光电传感器应用技术 教学课件 ppt 作者 王庆有 第13章 第1节
第13章 图像传感器的典型应用实例,13.1 图像传感器用于一维尺寸的测量,图像传感器的应用范围很广，应用方法也很多。为深入学习和掌握图像传感器技术，介绍一些典型应用实例，其中包括在物体外形尺寸测量，物体振动、位置、位移的测量，光学图形、图像的测量，光学镜头传递函数测量，光谱、色谱的探测与分析等领域的典型应用的实例等。,13.1.1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20mm，28mm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20土0.3mm，28土0.4mm，壁厚1.2土0.05mm，2土0.07mm；,13.1.2仪器的工作原理,(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。,玻璃管的外径、壁厚测量控制仪器的结构原理如图13-1所示。,由于透射率和光在不同形状介质中的折射的不同使得通过玻璃管的像在上下边缘处形成两条暗带，中间部分的透射光相对较强，形成,亮带，两条暗带的最外边的边界距离为玻璃管外径所成的像，中间亮带的宽度反映了玻璃管内径像的大小，而暗带宽则是玻璃管的管壁所成的像。 线阵CCD图像传感器在驱动脉冲的作用下完成光电转换并产生如图13-2所示波形的输出信号。,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。,一方面保存所测的偏差量，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，调节玻璃管，另外进行分选，将不合格的玻璃管淘汰。,13.1.3 线阵CCD的选择,测量范围和测量精度是选择CCD的主要依据。采用同一只线阵CCD测量玻管外径和壁厚，因而，测量范围应大于28.4mm，相对测量精度应高于1.756，即应选择像元数超过1000像元的线阵CCD才能满足测量系统对精度的要求。当考虑到系统应该具有更大的视场，并满足测量精度的要求。为此，应选用具有2160个有效像元的线阵CCD，TCDl206UD型为光电检测器件。它的测量范围应大于28.4mm，相对精度高于0.5 。,13.1.4 光学系统设计,光学系统的作用是将被测玻璃管成像在CCD光敏面上。为消除拉制温度及背景光的影响，应配备带通滤光片，只允许照明系统的光谱能量通过光学成像系统。,光学系统由成像系统和照明系统两部分组成，光学系统的光路如图13-3所示。,1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。由于成像系统采用了物方远心光路，因此照明系统需用柯拉照明方式与之相匹配。在图13-3中，由灯丝2y0、集光镜L1、聚光镜L2和光阑P1、P3组成柯拉照明系统。,应满足下面关系：灯丝2 y 0经集光镜L1成像于聚光镜L2的物方焦平面F2处，再经聚光镜L2成像于无限远且与成像系统的入射光瞳重合。被灯丝照亮的集光镜L1(或光阑P3)经聚光镜L2成像于物平面AB处。设被照明的物体直径为2 y，物镜的物方孔径角为U，灯丝长度为2 y o，则根据以上成像关系，照明系统的外形尺寸可根据图13-3计算得出。,(1) 聚光镜L2的口径DL2,为使玻璃管位置变化时，仍使玻璃管AB得到均匀的照明；则聚光镜L2的口径要足够大，由图可知,（13-1）,式中，l'2为物面到聚光镜L2的距离。此式说明聚光镜L2的口径与成像物镜L的数值孔径(或者说物方孔径角U)、被照明物方线视场2y及l2有关，从而可选择聚光镜L2。,(2) 光阑P1的口径D1,根据系统应满足拉赫不变量的要求及物镜L的物方孔径角U，有,式中，Jj为聚光镜的拉赫不变量，Jw为物镜的拉赫不变量 。 n2n1，并由图可知 ，代入上式可得,（13-3）,（13-2）,(3) 光阑P3的位置和大小,紧靠集光镜L1的光阑P3与物面AB是聚光镜L2的一对共轭面，因此由式可得,（13-4）,式中，l2即为光阑P3到聚光镜L2的距离。光阑P3的口径大小，可由放大率公式求得，即,所以,(4) 集光镜L1的计算,集光镜L1的作用是将灯丝2yo成一放大实像于光阑P1处。因此可由方程组,（由结构尺寸决定）,三式联立求解出集光镜L1的焦距和外形尺寸l、l 。,、,集光镜口径的确定应满足系统拉赫不变量的要求，即Jon0U0yo nUyJw，由此集光镜的孔径角 故集光镜的口径 从公式可以算出该系统的参数，聚光镜L2选为f2130mm的物镜，,(13-5),2光学成像系统,由图13-3可见，光学成像系统由物镜L、光阑P2和CCD器件组成。光阑P2设在成像物镜L的像方焦平面F'处。,光阑P2为系统的孔径光阑，形成物方远心光路，控制轴外物点主光线的方向，使AB在光敏面上的像点位置不变。