、數(shù)碼相機(jī)的影像存儲媒體7、數(shù)碼相機(jī)的總體控制電路、數(shù)碼相機(jī)的總體控制電路8.5 CCD用于數(shù)碼相機(jī)用于數(shù)碼相機(jī)CCD用于數(shù)碼相機(jī)用于數(shù)碼相機(jī)2.數(shù)碼相機(jī)與傳統(tǒng)相機(jī)相比數(shù)碼相機(jī)與傳統(tǒng)相機(jī)相比(優(yōu)點優(yōu)點) 即拍即現(xiàn)即拍即現(xiàn) 不必考慮拍攝成本不必考慮拍攝成本(選擇好的打印選擇好的打印,壞的刪掉壞的刪掉) 影像品質(zhì)永遠(yuǎn)不變影像品質(zhì)永遠(yuǎn)不變(0、1信息信息) 可直接編輯使用可直接編輯使用(用于人為設(shè)計網(wǎng)頁等用于人為設(shè)計網(wǎng)頁等) 存儲空間少存儲空間少(不用放底片，照片只存盤不用放底片，照片只存盤)1.圖像傳感器應(yīng)用的最大市場是圖像傳感器應(yīng)用的最大市場是數(shù)碼照相機(jī)數(shù)碼照相機(jī)和作和作為為道路交通控

35、制、安全防范道路交通控制、安全防范等領(lǐng)域的監(jiān)控、監(jiān)管等領(lǐng)域的監(jiān)控、監(jiān)管系統(tǒng)的圖像采集。系統(tǒng)的圖像采集。3 數(shù)碼照相機(jī)的數(shù)碼照相機(jī)的展望展望未來數(shù)碼照相機(jī)以未來數(shù)碼照相機(jī)以CMOS為主導(dǎo)。為主導(dǎo)。核心核心部件部件1、數(shù)碼相機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理、數(shù)碼相機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理CCD或或CMOS圖像傳感器、圖像傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器、圖像存儲器、液晶顯示器、輸出信號處理器、圖像存儲器、液晶顯示器、輸出接口接口從鏡頭前面看進(jìn)去依次是：從鏡頭前面看進(jìn)去依次是：鏡頭保護(hù)玻璃、透鏡部件、光學(xué)低通濾波器、紅外截鏡頭保護(hù)玻璃、透鏡部件、光學(xué)低通濾波器、紅外截止濾光器、止濾光器、CCD保護(hù)玻璃和

36、保護(hù)玻璃和CCD*低通濾波器低通濾波器是光學(xué)濾光器中的一種，其作用是濾除是光學(xué)濾光器中的一種，其作用是濾除空間頻率的高頻成分，這樣可以防止圖像細(xì)節(jié)部分出空間頻率的高頻成分，這樣可以防止圖像細(xì)節(jié)部分出現(xiàn)擬色效應(yīng)，導(dǎo)致出現(xiàn)本來沒有的顏色?，F(xiàn)擬色效應(yīng)，導(dǎo)致出現(xiàn)本來沒有的顏色。*紅外截止濾波器紅外截止濾波器大多采用鍍層或外加濾色鏡的形式。大多采用鍍層或外加濾色鏡的形式。設(shè)置紅外截止濾波器，是由于設(shè)置紅外截止濾波器，是由于CCD圖像傳感器對紅外圖像傳感器對紅外線比較敏感。特殊的紅外截止濾波器會大大提高可見線比較敏感。特殊的紅外截止濾波器會大大提高可見光光圖像的成像質(zhì)量。光光圖像的成像質(zhì)量。2、數(shù)碼相機(jī)的

37、光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)3、數(shù)碼相機(jī)的成像技術(shù)、數(shù)碼相機(jī)的成像技術(shù)*數(shù)碼照相機(jī)成像的質(zhì)量數(shù)碼照相機(jī)成像的質(zhì)量必須對數(shù)碼照相機(jī)的成像芯片給予足夠的關(guān)注必須對數(shù)碼照相機(jī)的成像芯片給予足夠的關(guān)注關(guān)注它的分辨率、尺寸、像敏單元尺寸和制作質(zhì)量關(guān)注它的分辨率、尺寸、像敏單元尺寸和制作質(zhì)量*成像芯片的分辨率成像芯片的分辨率CCD芯片分辨率與拍攝分辨率之間的區(qū)別芯片分辨率與拍攝分辨率之間的區(qū)別CCD芯片分辨率芯片分辨率是指芯片上所具有的是指芯片上所具有的CCD像敏單元數(shù)像敏單元數(shù)；拍攝分辨率拍攝分辨率是指拍攝時實際參與成像的是指拍攝時實際參與成像的CCD像敏單元數(shù)像敏單元數(shù)；拍攝分辨率與插值分辨率之間的區(qū)

