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
● 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。
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。
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
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。
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
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。
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。
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
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用于轨道振动的非接触测量
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。
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。
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;
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
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;
• 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。
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。
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
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）。
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
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”。