大视场面阵CCD显微测量仪

　　1　引　言

　　以CCD为像感器的光电检测技术迅猛发展,已成为现代光电子技术和现代测量技术中最活跃、最有成效的新兴领域之一。该技术在微观方面的应用也屡见报端。但CCD显微图像系统多采用线阵CCD和步进电机相结合的机械扫描方式[1]来提高分辨率和测量范围,其缺点是成本高、稳定性能低、不能随机定位,不便观察动态图像。在测量光学条纹中,为了提高测量精度、减小误差,往往需要多条纹、高级次。有的研究者也采用面阵CCD进行显微测量[2],尽管精度较高,但往往视场较小,很难胜任需要观测大范围的场合。通常的工业检测中所需的纵向精度仅为λ/4～λ/6。多要求能满足一定的精度、大的视场和低的成本。本研究将在前人的基础上进行改进,采用照相系统代替传统的显微物镜,将待测物体成像,仅利用CCD的电子放大能力将图像在监视器上放大输出,通过图像处理技术来补偿扩大视场所造成的图像细节分辨率的下降,从而扩大了视场,降低了成本。

　　2　系统组成与原理

　　本装置中光学系统将显微图像成像在CCD的靶面上,将所得的视频信号在图像采集卡中进行A/D转换、比例缩放等处理后,再通过PCI总线送往显示器动态显示,最后通过图像处理达到对物体的自动测量的目的。系统框图见图1。

　　由于本系统不采用线阵CCD和步进电机进行扫描,既要对微小物体成像,又要大视场,并希望有足够的分辨率。这些对立的矛盾要求我们必须精心设计光路、合理选用元器件和设计有效的图像处理算法。现就系统设计中的几个主要方面作以下探讨。

　　2.1　光学系统的设计

　　CCD前端成像镜头采用显微物镜,必然导致视场小于CCD的像元尺寸,故在此采用照相系统代替显微系统,在常见照相镜头前加一中继透镜。物体AB经透镜L1成一正立、放大的虚像于A′B′处,照相物镜L2再对A′B′成倒立缩小的实像于A″B″处,该处也正是CCD靶面所在的位置。可看成是物镜L2对虚像A′B′成像,光路如图2。

　　由图中几何关系可知

　　图中,L是中继透镜L1与照相物镜L2的间距(即光学筒长,可据需要事先确定);f1和f2分别是透镜L1和L2的焦距(F1、F2分为焦点);2ω是照相镜的视角;U、V分别是L2的物距和像距;AB便是所能观测到的视场范围(也据需要事先确定);A″B″是成像大小,其最大值不得超过CCD的像元尺寸;S为工作距离。为使A′发出的光不受遮拦成像,则L1的通光孔径MN必须小于d(光学筒的内径),由(3)可得

　　故一旦镜头L2选定,所需的视场被事先确定,则工作距离S、中继透镜L1的焦距f1也便可被唯一确定。