线阵CCD在高精度测量系统中的照明选择

1、第 5期 2002年 9月 PRACTIC A L ME AS URE ME NT TECH NO LOGY实用测试技术 N o 15Sept 1,2002线阵 CCD 在高精度测量系统中的照明选择杨 淋 周肇飞 张 涛 晋崇九(四川大学激光应用技术研究所 , 成都 610065摘要 本文讨论了线阵 CC D 在一非接触高精度测量系统中照 明光源的选择问题 。 由于测量点多 , 要求测量速度 、 精度高 , 线 阵 CC D 又处于运动状态 , 因此在光积分时间非常短的情况下 , 对物体的照明提出了较高要求 。本文在实验基础上通过比较 多种照明光源 , 找出了满足高精度 、 的照明光源 。关键

2、词 线阵 CC D 光源 1 引言CC D 作为光电传感器由于具有灵敏度高 、 动态范围大 、 像素分划精度高等特点 , 当配以合适的光学系统可以获得很高的空间分辨率 , 因而愈来愈多地应用于 高精度非接触测量中 。 而 CC D 属于积分型器件 , 输出 电流信号既和 CC D 光敏面上的照度有关也和两次取 样的间隔时间 , 即积分时间有关 。在本文研究的高精 度测量系统中 , 要求在较短时间内完成对多孔位的精 确测量 , 以确定孔与孔之间的相对位置 , 精度要求达到 m 级 , 因此所采用 CC D 要求不仅分辨力高而且其光 积分时间要尽量短 。高分辨力的面阵 CC D (5120

3、5;5120 虽然可以满足精度要求 , 但其价格昂贵 。而线阵 CC D 具有像元数多 、 速度快 、 价格低等优点 , 采用高位 数线阵 CC D 扫描可以得到非常高的测量精度 , 因而采 用线阵 CC D 配合运动扫描机构可以实现二维图像的 扫描 。 由于要求测量时间短 , 测量精度高 , 线阵 CC D 又处于运动状态 , 因此对物体的照明提出了较高要求 。 本文在实验基础上通过比较多种照明光源 , 找出了满 足高精度测量系统测量要求的照明光源。 图 1 系统原理框图2 应用系统实验分析2. 1实验测量系统本文讨论的高精度测量系统是利用线阵 CC D 实 现对固定在多自由度转架上的球壳表

4、面多个小孔进行 扫描测量 。基本原理如图 1, 球壳上的小孔 束进入低分辨率的面阵 CC D (640×480 用于确定球壳 上的圆孔是否位于物镜中心 , 大部分成象光束透过分 光片成像于测量装置中的线阵 CC D 光敏面上 , 线阵 CC D 固定在测量装置中的机械导轨上 , 在步进电机驱动下往返移动实现二维图像扫描 。 CC D 采集卡在线阵 CC D 运动时采集 CC D 数据而光栅尺记录 CC D 每一扫描行的位置 , 并最终利用二者的数据合成图像 。图 1中轴角编码器 1,2分别用于转换球壳在 X , Y 方向旋 转的角度 , 初步确定孔与孔之间的相对位置 。为了满 足高

5、精 度 测 量 , 系 统 中 采 用 高 分 辨 力 线 阵 CC D T C D1500C , 其主要特性参数如下 :光敏象元数 :5000象元尺寸 :7m ×7m ×7m 灵敏度 :10.4V 15. 6V/lx s 光谱响应范围为 :300nm1000nm 光谱响应峰值波长为 :550nm饱和曝光度 :0.23lx s由于测量点多 , 测量精度高 , 而又要求以较高速度 自动完成测量 , 因此为了满足线阵 CC D 的测量使用要 求 , 扫描出便于识别的图像 , 在线阵 CC D 光积分时间 一定的情况下 , 通过调试照明系统的照明光源用于满 足测量要求 。 2.