从而消除玻璃管在拉制过程中摆动对测量精度的影响。,物镜L是影响系统成像特性的主要因素。因此，根据要求确定物镜的光学参数，以便合理地设计或选择物镜非常重要。设被测物体(玻璃管）的物方线视场为2y、线阵CCD器件像敏单元的宽度为 、像敏单元数为N、物像之间共轭距为L，则成像系统的光学参数可由以下公式求出。,(1)系统放大率 系统放大率由下式计算,（13-7）,式中， ，为玻管在CCD像敏面上所成像的尺寸。,(2) 物镜的相对孔径 (或数值孔径NA),物镜的相对孔径是由物镜的分辨率和CCD器件所需光照度的大小决定的。物镜的分辨率与CCD器件的分辨率 有关。它们之间的关系为 由物镜的分辨率可确定物镜的数值孔径为,(13-8),并由式NAnsinU和nsinU sinU分别求出物方孔径角U和像方孔径角U值。式中n和分别表示物方、像方介质折射率 。,(3) 确定物镜的焦距,解联立方程组,可求出物镜的焦距f 和成像系统的外形尺寸l 和l 值。,(4) 视场角,视场角 2,式中， ，为CCD像敏面到物镜像方焦点F的距离。,(5) 孔径光阑P2的直径D2,13.1.5对外径、壁厚的检测电路,（13-9）,(6) 物镜通光口径DL,（13-10）,根据以上有关计算，本系统选用 mm、 ， 的物镜，系统放大率 。,如何将玻璃管外径和壁厚的值提取出来是检测电路的主要任务。这里采用二值化提取方法，并采用边沿触发计数的接口电路。,1二值化电路,线阵CCD输出的视频信号中已经含有直径信息和壁厚信息，但是，必须首先将这些信息二值化，才能将这些信息以数字方式提取出来形成玻璃管的外径值和壁厚值 。,（13-11）,（13-12）,13.2 CCD的拼接技术在尺寸测量系统中的应用,13.2.1 CCD的机械拼接技术在尺寸测量中的应用,1. 单光学系统的机械拼接,如图所示为单光学系统的机械拼接方式，CCD1与CCD2可以首尾相接，也可以头对头相接。,2. 单光学系统机械拼接的误差分析,3. 多光学系统的机械拼接,4光学拼接原理,5光学拼接的技术要求,光学拼接的技术要求主要是对两个线阵CCD器件相对位置的要求。取1个线阵CCD为基准,这个基准CCD对分光棱镜有一定的平行性要求。,(1) 搭接要求,CCD2的第一个有效像元与CCD1的最末一个有效像元在X方向的距离必须等于所用CCD像敏单元的间距，否则引入如图13-10所示的拼接误差x。,(2) 直线性要求,CCD2的所有像敏单元必须与CCD1的像敏单元在同一直线上，若有偏差将引入如图13-10所示的倾斜偏差z。,(3) 共面性要求,从棱镜前方看，两个线阵CCD器件必须在同一平面上，保证它们都,6光学拼接的机械结构,在光学系统的焦面上。不共面将引起不共面误差y（垂直于图13-10平面）。 当然，线阵CCD拼接部件除满足上述拼接要求外还必须满足测量环境的要求，例如对环境温度的要求，冲击与震动的要求等。,CCD器件的焦平面光学拼接，采用立方棱镜分光和机械微调CCD的技术方案。在具体设计时，必须充分考虑以下方面。 (1) 分光棱镜 如前所述，分光棱镜是实现拼接的关键部件。因此，对分光棱镜的光学材料、角度误差、透射和反射光波段、分光的比例均有一定的要求。尤其是，分光棱镜的透射光和反射光光程应尽可能相同，确保两个CCD器件的共面性。,(2) 微调机械 拼接时，采用以CCD1作为基准，调整CCD2的方法，达到拼接所需的搭接、直线性、共面性等项技术要求。 CCD1本身相对于分光棱镜的位置应有一定要求，主要是它到棱镜的距离以及与棱镜的平行性等要求。 CCD2的调整要有5个自由度。如果这5个自由度全部用微调机构实现，装调固然方便，但结构将十分复杂，随之而来的是结构稳定性差，不容易满足工作环境的要求。为此，采用修研及微调机构结合的措施，满足了微米量级的调整灵敏度的要求，同时又有较高的稳定性。,(3) 防冲击与振动 CCD拼接部件要在室外恶劣的环境条件下使用，故必须具有防冲击与振动的能力。一种常用的方法是减振，使部件本身的自振频率很低，这就需要加入一个刚度很低的弹性环节。其结果是使部件的位置精度大大降低，显然是不合适的。 我们实际使用的办法是尽可能提高部件本身刚度，让部件的自振频率远高于外界可能的振动源的频率。在所设计的CCD拼接部件中，刚度较差的环节是CCD器件和分光棱镜的压紧弹簧。弹簧力不足，会使部件刚度差，自振频率低；弹簧力太大，又会压坏CCD器件与棱镜。所以合理的设计、精巧的装调乃是成功的关键。,(4) 克服温度变化的影响 室外使用的CCD拼接部件的工作温度范围从-40到+50。CCD拼接部件中的三个主要零件(CCD器件、分光棱镜和金属框架)的线膨胀系数有较大的差别。在设计中应注意下面问题：这两个零件应有自由伸缩的余地，以便分光棱镜与CCD器件固定后，在温度变化时不会产生较大的应力，从而保证棱镜的光学成像质量，也不使CCD器件的封装被破坏。但自由伸缩量又不能太大，以保证原来调整好的CCD器件的拼接精度。,
