第10章圖像傳感器的典型應(yīng)用實例圖像傳感器的應(yīng)用范圍很廣，應(yīng)用方法也很多。其中在物體外形尺寸測量，物體振動、位置、位移的測量，光學(xué)圖形、圖像的測量，光學(xué)鏡頭傳遞函數(shù)測量，光譜、色譜的探測與分析等領(lǐng)域都有很多實際應(yīng)用的案例。本章所舉一些具有代表性的應(yīng)用案例，具有一定的“時效性”，實例中所用到的器件及數(shù)據(jù)處理方法都尊重當(dāng)時的實況。科技水平的提高，高性能的器件不斷涌現(xiàn)，新的數(shù)據(jù)處理模式也在不斷更新，典型應(yīng)用實例僅起到“拋磚引玉”作用。10.1圖像傳感器用于一維尺寸的測量

10.1.1玻璃管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20mm，28mm兩種，整個測量儀器的測量范圍應(yīng)大于28mm；(2)儀器測量精度的要求分別為外徑（20土0.3）mm，（28土0.4）mm，壁厚（1.2土0.05）mm，（2土0.07）mm；(3)儀器顯示內(nèi)容分別為實測玻璃管的直徑、玻璃管的壁厚值、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、吹氣量及玻璃管產(chǎn)品的質(zhì)量的篩選等控制。10.1.2儀器的工作原理玻璃管外徑、壁厚測量控制儀器的原理方框圖如圖10-1所示。圖10-1測量原理方框圖光源被測目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)信息提取與數(shù)據(jù)采集目標(biāo)達成如何從線陣CCD輸出信號中提取被測信息？需要觀察如圖10-2所示的輸出信號波形。圖10-2CCD輸出信號波形10.1.3線陣CCD的選擇根據(jù)被測玻璃管的最大外徑為28mm±0.4mm，與最高測量精度的要求，為±0.05mm。找到相對測量精度，1.756‰。找尋能夠滿足相對測量精度的線陣—TCD1206SUP。選定線陣CCD器件后，可以對光學(xué)系統(tǒng)提出具體要求，如視場、橫向放大倍率、分辨率等。10.1.4光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)的光路如圖10-3所示。圖10-3

光學(xué)系統(tǒng)光路圖光源聚光鏡燈絲像L2焦面準(zhǔn)直物鏡成像物鏡被測物具體光學(xué)設(shè)計參數(shù)請看教材。10.1.5外徑、壁厚的檢測電路1．二值化電路浮動閾值電路的原理框圖如圖10-4所示。圖10-4浮動閾值二值化電路背景照明信息提供恰當(dāng)時間點提供背景采樣脈沖采集背景閾值保持閾值2．檢測電路圖10-5所示為玻璃管外徑和壁厚的檢測電路原理方框圖。圖10-5檢測電路圖圖10-6為檢測電路的工作波形圖。圖10-6檢測電路工作波形圖玻璃管的外徑值為玻璃管的壁厚為10.2CCD的拼接技術(shù)在尺寸測量系統(tǒng)中的應(yīng)用10.2.1CCD的機械拼接技術(shù)在尺寸測量中的應(yīng)用1.機械拼接采用市場上的單體線陣CCD在測量顯微鏡下將其首尾相拼在一起，叫作CCD的機械拼接。拼接誤差：圖10-8為機械拼接的誤差示意圖。圖10-8機械拼接誤差示意圖2．機械拼接實例要求測量圓柱體的直徑，范圍為2~22mm，精度為土2μm。顯然，采用單個線陣CCD是很難實現(xiàn)在這樣寬測量范圍情況下測量精度又這么高。只能采用拼接測量技術(shù)。采用2只線陣CCD器件，借助于測量顯微鏡等工具，將二者拼接起來構(gòu)成測量組件。如將2片TCD1500C在測量顯微鏡的幫助下可以實現(xiàn)Δx≤10μm，Δy≤10μm，α≤0.03°，γ≤0.3°的要求。測量時，考慮到測量精度的要求需要對被測物放大，并成像于拼接測量組件的像面。合理安排像面與拼接測量組件的位置是非常重要的。如圖10-9所示分三段測量范圍成像在拼接起來的傳感器上，就會滿足測徑儀測量范圍和測量精度的要求。圖10-9像與測量組件的相對位置顯然，必須根據(jù)被測物件的尺寸大小適當(dāng)?shù)恼{(diào)整它們的相對位置。確定了相對位置后才能考慮尺寸測量的計量公式。3.機械拼接的計算公式針對圖10-9所示右側(cè)的相對位置，其計量公式應(yīng)為實際為單一CCD工作情況第二種情況為被測直徑的圖像分別落在兩個線陣CCD上，在這種情況下，計算公式為式中，L為兩個拼接CCD首、末像元的間距。4．機械拼接概念的擴展在一些尺寸較大，尺寸變化并不太大的情況下，可采用兩個線陣CCD分置于被測物的兩測，即用兩個線陣CCD測量被測物體兩個邊緣圖像位置的方法。兩只線陣CCD可以分別構(gòu)成獨立的測量系統(tǒng)，計量公式為式中,N1，N2分別是被測物體邊界在CCD1和CCD2所成的像元數(shù)，β1和β2分別為CCD1和CCD2的成像物鏡橫向放大倍率，L為兩個線陣CCD的間隔。