6、2实验情况 2. 2. 1白炽灯普通白炽灯在 CC D 应用中常作为照明光源 。其 光通量 (或光照度 和发光效率受到白炽灯光源工作电压的影响 , 改变光源的工作电压光源的光通量 、 发光效 率将发生变化 , 电压升高光通量 、 发光效率增高 , 反之 降低 。 试验中将 60W 普通白炽灯用做光源时 , 线阵 CC D 不能扫描得到与圆孔相似的图像 , 而只是一些散02 布的点信号。 图 2 商用冷光源扫描图2. 2. 2商用冷光源由于冷光源装置内部在光出射方向有红外阻挡滤 光片 , 反射镜则是红光不反射的 , 由光缆射出的光是白 光 , 对 CC D 热噪声影响较小 。 其光源从光缆射出

7、, 源出射方向单一 , , CC D 的像面照度分布 。 描出的图如图 2(a 、(b 所示 。从图中可以看出 , 扫描 出的图像已与实物 (圆孔 相似 , 说明冷光源已基本能 满足 CC D 的光源照度要求 。但同时可以看出 , 图 2(a 、 (b 中圆孔边缘亮度层次不均匀 , 扫描出的图像在 光源入射方向亮度高 , 而反方向亮度低。 图 3 灯罩 图 4 激光光源扫描图2. 2. 3激光光源激光光源作为一种新型光源与其它光源相比有单 色性好 、 方向性强 、 光亮度高等优点 。 但从系统整体结 构以及经济方面的因素考虑 , 不可能采用专门的激光 器 (例如 He -Ne 激光器 做光源

8、, 而是采用市场上常 见的半导体激光器作光源 。为了便于固定光源 , 特设 计了一个灯罩用于将激光电筒的灯头固定在其上 (见 图 3 , 灯罩上钻的小孔位置根据光源使用方向由光强 极坐标决定的原则来确定 , 小孔中心线与灯罩底线夹 角为 22. 5°。 灯罩内部为高反射率的反射面 , 它使得光 照均匀 、 光源出射宽广 。 当用两个灯头对称照明时 , 扫 描成像如图 4。 从图 4可见 , 图像亮度极其不均匀 , 只 在两灯头入射处亮度较高 , 不利于图像处理 。同时在实验过程中发现激光灯头随着使用时间增 长 , 灯头逐渐变暗 ,这对于要求有稳定照明光源的高精图 5发光二极管扫描图度

9、测量非常不利 。2. 2. 4发光二极管发光二极管作为照明光源是在 20世纪 70年代 末 , 由于它具有体积小 , 重量轻 , 光源单色性好 , 发光亮 度高 , 发光效率高 , 亮度便于调整等优点 , 目前正广泛 运用于数字仪表显示和 CC D 应用技术中 。发光二极 管作为半导体光源 , 它的光谱分布与半导体光电接收 器 (CC D 光谱响应相匹配 , 这既能节省能量又能减少 多余能量而造成的热稳定性差以及杂光过大等不利影 响 。 针对 T C D1500C 的特性 , 本实验选用红光发光二 极管 , 其基本参数如下 :发光效率 :0.95lm/V 正常工作电压 :2.8V 光谱峰值波长

10、 :632nm工作电流 :20mA正常情况下光强 :4500mcd6000mcd为了固定二极管 , 仍采用前述激光光源调试时用 的灯罩 。 当用 4个发光二极管以角差 90°均分照明在 球壳表面的情况下扫描出的图像见图 5(a 。从图 5(a 可见 ,4个发光二极管扫描出的图像较暗 , 边缘不 易识别 , 光源亮度不够 。 当采用 8个发光二极管 , 均匀 照明扫描成像图见 5(b 。对比图 5(a 可以看出 , 图 5(b 明暗对比强烈 、 边缘比较清晰 , 其圆孔边缘亮度分 布均匀 , 易于进行边缘识别 。而若去掉其中的一个二 极管 , 扫描出的图像见图 5(c , 在去掉二极管

11、的方向 扫描出的图像较暗 , 整个图像的亮度也降低 。必须指出的是 , 发光二极管发光强度 (V 与电流(n 成正比与电压 (U 成指数关系为 :V =V n=V 0exp (qU/kT 因此很小的电压变化便会对发光二极管的光强引起较 大的波动 。 当采用发光二极管较多时 , 这种波动对扫 描出的图像质量影响尤其明显 。图 5(d 为在实验初12 期输入电源在没有串联限流电阻的情况下 , 电源不稳 定引起个别发光二极管出现闪动时扫描出的图像 , 图 像中出现许多不易于边缘识别的光带 (图 5(d 中的多 条横线 , 而当串联了限流电阻后发光二极管不易闪 动 , 扫描出的图像见图 5(b 。2.

