CCD圖像測量的基本原理

被測對象的光信息通過光學(xué)系統(tǒng)，在CCD的光敏面元上形成光學(xué)圖像，CCD器件把光敏元上的光信息轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成比例的電荷量。用一定頻率的時鐘脈沖對CCD進(jìn)行驅(qū)動，在CCD輸出端得到被測對象的視頻信號。視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應(yīng)著該光敏元所接收的光強(qiáng)強(qiáng)弱，而信號輸出的時序則對應(yīng)CCD光敏元位置的順序。通過后續(xù)處理線路對CCD輸出的視頻信號進(jìn)行二值化或者量化處理后，將被測目標(biāo)從背景中分離出來，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和分析做準(zhǔn)備。

圖(a)是典型的線陣CCD測長系統(tǒng)的原理示意圖。整個測量過程包括：光學(xué)成像、圖像信號輸出、二值化處理確定圖形輪廓、測定輪廓間的像素數(shù)、通過計(jì)算或?qū)嶒?yàn)確定脈沖當(dāng)量并按測量公式計(jì)算被測尺寸。整個系統(tǒng)的工作波形如圖(b)所示。

圖 線陣CCD測長系統(tǒng)

和電視測量不同，CCD攝像測長方法不是通過空間與時間變換，根據(jù)時序脈寬來計(jì)算物體尺寸，而是直接計(jì)數(shù)圖形脈寬間所包含的像素數(shù)目。這可以從下列測量公式的推導(dǎo)中看出。

(1)光學(xué)成像關(guān)系

設(shè)被測物高為Y，像高為y，則

y=βY

式中，β=f/(L-f)，β為光學(xué)系統(tǒng)放大倍數(shù)。

(2)空問變換關(guān)系

在CCD像面上，有確定尺寸的像素按線陣排列，相當(dāng)于光電刻尺和被測像高比對。若像高占據(jù)的像素數(shù)為N，則有

y=NIo

式中，凡為像素沿線陣方向的尺寸，凡通常為7～13μm。