CCD圖像測(cè)量的基本原理

被測(cè)對(duì)象的光信息通過(guò)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(shí)鐘脈沖對(duì)CCD進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在CCD輸出端得到被測(cè)對(duì)象的視頻信號(hào)。視頻信號(hào)中每一個(gè)離散電壓信號(hào)的大小對(duì)應(yīng)著該光敏元所接收的光強(qiáng)強(qiáng)弱，而信號(hào)輸出的時(shí)序則對(duì)應(yīng)CCD光敏元位置的順序。通過(guò)后續(xù)處理線路對(duì)CCD輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行二值化或者量化處理后，將被測(cè)目標(biāo)從背景中分離出來(lái)，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(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)的原理示意圖。整個(gè)測(cè)量過(guò)程包括：光學(xué)成像、圖像信號(hào)輸出、二值化處理確定圖形輪廓、測(cè)定輪廓間的像素?cái)?shù)、通過(guò)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)確定脈沖當(dāng)量并按測(cè)量公式計(jì)算被測(cè)尺寸。整個(gè)系統(tǒng)的工作波形如圖(b)所示。

圖 線陣CCD測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)

和電視測(cè)量不同，CCD攝像測(cè)長(zhǎng)方法不是通過(guò)空間與時(shí)間變換，根據(jù)時(shí)序脈寬來(lái)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?cái)?shù)目。這可以從下列測(cè)量公式的推導(dǎo)中看出。

(1)光學(xué)成像關(guān)系

設(shè)被測(cè)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(wèn)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(cè)像高比對(duì)。若像高占據(jù)的像素?cái)?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。