12、 3实验结果分析通过以上实验 , 对比各种光源可以得出以下结论 : (1 普通白炽灯作照明光源 , 无法使其亮度满足本 系统中线阵 CC D 扫描时光积分时间短的照度要求 。 (2 冷光源装置内部虽然能够扫描出圆孔图像 , 但 由于其结构限制 , 使得图像亮度不均匀 , 不易进行图像 处理 。 因此冷光源装置不能满足系统高精高测量要 求 。(3 半导体激光器光源由于其亮度极高 ,点光源 , ,较高 , ,短 , 易损坏 , 性价比低 ,系统的照明光源 。(4 发光二极管虽然亮度高 、 发光效率高 , 但当采 用 4个发光二极管时其亮度不能达到 CC D 的照度要 求 , 因而不能生成便于处理的

13、图像 。当采用 8个发光 二极管 , 其亮度均匀 , 光强大 , 扫描出的图像便于处理 。 考虑到发光二极管发光亮度高 , 发光效率高 , 光出 射方向宽广 、 性价比低以及满足系统光源要求 , 最终选 择了 8个发光二极管作光源 。3 结束语可见 , 对于测量精度要求高 、 测量点多 , 又要求以 较高速度自动完成测量的高精度测量系统 , 照明光源 对于线阵 CC D 起着至关重要的作用 , 它是满足测量系 统精度要求的关键之一 。 在实际应用中应注意以下几 点 。(1 CC D 的光(3 照明光源的发光效率 、 光亮度要高 。参 考 文 献1 王庆有 , 孙学珠 . CC D 应用技术 .

14、 天津大学出版社 ,19922 敏通科技 . 99,123 周太明 . 光源原理与设计 . 复旦大学出版社4 王惠民 . 光学仪器信号转换技术 . 北京理工大学出版社水银血压计常见故障的修理张 瑾(青海红十字医院质管科 , 西宁 810000 对用于医疗卫生方面的血压计与人民的健康密切 相关 , 国家已列入为强制检定的工作计量器具之一 。 水银式血压计是医院医疗工作中最基础的医疗器械 , 由于医院使用血压计频繁 , 常常会由于受各种外界因 素的影响和血压计本身的变化 (如外界的机械振动 、 汞 氧化和蒸发 、 各部位的磨损 等因素 , 所以故障率也较 高 , 根据发生故障的情况不同 , 经常出

15、现的故障及修理 方法如下 :1 漏气水银柱打起气来 , 没关闭气阀时 、 下降较快 , 说明 有漏气 。 有如下几个部位 :橡皮管 、 袖袋 (气囊 、 后气 阀等部位 。 维修 :分段检查 , 首先捏紧贮汞瓶上的橡皮 管 , 观察测头部门是否漏气 , 如不漏气则检查橡胶臂带 (开胶或老化开裂 是否漏气 , 再检查加压气球 (后凡尔 进气阀漏气 , 放气阀销子弹簧 (锥形顶针 磨损 , 然后 对漏气部位进行修理或更换 。 2 玻璃管内水银柱出现气泡或呈断条状(1 由于使用完血压计没有关闭汞瓶阀门 , 水银外 溢造成的 。 维修 :补加水银 , 校准 。 (2 由于外界环境 因素 , 玻璃管内有灰尘或汞瓶内有内锈所造成 。 维修 :关闭汞瓶 , 将玻璃管用石棉条擦玻璃管内壁 , 用清水冲 洗汞瓶 ,