光電检测技术实验指导书(2013新).doc

实验一 面阵CCD尺寸测量实验 一、实验目的 ① 用面阵CCD摄像头与图像数据采集系统测量实际物体外形尺寸是CCD最广泛应用的领域，在尺寸测量应用中存在着许多实际问题。如何将这些实际问题分解成一个个的分立问题是学习和掌握该方法的关键。本实验采用标准几何图形代替实际被测物，可以将一些不必要的问题排除在外，突出主要问题； ② 通过对标准图形的点、线、面的测量过程掌握应用面阵CCD进行尺寸测量的基本方法； ③ 通过对标准图形的点、线、面的测量过程掌握应用面阵CCD进行尺寸测量，掌握测量范围、精度和测量时间等问题。 二、实验准备内容 复习矩形、圆、三角形等典型几何图形的点、线、面的基本计算公式。 三、实验所需仪器设备 ① 带有USB2.0输入端口的计算机； ② MXY6001彩色面阵CCD多功能实验仪一台。 四、实验内容及步骤 1、开机过程 ① 将被测的标准图片实心圆安装在“被测物夹持架”上，将USB接口线正确连接到计算机上； ② 将外置面阵CCD摄像机的镜头盖打开； ③ 打开实验仪的电源开关； ④ 将视频切换按钮按下，切换指示灯点亮表明采集外置CCD摄像机的图像信号； ⑤ 运行“面阵CCD尺寸测量实验”程序； ⑥ 点击 “连续”按钮，将显示外置摄像头所采集到的图像，如图1.1，调整CCD摄像头与测量图片的相对位置使计算机显示的图像尽量清晰，在图像上移动鼠标，则软件右上方的“鼠标当前位置及灰度”区域的文本框将显示图像当前位置点及灰度值。 图1.1尺寸测量界面 2、关于点数据的测量 单击“停止”按钮，然后在图像上移动鼠标，观察实心圆的灰度值和背景灰度值，选择合适的阈值（介于背景灰度和实心圆灰度之间，稍大于实心圆的灰度值），并设置待测的行和列，点击如图1.1所示的 “计算”按钮，将在“测量结果”区域显示计算的水平尺寸（待测行的尺寸）和垂直尺寸（待测列的尺寸）。 3、比例系数的计算 如果已知圆的直径和对应的像元个数，那么就可以在“比例系数”区域的两个文本框输入对应的值，然后点击“计算”比例系数，就可以计算当前物像关系下的比例系数，然后再单击“计算”尺寸按钮就可以计算出被测物的实际尺寸。 显然，若光学系统存在畸变，就要对不同视场分别进行标定或进行更高精度的图像数据处理工作。 7、关机与结束 ① 保存采集的图像； ② 退出实验软件，将计算机关掉； ③ 关掉实验仪的电源； ④ 盖好镜头盖； ⑤ 将被测图片，其他工具放回原处。 五、实验总结 写出实验总结报告，理解面阵CCD 尺寸测量的原理。 实验二 利用线阵CCD 进行物体外形尺寸的测量 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、实验原理 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 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2-1 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 及其驱动器将载有 尺寸信息的电荷包转换为如图2-1 右侧所示的时序电压信号（输出波 形）。根据输出波形，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′ /β （2-1） 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2-1 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2-2 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2-2 所示UG 的信号所表征的边缘信息，采用如图2-3 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