這時應(yīng)注意線陣CCD安裝的方向，應(yīng)該采用“頭對頭”的安裝方法。10.2.2線陣CCD的光學(xué)拼接為消除兩個拼接線陣CCD首末像元的間隙而利用光學(xué)移像方式設(shè)計光學(xué)拼接的方式。1．光學(xué)拼接原理如圖10-10所示，2只線陣CCD器件在光學(xué)系統(tǒng)的焦面處實現(xiàn)首末像元的無隙拼接。圖10-10光學(xué)拼接原理2．光學(xué)拼接的技術(shù)要求主要是對兩個線陣CCD器件像元陣列的位置要求。包括3個內(nèi)容：(1)搭接要求CCD2的第一個有效像元與CCD1的最末一個有效像元在X方向的距離必須等于所用CCD像元的間距，否則引入如圖10-11所示的拼接誤差Δx。圖10-11拼接誤差與直線性誤差(2)直線性要求CCD2的像元必須與CCD1的像元共線，否則引入如圖10-11所示傾斜偏差Δz。(3)共面性要求兩只CCD器件在同一平面上，保證都在光學(xué)系統(tǒng)的焦面上。否則引起不共面誤差Δy（垂直于圖10-11平面）。當(dāng)然，拼接部件除滿足上述要求外還必須滿足測量環(huán)境的要求，例如對環(huán)境溫度的要求，沖擊與震動的要求等。3．光學(xué)拼接的機械結(jié)構(gòu)具體設(shè)計時，必須充分考慮以下幾個方面。(1)分光棱鏡分光棱鏡是實現(xiàn)拼接的關(guān)鍵部件。對分光棱鏡的光學(xué)材料、角度誤差、透射和反射光波段、分光的比例均有一定的要求。尤其是透射光和反射光光程應(yīng)盡可能相同，確保兩個CCD器件的共面性。(2)微調(diào)機械（構(gòu)）采用修研及微調(diào)機構(gòu)結(jié)合的措施，滿足了微米量級的調(diào)整靈敏度的要求，同時又有較高的穩(wěn)定性。(3)防沖擊與振動關(guān)鍵環(huán)節(jié)是CCD器件和分光棱鏡的壓緊彈簧。彈簧力不足，會使部件剛度差，自振頻率低；彈簧力太大，又會壓壞CCD器件與棱鏡。所以合理的設(shè)計、精巧的裝調(diào)乃是成功的關(guān)鍵。(4)克服溫度變化的影響室外使用的CCD拼接部件的工作溫度范圍從-40℃到+50℃。CCD拼接部件中的三個主要零件(CCD器件、分光棱鏡和金屬框架)的線膨脹系數(shù)有較大的差別。兩個零件應(yīng)有自由伸縮的余地，以便分光棱鏡與CCD器件固定后，在溫度變化時不會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，從而保證棱鏡的光學(xué)成像質(zhì)量，也不使CCD器件的封裝被破壞。伸縮量不能太大，確保調(diào)整好的CCD器件的拼接精度。思考題與習(xí)題10解題思路10.1題，本題在認真復(fù)習(xí)10.1.3節(jié)內(nèi)容后，可找到解題思路。10.2題，本題需要復(fù)習(xí)10.1.3