38、別拍攝分辨率與插值分辨率之間的區(qū)別插值分辨率插值分辨率是用軟件插值的方法得到的等效分辨率是用軟件插值的方法得到的等效分辨率，插值插值后的像素水平更高了后的像素水平更高了4. 圖像處理器圖像處理器數(shù)字信號處理器數(shù)字信號處理器簡稱簡稱DSP（Digital Signal Processor）是數(shù)碼照相機(jī)的是數(shù)碼照相機(jī)的系統(tǒng)核心部件系統(tǒng)核心部件，通常稱通常稱DSP為數(shù)碼照相機(jī)的心臟為數(shù)碼照相機(jī)的心臟它的主要功能是它的主要功能是DSP可以將設(shè)計者獨創(chuàng)的圖像處理關(guān)鍵技術(shù)寫于芯片內(nèi)而無法被可以將設(shè)計者獨創(chuàng)的圖像處理關(guān)鍵技術(shù)寫于芯片內(nèi)而無法被他人破譯他人破譯,通過一系列復(fù)雜的數(shù)字算法，對數(shù)字圖像信號進(jìn)行優(yōu)通

39、過一系列復(fù)雜的數(shù)字算法，對數(shù)字圖像信號進(jìn)行優(yōu)化處理化處理，包括白平衡、彩色平衡、伽瑪校正與邊緣校正圖像數(shù)據(jù)包括白平衡、彩色平衡、伽瑪校正與邊緣校正圖像數(shù)據(jù)壓縮壓縮數(shù)碼照相機(jī)將拍攝的圖像用液晶顯示器顯示數(shù)碼照相機(jī)將拍攝的圖像用液晶顯示器顯示液晶顯示器液晶顯示器LCD（Liquid Crystal Display）。）。用于取景和查看已拍攝到的圖像，直觀悅目用于取景和查看已拍攝到的圖像，直觀悅目，可將已存儲的影可將已存儲的影像再通過彩色像再通過彩色LCD顯示顯示使用的液晶顯示器可以分為三種類型：使用的液晶顯示器可以分為三種類型：背光型、反射型和采光背光型、反射型和采光型型背光型背光型液晶自身是不發(fā)

40、光的器件液晶自身是不發(fā)光的器件反射型反射型LCD與背光型與背光型LCD相反，反射型相反，反射型LCD主動采入外部光線主動采入外部光線采光型采光型LCD 通過采光窗口采入外部光線通過采光窗口采入外部光線5、液晶顯示器、液晶顯示器6、數(shù)碼相機(jī)的影像存儲媒體、數(shù)碼相機(jī)的影像存儲媒體數(shù)碼相機(jī)中的存儲媒體數(shù)碼相機(jī)中的存儲媒體用于保存影像用于保存影像它是將傳統(tǒng)膠片照相機(jī)中的膠卷在數(shù)碼相機(jī)中變成它是將傳統(tǒng)膠片照相機(jī)中的膠卷在數(shù)碼相機(jī)中變成電電子存儲器或存儲卡子存儲器或存儲卡7、數(shù)碼相機(jī)的總體控制電路、數(shù)碼相機(jī)的總體控制電路數(shù)碼相機(jī)要實現(xiàn)數(shù)碼相機(jī)要實現(xiàn)測光、運算、曝光控制、閃光控制、拍攝邏測光、運算、曝光控制、閃光控制、拍攝邏輯控制輯控制，需要有一個主控程序芯片（，需要有一個主控程序芯片（MCU控制芯片），它是控制芯片），它是整個相機(jī)的工作管理中心整個相機(jī)的工作管理中心。當(dāng)你打開照相機(jī)的電源開關(guān)時，當(dāng)你打開照相機(jī)的電源開關(guān)時，MCU主控電路就開始檢查照主控電路就開始檢查照相機(jī)的各個部件是否處于可工作狀態(tài)相機(jī)的各個部件是否處于可工作狀態(tài)如果有一個部件出現(xiàn)故障，那么如果有一個部件出現(xiàn)故障，那么LCD屏上就會給出一個錯誤屏上就會給出一個錯誤信息指示，并使照相機(jī)停止工作。信息指示，并使照相機(jī)停止工作